滑块厚度综合检测平台控制系统软件部分论文

本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 37 页 目次 1、绪论 . 3 1.1 选题背景及意义 . 3 1 2 国内外的应用现状 . 3 1.3 本文的主要工作 . 4 2 滑块厚度检测系统的整体结构 . 5 2 1 检测对象 . 5 2 2 测量传动机构 . 5 2 3 滑块的检测原理 . 6 2 4 分类机构 . 7 3 检测平台的控制系统设计 . 8 3 1 控制系统的工艺要求 . 8 3 2 系统的控制要求 . 9 3 3 控制系统的 I/O 点及地址分配 . 9 3 4 PLC 系统的选型 . 11 3 5 控制系统的硬件组成 . 11 3.6 控制系统与上位机的通信接口 . 12 4 控制系统的软件设计 . 13 4 1 上位机软件 . 13 4 2 PLC 控制软件 . 15 4 2 1 PLC 主控软件设计 . 15 4 2 2 步进电机的开环运动控制 . 16 4 2 2 1 前级驱动步进电机的输出特性 . 16 4.2.2.2 前级驱动部分步进电机驱动器的特性 . 16 4.2.2.3 分类步进电机的矩频特性 . 17 4.2.2.4 分类步进电机控制器特性 . 18 4 2 2 5 PLC 对步进电机的控制方法 . 18 4 PLC 与工控机的通信设计 . 23 4 PLC 控制软件的功能设计 . 25 4.2.4.1 主程序 Main . 25 4.2.4.2 初始化程序 Initial . 26 4.2.4.3 分类子程序 Micro_SORT . 26 4.2.4.4 Run_Motor1 . 27 4.2.4.5 Stop_Motor1 . 27 4.2.4.6 报警程序 Alarm . 28 4.2.4.7 自启动子程序 Reset . 28 5 系统的可靠性设计 . 29 5.1 系统接地 . 29 5.2 接近开关 . 29 5.2.1 接近开关的主要功能 . 29 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 37 页 5.2.2 接近开关的定位精度 . 30 5.3 PLC 的输出端保护 . 31 5.4 SSR 及电机的保护 . 31 5.5 分类口分布的优化设计 . 31 5.6 软件的优化设计 . 32 5.7 系统联调 . 32 6 全文总结 . 33 结论 . 34 致谢 . 35 参考文献 . 36 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 37 页 1、绪论 1.1 选题背景及意义 滑块是空气压缩机及空调中的一个关键性部件，其几何尺寸、表面粗糙度、形位公差等精度的高低，严重影响空调制冷制热效果的好坏。如今随着市场对空调及空气压缩机需求的扩大，对滑块的需求量也越来越大，精度要求也越来越高。目前，在加工生产后，主要依靠人工检测的方法，对滑块是否合格进行检验。由于检测精度很高，人工检测的方法存在检测速度慢、效率低、人为因素影响大等问题，检测成为制 约生产的关键性一环。为此，研制了这套滑块自动化检测系统。 1 2 国内外的应用现状 可编程控制器 (PLC)是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它将计算机技术、自动控制技术和通讯技术融为一体，成为实现单机、车间、工厂自动化的核心设备。 PLC 的控制功能由简单的逻辑控制、顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制，并将微机的数据处理能力强和网络通信能力也集成在一起，成为自动化领域的三大技术支柱 (PLC、机器人、 CAD/CAM)之一 1。 随着微电子技术的发展， PLC 的功能更加完善和丰富，但成本却在下降 。目前在国内外， PLC 已广泛应用于钢铁、采矿、建筑、石油、化工、电力、机械制造、汽车、纺织、环保和娱乐等行业 16。 在工业自动化应用方面，广泛使用 PLC 实现运动控制、过程控制、顺序控制、数据处理和与其它智能控制设备组成分布式控制系统的通信网络。在现场控制领域， PLC以其抗干扰能力强、可靠性高、结构简单和通用性强的特点，广泛用于实现生产过程的自动化。 在机电系统中， PLC 作为底层控制命令的执行者，执行管理层的命令。尤其是在工业生产过程中，控制驱动系统比如：电机控制，具有控制精确性高、使用方便的优点。例如： 有的使用 PLC 对机床主轴实现脉动定位控制，实质是对电动机进行脉动控制。通过使电动机的转速稳定在一个较低的平均速度下实现主轴定位，大大提高了定位系统的可靠性，取得很好的定位效果 19。有的以交流异步电动机的 PLC 逻辑控制、位置控制、过程控制、变频控制、数据处理和数据通信的典型应用实例，阐述了 PLC在交流异步电动机自动化控制领域的广泛应用和重要作用 20。有的使用 PLC 对三相异 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 37 页 步电机进行控制，提高了可靠性，减小了控制电路的体积 21。 还有很多文章是基于 PLC 的计算机集散控制系统 22。计算机集散控制系 统 (简称DCS)， DCS 以其分散控制、集中监控的独特优势迅速得到了企业界的认可，并得以大规模的推广应用。 DCS 采用分级递阶结构，即从系统工程出发，考虑功能分散、危险分散、提高可靠性、强化系统应用灵活性、减少设备的复杂性与投资成本。尤其在一些流程工业复杂控制对象的控制中，计算机集散控制系统的作用十分明显。利用 PLC构成集散控制系统，将计算机管理能力强的优点与 PLC 成本低、控制功能强的特点结合起来，取得了良好的效果。 将 PLC 应用于生产过程的监控，也是 PLC 的重要应用之一 23。运用计算机控制技术与 PLC 和回 路调节器相配合，按照工艺流程的要求，对整个生产线中的各种电机、阀门等开关和温度、压力、液位等模拟量进行检测控制。