基于增量式光电编码器的角度测量模块设计

第1章 绪论1.1 研究背景钻床系指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。钻床在各行各业特别是机械工业有广泛的应用。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。钻床可分为下列类型：(1)台式钻床：可安放在作业台上，主轴垂直布置的小型钻床。(2)立式钻床：主轴箱和工作台安置在立柱上，主轴垂直布置的钻床。(3)摇臂钻床：摇臂可绕立柱回转、升降，通常主轴箱可在摇臂上作水平移动的钻床。它适用于大件和不同方位孔的加工。(4)铣钻床：工作台可纵横向移动，钻轴垂直布置，能进行铣削的钻床。(5)深孔钻床：使用特制深孔钻头，工件旋转，钻削深孔的钻床。(6)平端面中心孔钻床：切削轴类端面和用中心钻加工的中心孔钻床。(7)卧式钻床：主轴水平布置，主轴箱可垂直移动的钻床。可编程控制器（Programmable Logical Controller）是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置，由于它具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便以及体积小，重量轻等优点，使其在自动化控制的各个领域得到了广泛的应用。传统的钻床控制系统都采用继电器接触器等元件组成的硬件逻辑控制电路，不但接线复杂，而且经常出现故障，可靠性较差，与传统的继电器接触器电器控制系统相比，PLC控制具有可靠性高，柔性好，开发周期短等优点，特别适合应用于机床的电气控制和鼓掌自诊断系统，可以大大减少继电器等硬件逻辑单元的数量，提高电气控制系统的稳定性可可靠性，从而提高产品的品质和生产效率。近年来由于微电子技术的发展和进步，使具有完全功能的超大规模集成电路的价格日趋便宜，同样也促进可编程控制器成本大大降低，对于采用可编程控制器来代替传统继电器接触器电气控制的系统来改造传统机床，无论从经济上，还是可靠性，维修性，工作寿命上来说，都是十分经济和划算的，也是可行的优选方案。 鉴于以上原因，本文展开了用基于PLC的钻床的设计。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内现状近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值已进去世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39美元，仅次于美国53.67美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达2406亿美元，比上年增长27.3。 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。1.2.2 国外现状国际机床市场的消费主流是数控机床。1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。 国外数控机床的网络化。随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的ERP即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的ERP就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车以FANVC和西门子为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。第2章 本文的主要工作传统高速钻床如图2-1所示，图2-1 传统钻床结构示意图其对工件的切削为手动进给，不仅操作麻烦而且很难达到高精度切削。对这种传统机床的改造采用如下策略：采用西门子公司PLC作为核心处理器，高精度实时控制转动电机；在控制精度上面，采用每转可输出1000个脉冲的光电编码器和光电开关作为控制元件，可以使得钻头的移动距离达到0.01mm的精度，适合绝大多数高精度钻孔场合；系统在钻孔深度计算好之后，按动启动开关，即可实现全自动化高精度钻孔。第3章 PLC工作原理介绍3.1 PLC发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。3.2 可编程序控制器PLC的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。方案一：仅采用CPLD作为核心部件的方案3.2.1 根据结构形式分类PLC 按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。（1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。（2）模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。3.2.2 根据功能分类PLC按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。（1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。（2）中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。（3）高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。3.2.3 按I/O点数分类PLC按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。 (1).小型PLCI/O点数 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K .3.3 PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。3.3.1 CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。