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PLC的最新發(fā)展趨勢(shì)
一、前 言
長(zhǎng)期以來(lái)，PLC始終處于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場(chǎng)，為各種各樣的自動(dòng)化控制設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?yīng)用。其主要原因，在于它能夠?yàn)樽詣?dòng)化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化的需要。另一方面，PLC還必須依靠其他新技術(shù)來(lái)面對(duì)市場(chǎng)份額逐漸縮小所帶來(lái)的沖擊，尤其是工業(yè)PC所帶來(lái)的沖擊。PLC需要解決的問(wèn)題依然是新技術(shù)的采用、系統(tǒng)開(kāi)放性和價(jià)格。
PLC技術(shù)展的最終趨勢(shì)仍然是人們所爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一。大多數(shù)人認(rèn)為，PLC將會(huì)繼續(xù)失去市場(chǎng)份額；更有甚者認(rèn)為，在工業(yè)PC面前，PLC將會(huì)一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域仍將為PLC提供一定的市場(chǎng)份額。
在全球工業(yè)計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域，圍繞開(kāi)放與再開(kāi)放過(guò)程控制系統(tǒng)、開(kāi)放式過(guò)程控制軟件、開(kāi)放性數(shù)據(jù)通信協(xié)議，已經(jīng)發(fā)生巨大變革，幾乎到處都有PLC，但這種趨勢(shì)也許不會(huì)繼續(xù)發(fā)展下去。隨著軟PLC(SoftPLC)控制組態(tài)軟件技術(shù)的誕生與進(jìn)一步完善和發(fā)展，安裝有SoftPLC組態(tài)軟件和基于工業(yè)PC控制系統(tǒng)的市場(chǎng)份額正在逐步得到增長(zhǎng)，這些事實(shí)使傳統(tǒng)PLC供應(yīng)商在思想上已經(jīng)發(fā)生了戲劇性的變化，他們必須面對(duì)現(xiàn)實(shí)，在傳統(tǒng)PLC的技術(shù)發(fā)展與提高方面作出更加開(kāi)放的高姿態(tài)。對(duì)于控制軟件來(lái)講，這是PLC控制器的核心，PLC供應(yīng)商正在向工業(yè)用戶提供開(kāi)放式的編程組態(tài)工具軟件，而且對(duì)于工業(yè)用戶表現(xiàn)得非常積極。此外，開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了突破，其結(jié)果是將PLC融入更加開(kāi)放的工業(yè)控制行業(yè)。
二、開(kāi)放和基于工業(yè)PC控制
PLC制造商已經(jīng)開(kāi)始注視基于工業(yè)PC控制技術(shù)所帶來(lái)的強(qiáng)大沖擊。有專家甚至認(rèn)為，新商務(wù)活動(dòng)所帶來(lái)的新技術(shù)和開(kāi)放技術(shù)規(guī)范將會(huì)埋葬傳統(tǒng)PLC。PLC制造商認(rèn)為，雖然在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安裝有大量的PLC控制設(shè)備，但他們?nèi)匀恍枰?lián)合工控軟件公司，以便開(kāi)發(fā)他們自己的基于工業(yè)PC的過(guò)程控制軟件。
誠(chéng)然，幾年前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)明顯存在著新舊PLC混合使用的情況，工業(yè)用戶不得不同時(shí)學(xué)習(xí)相關(guān)的新舊知識(shí)，甚至彼此借鑒學(xué)習(xí)。大多數(shù)PLC制造商為工業(yè)用戶僅僅提供了軟邏輯和一種操作平臺(tái)。
在高端應(yīng)用方面，很難進(jìn)一步區(qū)分PLC控制系統(tǒng)和工業(yè)PC控制系統(tǒng)之間的差異，因?yàn)檫@兩者均采用了同樣類型的微處理器和內(nèi)存芯片。形象地打個(gè)比喻，如果你忘掉工業(yè)PC和PLC這些詞語(yǔ)字面上的含義，那么在箱子里所能夠觀察到的恰恰是一些基本計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，我們更多觀察到的卻是那些基本技術(shù)的復(fù)雜化和混合體，這些技術(shù)被有效地組合到控制系統(tǒng)中去。
另外，采用開(kāi)放控制的原因一方面是系統(tǒng)功能集成的需要，另一方面也是由于一些工業(yè)用 戶對(duì)功能過(guò)分苛求所致。如果能夠給予高度的重視，就能夠獲得更多的基本技術(shù)知識(shí)。PLC制造商專注于系統(tǒng)功能化，而工業(yè)用戶則專注于系統(tǒng)應(yīng)用。人們可以看到，將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是將更多的功能進(jìn)一步集成到一個(gè)控制箱內(nèi)。因而像順序控制和過(guò)程控制這樣的事件將會(huì)采用功能化方式進(jìn)行處理，其他像運(yùn)動(dòng)控制等也能夠共享到相同的控制結(jié)構(gòu)體系中。
可以相信，PLC技術(shù)將繼續(xù)向開(kāi)放式控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移，尤其是基于工業(yè)PC的控制系統(tǒng)。后者除了在靈活性方面比傳統(tǒng)PLC具有截然不同的優(yōu)勢(shì)外，還具有其他優(yōu)點(diǎn)，如能夠縮短系統(tǒng)投放到市場(chǎng)的周期，降低系統(tǒng)投資費(fèi)用，提高從工廠底層到企業(yè)辦公自動(dòng)化的數(shù)據(jù)信息流動(dòng)效率等。
關(guān)于工業(yè)PC控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)問(wèn)題已經(jīng)得到很好的解決，也許其主要的東西仍然隱藏在技術(shù)背后，但缺乏相應(yīng)的跟蹤記錄。對(duì)于PLC來(lái)講，堅(jiān)固性是其主要特點(diǎn)之一，這已經(jīng)有相當(dāng)多的跟蹤記錄來(lái)驗(yàn)證。工業(yè)用戶仍然非常小心地對(duì)待PLC，他們正在對(duì)PLC作不同的技術(shù)測(cè)試工作。在利用一種新技術(shù)時(shí)，工業(yè)用戶需要考慮的問(wèn)題是要冒多大的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)需要考慮對(duì)其商務(wù)活動(dòng)能夠帶來(lái)多少機(jī)會(huì)和收益。
但工業(yè)用戶不完全相信開(kāi)放式控制系統(tǒng)所帶來(lái)的好處。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，他們開(kāi)始逐漸淡化這些思想觀念。工業(yè)用戶正在平衡采用新技術(shù)所存在的風(fēng)險(xiǎn)和給他們的商務(wù)活動(dòng)所帶來(lái)的收益，以便為今后的決策提供有效的保障。
工業(yè)PC技術(shù)提供了許多功能，能夠增強(qiáng)PLC的功能特性，包括內(nèi)藏視頻和高速浮點(diǎn)數(shù)字協(xié)處理器。盡管Microsoft公司沒(méi)有進(jìn)一步提升該項(xiàng)功能特性的計(jì)劃，但新的Windows CE 3.0完全能夠更好地滿足過(guò)程控制的需要。
不久前，Siemens公司公布了一套新的基于開(kāi)放式控制系統(tǒng)的軟件產(chǎn)品，即3.0版本的SIMATIC WinAC(Windows自動(dòng)化中心)。WinAC是基于Windows NT，與SIMATIC S7 PLC兼容的適合于工業(yè)PC的控制系統(tǒng)解決方案。WinAC 3.0提供了具有較高集成度的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線局域網(wǎng)的連接性能，以及遠(yuǎn)程程序設(shè)計(jì)。此外，它還為現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備本地化集成提供了一種新的DeviceNet I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，用于連接所安裝的DeviceNet I/O設(shè)備。
Steeplechase軟件公司也已推出了一套支持硬實(shí)時(shí)過(guò)程控制的嵌入式Windows NT操作系統(tǒng)接口部件。該部件進(jìn)一步結(jié)合了Steeplechase公司采用SBS技術(shù)并運(yùn)行于Windows NT環(huán)境的工業(yè)Compact PCI的硬實(shí)時(shí)控制軟件。現(xiàn)在，Steeplechase公司的可視化邏輯控制器已經(jīng)升級(jí)到5.0版。該控制器適合于Windows NT 4.0和Windows 2000兩種操作系統(tǒng)，它的實(shí)時(shí)引擎能夠直接與普通的Ethernet和TCP/IP集成在一起。5.0版本的控制器利用了一種增強(qiáng)型OPC服務(wù)器驅(qū)動(dòng)程序，因而比以前的版本具有更快的運(yùn)行速度。其他一些特點(diǎn)還包括新OI網(wǎng)絡(luò)特性，以及能夠讓工業(yè)用戶自己設(shè)計(jì)出豐富多彩的動(dòng)態(tài)圖形畫(huà)面等。
Transysoft公司最近推出了新版本的ISaGRAF系列工業(yè)控制組態(tài)軟件包，即ISaGRAF PRO，它是基于IEC 61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并獨(dú)立于任何硬件平臺(tái)的軟邏輯自動(dòng)化控制軟件包。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程控制系統(tǒng)環(huán)境中，該軟件包能夠應(yīng)用于多種組態(tài)和分布式控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，它包含了一套開(kāi)發(fā)工具、應(yīng)用程序工作平臺(tái)，以及相應(yīng)的“虛擬機(jī)器”運(yùn)行時(shí)目標(biāo)。該運(yùn)行時(shí)目標(biāo)能夠運(yùn)行于各種各樣的硬件平臺(tái)。
CTC自動(dòng)化工程公司已經(jīng)發(fā)布了一套新的控制軟件包MachineLogic PCLC（工業(yè)PC邏輯控制器），該軟件可以讓工業(yè)PC扮演PLC的角色，且仍然保持著工業(yè)PC的功能特性。該軟件能夠完成一臺(tái)PLC所確定的控制任務(wù)，并且與程序執(zhí)行時(shí)間一樣快，均在1 ms以內(nèi)；還能夠同時(shí)處理多任務(wù)工作，但不能同時(shí)超過(guò)16個(gè)控制任務(wù)。一種具有優(yōu)先級(jí)和多任務(wù)處理內(nèi)核的機(jī)制保持著對(duì)每一件控制任務(wù)的跟蹤，確?？刂迫蝿?wù)能夠取得最高的優(yōu)先權(quán)。該軟件能夠運(yùn)行全部5種IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和PID控制程序，支持兩種類型的I/O控制設(shè)備。一種是像Profibus和DeviceNet等這樣的現(xiàn)場(chǎng)總線I/O設(shè)備；另一種是像ISA和PC/104這樣的工業(yè)PC I/O模板。另外，該軟件還提供了對(duì)控制系統(tǒng)的在線編輯組態(tài)功能。程序可以在Windows 95/98和Windows NT下開(kāi)發(fā)并運(yùn)行，但也能夠在RTXDOS下執(zhí)行。