用计算机对生产工序进行自动监控和管理提高了企业的生产管理水平和竞争能力。 在本项目中， PLC 作为直接的控制命令执行者，不但要对系统运行过程中的各种状态进行检测，还要精确控制后级分类机构电机的输出相位。因此、这就需要对 PLC的输出进行编程。在 Simens 公司生产的 S7-200 系列小型 PLC 中，专门集成了针对步进电机的控制方式 PTO（高速脉冲输出）。这样，只需要用户软件编程就实现了对步进电机的精确 控制，大大简化硬件电路的构成 24。 1.3 本文的主要工作 依据滑块厚度检测的工艺和检测方法，本文主要在以下几个方面展开了工作： （ 1） 根据系统的控制功能要求设计控制系统的总体方案，并对其可行性进行分析并论证； （ 2） 设计控制系统的硬件电路，并分析硬件的可靠性和安全性； （ 3） 设计和编制控制系统的软件，并通过现场调试证明软件设计的合理性和完善性； （ 4） 定义完善的 PLC 与上位机的通信协议，并在调试种对其完整性和合理性进行分析验证； （ 5） 对步进电机的性能进行分析，设计较为合理的步进电机控制方案。 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 37 页 2 滑块厚度检测系统的整体结构 2 1 检测对象 滑块是空调和空气压缩机中的一个关键部件。本系统所要检测的对象 滑块的正面形状如图 2.1 所示： 图 2.1 滑块 滑块在检测过程中主要检测滑块的厚度、两表面的平行差等参量。经研究讨论设计为检测每一表面的两对角线上三个点作为判定依据，计算滑块是否合格，并根据厚度、平行差是否超限分为七类（详细分类见 4.2.2）。 对滑块的平面度和厚度检测有一定要求，测量精度较高，测量分辨率要求达到 0.1 m。测量传感器采用密封式光栅位移传感器，测量精度达到 0.025 m，满足测量精度的要求。 其几何尺寸如 图 2.2 所示： 图 2.2 滑块的几何尺寸 2 2 测量传动机构 测量传动机构主要有测量平台和传动机构组成。其整体结构如图 2.3 所示。 机械结构是整个检测平台的基体。图 2.3 中， 1 是测量传感器安装位置； 2 是传动轮； 3是出料口。测量平台是整个测量用的定位基准面。传动机构采用同步齿形带与相应类型的带轮配合，并在齿槽中套接滑块外夹具固定滑块完成滑块在流水线上的测量传 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 37 页 送。在测量完毕后，在出料口，由于滑块的自身重力，而脱离夹具，并由滑道传送至分类机构。夹具布满整个工作导轨，并随传动带循环运动，滑块从入料口进入传 送轨道，在某一时刻必定有一夹具与之配合。 图 2.3 测量传动机构 2 3 滑块的检测原理 测量平台分为上下两层，滑块随传送带运动，分别检测其上下表面。测量平台是滑块几何量测量的基准，为避免测量平台的精度引入测量误差，测量平台的表面加工精度远高于滑块的表面要求精度。滑块的检测原理如下： 图 2.4 滑块的检测原理 滑块测量过程中，滑块相对于工作台以速度 V 作滑动运动。为保证传送过程中的平稳性，避免传动机构的振动引入附加的测量误差，造成测量结果的失真。传动装置采用同步带传送，并在测量传感器前加 装加紧装置，避免传送带的跳动引入额外的测量误差，从而大大减少了传动机构对测量过程的影响。滑块的每一表面要测量两对角线上五个点（中心交叉处可看作一个）。因此 ,滑块在运动中不但要做 1 度旋转，还要翻转 180 度。在测量平台上刻画合适的曲线使滑块完成旋转 1 角度（见其他人的论文）。 滑块的 180 度翻转，则通过设计流水线的空间结构来实现。如图 2.4 所示，滑块出料口 V 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 37 页 随传送带运动到下面的测量平台时，刚好翻转了 180 度。 2 4 分类机构 滑块通过一个滑道传送至分类机构。分类机构是 带开口的匀质圆盘，可绕其中心轴转动，在开口槽的两侧 沿圆周方向均匀分布 7个出口。在圆盘中心处安装吸力电磁铁。在圆盘开口处连接分类滑道，每一个滑道装有一个接近开关（记为分类完成信号），共有七个。 分类机构由 PLC 依据接收到的分类信息控制步进电机旋转相应的角度，将滑块分类出去。 PLC 对分类电机的控制是通过 PTO（高速脉冲串输出）的方式。 PTO 方式中，可输出多个脉冲串，并允许脉冲串排队，以形成管线。依据管线的实现方式分为单段管线和多段管线。本系统中采用多段管线的方式，通过在变量存储区建立包络表的方式，控制输出脉冲的周期和脉冲数，从而达到对步进电机的速度和转动角度精 确控制的目的。其结构如图 2.5 所示。 在分类的过程中， PLC 通过对安装在系统中的感应开关来判断分类过程中的各种状态。如：滑块到达、定位信号、分类完成等等。如果发现非正常状态，则向工控机发出相应的报警信号告知工作人员，以方便排除故障。 图 2.5 分类机构 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 37 页 3 检测平台的控制系统设计 滑块厚度综合检测平台主要由自动检测平台、分类机构和控制部分三部分组成。本系统是基于微机 -PLC 模式构成的一个集散控制系统。一般来说，集散控制系统可分为三层。顶层是管理层，其任务是实现对整个系统的管理工作。 中间层为集中监控层，其任务是实现对整个系统的监视、控制、调度等工作。底层是分散执行层。其任务是完成局部的控制工作。在本系统中，工控机作为监控管理层承担了顶层和中间层的任务； PLC 作为控制执行层，承担底层控制任务。工控机把管理决策、控制任务、控制参数和调度命令通过通信电缆传送给控制层 PLC， PLC 也要通过电缆把控制过程的参数、控制进程和控制数据传送给管理层。整个系统的功能框图如图 2.1 所示。 图 3.1 控制系统功能框图 3 1 控制系统的工艺要求 由前面测量原理所述，滑块在工作台上要完成 旋转、翻转，而这些通过设计滑块的导轨曲线来实现（详细设计见其他人的论文）。