基于S7-200PLC的高速计数器和高速脉冲输出功能研究

天津工业大学硕士学位论文摘要二十世纪中期，因工业生产发展的要求，可编程序逻辑控制器(PLC)问世。由于PLC的在工业控制方面具有可靠性高，抗干扰能力强，系统维护方便等特点，在各种工业自动生产线和其他自动控制系统方面得到了广泛的应用。PLC是一种自动化设备，利用微电子技术完成顺序控制的功能，能够在现场输入信号的作用下，根据提前输入的程序，控制机械运动部件采取相应的动作。截止目前，我国在工业水平上使用PLC的水平低于世界发达国家的平均水平。由此可见，基于PLC的高速计数器和高速脉冲输出功能的控制系统应用前景很大。我国大部分的机械制造业设备还处于利用继电器和接触器这种相对落后的设备进行控制，而基于PLC的高速计数器和高速脉冲输出功能的自动控制系统在我国还没有充分发挥它的价值。本文通过设计基于S7-200PLC的轴定位闭环控制系统，对S7-200PLC的高速计数器和高速脉冲输出功能进行研究。通过对S7-200PLC高速计数器和高速脉冲输出功能进行配置和编程，达到精确控制轴定位的目的。论文首先对PLC的定义以及发展概况进行介绍，然后对PLC轴定位控制系统所需理论以及知识进行详细的阐述，最后设计并实现了基于S7-200PLC的轴定位控制系统，具有一定的实际应用价值。关键词：可编程控制器；PLC；轴定位闭环控制系统；高速计数器；高速脉冲输出ABSTRACTInthemiddleofthetwentiethcentury,duetotherequirementofindustrialproductiondevelopment,programmablelogiccontroller(PLC)waspublished.BecausePLChashighreliabilityinindustrialcontrol,anti-jammingcapability,systemmaintenanceandconvenientfeatures,ithasbeenwidelyusedinthevarietyofindustrialautomatedproductionlinesandotherautomaticcontrolsystem.PLCisanautomatedequipment,completethesequencecontrolfunctionbyusingthemicroelectronictechnology,itcancontrolthemechanicalmovingpartstotakeappropriateactionaccordingtheprogramundertheeffectofinputsignal.Uptonow,theuseofPLClevelislowerthantheaveragelevelofthedevelopedcountriesintheworld.Fromthis,itcanbeseenthatthecontrolsystembasedonthePLChigh-speedcounterandhigh-speedpulseoutputfunctionhasagoodapplicationforeground.MostofChina'sfactorystillusetherelaysandcontactorstocontrolthemachinerymanufacturingequipment,andthecontrolsystembasedonthePLChigh-speedcounterandhigh-speedpulseoutputfunctionhasnotgivenfullplaytoitsvalue.BydesigningtheaxispositioningloopcontrolsystembasedonS7-200PLC,thearticlestudythehigh-speedcounterandhigh-speedpulseoutputfunctionsofS7-200PLC.Byhigh-speedcounterandhigh-speedpulseoutputfunctionsofS7-200PLCtobeconfiguredandprogrammed,weachievetheprecisecontroloftheaxispositioning.Firstly,thedefinitionanddevelopmentoverviewPLCareintroduced,thenthedetaileddescriptionforPLC-axispositioningcontrolsystemtheoryandknowledgerequiredisgiven,finally,axispositioningcontrolsystembasedonS7-200PLCisdesignedandimplemented,ithasacertainpracticalapplicationsvalue.Keywords:programmablelogiccontroller;PLC;axispositioningloopcontrolsystem;high-speedcounter;speedpulseoutput目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 11.1PLC的发展形势 11.1.1PLC的定义 11.1.2PLC的发展史 11.2PLC在生产线上轴定位上的应用 21.3本文研究内容与论文组织结构 21.4本章总结 32系统相关技术理论 42.1S7-200PLC高速计数器 42.1.1高速计数器的特点 42.1.2高速计数器指令 52.1.3高速计数器的输入端 62.1.4高速计数器的状态字节 62.1.5高速计数器的工作模式 72.1.6高速计数器的控制字节 82.1.7高速计数器的当前值寄存器和设定值寄存器 92.2S7-200PLC高速脉冲输出功能 92.2.1高速脉冲输出功能概述 92.2.2高速脉冲输出功能指令 92.3本章小结 103系统总体设计 123.1轴定位原理 123.2利用PLC构建轴定位闭环控制系统 133.3本章小结 134基于S7-200PLC轴定位闭环控制系统的具体实现 154.1系统硬件设计 154.2系统软件设计 154.2.1S7-200PLC高速计数器功能设置 164.2.2S7-200PLC高速脉冲输出功能配置 184.2.3基于S7-200PLC的轴定位闭环控制系统 214.3本章小结 225结论 24参考文献 25致谢 261绪论1.1PLC的发展形势1.1.1PLC的定义1985年，国际电工委员会将PLC（可编程控制器）定义为一种数字运算操作电子系统，其主要应用场合是工业环境。PLC的主要特点是采用了可编程的存储器用于内部存储并执行定时、计数、逻辑运算、算术运算、顺序控制等指令，通过数字或模拟的输入输出来控制各类生产过程。由此定义可知：PLC是一种由程序来确定控制功能的工控类计算机[1]。1.1.2PLC的发展史随着计算机控制技术的不断发展，可编程控制器功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步，成为自动化技术的重要组成部分。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合，相比于之前的PLC，可谓是大大的进步。世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的，其应用于通用汽车公司的生产线上。当时的PLC主要组成部件为分立元件和中小规模集成电路，仅可以完成简单的定时、计数和逻辑控制。PLC的实用化发展阶段是在20世纪70年代中期进行的，计算机技术的全面引入，使PLC的功能发生质的飞跃。现代化工业对控制器的需求，更倾向于更小的体积、更高的处理速度、更可靠的工业抗干扰设计、并具有模拟量运算和PID功能，而PLC恰好具有这些优势，以此奠定了其在工业控制领域的地位。为了更加适应现代工业的需要，PLC在20世纪末期获得了更大的发展，大型机和超小型机飞速发展，并诞生了用于转速、压力、温度等各种控制场合的特殊控制单元，人机界面单元和通信单元的产生，使得PLC的配套设施越来越多。PLC的主要发展领域是石油化工、汽车及轻工业、冶金钢铁等，其发展势头更加强劲[2]。21世纪，PLC将会有更大的发展。伴随着计算机网络的发展，PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业控制及工业控制以外的众多领域发挥愈来愈大的作用。1.1.3PLC的工作原理（1）PLC的组成PLC是主要由CPU、存储器、输入/输出接口和编程器组成。PLC的CPU是PLC的“心脏”，是PLC的主控制器，PLC通过CPU对外部事件作出反应，CPU以分时操作方式来处理各项任务的。所以程序的执行是按程序顺序依次完成各电器的动作，在时间上形成串行工作方式。PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。