3.3.2 I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3.3.3 电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。3.3.4 PLC系统的其它设备编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。3.3.5 PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。3.4 PLC的应用现状自20 世纪60 年代中期以来PLC 产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用, 尤其近20 年来计算机和信息技术的飞速发展, 不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格, 使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足进步, 也使PLC 的广泛应用成为可能。下面通过两组数据(引自工控网) 说明PLC 的应用现状。PLC 在冶金行业的市场将持续增加2003 年中国的工业出现了快速增长, 工业产值同比增长在12% 以上, 而且中国的最大钢铁出口对象美国在2003 年下半年取消了钢铁附加税, 中国钢材对其出口也将迅速回升。这些有利因素刺激了中国冶金行业的投资。据调查, 中国冶金行业对设备的投资同比增长接近50%。冶金设备的大量增长带动了PLC 在该行业的增长, 2003 年PLC 在冶金行业的市场达到216 亿元, 2004 年有望达到3 亿元。PLC 在纺织行业的应用分析。在中国, PLC 在纺织机械上的运用已经有17 年的历史了, 从最早的进口合成纤维生产设备到目前的中小型纺机, PLC 无处不在。占各类纺织机械60% 以上的织机平均每台带有一个小型的PLC, 主要用于检测、报警、速度控制和机器启停控制。纺机的比例在纺织机械中不到5% , 却用到更多的PLC, 单台纺纱机最多用到17 台PLC, 主要是60 个IO 点以下的微型产品。梳棉机也用微小型PLC 控制。其它各类纺织机械基本上都采用PLC 控制, 只有一些相对简单的设备采用单片机或者其它控制方式。纺织机械的辅助设备也主要由PLC 控制, 如循环水系统、空调系统、蒸气系统、废水处理系统、包装线等。实际上PLC 在中国的应用已分布到各行各业, 根据工控网的调查, 2003 年中国控制类产品市场PLC的占有率已超过50% , 而且保持着10% 15% 的发展速度。3.5 PLC 控制系统的发展前景现在, 虽然出现了性能更加优越的DCS 和FCS控制系统, PLC 控制也终将会被先进的FCS 控制所取代, 但是目前以及今后相当长的一段时间, PLC 还会与DCS 和FCS 共存, 这主要基于以下原因:1) 现在企业的确正在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展, 但这并不意味着要将现有控制系统推倒重来。企业投入大量的人力和财力建立起来的PLC 控制系统已经成型, 如果要完全推翻再建立新的DCS 或FCS 控制系统, 需要更大的资金投入, 将造成很大的浪费。(2) 基于以上市场需求, 许多软件厂商(例如: 华富惠通软件公司) 正在考虑如何利用企业已经成型的控制系统及新建的厂级网络, 开发控制系统软件, 帮助企业实现工厂自动化、信息化, 为企业提供控制系统与管理网络的集成。(3) 目前, PLC 的功能增强、结构优化, IO 模块趋向分散化、智能化, 编程工具和编程语言更具标准化和高级化。(4) PLC 的联网通信能力增强, 向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信发展。(5) 现在的PLC 系统与DCS 技术、现场总线IO技术相结合, 结构开放、扩展方便、技术先进、价格低廉。由以上分析可以预见, 未来PLC 将朝着多功能化、集成化、智能化、标准化、开放化的方向发展, 故PLC 虽然面临其它自动化控制系统的挑战, 但同时也在吸收它们的优点, 互相融合, 不断创新, 在今后一段时间内将与其它先进控制方式并存, 共同发展。3.6 PLC的选型方法在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。3.6.1 输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。3.6.2 存储容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。3.7 机型的选择3.7.1 PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。3.7.2 输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。3.7.3 电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。3.7.4 存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。第4章 PLC控制钻床的结构设计和PLC选择4.1 钻床工作原理本文将要设计的基于PLC的高深精度钻床如图4-1所示图4-1 基于PLC的钻床示意图三相异步电动机M1转动从而带动进给丝杠传动，是钻削三相异步电动机M2和钻头产生上下位移，M1正转为进，刀M2下移，反转为退刀M2上移。SQ1和SQ2之间的距离就是钻头的移动范围。M1正转，钻头下降，MD开始计数。旋转编码器MD是将进给丝杠的转数变换成脉冲数的元件，钻头上下移动的距离与编码器的输出脉冲数成对应关系，这样我们就可以通过对旋转编码器输出脉冲的采集实现对钻孔深度的高精确控制。光电开关SPH是钻头的检测元件，在SPH检测到钻头尖的瞬间，便有导通信号输出，是钻削电机M2启动，同时PLC内部计数器开始计数。从SPH光轴线至工件表面的距离称位移值，工件上的钻孔深度称孔深值，两值之和就是脉冲数的控制值。M1反向启动后，钻头上升退刀，上升至刀尖离开SPH光轴线的瞬间，SPH的输出截止，M2停转上升退刀至最高的原始位置时，SQ1动作，M1停转，自动钻削工作过程结束。