S7200PLC本體控制步進電機設(shè)計畢業(yè)設(shè)計1

1、無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 s7200本體控制步進電機畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 題 目s7200plc本體控制步進電機設(shè)計 院 系 中德機電學(xué)院 專 業(yè) 機電一體化技術(shù) 班 級 機電1004 姓 名 蔣建國 學(xué) 號 100100948 指導(dǎo)教師 張如萍 完成日期 2012年10月28日 摘要plc控制步進電機在許多工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，本文主要闡述了西門子s-7200的plc,以及map庫的應(yīng)用。并以機械手為例，闡述s-7200plc的本體控制步進電機的原理，以及通過使用map庫來控制步進電機的速度和方向，從而達到控制機械手的目的。顯著地提高了步進電機的性能，使步進電機運動平穩(wěn)，速度快，噪音低，控制精

2、度高。其次也更加深了對plc200的了解。 關(guān)鍵詞： plc 200 步進電機 abstractplc control of stepping motor has been widely applied in many industrial systems,this article mainly expounds the siemens plc, s - 7200, and the application of map database.and the manipulator as an example,the ontology of s 7200 plc control principle

3、of stepper motor,mainly through the use of the map library to control the speed and direction of step motor, thus achieve the goal of control of manipulator.significantly improve the performance of a stepper motor,make the step motor smooth movement, speed, low noise, high control precision,the seco

4、nd is a deepened understanding of plc200. keywords: plc 200, stepper motor目錄摘要2abstract21課題提出41.1選題背景42以機械手為例的步進控制設(shè)計52.1機械手控制部分和功能的介紹52.2控制要求63步進電機和驅(qū)動器63.1步進電機63.2步進電機驅(qū)動器74plc的選型104.1西門子s7200plc104.1.1s7系列plc系統(tǒng)的組成104.1.2cpu22x系列主機單元cpu226的結(jié)構(gòu)104.1.3cpu226的輸入輸出端子接線圖124.2接線圖135軟件設(shè)計145.1高速輸出指令145.2使用位控向

5、導(dǎo)編程155.3s7-200本體輸出map庫的使用195.4程序編寫245.4.1主程序部分245.4.2子程序部分255.4運行295結(jié)束語29參考文獻30致謝301課題提出 1.1選題背景隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個行業(yè)的控制領(lǐng)域都將有廣泛應(yīng)用。而現(xiàn)在的可編程控制器(通常稱plc) 是一種工業(yè)控制計算機，具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價比等性能，能充分適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，簡單易懂，操作方便，可靠性高，是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一?？刂撇竭M電機最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門子plc本身帶

6、有高速脈沖計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10khz，能夠滿足步進電動機的要求。對plc提出兩個特性要求。一是在此應(yīng)用的plc最好是具有實時刷新技術(shù)的plc，使輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。二是plc本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求。如下圖所示：plc步進電機輸入信號plc控制具有以下優(yōu)點：1)功能強，性能價格比高 一臺小型plc內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件（如計時器，計數(shù)器，繼電器等），有很強的功能，可以實現(xiàn)非常復(fù)

7、雜的控制功能。與相同功能的繼電器相比，具有很高的性能價格比。2)硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強3)可靠性高，抗干擾能力強傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現(xiàn)故障，plc用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少互繼電器控制系統(tǒng)的1/10-1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。plc采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均無故障時間達到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，plc已被廣大用戶公認為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。4)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少pl

8、c用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計、安裝、接線工作量大大減少。plc的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計方法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計時間比設(shè)計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。plc的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，輸入信號用小開關(guān)來模擬，通過plc上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。5)編程方法簡單6)維修工作量少，維修方便7)體積小，能耗低8)與時俱變，能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊 9)對未來機械

9、升級很方便2以機械手為例的步進控制設(shè)計2.1機械手控制部分和功能的介紹機械手的三個坐標x,y,z分別由兩臺步進電機和一個氣缸組成。x軸由步進電機m1通過絲桿驅(qū)動，行程開關(guān)sq1為x軸參考點，sq3為x軸的左限位開關(guān)，sq4為x軸的右限位開關(guān);z軸由步進電機m2通過絲桿驅(qū)動，sq2為z軸參考點開關(guān)，sq5為z 的下限位開關(guān)，sq6為z軸上限位開關(guān)。機械手的功能1） 機械手的功能是將工件從pos1的位置抓取放到pos2的位置。2） 再由推料氣缸推到pos3的位置。3） b6接近開關(guān)檢測pos1位是否有工件；4） b7接近開關(guān)檢測pos2位是否有工件；5） b8接近開關(guān)檢測pos3位是否有工件。2.