因此，控制系统主要完成驱动电机的速度的控制和调节。对于步进电机来说，改变输出脉冲的频率就可以完成。输出频率受电机的输出转矩和传感器检测精度的限制，需要在调试过程中加以确定（见4.2.2）。 滑块的分类依靠分类电机输出不同的相位来区分，其分类号由上位机给出。因此，要精确控制电机的输出脉冲数目以及频率。脉冲数目关系到输出的角度；频率的大小关系到分类的速度。主要考虑选用合适的频率使电机能够在不失步的情况下，频率最大，也就是分类最快是系统设计 的重点。同样需要调试过程中确定。 PC/PPI 控制信号 分类控制信号 位控信息 传动控制 传感器信号 传动测量机构 工 控 机 RS-232 PLC RS485 分类控制系统 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 37 页 3 2 系统的控制要求 为使整个系统完成滑块的检测、传送和正确分类，要求系统应具有如下功能： (1)能确保滑块在流水线上稳定传送，保证滑块按进入系统的先后形成的队列传送，并且要充分保证队列的有序性和完整性。 (2)前级传动机构的速度不应快于后级分类机构，且至少应保证在分类机构没有完成分类时，没有滑块进入分类机构。 (3)保证分类机构能够自动复位，当步进电机失步时，分类机构能够自动复位。 (4)当出现有多于一个滑块进入分类机构时，要告知工作人员系统故障，同时，能判断分类电机的工 作是否正常，输出角位移是否正确。 (5)系统应有一定的容错能力，当出现一般性错误时，系统能够自我修复，不影响系统的正常工作。当出现严重错误时，能够提示错误的可能种类或者故障的大致方位。 (6)滑块的检测速度至少应达到 3s/个，每天至少要检测 1万片。 3 3 控制系统的 I/O 点及地址分配 控制系统的输入和输出信号的名称、代码及地址编号如表 I 所示。当有输入信号时为 1，无信号输入时为 0。 表 I 输入输出分配 名称 代码 地址编号 输入 急停（中 断输入1） I1 I0.0 中断输入 2 I2 I0.1 :分类一完成信号 IC1 I0.2 分类二完成信号 IC2 I0.3 分类三完成信号 IC3 I0.4 分类四完成信号 IC4 I0.5 分类五完成信号 IC5 I0.6 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 37 页 分类六完成信号 IC6 I0.7 分类七完成信号 IC7 I1.0 滑块到达信号 IA1 I1.1 启动信号 IS1 I1.2 传感器 1 启动监测信号 1 IT1 I1.3 传感器 2 启动监测信号 2 IT2 I1.4 传感器 3 启动监测信号 3 IT3 I1.5 传 感器 4 启动监测信号 4 IT4 I1.6 滑块重叠信号 IR1 I1.7 定位信号 IP1 I2.0 停止信号 IS1 I2.1 手动输入 I3 I2.2 备用 I2.3 I2.7 输出 电机 1 脉冲输出 OP1 Q0.0 电机 2 脉冲控制 OP2 Q0. 1 电机 2 正反转控制 OD1 Q0.2 电磁铁吸放 OD2 Q0.3 状态正常指示 ODS1 Q0.4 报警指示 OAD1 Q0.5 分类错误报警 OAD2 Q0.6 滑块堆积报警 OAD3 Q0.7 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 37 页 传感器 1 感应到滑块到达 指示 OA1 Q1.0 传感器 2 感应到滑块到达指示 OA2 Q1.1 传感器 3 感应到滑块到达指示 OA3 Q1.2 传感器 4 感应到滑块到达指示 OA4 Q1.3 报警铃 ALA Q1.4 备用 Q1.5Q1.7 3 4 PLC 系统的选型 由前述分析可以看出，系统共有开关量输入 18 个、高速脉冲输出 2 个、其他输出 11 个。如果选用 CPU224，则必须扩展输入模块。考虑到控制系统的程序较复杂、需要存储空间较大。而且，市场价格 CPU224（选用 CPU224 和扩展模块的价格）与CPU226 相差不大，况且 考虑到本系统只是厚度检测，还要高度、平行度等检测系统，构成网络化检测系统是一个发展趋势。选有两个通信口的 CPU226 更加合理。 3 5 控制系统的硬件组成 滑块厚度检测系统的控制系统硬件采用微机 -PLC 模式，工控机是整个控制系统的核心，完成检测数据采集、计算、控制处理检测过程中的各种问题和提供人机交互的界面； PLC 是底层的控制执行核心，驱动执行机构完成各种控制命令。他们之间的接口就是通信协议。因此，制定完善、详细的通信协议不管是调试、还是系统的运行，在整个控制系统中是很重要的。整个控制系统执行核心是 PLC，其 电路原理图如图 3.3所示。 PLC 的输入开关量主要是接近开关， PLC 通过安装在系统各部分的接近开关判断系统的状态，并做出处理。对电机的控制通过步进电机驱动器完成， PLC 提供步进电机运行脉冲和方向，通过其高速脉冲输出口实现对步进电机的控制。报警电路采用声光报警的方式，蜂鸣器可以直接由 PLC 驱动，报警灯则是发光二极管串接电阻实现。由于电磁铁要求 220AC 驱动，对电磁铁的控制通过固态继电器实现。 PLC 与上位机的通信通过 PC/PPI 电缆连接。 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 37 页 控制系统电路连接如图 3.2 所示： 图 3.2 试验连接电路 其硬件电路原理如图 3.3 所示： 图 3.3 系统电路原理图 3.6 控制系统与上位机的通信接口 控制系统与上位机的通信主要通过 PLC 的通信口实现。由于 PLC 的通信口采用的是 RS-485 标准，而工控机的串行口是 RS-232 标准，因此要使用 RS-232/PPI 多主站电缆连接。 RS-232/PPI 多主站电缆支持 1200b 至 115.2k 的波特率。本系统采用的PC/PPI 电缆只支持 9600bps 的波特率（详见 4.2.3）。 