另外设计一个急停开关，当出现紧急情况时候，电机M1，M1都立即停止工作。4.2 PLC的选型根据PLC的选型方法，首先确定需要的I/O数目输入输出（I/O）点数的估算.I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。上限位和下限位共需要两个输入口，光电开关，旋转编码器，急停开关以及电机M1的启动各需要一个输入I/O口；电机M1的正转控制，反转控制，停止控制和电机M2的转动和停止控制也各需要一个I/O口；综上所述，共需要6个输入端口和5个输出端口。存储器容量的确定：存储器容量的选择有两种计算方法。一种是根据变成实际使用的节点数计算，这种方法可以精确算出存储器实际使用容量，缺点是编完程序之后才能计算。常用的是估算法，用户可以根据控制规模和应用目的，按照下面公式计算：M=K*（10*DI）+（5*DO）其中，DI表示开关量输入信号数目；DO表示开关量输出信号数目；K表示每个节点所占存储器字节数；M表示存储器容量。假设一个节点占用一个字节，经过计算我们需要的存储器容量M为85字节。由于我们的输入端有高速旋转的编码器，因此所选用的PLC必须带有高速计数器这样才能满足对旋转编码器输出脉冲的准确计数。我们对市场上的常用小型PLC进行了比较，西门子S7-200 PLC就能满足要求，我们选用CPU 222这一款。下一节就是对S7-200的介绍。4.3 S7-200介绍西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。4.3.1 S7-200系列PLC的硬件配置本书以S7-200系列PLC为目标机型，介绍西门子PLC的特点，为今后更好地学习和掌握S7-300/400打下基础。S7-200系列PLC作为西门子SIMATIC PLC家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，在各个领域得到广泛的应用。S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。 基本单元S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用，其输入输出点数的分配见表4-2：表4-2 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型 号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU22164S7-200CPU222862个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点S7-200CPU22414107个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU22624162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU226XM24162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点扩展单元S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表4-3所示。表4-3 S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数类 型型 号输入点输出点数字量扩展模块EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16模拟量扩展模块EM2313无EM232无2EM23531 编程器PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。程序存储卡为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。程序存储卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8K和16K程序步。写入器写入器的功能是实现PLC和EPROM之间的程序传送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。文本显示器文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。4.3.2 S7-200系列PLC的主要技术性能下面以S7-200 CPU224为例说明S7系列PLC的主要技术性能。一般性能S7-200 CPU224的一般性能如表4-4 所示。表4-4 S7-200 CPU224一般性能电源电压DC 24V，AC 100230V电源电压波动DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）环境温度、湿度水平安装0550C，垂直安装0450C，595%大气压8601080hPa保护等级IP20到IEC529输出给传感器的电压DC 24V （20.4-28.8V）输出给传感器的电流280mA，电子式短路保护（600mA）为扩展模块提供的输出电流660mA程序存储器8K字节/典型值为2.6K条指令数据存储器2.5K字存储器子模块1个可插入的存储器子模块数据后备整个BD1在EEPROM中无需维护在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400C时120h），插入电池后备200天编程语言LAD，FBD，STL程序结构一个主程序块（可以包括子程序）程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1255ms）子程序级8级用户程序保护3级口令保护指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37s扫描时间监控300ms（可重启动）内部标志位256，可保持：EEPROM中0112计数器0256，可保持：256，6个高速计数器定时器可保持：256，4个定时器，1ms30s16个定时器，10ms5min236个定时器，100ms54min接口一个RS485通信接口可连接的编程器/PCPG740PII，PG760PII，PC（AT）本机I/O数字量输入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能数字量输出：10，其中2个可用作本机功能，模拟电位器：2个可连接的I/O数字量输入/输出：最多94/74模拟量输入/输出：最多28/7（或14）AS接口输入/输出：496最多可接扩展模块7个输入特性S7-200 CPU224的输入特性如表4-5所示。