DZ168西門(mén)子PLC的步進(jìn)電機(jī)直接控制
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浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)I目 錄摘 要.IIIABSTRACT.IV第一章 緒 論.11.1 引言 .1第二章 方案論證比較設(shè)計(jì).32.1PLC 技術(shù)的發(fā)展概述 .32.2PLC 技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的發(fā)展?fàn)顩r .42.3 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r .52.4 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 .72.5 步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)方法簡(jiǎn)介 .8第三章 步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇.93.1 常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)的工作方式 .93.2 控制步進(jìn)電機(jī)換向順序 .103.3 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 .103.4 控制步進(jìn)電機(jī)的速度 .103.5 西門(mén)子 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路 .103.5.1 步進(jìn)電機(jī)控制方式 .113.5.2 西門(mén)子 PLC 控制步進(jìn)電機(jī) .123.6 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù) .14第四章 S7 200 直接控制步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計(jì).154.1s7200 的介紹 .154.1.1 性能 .174.1.2 西門(mén)子 PLC 應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題 .184.1.3 控制系統(tǒng)中干擾及其來(lái)源 .184.1.4 主要抗干擾措施 .194.1.5I/O 端的接線(xiàn) .194.1.6 正確選擇接地點(diǎn)以完善接地系統(tǒng) .204.2 步進(jìn)電機(jī)的具體控制原理 .204.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 .214.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) .214.4.1 功率放大器件驅(qū)動(dòng)電機(jī) .214.4.2 PLC 直接驅(qū)動(dòng)電機(jī) .25第五章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).275.1 控制脈沖的產(chǎn)生 .275.2 步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和時(shí)序脈沖的關(guān)系 .295.3 步數(shù)的確定 .295.4 定位控制 .305.5 步進(jìn)電機(jī)的變速控制 .31浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)II第六章 本設(shè)計(jì)相關(guān)控制簡(jiǎn)介.356.1 初始化 .356.2 設(shè)置和取消參考點(diǎn) .356.3 定位控制 .356.4 選擇旋轉(zhuǎn)方向 .366.5 起動(dòng)電機(jī) .366.6 停止電機(jī) .366.7 聯(lián)鎖 .376.8 硬件接口定義 .37第七章 設(shè)計(jì)總結(jié).38參考文獻(xiàn).39致 謝.40附錄.41浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)III摘 要本文根據(jù)傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制中的不足和缺點(diǎn),將 PLC 直接控制技術(shù)運(yùn)用于步進(jìn)電機(jī)的控制。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)控制技術(shù)中的各部分硬件的設(shè)計(jì)、選型、接口匹配往往要花費(fèi)設(shè)計(jì)者一很大的精力和勞動(dòng),接口信號(hào)的匹配以及各器件的質(zhì)量等對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性影響很大等缺點(diǎn)。 本文根據(jù) PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的控制特點(diǎn)及其原理,把軟件控制和硬件電路互相結(jié)合起來(lái),形成整體的控制,有效的克服了它們的缺點(diǎn)而發(fā)揮了它們的優(yōu)勢(shì)。本文詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)中 PLC(西門(mén)子)直接控制步進(jìn)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法、系統(tǒng)的各部件的組成、各部件的連接情況。 關(guān)鍵字:西門(mén)子 PLC;步進(jìn)電機(jī)調(diào)速; 步進(jìn)電機(jī);浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)IVABSTRACTThis text treads to control into the electrical engineering according to the tradition medium of shortage and weakness, control PLC directly technique usage in tread into the control of electrical engineering.That system solved a tradition a control a technique in of the design of each parts of hard wares, choose a type and connect to match to usually need to cost a design one very big energy and labor, connect message number to match and the quality of each spare part wait to the whole system of the credibility influence to wait weakness very greatlyThis text treads into control characteristics and its principle of electrical engineering according to the PLC control, combining together with each other the software control and the hardware electric circuit, becoming a whole control, overcoming their weakness but developing their advantages effectively. This text elaborated that system in detail to tread and carry out each parts of the method, system and constitute into the electrical engineering in the PLC (Siemens) direct control, the conjunction circumstance of each parts.浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)VKEY WORDS:Siemens PLC; Tread into the electrical engineering adjust soon; Tread into the electrical engineering.浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)1第一章 緒 論1.1 引言近年來(lái),在國(guó)際上出現(xiàn)了 Mechanics 和 electronics 復(fù)合成 Mechtronics這個(gè)新詞,我國(guó)譯為“機(jī)電一體化” 。這種機(jī)械和電子技術(shù)、信息技術(shù)緊密結(jié)合的新的學(xué)科領(lǐng)域是先進(jìn)制造技術(shù)研究和普及的結(jié)果。機(jī)電一體化產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)電器控制的實(shí)時(shí)性、高可靠性、可編程和一定的人工智能。同時(shí)追求體積小、價(jià)格低,甚至低功耗等。正是針對(duì)上述種種要求而設(shè)計(jì)的 PLC 自然成為機(jī)電一體化控制器的較佳選擇。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了,它的組成、動(dòng)作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有什么本質(zhì)區(qū)別,也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。80 年代以后,由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來(lái)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路,不僅調(diào)試安裝復(fù)雜,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后,要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路,不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)?;谖⑿陀?jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)則通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī),能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力,因此,用微型計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì),也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)和普通電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的不同之處是步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)的控制。早期的步進(jìn)電機(jī)靠一種叫環(huán)形分配器的電子開(kāi)關(guān)器件,通過(guò)功率放大器使勵(lì)磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵(lì)磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列,輪流與直流電源接通后,就會(huì)在間隙中形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),使轉(zhuǎn)子步進(jìn)式的轉(zhuǎn)動(dòng),隨著接通切換頻率的增高,轉(zhuǎn)速就會(huì)增大。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)同時(shí)與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān),現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)2步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在使用數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)制造中,因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要 A/D 轉(zhuǎn)換,能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移,所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較小,無(wú)法滿(mǎn)足需要,在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達(dá)。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用,成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),在這個(gè)應(yīng)用中,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)完成兩個(gè)工作,其一是傳遞轉(zhuǎn)矩,其二是傳遞信息。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用,步進(jìn)電機(jī)也應(yīng)用在其他方面,比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá),作為通用的軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的馬達(dá),也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中等等。微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,帶動(dòng)了機(jī)械加工技術(shù)的飛速發(fā)展。而在其發(fā)展過(guò)程中,最顯著的特點(diǎn)是機(jī)械制造將越來(lái)越密切地依賴(lài)于電子技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)論、信息論等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。傳 統(tǒng) 的 步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制 方 式 由 控 制 器 產(chǎn) 生 控 制 指 令 ,環(huán)形分配器根據(jù)指令將輸入的單一脈沖串,按土作方式和轉(zhuǎn)向分別依次向連接到步進(jìn)電機(jī)各相繞組的功率放大器分配脈沖,以便形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這種方式的各部分硬件的設(shè)計(jì)、選型、接口匹配往往要花費(fèi)設(shè)計(jì)者一很大的精力。接口信號(hào)的匹配以及兒器件的質(zhì)量等對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性影響很大。現(xiàn)代控制系統(tǒng)中,PLC 作為一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的控制器,它的功能越來(lái)越強(qiáng),性能越來(lái)越先進(jìn)。為了配合步進(jìn)電機(jī)的控制,許多 PLC 都內(nèi)置了脈沖輸出功能,并設(shè)置了相應(yīng)的控制指令,可以很好地對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行直接控制。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是:大大減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量,不存在各部分接口信號(hào)的匹配問(wèn)題,提高系統(tǒng)的可靠性。整個(gè)控制系統(tǒng)由 PLC 和步進(jìn)電機(jī)組成。PLC 具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù),輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高,使得脈沖分配能有很高的分配速度,充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力,提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。