10、2控制要求 本設(shè)計是采用是s7 200控制步進電機控制要求如下:1）x軸上有三個限位開關(guān)，z軸有三個限位開關(guān)；2）x軸先回參考點，z軸會參考點，；3）x軸運動到pos1的位置，完成相應(yīng)動作后，z軸下降，抓取物品后，z軸上升，最后x軸運動到pos2的位置，z軸將下降將物品放下，然后z,y,x先后軸回零點；pos1pos3的位置如下圖2-1所示： 圖2-13步進電機和驅(qū)動器3.1步進電機步進電動機是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個大的發(fā)展階段后，目前其發(fā)展趨于平緩。然而，由于電動機的工作原理和其它電動機有很大的差別，具有其它電動機所沒有的特性。因此，沿著小型

11、、高效、低價的方向發(fā)展。步進電動機由此而得名。步進電動機的運行是在專用的脈沖電源供電下進行的，其轉(zhuǎn)子走過的步數(shù)，或者說轉(zhuǎn)子的角位移量，與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。另外，步進電動機動態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，只要改變輸入脈沖的順序，就能方便地改變其旋轉(zhuǎn)方向。這些特點使得步進電動機與其它電動機有很大的差別。因此， 步進電動機的上述特點，使得由它和驅(qū)動控制器組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。3.2步進電機驅(qū)動器1） dm402/402a定義上排端子下排端子引腳序號dmd402/402a引腳序號dmd402dmd402a1b-1enaena-2b+2comena+3

12、a-3dirdir-4a+4puldir+5dc+5pul-6dc-6pul+2） 控制端子 信號功能pulpul+/pul-脈沖信號：此光隔輸入端導(dǎo)通一次；電機一次步進。步進量取決于細分數(shù)設(shè)置。dirdir+/dir-方向信號：此光隔輸入端用于改變電機的轉(zhuǎn)向，實際轉(zhuǎn)向還取決于電機繞組的聯(lián)接情況。com光隔電源：+5v為各光電輸入端提供電流，也可用更高的電源電壓，介就采取限流措施，使流過光隔的電流不超過15maenaena+/ena-使能信號：此光隔輸入端用于使能/禁止驅(qū)動器的輸出部分，光耦導(dǎo)通時電機相電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（即脫機）；光耦不導(dǎo)通為使能狀態(tài)。但此輸入端不能屏蔽脈沖輸入，因

13、此，當重新使其為使能狀態(tài)時，驅(qū)動輸出將根據(jù)禁止期間所接收的脈沖數(shù)發(fā)生改變。3） 輸出端子信號功能dc-直流電源地dc+直流電源正極，電壓范圍+14v+40va+ a-電機a相b+ b-電機b相4） 輸入接口電路 dmd402/dmd402b輸入信號采用共陰極接法，dmd402a既可以采用共陽極接法，也可以采用共陰極接法，在驅(qū)動器內(nèi)部均經(jīng)過光電隔離，接口電路如圖3-1圖3-1圖3-2.dmd402a接口電路圖（共陰極）圖3-3dmd402a接口電路圖（共陽極）4plc的選型4.1西門子s7200plc 4.1.1s7系列plc系統(tǒng)的組成 西門子公司plc在我國應(yīng)用十分普遍，s7200系列屬于小型

14、plc，但許多功能已達到中型、甚至大型plc的水平，其性價比很高，是目前應(yīng)用很廣泛的一種可編程控制器。s7200系列plc是由基本單元（主機單元）、數(shù)字量擴展模塊、模擬量擴展模塊、通訊模塊、人機界面等組成。4.1.2cpu22x系列主機單元cpu226的結(jié)構(gòu)cpu22x系列plc主單元產(chǎn)品有cpu221、cpu222、cpu224、cpu226四種基本型號?，F(xiàn)以cpu224為例介紹cpu22x系列結(jié)構(gòu)。cpu226的外部結(jié)構(gòu)主要由狀態(tài)指示燈、通訊口、前蓋、接線端子、工作方式開關(guān)、模擬電位器、可選卡插槽、i/o指示燈等組成。cpu22x系列plc主要性能見下表：特性cpu221cpu222cpu

