PLC控制步进电机(论文).doc

1 常州机电职业技术学院 毕业设计 论文 作 者 林明治 学 号 41021111 系 部 电气工程系 专 业 电机与电器 题 目 PLC 控制步进电机 指导者 莫莉萍 评阅者 2013 年 4 月 2 毕业设计 论文 中文摘要 详细讨论步进电机的工作原理及其特性和基于 s7 300PLC 的控制技术 论 述了步进电机的 PLC 控制系统的设计方案及其控制原理 PLC 简单易学 可靠性 高 步进电机是一种常用的机电执行元件 可靠性高 成本低 实用性强 具有较 高的通用性和应用推广价值 步进电动机突出的优点是它可以在宽广的频率范 围内通过改变脉冲频率来实现调速 快速起停 正反转控制等 并且用其组成 的开环系统既简单 廉价 又非常可靠 因此在众多领域有着极其广泛的应用 关键词 步进电机 S7 300PLC PLC 3 毕业设计 论文 外文摘要 TitleTitle PLC control of stepping motor AbstractAbstract This paper introduces the principle and the control step motor and the motion control technology based onS7 300 PLC Step motor is a common electro mechanic actuator and the related drive and control circuits influence its over and high power transistors higher reliability lower cost and more versatile and it is worth to be promoted The advantages of stepping motor are regulating rate quickly rise stop positive reverse controlling and brake etc by changing the frequency of pulse The stepping motor opening ring system is simple cheap stability and reliability therefore its application is very extensive in many realm Key words Step motor S7 300PLC PLC 4 目录 1 绪 论 6 1 1 设计的背景和意义 6 1 2 步进电机的工作原理 8 1 3 系统设计的目标 9 2 步进电机的分类 基本结构 10 2 1 步进电机的分类 10 2 2 步进电机的基本结构 11 2 3 步进电机主要特点 11 2 4 步进电机在工业控制领域的主要应用情况介绍 12 2 5 西门子 PLC 对步进电机的控制方法 12 2 6 PLC 直接控制步进电机 13 2 7 步进电机动态指标及术语 15 3 CPU 步进电机的选择 16 3 1 CPU 的选择 16 3 2 三相反应式步进电机选择 17 4 软件设计 19 4 1 STEP7 概述 19 4 2 STEP 7 的硬件接口 19 4 3 STEP 7 的编程功能 20 4 4 STEP 7 的硬件组态与诊断功能 20 4 5 STEP7 项目的创建 21 4 6 和本设计 S7 300 相关指令设计介绍 25 4 7 程序介绍 32 4 8 程序讲解 34 结论 35 致谢 35 参考文献 36 5 1绪论绪论 近年来 数控机床及数控技术得到了飞速发展 在柔性 精确性 可靠性和宜 人性等方面的功能越来越完善 已成为现代先进制造业的基础 数控就是数字 控制 数控技术在机床行业应用得多 就是依靠数字 电脑编程 来控制机床 具有效率高 精度高等主要特点 数控技术是指用数字 文字和符号组成的 数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术 它所控制的通常是位置 角度 速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量 数控的产生依赖于数据 载体和二进制形式数据运算的出现 1908 年 穿孔的金属薄片互换式数据载体 问世 19 世纪末 以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明 1938 年 香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输 奠定了现代计算机 包 括计算机数字控制系统的基础 数控技术是与机床控制密切结合发展起来的 1952 年 第一台数控机床问世 成为世界机械工业史上一件划时代的事件 推 动了自动化的发展 现在 数控技术也叫计算机数控技术 目前它是采用计算 机实现数字程序控制的技术 这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行 对设备的控制功能 由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置 使输入数据的存贮 处理 运算 逻辑判断等各种控制机能的实现 均可通过 计算机软件来完成 1 11 1 设计的背景和意义设计的背景和意义 步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机 