PLC扫描一次所花的时间称扫描周期，扫描周期与用户程序的长短和PLC的扫描速度有关，通常典型的PLC扫描周期为1~100ms。PLC的存储器是具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。PLC的输入部分是指各类按钮、传感器和行程开关灯接口电路，收集并保存来自被控对象的各种模拟量、开关量和来自操作台的命令信息等。PLC的输出部分是指驱动各种电磁线圈、信号指示灯、接触器等执行元件的接口电路，它向被控对象提供动作信息。PLC编程器分为两种，一种是手持编程器，方便，我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC的RS232口，与计算机相连，然后敲击键盘，通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。（2）PLC的基本工作原理PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1．每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。2．输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5．扫描周期的长短由三条决定。1）CPU执行指令的速度；2）指令本身占有的时间；3）指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。6．由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。1.2PLC在生产线上轴定位上的应用在许多自动生产线上工作的机械手，根据工艺的要求，使其能够在不同的位置上进行工作，这就要求机械手的机械机构能够精确可靠的定位在预定的位置。在这类系统中，轴定位的精度问题是产品能否满足预定功能，并实现生产的关键。实现多点定位的方法有很多，比如采用步进油缸，多为油缸等方法，但是这些方法都是硬件实现的方法，且定位精度取决于油缸的制造精度，定位数目有很有限，对于中小企业而言，一般生产的批量并不大，如果一旦定位的要求改变，则整个执行机构就需要重新的设计和制造，这需要的耗费是很大的。因此，在中小企业中，采用造价低，且具有一定的定位精度，能够实现多点定位的机电一体化系统，具有一定的推广前景[3]。对于轴定位而言，其定位的关键在于对伺服电机的控制，伺服电机一般为交流异步电机或步进电机，如果能够精确控制伺服电机的位置，就能够实现精确的轴定位。PLC作为专门在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，其具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，并且，现在多数PLC都具有高速计数器和高速脉冲输出单元，其为我们实现上述造价低，且具有一定的定位精度的机电一体化系统成为了可能。1.3本文研究内容与论文组织结构本文通过对西门子S7-200PLC的高速计数器和高速脉冲输出进行研究，搭建了简单的PLC高速计数器和高速脉冲输出检测系统，实现利用PLC的高速计数器和高速脉冲输出进行编码器的读取和控制功能，并能够进行基本单轴的定位和位置、速度控制。论文的主要章节和内容如下：第一章：绪论，主要介绍PLC的定义及发展形势，以及PLC在轴定位系统中的应用。第二章：系统相关技术理论，主要介绍基于PLC的轴定位系统所需的理论知识，包括对S7-200PLC的高速计数器和高速脉冲输出功能的介绍。第三章：系统总体设计，主要介绍了轴定位原理和如何利用PLC建立轴定位闭环控制系统。第四章：基于S7-200PLC轴定位闭环控制系统的具体实现，主要介绍了本文设计的轴定位闭环控制系统的硬件和软件设计。最后对整片论文进行总结，并提出几点建议。1.4本章总结本章简要介绍了PLC的定义以及发展形势，通过PLC在轴定位系统中的应用，引出下文对PLC高速计数器和高速脉冲输出功能的研究。2系统相关技术理论2.1S7-200PLC高速计数器2.1.1高速计数器的特点计数器是PLC内部重要的软元件之一，其能够通过程序实现实时准确的计数。其中，高速计数器是PLC中常用的一种，本文以西门子的S7-200为例，对其4个主要的工作特点进行介绍[4]。1）对外部事件信号进行计数PLC具有两种计数器，一种是对PLC内部信号进行计数，另一种是对外部事件信号进行计数。