并且,PLC 有采用大功率晶體管的輸出端口,能夠滿(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù) 10V 級(jí)脈沖電壓、1A級(jí)脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)3第二章 方案論證比較設(shè)計(jì)2.1PLC 技術(shù)的發(fā)展概述可編程控制器(簡(jiǎn)稱(chēng) PLC) 是種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng) ,是在 20 世紀(jì) 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國(guó)科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器 ,其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令 ,并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出 ,控各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備 ,都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)的。PLC 自產(chǎn)生至今只有 30 多年的歷史 ,卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用 ,成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程現(xiàn)代社會(huì)要求生產(chǎn)廠(chǎng)家對(duì)市場(chǎng)的需求做出迅速的反應(yīng) ,生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無(wú)法滿(mǎn)足這一要求 ,迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置取而代之。PLC 實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī),其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同,1、中央處理單元(CPU)是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶(hù)程序和數(shù)據(jù);檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài),并能診斷用戶(hù)程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí),首先它以?huà)呙璧姆绞浇邮宅F(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù),并分別存入 I/O 映象區(qū),然后從用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶(hù)程序,經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶(hù)程序執(zhí)行完畢之后,最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置,如此循環(huán)運(yùn)行,直到停止運(yùn)行。 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)4為了進(jìn)一步提高 PLC 的可靠性,近年來(lái)對(duì)大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng),或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣,即使某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障,整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。2、存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱(chēng)為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱(chēng)為用戶(hù)程序存儲(chǔ)器。2.2PLC 技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的發(fā)展?fàn)顩r隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類(lèi)整機(jī)的不斷小型化,要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來(lái)越小。對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器, 減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起, 這樣使其能方便地組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng), 因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向發(fā)展,目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動(dòng)機(jī),其振動(dòng)和噪聲較大,而五相和三相電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢(shì)性。而就這兩種電動(dòng)機(jī)而言,五相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路比三相電動(dòng)機(jī)復(fù)雜,因此三相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比要比五相電動(dòng)機(jī)更好一些。目前利用可編程序控制器(即 P L C 技術(shù))可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和位置的控制,方便地進(jìn)行各種步進(jìn)電機(jī)的操作,完成各種復(fù)雜的工作,它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化革命,加速了機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。用 PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力,利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動(dòng)控制功能,現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)位移或角位移的執(zhí)行元件,每當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)電脈沖時(shí),其輸出軸便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比,其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比,其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電的相序,便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由 PLC 和步進(jìn)電機(jī)組成,PLC 具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù),輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高,使得脈沖分配能有很高的分配速度,浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)5充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力,提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。并且,PLC 有采用大功率晶體管的輸出端口,能夠滿(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù) 10V 級(jí)脈沖電壓、1A級(jí)脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。有以上步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及工作方式我們可以看出:控制步進(jìn)電機(jī)最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門(mén)子 PLC 本身帶有高速脈沖計(jì)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(mǎn)足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求,與硬件連接相比對(duì)于環(huán)形脈沖分配器和功率放大器的功能則對(duì) PLC 提出兩個(gè)特性要求。