步进电动机控制的模拟

1概述可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机⑴。自1969年对工业自动控制的特点和需要而开发的第一台PLC问世以来，迄今已经三十多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的集成和演变，但又不同于顺序控制器和通用的微机控制装置。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格的形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和差错都很容易。用户买到所需PLC后，只需按说明书或提示。做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可灵活而方便地将PLC应用于生产实践。而且用户程序的编制、修改和调试不需要具有专门的计算机编程语言只是。这样就破除了了“电脑”的神秘感，推动了计算机技术的普遍应用。可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是值得重视的先进控制技术，PLC现已成为现代工业控制的三大支柱(PLC、CAD/CAM、ROBOT)之一，已其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速技术与位控等高性能模块的优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统的继电-接触控制系统。1.1可编程序控制器PLC的定义在二十世纪七十年代PLC问世后，由美国电气制造商协会对PLC下过如下的定义：PLC是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。1982年，国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee-IEC)颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版对PLC作了如下的定义:PLC是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计的。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC的功能（一） 开关量逻辑控制（二） 模拟量控制（三） 闭环过程控制（四） 定时控制（五） 计数控制（六） 顺序（步进）控制（七） 数据处理（八） 通信和联网PLC的特点（一） 可靠性高、抗干扰能力强（二） 通用性强、灵活性好、功能齐全（三） 编程简单、使用方便（四） 模块化结构（五） 安装简单、调试方便（六） 网络通信（七） 体积小、能耗低、便于机电一体化PLC的基本组成从广义上说，PLC也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的使用与控制要求的编程语言。所以PLC与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等，如图1.1所示：编程器图1.1可编程序控制器的基本组成PLC的工作原理（一）建立I/O映像区在PLC存储器内开辟了I/O映像区。PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在相应的位上；将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映像区，而不直接与外部设备发生关系。I/O映像区的建立，使PLC工作失职和内存有关的得知单元内所存信息状态发生关系，而系统输出也只是给内存某一地址单元设定一个状态。这样不仅加快程序执行速度，而且还是控制系统与外界隔离，提高了系统的抗干扰能力。同时控制系统远离实际对象，为硬件标准化生产创造了条件。（二）循环扫描的工作方式1）PLC的工作过程PLC上电后，在系统程序的监控下，周而复始的按一定的顺序对系统内部的各种人物进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程。执行一个循环扫描过程所需的时间称为扫描周期，其典型值是1-100MS。a）初始化b） CPU的自诊断c） 通信信息处理d） 与外部设备交换信息e） 执行用户程序丹输入、输出信息处理2）用户程序的循环扫描过程图1.2PLC的工作过程PLC的工作过程，与CPU的操作方式有关。CPU有两个操作方式：STOP方式和RUN方式。在扫描周期内，STOP方式和RUN方式的主要差别在于：RUN方式下执行用户程序，而在STOP方式下不执行用户程序。PLC对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。（三）输入、输出延迟响应由于PLC采用循环扫描的工作方式，即对信息采用串行处理方式，必定导致输入、输出延迟响应。当PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这段时间就称为响应时间或滞后时间。这种现象称为输入、输出延迟响应或滞后现象。S7-200PLC系统的基本组成S7-200PLC有基本单元（S7-200CPU模块）、个人计算机（PC）或编程器、STEP7-Micro/WIN32编程软件以及通信电缆组成，如图所示：

图1.2S7-200PLC系统的构成（一）基本单元基本单元也成为主机，由中央处理单元（CPU）、电源以及数字量输入输出单元组成。这些单元被紧凑的安装在一个独立的装置中。基本单元可以构成一个独立的控制系统。图1.3S7-200CPU模块S7-200PLC主机型号规格种类较多，以适应不同需求的控制场合。西门子公司推出的S7-200CPU22X系列产品有：CPU221模块、CPU224模块、CPU226模块等。例如，CPU226模块的I/O总数为40点。其中输入点24点，输出点16点。可带7个扩张模块，用户程序存储器容量为6.6K字。内置高速计数器，具有PID控制器的功能。有2个高速脉冲端和2个RS-485通信口。具有PPI通信协议和自由口协议的通信能力。运行速度快、功能强。适用于要求更高的中小型控制系统。下图是CPU226AC/DC/继电器模块输入、输出单元的接线图。24个数字量输入点分成两组。第一组由输入端子I0.0-I0.7、I1.0-I1.4共13个输入点组成，每个外部输入的开关信号均有个输入端子接出，经一个直流电源终至公共端1M；