高速计数器属于第二种，它是对从输入端子In（n=0,1,2,3,4,5）输入的外部事件信号进行计数的计数器[5]，需要从两个端子输入信号，才能够实现计数。其执行原理如图2-1所示。图2-1高速计数器执行原理图2）较高的计数频率由于高速计数器的计数方式为中断方式，因此，与内部信号计数器相比，其计数频率较高。高速计数器的计数脉冲信号频率一般在几千赫兹以上，达最高频率时，可以从计数器的输入端子In（n=0,2,3）输入30Khz的外部事件脉冲信号。S7-200的计数器最多可以设置12中不同的工作模式，用于实现高速运动的精确控制。3）点数少、类型多高速计数器的点数远远少于内部信号计数器的点数。但其使用跳进和功能分布却要复杂于内部信号计数器。通常根据所需高速输入端子和计数器的类型，来决定选择哪种高速计数器[6]。高速计数器的类型有一相带启动/复位端子的计数器、一相无启动/复位端子的计数器、2相A~B相计数器和2相双向计数器四种。为了正确使用高速计数器，必须弄清其类型、功能、使用条件，以及各输入端子的响应最高频率。4）频率总和必须小于某一确定值由于高速计数器独立于PLC的扫描周期，按中断原则进行操作运行，因此其频率总和要小于某一确定值。计数器的计数频率会随着高速计数器的减少而升高，PLC外部中断信号源是每个外部事件计数信号输入端，其中断信号由输入电平的跳变产生[7]。CPU先响应中断，然后执行高速计数器中断服务程序。因为各外部事件计数信号中断源都公用同一个计数中断服务程序，因此，各高速计数器的频率总和为一常数。当使用多个高速计数器分别对外部事件计数时，只有计数频率总和保持常数，并且这个常数符合最高频率的限制条件，才能使高速计数器实现准确计数。2.1.2高速计数器指令受CPU扫描速度的影响，普通计数器的工作方式是顺序扫描。其在每个扫描周期，对计数脉冲进行一次累加。当脉冲信号频率高于PLC的扫描频率时，如果使用普通计数器，必然会丢失很多输入脉冲信号，此时，就可采用高速计数器来实现采集高频率脉冲信号。在S7-200的CPU22X中，高速计数器数量及其地址编号表如表2-1所示。表2-1高速计数器数量及其地址编号表CPU类型CPU221CPU222CPU224CPU226高速计数器数量46高速计数器编号HC0,HC3~HC5HC0~HC5高速计数器的指令包括定义高速计数器指令HDEF和执行高速计数指令HSC，如表2-2所示。1）HDEF—定义高速计数器指令HDEF指令功能是为某个要使用的高速计数器选定一种工作模式。每个高速计数器在使用前，都要用HDEF指令来定义工作模式，并且只能用一次。它有两个输入端：HSC为要使用的高速计数器编号，数据类型为字节型，数据范围为0~5的常数，分别对应HC0~HC5;MODE为高速计数的工作模式，数据类型为字节型，数据范围为0~11的常数，分别对应12种工作模式。当准许输入使能EN有效时，为指定的高速计数器HSC定义工作模式MODE。表2-2高速计数器的指令HDEFHSC2）HSC--执行高速计数指令HSC指令功能功能是根据与高速计数器相关的特殊继电器确定在控制方式和工作状态，使高速计数器的设置生效，按照指令的工作模式的工作模式执行计数操作。它有一个数据输入端N，N为高速计数器的编号，数据类型的字型，数据范围为0~5的常数，分别对应高速计数器HC0~HC5.当准许输入EN使能有效时，启动N号高速计数器工作。2.1.3高速计数器的输入端高速计数器的输入端不是由用户自定义的，而是由系统指定的输入点输入信号，每个高速计数器对其支持的功能都有专用的输入点，通过中断或比较完成操作。每个高速计数器的专用输入点如表2-3所示。表2-3高速计数器的专用输入点高速计数器标号输入点高速计数器标号输入点HC0I0.0,I0.1,I0.2HC3I0.1HC1I0.6,I0.7,I1.0,11.1HC4I0.3,I0.4,I0.5HC2I1.2,I1.3,I1.4,I1.5HC5I高速计数器的状态字节为了监视高速计数器的工作状态，系统为每个高速计数器在特殊寄存器SMB区都提供了一个状态字节，状态字节可以触发高速计数器的中断事件，高速计数器的状态字表如表2-4所示。状态字节的状态位，在高速计数器的中断程序中才有效。