一是在此應(yīng)用的 PLC 最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的 PLC,使輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使環(huán)形脈沖分配能有較高的分配速度,充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力,提高整個(gè)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(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。如下圖所示PLC 步進(jìn)電機(jī)輸入信號(hào)圖 2-1 步進(jìn)電機(jī)的 PLC 直接控制2.3 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或者線(xiàn)位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個(gè)大的發(fā)展階段后, 目前其發(fā)展趨于平緩。然而, 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理和其它電動(dòng)機(jī)有很大的差別, 具有其它電動(dòng)機(jī)所沒(méi)有的特性。因此,沿著小型、高效、低價(jià)的方向發(fā)展。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由此而得名。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是在專(zhuān)用的脈沖電源供電下進(jìn)行的, 其轉(zhuǎn)子走過(guò)的步數(shù), 或者說(shuō)轉(zhuǎn)子的角位移量, 與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。另外, 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)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(diǎn)使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)有很大的差別。因此, 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的上述特點(diǎn), 使得由它和驅(qū)動(dòng)控制器組成的開(kāi)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。因此, 在數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)之初, 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)歷過(guò)一個(gè)大的發(fā)展階段。浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)6電動(dòng)機(jī)其角位移與電脈沖數(shù)成正比,其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比,通過(guò)改變脈沖頻率可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。工作方式最常見(jiàn)的有:(1)、三相單三拍工作方式:各相的通電順序?yàn)?A B C,各相通電的電壓波形如下圖所示:圖 2-2 三相單三拍工作方式時(shí)序圖(2) 、三相雙三拍工作方式:雙三拍工作方式各相的通電順序?yàn)?AB BC CA。各相通電的電壓波形如下圖所示:圖 2-3 三相雙三拍工作方式時(shí)序圖(3)、三相六拍工作方式:在反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)控制中,把單三拍和雙三拍工作方式結(jié)合起來(lái),就產(chǎn)生了六拍工作方式,其通電順序?yàn)?AAB BBC C CA。各相通電的電壓波形如下圖所示:圖 2-4 三相六拍工作方式時(shí)序圖浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)7(4)、其它工作方式(和步進(jìn)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)相關(guān)): 如二相四拍、二相八拍以及四相四拍和四相八拍等,其工作時(shí)電壓波形圖基本類(lèi)似,不再贅述。2.4 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)成角位移或線(xiàn)位移的電磁機(jī)械裝置,是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖相對(duì)應(yīng)的增量式數(shù)字元件。在數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、打印機(jī)等方面應(yīng)用廣泛。它也可以看作是一種特殊的同步電機(jī);它具有快速起停、精確步進(jìn)及直接接收數(shù)字量的特點(diǎn),它的步距角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響,也不受環(huán)境條件如溫度、氣壓、沖擊、和振動(dòng)等影響,僅與脈沖頻率有關(guān),這些特點(diǎn)使它完全適用于數(shù)字控制的系統(tǒng)中作為伺服元件,并使整個(gè)系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化而又運(yùn)行可靠。本課題選用了最常見(jiàn)的一種小步距角的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)其剖面圖。如圖 1-1 所示,電機(jī)的定子上有 6 個(gè)等分的磁極,相鄰兩個(gè)磁極間的夾角為 60 度。磁極上裝有控制繞組并聯(lián)成 A, B, C 三相。轉(zhuǎn)子上均勻分布 40 個(gè)齒,每個(gè)齒的齒距為 9 度。定子每段極弧上也有 5 個(gè)齒,定、轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距都相同。每個(gè)定子磁極的極距為 60 度,所以每個(gè)極距所占的齒距數(shù)不是整數(shù)。當(dāng) A 極下的定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊,B 極和 C 極下的齒就分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)三分之一的轉(zhuǎn)子齒距,即為 3 度。這時(shí)若給 B 相通電,電機(jī)中產(chǎn)生沿 B 極軸線(xiàn)方向的磁場(chǎng),因磁通要按磁阻最小的路徑閉合,就使轉(zhuǎn)子受到反應(yīng)轉(zhuǎn)距(磁阻轉(zhuǎn)距)的作用而轉(zhuǎn)動(dòng),直到轉(zhuǎn)子齒和 B 極上的齒對(duì)齊為止。此時(shí),A 極和 C 極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)三分之一的轉(zhuǎn)子齒距。由此可見(jiàn):錯(cuò)齒是促使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。若斷開(kāi) B 相控制繞組,而接通 C 相控制繞組,這時(shí)電機(jī)中產(chǎn)生沿 C 極軸線(xiàn)方向的磁場(chǎng)。同理,在反應(yīng)轉(zhuǎn)距(磁阻轉(zhuǎn)距)的作用下,轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò) 3 度,使定子 C 極下的齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊。以此類(lèi)推,當(dāng)控制繞組按 A-B-C-A 順序循環(huán)通電時(shí)轉(zhuǎn)子就沿著順時(shí)針?lè)较蛞悦總€(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng) 3 度的規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。