SoftPLC公司也提供了一種工控軟件產(chǎn)品Tealware，有人非常形象地把這種軟件產(chǎn)品稱作穿著工業(yè)PC衣服的PLC。那些安裝在支架上的控制系統(tǒng)已經(jīng)有了小型PLC的形狀系數(shù)，但SoftPLC公司的控制軟件已經(jīng)被嵌入到CPU中。Tealware軟件能夠滿足各種類型工業(yè)用戶的需要，從小型、單機(jī)系統(tǒng)到大型、分散多控制工作站應(yīng)用。其特點(diǎn)包括全系列I/O模件、內(nèi)藏Ethernet和工業(yè)串行通信接口。
最近，Tealware軟件已經(jīng)升級(jí)到2.3版本。其中，控制軟件提供了事實(shí)上無(wú)限的梯形圖邏輯控制步序，同時(shí)允許有超過(guò)百萬(wàn)字的數(shù)據(jù)表；許多OI/SCADA應(yīng)用接口；內(nèi)藏Java引擎和FTP服務(wù)器用于遠(yuǎn)程維護(hù)與管理；支持用戶自己編寫(xiě)的C、C++、Java程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；適合于嵌入式Web服務(wù)器用；程序設(shè)計(jì)的在線運(yùn)行模式；堅(jiān)固的I/O模件支持能力和許多其他標(biāo)準(zhǔn)PLC功能；可以運(yùn)行所輸入的，或者是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的A-B公司的PLC-5、PLC-2/PLC、PLC-3和SLC-500程序。
三、Ethernet的擴(kuò)展與進(jìn)一步容納Web技術(shù)
當(dāng)前，在所有過(guò)程控制領(lǐng)域，最大的發(fā)展趨勢(shì)之一就是Ethernet技術(shù)的擴(kuò)展。PLC也例外，現(xiàn)在，越來(lái)越多的PLC供應(yīng)商開(kāi)始提供Ethernet接口部件。在最近的幾年間，我們已經(jīng)看到，發(fā)展比現(xiàn)有普通小快靈PLC更加強(qiáng)大的PLC是種趨勢(shì)。Ethernet將會(huì)成為PLC的通信標(biāo)準(zhǔn)嗎？也許最終結(jié)果是這樣的，但現(xiàn)在還為時(shí)尚早。對(duì)于在PLC上提供Ethernet接口將能夠解決所有通信問(wèn)題，人們普遍存在著誤解。Ethernet僅僅定義了OSI參考模型底部的幾層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如果上層協(xié)議相互之間不能兼容，那么仍然不可能進(jìn)行相互之間的通信處理。打個(gè)比方，這如同一個(gè)不懂英語(yǔ)的中國(guó)人與一個(gè)不懂漢語(yǔ)的美國(guó)人之間是不能夠通過(guò)電話進(jìn)行對(duì)話一樣。因此，協(xié)議就是設(shè)備之間相互通信的語(yǔ)言。
另一方面，前進(jìn)的步伐已經(jīng)邁出，我們只有迎著困難而上，為了將Ethernet技術(shù)應(yīng)用到工廠底層的現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制設(shè)備中去，ODVA協(xié)會(huì)為此建立了一套全球性標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范，即Ethernet/IP標(biāo)準(zhǔn)，以便能夠解決在實(shí)際工作中所遇到的困難。
向Ethernet靠近的一個(gè)目的在于通過(guò)Internet能夠連接到所希望的任何地方。實(shí)際上，在一些意想不到的地方，Web服務(wù)器正在顯露出其應(yīng)有的威力。幾年前，有一些PLC系統(tǒng)已經(jīng)內(nèi)藏了Web服務(wù)器，這無(wú)疑又為PLC系統(tǒng)增加了更多的特點(diǎn)。其他類型的控制設(shè)備也正在準(zhǔn)備進(jìn)一步集成Web服務(wù)器。例如，Square D公司已經(jīng)有一個(gè)具備Ethernet連接接口的發(fā)動(dòng)機(jī)控制中心，并正在準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)一種內(nèi)藏Web服務(wù)器連接接口的變速裝置。
內(nèi)藏Web服務(wù)器所體一風(fēng)的益處包括開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)、商業(yè)工具的影響、客戶機(jī)/服務(wù)器關(guān)系。在過(guò)去，工業(yè)用戶可能會(huì)有代表性地詢問(wèn)一些有關(guān)PLC方面的信息，但在現(xiàn)在，由于新技術(shù)的不斷誕生和發(fā)展，工業(yè)用戶很容易就可以得到有關(guān)這方面的信息。另一方面，隨著芯片和處理器大規(guī)模的生產(chǎn)，PLC生產(chǎn)制造商能夠生產(chǎn)并提供開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品，讓工業(yè)用戶花較少的費(fèi)用就能夠購(gòu)買到功能非常完善的PLC產(chǎn)品。
在為將PLC連接到Ethernet和Web上提供技術(shù)支持方面，Schneider公司已經(jīng)成了先驅(qū)者之一。最近，該公司推出了一種運(yùn)行于Premium PLC平臺(tái)的新型快速Ethernet(100 Mb/s)模件。該模件為PLC能夠連接到TCP/IP的Ethernet提供了全雙工自適應(yīng)10/100Mb/s的連接速度，現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制器之間可以共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)掃描Momentum I/O模件和其他任何基于Modbus通信協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，采用一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器提供HTML通信服務(wù)，同時(shí)提供了SNMP用于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信管理。在一次展覽會(huì)上，Schneider公司還向工業(yè)用戶展示了他們有關(guān)透明工廠的觀念。另外，Schneider公司最近還推出了基于Modicon公司的Momentum MIE系列處理器的適配器，該適配器提供了標(biāo)準(zhǔn)IEC程序控制性能，進(jìn)一步為e-制造提供了完美的解決方案。該適配器還提供了將智能化I/O系統(tǒng)和其他現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制設(shè)備連接到Internet和Ethernet的能力，現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制設(shè)備包括所有功能化實(shí)時(shí)過(guò)程控制器。
幾年前，Rockwell自動(dòng)化公司也在其PLC產(chǎn)品中提供了Ethernet接口，而且正在堅(jiān)定不移地穩(wěn)步提高Ethernet的功能特性。該公司最近已經(jīng)公布了一種柔性I/O模件解決方案，這種柔性I/O模件利用非專利版本的Ethernet技術(shù)能夠提供實(shí)時(shí)過(guò)程控制性能。A-B公司提供的1756型ControlLogix I/O也是基于標(biāo)準(zhǔn)Ethernet TCP/IP和UDP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的組件，其應(yīng)用層使用了一種開(kāi)放式、面向?qū)ο?、基于生產(chǎn)者/ 消費(fèi)者的技術(shù)。這種技術(shù)在ControlNet、DeviceNet和FF現(xiàn)場(chǎng)總線H1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中也能夠找到。
同樣，其他許多公司也已經(jīng)推出了Ethernet通信接口模件。例如，來(lái)自于IDEC公司的OpenNet PLC控制器所提供的通信接口，實(shí)現(xiàn)了與DeviceNet、LonWorks和Interbus等現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的兼容。該控制器利用一個(gè)Interbus遠(yuǎn)程I/O主卡件能夠處理不超過(guò)480點(diǎn)本地I/O和512點(diǎn)遠(yuǎn)程數(shù)字量I/O。
Sierra公司所提供的8051型工業(yè)通信橋路能夠讓彼此之間互不兼容的PLC、DCS、RTU和SCADA系統(tǒng)很好地集成在一起。這種工業(yè)通信橋路通過(guò)RS-232、422、485，或者Ethernet通信鏈路實(shí)現(xiàn)了高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。該橋路控制器同時(shí)提供8個(gè)RS-232串行通信接口，2個(gè)RS-485/422隔離串行通信接口，2個(gè)10Base-T Ethernet接口，以及一個(gè)用于冗余熱備份橋路的連接器。
來(lái)自于ProSoft公司的多制造商接口套裝組件為A-B公司的PLC、SLC、ControlLogix和FLEX I/O（包括1771、1746、1765和1794）平臺(tái)提供了串行通信能力。每一個(gè)模件包含了一個(gè)80386處理器，并同時(shí)嵌入有DOS操作系統(tǒng)，因而，可以被看作是具有I/O能力的工業(yè)PC，另外，該控制器同樣具有“A>”磁盤操作提示符，以及Autoexec.bat和Config.sys文件。應(yīng)用程序可以是從簡(jiǎn)單的ASCII通信到復(fù)雜的32位控制算法。
另一家通常從事運(yùn)動(dòng)控制方面研究的公司Giddings & Lewis也為其PiC（可編程工業(yè)控制）和MMC（機(jī)械與運(yùn)動(dòng)控制）系列應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制方面的產(chǎn)品增加了Ethernet TCP/IP接口。這些單元部件提供了可以連接到工廠內(nèi)部Intranet和Internet的能力，允許現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制器之間共享數(shù)據(jù)信息?，F(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制器與工業(yè)PC之間通常采用OPC服務(wù)器設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)連接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，利用Ethernet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和Web技術(shù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程文件傳輸、程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)維護(hù)。