表2-4高速计数器的状态字表HC0HC1HC2HC3HC4HC5描述SM36.0SM46.0SM56.0SM36.0SM146.0SM156.0不用SM36.1SM46.1SM56.1SM36.1SM146.1SM156.1SM36.2SM46.2SM56.2SM36.2SM146.2SM156.2SM36.3SM46.3SM56.3SM36.3SM146.3SM156.3SM36.4SM46.4SM56.4SM36.4SM146.4SM156.4SM36.5SM46.5SM56.5SM36.5SM146.5SM156.5当前计数的状态位0=减计数，1=增计数SM36.6SM46.6SM56.6SM36.6SM146.6SM156.6当前值等于设定值的状态位0=不等于，1=等于SM36.7SM46.7SM56.7SM36.7SM146.7SM156.7当前值大于设定值得状态位0=小于等于，1=大于2.1.5高速计数器的工作模式S7-200的高速计数器的工作模式有12种，并分为5类。可以使用HDEF指令来选定高速计数器的工作模式。本设计中采用HC0工作模式。HC0是高速计数器中的通用增减计数器，有8种模式可以选择，通过编程，可以选择不同的工作模式，其工作模式如表2-5所示。表2-5HC0的工作模式模式描述控制位I0.0I0.1I0.20内部方向控制的单向增/减计数器SM37.3=0,减脉冲1SM37.3=1,增复位3外部方向控制的单向增/减计数器I0.1=0，减脉冲方向4I0.1=1，增复位6增/减计数脉冲输入控制的双向计数器外部输入控制曾计数脉冲减计数脉冲7复位9A/B相正交计数器A超前B,曾计数外部输入控制A相脉冲B相脉冲10B超前A，减计数复位2.1.6高速计数器的控制字节S7-200先要检查和各个高速计数器相关的控制字节，再执行HSC指令，通过控制字节中输入信号和复位信号的有效电平，来判断是否允许更新设定值，以及是否允许更新当前值，在控制正交计数器的计数倍率和计数方向时，采用内部控制的有效电平，以及是否执行高速计数指令，来配置高速计数器的相应功能。高速计数器控制字节表如表2-6所示。表2-6高速计数器的控制字节HCOHC1HC2HC3HC4HC5描述SM37.0SM47.0SM57.0SM147.0复位输入控制电平有效值：0=高电平有效，1=低电平有效SM47.1SM57.1启动输入控制电平有效值：0=高电平有效，1=低电平有效SM37.2SM47.2SM57.2SM147.2倍率选择：0=4倍率，1=1倍率SM37.3SM47.3SM57.3SM137.3SM147.3SM157.3计数方向控制：0为减1为曾SM37.4SM47.4SM57.4SM137.4SM147.4SM157.4改变计数方向控制：0=不改变1=准许改变SM37.5SM47.5SM57.5SM137.5SM147.5SM157.5改变设定值控制：0=不改变1=准许改变SM37.6SM47.6SM57.6SM137.6SM147.6SM157.6改变当前值控制：0=不改变1=准许改变SM37.7SM47.7SM57.7SM137.7SM147.7SM157.7高速计数控制：0=禁止计数1=准许计数对于表2-6，做如下说明：1）模式0、3、6和9，既无启动输入，也没有复位输入计数器；在模式1、4、7、10中，只有复位输入，没有启动输入的计数器；模式2、5、8、11，是既有启动输入，也有复位输入的计数器；2）当启动输入有效时，计数器允许计数；启动输入无效的时候，计数器的当前值不变；当选择复位输入时，计数器的当前寄存器清零；将启动输入设为无效，复位输入设为有效时，高速计数器会忽略复位影响，并保持计数器当前值不变；当设置启动输入为有效时，复位输入也保持有效时，计数器当前值清零。3）S7-200中，在系统默认状态，其复位输入和启动输入都是高电平有效，正交计数器为4倍频，通过设置特殊继电器的第0、1、2位，可以改变系统的默认设置。2.1.7高速计数器的当前值寄存器和设定值寄存器S7-200的每个高速计数器都由1个32位的经过值寄存器HC0~HC5，1个32位的设定值寄存器和1个32为的当前值寄存器组成。当想在高速寄存器中装入新的设定值和当前值，必须先将设定值和当前值装入表2-7所示的特殊寄存器中，其数据格式为双字节格式，然后执行HSC指令，就能将新的值传送入高速计数器[8]。表2-7高速计数器的当前值和设定值HC0HC1HC2HC3HC4HC5说明SMD38SMD48SMD58SMD138SMD148SMD158新当前值SMD42SMD52SMD62SMD142SMD152SMD162新设定值2.2S7-200PLC高速脉冲输出功能2.2.1高速脉冲输出功能概述S7-200可以通过其PTO/PWM发生器，建立高速脉冲串（PTO）或者脉宽调节（PWM）信号波形，当选定组态输出为PTO操作时，PLC会产生一个占空比为50%的脉冲串，用于电机速度和位置的开环控制。PLC的PTO功能可以让用户控制脉冲周期和数量。