第二组有输入端子I1.5-I1.7、I2.0-I2.7共11个输入点组成，每个外部输入信号有个输入端子接出，经一个直流电源至公共端2M。由于是直流输入模块，所以采用直流电源作为检测各输入接点状态的电源。M、L+两个端子提供DC24V/400mA传感器电源，可以作为传感器的电源输出，也可以作为输入端的检测电源使用。16个数字量输出点分成三组。第一组由输出端子Q0.0-Q0.3共4个输出点与公共端1L组成；第二组有输出端子Q0.4-Q0.7、Q1.0共5个输出点与公共端2L组成;第三组由输出端子Q1.1-Q1.7共7个输出点与公共端3L组成。每个负载的一端与输出点相连，另一端经电源与公共端相连。由于是继电器输出方式，所以既可带直流负载，也可代交流负载。负载的基里原有负载性质确定。输出端子排的右端N、L1端子是供电电源AC120V/240V输入端。该电源电压允许范围为AC85-264V。AC120V/240VIM0.00.10.20.30.40.50.60.71.0LI1.21.31.42M1.51.61.72.02.12.22.32.42.52.62.7ML+AC120V/240VIM0.00.10.20.30.40.50.60.71.0LI1.21.31.42M1.51.61.72.02.12.22.32.42.52.62.7ML+图1.4CPU226AC/DC/继电器模块输入、输出单元的接线图1.2可编程序控制器的控制系统设计PLC控制系统的设计原则在最大限度的满足被控对象控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、安全可靠，并考虑到今后生产的发胀和工艺的改进，在选择PLC机型时，应适当留有余地。PLC控制系统的设计内容及步骤（一）分析控制对象在确定采用PLC控制后，应对被控对象工艺流程的特点和要求做深入了解、详细分析、认真研究，明确控制的任务、范围、和要求，根据工业指标，合理的制定和选取控制参数，使PLC控制系统最大限度的满足被控对象的工艺要求。控制要求，主要指控制的基本方式、必须完成的动作时序和动作条件、应具备的操作方式、必要的保护和联锁等，可用控制流程图和系统框图的形式来描述。在明确了控制任务和要求后，须选择电器传动方式和电动机、电磁阀等执行机构的类型和数量，拟定电动机起动、运行、调速、转向、制动等控制要求；确定输入、输出设备的种类和数量，分析控制过程中输入、输出设备后之间的关系，了解对输入信号的响应速度等。（二） PLC控制系统的硬件配置PLC控制系统的硬件设计包括急性选择、输入/输出模块的选择、画出输入/输出端子的接线图等内容。（三） 软件设计软件设计就是在硬件设计的基础上，分配输入输出元件的地址号，应用相关编程软件编写用户应用程序。根据控制要求设计出梯形图或语句表等语言的程序，这是整个设计的核心工作。（四） 输入程序并调试程序将编译通过的程序可下载到PLC中，进行室内模拟调试，如果孔子系统是由几个部分组成，则应先做局部调试，然后再进行整体调试。调试中出现的问题，要着意排除，直至调试成功。（五） 固化程序若程序须频繁修改，可选用RAM；若长期使用不需改变后运行期结束，可选用EPROM或EEPROM。八一调试通过的程序写入EPROM或EEPROM，将程序固化，PLC控制系统就可正式投运。1.3移位寄存器指令（SHRB）移位寄存器指令是可以指定移位寄存器的长度和移位方向的移位指令。其指令格式如图1.2所示：SHRB□hl Chin10.0-L.IJ tnIJDATAM0.0-S_BIT6-N图1.2移位寄存器指令1） 移位寄存器指令SHRB将DATA数值移入移位寄存器。