15、224cpu224xpcpu224xpsicpu226外形尺寸90*80*6290*80*62120.5*80*62140*80*62190*80*62程序存儲器：帶運行模式下編輯不帶運行模式下編輯4096字節(jié) 4096字節(jié)4096字節(jié)4096字節(jié)8192字節(jié)12288字節(jié)12288字節(jié)16384字節(jié)12288字節(jié)16384字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器2048字節(jié)2048字節(jié)8192字節(jié)10240字節(jié)10240字節(jié)掉電保護時間50小時50小時100小時100小時100小時本機i/o數(shù)字量模擬量6輸入/4輸出8輸入/6輸出14輸入/10輸出14輸入/10輸出2輸入/1輸出24輸入/16輸出擴展模塊數(shù)量0277

16、7高速計數(shù)4路30khz4路30khz6路30khz6路30khz6路30khz單相兩相2路20khz2路20khz4路20khz2路200khz3路30khz1路100khz2路200khz脈沖輸出（dc）2路20khz2路20khz2路20khz2路100khz2路100khz模擬電位器11222實時時鐘卡卡內(nèi)置內(nèi)置內(nèi)置通訊口1 s-4851 s-4851 s-4851 s-4851 s-485浮點運算是數(shù)字i/o映像大小256(128輸入/128輸出)布爾指令執(zhí)行速度0.22us/指令4.1.3cpu226的輸入輸出端子接線圖1. 輸入電路如圖4-1所示，a)用作漏型輸入，輸入點是灌入電

17、流；b)用作源型輸入，輸入點是拉出電流；常用的是漏型輸入。每個輸入點的電流為4ma。c）是cpu224xp擴展型模擬量輸入/輸出接線圖，cpu224xp擴展plc帶有2個點的模擬量輸入和1個點的模擬量輸出。 圖4-1 2. 輸出電路接線如圖4-2所示，圖a是源型直流輸出，輸出點是拉出電流；圖b是漏型直流輸出，輸出點是灌入電流；s7200系列plc的基本為源型直流輸出，每個點的額定輸出電流為0.75a（阻性負載）。圖c是繼電器輸出，繼電器輸出觸頭額定電壓24vdc或250vac每個點的額定輸出電流為2.0a（阻性負載）。每個公共端的額定電流（最大）為固態(tài)mosfet（源型）6a，穩(wěn)態(tài)mosfet

18、（漏型）7.5a，干觸點10a。 圖4-23. cpu224ac/dc/relay和cpu224dc/dc/dc的外部接線，其中，cpe224表示型號，ac(dc）表示plc的電源類型，ac表示用交流電源（ac200240v），dc表示用直流電源（24v）；在后面的dc表示輸入接口電路類型，dc為直流輸入接口電路；最后的relay（dc）表示輸出接口電路，relay表示繼電器輸出，dc表示晶體管輸出。 cpu224dc/dc/dc接線端子圖如圖4-3所示： 圖4-34.2接線圖 驅(qū)動器與步進電機的接線 s7200接線圖 5軟件設(shè)計5.1高速輸出指令s7-200系列plc的q0.0或q0.1輸出

19、端產(chǎn)生高速脈沖，來驅(qū)動諸如步進電機一類負載，實現(xiàn)速度和位置控制。高速脈沖輸出指令（pls）有脈沖輸出pto和pwm兩種形式。pto可以輸出一串脈沖（50%），用戶可以控制脈沖的周期和個數(shù)：pwm可以輸出一串占空比可調(diào)的脈沖，用戶可以控制脈沖的周期和寬度。每個cpu有兩個pto/pwm發(fā)生器，分配給輸出端q0.0和q0.1，當他們設(shè)置為ptopwm功能時，不能作為普通輸出端子使用。通常在啟動pto/pwm操作之前，用復(fù)位指令將q0.0和q0.1清零。脈沖串輸出（pto）pto脈沖串輸出指令可以輸出一定數(shù)量的占空比為50%的方波脈沖，脈沖周期變化范圍為1065535us或265535ms，由sm6