若改變通電順序,即按 A-C-B-A 順序循環(huán)通電時(shí),轉(zhuǎn)子便按逆時(shí)針?lè)较蛲瑯右悦總€(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng) 3 度。這就是單三拍通電方式。若采用三相單、雙六拍通電方式運(yùn)行,浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)8即 A-AB-B-BC-C-CA-A 順序循環(huán)通電,步距角將減小一半,即每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)過(guò) 1.5 度。圖 2-5 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)2.5 步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)方法簡(jiǎn)介步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)方法很多,按照使用的控制裝置來(lái)分可以分為:普通集成電路控制、單片機(jī)控制、工業(yè)控制機(jī)控制、可編程控制器控制等幾種;按照控制結(jié)構(gòu)可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配結(jié)構(gòu)(硬-硬結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟-軟結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟-硬結(jié)構(gòu))即:1 硬硬結(jié);2 軟軟結(jié)構(gòu);3 軟硬結(jié)構(gòu)。具體的驅(qū)動(dòng)控制情況在下面章節(jié)還將提到。浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)9第三章 步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇3.1 常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)的工作方式常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)的工作方式有以下三種:(1) 、三相單三拍:A-B-C-A:圖 3-1 三相單三拍工作方式時(shí)序圖(2) 、三相雙三拍:AB-BC-CA-AB:圖 3-2 三相雙三拍工作方式時(shí)序圖(3) 、三相六拍:A-AB-B-BC-C-CA-A:浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)10圖 3-3 三相六拍工作方式時(shí)序圖按以上順序通電,步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn),按相反方向通電,步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。這三種方式的主要區(qū)別是:電機(jī)繞組的通電、放電時(shí)間不同。工作方式是單三拍時(shí)通電時(shí)間最短,雙三拍時(shí)允許放電時(shí)間最短,六拍時(shí)通電時(shí)間和放電時(shí)間最長(zhǎng)。因此,同一脈沖頻率時(shí),六拍的工作方式出力最大。而且,電機(jī)是三拍的工作方式時(shí),其分辨率為 3 度,六拍的工作方式時(shí),分辨率是 1.5 度。所以,在本課題中,我們采用三相六拍的工作方式,在這種控制方式下工作,步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性好,步進(jìn)電機(jī)分辨率最高。3.2 控制步進(jìn)電機(jī)換向順序通電換向這一過(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。例如:三相步進(jìn)電機(jī)的三相三拍工作方式,其各相通電順序?yàn)?A-B-C-D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D 相的通斷。3.3 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電,步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn),如果按反序通電換相,則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 3.4 控制步進(jìn)電機(jī)的速度浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)11如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖,它就轉(zhuǎn)一步,再發(fā)一個(gè)脈沖,它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率,就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 3.5 西門(mén)子 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路3.5.1 步進(jìn)電機(jī)控制方式典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖所示:圖 3-4 典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或者線(xiàn)位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個(gè)大的發(fā)展階段后,日前其發(fā)展趨向平緩。然而,其基本原理是不變的,即:是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)位移或角位移的執(zhí)行元件,每當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)電脈沖時(shí),其輸出轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比,其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比,其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的脈沖順序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電的順序,便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用,可簡(jiǎn)單地定義為,根據(jù)輸人的脈沖信號(hào),每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度或長(zhǎng)度,若不改變勵(lì)磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動(dòng)機(jī):從廣義上講,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無(wú)刷式直流電機(jī),也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)方法很多,按照使用的控制裝置來(lái)分可以分為:普通集成電路控制、單片機(jī)控制、工業(yè)控制機(jī)控制、可編程控制器控制等幾種;按照控制結(jié)構(gòu)可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配結(jié)構(gòu)(硬-硬結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器軟浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)12脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟-軟結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟-硬結(jié)構(gòu))。1、硬硬結(jié)構(gòu):如圖 3-5 所示,這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由硬件電路脈沖生成器、硬件電路脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)器組成。這種控制驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)行速度比較快,但是電路復(fù)雜,功能單一。