传统电 动机作为机电能量转换装置 在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键 的作用 可是在人类社会进入自动化时代的今天 传统电动机的功能已不能满 足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求 为适应这些要求 发 展了一系列新的具备控制功能的电动机系统 其中较有自己特点 且应用十分 广泛的一类便是步进电动机 步进电动机的发展与计算机工业密切相关 自从步进电动机在计算机外围 设备中取代小型直流电动机以后 使其设备的性能提高 很快地促进了步进电 6 动机的发展 另一方面 微型计算机和数字控制技术的发展 又将作为数控系 统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域 如电加工机床 小功率机械加 工机床 测量仪器 光学和医疗仪器以及包装机械等 任何一种产品成熟的过 程 基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程 现在 步进电动机的发展已 归结为单段式结构的磁阻式 混合式和爪极结构的永磁式三类 爪极电机价格 便宜 性能指标不高 混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机 由于混合式 步进电动机具有控制功率小 运行平稳性较好而逐步处于主导地位 最典型的 产品是二相 8 极 50 齿的电动机 步距角 1 8 0 9 全步 半步 还有五 相 10 极 50 齿和一些转子 100 齿的二相和五相步进电动机 五相电动机主要用 于运行性能较高的场合 到目前 工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见 步进电动机最大的生产国是日本 如日本伺服公司 东方公司 SANYO DENKI 和 MINEBEA 及 NPM 公司等 特别是日本东方公司 无论是电动机性能和 外观质量 还是生产手段 都堪称是世界上最好的 现在日本步进电动机年产 量 含国外独资公司 近 2 亿台 德国也是世界上步进电动机生产大国 德国 B L 公司 1994 年五相混合式步进电动机专利期满后 推出了新的三相混合式步 进电动机系列 为定子 6 极转子 50 齿结构 配套电流型驱动器 每转步数为 200 400 1000 2000 4000 10000 和 20000 它具有通常的二相和五相步进 电动机的分辨率 还可以在此基础上再 10 细分 分辨率提高 10 倍 这是一种 很好的方案 充分运用了电流型驱动技术的功能 让三相电动机同时具有二相 和五相电动机的性能 与此同时 日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步 进电动机 该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机 即 HB 型 混合式 RM 性 定子和混合式相似 转子则同永磁式环形磁铁相似 和 爪极 PM 型 将三相步进电动机同二相步进电动机进行比较后显示 1 在获得小步距角方面 三相电动机比二相电动机要好 2 S 三相电动机的两相励磁最大保持力矩为 3T1 T1 为单相励磁转矩 而二 相电动机为 2T1 所以三相电动机的合成力矩大 3 三相电动机的转矩波动比二相电动机要小 4 三相电动机连续 2 步用于半步的转矩差比二相电动机的要小 7 5 三相电动机绕组可以星形连接 三个终端驱动 励磁电路晶体管 6 个 而二 相电动机是 8 个 6 连续运转时 由于三相步进电动机结构原因 磁通和电流的三次谐波被消除 了 所以三相电动机的振动力矩比二相电动机的要小 结论是显而易见的 另 外的结论是 HB 型电动机更适合于低速大转矩用途 RM 型适用于平稳运行以及 转速大于 1000R MIN 的用途 而 PM 型成本低 在低转速时的振动和高转速时的 大转矩方面 三相 PM 型电动机比两相电动机的性能要好 因此 当前最有发展 前景的当属混合式步进电动机 而混合式电动机又向以下四个方向发展 发展趋势一 随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化 要求与之配套的电动机也必须越来越小 在 57 42 机座号的电动机应用了多年 后 现在其机座号向 39 35 30 25 方向向下延伸 瑞士 ESCAP 公司最近还研 制出外径仅 10MM 的步进电动机 发展趋势之二 是改圆形电动机为方形电动机 由于电动机采用方型结构 使得转子有可能设计得比圆形大 因而其力矩体积比将大为提高 同样机座号 的电动机 方形的力矩比圆形的将提高 30 40 发展趋势之三 对电动机进行综合设计 即把转子位置传感器 减速齿轮等 和电动机本体综合设计在一起 这样使其能方便地组成一个闭环系统 因而具 有更加优越的控制性能 发展趋势之四 向五相和三相电动机方向发展 目前广泛应用的二相和四相 电动机 其振动和噪声较大 而五相和三相电动机具有优势性 而就这两种电 动机而言 五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂 因此三相电动机系统的 性能价格比要比五相电动机更好一些 我国的情况有所不同 直到 20 世纪 80 年代 一直是磁阻式步进电动机占统 治地位 混合式步进电动机是 80 年代后期才开始发展 