20、8或smw78來設(shè)定；脈沖個數(shù)由xmd72smd82（32為無符號位）。如果指定的周期小于兩個時間單位，則被默認為兩個時間單位；如果指定的脈沖數(shù)為0，則脈沖數(shù)默認為1.pto功能允許多個脈沖串排除輸出，從而形成流水線。流水線為兩種：單段流水線和多段流水線。由sm67.5或sm77.5設(shè)定。單段流水先模式，需要為下一段脈沖串更新特殊寄存器。一旦啟動了起始pto段，就必須按照第二波形要求改變特殊寄存器，并再次執(zhí)行pls指令。第二個脈沖串的屬性一直保持到第一個脈沖串發(fā)送完畢。第一脈沖發(fā)送完畢，第二個脈沖串輸出立即開始，重復(fù)這個過程設(shè)置下一個脈沖串參數(shù)。單段流水線中的各段脈沖可以采用不同的時間基準，但

21、有可能造成脈沖串間的不平衡過渡。輸出多段高速脈沖時，編程復(fù)雜。5.2使用位控向?qū)Ь幊蘳tep7-v4.0軟件具有位控向?qū)Чδ埽驅(qū)茏詣犹幚韕to單段管線和多段管線、脈寬調(diào)制和創(chuàng)建包絡(luò)表。使用位控向?qū)Р襟E：選擇“工具”“位控向?qū)А背霈F(xiàn)下圖5-1，選擇“配置s7200plc內(nèi)置pto/pwm操作”。 圖5-1單擊”下一步“，指定一個脈沖發(fā)生器 圖5-2s7200olc有兩個脈沖發(fā)生器：一個指定數(shù)字輸出q0.0；一個指定給數(shù)字輸出q0.1，必須指定一個希望配置的發(fā)生器。單擊“下一步”。如果項目中已有一個配置，你可以編輯現(xiàn)有的pto/pwm配置或從項目中刪除該配置或?qū)⒃撆渲靡浦亮硪粋€脈沖發(fā)生器。如果

22、項目中沒有配置則繼續(xù)執(zhí)行下一步。 圖5-3在本步中，選擇為脈沖輸出（pto）或脈寬調(diào)制（pwm）。就pwm而言選擇周期和脈沖度時間基準：就pto而言，您可以啟用高速計數(shù)器，計算輸出脈沖數(shù)目。完成選擇后單擊“下一步”。 圖5-4在本步中，指定點擊的最高速度max-speed和開始/停止速度ss-speedmax-speed允許點擊的最大工作速度，應(yīng)在電機扭矩能力范圍內(nèi)。驅(qū)動負載所需的轉(zhuǎn)矩由摩擦力、慣性和加速/減速時間決定。ss-speed低速應(yīng)滿足電機在低速時的負載驅(qū)動能力。如果ss-speed數(shù)值過低，電機和負載可能會在運動開始和結(jié)束時顫動或跳動。如果ss-speed數(shù)值過高，點擊可能在啟東市

23、丟失脈沖，并且負載在試圖停止時會使電機超速。min-speed值有計算得出，不能在此域中輸入其他數(shù)據(jù)，在輸入完ssspeed數(shù)值后，點擊此域會自動更新。ss-speed通常是max-speed數(shù)值的5%至15%。完成設(shè)定后，單擊“下一步” 圖5-5在本步中，設(shè)置加速和減速時間以毫秒為單位指定下列時間：accel-time電機從ss-speed加速至max-speed所需要的時間默認值=1000msdecel-time電機從max-speed減速至ss-speed所需要的時間默認值=1000ms加速和減速時間用測試來確定，在開始時用較大的數(shù)值，減少 時間直至電機失速，優(yōu)化設(shè)置。定義好加速（減速）

24、時間后，單擊“下一步” 圖5-6在本步進行移動包絡(luò)定義。單擊新包絡(luò)按鈕，出現(xiàn)上圖。包絡(luò)是預(yù)定義運動軌跡的買書，pto最多支持100包絡(luò)。定義包絡(luò)，包括如下幾點：在定義完所有的包絡(luò)后，單擊“確認”按鈕，進入以下界面： 圖5-73) 為pto向?qū)г趘內(nèi)存生成pto輪廓數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊受保護。pwm向?qū)Р皇褂胿內(nèi)存數(shù)據(jù)塊。單擊“下一步”，生成項目組件。單擊“完成”按鈕，完成脈沖輸出向?qū)А?.3s7-200本體輸出map庫的使用1）map的描述現(xiàn)在，200系列的plc本體pto提供了應(yīng)用庫mapservq0.0和mapservq0.1，分別用于q0.0和q0.1的脈沖輸出。如圖5-8所示： 圖5-8各個