表4-5 S7-200 CPU224输入特性类型源型或汇型输入电压DC 24V，“1信号”：14-35A，“0信号”：0-5A，隔离光耦隔离，6点和8点输入电流“1信号”：最大4mA输入延迟（额定输入电压）所有标准输入：全部0.2-12.8ms（可调节）中断输入：（I0.0-0.3）0.2-12.8ms（可调节）高速计数器：（I0.0-0.5）最大30kHz输出特性S7-200 CPU224输出特性如表4-6 所示。表4-6 S7-200 CPU224的输出特性类型晶体管输出型继电器输出型额定负载电压DC 24V（20.4-28.8V）DC 24V（4-30V）AC24-230V（20-250V）输出电压“1信号”：最小DC 20VL+/L-隔离光耦隔离，5点继电器隔离，3点和4点最大输出电流“1信号”：0.75A“1信号”：2A最小输出电流“0信号”：10sA“0信号”：0mA输出开关容量阻性负载：0.75A灯负载：5W阻性负载：2A灯负载：DC30W，AC200W第5章 钻床系统I/O地址分配和梯形图的编写从上一章的分析知道一共6个输入点，5个输出点，选用西门子S7-200主机为CPU222型PLC，并在上章对其作了详细介绍。5.1 系统I/O地址分配系统I/O地址分配如下表：输入设备输入点编号输出设备输出点编号旋转编码器I0.0M1正转输出Q0.0光电开关I0.1M1反转输出Q0.1急停开关I0.2M1停止输出Q0.2M1正转/启动开关I0.3M2启动输出Q0.3M1上限位开关I0.4M2停止输出Q0.4M1下限位开关I0.5由此作出系统的PLC控制电路设计，如图5.1所示 图5.1 PLC控制电路图完成了硬件电路设计和I/O口的分配，接下来要进行PLC程序的编写。5.2 PLC的常用编程语言介绍PLC的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制设计的。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3）。PLC的编程语言包括以下五种：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块图语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）及结构化文本语言（ST）。5.2.1 梯形图语言（LD）梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一种编程语言。由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。梯形图编程语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是，梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器5.2.2 指令表语言（IL）指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用PLC手持编程器对用户程序进行编制。同时，指令表编程语言与梯形图编程语言图一一对应，在PLC编程软件下可以相互转换。指令表表编程语言的特点是：采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握；在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合进行编程设计；与梯形图有一一对应关系。其特点与梯形图语言基本一致。5.2.3 功能模块图语言（FBD）功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言。采用功能模块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。功能模块图编程语言的特点：功能模块图程序设计语言的特点是：以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；功能模块是用图形的形式表达功能，直观性强，对于具有数字逻辑电路基础的设计人员很容易掌握的编程；对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。5.2.4 顺序功能流程图语言（SFC）顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。 顺序功能流程图编程语言的特点：以功能为主线，按照功能流程的顺序分配，条理清楚，便于对用户程序理解；避免梯形图或其他语言不能顺序动作的缺陷，同时也避免了用梯形图语言对顺序动作编程时，由于机械互锁造成用户程序结构复杂、难以理解的缺陷；用户程序扫描时间也大5.2.5 结构化文本语言（ST） 结构化文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言。它是类似于高级语言的一种编程语言。在大中型的PLC系统中，常采用结构化文本来描述控制系统中各个变量的关系。主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制。 结构化文本编程语言采用计算机的描述方式来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。大多数PLC制造商采用的结构化文本编程语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。