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 37 页 4 控制系统的软件设计 4 1 上位机软件 上位机软件完成滑块检 测传感器的检测和数据处理，并给出滑块的分类。上位机是整个检测系统的管理核心，直接与用户进行交流。它能够完成参数设定、状态显示、控制系统运行等功能。上位机软件采用面向对象的 windows 应用程序，用 Bland C+编译器编写，具有精美的人机交互界面和多级菜单设计，操作十分简单。可在 Windows 98/2000/xp 下运行，具有很好的可扩充性、可维护性和可靠性。 整个软件分为三个子功能：滑块标定、检测和参数浏览，其界面如图 4.1-图 4.3所示。 图 4.1 滑块检测系统标定界 面 在标定界面中，可以完成滑块标准块的检测，并将其值作为标准值。在正常检测过程中，通过与标准值的比对，以判断滑块是否合格。滑块的检测采用相对测量的方法，传感器本身有一个悬空值，滑块的厚度等于检测值与相对量之和。每次检测前，都要对系统进行标定，以获得标准值。同时，这样可以减少一由于传感器触头磨损带来的累积误差。传感器的测头使用过一段时间后，就要更换。 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 37 页 图 4.2 滑块检测系统检测界面 在检测界面中，实时显示了当前检测滑块（刚检测完成但是还没有完成分类）的参数，如：厚度、平行差和分类值。 在右边的栏目里，记录了各个分类口的历史数据 滑块的数量。右上角的统计功能可以统计所检测的滑块概率分布，即每一种滑块在整个分类滑块中比重。同过这些数据可以显示所生产的滑块在哪些方面存在问题，以此改进生产工艺。 图 4.3 滑块检测系统参数浏览界面 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 37 页 在参数浏览界面，显示了系统的初始状态、当前工作人员的信息。在使用过程中，为了避免多用户使用过程中，对系统的设定的非故意更改造成系统工作故障。软件设计为多权限设计，管理员拥有最高权限，可以更改初始设定、系统的通信设置、运行速度控制等，适合对系统 具有很深的了解的工作人员。标准用户权限则只能够检测和浏览参数的功能，适合普通的工作人员。这样，增强了系统的安全性和方便性。 4 2 PLC 控制软件 PLC 控制软件采用 STEP7-Micro/WIN32 编程软件编写。 STEP7-Micro/WIN32 编程软件是基于 Windows 的应用软件，由西门子公司专门为 S7-200 系列可编程控制器设计开发。它功能强大，主要为用户开发程序使用，同时也可以实时监控程序的执行状态。上位机软件和 PLC 控制软件通过定义统一的通信协议完成双方的信息交换、状态指示等。 4 2 1 PLC 主控软件设计 PLC 控制软件采用模块化设计，将主要的功能划分为几个子程序。这样不但提高了程序的执行效率，而且便于修改和扩充，易于升级。 PLC 控制软件结构上可分为主程序 Main、正常分类程序 Micro_Sort、自动复位程Reset、初始化程序 Inistall 和错误及故障报警程序 Alarm 等。各子程序统一由主程序依据工控机或外部命令决定其是否被调用。 系统上电后，首先调用初始化程序完成对整个系统的初始化及各感应开关的扫描，并依此判断系统状态是否正常。如否，则向工控及发出初始化失败信息，并等待操作人员处理； 如正常，则在初始化完成后，向工控机发出准备就绪信号，工控机收到后，启动系统工作。 工作过程中， PLC 不断扫描各感应开关，监控整个系统的工作状态，当有滑块到达分类机构依据工控机发出的分类信号，控制分类机构将滑块分类出去。由于多个分类的存在，可能出现因电机失步而导致误分类。因此，在弹出滑块后， PLC 要依据分类信息和收到的分类完成信号，判断他们是否一致。如一致，则表明分类正确；否则应报警，告知分类错误，同时中止系统的运行。 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 37 页 4 2 2 步进电机的开环运动控制 4 2 2 1 前级驱动步进电机的输出特性 在本系统中 ，在前级驱动部分主要使用了四通公司的 86BYG250C 这种步进电机作为整个测量传动部分的动力来源。其矩频特性如图 4.4 所示： 图 4.4 前级驱动步进电机的矩频特性 由机械部分的计算可知，传动部分需要的力矩为 4.6N*m（详细计算见其他人论文），传动级减速器的减速比为 1/10，安全系数为 5。因此，对应的电机运行的上限频率为 5k 左右。 4.2.2.2 前级驱动部分步进电机驱动器的特性 本系统前级驱动部分采用的驱动器为四通的 20806N-D。本驱动器在继承四通电机公司以往驱动器细分技术 的基础上首次引入了全新的动态智能电流控制技术，从而大大改善了电机电流的控制精度，进一步降低了力矩的脉动，提高了细分的精度，并且可以将电机的损耗降低 30%，达到减小电机温升的效果。并具有更宽的电压电流范围可以满足更多的应用场合；通过动态智能控制 模式可以根据实际的运行工况寻得最优的控制方式。其接线方式采用共阴极接法，如图 4.5 所示： 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 37 页 图 4.5 前级驱动器接线 驱动器的细分设定为 16 细分，工作电流 6.2A。其脉冲由 PLC 的 Q0.0 提供，方向固定， 24VDC 供电。电机的运行频率需要在试验中 调节。 4.2.2.3 分类步进电机的矩频特性 分类步进电机采用四通公司的 56BYG250 作为分类机构的动力源，其矩频特性如图 4.6 所示。 图 4.6 分类步进电机的矩频特性 分类步进电机的矩频特性关系到输入脉冲的频率和系统对电机输出力矩的要求。输入脉冲的频率越高，电机的分类时间越少。同时，其输出力矩就越小。