現(xiàn)在，越來(lái)越多的企業(yè)正在計(jì)劃將其所有自動(dòng)化控制設(shè)備逐步連接到企業(yè)范圍內(nèi)的信息系統(tǒng)中去。對(duì)于工業(yè)用戶來(lái)講，也許他們已經(jīng)注意到有關(guān)Ethernet for Control系列控制解決方案，該技術(shù)更加依賴于Ethernet和Internet。幾乎所有PLC供應(yīng)商在其部分系列化產(chǎn)品中均提供了Ethernet連接特性，而且有些公司已經(jīng)確定將Web服務(wù)器徹底嵌入到他們的設(shè)備內(nèi)部，以便充分展現(xiàn)PLC的性能特點(diǎn)。利用PLC的Web連接特性，工業(yè)用戶不但可以從任何地方監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，而且還可以像利用系統(tǒng)手冊(cè)一樣獲取所需要的任何數(shù)據(jù)信息。
當(dāng)然，如果工業(yè)用戶正在著手將其控制系統(tǒng)連接到Internet，則必須為此設(shè)置安全的信息發(fā)布地址。另外，為了防止黑客進(jìn)入到控制系統(tǒng)中去，還必須安裝一套安全性能較好的防火墻軟件。
SoftPLC公司在網(wǎng)絡(luò)安全性方面投入了極大的熱情和興趣，他們將一個(gè)具有實(shí)時(shí)和確定性的Java虛擬機(jī)器嵌入到過(guò)程控制器中去。Java使其不僅能夠運(yùn)行基于Web的Active X控件對(duì)象，同樣也能夠運(yùn)行Servlets。Servlets是個(gè)運(yùn)行于Web服務(wù)器任務(wù)高度集成在一起，能夠提供動(dòng)態(tài)Web頁(yè)面內(nèi)容。Servlets程序代碼清晰可見(jiàn)、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)、模件化，開(kāi)發(fā)起來(lái)非常簡(jiǎn)單明了，Servlets也提供了數(shù)據(jù)信息安全性能，允許進(jìn)一步限制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，如僅僅是所選定的工業(yè)用戶，或者是所選定的注冊(cè)數(shù)據(jù)信息。如果過(guò)程控制器被有效地連接到Internet，那么安全性對(duì)其是非常的重要。
黑客的入侵還不是唯一的煩惱，如果網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓，我們首先需要干什么呢？黑客入侵的解決方案是采用冗余。在過(guò)程控制器中采用冗余IP地址、冗余網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、冗余通信電纜，以及熱備份等方式，當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時(shí)能夠很好地為過(guò)程控制系統(tǒng)提供服務(wù)。
許多PLC供應(yīng)商在其產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中仍然繼續(xù)不斷地改進(jìn)和提高通信性能，其開(kāi)發(fā)方向主要面向于Ethernet技術(shù)和基于Web技術(shù)。
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)
論文（設(shè)計(jì)）題目： 電磁鐵推拉力測(cè)試系統(tǒng)——控制部分設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào)： 2006183829 姓名： 劉 明 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師： 毛美姣 系主任：
一、主要內(nèi)容及基本要求
本設(shè)計(jì)內(nèi)容是電磁鐵推拉力測(cè)試統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用S7-200 PLC系列，控制兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和速度控制，結(jié)合滾珠絲桿，利用力傳感器技術(shù)，
采用PLC控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲桿組成的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)推或拉力小于2000N，行程小于±30mm的電磁鐵的推拉力測(cè)試，得到其推或拉力與銜鐵位移之間的關(guān)系曲。 用S7-200 PLC的高速脈沖輸出指令和高速計(jì)數(shù)指令實(shí)現(xiàn)脈沖的高速輸出和高數(shù)計(jì)數(shù)。
二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題
1.S7-200 PLC 的基本指令和功能指令以其編程方法
2.步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和PLC之間的接線方法
3.控制系統(tǒng)的梯形圖、語(yǔ)句表、控制部分原理圖
三、進(jìn)度安排
序號(hào)
各階段完成的內(nèi)容
完成時(shí)間
1
查資料
2010.3.10
2
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編寫(xiě)程序
2010.4.26
3
翻譯
2010.5.10
4
撰寫(xiě)論文
2010.5.28
5
答辯
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
應(yīng)收集的資料：
一、S7-200 PLC的使用教程
二、步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的工作原理和特征參數(shù)
三、電磁鐵、力傳感器、滾珠絲桿的應(yīng)用
四、外文資料一篇
主要參考文獻(xiàn)：
[1] 黃賢武，鄭筱霞. 傳感器原理與應(yīng)用［M］．成都:電子科技大學(xué)出版社,高等教育出版社
[2] 黃堅(jiān). 可編程控制器原理及其應(yīng)用［M］．北京:高等教育出版社
[3] 戴佳,戴衛(wèi)恒.執(zhí)行電動(dòng)機(jī) [M].北京：電子工業(yè)出版社
[4]何立民.機(jī)電傳動(dòng)控制技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
題 目：電磁鐵推拉力測(cè)試系統(tǒng)——控制部分設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： 2006183829
姓 名： 劉 明
指導(dǎo)教師： 毛美姣
完成日期： 2010-6-4
電磁鐵推拉力測(cè)試系統(tǒng)——控制部分
摘要：電磁鐵在我們的日常生活中到處可見(jiàn)，應(yīng)用非常廣泛，生活中我們?cè)絹?lái)越離不開(kāi)它。電磁鐵是一種電器，它被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、起重機(jī)等大型機(jī)電設(shè)備中。電磁鐵的靜態(tài)力性能直接影響到由它所構(gòu)成的元件及裝置的整體性能，進(jìn)行電磁鐵的靜態(tài)力特性分析，對(duì)電磁鐵的設(shè)計(jì)制造和實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。本論文基于PLC控制步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲桿組成的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用力傳感器技術(shù)，對(duì)電磁鐵進(jìn)行推拉力測(cè)試，得到其推或拉力與銜鐵位移之間的關(guān)系曲線。對(duì)西門子S7-200 PLC系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，掌握了西門子S7-200 PLC系統(tǒng)的組成、基本指令及其功能指令。理解的步進(jìn)電機(jī)的工作原理及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。
關(guān)鍵詞：電磁鐵，S7-200，步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器
Solenoid Push Pull Test System - Control Part
Abstact：Electromagnet in our daily life everywhere, is widely used in daily life more and we can not do without it. Is an electrical solenoid, which is widely used in machine tools, cranes and other large electrical and mechanical equipment. Electromagnet static forces directly affects the performance of its composition from the overall performance of components and equipment to carry out the static force analysis of the electromagnet, the electromagnet of the design and manufacture and application has some reference value. This paper, based on PLC control of stepping motor and ball screw institution, application of force sensor technology, push pull solenoid for test, get the push or pull the relationship between the keeper and the displacement curve. Siemens S7-200 PLC system and the stepper motor in-depth study and master the Siemens S7-200 PLC system components, basic commands and features instruction. Understand the working principle of stepper motor and drive control technology, the PLC on the stepper motor control.
