淺談西門子PLC對(duì)大量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制應(yīng)用

王柏忠

（沈陽東大三建工業(yè)爐制造有限公司，遼寧，沈陽，110102）

淺談西門子PLC對(duì)大量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制應(yīng)用

王柏忠

（沈陽東大三建工業(yè)爐制造有限公司，遼寧，沈陽，110102）

西門子PLC具有可靠性高、功肚強(qiáng)大、使用方便、編程簡(jiǎn)單、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了西門子PLC對(duì)大量步進(jìn)電機(jī)的控制方法和編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了西門子PLC對(duì)大量步進(jìn)電機(jī)的控制和與主控系統(tǒng)進(jìn)行高效率通信的功肚。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了該方案的可行性，并且并給出了硬件連接示例和完整的軟件程序。

步進(jìn)電機(jī)；軟件程序；西門子；PLC

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是控制系統(tǒng)中的執(zhí)行單元，是一種利用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移的執(zhí)行電機(jī)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)獲得了廣泛的應(yīng)用和普及，特別是數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、鐘表、數(shù)字控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)裝置中得到應(yīng)用。隨著步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)細(xì)分精度的提高以及電力電子器件的發(fā)展，逐步克服了震蕩、失步和發(fā)熱的不足，性價(jià)比大幅度提升，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械精密定位的控制。當(dāng)前用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要有：PLC控制系統(tǒng)、基于PC總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）系統(tǒng)、基于單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）。而其中的PLC因?yàn)榉€(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)大和使用方便已經(jīng)成為應(yīng)用面最廣、最廣泛的通用工業(yè)控制裝置，成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。但對(duì)于大量的步進(jìn)電機(jī)，由于數(shù)量多，時(shí)序相對(duì)復(fù)雜，這使得控制難度增大。

一、硬件設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)為激光參數(shù)測(cè)量的電控系統(tǒng)，主要功能是完成對(duì)光束的控制、數(shù)據(jù)的采集、光路的準(zhǔn)直等，控制特點(diǎn)是被控設(shè)備多而且分散，數(shù)據(jù)傳輸量大，因此硬件設(shè)計(jì)采用基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分層分布式設(shè)計(jì)，使控制硬件系統(tǒng)形成一個(gè)有機(jī)整體，提高系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)的便捷性，并具有開放性、實(shí)用性、可靠性等綜合能力。控制系統(tǒng)有6個(gè)束組FEP，每一個(gè)束組FEP控制264個(gè)電機(jī)，該圖只畫出了兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)。分控計(jì)算機(jī)與1000M光纖網(wǎng)絡(luò)連接，位于主控制室內(nèi)，作為控制設(shè)備和測(cè)量設(shè)備的遠(yuǎn)程控制中心。光纖交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口向上與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)相連，向下通過CP343-1，以太網(wǎng)模塊連接S7-300PLC。S7-300PLC通過DP口連接EM277模塊，底層每個(gè)S7-200PLC模塊與EM277模塊相連，CPU224有兩路脈沖輸出Q0.0和QO.1，可以同時(shí)控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。

2、系統(tǒng)配置

CPU315-2DP:具有大容量的程序存儲(chǔ)器和戶ROFIBUS-DP主/從接口的CPU模塊，可以使用集成的I/0點(diǎn)處理運(yùn)動(dòng)控制工藝技術(shù)功能。對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制功能的編程，提供符合PLC open標(biāo)準(zhǔn)功能塊(FB)，在用戶程序中可以調(diào)用這些功能模塊，可最大程度地降低工程與組態(tài)、調(diào)試和維護(hù)費(fèi)用。標(biāo)準(zhǔn)功能塊直接集成在固件中，占用的CPU工作內(nèi)存很少，可以提高運(yùn)行效率。

(1)CP343-1:全雙工以太網(wǎng)通信處理器，通過工業(yè)以太網(wǎng)以1ooMbit/s比的數(shù)據(jù)傳輸速率直接將57-300集成到綜合系統(tǒng)中，擁有一個(gè)預(yù)定的唯一以太網(wǎng)地址，通過網(wǎng)絡(luò)可直接使用，能獨(dú)立處理工業(yè)以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)擁塞。

(2)CPU224:集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量l/O點(diǎn)，16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，具有PIO控制器。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有戶Pl通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，每一路都可以用來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖。

(3)EM277:PROIBUS-DP模塊，用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)控制設(shè)備與分布式 l/O的通信。經(jīng)過 EM277的 DP通信端口將 s7-200CPU連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，各EM277之間經(jīng)過串行I/0總線通信。EM277的DP口可運(yùn)行于9600bit/s和12Mbit/s之間的任何PROFIBUS波特率。