至今仍然是二种结构类 型同时并存 尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机 但磁阻 式电动机的整机获得了长期应用 对于它的技术也较为熟悉 特别是典型的混 合式步进电动机的步距角 0 9 1 8 与典型的磁阻式电动机的步距角 0 75 1 5 不一样 用户改变这种产品结构不是很容易的 这就使得两 种机型并存的局面难以在较短时间内改变 这种现状对步进电动机的发展是不 8 利的 1 21 2 步进电机工作原理步进电机工作原理 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制 并将电脉冲信号转换成相应的角 位移或线位移的执行机构 由于受脉冲的控制 其转子的角位移量和速度严格地 与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比 通过控制脉冲数量来控制角位移量 从 而达到准确定位的目的 通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 通过改变通电顺序 从而达到改变电机旋转方向的目的 总结来说 步进电机主要具有以下一些工作特性 1 输入脉冲数严格的和电机的角位移成正比 电机运转一周后没有积累误差 因此具有良好的跟随特性 2 由于其良好的跟随特性 步进电机可以与驱动器电路组成开环数字控制系 统 同时 也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统 3 步进电机的动态响应快 易于启动和停止 正反转和变速 4 速度可以在相当宽的范围内平滑调节 在低速动作状态下仍能保证获得大 的转矩 1 31 3 系统设计的目标系统设计的目标 本设计是采用是 S7 300 控制三相六拍的反应步式步进电机 通过软件设计 移位脉冲频率来控制步进电机的慢速 中速 快速 移位寄存器指令 MW0 的低 八位按照三相六拍的步进顺序进行赋值来控制步进动机的正反转 步进电机是 一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件 步进电机的输出位移量 与输入脉冲个数成正比 其速度与单位时间内输入的脉冲数 即脉冲频率 成正 比 其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关 所以只要控制脉冲 的数量 频率及电机绕组通电的相序 便可控制步进电机的输出位移量 速度 和方向 步进电机具有较好的控制性能 其启动 停车 反转及其它任何运行 方式的改变都可在少数脉冲内完成 且可获得较高的控制精度 因而得到了广 泛的应用 步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件 步进电机具有转子惯量低 定位精度高 无累积误差 控制简单等特点 已成 为运动控制领域的主要执行元件之一 步进电机是机电一体化的关键产品 广 9 泛应用在各种自动化控制系统和机电一体化设备中 随着微电子和计算机技术 的发展 步进电机的需求量与日俱增 在各个行业的控制领域都将有广泛应用 而现在的可编程控制 Programmable Logic Controller 通常称 PLC 是一种 工业控制计算机 具有模块化结构 配置灵活 高速的处理速度 精确的数据 处理能力 多种控制功能 网络技术和优越的性价比等性能 能充分适应工业 环境 简单易懂 操作方便 可靠性高 是目前广泛应用的控制装置之一 PLC 对步进电机也具有良好的控制能力 利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能 即可实现对步进电机的控制 利用 PLC 控制步进电机 其脉冲分配可以由软件 实现 也可由硬件组成 2 2 步进电机的分类 基本结构步进电机的分类 基本结构 2 12 1 步进电机的分类步进电机的分类 1 永磁式步进电机一般为两相 转矩和体积较小 步进角一般为 7 5 度或 15 度 2 反应式步进电机一般为三相 可实现大转矩输出 步进角一般为 1 5 度 但噪声和振动都很大 3 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点 它又分为两相和五相 两相步进角一般分为 1 8 度而五相步进角一般为 0 72 度 这种步进电机的应 用最为广泛 三相反应式步进电机的结构如图所示 定子 转子是用硅钢片或其他软磁材 料制成的 定子的每对极上都绕有一对绕组 构成一相绕组 共三相称为 A B C 相 三相反应式步进电机的结构图 10 在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿 采用适当的齿数配合 当 A 相 磁极的小齿与转子小齿一一对应时 B 相磁极的小齿与转子小齿相互错开 1 3 齿距 C 相则错开 2 3 齿距 如图所示 A 相通电定转子错开示意图 2 22 2 步进电机的基本结构步进电机的基本结构 2 2 1 电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号 电机所转动的角度 电机出厂时给出 了一个步距角的值 这个步距角可以称之为 电机固有步距角 它不一定是电 机实际工作时的真正步距角 真正的步距角和驱动器有关 2 2 2 步进电机的相数 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数 