Key words：Electromagnet, S7-200, stepping motor, drive
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表
學(xué)號(hào) 2006183829 姓名 劉 明 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 電磁鐵推拉力測(cè)試系統(tǒng)——控制部分設(shè)計(jì)
評(píng)價(jià)項(xiàng)目
評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量是否適當(dāng)；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計(jì)）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。
綜
合
評(píng)
價(jià)
評(píng)閱人：
2010年6月 日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
目錄
第一章 引言 1
1.1 電磁鐵概述 1
1.2 課題背景及意義 1
1.3 國(guó)內(nèi)外基本研究情況 1
1.4 課題的主要研究?jī)?nèi)容 1
第二章 理論知識(shí)介紹 3
2.1 PLC簡(jiǎn)介 3
2.1.1 PLC的結(jié)構(gòu)及各部分的作用 4
2.1.2 PLC的工作原理 5
2.1.3 PLC編程語(yǔ)言 5
2.2 步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展 6
2.3 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 7
2.4 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 8
第三章 元器件選擇及I/O分配 10
3.1 系統(tǒng)基本框圖的確定 10
3.1.1 元器件的選擇 11
3.1.2 雷賽ND1182 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 11
3.1.3 雷賽110HS20兩相混合式步進(jìn)電機(jī) 15
3.2 系統(tǒng)控制過(guò)程 17
3.3 控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配 17
第四章 系統(tǒng)控制過(guò)程設(shè)計(jì) 18
結(jié)束語(yǔ) 26
參考文獻(xiàn) 27
34
第一章 引言
1.1 電磁鐵概述
電磁鐵在我們的日常生活中到處可見(jiàn)，應(yīng)用非常廣泛，生活中我們?cè)絹?lái)越離不開(kāi)它。電磁鐵是一種電器，它被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、起重機(jī)等大型機(jī)電設(shè)備中。電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機(jī)械零件、工件于固定位置的一種電器。銜鐵的動(dòng)作可使其他機(jī)械裝置發(fā)生聯(lián)動(dòng)。當(dāng)電源斷開(kāi)時(shí)，電磁鐵的磁性隨之消失，銜鐵或其他零件即被釋放。
電磁鐵在生產(chǎn)中的應(yīng)用極為普遍，工業(yè)上常用來(lái)制動(dòng)機(jī)床和起重機(jī)的電動(dòng)機(jī)。當(dāng)接通電源時(shí)，電磁鐵動(dòng)作而拉開(kāi)彈簧，把抱閘提起，于是放開(kāi)裝在電動(dòng)機(jī)軸上的制動(dòng)輪，這時(shí)電動(dòng)機(jī)便可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電源斷開(kāi)時(shí)，電磁鐵的銜鐵落下，彈簧便把抱閘壓在制動(dòng)輪上，電動(dòng)機(jī)就被制動(dòng)。在起重機(jī)中采用這種方法，可以避免由于工作過(guò)程中的斷電而使重物滑下造成的事故。
隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，在機(jī)床中也常用電磁鐵操縱氣動(dòng)或液壓傳和控制變速機(jī)構(gòu)。電磁吸盤和電磁離合器也都是電磁鐵的具體應(yīng)用
此外，現(xiàn)代物流業(yè)的集裝流程中，也使用電磁鐵進(jìn)行起重提放鋼材等。不論是機(jī)床、起重機(jī)，還是物流裝卸的電磁繼電器和接觸器，電磁鐵的任務(wù)是開(kāi)閉電路，起到一個(gè)開(kāi)關(guān)的作用。
1.2 課題背景及意義
電磁鐵是一種基于電磁系統(tǒng)產(chǎn)生電磁力，使銜鐵做機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)外做功的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器，因此，電磁鐵力特性成為表征其主要性能的基本特性。作為一個(gè)轉(zhuǎn)換元件，電磁鐵的靜態(tài)力特性直接影響到由它所構(gòu)成的元件及裝置的整體性能，國(guó)內(nèi)外有許多機(jī)構(gòu)、學(xué)者都曾做過(guò)電磁鐵的推拉力測(cè)試，可以測(cè)試量電磁鐵的靜動(dòng)態(tài)力和位移特性。有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度不高，且難以測(cè)量出雙向電磁鐵的靜動(dòng)態(tài)力特性。因此，對(duì)電磁鐵進(jìn)行推拉力的測(cè)試是非常必要的。
1.3 國(guó)內(nèi)外基本研究情況
電磁鐵被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活之中，其作用不容忽視。電磁鐵的特性中力的特性是很重要的一部分，因此對(duì)電磁鐵進(jìn)行推拉力測(cè)試具有非常的實(shí)際意義。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行研究和探討過(guò)。此次，本人在前人的基礎(chǔ)上，基于PLC控制步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲桿組成的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用力傳感器技術(shù)，再一次嘗試對(duì)電磁鐵的推拉力測(cè)試進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，以更好的學(xué)習(xí)掌握所學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。
1.4 課題的主要研究?jī)?nèi)容
電磁鐵推拉力測(cè)試系統(tǒng)——控制部分設(shè)計(jì)，其主要工作內(nèi)容是：
1）確定電磁鐵測(cè)力系統(tǒng)的方案及系統(tǒng)的各組成部件
首先擬定一個(gè)大致方案，初步確定各組成部件的型號(hào)。再分析了解各組成部分的功能用途，掌握各部件的使用方法和工作原理。最后討論系統(tǒng)的可行性、連續(xù)性、完整性，不斷修正系統(tǒng)，確保系統(tǒng)能正常、穩(wěn)定的工作。握PLC基本指定和程序設(shè)計(jì)的方法。要弄清步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器的工作原理和其參數(shù)特性以及他們之間的接線問(wèn)題。最終學(xué)會(huì)如何用PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確的速度控制、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等。
2）對(duì)電磁鐵測(cè)力系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究
為實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制，一定要掌握PLC應(yīng)用技術(shù)的核心內(nèi)容，如各種控制線路圖、功能圖、梯形圖、時(shí)序圖、語(yǔ)句表等，掌握PLC的基本指定和程序設(shè)計(jì)的方法；要弄清楚步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器的工作原理和參數(shù)特性以及他們之間的接線問(wèn)題，最終學(xué)會(huì)如何用PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確地速度控制、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等。
3）其他工作
要知道力傳感器、位移傳感器、滾珠絲杠和顯示終端的工作原理和特征參數(shù)，最終得到不同距離時(shí)電磁鐵推拉力的大小
對(duì)本課題的研究，預(yù)期要達(dá)到能用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確速度控制、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等，熟悉步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、滾珠絲杠、推拉力傳感器、位移傳感器、電磁鐵的工作原理和特征參數(shù)，最終得到電磁鐵在每隔0.2mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的推拉力大小的目標(biāo)。其中關(guān)鍵的理論和技術(shù)是PLC應(yīng)用技術(shù)在工程實(shí)現(xiàn).中程序設(shè)計(jì)的方法，技術(shù)指標(biāo)要達(dá)到精確的控制。其使用的方案是用電磁鐵 、位移傳感器、力傳感器、滾珠絲杠、顯示終端、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電源所組成的系統(tǒng)進(jìn)行電磁鐵的推拉力測(cè)試。
第二章 理論知識(shí)介紹
2.1 PLC簡(jiǎn)介
自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來(lái)，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，PLC的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開(kāi)關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。
作為離散控的制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長(zhǎng)率保持為20%～30%。隨著工廠自動(dòng)化程度的不斷提高和PLC市場(chǎng)容量基數(shù)的不斷擴(kuò)大，近年來(lái)PLC在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的增長(zhǎng)速度放緩。但是，在中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家PLC的增長(zhǎng)十分迅速。綜合相關(guān)資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動(dòng)化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。
PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來(lái)的，二十世紀(jì)七十年代的PLC只有開(kāi)關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過(guò)數(shù)字輸入和輸出操作，來(lái)控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過(guò)程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，程序從起始步（步序號(hào)為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開(kāi)關(guān)量來(lái)處理，16位（也有32位的）為一個(gè)模擬量。大型PLC使用另外一個(gè)CPU來(lái)完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給PLC的控制器。
相同I/O點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒(méi)有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。一個(gè)PLC的控制器，可以接收幾千個(gè)I/O點(diǎn)（最多可達(dá)8000多個(gè)I/O）。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。
近10年來(lái)，隨著PLC價(jià)格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的中小設(shè)備開(kāi)始采用PLC進(jìn)行控制，PLC在我國(guó)的應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動(dòng)化水平的不斷提高，今后一段時(shí)期內(nèi)PLC在我國(guó)仍將保持高速增長(zhǎng)勢(shì)頭。
通用PLC應(yīng)用于專用設(shè)備時(shí)可以認(rèn)為它就是一個(gè)嵌入式控制器，但PLC相對(duì)一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實(shí)際工作中碰到的一些用戶原來(lái)采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。
可編程控制器對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，是一種無(wú)觸點(diǎn)設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設(shè)計(jì)階段選用可編程控制器，在實(shí)施階段再確定工藝過(guò)程。另一方面，從制造生產(chǎn)可編程控制器的廠商角度看，在制造階段不需要根據(jù)用戶的訂貨要求專門設(shè)計(jì)控制器，適合批量生產(chǎn)。由于這些特點(diǎn)，可編程控制器問(wèn)世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控制器已成為工廠自動(dòng)化的強(qiáng)有力工具，得到了廣泛的應(yīng)用。
2.1.1 PLC的結(jié)構(gòu)及各部分的作用
可編程控制器的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)。通常由中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）、電源和編程器等幾個(gè)部分組成。
（一）中央處理單元（CPU）
CPU作為整個(gè)PLC的核心，起著總指揮的作用。CPU一般由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成。這些電路通常都被封裝在一個(gè)集成電路的芯片上。CPU通過(guò)地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出接口電路連接。CPU的功能有以下一些：從存儲(chǔ)器中讀取指令，執(zhí)行指令，取下一條指令，處理中斷。
（二）存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器;存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器；存放工作數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。常用的存儲(chǔ)器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一種可進(jìn)行讀寫(xiě)操作的隨機(jī)存儲(chǔ)器存放用戶程序，生成用戶數(shù)據(jù)區(qū)，存放在RAM中的用戶程序可方便地修改。RAM存儲(chǔ)器是一種高密度、低功耗、價(jià)格便宜的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，可用鋰電池做備用電源。掉電時(shí)，可有效地保持存儲(chǔ)的信息。EPROM、EEPROM都是只讀存儲(chǔ)器。用這些類型存儲(chǔ)器固化系統(tǒng)管理程序和應(yīng)用程序。
（三）輸入輸出單元（I/O單元）
I/O單元實(shí)際上是PLC與被控對(duì)象間傳遞輸入輸出信號(hào)的接口部件。I/O單元有良好的電隔離和濾波作用。接到PLC輸入接口的輸入器件是各種開(kāi)關(guān)、按鈕、傳感器等。PLC的各輸出控制器件往往是電磁閥、接觸器、繼電器，而繼電器有交流和直流型，高電壓型和低電壓型，電壓型和電流型。
（四）電源
PLC電源單元包括系統(tǒng)的電源及備用電池，電源單元的作用是把外部電源轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。PLC內(nèi)有一個(gè)穩(wěn)壓電源用于對(duì)PLC的CPU單元和I/O單元供電。
（五）編程器
編程器是PLC的最重要外圍設(shè)備。利用編程器將用戶程序送入PLC的存儲(chǔ)器，還可以用編程器檢查程序，修改程序，監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。除此以外，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上添加適當(dāng)?shù)挠布涌诤蛙浖?，即可用個(gè)人計(jì)算機(jī)對(duì)PLC編程。利用微機(jī)作為編程器，可以直接編制并顯示梯形圖。
2.1.2 PLC的工作原理
PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開(kāi)始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。PLC的掃描過(guò)程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個(gè)階段。全過(guò)程掃描一次所需的時(shí)間稱為掃描周期。當(dāng)PLC處于停狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。
（一）輸入處理
輸入處理也叫輸入采樣。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通端狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對(duì)應(yīng)的映象寄存器。在此輸入映象寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時(shí)，輸入映象寄存器與外界隔離，即使輸入信號(hào)發(fā)生變化，其映象寄存器的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生變化，只有在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。
（二）程序執(zhí)行
根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來(lái)決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。從用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時(shí)，PLC從輸入映象寄存器中讀出上一階段采入的對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映象寄存器讀出對(duì)應(yīng)映象寄存器，根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，存入有關(guān)器件寄存器中。對(duì)每個(gè)器件來(lái)說(shuō)，器件映象寄存器中所寄存的內(nèi)容，會(huì)隨著程序執(zhí)行過(guò)程而變化。
（三）輸出處理
程序執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過(guò)隔離電路，驅(qū)動(dòng)功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。
2.1.3 PLC編程語(yǔ)言
（一）梯形圖編程語(yǔ)言
梯形圖沿襲了繼電器控制電路的形式，它是在電器控制系統(tǒng)中常用的繼電器、接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了符號(hào)演變來(lái)的，形象、直觀、實(shí)用。
梯形圖的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下三點(diǎn)：
(1)梯形圖按從左到右、從上到下的順序排列。每一邏輯行起始于左母線，然后是觸點(diǎn)的串、并聯(lián)接，最后是線圈與右母線相聯(lián)。
(2)梯形圖中每個(gè)梯級(jí)流過(guò)的不是物理電流，而是“概念電流”，從左流向右，其兩端沒(méi)有電源。這個(gè)“概念電流”只是形象地描述用戶程序執(zhí)行中應(yīng)滿足線圈接通的條件。
(3)輸入繼電器用于接收外部輸入信號(hào)，而不能由PLC內(nèi)部其它繼電器的觸點(diǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)。因此，梯形圖中只出現(xiàn)輸入繼電器的觸點(diǎn)，而不出現(xiàn)其線圈。輸出繼電器輸出程序執(zhí)行結(jié)果給外部輸出設(shè)備，當(dāng)梯形圖中的輸出繼電器線圈得電時(shí)，就有信號(hào)輸出，但不是直接驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備，而要通過(guò)輸出接口的繼電器、晶體管或晶閘管才能實(shí)現(xiàn)。輸出繼電器的觸點(diǎn)可供內(nèi)部編程使用。
（二）語(yǔ)句表編程語(yǔ)言
指令語(yǔ)句表示一種與計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言相類似的助記符編程方式，但比匯編語(yǔ)言易懂易學(xué)。一條指令語(yǔ)句是由步序、指令語(yǔ)和作用器件編號(hào)三部分組成。
（三）控制系統(tǒng)流程圖編程圖
控制系統(tǒng)流程圖是一種較新的編程方法。它是用像控制系統(tǒng)流程圖一樣的功能圖表達(dá)一個(gè)控制過(guò)程，目前國(guó)際電工協(xié)會(huì)(IEC)正在實(shí)施發(fā)展這種新式的編程標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展
