西门子模块6ES7331-7HF01-0AB0功能参数

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1  引言

      随着纺机装备技术进步，步进与伺服电机运动控制系统的应用越来越广泛，其功能多样性和产品性日臻完善，正在逐步取代原来的普通电机。而且随着可编程控制器技术的日益成熟，将二者完整地结合起来，完成对各种复杂运动的自动控制，实行机电一体化，正在成为一种趋势。步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比, 其速度与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率） 成正比, 其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序, 便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能, 其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成, 且可获得较高的控制精度, 因而得到了广泛的应用。

2  步进电机脉冲分配器

      在可编程控制器plc的应用中，步进电机是常见的被控制对象。步进电机是一种数字控制元件，直接接收脉冲信号，它旋转的角度和转速分别与输入的脉冲数和频率成正比，因此只要控制输入到其线圈绕组中的脉冲数和脉冲频率就可控制步进电机的转动角度和转速，但是输入的脉冲还需要经过脉冲分配器分配给步进电机的各个绕组。用plc控制步进电机，脉冲分配器的设计是一个很重要和非常灵活的问题，它可以用硬件组成，也可以用软件组成，本文以松下fp0- c16t plc为例，讨论几种实现步进电机脉冲分配器的方法。

 图1  控制原理接线图

      用硬件实现步进电机脉冲分配器控制原理接线图如图1所示。由于脉冲分配器是由硬件实现， fp0-c16t只需提供一串脉冲，而fp0系列的plc具有脉冲输出功能和高速计数器（hsc）功能，因此利用此功能进行控制步进电机非常方便。

图2  控制梯形图

      fp0系列各型号的plc的输出端y0或y1都具有脉冲输出功能，其输出脉冲的大频率为10khz。具体输出脉冲频率可以用软件编程，y0 或y1输出的脉冲经脉冲分配器把脉冲分配给步进电机的各相绕组，同时y0或y1接至pulse的输入接点；当达到定值时发生中断，使y0或y1的脉冲频率切换至下一参数。y2或y3是方向控制信号。vcc值为5v时，r短路；vcc值为12v时，r＝1kq（≥1/8w） ；vcc值为24v 时，r=2kq（≥1/8w）。图2是实现这一控制的梯形图。dt100～dt106是存放输出脉冲频率和个数的通用寄存器，梯形图中所给参数是输出脉冲初始频率为500hz，频率为5000hz，脉冲个数为10000。

3  软件步进电机脉冲分配器设计

3.1 电原理设计

图3  硬件接线图 

     图3是用软件实现步进电机脉冲分配器plc与步进电机的硬件接线图。步进电机以常见的三相六拍通电方式工作。k0、k1、k2分别是正转、反转及停止控制开关，分别接在plc的输入继电器x0、xl和x2上;plc的输出继电器y0、y1和y2分别接步进电机的三相绕组a、b、c。软件实现脉冲分配的方法很多，这里讨论三种实现方案。

3.2 软件实现方案之一

图4  软件方案1梯形图

       梯形图如图4所示。步进电机是以相六拍通电方式工作，即三相绕组的通电顺序是：正转：a－ab－b－bc－c－ca  反转：a－ac－c－cb－b－ba 该方案中，时钟可以用plc中的定时器设计一个时钟发生器，也可以使用plc中的内部0.01s、0.02s、 0.1s、0.2s、1s、2s时钟，它们分别由plc中的特殊内部继电器r9018、r9019、r901a、r901b、r901c、r901d产生，为了方便、在此使用plc中的特殊内部继电器r901a 0.1s脉冲继电器作为控制时钟。继电器r0和r1分别在正反转接通；16位移位寄存器（继电器）wr1产生正反转的六个节拍，用移位寄存器的各触点r10～r15与r0、r1进行组合,使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。

3.3 软件实现方案之二

图5  软件方案2梯形图

      梯形图如图5所示。该方案中，开关x0、x1作为正反转启动控制，k2作为停止。时钟仍然使用plc中的特殊内部继电器901a 0.1s脉冲继电器作为控制时钟。使用一个16位移位寄存器（继电器）wr1，产生正反转所需的六个节拍，用位移位寄存器（继电器）的触点r10-15和正反转控制继电器r0-r1的触点进行组合，并利用plc中的指令．把所需的控制字（见附表）直接输出到plc的输出端，使输出继电器y0、y1、y2 按上述正反转的顺序通电。