目前常用的有二相 三相 四相 五相步进电机 电机相数不同 其步距角也不同 一般二相电机的步距角为 0 9 1 8 三相的为 0 75 1 5 五相的为 0 36 0 72 在没有细 分驱动器时 用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求 如果使用细分驱动器 则 相数 将变得没有意义 用户只需在驱动器上改变 细分数 就可以改变步距角 2 2 3 保持转矩 HOLDING TORQUE 保持转矩是指步进电机通电但没有转动时 定子锁住转子的力矩 它是步进电 机最重要的参数之一 通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩 由于步进 电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减 输出功率也随速度的增大而变化 所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一 比如 当人们说 2N m 的步进电机 在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N m 的步进电机 2 2 4 钳制转矩 DETENT TORQUE 11 钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下 定子锁住转子的力矩 由于反应式 步进电机的转子不是永磁材料 所以它没有 DETENT TORQUE 2 32 3 步进电机主要特点步进电机主要特点 1 一般步进电机的精度为步进角的 3 5 且不累积 2 步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点 步进电机 温度过高时会使电机的磁性材料退磁 从而导致力矩下降乃至于失步 因此电 机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点 一般来讲 磁性 材料的退磁点都在摄氏 130 度以上 有的甚至高达摄氏 200 度以上 所以步进 电机外表温度在摄氏 80 90 度完全正常 3 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 当步进电机转动时 电机各相绕组 的电感将形成一个反向电动势 频率越高 反向电动势越大 在它的作用下 电机随频率 或速度 的增大而相电流减小 从而导致力矩下降 4 步进电机低速时可以正常运转 但若高于一定速度就无法启动 并伴有啸叫 声 步进电机有一个技术参数 空载启动频率 即步进电机在空载情况下能够正常 启动的脉冲频率 如果脉冲频率高于该值 电机不能正常启动 可能发生丢步 或堵转 在有负载的情况下 启动频率应更低 如果要使电机达到高速转动 脉冲频率应该有加速过程 即启动频率较低 然后按一定加速度升到所希望的 高频 电机转速从低速升到高速 2 42 4 步进电机在工业控制领域的主要应用情况介绍步进电机在工业控制领域的主要应用情况介绍 步进电机作为执行元件 是机电一体化的关键产品之一 广泛应用在各种家电 产品中 例如打印机 磁盘驱动器 玩具 雨刷 震动寻呼机 机械手臂和录 像机等 另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中 由于通过控制脉 冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移 且步进电机的误差不积累 可以达到准确定位的目的 还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速 和加速度 达到任意调速的目的 因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控 制系统中 2 52 5 西门子西门子 PLCPLC 对步进电机的控制方法对步进电机的控制方法 12 在本设计中直接使用 PLC 控制步进电机 可使用 PLC 产生控制步进电机所需要 的各种时序的脉冲 例如三相步进电机可采用三种工作方式 三相单三拍 三 相双三拍 三相单六拍 本设计采用三相六拍 三相单三拍工作方式 三相双三拍工作方式 三相单六拍工作方式 2 62 6 PLCPLC 直接控制步进电机直接控制步进电机 可根据步进电机的工作方式 以及所要求的频率 步进电机的速度 画出 A B C 各相的时序图 并使用 PLC 产生各种时序的脉冲例如 本设计采用西 门子 S7 300PLC 控制三相步进电机的过程 三相单六拍正向时序图 2 6 1 反应式步进电机原理 2 6 1 1 结构 电机转子均匀分布着很多小齿 定子齿有三个励磁绕阻 其几何轴线依次分别 与转子齿轴线错开 0 1 3 2 3 相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 表示 即 A 与齿 1 相对齐 B 与齿 2 向右错开 1 3 C 与齿 3 向右错开 2 3 A 与齿 5 相对齐 A 就是 A 齿 5 就是齿 1 如图 13 定转子的展开图 2 6 2 旋转 三相如 A 相通电 B C 相不通电时 由于磁场作用 齿 1 与 A 对齐 转子不 受任何力 以下均同 如 B 相通电 A C 相不通电时 齿 2 应与 B 对齐 此 时转子向右移过 1 3 此时齿 3 与 C 偏移为 1 3 齿 4 与 A 偏移 1 3 2 