但是，程序必须要通过PLC内置的I/O口提供防线和限定控制。S7-200提供了方便的PWM和PTO或为空模块组态搭建的位控向导，通过位控向导，可以生成位置指令，通过这些生成的指令，用户可以在程序中动态控制电机的速度和位置。2.2.2高速脉冲输出功能指令S7200的CPU本体上有两个PTO/PWM高速脉冲发生器，它们每个都可以产生一个高速脉冲串（PTO）或者一个脉宽调制波形（PWM）。脉冲串输出（PTO）：PTO功能按照给定的脉冲个数和周期输出一串方波，占空比为50％。PTO可以产生单段脉冲或通过使用脉冲包络产生多段脉冲。必须为其设定脉冲个数和周期（以微秒或毫秒为单位），其脉冲个数为1－4294967295，周期为50μs（20K）到65535μs或者2ms到65535ms，注意，设定的周期应为偶数，否则会引起占空比失真。CPU224XP可以支持最短10us脉冲周期。脉宽调制输出（PWM）：PWM功能产生一个占空比变化周期固定的脉冲输出。你可以为其设定周期和脉宽（以微秒或毫秒为单位），其周期为50μs到65535μs或者2ms到65535ms（CPU224XP可以支持最短10μs脉冲周期），脉宽为0μs到65535μs或者0ms到65535ms，最低50μs，设置为0μs等于禁止输出；CPU224XP可以支持最短10μs脉冲周期。S7-200的两个PTO\PWM发生器，分别是Q0.0和Q0.1,CPU224XP的脉冲频率最高可以为100Khz，其他CPU的脉冲频率最高为20Khz，PTO脉冲串是按照给定的脉冲周期和脉冲个数输出一串方波，如图2-2所示，其可以为单段脉冲，也可以是多段脉冲（通过包络表进行设置），PWM是脉宽调制[9]，如图2-3所示，其可以产生一个周期固定，但占空比变化的脉冲输出，主要用于对电机的速度控制。在S7-200PLC中，脉冲串可以通过脉冲输出指令PLS或者使用定位向导进行输出。图2-2PTO脉冲串图2-3PWM脉宽调制高速脉冲输出指令如图2-4所示，指令EN有一个上升沿时，用于激活PLS，控制PLC从Q0.0或Q0.1输出高速脉冲。PLS指令可以输出高速脉冲串PTO和宽度可调的脉冲信号PWM数据类型。高速脉冲输出指令的数据类型为操作数Q0.X（X必须是常数0或1），指令的EN端只接通一个扫描周期的短信号。图2-4高速脉冲输出指令S7-200提供了完整的脉冲输出解决方案，表2-8为PTO\PWM指令控制寄存器，通过控制寄存器，用户可以设置工程需要的脉冲输出。表2-8PTO\PWM指令控制寄存器Q0.0Q0.1状态字节说明状态字节状态SM66.4SM76.4PTO包络由于增量计算错误而终止0=无错误；1=终止SM66.5SM76.5PTO包络由于用户命令而终止0=无错误；1=终止SM6665SM76.6PTO管线上溢/下溢0=无溢出；1=上溢/下溢SM66.7SM76.7PTO空闲0=执行中；1=PTO空闲Q0.0Q0.1控制字节说明控制字节状态SM67.0SM77.0PTO/PWM更新周期0=不更新；1=更新周期值SM67.1SM77.1PWM更新脉冲宽度值0=不更新；1=脉冲宽度值SM67.2SM77.2PTO更新脉冲数0=不更新；1=更新脉冲数SM67.3SM77.3PTO/PWM时间基准选择0=1us/格；1=1ms/格SM67.4SM77.4PWM更新方法0=异步更新；1=同步更新SM67.5SM77.5PTO操作0=单段操作；1=多段操作SM67.6SM77.6PTO/PWM模式选择0=选择PTO；1=选择PWMSM67.7SM77.7PTO/PWM允许0=禁止；1=允许S7-200也提供了对脉冲的周期，宽度以及包络表设置的寄存器，如表2-9所示，包络表是一个预先定义的移动描述，其中包括一个或多个速度，影响步进电机的运行速度，一个包络由很多段组成，每一段都是一个速度从加速到匀速再到减速的固定数量的脉冲，通过包络表可以设置很多个包络，从而可以控制步进电机在按照不同的要求，采用不同的速度运行。2.3本章小结本章详细介绍了什么是S7-200PLC的高速计数器和高速脉冲输出功能，以及配置此功能的寄存器，为设计轴定位控制闭环控制系统打下基础。