25、塊的功能如表5-1所示:塊功能q0_x_ctrl參數(shù)定義和控制q0_x_move relative執(zhí)行一次相對位移q0_x_move absolute執(zhí)行一次絕對位移q0_x_move velocity按預(yù)設(shè)速度運動q0_x_home尋找參考點位置q0_x_stop停止運動q0_x_load pos重新裝載當前位置scale eu pulse將距離轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)scale pulse eu將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為距離表5-1下面將介紹該庫中所應(yīng)用到的程序塊。這些程序塊全部基于plc-200的內(nèi)置pto輸出，完成運動控制的功能。此外，脈沖數(shù)將通過制定的高速計數(shù)器hsc計量。通過hsc中斷計算并出發(fā)減速器的起

26、始點。1) q0-x-ctrl 該塊用于傳遞全局參數(shù)，每個掃描周期都需要被調(diào)用。功能塊如圖5-9，功能描述見表3-2. 圖5-9 參數(shù)類型格式單位意義velocity-ssindintpulsesec啟動/停止頻率velocity-maxindintpulsesec最大頻率accel-dec-timeinrealsec最大加速時間fwd-limitinbool正向限位開關(guān)rev-limitinbool反向限位開關(guān)c-posoutdintpulse當前絕對位置 表5-2velocity-ss 是最小脈沖頻率，是加速過程的起點和減速過程的終點；velocity-max 是最大脈沖頻率，受限于電機最

27、大頻率和plc的最大輸出頻率。在程序中若輸入超出（velocity-ss，velocity-max ）范圍的脈沖頻率，將會被velocity-ss或velocity-max 所取代。accel-dec-time是由velocity-ss加速到velocity-max所用的時間（或由velocity-ss減速到velocity-max所用的時間，兩者相等），范圍被規(guī)定為0.02-32.0秒，但最好不要小于0.5秒。警告：超出accel-dec-time范圍的值還是可以被寫入塊中，但是會導(dǎo)致定位過程出錯！2） scale-eu-pulse 該塊用于將一個位置量轉(zhuǎn)化為一個脈沖量，因此他可用于將一段位

28、移化為脈沖數(shù)，或?qū)⒁粋€速度轉(zhuǎn)化為脈沖頻率。功能描述如圖5-10，功能描述見表5-3： 圖5-10 參數(shù)類型格式單位意義inputinrealmm or mm/s欲轉(zhuǎn)換的位移或速度pulsesinrealpulse電機轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)e-unitsinrealmm電機轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的位移outputoutdintpulse or pulse/s轉(zhuǎn)換后的脈沖數(shù)或脈沖頻率表5-33） q0-x-home 功能塊如圖5-11，功能描述見表5-4：圖5-11參數(shù)類型格式單位意義xecuteinboolpulse尋找參考點的執(zhí)行位positionindint參考點的絕對位移start-dirinbool尋找

29、參考點的起始方向（0=反向，1=正向）doneoutbool完成位（1=完成）erroroutbool故障位（1=故障）表5-4該功能塊用于尋找參考點，在尋找過程的起始，電機首先以start-dir的方向，homing-fast-spd的速度開始尋找：在碰到limit switch后，減速至停止，然后開始相反的方向?qū)ふ遥寒斉龅絽⒖键c開關(guān)的上升沿時，開始減速到homing-fast-spd。如果此時的方向與final-dir相同，則在碰到參考點開關(guān)下降沿時停止運動，并且將計數(shù)器hco的計數(shù)值設(shè)為position中所定義的值。如果當前方向與final-dir不同，則必然要改變運動方向，這樣就可以保證參考點始終在參考點開關(guān)的同一側(cè)。尋找參考點的狀態(tài)可以通過全局變量homing-state來監(jiān)測，如表5-5homing-state意義0參考點已找到2開始尋找4在相反的方向，以速度homing-fast-spd繼續(xù)尋找過程6發(fā)現(xiàn)參考點，開始減速過程7在方向final-dir，以速度homing-fast-spd繼續(xù)尋找過程10故障（在兩個限位開關(guān)之間并未發(fā)現(xiàn)參考點） 表4-54) q0-x-move relative該功能塊用于讓軸按照指定的方向，以指定的速度運動，運動指定的相對位移。如圖4-11功能見表5-12 圖5-12參數(shù)類型格式單