3 如 C 相通电 A B 相不通电 齿 3 应与 C 对齐 此时转子又向右 移过 1 3 此时齿 4 与 A 偏移为 1 3 对齐 如 A 相通电 B C 相不通电 齿 4 与 A 对齐 转子又向右移过 1 3 这样经过 A B C A 分别通电状态 齿 4 即齿 1 前一齿 移到 A 相 电机转子向右转过一个齿距 如果不断地按 A B C A 通电 电机就每步 每脉冲 1 3 向右旋转 如按 A C B A 通电 电机就反转 由此可见 电机的位置和速度由导电次数 脉冲数 和频率成一一对应关系 而方向由导电顺序决定 不过 出于对力矩 平稳 噪音及减少角度等方面考 虑 往往采用 A AB B BC C CA A 这种导电状态 所以本设计采用三相六拍 这样将原来每步 1 3 改变为 1 6 甚至于通过二相电流不同的组合 使其 1 3 变为 1 12 1 24 这就是电机细分驱动的基本理论依据 不难推出 电机定子上有 m 相励磁绕阻 其轴线分别与转子齿轴线偏移 1 m 2 m m 1 m 1 并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制 这 是步进电机旋转的物理条件 只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的 步进电机 出于成本等多方面考虑 市场上一般以二 三 四 五相为多 2 6 3 力矩 电机一旦通电 在定转子间将产生磁场 磁通量 当转子与定子错开一定角 度产生力 F 与 d d 成正比 其磁通量 Br S 其中 Br 为磁密 S 为导 磁面积 F 与 L D Br 成正比 L 为铁芯有效长度 D 为转子直径 Br N I RN I 为励磁绕阻安匝数 电流乘匝数 R 为磁阻 力矩 力 半径力矩与电机有效体 14 积 安匝数 磁密 成正比 只考虑线性状态 因此 电机有效体积越大 励磁安 匝数越大 定转子间气隙越小 电机力矩越大 反之亦然 静转矩 电机在额 定静态电作用下 电机不作旋转运动时 电机转轴的锁定力矩 此力矩是衡量 电机体积 几何尺寸 的标准 与驱动电压及驱动电源等无关 虽然静转矩与 电磁激磁安匝数成正比 与定齿转子间的气隙有关 但过份采用减小气隙 增 加激磁安匝来提高静力矩是不可取的 这样会造成电机的发热及机械噪音 2 72 7 步进电机动态指标及术语步进电机动态指标及术语 1 步距角精度 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差 用百分比表示 误差 步 距角 100 不同运行拍数其值不同 四拍运行时应在 5 之内 八拍运行时应在 15 以内 2 失步 电机运转时运转的步数 不等于理论上的步数 称之为失步 3 失调角 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度 电机运转必存在失调角 由失调角产生的 误差 采用细分驱动是不能解决的 4 最大空载起动频率 电机在某种驱动形式 电压及额定电流下 在不加负载的情况下 能够直接起 动的最大频率 5 最大空载的运行频率 电机在某种驱动形式 电压及额定电流下 电机不带负载的最高转速频率 6 运行矩频特性 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特 性 这是电机诸多动态曲线中最重要的 也是电机选择的根本依据 运行矩频特性 15 其它特性还有惯频特性 起动频率特性等 电机一旦选定 电机的静力矩确定 而动态力矩却不然 电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流 而非静态 电流 平均电流越大 电机输出力矩越大 即电机的频率特性越硬 图 2 9 电机动态力矩频率关系 其中 曲线 3 电流最大 或电压最高 曲线 1 电流最小 或电压最低 曲线与负 载的交点为负载的最大速度点 要使平均电流大 尽可能提高驱动电压 使采 用小电感大电流的电机 7 电机的共振点 步进电机均有固定的共振区域 二 三相感应子式步进电机的共振区一般在 180 250p 步距角 1 8 度或在步距角为 0 9 度 电机驱动电压越高 电机电流越 大 负载越轻 电机体积越小 则共振区向上偏移 反之亦然 为使电机输出 电矩大 不失步和整个系统的噪音降低 一般工作点均应偏移共振区较多 3 3 CPUCPU 步进电机的选择步进电机的选择 3 13 1 CPUCPU 的选择的选择 CPU313C 集成 3 个用于高速计数或高频脉冲输出的特殊通道 3 个通道位 CPU313C 集成数字量输出点首位字节的最低三位 这三位通常情况下可以作为 普通的数字量输出点来使用 再需要高频脉冲输出时 可通过硬件设置定义这 三位的属性 将其作为高频脉冲输出通道来使用作为普通数字量输出点使用时 其系统默认地址为 Q124 0 Q124 1 Q124 2 该地址用户可根据需要自行修改 作为高速脉冲输出时 对应的通道分别为 0 通道 1 通道 2 通道 通道号为 固定值 用户不能自行修改 每一通道都可输出最高频率为 2 5KHZ 周期为 0 4ms 的高频脉冲 CPU313C 中 X2 前接线端子 22 23 24 号接线端子分别对 16 应通道 0 通道 1 和通道 3 另外 每个通道都有自己的硬件控制门 0 通道 的硬件门对应 X2 前接线端子的 4 号接线端子 对应的输入点默认地址为 I124 2 1 通道硬件门 7 号接线端子 对应的输入点默认地址为 I124 5 而 