因此，在控 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 37 页 制中要充分考虑分类时间与输出力矩之间的平衡。由本系统机械设计部分的要求，知所需输出力矩为 0.473N*m，安全系数 5，电机减速器的减速比 1/5，对应步进电机的上限工作频率为 4k。 4.2.2.4 分类步进电机控制器特性 分类电机的驱动器采用 20803N，其功能与 20806N-D 类似。只是采用的接线方式有所不同，如图 4.7 所示： 图 4.7 分类电机驱动器接线 分类电机驱动器设定为 16细分，工作电流 2.3A。电机旋转的脉冲由 Q0.1控制输出，方向由 Q0.2依据分类的不同而给出。 信号从高到低的下跳变被驱动器解释为一个脉冲，此时驱动器将按照相应的时序驱动电机运行一步。脉冲低电平的持续时间不应少于 300ns。此驱动器的信号最高响应频率为 2MHz，过高的输入频率将可能得不 到正确响应。 输入方向信号时， 方向端的高电平和低电平被解释为电机运行的两个方向，信号的改变将使电机运行的方向发生变化。该端悬空被等效认为输入高电平。在应用中要注意一点是，应确保方向信号领先脉冲信号输入至少 10 s建立，从而避免驱动器对脉冲的错误响应，在编程中需要特别留意（详细解决方法见附件程序）。 4 2 2 5 PLC 对步进电机的控制方法 使用 PLC 的 PTO 模式用于开环位置控制主要考虑步进电机的最大速度MAX_SPEED 和启动 /停止速度 SS_SPEED。如图 4.8 所示 （ 1） MAX_SPEED：该数值是应用 操作中的最大值，它应在电机力矩能力的范 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 37 页 围内，驱动负载所需的力矩由摩擦力、惯性力及加速减速时间决定。 图 4.8 最大速度和启动 /停止速度 （ 2） SS_SPEED：该数值满足电机在低速时驱动负载的能力，如果 SS_SPEED 的数值过低，电机在运动的开始或者结束时可能会摇摆或颤动。反之， SS_SPEED 的数值过高，电机会在启动时丢失脉冲，引起失步，并且在停止时会使电机过载。 因此，基于以上分析，将电机的运行速度 频率，定为 1k。对滑块的分类控制，归结为对步进电机输出脉冲数的控制。同时，由分类口的安 排可知，分类的角度（相对于基准零位置）如下： 表 II 分类角度 类别 说明 度数 分类一 厚度合格、平行差合格 +30 分类二 厚度合格、平行差超差 -30 分类三 厚度超上限、平行差合格 +60 分类四 厚度超上限、平行差超差 -60 分类五 厚度超下限、平行差合格 +90 分类六 厚度超下限、平行差超差 -90 分类七 备用出口 +120 每一个分类所需的脉冲数计算公式为： pn i0 （ 1） n 脉冲数； i 分类角； 0 步距角； 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 37 页 p 减速比； 细分数。 每一个分类所需时间的计算公式： xMM tNTNTTt 2102 （ 2） T0 启动频率； TM 运行频率； N1 加速阶段脉冲数； N2 运速阶段脉冲数； tx 电磁铁探出滑块的时间，典型值 0.5s。 对于分类步进电机，由前述可知， 0 为 1.8， p 为 1/5， 为 16。对于分 类一 /二步进电机的输出脉冲为 1334。 分类一： 转动正（负） 30 度，分类二的输出脉冲不变，方向反相。其输出脉冲控制如图 4.9 所示。 t1 是加速时间， t2 是匀速运动时间， tx是滑块弹出时间。 所用时间：（ 117*100+225*25） *2+500000=1096250us 图 4.9 分类一（分类二反相）的输出脉冲 表 III 分类一 /二的包络表 V变量存储器 各块名称 实际功能 参数名称 参数值 VB500 段数 决定脉冲输出串 总包络段 3 VW501 段 一 电机加速 初始周期 150us VW502 周期增量 -2us 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 37 页 VD505 输出脉冲 25 VW509 段二 电机匀速 初始周期 100us VW511 周期增量 0 VD513 输出脉冲 1284 VW517 段三 电机减速 初始周期 100us VW519 周期增量 2us VD521 输出脉冲 25 编程时，只需要将包络表的首地址赋值给 SMW168， PLC 的 PTO 模式即可根据设定脉冲串输出。步进电机依据脉冲按分类号输出包络表所确定的波形转动相应角度，到位后 ，弹出滑块。置反向位，再次输出此波形即复位。 由图 4.10 所示， 对应 60 度，输出脉冲为 2667。 分类三 / 四 ： 转 动 正 （ 负 ） 60 度， 所 用 时 间 ：（ 283*100+225*25 ）*2+500000=1926250us， 其输出脉冲控制如图 4.7 所示。 图 4.10 分类三（分类四反相）的输出脉冲 表 IV 分类三 /四的包络表 V变量存储器 各块名称 实际功能 参数名称 参数值 VB525 段数 决定脉冲输出串 总包络段 3 VW526 段一 电机加速 初始周期 150us VW528 周期增量 -2us VD530 输出脉冲 25 VW534 段二 电机匀速 初始周期 100us VW536 周期增量 0 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 37 页 VD538 输出脉冲 2617 VW542 段三 电机减速 初始周期 100us VW544 周期增量 +2 VD546 输出脉冲 25 分类五 /六， 对应 90 度，输出脉冲为 4000， 所用时间：（ 450*100+225*25）*2+500000=2761250us， 其输出脉冲控制如图 4.11 所示。 