步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)或階躍電機(jī)，是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛑本€位移的電磁元件，從能量的轉(zhuǎn)換角度看，它和普通電機(jī)無(wú)異。國(guó)外一般稱為Stepmotor或Stepping motor，Pulse motor，Stepper servo，Stepper等等。
步進(jìn)電機(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)速與控制頻率同步的同步電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的工作過(guò)程為，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，則改變一次勵(lì)磁狀態(tài)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，若沒(méi)有脈沖信號(hào)輸入，則轉(zhuǎn)子保持在某一位置靜止不動(dòng)。
步進(jìn)電機(jī)原始模型起源于1830年至1860年間，工作的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，步進(jìn)電機(jī)的控制是從1870年前后開(kāi)始的，應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中，這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電機(jī)。此后，在電話自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電機(jī)。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中廣泛使用。
隨著永磁材料的發(fā)展，在20世紀(jì)60年代后期，各種實(shí)用性步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展又推動(dòng)了步進(jìn)電機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。在近30年間，步進(jìn)電機(jī)迅速發(fā)展并成熟起來(lái)。步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)能與直流電機(jī)、異步電機(jī)，以及同步電機(jī)并列，從而成為電動(dòng)機(jī)的一種基本類型。
上世紀(jì)50年代后期，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的研究及制造。從50年代后期到60年代后期，主要是科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開(kāi)發(fā)少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。70年代初期，步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破。主要在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)本體設(shè)計(jì)研究方面。70年代中期至80年代中期為產(chǎn)品發(fā)展階段，主要是新品種高性能電機(jī)不斷被開(kāi)發(fā)。自80年代中期以來(lái)，由于對(duì)步進(jìn)電機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛利用。
步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5 度 或15 度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8 度而五相步進(jìn)角一般為 0.72 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。
2.3 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理
步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵部件之一，被廣泛應(yīng)用于需要精確定位、同步、行程控制等場(chǎng)合。
一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有三線式、五線式、六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電流來(lái)驅(qū)動(dòng)。若每旋轉(zhuǎn)一圈以200個(gè)勵(lì)磁信號(hào)來(lái)計(jì)算，則每個(gè)勵(lì)磁信號(hào)前進(jìn)1.8 度，其旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)成正比，正、反轉(zhuǎn)可由脈沖順序來(lái)控制。
二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式可分為全部勵(lì)磁及半步勵(lì)磁,其中全步勵(lì)磁又有1相勵(lì)磁及2相勵(lì)磁之分，而半步勵(lì)磁又稱1-2相勵(lì)磁。圖為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制等效電路，適應(yīng)控制A、B、/A、/B 的勵(lì)磁信號(hào)，即可控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。每輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只走一步。因此，依序不斷送出脈沖信號(hào)，即可步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
分述如下：
A、1 相勵(lì)磁法：在每一瞬間只有一個(gè)線圈導(dǎo)通。消耗電力小，精確度良好，但轉(zhuǎn)矩小，振動(dòng)較大，每送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)可走1.8 度。若欲以1 相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖2-1所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。
圖2-1 1相勵(lì)磁法
B、2 相勵(lì)磁法：在每一瞬間會(huì)有二個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通。因其轉(zhuǎn)矩大，振動(dòng)小，故為目前用最多的勵(lì)磁方式，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走1.8 度。若以2 相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)
圖2-2 2相勵(lì)磁法
C、1-2 相勵(lì)磁法：為1 相與2 相輪流交替導(dǎo)通。因分辨率提高，且運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走0.9 度，故亦廣泛被采用。若以1 相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖2-3所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。
圖2-3 1-2 相勵(lì)磁法
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度成反比，速度愈快負(fù)載轉(zhuǎn)矩愈小，當(dāng)速度快至其極限時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)即不再運(yùn)轉(zhuǎn)。所以在每走一步后，程序必須延時(shí)一段時(shí)間。
2.4 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)
步進(jìn)電機(jī)由于它的運(yùn)行原理、驅(qū)動(dòng)原理及控制方式的特殊性，使其具有如下特點(diǎn)：
(1)步進(jìn)電機(jī)只能在一定脈沖電源供電下才能運(yùn)行。
(2)采用脈沖供電方式，即勵(lì)磁繞組上施加的不是一個(gè)恒定的直流或交流電壓，而是采用電子開(kāi)關(guān)斷續(xù)加以直流電壓。
(3)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率保持嚴(yán)格的同步關(guān)系。
(4)定位能力高，具有自鎖能力。
(5)具有較大的加速轉(zhuǎn)矩，其性能的提高與控制方式、驅(qū)動(dòng)電路的參數(shù)等有密切關(guān)系。
(6)正反轉(zhuǎn)及變速響應(yīng)性好，易于啟動(dòng)、停止。
(7)電機(jī)本體部件少，無(wú)刷，可靠性高；
(8)步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180范圍內(nèi)選擇，在小步距角情況下，通常可以在超低速下高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行，通常可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
(9)同時(shí)用一臺(tái)控制器控制幾臺(tái)步進(jìn)電機(jī)可使它們完全同步運(yùn)行。速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。
(10)步進(jìn)電機(jī)帶慣性負(fù)載的能力較差。
(11)由于存在失步和共振，因此步進(jìn)電機(jī)的加速、減速方法根據(jù)利用狀態(tài)不同而復(fù)雜化。
(12)不能直接使用普通的交流電源驅(qū)動(dòng)。
第三章 元器件選擇及I/O分配
3.1 系統(tǒng)基本框圖的確定
電磁鐵推拉力測(cè)試系統(tǒng)的基本框圖如圖3-1所示
圖3-1 系統(tǒng)基本框圖
系統(tǒng)測(cè)試原理如圖3-2所示
1-力傳感器安裝座 2-測(cè)試臺(tái) 3-步進(jìn)電機(jī) 4-滾珠絲桿副 5-移動(dòng)工作臺(tái) 6-力傳感器 7-被測(cè)電磁鐵 8-工件安裝座 9-工件安裝工作臺(tái)
圖3-2 系統(tǒng)測(cè)試原理圖
3.1.1 元器件的選擇
PLC選用西門子S7-200 CPU222 PLC系列，無(wú)需擴(kuò)展。
步進(jìn)電機(jī)選用雷賽公司110HS20兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。
驅(qū)動(dòng)器選用與步進(jìn)電機(jī)相配套的雷賽ND1182 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。
滾珠絲桿型號(hào)為2504-4，導(dǎo)程角4mm。
力傳感器為上海天沐NS-WL1型拉壓力傳感器。
離合器型號(hào)為天津市首達(dá)永恒離合器廠DLY0-20A。
顯示終端選用國(guó)光CJ6812系列液晶顯示終端
3.1.2 雷賽ND1182 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器
驅(qū)動(dòng)器接口和接線介紹
P1 端口控制信號(hào)接口描述如圖3-3所示
圖3-3 P1端口控制信號(hào)接口
P2 端口強(qiáng)電接口描述如圖3-4所示
圖3-4 P2端口強(qiáng)電接口
輸入接口電路
輸入接口電路（共陽(yáng)極接法）控制器集電極開(kāi)路輸出如圖3-5所示