2 号通道硬件门为 12 号接线端子 对应的输入点默认地址为 I125 0 CPU313C 的结构 3 23 2 三相反应式步进电机的选择三相反应式步进电机的选择 45BF 三相反应式步进电机 17 三相反应式步进电机参数 45BF 三相反应式步进电机 45BF 技术参数 18 本设计选用 45BF008 相数是三相 步距角 1 5 3 度 电压 24V 相电流 0 2A 保持转距 0 118NM 1 2kg cm 空载启动频率 500 D 为 45 D1 为 25 高 H 为 2 5 d 为 4 E 为 14 5 L 为 58 D2 为 33 MS 为 4 M3 4 4 软件设计软件设计 4 14 1 SETP7SETP7 概述概述 STEP 7 编程软件用于 SIMATIC S7 M7 C7 和基于 PC 的 WINAC 是供它们 编程 监控和参数设置的标准工具 STEP 7 具有以下功能 硬件配置和参数设 置 通信组态 编程 测试 启动和维护 文件建档 运行和诊断功能等 在 STEP 7 中 用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件 STEP 7 用 SIMATIC 管 理器对项目进行集中管理 它可以方便地浏览 SIMATIC S7 M7 C7 和 WINAC 的 数据 实现 STEP 7 各种功能所需的 SIMATIC 软件工具都集成在 STEP 7 中 4 24 2 SETPSETP 7 7 的硬件接口的硬件接口 PC MPI 适配器用于连接安装了 STEP 7 的计算机的 RS 232C 接口和 PLC 的 MPI 接口 计算机一侧的通信速率为 19 2 KBIT S 或 38 4 KBIT S PLC 一侧的 通信速率为 19 2 KBIT S 1 5MBIT S 除了 PC 适配器 还需要一根标准的 RS 232C 通信电缆 使用计算机的通信卡 CP 5611 CP 5511 或 CP 5512 可以将计 算机连接到 MPI 或 PROFIBUS 网络 通过网络实现计算机与 PLC 的通信 也可以 使用计算机的工业以太网通信卡 CP 1512 或 CP 1612 通过工业以太网实现计 算机与 PLC 通信 在计算机上安装好 STEP7 后 在管理器中执行菜单命令 OPTION SETTING THE G PC INTERFACE 打开 INSTALL REMOVE INTERFACES 对话框 在中间的选择框中 选择实际使用的硬件接口 点击 Select 按钮 打开 Install Remove Interfaces 对话框 可以安装选 择框中没有列出的硬件接口的驱动程序 点击 Properties 按钮 可以设 置计算机与 PLC 通信的参数 4 34 3 STEPSTEP 7 7 的编程功能的编程功能 STEP 7 的标准版只配置了 3 种基本的编程语言 梯形图 LAD 功能块 图 FDB 和语句表 STL 有鼠标拖放 复制和粘贴功能 语句表是一种文本 编程语言 用户能节省输入时间和存储区域 并且 更接近硬件 STEP 7 专 19 业版的编程语言包括 S7 SCL 结构化控制语言 S7 GRAPH 顺序功能图语言 S7 HIGRAPH 和 CFC 这四种语言对于标准版是可选的 STEP 7 用符号表编辑器 工具管理所有的全局变量 用于定义符号名称 数据类型和全局变量的注释 使用这一工具生成的符号表可供所有应用程序使用 所有工具自动识别系统参 数的变化 测试功能和服务功能包括设置断点 强制输入和输出 重新布线 显示交 叉参考表 状态功能 直接下载和调试块 同时监测几个块的状态等 程序中 的特殊点可以通过输入符号名或地址快速查找 STEP 7 的帮助功能 选定想要得到的在线帮助的菜单目录 或打开对话框 按 F1 键便可得到与它们有关的在线帮助 执行菜单命令 HELP CONTENTS 进入帮助窗口 借助目录浏览器寻找需要的帮助主题 窗口中 的检索部分提供了按字母顺序排列的主题关键词 可以查找与某一关键词有关 的帮助 4 44 4 STEPSTEP 7 7 的硬件组态与诊断功能的硬件组态与诊断功能 硬件组态工具用于对自动化工程中使用的硬件进行配置和参数设置 主要 包括 1 系统组态 从目录中选择硬件机架 并将所选模块分配给机架中希望的插 槽 2 CPU 的参数设置 可以设置 CPU 模块的多种属性 例如启动属性 扫描监 视时间等 输入的数据存储在 CPU 的系统数据块中 3 模块的参数设置 用户可以在屏幕上定义所有硬件模块的的可调整参数 包括功能模块与通信处理器 不必通过 DIP 开关来设置 在参数设置屏幕中 有的参数由系统提供若干个选项 有的参数只能在允许的范围输入 因此可以 防止输入错误的数据 通信的组态包括 1 连接的组态和显示 2 设置用 MPI 或 PROFIBUS DP 连接的设备之间的周期性数据传送的参数 选择 通信的参与者 在表中输入数据源和数据目的地后 通信过程中数据的生成和 传送均是自动完成的 20 3 PI PROFIBUS 或工业以太网实现的事件驱动的数据传输 包括定义通信路 从集成块库中选择通信模块 CFB 用通用的编程语言 例如梯形图 对所选 的通信模块进行参数设置 STEP 7 系统诊断 系统诊断为用户提供自动化系统的状态 可以通过 2 种方式 显示 1 快速浏览 CPU 的数据和用户编写的程序在运行中的故障原因 2 用图形方式显示硬件配置 例如显示模块的一般信息和模块的状态 显示 模块故障 例如集中 I O 和 DP 