梯形图中，EN为使能输入端，连接移位脉冲信号，每次使能有效时，整个移位寄存器移动1位。DATA为数据输入端，连接移入移位寄存器的二进制数值，执行指令时将该位的值移入寄存器。S_BIT指定移位寄存器的最低位。N指定移位寄存器的长度和移位方向，移位寄存器的最大长度为64位，N为正值表示左移位，输入数据（DATA）移入移位寄存器的最低位（S_BIT），并移出移位寄存器的最高位有效位（MSB.b）的地址。计算公式：MSB.b=[S_BIT的字节号+（|N|-1+S_BIT的位号）/8].[被8除所得的余数]。计算移出的数据被放置在溢出内存位（SM1.1）中。N为负值表示右移位，输入数据移入移位寄存器的最高位中，并移出最低位（S_BIT）。移出的数据被放置在溢出内存位（SM1.1）中。2） DATA和S-BIT的操作数为I,Q,M,SM,T,C,V,S,L。数据类型为：BOOL变量。N的操作数为VB,IB,QB,MB,SB,SMB,LB,AC,常量。数据类型为：字节。3） 使ENO=0的错误条件：0006（间接地址），0091（操作数超出范围），0092（计数区错误）。4）移位指令影响特殊内部标志位：SM1.1（为移出的位值设置溢出位）。2硬件设计2.1控制要求在步进电机单元完成本实验。使用移位寄存器指令，可以大大简化程序设计。移位寄存器指令所描述的操作过程如下：若在输入端输入一串脉冲信号，在移位脉冲作用下，脉冲信号依次移位到各个寄存器的内部继电器中，并将这些内部继电器的状态输出，每个内部继电器可在不同的时间内得到由输入端输入的一串脉冲信号。图2.1步进电动机控制的模拟实验面板图2.2选择PLC型号选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题。目前，国内外生产PLC的厂家很多，不同的厂家的PLC场频随谈基本功能相似，但有些特殊功能、价格、服务及使用的编程指令和编程软件都不同。而同一厂家生产的PLC产品又有不同的系列，同一系列中又有不同的CPU型号，不同系列、不同型号的。因此，如何选择合适的机型至关重要。2.2.1I/O点数的估计I/O点数是PLC的一项重要指标.合理选择I/O点数计可使系统满足控制要求,又可使系统总投资量最低。PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量等输入/输出设备情况来确定，一般一个输入/输出元件要占用一个输入/输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上20%到30%的备用量。2.2.2用户存储器容量的估算PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池供电的RAM。一般微型和小型PLC的存储容量是固定的，介于1-2KB之间。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。CPU功能与结构的选择PLC的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等，选型时可考虑以下几点：1） 功能与任务相适应2） PLC的处理速度应满足实时控制的要求3） PLC结构合理、机型统一4） 在线编程合理和离线编程的选择2.2.4机型选择综上所述，可知本次步进电动机控制的模拟中PLC型号选择：1） I/O点数的统计：输入1点（SD）；输出4点（A、B、C、D），控制步进电机。SD为启动按钮。2） 估计PLC用户程序长度：为I/O点数的（10-20）倍，选用S7-200CPU226CNAC/DC/RLY输出的PLC即能满足要求。2.3系统设计流程示意图