2、軟軟結(jié)構(gòu):如圖 3-6 所示,這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由軟件程序脈沖生成器、軟件程序脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)器組成,而軟件脈沖生成器和脈沖分配器都有微處理器或微控制器通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。用單片機(jī)、工業(yè)控制機(jī)、普通個(gè)人計(jì)算機(jī)、可編程序控制器控制步進(jìn)電機(jī)一般均可采用這種結(jié)構(gòu)。這種控制驅(qū)動(dòng)方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能,但是占用 CPU 時(shí)間多,給微處理器運(yùn)行其他工作造成困難。3、軟硬結(jié)構(gòu):如圖 3-7 所示,這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由軟件脈沖生成器、硬件脈沖分配器和硬件驅(qū)動(dòng)器組成。硬件脈沖分配器是通過(guò)脈沖分配器芯片(如 8713芯片)來(lái)實(shí)現(xiàn)通電換相控制的。這種控制驅(qū)動(dòng)方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能,同時(shí)占用 CPU 時(shí)間較少,用可編程控制器全部實(shí)現(xiàn)了控制器和驅(qū)動(dòng)器的功能。在 PLC 中,由軟件代替了脈沖生成器和脈沖分配器,直接對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行并行控制,并且由 PLC 輸出端口直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。如圖 3-6 所示,這是一種軟-軟結(jié)構(gòu),脈沖生成器和脈沖分配器均有可編程序控制器程序?qū)崿F(xiàn)。圖 3-5 硬硬結(jié)構(gòu)控制圖 3-6 軟軟結(jié)構(gòu)控制浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)13圖 3-7 軟硬結(jié)構(gòu)控制3.5.2 西門(mén)子 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)由以上步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及工作方式我們可以看出:控制步進(jìn)電機(jī)最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門(mén)子 PLC 本身帶有高速脈沖計(jì)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(mǎn)足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求,與硬件連接相比對(duì)于環(huán)形脈沖分配器和功率放大器的功能則對(duì) PLC 提出兩個(gè)特性要求。一是在此應(yīng)用的 PLC 最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的 PLC,使輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使環(huán)形脈沖分配能有較高的分配速度,充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力,提高整個(gè)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(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。如下圖所示:圖 3-8 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)圖對(duì)輸入電機(jī)的相關(guān)脈沖控制從而達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)三相繞組的 48V 直流電源的依次通、斷,形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),由于步進(jìn)電機(jī)是電感性負(fù)載,直流電阻很小,故接限流電阻以免脈沖電流過(guò)大損壞,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的通電相序?yàn)椋篈ABBBCCCAA次導(dǎo)通、斷開(kāi)時(shí),步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。按: AACCCBBBAA電機(jī)反轉(zhuǎn),按三相六拍工作。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)走一步,環(huán)形脈沖分配程序的步數(shù)減一,當(dāng)步數(shù)減為零時(shí),停止環(huán)形脈沖分配,等待下一次的脈沖輸入。如下圖所示:浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)14圖 3-9 基本控制圖3.6 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是西門(mén)子 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī),我的主要任務(wù)是應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)及控制方案的設(shè)計(jì),大體為以下五項(xiàng)內(nèi)容:PLC 控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展 主要介紹其系統(tǒng)的目的和意義,PLC 的發(fā)展史一直到廣泛應(yīng)用,隨著技術(shù)的發(fā)展,其優(yōu)越性越來(lái)越多,主要是通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出 ,控各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。以后將朝生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的理論原理以及總體方按的設(shè)計(jì) 主要是 PLC與步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)成、控制方式和形式,控制方式有兩種形式:PLC 直接與步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)相相連;PLC 通過(guò)功率放大電路與步進(jìn)電機(jī)相連.PLC 的工況點(diǎn)的確定和能耗機(jī)理分析,以及系統(tǒng)控制范圍的確定。系統(tǒng)的工作過(guò)程分為以下三個(gè)工作狀態(tài):電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行;電機(jī)運(yùn)行;電機(jī)不運(yùn)行;電機(jī)轉(zhuǎn)向切換技術(shù)的解決方案。1、PLC(西門(mén)子)控制軟件的設(shè)計(jì)及仿真研究 主要介紹 PLC 控制的概念和特點(diǎn)以及控制程序的設(shè)計(jì),并且運(yùn)用軟件進(jìn)行仿真研究。2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要介紹了控制主電路的設(shè)計(jì),步進(jìn)電機(jī)電氣連接的設(shè)計(jì),人機(jī)界面設(shè)計(jì),前向輸入通道設(shè)計(jì)和后向輸出通道設(shè)計(jì),及一些系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)153、應(yīng)用軟件設(shè)計(jì) 主要介紹了控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括七大程序,分別是初始化程序、停機(jī)程序、電機(jī)啟動(dòng)程序、電機(jī)轉(zhuǎn)向切換程序;整個(gè)系統(tǒng)程序的工作過(guò)程以及編程中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)??傊?,在本次設(shè)計(jì)中,必須完成圖表:論文說(shuō)明書(shū)、控制電路圖、 程序流程圖、程序清單等。第四章 S7200 直接控制步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計(jì)4.1s7200 的介紹PLC 實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī),其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同。