表2-9PTO\PWM其他寄存器Q0.0Q0.1其它PTO/PWM寄存器SMW68SMW78PTO/PWM周期值（范围：2到65535）SMW70SMW80PWM脉冲宽度值（范围：0到65535）SMD72SMD82PTO脉冲计数值（范围：1到4,294,967,295）SMB166SMB176进行中的段数（仅用在多段PTO操作中）SMW168SMW178包络表的起始位置，用从V0开始的字节偏移表示（仅用在多段PTO操作中）SMB170SMB180线性包络状态字节SMB171SMB181线性包络结果寄存器SMD172SMD182手动模式频率寄存器3系统总体设计3.1轴定位原理通常如果要求轴上的零件从一个位置移动到另一个位置，控制系统会先计算出一个时间速度控制图，然后通过这个控制图，控制轴精确的到达指定的位置。一般，时间速度控制图为一个梯形，如图3-1所示，从图中可以看出，在一个定位命令下发后，轴先以加速度a做加速运动，直到达到设定速度v时，开始做匀速运动，一段时间后，再以加速度a做减速运动，当速度变为0时，轴移动的距离就是定位命令规定的值△S。图3-1轴定位时间速度图通过以上方法进行轴定位，其误差接近为0。但是在实际中，由于受到装置响应滞后以及采用控制的影响，定位的时间会被延长。设S为位置偏差，S2为轴移动的位移，Vm为控制最大线速度，am为最大加速度。设在S2=vm2/v=vm-aS=S2-2t根据式（3-1）和式（3-2）可得v2=2am因此在S从S2到0这一区间内v=fs由式（3-2）可知：lims→0dvds=∞由此可知，在位移偏差很小的情况下，要是先精确定位，控制系统的开环放大倍数需要无限大，然而，在实际中，这种理想的过程是很难实现的，采用极限的想法，利用分段式的折线速度，无限接近于理想曲线，使得定位精度在允许的范围内。3.2利用PLC构建轴定位闭环控制系统本设计通过构建轴定位闭环控制系统，并对轴定位闭环控制系统的执行机构进行监测，实现对轴定位的精确控制[10]。S7-200PLC具有高速计数功能，可以读取电机编码器发出的高速脉冲信号，并进行计数，然后根据预定脉冲数和实际脉冲数的对比情况，通过S7-200PLC的高速脉冲输出功能，向步进电机发出响应的脉冲，从而实现了步进电机的闭环控制。其轴定位闭环控制系统如图3-2所示。图3-2轴定位闭环控制系统高速计数器在多个设定值区域进行多段设定，当开始计数时，设定值和计数值进行比较，当中断被允许并且设定值和计数值相等时，程序跳入中断，对中断程序进行处理，执行完成后，再跳出中断，返回之前的中断点，继续向下执行。在本设计中，采分段式加减速逼近的方式，如图3-3所示，使轴先已匀速V0进行一段位移后，再以V0+△V匀速运动一段距离，然后以这种规律加速到最大速度Vmax，使轴进入稳定匀速运动阶段，当此阶段结束时，再采用与之前相反的顺序进行减速运动，直到速度为0，使轴到达指定位置，完成定位操作。图3-3分段式加减速逼近其中，高速脉冲的输入信号由PLC高速计数器进行计数，用于检测当前速度的大小，以调整速度到设定值，高速脉冲的输出信号根据当前的设定值，按照分段式加减速的算法，输出合适的脉冲，以调整轴达到控制的速度。3.3本章小结本章介绍基于S7-200PLC高速计数功能和高速脉冲输出的轴定位系统的总体设计，主要介绍什么是轴定位，以及利用PLC构建轴定位系统的系统模型搭建。4基于S7-200PLC轴定位闭环控制系统的具体实现4.1系统硬件设计本系统采用西门子S7-200PLC作为控制单元，S7-200是使用比较广泛的可编程控制器，其具有高速计数器和高速脉冲输出功能，使用方便。将PLC的输出端与步进电机控制器连接，驱动步进电机，步进电机带动丝杠进行转动，步进电机的旋转编码器采集丝杠转数，并将采集结果传至PLC的高速计数器中。高速计数器将采集结果与设定值进行比较，通过PLC的高速脉冲输出功能，向步进电机发送响应脉冲，从而实现轴的精确定位[11]。步进电机的编码器，选用增量型编码器，增量型编码器由码盘、发光管、光电接受管、放大整形电路和脉冲输出端组成，其组成如图4-1所示，编码器精度是指编码器旋转一周输出的脉冲个数，其分为1相、2相和3相编码器，1相编码器只有一个输出，不能识别正反转；2相编码器具有两个输出，可以识别正反转；3相编码器有三个输出，可以识别正反转，且可以记录编码器旋转了几圈，编码器的脉冲信号可以输入到PLC中计算为实际值，从而控制步进电机的运行。本设计中采用3相编码器。图4-1编码器组成和分类图4.2系统软件设计PLC控制步进电机采用梯形图编程，并采用多段加减速方式进行处理，将多段的设定值存储在PLC的寄存器中，当编码器的脉冲数达到设定脉冲数时，程序跳入中断程序，并改变步进电机的速度，通过如上所述的多段加减速的方式对步进电机进行控制，直到程序预设定位位置。步进电机变速部分程序放在中断程序中，每当设定值和计数值相等时，中断使能位设为ON，程序跳入中断，执行中断指令，改变步进电机的速度。