图 4.11 分类五（分类六反相）输出脉冲 表 V 分类五（分类六）包络表 V变量存储器 各块名称 实际功能 参数名称 参数值 VB550 段数 决定脉冲输出串 总包络段 3 VW551 段一 电机加速 初始周期 150us VW553 周期增量 -2us VD555 输出脉冲 25 VW559 段二 电机匀速 初始周期 100us VW561 周期增量 0 VD563 输出脉冲 3950 VW567 段三 电机减速 初始周期 100us VW569 周期增量 +2 VD571 输出脉冲 25 分类七， 对应 120 度，输出脉冲为 5334， 所用时间为（ 617*100+225*25）*2+500000=3596250us， 其输出脉冲控制如图 4.12 所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 37 页 图 4.12 分类七输出脉冲 表 VI 分类七的包络表 V变量存储器 各块名称 实际功能 参数名称 参数值 VB575 段数 决定脉冲输出串 总包络段 3 VW576 段一 电机加速 初始周期 150us VW578 周期增量 -2us VD580 输出脉冲 25 VW584 段二 电机匀速 初始周期 100us VW586 周期增量 0 VD588 输出脉冲 5284 VW592 段三 电机减速 初始周期 100us VW594 周期增量 +2 VD596 输出脉冲 25 4 PLC 与工控机的通信设计 S7-200CPU 支持多样的通信协议。根据所使用的 S7-200 CPU，网络可以选择支持一个或多个协议，包括通用协议和公司专用协议。专用协议包括点到点接口协议（ PPI）、多点接口协议（ MPI）、 Profibus 协议、自由通信接口协议和 USS 协议。 PPI通信协议是西门子专门为 S7-200系列 PLC开发的一个通信协议，主要应用于对 S7-200的编程、 S7-200 之间的通信与 HMI 产品的通信。 MPI 协议用于组建 S7-200、 S7-300和 S7-400 的组成网络，在此网络中， S7-200 只能作为从站。 Profibus 协议通常用于实现分布式 I/O 设备（远程式 I/O）的高速通信。自由通信接口协议可以通过用户程 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 37 页 序对通信口进行操作，自己定义通信协议。 USS 协议指令可以方便的实现对变频器的控制。在本系统中，主要实现 PLC 与计算机的通信，因此，选择自由口通信协议作为通信方式。 PLC 与工控机的通信采用串行口通信，由于 PLC 的通信口是 RS-485 标准，而工控机是 RS-232 标准。因此，二者的连接通过 RS-232/PPI 多主站电缆进行连接。RS-232/PPI 多主站电缆支持 1200b 至 115.2k 的波特率，在使用时，当 RS-232 传输线从空闲状态切换到接收模式时，需要一个时间周期，这个时间周期定义为电缆的转换时间。转换时间随波特率的不同而不同，对于 9600b，转换时间为 2.0ms。 在本系统中，通过设计确定通信双方的数据和通信格 式，如波特率、奇偶校验、停止位等。通信单位定义为 2 个字节，第一个字节为数据字节，第二个字节是握手信号回车符 0D。 通信格式定义： 通信双方以一个字节为通信帧，其定义如下： A7A6:高两位为特征位。 00: 表示为正常分类状态。 01：表示为控制代码。 10：错误种类。 11：备用。 特征位（ 2 位） 数据位（ 6 位） 具体代码意义如下： 00H：分类系统准备好（分类系统向上位机发送信息）。 01H：滑块分类 1； 21H:分类 1 完成。 02H：滑块分类 2； 22H:分类 2 完成。 03H：滑块分类 3； 23H:分类 3 完成。 04H：滑块分类 4； 24H:分类 4 完成。 05H：滑块分类 5； 25H:分类 5 完成。 06H：滑块分类 6； 26H:分类 6 完成。 07H：滑块分类 7； 27H:分类 7 完成。 A7 A6 本科毕业设计说明书（论文） 第 25 页 共 37 页 40H：测试标定程序。 41H：启动电机 1（传送电机）。 42H：停止电机 1（传送电机）。 43H：响铃。 PLC 收到后，报警铃发出振铃指示。 44H：报警灯闪烁。 45H；报警灯长明。 46H；报警灯熄灭。 47H：停止响铃。 81H：滑块堆积报警。 指在分类口有超过 1 个滑块进入分类滑道，将出现错误分类 。 82H：分类错误报警。 指在不可预测状态下出现误分类错误。 83H：初始化失败报警。 指系统初始化过程中，出现异常情况。 84H：传感器 1 启动监测信号 1 ,发送给上位机以启动检测。 85H：传感器 2 启动监测信号 2，发送给上位机以启动检测。 86H：传感器 3 启动监测信号 3，发送给上位机以启动检测。 87H：传感器 4 启动监测信号 4，发送给上位机以启动检测。 88H：系统复位指令，当 PLC 收到该指令后，将重新初始化系统，使系统恢复到初始状态。 4 PLC 控制软件的功能设计 4.2.4.1 主程序 Main 主程序 Main 在 PLC 上电后，在第一个扫描周期调用初始化子程序对系统进行初始化。完成后，向上位机发送信息，告知系统正常；否则，发出警告，系统初始化失败，等待处理。 初始化程序主要完成系统初始化，各感应开关的扫描、通信口的初始化等。主程序在运行中不断扫描 I0.2I1、 1 I1.3I1.7 有无信号，通信口的波特率、通信地址、校验位等，各子程序的调用依据上位机的控制信息。完成后，主程序依据上位机的控制 本科毕业设计说明书（论文） 第 26 页 共 37 页 信息，选择是否启动传送电机。其程序流程如下图 4.13： 图 4.13 主程序流程 图 梯形图程序限于篇幅，没有附在论文正文中，见附件，以下同。 4.2.4.2 初始化程序 Initial 初始化程序 Initial 在 PLC 第一次上电时执行， 完成分类电机的驱动包络表的建立，传动电机的初始化、启动速度、各感应开关的状态扫描、中断的打开、连接和通信口的初始化等。 