《PLC原理及应用》
课程作业
目录
1.PLC技术的应用及研究前沿 ....................................................................... 2
——西门子PLC控制大量步进电机的应用研究 .................................. 2 1.1 引言 ..................................................................................................... 2 1.2 步进电机控制流程 ............................................................................. 2 1.3 系统概述及配置 ................................................................................. 3 1.4 系统设计说明及网络通信................................................................. 4 1.5 系统软件设计 ..................................................................................... 5 2.顺序控制设计法及应用 ............................................................................... 7
2.1对大型电动机的启停控制.................................................................. 7
2.1.1输入/输出信号定义 ................................................................... 7 2.1.2程序设计 .................................................................................... 8 2.2两种液体进行混合控制程序设计 ................................................... 10
2.2.1输入/输出信号定义 ................................................................. 11 2.2.2 梯形图法 ................................................................................. 12 2.2.3 S7- Graph进行编程和仿真法 ................................................ 15
参考文献 ......................................................................................................... 17
1.PLC技术的应用及研究前沿
西门子PLC控制大量步进电机的应用研究
摘 要：神光Ⅲ工程的激光参数测量系统电控工程设计要求网络通信能力强，且系统可靠性高,而西门子PLC具有可靠性高、功能强大、使用方便、编程简单、抗干扰强等优点，在工业控制领域得到了广泛应用。采用西门子S7-200PLC的两路脉冲输出控制2台步进电机，S7-300PLC作为总的处理器处理多个S7-200的信息，同时与工业以太网之间采用PROFIBUS进行现场总线通信，实现了西门子PLC对大量步进电机的控制和与主控系统进行高效率通信的功能，并且它可以降低现场设备连接的工作量和费用,保证系统的可靠性。
关键词：可编程逻辑控制器 步进电机 PROFIBUS 工业以太网 1.1 引言
随着步进伺服驱动控制技术的发展，步进伺服驱动细分精度的提高以及电力电子器件的发展，逐步克服了震荡、失步和发热的不足，性价比大幅度提升，广泛应用于工业机械精密定位的控制。PLC是广泛应用于工业自动化领域的控制器。随着技术的提高，PLC功能得到了很大的扩充和完善，比如为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行控制，实现和其它设备的通信等。 1.2 步进电机控制流程
步进电机的工作原理就是接收控制器或计算机发出的脉冲信号而动作,给一个脉冲,步进电机就转动一个角度或前进一步。电机驱动器将控制脉冲按照某种模式转换成步进电机线圈的电流,产生旋转磁场,使得转子只能按固定的步数来改变它的位置。连续的脉冲序列产生与其对应的同频率(同步机)步序列如果控制频率足够高,步进电机的转动可看作一个连续的转动。电机所带负载电移台有两种动作：限位和到位,限位或到位信号接入到S7-200PLC的输入端。当要求电移台完成限位动作时，PLC收到上位机的指令后指令电机向某方向转动,电机碰到限位开关就停止运动，同时反馈单元向100OM光纤网报告已经完成限位动作；当要求完成到位动作时,电机驱动器把PLC给定的脉冲数加给电机,电机按照该脉冲数带动负载运动一定的步距角,反馈单元报告负载的位置,分控计算机判断是否到位,如果到位则命令PLC停止动作,否则再通过分控计算机通过计算脉冲数向PLC发指令再次命令步进电机动作。
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1.3 系统概述及配置
控制系统为激光参数测量的电控系统，主要功能是完成对光束的控制、数据的采集、光路的准直等，有6个束组FEP，每一个束组FEP控制264个电机。分控计算机与1000M光纤网络连接，位于主控制室内，作为控制设备和测量设备的远程控制中心。光纤交换机通过网络接口向上与现场工业以太网相连，向下通过CP343-1以太网模块连接S7-300，S7-300通过DP口连接EM277模块，底层每个57200PLC模块与EM277模块相连CPU224有两路脉冲输出Q0.0和Q0.1，可以同时控制两台步进电机。