(4)步進(jìn)電機(jī):可采用北京四通的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，28系列型號(hào)為28BYG25OC，42系列型號(hào)為42BYG250C。

(5)驅(qū)動(dòng)器:選用與步進(jìn)電機(jī)配套的四通驅(qū)動(dòng)器 SH-20403，該驅(qū)動(dòng)器采用H橋恒相電流PWM驅(qū)動(dòng)，具有輸出電流選擇、細(xì)分選擇、脫機(jī)保持、節(jié)能的自動(dòng)半電流鎖定、輸入信號(hào)光電隔離以及錯(cuò)相保護(hù)等功能。

二、軟件設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)軟件配置

該系統(tǒng)以SIMATIC STEP7 V5. 3、STEP 7MicroW-NV40SP4和WinCCV6.0為軟件開發(fā)平臺(tái)。STEP7V5.3編程軟件主要完成S7-300硬件組態(tài)配置，物理地址配置，網(wǎng)絡(luò)通信端口配置, OB、FB、FC編程等任務(wù)。STEP7Micro/W N編程軟件能夠很容易地對(duì)S7-200進(jìn)行編程。

上位機(jī)組態(tài)軟件Win CC V6.0向用戶提供了極大的應(yīng)用靈活性和系統(tǒng)開放性，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它可以通過操作畫面對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控， STEP 7中定義的變量可以在Win CC中直接使用，這將大幅降低工程時(shí)間。

2、硬件組態(tài)

SIMATIC STEP7H/Wconfig中組態(tài)配置內(nèi)容包括:硬件名稱、類型選擇和DP網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置（主從站地址、傳輸速率、操作模式）等。S7-300與S7-200通過EM277進(jìn)行PROFIBUS通訊，需要在STEP7中進(jìn)行S7-300站組態(tài)。首先，安裝新的GSD文件，安裝完成后才能在硬件設(shè)備中找到EM277。在組態(tài)過程中需設(shè)定CPU315-2DP的地址，其默認(rèn)值為2，組態(tài)中EM277的地址不能與主站的地址重復(fù)， STEP7V5.3中組態(tài)的EM277 PROFIBUS站地址要與實(shí)際 EM277上的撥碼開關(guān)設(shè)定的地址相一致，最后選擇 EM277的通信接口區(qū)大小為32 byte輸入/輸出。組態(tài)完成后，將硬件信息下載到S7-300的PLC中。

三、步進(jìn)電機(jī)控制流程

步進(jìn)電機(jī)的工作原理就是接收控制器或計(jì)算機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)而動(dòng)作，給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將控制脈沖按照某種模式轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)線圈的電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使得轉(zhuǎn)子只能按固定的步數(shù)來改變它的位置。連續(xù)的脈沖序列產(chǎn)生與其對(duì)應(yīng)的同頻率(同步機(jī))步序列，如果控制頻率足夠高，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可看作一個(gè)連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

電機(jī)所帶負(fù)載電移臺(tái)有兩種動(dòng)作二限位和到位，限位或到位信號(hào)接入到57-ZOOPLC的輸入端。當(dāng)要求電移臺(tái)完成限位動(dòng)作時(shí)，PLC收到上位機(jī)的指令后指令電機(jī)向某方向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)碰到限位開關(guān)就停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)反饋單元向100OM光纖網(wǎng)報(bào)告已經(jīng)完成限位動(dòng)作；當(dāng)要求完成到位動(dòng)作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器把戶LC給定的脈沖數(shù)加給電機(jī)，電機(jī)按照該脈沖數(shù)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)一定的步距角，反饋單元報(bào)告負(fù)載的位置，分控計(jì)算機(jī)判斷是否到位，如果到位則命令PLC停止動(dòng)作，否則再通過分控計(jì)算機(jī)通過計(jì)算脈沖數(shù)向戶LC發(fā)指令再次命令步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。

四、結(jié)語

該系統(tǒng)應(yīng)用西門子 PLC實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量步進(jìn)電機(jī)的控制，分布式 I/O之間數(shù)據(jù)傳輸采用PRROFIBUS-DP協(xié)議通訊方式，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接的工作量和費(fèi)用，提高了信號(hào)傳輸精度和靈活性，降低了系統(tǒng)成本，并且也給系統(tǒng)的調(diào)試和設(shè)備維護(hù)帶來了方便。

[1] 邊春元，任雙脠等.S7-300/400戶LC實(shí)用開發(fā)指南.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007，1

[2] 肆志平.PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J],礦冶,2004,3(13):72-74.

[3] 西門子公司. SIMATIC S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)[M].西門子公司, 2005.

TU

【文章編號(hào)】1674-3954（2011）02-0154-01