子站的通道故障 显示诊断缓冲区的信息等 4 54 5 STEP7STEP7 项目的创建项目的创建 在 STEP 7 中 用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件 STEP 7 用 SIMATI 管理器对项目进行集中管理 它可以方便的浏览 SIMATIC S7 C7 和 WINAC 的 数据 因此 掌握项目创建的方法就非常重要 4 5 1 使用向导创建项目 首先双击桌面上的 STEP 7 图标 进入 SIMATIC MANAGER 窗口 进入主菜单 FILE 选择 NEW PROJECT WIZARD 弹出标题为 STEP 7 WIZARD NEW PROJECT 新项目向导 的小窗口 点击 NEXT 按钮 在新项目中选择 CPU 模块的型号为 CPU 315 2DP 点击 NEXT 按钮 选择需要生成的逻辑块 至少需要生成作为主程序的组 织块 OB1 点击 NEXT 按钮 输入项目的名称 按 FINISH 生成的项目 过程如图 4 1 所示 生成项目后 可以先组态硬件 然后生成软件程序 也可以在没有组态硬件的 情况下 首先生成软件 21 22 使用向导创建项目 4 5 2 直接创建项目 入主菜单 FILE 选择 NEW 将出现如下图的对话框 在该对话框中分 别输入 文件名 目录路径 等内容 并确定 完成一个空项目的创建工作 23 直接创建项目 本设计是采用是 S7 300 控制三相六拍的步进电机 通过软件设计脉冲频率来 控制步进电机的快速 中速 慢速 移位输出控制电机步进 移位寄存器指令 MW0 的低八位按照三相六拍的步进顺序控制步进动机的正反转 步进电机是一 种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件 步进电机的输出位移量与 输入脉冲个数成正比 其速度与单位时间内输入的脉冲数 即脉冲频率 成正比 其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关 所以只要控制指令脉冲 24 的数量 频率及电机绕组通电的相序 便可控制步进电机的输出位移量 速度 和方向 步进电机具有较好的控制性能 其启动 停车 反转及其它任何运行 方式的改变都可在少数脉冲内完成 且 可获得较高的控制精度 因而得到了广 泛的应用 4 64 6 S7 300S7 300 相关指令相关指令 设计介绍设计介绍 1 1 传送指令 MOVE 符号 传送指令说明 描述 使用赋值指令 可将特定的值赋给变量 在 IN 输入端指定的值将复制到在 OUT 输出端指定的地址 ENO 具有与 EN 相同的信号状态 使用 MOVE 框 赋值指令 可复制长度为 8 16 或 32 位的所有基本数据类型 自己可以自定义的数据类 型 例如数组或结构 则必须使用系统功能 SFC 20 BLKMOV 复制 赋值指令受 参数数据类型内存区域描述 ENBOOL I Q M D L T C使能输入 IN 长度为8 16 或32 位的所 有基本数据类型 I Q M D L 或常数来源值 OUT 长度为8 16 或32 位的所 有基本数据类型 I Q M D L目标地址 ENOBOOL I Q M D L使能输出 25 主控继电器 MCR 的影响 关于 MCR 如何起作用的更详细信息 请参考主控继 电器开 关 状态字 BRCC 1CC 0OVOSORSTARLOFC 写 1 0111 注意 将某个值传送给另一长度的数据类型时 将根据需要截断或以零填充高位字节 几种状态字传送举例 举例 双字 1111 11110000 11111111 00000101 0101 传送结果 到双字 1111 11110000 11111111 00000101 0101 到字节 0101 0101 到字 1111 00000101 0101 举例 字节 1111 0000 传送结果 到字节 1111 0000 到字 0000 00001111 0000 到双字 0000 00000000 00000000 00001111 0000 2 2 定时器指令 26 S7 的 CPU 存储器中有一个定时器保留的区域 此存储区域为每个定时器的地 址保留一个 16 位字 通过定时器指令和利用时钟定时更新定时器字可访问定时 器存储区域 在运行模式下 利用 CPU 中的时钟定时更新定时器字功能 可按 照由时间基准指定的间隔将给定的时间值递减一个单位 直到该时间值等于零 为此 定时器相当于继电器电路中的时间继电器 S7 300 400 的定时器分为 脉冲定时器 SP 扩展脉冲定时器 SE 接通延时定时器 SD 保持型接通 延时定时器 SS 和断开延时定时器 SF S PULSE 为脉冲定时器 输出信号保持为 1 的最长时间与编程时间值相同 t 相同 如果输入信号变为 0 则输出信号停留在 1 的时间会很短 S PEXT 为扩展脉冲定时器 输出信号在编程时间长度内始终保持 1 而与输 入信号停留在 1 的时间长度无关 S ODT 为接通延时定时器 仅在编程时间 到期才从 0 变为 1 而与输入信号停留在 1 的时间长短无关 S OFFDT 为断开延时定时器 在输入信号变为 1 或在定时器运行时 输出信 号变为 1 当输入信号从 1 变为 0 时启动计时器 定时器功能 3 3 S ODT 设置接通延时定时器参数并启动符 27 描述 如果 启动 S 输入有上升沿 信号状态从0 改变为1 设置接通延时定 时器参数 并启动指令将启动指定的定时器 要启动定时器 必须有信号改变 