圖3-5 輸入接口電路（共陽(yáng)極接法）控制器集電極開(kāi)路輸出
西門子PLC 系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器共陽(yáng)極的連接如圖3-6所示
圖3-6 西門子PLC 系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器共陽(yáng)極連接
控制信號(hào)時(shí)序圖
為了避免一些誤動(dòng)作和偏差，PUL、DIR 和ENA 應(yīng)滿足一定要求，如圖3-7所示：
圖3-7 控制信號(hào)時(shí)序圖
注釋：
（1）t1：ENA（使能信號(hào)）應(yīng)提前DIR 至少5μs，確定為高。一般情況下建議ENA+和ENA-懸空即可。
（2）t2：DIR 至少提前PUL 下降沿5μs 確定其狀態(tài)高或低。
（3）t3：脈沖寬度至少不小于1.2μs。
（4）t4：低電平寬度不小于1.2μs。
ND1182兩相步進(jìn)電機(jī)的典型接線如圖3-8所示
圖3-8 ND1182兩相步進(jìn)電機(jī)的典型接線
工作（動(dòng)態(tài)）電流設(shè)定
四位撥碼開(kāi)關(guān)SW5-SW8 一共可設(shè)定16 個(gè)電流級(jí)別，參見(jiàn)下表3-1。
表3-1 ND1182驅(qū)動(dòng)器工作（動(dòng)態(tài)）電流設(shè)定
輸出峰值電流
輸出均值電流
SW5
SW6
SW7
SW8
0.7A
0.5A
off
off
off
off
1.2A
0.86A
off
off
off
on
1.72A
1.23A
off
off
on
off
2.2A
1.57A
off
off
on
on
2.75A
1.96A
off
on
off
off
3.28A
2.34A
off
on
off
on
3.75A
2.68A
off
on
on
off
4.22A
3.01A
off
on
on
on
4.72A
3.37A
On
off
off
off
5.2A
3.71A
On
off
off
on
5.78A
4.13A
On
off
on
off
6.25A
4.46A
On
off
on
on
6.78A
4.84A
On
on
off
off
7.31A
5.22A
On
on
off
on
7.81A
5.58A
On
on
on
off
8.2A
5.86A
On
on
on
on
細(xì)分設(shè)定
細(xì)分精度由SW1-SW4 四位撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定，參見(jiàn)表3-2所示。
表3-2 ND1182驅(qū)動(dòng)器細(xì)分設(shè)定
步數(shù)/轉(zhuǎn)
SW1
SW2
SW3
SW4
200
on
on
on
on
400
off
on
on
on
800
on
off
on
on
1600
off
off
on
on
3200
on
on
off
on
6400
off
on
off
on
12800
on
off
off
on
25600
off
off
off
on
1000
on
on
on
off
2000
off
on
on
off
4000
on
off
on
off
5000
off
off
on
off
8000
on
on
off
off
10000
off
on
off
off
20000
on
off
off
off
25000
off
off
off
off
3.1.3 雷賽110HS20兩相混合式步進(jìn)電機(jī)
技術(shù)規(guī)格如圖3-9所示
圖3-9雷賽110HS20兩相混合式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)規(guī)格
外形尺寸如圖3-10所示
圖3-10雷賽110HS20兩相混合式步進(jìn)電機(jī)外形尺寸
接線圖如圖3-11所示
圖3-11 雷賽110HS20兩相混合式步進(jìn)電機(jī)接線圖
3.2 系統(tǒng)控制過(guò)程
電磁鐵推拉力測(cè)力系統(tǒng)的控制過(guò)程：
步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角是1.8度，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈需要200個(gè)脈沖，滾珠絲杠每轉(zhuǎn)一圈前進(jìn)4mm。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)行程是30mm，所以一個(gè)單行程需要1500個(gè)脈沖。
現(xiàn)擬定讓步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，用100個(gè)高速脈沖讓步進(jìn)電機(jī)的速度從0到一個(gè)穩(wěn)速，然后穩(wěn)速運(yùn)行1300個(gè)脈沖，再用100個(gè)脈沖讓步進(jìn)電機(jī)從穩(wěn)速到0。再讓步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，整個(gè)反轉(zhuǎn)過(guò)程同正轉(zhuǎn)一樣，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)各一次，用高速計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)記錄脈沖個(gè)數(shù)值。
3.3 控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配
控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配如圖3-12
圖3-12 控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配
第四章 系統(tǒng)控制過(guò)程設(shè)計(jì)
主程序網(wǎng)絡(luò)1如圖4-1。
圖4-1 主程序網(wǎng)絡(luò)1
主程序網(wǎng)絡(luò)1中SM0.1是首次掃描接通，用于初始化，也就是說(shuō)PLC啟動(dòng)后第一次掃描置位Q0.1，即給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器方向端子高電平，步進(jìn)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。S就是置位指令，就是將此置為1。下面的R就是復(fù)位指令，將位置為0
主程序網(wǎng)絡(luò)2如圖4-2。
圖4-2 主程序網(wǎng)絡(luò)2
主程序網(wǎng)絡(luò)2中，SM0.1還是初次掃描接通，即PLC接通瞬間第一次掃描周期調(diào)用高速輸出子程序，至于為什么用SM0.1調(diào)用，這是因?yàn)槲鏖T子PLC中高速輸出的程序調(diào)用必須用脈沖調(diào)用，也就是說(shuō)子程序不能處于一直調(diào)用狀態(tài)。而復(fù)位Q0.0這是高速輸出子程序的格式，防止Q0.0處于高電平而不能進(jìn)行高速輸出。因?yàn)槌苏D(zhuǎn)調(diào)用高速輸出外，在正轉(zhuǎn)結(jié)束后電機(jī)還要反轉(zhuǎn)，也就是需要二次調(diào)用高速輸出子程序，因?yàn)镾M0.1只有PLC初次掃描時(shí)接通，以后都處于關(guān)閉狀態(tài)，所以二次調(diào)用需要用到另外一個(gè)中間位，這里本人用了M0.0（也可以是其他中間位），前面說(shuō)過(guò)，高速輸出子程序的調(diào)用必須是脈沖調(diào)用，所以M0.0不能一直接通，而是接通瞬間又要關(guān)閉，故后面加一個(gè)上升沿|P|復(fù)位掉M0.0，這樣M0.0接通時(shí)調(diào)用高速輸出，然后又?jǐn)嚅_(kāi)，這樣就形成了一個(gè)脈沖來(lái)調(diào)用高速輸出子程序，M0.0的置位是在后面做的，后面再講。
如圖4-3所示的主程序網(wǎng)絡(luò)3中，由于還要對(duì)當(dāng)前輸出的脈沖進(jìn)行實(shí)施觀測(cè)，所以還需要對(duì)脈沖進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，這里就是調(diào)用高速計(jì)數(shù)的子程序，至于為什么用SM0.1，解釋同高速輸出，這個(gè)子程序的調(diào)用也必須是脈沖調(diào)用。
圖4-3 主程序網(wǎng)絡(luò)3
高速輸出子程序中網(wǎng)絡(luò)1中（如圖4-4所示），SM0.0是PLC中一個(gè)特殊寄存器，就是一直接通的一個(gè)開(kāi)關(guān)。MOV就是寫(xiě)數(shù)據(jù)的指令，就是將數(shù)據(jù)寫(xiě)入地址。這是對(duì)脈沖三段輸出的輪廓表格式字寫(xiě)入，因?yàn)镻TO脈沖輸出是有一個(gè)加速段，一個(gè)勻速段，一個(gè)減速段，一共三段，所以要對(duì)這三段的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。西門子PLC脈沖輸出PTO三段輸出的參數(shù)設(shè)置格式就是這個(gè)樣子的。這是西門子PLC規(guī)定的。
VB500（首地址，這個(gè)首地址也可以是其他地址），這里寫(xiě)入的是一個(gè)字節(jié)，固定為3，意思就是三段輸出；VW501，下一個(gè)地址，這里是寫(xiě)入的一個(gè)字，寫(xiě)入的是初始周期，本人這里寫(xiě)入的是300微秒，VW503是加速段平均變化周期，寫(xiě)入-2意思是每個(gè)脈沖周期大小減2，周期減小，脈沖輸出頻率就會(huì)增加，步進(jìn)速度 加快；VD505，這里寫(xiě)入的是一個(gè)雙字，是加速段的脈沖數(shù)，按照設(shè)計(jì)要求是100個(gè)脈沖，寫(xiě)入100；VW509是勻速段的脈沖輸出周期，這里寫(xiě)入100微秒，VW511是勻速段平均變化周期，但是因?yàn)閯蛩俣沃芷谑遣蛔兊?，所以這里固定寫(xiě)入0；VD513是勻速段的脈沖個(gè)數(shù)，按設(shè)計(jì)要求是1300個(gè)脈沖，寫(xiě)入1300；VW517是減速段的初始周期，也就是勻速段的周期，100微秒；VW519是減速段平均變化周期，寫(xiě)入2，即每個(gè)脈沖周期加2，這樣脈沖頻率就會(huì)慢慢降低，電機(jī)速度就會(huì) 下降；VD521是減速段的脈沖數(shù)，按設(shè)計(jì)要求是100個(gè)，寫(xiě)入100。
圖4-4 高速輸出子程序中網(wǎng)絡(luò)（接上一頁(yè)）
圖4-5 高速輸出子程序網(wǎng)絡(luò)2
高速輸出子程序網(wǎng)絡(luò)2中（如圖4-5），SMB67是高速PTO脈沖輸出的控制字，控制字各個(gè)位的意思如圖4-6所示：
圖4-6 高速脈沖輸出控制字
由于用的是Q0.0作為脈沖輸出，所以要用到SMB67，而不是SMB77，SMB67是一個(gè)字節(jié)，有8個(gè)位組成，分別是SM67.0~SM67.7，每個(gè)位的意思如上圖所示。這里寫(xiě)入的是2#10100000，這是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，也就是只有SM67.7和SM67.5為1，其他幾個(gè)位都是0，這個(gè)意思就是啟用PTO/PWM高速脈沖輸出（SM67.7為1），選擇PTO模式（SM67.6為0），多段操作（SM67.5為1），異步更新（SM67.4為0，這個(gè)參數(shù)一般不常用，影響不大），周期單位選擇為微秒（SM67.3為0），脈沖計(jì)數(shù)無(wú)更新（SM67.2為0.，因?yàn)槊}沖數(shù)都在多段輪廓表里規(guī)定過(guò)了，所以不需要更新），脈寬無(wú)更新（SM67.1為0，PTO輸出的脈寬是不變的，占空比一直都是50%，所以這個(gè)參數(shù)只針對(duì)PWM模式才有效），周期無(wú)更新（SM67.0為0，周期值輪廓表已規(guī)定，這里不需要更新）。