图1 一个束组FEP的网络拓扑图
系统配置：CPU315-2DP具有大容量的程序存储器和PROFTBUS-DP主/从接口的CPU模块，可以使集成使用集成的I/O点处理运动控制工艺技术功能对于运动控制功能的编程，提供符合PLCopen标准功能块(FB)，在用户程序中可以调用这些能模块可最大程度地降低工程与组态、调试和维护费用。
（1）CP343-1：全双工以太网通信处理器，通过工业以太网以100Mbit/s的数据传输速率直接将S7-300集成到综合系统中,拥有一个预定的唯一以太网地址,通过网络可直接使用,能独立处理工业以太网上的数据拥塞。
（2）CPU224:集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，16K节程序和数据存储空间，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MIP通讯协
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议和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的控制器。2路独立的20KHz高速脉冲输出，每1路都可以用来产生控制步进电机驱动器的脉冲。
（3）EM277：PROFIBUS-DP模块，用于自动化系统中单元级控制设备与分布 式I/O的通信。经过EM277的DP通信端口将S7-200CPU连接到PROFIBUS-DP网络,各EM277之间经过串行I/O总线通信。EM277的DP口可运行于9600bit/s和12Mbit/s之间的任何PROFIBUS波特率。
（4）步进电机：采用北京四通的两相混合式步进电机，28系列型号为28BYG25OC,42系列型号为42BYG250C。
（5）驱动器：选用与步进电机配套的四通驱动器SH-20403，该驱动器采用H桥恒相电流PWM驱动，具有输出电流选择，细分选择、脱机保持、节能的自动半电流锁定、输入信号光电隔离以及错相保护等功能。 1.4 系统设计说明及网络通信
一个束组中电机的群控,采用一台西门子S7-300PLC主站与多个S7-200PLC从站组成的PROFIBUS总线网络系统控制，S7-300CPU作为总的处理器处理S7-200 的信息通过CP343-1以太网通信模块连接到工业以太网。CPU315-2DP理论上最多可挂接32个CPU224从站，在此挂接26个S7-200从站,每一个S7-200CPU模块通过两路高速脉冲输出Q0.0和Q0.1控制两个电机，其它的输出分别控制电机的运动方向和使能。现场工控机通过应用软件,可设置各电机运行参数的值通过改变对应电机运行参数的值，达到控制电机运行的目的。
图2 PLC与步进电机连接示意图
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CPU315-2DP通过DP口与EM277连接,各个EM277模块用PRORFIBUS总线连接组成PROFIBUS现场总线网络,EM277和CPU224之间通过扩展总线连接,组态的控制任务可从CPU315-2DP传送到扩展模板。扩展模板将该信息传送给CPU224,CPU244利用该信息建立必要的步进电机步数,并将这些步数作为脉冲(方向、行程和速度脉冲)传送到电机驱动器,然后驱动器使用这些脉冲信息控制步进电机。EM277模块接受从主站来的多种不同的旧配置,向主站发送和接收不同数量的数据,同时还能读写S7-200CPU中定义的变量数据,这样,用户能与主站交换任何类型的数据,达到较精确控制步进电机并采集运动数据的目的。 1.5 系统软件设计
在STEP7 V5.3编程软件主要完成S7-200的硬件组态配置、物理地址配置网络通信端口配置、OB、FB、FC编程等任务。STEP7Micro/WIN编程软件能够很容易的对S7-200进行编程。上位机组态软件WinCCV6.0向用户提供了极大的应用灵活性和系统开放性,在工业自动化领域有着广泛的应用,它可以通过操作画面对实现数据进行监控,STEP7中定义的变量可以在WinCC中直接使用,这将大幅降低工程时间。
硬件组态配置内容包括：硬件名称和类型选择、DP网络参数设置(主从站地址、传输速率、操作模式)等。S7-300与S7-200通过EM277进行PROFIBUS通讯,需要在STEP7中进行S7-300站组态。首先安装新的GSD文件,安装完成后才能在硬件设备中找到EM277。在组态过程中需设定CPU315-2DP地址,其默认值为2,组态中EM277的地址不能与主站的地址重复,STEP组态的EM277PROFIBUS站地址要与实际EM277上的拨码开关设定的地址相一致,最后选择EM277的通信接口区大小为32字节输入和32字节输出。
图2 系统硬件组态图
通信及编程：WinCC是上位机监控软件,硬件组态结束后打开WinCC添加PROFIBUS-DP协议,建立一个新连接,地址设置为通信设备CPU315-2DP的地址。
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S7-300PL C参数存储区中,每一个电机运行参数分别与S7-200PLC参数区中电机运行参数一一对应。改变S7-300PLC中电机运行参数的值,即相当于改变S7-300PLC中电机运行触发参数的值。每一台S7-200PLC参数存储区中的两个电机运行触发参数,总共控制两台电机的运行和停止。在组态时设定主站的输入区为IB0一IB31,输出区为QBO一QB31,对应于从站S7-200的通信接口区为V区,占用64个字节,其中前32个字节为接收区,后32个字节为发送区。在S7-300CPU的OB块中，用户程序中的XGET指令可以通过EM277从CPU224读取数据,在S7-200系统中不需要对通讯进行组态和编程,只需要将要进行通讯的数据整理存放在V存储区与S7-300的组态EM277从站时的硬件I/O地址相对应就可以。CPUU224提供两个数字输出Q0.0和Q0.1,该数字输出可以通过位控向导组态PWM或PTO的输出，也可以通过编程来控制步进电机的动作。