3.4 软件实现方之三

图6  软件方案3梯形图

      梯形图如图6所示。控制开关的作用和时钟仍然如方案二所述。在该方案中，利用r9013运行初期0n脉冲继电器，开机时把输出控制字送到 plc的通用数据寄存器dt0～dt7中,根据正反转控制要求把plc中的检索寄存器ix（置初值（正转置0或反转置5）作为输出控制字的初始指针；利用 [f0 mv ,ixdt0, wy0]指令，把所需的控制字直接输出到plc的输出端，之后修改ix的值，使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。r900b是比较相等标志。

4  应用案例

图7  国产梳棉机电气系统框图

      基于硬件实现方案设计了一套步进电机控制系统，成功用于国产梳棉机的电控系统的改造上。其电控系统原理框图如图7所示。该电气控制系统通过 plc控制步进电机解决了国产梳棉机继电器控制系统复杂，性不高，控制精度不够，故障点多，布线繁杂等难点，可以按梳棉机的工艺要求方便地控制梳棉机，还可以根据所纺纤维种类和对产品质量要求确定梳棉机的电气参数，包括锡林和道夫的启动时间以及它们的转速等。另外，该系统具有性能，控制精度高、操作简单、运行平稳、无噪音等优点，提高了梳棉机的机电一体化程度，能满足用户的使用要求。

5  结束语 

      利用可编程控制器可方便地实现对电机的速度和位置进行控制，能够地实现步进电机的操作，完成各种复杂的动作。基于plc控制步进电机的控制系统方案在国产梳理机上的应用，提高了梳棉机的机电一体化水平，为重要的是为提高棉纺全流程运行的稳定性、性奠定了基础，保证了全流程连续、同步、平稳运行，使输出毛条长片段、起长片段、甚至短片段的均匀度都能稳定在一定范围内，从而保证了成纱质量的稳定性。基于plc控制步进电机的控制系统在国产梳理机上的成功证明，该机所采用的控制系统，可以应用于其它国产传统纺织设备的改造当中，对国内纺织厂进行国产设备改造升级具有很好的参考。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。其重要特点是只有周期性的误差而无累积误差。步进电机的运行要有步进电机驱动器这一电子装置进行驱动，这种装置就是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说： 

控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。因此，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机定位。 

在我们所设计的数控分度头中，就是利用这性关系，用plc进行电气控制、编写分度算法程序，控制脉冲信号的频率和脉冲数，步进电机驱动蜗轮蜗杆对执行工件进行分度，并可实现调整、手动分度、自动分度等多种电气控制。 

电气控制方案为plc＋步进电机及可细分驱动器+数显尺。plc选用dvp20eh00t，ac220v供电20点200hz晶体管输出类型；根据分度精度要求考虑，选用可细分驱动器及步进电机，考虑分度时对工件的扭矩m=fr=fnr，计算出大扭矩为27nm。按矩频特性选取步进电机。 

该数控分度头在径向安装数显尺来控制径向分度尺寸；由plc控制步进电机轴向分度。操作人员启动电源，输入分度数后，调整/分度开关置于分度位置即可实现手动或自动分度。在自动分度中可实现分度机构的松开、上升、分度、下降、卡紧再松开的顺序控制。 

分度算法： 

设总孔数为d2，总脉冲数d0，分度脉冲可计算为：d0/d2=d4+d5（余数）。若d5=0时，步进电机每转动一次，电机转角控制脉冲均为d4。若d5≠0时，将d5与孔数的一半（d2/2=d8）进行比较，若小于孔数的一半，步进电机先按d4个脉冲分度，步进电机每转过一个分度角，余数d5累积一次，当累积数大于d8时，步进电机则按d4+1个脉冲分度一次，此时累积数减去d4+1脉冲的余数即d2-d5，然后再按d4个脉冲分度，依次类推直至分度完毕；若余数大于孔数的一半，步进电机先按d4+1个脉冲分度，余数按d2-d5累积，当累积数大于d8时，步进电机则按d4个脉冲分度一次，此时累积数减去d4脉冲的余数d5，然后再按d4+1个脉冲分度，依次类推直至分度完毕。这样的分度算法，使孔与孔之间的分度误差始终小于一个脉冲当量，可以实现在3600转角误差为0的分度精度要求。

 1 引言

某进口设备大面积的严重损坏。经过修理，换了一大批电子元件，才勉强恢复原有的技术指标。但其工作已不是很。由于该设备已停产，并且没有相关的代替设备.为配合生产需要，我们投入了对该设备的研制。原设备由晶体管电路构成，考虑到研制周期及性等因素。我们决定采用plc(fx2n-32t) 和触摸屏(mt506s)控制技术重新进行设计。