只要输入S 的信号状态为1 定时器将继续运行 时间值 TV 输入处指定的时间 当时间 已用尽且未出错 而输入S 的信号状态仍为1 时 则对输出Q 的信号状态1 的 检查将产生结果1 定时器运行时 如果输入S 的信号状态从1 改变为0 定时 器将停止 这种情况下 对输出Q 的信号状态1 的检查将始终产生结果0 定时 器正运行时 如果 复位 R 输入从0 改变为1 则定时器复位 此改变还会 将时间和时间基准复位到零 定时器未运行时 如果R 输入的信号状态为1 定 时器也会复位 可在输出端BI 和BCD 扫描当前时间值 BI 处的时间值为二进 制格式 BCD 处的时间值为二进制编码的十进制 时序图接通延时定时器特征 28 状态字 接通延时定时器举例 如果输入I0 0 的信号状态从0 改变为1 RLO 中有上升沿 则定时器T5 启 动 如果指定的时间两秒 2S 已过 且输入I0 0 的信号状态仍为1 则输出 Q4 0 的信号状态为1 如果输入I0 0 的信号状态从1 改变为0 则定时器停止 并且输出Q4 0 为 0 定时器运行时 如果输入 I0 1 的信号状态从 0 改变为 1 定时器将重新 启动 4 4 S CUS CU 分配参数和递增计数 符号 递增计数说明 29 描述 在输入端S 为上升沿 信号状态从0 变化为1 时 分配参数和递增计数指令 将使用 预设值 PV 输入端的值设置计数器 如果输入端CU 是一个上升沿 则可在 计 数值小于999 的情况下使计数值加1 如果设置了计数器 并且输入端CU 的RLO 1 则即使没有发生从正跳沿到负 跳沿的变化或与之相反的变化 计数器也因此将在下一个扫描周期计数 在输 入R 的信号为 1 时会复位计数器 复位计数器时会将计数值设置为0 对于 判断输出端Q 是否为1 的信号状态检查 如果计数值大于0 则检查结果为1 但如果计数值等于0 检查结果则为0 状态字 递增计数举例 30 在输入I0 2 的信号状态从0 变化为1 时会将计数器C10 的值设置为901 如 果输 入I0 0 的信号状态从0 变化为1 除非计数器C10 的值已经是999 否 则计数器 C10 的值加1 如果I0 3 从0 变化为1 则会将C10 的值设置为0 当 C10 不等0 时 输出Q4 0 的信号状态为1 5 5 SHR WSHR W 右移字 符号 右移字说明 描述 在使能输入 EN 端的信号状态为1时会激活字右移指令 此指令将输入端IN 的0 到 15 位逐位右移 16 到31 位不受影响 输入N 指定值将移位的位数 如果N 大 于16则此命令在OUT输出端写入0 并将状态字的CC0 和OV 位置0 将左侧移空的 位补零 移位操作的结果可在OUT输出端扫描 如果N不等于0 则此指令触发的 操作总是将状态字的CC0 和OV 位复位为0 ENO 具有与EN 相同的信号状态 状态字 参数数据类型内存区域描述 ENBOOLI Q M L D T C 使能输入 INWORDI Q M L D要移位的值 NWORDI Q M L D值将移位的位数 OUTWORDI Q M L D移位指令的结果 ENOBOOLI Q M L D使能输出 31 举例 右移字举例 在I0 0 的信号状态为1 时激活此指令 存储器字MW0 将按在存储器字MW2 中指 定的位数右移 结果将存入存储器字 MW4 中 输出 Q4 0 置 1 4 74 7 程序介绍程序介绍 BRCC 1CC 0OVOSORSTARLOFC 写XXXX XXX 1 32 4 7 1 程序框图解释 开始 首次选择步进速度 正转或反转起动 移位寄存器赋初值 高速 中速 或低速中其中一个速度 发生移位脉冲 执行移位 移位输出控制步进电机 六拍计数到 移位寄存器赋初值 六拍计数没到 继续执行 4 7 2 软件模块 以工作框图为基本依据 结合考虑控制的具体要求 首先可将梯形图程序分成 4 个模块进行编程 1 步进速度选择 2 起动 停止和清零 3 移位步进控 制功能模块 4 A B C 三相绕组对象控制 然后 将各模块进行连接 最后 经过调试 完善 实现控制要求 4 7 3 梯形图程序设计 1 输入 输出编址 控制步进电机的各输入开关及控制 A B C 三相绕组工作的输出端在 PLC 中的 I O 编表 输入输出地址 状态真值表 33 采用移位指令进行步进控制 首先指定移位寄存器 VW0 16 位 按照三相六拍 的步进顺序 移位寄存器的初值应为 每右移 1 位 电机前进一个步距角 一拍 完成六拍后重新赋初值 其中 M0 6 和 M0 7 始终为 0 据此 可作出移位寄存器输出状态及步进电机正反转绕组 的状态真值表 如表所示从而得出三相绕组的控制逻辑关系式 正转时 反转时 A 相 Q0 0 M0 5 M0 4 M0 0 A 相 Q0 0 M0 5 M0 4 M0 0 B 相 Q0 1 M0 4 M0 3 M0 2 B 相 Q0 1 M0 2 M0 1 M0 0 C 相 Q0 2 M0 2 M0 1 M0 0 C 相 Q0 2 M0 4 M0 3 M0 2 34 移位寄存器输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表 4 84 8 程序讲解程序讲解 1 低速时按下 I1 0 上升沿触发 而中速 I1 1 和高速 I1 2 与 I1 0 闭合触点串 连形成互锁 利用传送指令 MOVE 将数字 80 传送到移位寄存器 VW100 I0 0 和 I0 1 是正反转按钮 I0 2 是停止及清零按钮 当正转时按下 I0 0 而 I0 0 常开