1、中央處理單元(CPU)是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶(hù)程序和數(shù)據(jù);檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài),并能診斷用戶(hù)程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí),首先它以?huà)呙璧姆绞浇邮宅F(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù),并分別存入 I/O 映象區(qū),然后從用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶(hù)程序,經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶(hù)程序執(zhí)行完畢之后,最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置,如此循環(huán)運(yùn)行,直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高 PLC 的可*性,近年來(lái)對(duì)大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)16統(tǒng),或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣,即使某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障,整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。2、存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱(chēng)為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱(chēng)為用戶(hù)程序存儲(chǔ)器。PLC 常用的存儲(chǔ)器類(lèi)型:(1) 、RAM 這是一種讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器),其存取速度最快,由鋰電池支持。(2) 、EPROM 這是一種可擦除的只讀存儲(chǔ)器。在斷電情況下,存儲(chǔ)器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。(3) 、EEPROM 這是一種電可擦除的只讀存儲(chǔ)器。使用編程器就能很容易地對(duì)其所存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改。3、空間的分配:雖然各種 PLC 的 CPU 的最大尋址空間各不相同,但是根據(jù) PLC 的工作原理,其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域:(1)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)(2)系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)(包括 I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等)(3)用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū):在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠(chǎng)商將其固化在 EPROM 中,用戶(hù)不能直接存取。它和硬件一起決定了該 PLC 的性能。系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū):系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類(lèi)軟設(shè)備,如:邏輯線(xiàn)圈;數(shù)據(jù)寄存器;計(jì)時(shí)器;計(jì)數(shù)器;變址寄存器;累加器等存儲(chǔ)器。(1) 、I/O 映象區(qū):由于 PLC 投入運(yùn)行后,只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù),在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此,它需要一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元(RAM)以存放 I/O 的狀態(tài)和數(shù)據(jù),這些單元稱(chēng)作 I/O 映象區(qū)。一個(gè)開(kāi)關(guān)量 I/O 占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位(bit) ,一個(gè)模擬量I/O 占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字(16 個(gè) bit) 。因此整個(gè) I/O 映象區(qū)可看作兩個(gè)部分組成:開(kāi)關(guān)量 I/O 映象區(qū);模擬量 I/O 映象區(qū)。(2) 、系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū) :除了 I/O 映象區(qū)區(qū)以外,系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)還包浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)17括 PLC 內(nèi)部各類(lèi)軟設(shè)備(邏輯線(xiàn)圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等)的存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和無(wú)失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域,前者在 PLC 斷電時(shí),由內(nèi)部的鋰電池供電,數(shù)據(jù)不會(huì)遺失。S7-200 編程控制器是西門(mén)子公司 1995 年底推出的新一代微型 PLC,由干其性能價(jià)格比較高,目前己經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)其性能 S7-200 系列可編程控制器可以分 5 個(gè)基本機(jī)型:CPU210, CPU212,CPU214, CPU215 和CPU216,共有 18 種不同型號(hào)的 CPU;也可以分成兩個(gè)檔次:CPU210,CPU212 為低成本的,具有小型 PL C 的一般功能;CPU214 及以上為高性能檔次,在一般小型PLC 的基礎(chǔ)上加上集成功能,使其性能超出一般的 PLC。S7-200 硬件是以固定結(jié)構(gòu)的基本單兒為主,并可選用開(kāi)關(guān)量、模擬量等擴(kuò)展單兒通過(guò)總線(xiàn)聯(lián)接器組成的系統(tǒng),與 S7-200 配合使用的硬件還有:編程器、操作面板、IBM PC 兼容機(jī)等,其基本組成示例如下圖。5 個(gè)基本機(jī)型的最大配置分別為:6 I/4 O, 40 I/38 O, 62 I/58 O, 62 I/58 O, 64 I/64 I,模擬量最大 16 路。S7-200 系列 PLC 硬件的組成形式、連接方式與其它品牌的 PLC 基本相似。但是,在下面幾個(gè)方面,其硬件很有特點(diǎn),為使用者提供了不同的需求。圖 4-1 S7-200 系列 PLC 硬件的組成形式4.1.1 性能1、品種齊全的 CPU:S7-200 系列 PLC 有 5 種中央處理基本單元,CPU210, CPU212,CPU214, CPU215 和 CPU216,功能從簡(jiǎn)到繁。CPU210 有 8 個(gè) I/O 點(diǎn);CPU216 集成了兩個(gè)通訊口,I/O 點(diǎn)最多可擴(kuò)展至 128 點(diǎn),并可擴(kuò)展 16 路模擬量輸入/輸出,遠(yuǎn)程(AS-I)I/0 點(diǎn)可再擴(kuò)展 496 個(gè) I/0 點(diǎn)。這 5 種型號(hào) CPU 中的每一種都含有多種浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)18類(lèi)型,如 AC 電源、DC 輸人、繼電器輸出型,DC 電源、DC 輸人、DC 輸出型等多種類(lèi)型,GPU 的種類(lèi)達(dá) 18 種之多。