4.2.4.3 分类子程序 Micro_SORT 分类程序 Micro_Sort 通过接收上位机的信息和各感应开关的状态将滑块分类出去，是整个程序功能的核心部分。在分类过程中，通过安装在系统不同部位的感应开关判别滑块分类的状态。同时，判断滑块分 类是否正确。并将分类过程的信息传送给上位机。其程序流程如图 4.13 所示。为了确保分类过程的正确性，程序设计为双重验证的方式。第一次验证是在滑块分类完成时， PLC 依据分类号和分类完成信息判断其是否一致；第二次验证在上位机，每一个分类完成时， PLC 都将对应的分类完成信息N Y Y N 系统上电，初次扫描，调用初始化程序。 是否完成？ 向上位机发送初始化 失败，启动报警。 中断处理 启动自启动程序 I2.0=1？ 读通信口 分类信息 控制信息 分类子程序 启动 /停止传动电机。 急停、报警 本科毕业设计说明书（论文） 第 27 页 共 37 页 图 4.14 分类子程序流程图 返回给上位机。上位机在滑块检测过程中建立分类队列，此队列是滑块检测顺序队列，是滑块在检测过程中的标识。上位机收到返回信息后，再次检验分类号与分类完成信息是否一致，如一致则表明 一次分类正确完成。梯形图程序见附件。 4.2.4.4 Run_Motor1 启动电机 1。系统初始化完毕后，可以正常工作时，就启动电机 1。 4.2.4.5 Stop_Motor1 停止电机 1。出现致命的错误时，或者必要时暂时中断检测流水线。 N Y Y 初始化分类电机的PTO 控制字。 I1.1&I2.0=1，并根据分类号判断电机的方向。 依据分类号装载包络表，启动分类电机。 分类完成？ N 弹出滑块。 分类与分类完成是否一致？ 分类错误报警。 向上位机发送分类正确完成 电机复位，并返回 本科毕业设计说明书（论文） 第 28 页 共 37 页 4.2.4.6 报警程序 Alarm 报警时电器自动控制中不可缺少的重要环节。报警程序设计的好坏直接关系到系统的安全性和可靠性。当系统有错误发生时，及时有效的报告给现场的工作人员及时处理是系统容错设计的重要方面。标准的报警应该是声光报警。当故障发生时，报警指示灯闪烁，报警电 铃或蜂鸣器鸣响。操作人员知道故障后，按消音按键，把电铃关掉，报警指示灯从闪烁变为长亮。故障消失后，报警灯熄灭。对报警指示灯来说，一种故障对应一个指示灯，但系统只有一个报警铃。同时，当一种故障产生时，按下消铃键后，不影响其它故障的发生。本系统设计为由上位机控制报警灯的熄灭、闪烁、长亮和报警铃的响、停（见通信设计）。其控制流程如图 4.14。 图 4.14 报警子程序 程序见附件。 4.2.4.7 自启动子程序 Reset 当系统发现无定位信号、无分类信号、电机 2 空闲时则启动复位。此时，电机应处于零位 置。自启动程序会在系统初始化和 PLC 的每一次扫描过程中自动找寻定位，是系统自我调整的重要部分。 读取状态字节 ,区分错误种类。 脉冲产生电路 初始化失败错误 滑块分类错误 滑块堆积错误 本科毕业设计说明书（论文） 第 29 页 共 37 页 5 系统的可靠性设计 5.1 系统接地 在整个电器控制系统中，接地是抑制干扰使系统可靠工作的主要方法。接地有两个目的，一是消除各电流流经公共地线阻抗时所产生的噪声电压；而是避免磁场与电位差的影响。正确的接地是一个重要而复杂的问题，理想的情况是一个系统的所有接地点与大地之间的阻抗为零，但是很难做到。因此，一般的接地过程要求如下： （ 1）接地电阻应小于 4； （ 2）具有足够的机械强度； （ 3）具有耐腐蚀及防腐 处理； （ 4）可编程控制器单独接地。 在可编程控制器系统中常见的地线有： （ 1）数字地 也叫逻辑地，是各种开关量（数字量）信号的零电位； （ 2）模拟地 是各种模拟量信号的零电位； （ 3）信号地 通常为传感器的地； （ 4）交流地 交流供电电源的地线，这种地线是产生噪声的地； （ 5）直流地 直流供电电源的地； （ 6）屏蔽地 机壳地，为防止静电感应和磁场感应而设置的地。 本系统中，由于使用的是普通照明用电供电，交流地就是供电电源的地。直流地是三个开关电源的地线，系统中的 PLC、接近开关、电机、电机驱动 控制器等使用的都是 24VDC 电源供电。从功率因素和接地考虑， PLC 和接近开关共用一个电源并共地，接近开关输出为数字量可以认为是数字地；两个电机和其驱动器，每一组用一个电源，将两地线再连在一起。 5.2 接近开关 5.2.1接近开关的主要功能 接近开关是本系统中使用最多的传感器。在工业环境中，主要使用接近开关来 检验距离 、 尺寸控制 、 检测物体存在有否 、 转速与速度控制 、 计数及控制 、 检测异常 、 本科毕业设计说明书（论文） 第 30 页 共 37 页 计量控制 、 识别对象 、 信息传送 等。广泛用于 检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测自动装卸时堆物高度；检测物品的长、宽、高 和体积。检测生产包装线上有无产品包装箱；检测有无产品零件 ； 控制传送带的速度；与各种脉冲发生器一起控制转速和转数 ； 检测生产线上流过的产品数；检测包装盒内的金属制品缺乏与否；区分金属与非金属零件；检测计量器、仪表的指针范围而控制数或流量等。 5.2.2 接近开关的定位精度 本系统中使用的接近开关是 电感式接近开关 ， 又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频 率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。 在本系统中，作为定位信号的接近开关的定位距离、方位必须精确控制，否则将产生复位误差。其原理如下： 图 5.1 接近开关的响应分析 接近开关设计为分类圆板的下面，在与其同圆周上贴一铁片作为定位信号。在定位过程中，当接近开关感应到铁片时，接近开关给出信号， PLC 则停止分类电机，定位过程完成。在调试过程中发现，接近开关并不是在于铁片同圆心的位置响应，如图5.1 所示。