SMW168這里要寫(xiě)入前面我們?nèi)屋喞淼氖椎刂罚椎刂肥荲B500，所以這里寫(xiě)入數(shù)據(jù)500，至于為什么寫(xiě)到SMW168里面，這是西門子PLC規(guī)定的。
ATCH這是連接中斷，INT0是進(jìn)入中斷子程序INT0，19是中斷號(hào)，19號(hào)中斷就是PTO0輸出完成。這個(gè)指令的意思就是Q0.0的PTO脈沖輸出完成后程序就進(jìn)入中斷子程序INT0進(jìn)行一周期的掃描。
PLS是脈沖輸出的指令，在前面對(duì)各種參數(shù)設(shè)置完成后就要調(diào)用這個(gè)指令開(kāi)始脈沖輸出了。
圖4-7 高速計(jì)數(shù)子程序
高速計(jì)數(shù)子程序如圖4-7所示，用SM0.1調(diào)用，這是西門子PLC高速計(jì)數(shù)的格式，規(guī)定是SM0.1調(diào)用，SMB37，這個(gè)地址里是寫(xiě)入高速計(jì)數(shù)的控制字，如圖4-8所示。一般采用的是計(jì)數(shù)器HSC0，所以控制字是SMB37，同上面講到的高速輸出控制字，這個(gè)控制字也是一個(gè)字節(jié)，由8位組成，為SM37.0--SM37.7。這里寫(xiě)入的數(shù)據(jù)是16#F8，這是一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)，換成二進(jìn)制就是2#11111000，意思就是啟用HSC，更新當(dāng)前計(jì)數(shù)值（因?yàn)橄旅嬉氘?dāng)前計(jì)數(shù)值里寫(xiě)入數(shù)據(jù)0，所以要更新），更新預(yù)設(shè)值（理由同計(jì)數(shù)值），更新方向（因?yàn)槲覀冞@里只是計(jì)數(shù)當(dāng)前輸出脈沖，并不管脈沖的方向，所以這里無(wú)所謂），向上計(jì)數(shù)（就是增計(jì)數(shù)，每給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)值就加1），其他三個(gè)位用不到。
圖4-8 高速計(jì)數(shù)的控制字
HDEF是定義高速計(jì)數(shù)器的模式，參數(shù)HSC為0的意思就是使用高速計(jì)數(shù)器HSC0，參數(shù)MODE是9的意思就是采用模式9，模式的意思如圖4-9。模式9是A/B相正交計(jì)數(shù)器，因?yàn)橛蠥B兩相，所以采用了模式9，這樣A相就接I0.0，B相就接I0.1。
圖4-9 （接上一頁(yè)）
SMD38這個(gè)地址里放的是當(dāng)前計(jì)數(shù)值，因?yàn)橛?jì)數(shù)從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，所以寫(xiě)入0。SMD42這個(gè)地址放的是預(yù)設(shè)值，這個(gè)一般用于高速計(jì)數(shù)中斷，因?yàn)橛貌坏礁咚儆?jì)數(shù)中斷，所以這里的預(yù)設(shè)值只需要大于前面輸出脈沖個(gè)數(shù)的最大值就可以了。HSC就是調(diào)用高速計(jì)數(shù)了，在各種參數(shù)都寫(xiě)入規(guī)定好后就要調(diào)用了。
圖4-10 中斷子程序INTO網(wǎng)絡(luò)1
中斷子程序INT0網(wǎng)絡(luò)1如上圖4-10所示，前面說(shuō)過(guò)這個(gè)中斷子程序是PTO高速輸出完成后所要掃描的程序，網(wǎng)絡(luò)1的意思就是在PTO高速輸出完成后，也就是正轉(zhuǎn)完成后，復(fù)位掉方向輸出Q0.1，即這時(shí)驅(qū)動(dòng)器的方向控制端子為低電平，電機(jī)進(jìn)入反轉(zhuǎn)狀態(tài)，因?yàn)榉崔D(zhuǎn)也需要脈沖驅(qū)動(dòng)，并且也是加速、勻速、減速三個(gè)階段，并且加減速的各種參數(shù)以及脈沖數(shù)都和正轉(zhuǎn)是相同，所以需要二次調(diào)用高速脈沖輸出，所以這里置位M0.0、M0.0置位后，在主程序網(wǎng)絡(luò)2中高速輸出子程序的前面又接通了，所以就實(shí)現(xiàn)了二次調(diào)用。至于為什么在置位M0.0前面加上一個(gè)Q0.1的常開(kāi)點(diǎn)，這是因?yàn)槿绻患舆@個(gè)常開(kāi)點(diǎn)在反轉(zhuǎn)脈沖輸出結(jié)束后程序再次進(jìn)入中斷子程序，再次置位M0.0，這樣就會(huì)出現(xiàn)三次調(diào)用高速輸出，電機(jī)就會(huì)在反轉(zhuǎn)結(jié)束后再次轉(zhuǎn)動(dòng)，與要求不符，所以加個(gè)Q0.1的常開(kāi)點(diǎn)，這樣在第一次正轉(zhuǎn)結(jié)束后進(jìn)入中斷時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)是正轉(zhuǎn)狀態(tài)方向Q0.1是1（在主程序網(wǎng)絡(luò)1中初始化置位），所以這個(gè)時(shí)候Q0.1的常開(kāi)點(diǎn)是接通的，就能成功置位M0.0實(shí)現(xiàn)高速輸出子程序的二次調(diào)用，而在反轉(zhuǎn)脈沖輸出完成后進(jìn)入中斷時(shí)，這是是反轉(zhuǎn)狀態(tài)，Q0.1是0，Q0.1的常開(kāi)點(diǎn)是斷開(kāi)的，所以這時(shí)就不能置位M0.0，就不會(huì)出現(xiàn)三次調(diào)用。
圖4-11 中斷子程序INT0網(wǎng)絡(luò)2
中斷子程序INTO網(wǎng)絡(luò)2如上圖4-11所示，在正轉(zhuǎn)脈沖輸出完成后進(jìn)入中斷，然后就將0寫(xiě)入SMD38，前面說(shuō)過(guò)SMD38這個(gè)地址的數(shù)據(jù)是高速計(jì)數(shù)的當(dāng)前值，所以正轉(zhuǎn)結(jié)束進(jìn)入中斷后就清零當(dāng)前值，為下次反轉(zhuǎn)做準(zhǔn)備；同樣反轉(zhuǎn)結(jié)束后也是清零，為下次使用電機(jī)正傳的計(jì)數(shù)做準(zhǔn)備。
SMB37是16#C0，這是高速計(jì)數(shù)的控制字，各個(gè)位的意思前面已經(jīng)介紹過(guò)，16#C0換算成二進(jìn)制數(shù)就是2#11000000，即啟用高速計(jì)數(shù)，更新當(dāng)前值。因?yàn)橐匦虑辶惝?dāng)前值，所以要對(duì)當(dāng)前值更新的這個(gè)位置1。下面就是調(diào)用HSC0，前面對(duì)當(dāng)前值的更改只有在調(diào)用這個(gè)HSC指令后才能生效。
至此整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)束。
符號(hào)表見(jiàn)圖3-12
結(jié)束語(yǔ)
本次畢業(yè)論文設(shè)計(jì)是基于PLC控制步進(jìn)電機(jī)，借助于力傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵推拉力測(cè)試，是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)和嚴(yán)格監(jiān)督下完成的。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，本人對(duì)所學(xué)的知識(shí)在實(shí)際應(yīng)用中有了更感性的認(rèn)識(shí)和全新的體會(huì)。本次論文設(shè)計(jì)讓我學(xué)會(huì)了怎樣實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。對(duì)PLC、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵等有了更深刻了解。學(xué)會(huì)了用PLC編程、PLC的基本指令及其功能指令。理解了步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電磁鐵等的工作原理和使用方法。
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了我的專業(yè)方面的能力，在與小組成員的合作中，也學(xué)會(huì)了溝通和合作，學(xué)會(huì)共同解決問(wèn)題，互幫互助。對(duì)于各自的問(wèn)題也有更深的理解。也鍛煉了我們?cè)趩?wèn)題和困難面前的耐心與毅力，不輕易放棄，一遍不行就試第二遍，相信自己最終都能解決。當(dāng)然要感謝毛老師在整個(gè)設(shè)計(jì)中對(duì)我們耐心詳細(xì)的講解和輔導(dǎo)，及理論和技術(shù)等各方面的支持。使我們能更好的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。
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附錄I 程序梯形圖
主程序
子程序 高速脈沖輸出:
子程序 高速計(jì)數(shù)器
子程序 中斷程序
附錄Ⅱ 程序語(yǔ)句表
主程序:
Network 1 Q0.1接步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器方向脈沖，初始化置位Q0.1，步進(jìn)正傳
LD SM0.1
S Q0.1, 1
Network 2 調(diào)用高速脈沖輸出，同時(shí)M0.0作為第一次正傳脈沖輸出結(jié)束后使能反轉(zhuǎn)脈沖輸出
LD SM0.1
O M0.0
CALL SBR0
R Q0.0, 1
EU
R M0.0, 1
Network 3 調(diào)用高數(shù)計(jì)數(shù)
LD SM0.1
CALL SBR1
子程序高速脈沖輸出:
Network 1 這是西門子PLC中高速PTO脈沖輸出3段輸出的格式字，3是指三段（加速段，勻速段，減速段），Q0.0是脈沖輸出點(diǎn)，接驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)端
LD SM0.0
MOVB 3, VB500
MOVW 100, VW501
MOVW -2, VW503
MOVD 100, VD505
MOVW 100, VW509
MOVW 0, VW511
MOVD 1300, VD513
MOVW 100, VW517
MOVW 2, VW519
MOVD 100, VD521
Network 2 這是執(zhí)行PTO高速輸出指令，同時(shí)在輸出結(jié)束進(jìn)入中斷
LD SM0.0
MOVB 2#10100000, SMB67
MOVW 500, SMW168
ATCH INT0, 19
ENI
PLS 0
子程序高速計(jì)數(shù):
Network 1 這是西門子高速計(jì)數(shù)器格式，采用HSC0計(jì)數(shù)器9號(hào)模式（AB相正交，A接I0.0，B接I0.1）
LD SM0.1
MOVB 16#F8, SMB37
HDEF 0, 9
MOVD 0, SMD38
MOVD 99999999, SMD42
HSC 0
中斷程序:
Network 1 在正傳脈沖輸出結(jié)束后復(fù)位Q0.1，反轉(zhuǎn)，同時(shí)置位M0.0，在主程序中再次調(diào)用脈沖輸出，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)運(yùn)行
LD SM0.0
LPS
A Q0.1
S M0.0, 1
LPP
R Q0.1, 1
Network 2
// 正傳脈沖輸出結(jié)束后，高速計(jì)數(shù)器清零，為反轉(zhuǎn)脈沖計(jì)值做初始化
LD SM0.0
MOVD 0, SMD38
MOVB 16#C0, SMB37
HSC 0
附錄Ⅲ 控制系統(tǒng)外部接線圖