在驱动步进电机前需要对S7-200高速计数器和高速脉冲输出功能进行设置，S7-200提供了方便的可视化设置功能，下面分别介绍高速计数器和高速脉冲输出功能的设置方法。4.2.1S7-200PLC高速计数器功能设置S7-200对高速计数器设置可通过HSC指令向导进行设定，通过HSC指令向导，可以方便的对高速计数器的功能进行配置，配置完成后，会自动生成相应的梯形图程序，用户只要调用此程序，就可以初始化高速计数器[12]。高速计数器的配置方法如下：1）配置HSC，设置模式，本设计中选择计数器HC0，并选择模式1。如图4-2所示。图4-2配置HSC2）配置HSC，设置初始化数据。此处许对子程序命名，并设定预设值和初始的当前值，设定增或者减计数和复位信号高电平或者低电平有效。如图4-3所示。图4-3设置HSC初始化数据3）设置中断程序，HSC可以设置中断事件，此处设置当预设值和当前值相等时，程序进入中断事件，在中断程序中，改变步进电机的速度。如图4-4所示。图4-4设置中断程序4）完成HSC配置，并在主程序中加入对初始化子程序的调用。使用SM0.1或边沿触发指令确保此子程序仅被调用一次，并连接所需的中断程序。如图4-5所示。图4-5完成HSC配置图4-6为HSC向导生成的子程序在主程序中的调用，以初始化高速计数器。4.2.2S7-200PLC高速脉冲输出功能配置S7-200PLC对高速脉冲输出提供了方便的可视化设置窗口——PLS脉冲输出向导，通过此向导，用户可以简单的对所需要的PTO控制过程进行设置，达到系统所需的控制要求。其配置方法如下[13]：1）打开PLS配置向导，如图4-7所示。2）配置脉冲输出模式，如图4-8所示，此处可以选择配置PTO或者PWM。PTO是线性脉冲串，其占空比为50%，主要用于步进和伺服控制；PWM为脉宽调制，可用于固态继电器控制或其他脉宽控制信号，在本设计中，主要是控制步进电机，故采用PTO控制。3）定义控制系统的最大和最小速度，以及加速和减速的时间，此处限定控制系统的最大和最小速度，从而能够有效控制步进电机的运动情况；4）配置包络表[14]，如图4-9所示，通过配置包络表，能够实现步进电机根据控制需求，在不同的速度下运动。在本设计中，通过高速计数器采集编码器的脉冲数，从而计算实际脉冲数，并和设定脉冲数进行比较，当达到加速或减速需求时，通过包络表查找在此条件下所需要的步进电机运行速度，达到精确控制步进电机的目的。图4-6高速计数器初始化程序图4-7PLS脉冲输出配置向导图4-8PTO\PWM脉冲输出模式配置图4-9配置运动包络表5）脉冲输出向导创建完成，如图4-10所示。向导会根据用户输入的条件，自动生成脉冲输出使能子程序，用户只需在主程序中调用此子程序代码，就可以实现相应的功能。图4-10脉冲输出向导完成图脉冲输出向导会生成一系列脉冲输出使能子程序，如图4-11所示，分别是控制用子程序、手动用的子程序和自动运行的子程序[15]。本设计中，采用自动运行子程序对伺服电机进行运动控制，其梯形图如图4-12所示。图4-11脉冲输出使能子程序图4-12自动运行子程序4.2.3基于S7-200PLC的轴定位闭环控制系统前面对S7-200PLC的高速计数器和高速脉冲输出功能进行了相应的介绍，并说明了在本设计中的配置情况。在本设计中，通过利用PLC轴定位闭环控制系统控制步进电机，步进电机进一步驱动丝杠运动，来达到研究PLC高速计数器和高速脉冲输出的功能，系统的具体实现演示图，如图4-13所示：图4-13PLC轴定位闭环控制系统图4-14为PLC轴定位闭环控制系统软件流程图，在系统初始化阶段，向PLC输入控制指令和控制参数，并设定PLC高速计数器的设定值和初始值和PLC高速脉冲输出的脉冲数、起始频率、最高工作频率以及加减速时间和脉冲输出的开始指令。初始化完成后，PLC向步进电机发出脉冲指令，使步进电机以初始速度运转，此时PLC通过高速计数器，记录采集到的实际编码器脉冲数，并和设定的脉冲数比较，当实际脉冲数和设定脉冲数相等时，程序跳入高速计数器中断程序，并通过对相应定位条件下的判断，调整步进电机的速度，已达到精确定位的目的。当PLC接收到停止信号，或者扫描到步进电机已到达定位点时，停止脉冲输出，完成一次定位控制。4.3本章小结本章是对基于S7-200PLC的轴定位闭环控制系统的具体实现，详细介绍了在本设计中对PLC高速计数器和高速脉冲输出功能的配置，以及轴定位闭环控制系统的执行流程。图4-14PLC轴定位闭环控制系统软件流程图5结论在本设计中，充分利用了S7-200PLC的高速计数器和高速脉冲输出功能，设计了基于S7-200PLC的轴定位闭环控制系统