这样，在不同方向旋转后，由于定位信号给出的位置 不一致存在定位误差 S。限于条件，由于没有找到接近开关的感应特性的资料，不能定量分析其感应距离、感应强度与金属物面积的关系。但是，多次试验表明，在相同距离下，感应开关的响应与接近开关与铁片的接触面积有关。如图 5.1 的（ 2）所示，铁片面积变小时， S 也变小。但是，铁片面积太小，感应开关的响应不到。因此，只要适当选择铁片面积，使 本科毕业设计说明书（论文） 第 31 页 共 37 页 定位误差 S 在允许范围内即可。 5.3 PLC 的输出端保护 PLC 是专门为工业环境而设计的控制设备，但是在连接电感性负载时，为了防止负载关断产生的高电压对 PLC 的输出点的损害，应对输出点加以保 护电路。保护电路的主要作用是抑制高电压的产生。在负载为交流感性负载时，在负载两端并联阻容吸收电路；为直流感性负载时，在负载两端并联续流二极管或齐纳管加以抑制。 5.4 SSR 及电机的保护 在分类的弹出执行机构中，电磁铁需要 220VAC 供电，因此，采用一个 SSR（固态继电器）来实现 PLC 对电磁铁的驱动。电磁铁的吸合频率要求达到 1200 次 /分，如果对 SSR 不加保护，很容易对 SSR 造成损害。因此，在 SSR 的输出端并联一压敏电阻，对电磁铁的瞬间浪涌电流进行吸收。 步进电机在运行过程中，如果传动系统被卡死，很容易因过 载烧毁。因此，在步进电机驱动电路中串联一个过载保护继电器。当电机过载时，立刻切断电源，从而达到保护电机安全的目的。 5.5 分类口分布的优化设计 滑块的分类采用不同的分类角度予以区分。因此，存在不同的分类就具有不同的分类角度，其分类时间也就不同。为了表述方便，把任一滑块的分类时间 Ti 称为单次分类时间，而分类的理论时间 TE 称为平均分类时间。他们之间存在如下关系： iiiE PTT71 （ 3） 0 fT ii （ 4） 其中 Pi 是第 i 种分类在总体中的概率， f 是电机的运行频率， i 是第 i 种 分类的分类角， 0 是步距角。在本系统中选取的步距角是 1.8。 Pi 是由试验确定，对于工厂的生产来讲， Pi 是常数。为了减少分类平均时间只能减少 Ti，增大 f 来减少平均分类时间。 Ti 的减少可以通过以下两个途径： 1、提高分类电机的分类速度。分类速度的提高，可以 通过增大输出脉冲的频率，这样就增大了电机的旋转速度，电机的输出力矩就随之减少。而且，受到滑块与转盘 本科毕业设计说明书（论文） 第 32 页 共 37 页 摩擦力的限制。当电机的选转速度增大到一定程度，启动加速度所需的力大于滑块的摩擦力时，滑块就有脱离转盘的危险。同时受电机输出力矩的限制，输出脉冲频率就不能太大，电机的旋转速度不会太高。 2、合理分布滑块的分类角度。通过实验确定每一种分类的概率分布，将最大概率的分类布置在电机旋转角度最小的位置，这样同样可以减少分类的时间。 电机的运行频率 f 受输出转矩的影响，在不影响输出转矩的情况下可以考虑采用变频的控制方法。对不同 的分类角度采用不同的恒速运行频率，以减少分类时间。对于各分类的概率分布，初始假定 Pi 均相等，在调试完成后通过检测的滑块选取适当的样本，通过试验确定（限于时间限制，在毕业设计之时，不能完成这个试验。试验设计和数据的处理在系统安装调试成功后完成）。 5.6 软件的优化设计 系统的软件随着各种功能的不断添加，有必要对其各个子程序进行优化设计，以避免其功能的叠加和冲突。在最初的软件设计中，将主程序设计为依据程序的状态、上位机通信指令的内容对各子程序的调用，而整个系统的初始化则专门使用初始化子程序来进行。但是，一些功 能是随着程序的执行而变化的，尤其对电机的起停、运行模式的变更等。这种集中初始化的方式并不适用。因此，只将设定 PLC 工作方式不变的部分，如通信口初始化、包络表的建立、中断的连接和打开的初始化放在初始子程序中，而将电机工作方式的选择初始化放在每一个子程序调用前执行。 5.7 系统联调 经过近半年的设计、选型、系统搭建和机械部分的加工，在今年的 5 月份对系统进行了初步的联机调试。整个控制系统基本完成预期的功能，达到了最先设计的目的。分类过程中，电机运行平稳可靠，无失步现象，结果令人满意。同时还发现，滑块在传送至分类 机构时，由于系统中采用的滑道是依靠重力作用， PLC 的响应速度比滑块的速度快，可能出现滑块错落的现象。因此，需要在编程时增加延时来解决。 本科毕业设计说明书（论文） 第 33 页 共 37 页 6 全文总结 滑块是空调及空气压缩机中的一个关键性部件。本 文介绍了滑块厚度综合检测平台的整体结构，控制系统的硬件，设计了控制系统的软件，并对系统的可靠性进行了分析设计，对系统中存在的一些问题提出了自己的见解和解决方案。主要体现在以下几个方面： （ 1） 对滑块厚度综合检测平台的整体结构进行了分析介绍； （ 2） 搭建了检测平台控制系统的硬件电路，不对其可靠性、抗干扰性进行了分析，尤其是对影 响 PLC 软件工作的因素进行了分析，并提出了解决方案； （ 3） 依据检测系统的工艺流程，设计并编制了控制系统的软件。对软件的功能完善性、可行性、运行可靠性进行了分析，在调试过程中，不断地改进完善了软件的功能； （ 4） 对步进电机的运行特性进行了分析，设计了较为可靠的控制方案，初步达到了预期的控制目的； （ 5） 分析了接近开关的特性，尤其是对分类机构定位精度的影响进行了探讨，基本解决了定位精度的问题。 虽然这个控制系统在调试过程中，较为圆满的完成了预期的控制目的，但是对于接近开关的感应特性没有获得定量的试验数据，因此不能完全消除分类机 构的定位误差和状态检测中信号的捕获问题，这不能不说是一个遗憾。 本科毕业设计说明书（论文） 第 34 页 共 37 页 结论 本文主要设计了滑块厚度综合检测平台的控制系统，以西门子公司 S7-200 系列PLC 和工业控制计算机为核心，将 PLC 驱动能力强、高可靠性、优良的性价比、使用方便等特点与工业控制计算机数据处理能力强、人机界面友好、管理水平高的特点结合起来，构成了滑块厚度综合检测平台测控系统，实现了滑