5.3 钻床工作梯形图结合设计实际，我们采用最常用的梯形图语言编写程序，如图5.3所示，程序运行过程如下：起动时，按下M1正转/启动按钮，I0.3接通，Q0.0接通并且自保，M1启动正转，通过进给丝杠带动M2和钻头下移；当光电开关探测到钻头时候，判断M1的旋转方向，在M2下移的时候，立即启动M2和PLC内部高速计数器，Q0.3接通并自保，当钻头接触到工件时对工件进行钻削；当旋转编码器的输入脉冲数与高速计数器设定数值相同时，关闭常触点Q0.0，接通Q0.1并自保，M1反转，使M2和钻头上移；当钻头离开光电开关的瞬间，I0.1断开，M2停止转动，Q0.4接通并自保；M2上升至最高位置，I0.4接通，Q0.1断开，M1停转，完成全部钻削过程；运行中紧急停止时，按下急停按钮，I0.2常闭触点断开，使Q0.0，Q0.1，Q0.2，Q0.3，Q0.4断开，M1，M2停止任何方向转动。图5.3 钻床控制梯形图第6章 光电编码器的设计在自动化领域,旋转编码器是用来检测角度、速度、长度、位移和加速度的传感器。依靠轴杆、齿轮，测量轮或绳缆的控制,线性的移动能被检测。编码器也把实际的机械参数值转换成电气信号,这些电气信号可以被计数器、转速表、PLC和工业PC处理。6.1 旋转编码器功能原理由玻璃或塑料制成的圆盘被分成透明和非透明的区域,如果一个光源固定在圆盘的一侧,光敏元件固定在另一侧,没有接触就可获得旋转的移动。如果一束光打在透明的区域,接收器接收到而产生脉冲,当光束被黑色区域隔断时而产生脉冲。发光二极管通常用作光源,发光范围在红外线范围内,光敏二极管或光敏晶体管作为接收器如图1所示。按照这个原理,如果没有其它功能加入,仅能推论出圆盘在转动,旋转感应或绝对值位置不能被确定。6.2 旋转编码器的分类根据编码器的功能原理可以分为增量型旋转编码器和绝对值型旋转编码器。6.2.1 增量型旋转编码器轴的每圈转动,增量型编码器提供一定数量的脉冲,周期性的测量或者单位时间内的脉冲数可以用来测量移动的速度。如果在一个参考点后面脉冲数被累加,计算值就代表了转动角度或行程的参数，双通道编码器输出脉冲之间相差90o。能使接收脉冲的电子设备接收轴的旋转感应信号,因此可实现双向的定位控制。另外,三通道增量型编码器每一圈产生一个称之为零位信号的脉冲。旋转增量型编码器以转动时输出脉冲,通过计数设备来计算其位置,当编码器不动或停电时,依靠计数设备的内部记忆来记住位置。停电后,编码器不能有任何的移动;来电工作时,编码器输出脉冲过程中,也不能有干扰而丢失脉冲。否则计数设备计算并记忆的零点就会偏移,而且这种偏移的量是无从知道的,只有错误的结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点,编码器每经过参考点,将参考位置修正在计数设备的记忆位置。在参考点以前,是不能保证位置的准确性的。为此,在工控中就有每次操作先找参考点,开机找零等方法。这样的方法对有些工控项目比较麻烦,甚至不允许开机找零(开机后就要知道准确位置),于是就有了绝对编码器的出现。6.2.2 绝对值旋转编码器绝对编码器光码盘上有许多光通道刻线,每道刻线依次以2线、4线、8线、16线编排。这样,在编码器的每一个位置,通过读取每道刻线的通、暗,获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码),这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的,它不受停电、干扰的影响。特别是在定位控制应用中,绝对值编码器减轻了电子接收设备的计算任务,从而省去了复杂而又昂贵的输入装置。而且,当机械合上电源或电源故障后再接通电源,不需要回到位置参考点,就可利用当前的位置值。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的,它无需记忆,无需找参考点,而且不用一直计数,什么时候需要知道位置,什么时候就去读取它的位置。这样,编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。单圈绝对值旋转编码器,以转动中测量光电码盘各道刻线,以获取唯一的编码,当转动超过360o时,编码又回到原点,这样就不符合绝对编码唯一的原则,这样的编码只能用于旋转范围360o以内的测量,即把360o等分成最大8192个测量步,这种编码器转完一圈后,代码由开始重现称为单圈绝对值编码器。因此这种编码器无法区别到底转了多少圈。如果要测量旋转超过360o范围,就要用到多圈绝对值编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理,当中心码盘旋转时,通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮,多组码盘),在单圈编码的基础上再增加圈数的编码,以扩大编码器的测量范围,这个齿轮最多可测到4096(12位)圈,这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器,它同样是由机械位置确定编码,每个位置编码唯一不重复,而无需记忆。因此多圈编码器总的分辨率为13位(单圈分辨率)+12位(圈数)总数为25位分辨率,也就是说,总数为个位置可读取。这样这种编码器把非常长距离等分为非常小的测量步。多圈编码器的另一个优点是由于测量范围大,实际使用往往富裕较多,这样在安装时不必要费劲找零点,将某一中间位置作为起始点就可以了,而且大大简化了安装调试难度。6.3 编码器的应用增量型编码器的应用增量型旋转编码器是只输出脉冲的旋转编码器。分辨率(Z)和每转脉冲数用于计算角位移。信号频率可以用来决定角速度(),另外,周期的瞬间改变可以用来计算角加速度.为了检测移动和旋转方向,脉冲扫描原理接收器有A、B两个通道。旋转的方向可以通过A、B两相电气上相差90o(见图2)辨别。在顺时针方向旋转(CW)通道A超前于通道B。CCW 代表反时针旋转。旋转方向以面对轴的方向看为基准。应用旋转编码器注意事项在使用,旋转编码器中最重要的是抗干扰问题,干扰的抑制取决于正确的屏蔽。在现场,安装错误的情况时有发生。经常是屏蔽线只接了一边,并且用一个导线把它焊在接地端子上,这种处理方式只是在LF(低频)工程中才有效,这不符合EMC中HF(高频)信号的规则,在高频工程中一个基本的目标是在不可能低的阻抗下传递HF(高频)能量到大地,否则能量会释放到电