2、強(qiáng)大的內(nèi)里集成功能:S7-200 系列 PL C 集成了比其他任何微型 PLC 多且強(qiáng)的內(nèi)置于 CPU 基本單元的特殊功能,下面簡(jiǎn)單列舉集成在 CPU 內(nèi)的特殊功能。(1) 、集成 CPU215 和 CPU216 中的 PID 指令;在 CPU 中集成了高速計(jì)數(shù)功能;集成了脈沖連續(xù)輸出功能;集成了日歷/實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能;集成了用戶(hù)程序三級(jí)口令保護(hù)功能;具備 32 位浮點(diǎn)運(yùn)算能力。(2) 、卓越的通訊能力一 PPI 通訊協(xié)議;自由通訊口方式;profibus 協(xié)議。(3) 、豐富的擴(kuò)展模塊可以通過(guò)結(jié)合各種模塊來(lái)達(dá)到擴(kuò)展功能,擴(kuò)大控制能力。S7200 已開(kāi)發(fā)了三大類(lèi)擴(kuò)展功能模塊:模擬量擴(kuò)展;數(shù)字量擴(kuò)展;遠(yuǎn)程數(shù)字 I/O 擴(kuò)展。4.1.2 西門(mén)子 PLC 應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題(1) 、溫度:PLC 要求環(huán)境溫度在 0 55 , 安裝時(shí)不能放在發(fā)熱量大的元件下面, 四周通風(fēng)散熱的空間應(yīng)足夠大。(2) 、濕度:為了保證 PLC 的絕緣性能, 空氣的相對(duì)濕度應(yīng)小于 85%( 無(wú)露珠) 。(3) 、震動(dòng):應(yīng)使 PLC 遠(yuǎn)離強(qiáng)烈的震動(dòng)源, 防止振動(dòng)頻率為 10 Hz55Hz 的頻繁或連續(xù)振動(dòng)。當(dāng)使用環(huán)境不可避免震動(dòng)時(shí), 必須采取減震措施, 如采用減震膠等。(4) 、 空氣:避免有腐蝕和易燃的氣體, 如氯化氫、硫化氫等。對(duì)于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境, 可將 PLC 安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。(5) 、 電源:PLC 對(duì)于電源線(xiàn)帶來(lái)的干擾具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴(yán)重的環(huán)境中, 可以安裝一臺(tái)帶屏蔽層的隔離變壓器, 以減少設(shè)備與地之間的干擾。一般 PLC 都有直流 24 V 輸出提供給輸入端, 當(dāng)輸浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)19入端使用外接直流電源時(shí), 應(yīng)選用直流穩(wěn)壓電源。普通的整流濾波電源, 由于紋波的影響, 容易使 PLC 接收到錯(cuò)誤信息。4.1.3 控制系統(tǒng)中干擾及其來(lái)源影響 PLC 控制系統(tǒng)的干擾源, 大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位, 其原因是電流改變產(chǎn)生磁場(chǎng), 對(duì)設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射; 磁場(chǎng)改變產(chǎn)生電流, 電磁高速產(chǎn)生電磁波, 電磁波對(duì)其具有強(qiáng)烈的干擾。(1) 、 強(qiáng)電干擾。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣, 電網(wǎng)受到空間電磁干擾而在線(xiàn)路上感應(yīng)電壓。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化, 刀開(kāi)關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備啟停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等, 都通過(guò)輸電線(xiàn)路傳到電源原邊。(2) 、柜內(nèi)干擾??刂乒駜?nèi)的高壓電器, 大的電感性負(fù)載, 混亂的布線(xiàn)都容易對(duì) PLC 造成一定程度的干擾。(3) 、 來(lái)自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾。正確的接地, 既能抑制電磁干擾的影響, 又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾;而錯(cuò)誤的接地, 反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào), 使 PLC 系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。(4) 、 來(lái)自 PLC 系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生, 如邏輯電路相互輻射及其對(duì)模擬電路的影響, 模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。(5) 、變頻器干擾。一是變頻器啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾, 引起電網(wǎng)電壓畸變, 影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量; 二是變頻器的輸出會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾, 影響周邊設(shè)備的正常工作。4.1.4 主要抗干擾措施1、合理處理電源以抑制電網(wǎng)引入的干擾:對(duì)于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺(tái)帶屏蔽層的變比為 11 的隔離變壓器, 以減少設(shè)備與地之間的干擾, 還可以在電源輸入端串接 LC 濾波電路。2、安裝與布線(xiàn):動(dòng)力線(xiàn)、控制線(xiàn)以及 PLC 的電源線(xiàn)和 RS485 網(wǎng)線(xiàn)應(yīng)分別配線(xiàn), 各走各的浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系(論文)20橋架或線(xiàn)槽。(1)、PLC 應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源, 柜內(nèi) PLC 應(yīng)遠(yuǎn)離動(dòng)力線(xiàn) ( 二者之間距離應(yīng)大于 200 mm) , 與 PLC 裝在同一個(gè)柜子內(nèi)的電感性負(fù)載, 如功率較大的繼電器、接觸器的線(xiàn)圈, 應(yīng)并聯(lián) RC 消弧電路。(2)、PLC 的輸入與輸出最好分開(kāi)走線(xiàn), 開(kāi)關(guān)量與模擬量也要分開(kāi)敷設(shè)。模擬量信號(hào)的傳送應(yīng)采用屏蔽線(xiàn), 屏蔽層應(yīng)一端或兩端接地, 接地電阻應(yīng)小于屏蔽層電阻的 1/10。(3)、交流輸出線(xiàn)和直流輸出線(xiàn)不要用同一根電纜, 輸出線(xiàn)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線(xiàn)和動(dòng)力線(xiàn), 避免并行。4.1.5I/O 端的接線(xiàn)1、輸入接線(xiàn):輸入接線(xiàn)一般不要太長(zhǎng);但如果環(huán)境干擾較小,電壓降不大時(shí), 輸入接線(xiàn)可適當(dāng)長(zhǎng)些;是輸入/輸出線(xiàn)不能用同一根電纜, 輸入/輸出線(xiàn)要分開(kāi);是盡可能采用常開(kāi)觸點(diǎn)形式連接到輸入端,使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致。2、輸出接線(xiàn):輸出端接線(xiàn)分為獨(dú)立輸出和公共輸出;在不同組中, 可采用不同類(lèi)型和電壓等級(jí)的輸出電壓, 但在同一組中的輸出只能用同一類(lèi)型、同一電壓等級(jí)的電源;是由于 PLC 的輸出元件被封裝在印制電路板上, 并且連接至端子板, 若將連接輸出元件的負(fù)載短路, 將燒毀印制電路板;采用繼電器輸出時(shí), 所承受的電感性負(fù)載的大小, 會(huì)影響到繼電器的使用壽命 , 因此, 使用電感性負(fù)載時(shí)應(yīng)合理選擇, 或加隔離繼電器。4.1.6 正確選擇接地點(diǎn)以完善接地系統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)的地線(xiàn)
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