整个系统应用西门子PLC实现了对大量步进电机的控制,分布式I/O之间数据传输采用PROFIBUS-DP协议通讯方式，降低了现场设备连接的工作量和费用,提高了信号传输精度和灵活性,减少了系统成本,给调试和设备维护带来方便。
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2.顺序控制设计法及应用
2.1对大型电动机的启停控制 (1) 控制要求：
① 应用置位、复位指令对电动机的启动，停车进行编程。
② 大型电动机工作方式：可以手动、自动选择；无论手动、自动均需润滑油泵、冷却水泵启动，且油压、水压正常。
③ 手动启动：工作方式选择手动→压下冷却水泵启动按钮→水泵电机运行→压下润滑油泵启动按钮→油泵电机运行→压下系统启动按钮→主电机运行。
④ 自动启动：工作方式选择自动→压下系统启动按钮→水泵电机运行、油泵电机运行→水压、油压正常→主电机运行。
⑤ 系统正常停车：压下系统停车按钮→水泵电机、油泵电机、主电机均立即停车。 ⑥ 故障报警及停车：事故信号、润滑油压力不正常、冷却水压力不正常、电动机过载有任一项产生→报警指示灯亮→水泵电机、油泵电机、主电机均立即停车。 ⑦ 故障报警解除：在故障排除后→压下故障报警解除按钮→报警指示灯灭→允许系统正常启动。
2.1.1输入/输出信号定义
在符号编辑器中编辑符号地址前先新建项目，利用新建项目向导建立项目，项目名为电动机控制，其中CPU模块型号选择CPU313 C-2DP，选择组织快OB1和OB100。然后硬件配置，选择电源模块PS307 5A，置于1号槽。接着定义I/O符号如下表。
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2.1.2程序设计
使用梯形图进行编程，在OB100中编写初始化程序，在OB1中编写水泵电机运行、油泵电机运行、主电机运行、故障报警及停车和故障报警解除程序段。
A.在OB100中输入下图所示程序。
B.在OB1中输入以下程序。
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程序编写完成并检查无误后，将所编程序下载到主机内,并将可编程控制器主机上的STOP/RUN开关拨到RUN位置，运行指示灯点亮，连接符号表后，开始运行程序，有关的指示灯显示运行结果。 2.2两种液体进行混合控制程序设计
工作装置见下图所示：
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注：H、I、L为液位传感器，液面淹没时为ON；YV1、YV2为进料电磁阀，YV3为排料电磁阀；M为搅拌电动机。
(1) 控制要求:
① 初始状态：容器是空的，三个阀门均关闭（YV1=YV2=YV3=OFF），液位传感器输出触点断开（H=I=L=OFF），电机停止（M=OFF）； ② 启动操作：
a、按一下启动按钮SB1，阀门YV1打开（YV1=ON），液体A流入容器； b、当液面到达I时，I=ON，使阀门YV1关闭（YV1=OFF），阀门YV2打开（YV2=ON），液体B流入容器；
c、当液面到达H时，H=ON，使阀门YV2关闭（YV2=OFF），启动电机M（M=ON）开始搅匀；
d、经过60秒，搅匀后，M停止搅拌（M=OFF），阀门YV3打开（YV3=ON），开始放出混合液体；
e、当液面低于L时，L由ON变为OFF，再过2秒后，使阀门YV3关闭（YV3=OFF），容器放空。工作结束。
③ 停止操作：在工作过程中，按一下停止按钮SB2，系统立即停止工作。 ④ 设计用PLC控制的程序。 (2) 设计指导：
① 该程序为一具体工程应用，应先分析上图及控制要求后，编制输入/输出信号编址表。
② 该程序的关键问题：传感器信号的采集及处理，各项动作过程的连接。 该题目采用两种方法实现：梯形图法和S7- Graph进行编程和仿真法。 2.2.1输入/输出信号定义
在符号编辑器中编辑符号地址前先新建项目，利用新建项目向导建立项目，项目名为液体控制，其中CPU模块型号选择CPU313 C-2DP，选择组织快OB1和
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OB100。然后硬件配置，选择电源模块PS307 5A，置于1号槽。接着定义I/O符号如下表。
2.2.2 梯形图法
A.在OB100中输入以下梯形图程序。
B.在OB1中输入以下程序。
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程序编写完成并检查无误后，将所编程序下载到主机内,并将可编程控制器主机上的STOP/RUN开关拨到RUN位置，运行指示灯点亮，连接符号表后，开始运行程序，有关的指示灯显示运行结果。 2.2.3 S7- Graph进行编程和仿真法
S7- Graph是S7-300/400用于顺序控制程序编程的顺序功能图语言。此题用S7- Graph编写顺序控制程序用到3个块：功能块FB1、功能FC1和组织快OB1。
A.在功能FC1中输入以下梯形图程序。
B.在功能OB1中输入以下梯形图程序。
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C.在功能FB1中输入以下流程图。
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程序编写完成并检查无误后，将所编程序下载到主机内,并将可编程控制器主机上的STOP/RUN开关拨到RUN位置，运行指示灯点亮，连接符号表后，开始运行程序，有关的指示灯显示运行结果。
参考文献
[1]申立琴.西门子PLC大量步进电机的应用研究.中国科学院.2008.2 [2]柏承宇.PLC技术的应用及其发展趋势.西安铁路职业技术学院.2010 [3]廖常初等.《S7-300/400PLC应用技术》.北京：机械工业出版社 2011.12
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