2 功能概述

该设备实质上就是一台的测控步进电机装置的设备。步进电机装置由步进电机及其相关电路组成。该设备功能包括:距离(工作步数)设定、启动、位置显示及清零，(自动、手动)连续或单次运行，(自动、手动)回原点，步进电机欠电流检测报警，原点到位显示等。

3 装置原理介绍

3.1 系统工作原理

系统工作原理如图1所示。图中触摸屏作为人机界面,用来显示并进行操作;plc作为控制器,接收触摸屏的设定数据并进行逻辑处理,再控制步进电机。步进电 机装置是受控对象，不能进行修改。它包括多种电源形式:步进电机工作在-24v三相双三拍直流矩形波的供电方式，还包括+12v、-12v、+5v等电压 和性不同的信号。为了使多种信号的检测和驱动、步进电机装置相匹配，增加了信号的转换电路。

图1 系统工作原理框图

3.2 转换电路原理

信号转换电路的部分电路，如图2，3所示。

图2中,当5v或0v信号到达电阻r1后，通过光电耦合器使plc输入1信号接通，此时电机回原点运行的过程中开始计数,记录运行步数。当+12v信号到 达“±12v信号”后, 点亮发光管d6，然后通过光电耦合器u1-3使plc输入3接通，指示到达原点，电机停止运行;当-12v信号到达“±12v信号”后,通过光电耦合 器u1-2使plc输入2接通，出设定限。当-12v信号到达“-12v信号2”通过光电耦合器u1-3使plc输入接通，指示到达原点，电机停止运 行。

图2 信号转换电路

图3 步进电机驱动电路

3.3 电流检测原理

在步进电机驱动器中，内置了电流检测电路。电机发生断电或欠电流运行时，发出报警信号，使系统停止运行。检测原理是利用三相双三拍步进电机的工作特性，在任意时刻均有两相得电。只要检测任意时刻流过公共地线的电流大于相应额定电流的2/3即可认为工作正常，如小于相应额定电流的2/3，则认为欠电流运行。 电路原理和时序图，如图3，4所示。

图3中，r是电流检测电阻，c用于竞争。在图4中in表示三相双三拍电机流过公共点电流检测电阻的额定工作电流;in表示检测电流的门 限，in=2/3in;i表示电机的实际工作电流。alm表示欠电流报警。系统运行后，当i≥in时，alm报警，直到故障排除，系统复位后报警解除。图 4中的细实线表示alm未报警时的时序图。

图4 电流波形图

3.4 触摸屏的软件设计

(1) 页:打开电源开关后，提示输入登录密码。正确输入密码后，自动进入页。设备进入准备状态。

(2) 输入窗口:输入窗口主要用于设定并进行操作。包括键盘和主要操作控件，操作者可以直接对设备进行操作。

(3) 配方数据窗口:对于经常用到的操作数据，可以按照提供的格式存放到配方卡记忆体里面,当需要时把它调出来，而不需要临时输入数据，可以大大地提高操作效 率。

(4) 控制窗口:控制窗口主要用于对设备的基本功能的操作和显示。包括一个隐藏的小键盘窗口，可以在需要设定数据时弹出。

(5) 元件检查窗口:用于对plc内部关键元件的监测，以便出错时查找故障。

(6) 梯形图检查窗口:用于对plc梯形图的实时监控(由于mt506s不具备直接显示plc内部梯形图的功能，故采用了单制作显示plc各元件的方法组合成 关键部分梯形图)。

3.5 plc的软件设计

plc程序流程图如图5所示。

系统初始化后,完成了距离设定,选择运行方式后.再看系统是否有故障或是否到达原点。当准备妥后，分别执行自动或手动操作。在按设定距离执行自动往返运行的过程中，当中间执行断开操作后，系统保持运行方向，运行到设定距离，保持显示，然后停止运行;当执行复位操作后，系统运行显示归零(计数清 零)，然后停止运行。在执行手动运行中，当到达设定距离后，系统保持显示，并停止运行;当运行中执行断开操作，方向不变，到达设定距离后，系统保持显示并 停止运行;当执行复位操作，则运行显示归零(计数清零)，然后停止运行。

图5 plc程序流程框图

4 结束语

控制器采用触摸屏和plc来实现,缩短了开发周期，提高了运行的性，尤其适合此类要求工程，性高，批量小的设备开发。另外，软件的灵活性还 有利于设备的改造和升级。