图2.2系统设计流程示意图

2.4I/O分配表表2.1输入输出接线输入SDI0.0输出ABCDQ0.0Q0.1Q0.2Q0.32.5I/O接线I/O接线图图2.3I/O接线图图2.33软件设计3.1程序设计的主要内容（一） PLC程序功能分析和设计PLC程序功能分析和设计实际上是PLC系统功能分析设计中的一个组成部分。系统的整体功能要求，可以通过硬件和程序两方面来实现。就软件而言，对工程设计人员就是编制应用程序。在编写程序之前，手电要确定应用程序的功能，大体上可以从控制功能、操作功能、自诊断功能三方面来考虑。（二） 程序结构设计的分析和设计模块化的程序设计方法，是PLC程序设计最有效、最基本的方法。程序结构分析和设计的基本任务就是以模块化程序节后为前提，以系统功能要求为依据，按照相对独立的原则，将全部程序划分为若十个“程序模块”并对每一“模块”提供程序要求、规格说明。程序设计常采用“自顶向下”的设计方法，使编出的程序清楚、异读。（三） 编制程序规格说明书程序规格说明书应包括技术要求、编制依据等内容。如整体应用程序功能要求：程序模块功能要求；受控设备及其动作时序、精度、计时、和响应速度要求；输入装置、输入条件、执行装置、输出条件和接口条件；输入模块和输出模块或I/O分配表等。（四） 程序设计根据PLC控制系统硬件结构和生产工艺要求，在程序规格说明书的基础上，使用相应的编程语言指令，编制实际应用程序的过程就是程序设计。3.2 程序设计的步骤（一） 程序框图设计这部的主要工作是根据程序规格说明书的总体要求和控制系统具体情况，确定应用程序的基本结构，绘制出程序结构框图；然后再根据工艺要求，绘制出个功能单元的详细功能框图。（二） 分配I/O编号在编写程序前，还要给每一个输入/输出信号分配相应的地址，给出每个地址对应的信号的含义、名称并列成表，以便软件编程和系统调试时使用，这种表叫I/O分配表，也叫输入输出地址表。（三） 编写程序编写程序就是根据设计出的框图逐条的编写控制程序，这是整个课程设计的核心部分。应尽量使用编程软件，如STEP7-Micro/WIN32等。梯形图语言是最普遍使用的编程语言。在编写程序的过程中，可以借鉴现成的典型控制环节程序。另外，编写程序过程中要及时对编写的程序进行注释，以免旺季期间相互间关系，最好随编随注，以便阅读和调试。（四） 程序调试程序调试是整个程序设计工作中一项很重要的内容，它可以初步检查程序的实际效果。程序调试和程序编写是分不开的，程序的许多功能是在调试中修改和完善的。调试时可先设定输入信号，观察输出信号（对应输出点的LED数码显示）的变化情况；确认无误后再现场调试，必要时可以借用某些仪器仪表，测试个部分的借口情况，直至满意为止。（五） 编写程序说明书程序说明书时对程序的综合说明，使整个程序设计工作的总结。编写程序设计说明书的木的是便于程序的使用者和现场调试人员使用，它是程序文件的组成部分。程序说明书一般包括程序设计的依据、程序的基本结构、各功能单元分析、使用的公式和原理、各参数的来源和运算过程、程序调试情况等。3.3设计梯形图3.3.1梯形图编程语言概述梯形图（LAD）是与电气控制电路图相呼应的图形语言。它沿用了继电器、触点、串并联等术语和类似的图形符号，并简化了符号，还增加了一些功能性的指令。梯形图是融逻辑操作、控制于一体，面向对象的、实时的、图形化的编程语言。梯形图信号流向清楚、简单、直观、易懂，很适合电气工程人员使用。梯形图（LAD）在PLC中使用得非常普遍，通常各厂家，各型号PLC都把它作为第一用户语言。3.3.2 梯形图指令程序

Networkb10.0 T41 T4LIINNetworkb10.0 T41 T4LIINTONPT100msNetwork1TOC\o"1-5"\h\zT40 T41INTONPT100msTOC\o"1-5"\h\zNetwork8M20.0 QUOTI ()Network9M20.1 Q0.1TI ()Network10M20.2 Q0.2TI ()Network11M20.3 QLL3TI ()3.4设计指令表3.4.1指令表编程语言概述语句表（STL）使用助记符来表达PLC的各种控制功能的。它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言直观易懂，编程简单，因此也是应用很广泛的一种编程语言。这种编程语言可使用简易编程器编程，但比较抽象，一般于梯形图语言配合使用，互为互补。目前，大多数PLC都有语句表编程功能，但各厂家生产PLC的语句表（STL）所用的助记符互不相同，不能兼容。3.4.2指令表指令程序Network1//网络标题LDT40EUSHRBM0.0,M20.0,+4Network2LDM20.4ONI0.0RM20.0,4Network3LDM20.3ONI0.0RM0.1,1Network4LDM20.0SM0.1,1Network5LDI0.0ANM0.1=M0.0Network6TOC\o"1-5"\h\zLD I0.0AN T41TONT40,+1Network7LD T40TON T41,+1Network8LD M20.0= Q0.0Network9

LDM20.1=Q0.1Network10LDM20.2=Q0.2Network11LDM20.3=Q0.34调试步进电机的控制系统由可编程控制器和步进电机功率驱动器组成，控制系统中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角；同时通过编程控制脉冲频率。在输入端输入一串脉冲信号（1000），在移位脉冲作用下，此脉冲信号