6ES7314-6BH04-0AB0库存

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  控制系统构成

很自然地想到S7-200PLC应该能够实现项目要求的控制功能。

S7-200CPU本体已含有高速脉冲输出功能，普通型号的CPU脉冲输出频率达20KHz，而224XP（CN）是高达100kHz，可以用来驱动步进电机或伺服电机，再由电机直接驱动卷绕主轴旋转，完成工艺所要求的动作。

步进电机在成本上具有优势，但是步进电机的运转平稳性不如伺服电机，而两者的定位精度（圈数）的控制，在本工艺里都可以达到要求。我们考虑先试用步进电机的方案。

步进电机的驱动，实际上是由相应的步进电机驱动器负责的，所以步进电机的相数齿数等等问题由相应的驱动器解决，选择步进电机要考虑的主要是体积、转矩、转速等，不是本文的；

PLC向驱动器送的仅为代表速度与位置的脉冲，这里要考虑的是步进电机在规定的转速下是否足够平稳，是否适合作为薄膜卷绕的动力。

我们作了一个模型机进行试验，采用细分型的驱动器，在50齿的电机上达到10000步/转，经17：25齿的同步带减速传动（同时电机的振动也可衰减），运转很平稳，粗步确定可以达到工艺要求。于是正式试制一台，也获得成功，性能达到工艺要求，目前已经按此方案批量进行改造。

CPU选择224XPCN DC/DC/DC，系统构成如下：

224XP*1、步进电机*2、细分型驱动器*2、TD200*1、LED显示屏*1、编码器*1。

2.1         PTO0（Q0.0）输出一路高速脉冲，负责驱动卷绕主轴的旋转；

2.2         PTO1（Q0.1）输出一路高速脉冲，负责驱动主轴的水平直线移动；

2.3         一个正交增量型编码器装在主轴上，作为卷绕圈数的反馈；

2.4         TD200作为人机界面，用于设定参数

2.5         一个LED显示屏用于显示实时的卷绕圈数。在实际生产中，工人需要时时参考卷绕的进度，LED显示比LCD醒目，所以这里放置了一个自制的LED显示屏。LED屏和PLC的连接方式，可参考本人在2003年的论文集中的文章。

3           控制系统完成的功能

3.1         控制系统要实现的功能，是卷绕的平稳起动、加速、减速、平稳停止。在新版的S7-200中，支持高速输出口PTO0/PTO1的线性加/减速，通过MicroWin的向导程序，非常实现。实际上，以目前的情况，线性加减速只能使用向导生成的程序，Siemens没有公开立可使用的指令。

3.2         使用位置控制向导生成以下四个子程序（CPU内的PTO，不包括模块的情况），以PTO0为例：

3.2.1          PTO0_CTRL：每周期调用一次，可以控制PTO0的行为；

3.2.2          PTO0_MAN：可以控制PTO0以某一频率输出脉冲，并且可以通过程序随时中止（减速或立即中止）；

3.2.3          PTO0_RUN：运行(在向导中生的)包络，以预定的速度输出确定个数的脉冲，也可以通过程序随时时中止（减速或立即中止）。

3.2.4          PTO0_LDPOS：装载位置用，本例使用相对位置，所以不必装载。

本例的工艺要求，输出脉冲数可变（圈数可设定），又要在工艺允许的情况下尽可能地按的速度运行，也要随时能够减速停止，包括人工手动的停车要求。直接使用PTO0_MAN和PTO0_RUN都无法直接满足要求，以下来研究配合辅助手段如何实现。

3.3         的位置（圈数）控制

3.3.1      PTO0_RUN + 中断

卷绕定位与圈数控制，达到0.1圈以内的精度即可，以10000步/转的细分驱动器，0.1圈相当于1000脉冲。

使PTO正以100kHz速度输出脉冲，以1ms的时间响应中断，脉冲的误差约为100个，所以从理论上说，中断方式把脉冲误差控制在1000个以下可以。

如何实现？我们来看下面一个PTO0_MAN指令执行的示意图：

有恒速阶段

无恒速阶段

当PTO0_MAN指令RUN=1允许脉冲输出时，脉冲序列从速（起始速度，本例设为100p/s，很小，可以认为0）线性加速，加到速度speed后保持匀速，当收到减速停止RUN=0命令时，线性减速，至速后停止。

所以，我们只要在脉冲输出前计算出停止指令执行的位置，并在此位置设置中断以便执行减速停止指令，就可保输出的序列脉冲个数在要求的误差范围内。

计算过程：

本例加速和减速的斜率是相同的，比较简单，如果两个斜率不同，计算稍麻烦一点，原理差不多。

3.3.1.1     用向导生成一个速单速包络，从生成的PTO0_DATA中找出加速和减速脉冲数（可以参考3.3.2节的描述），如果加减速斜率相同，这两个数应该是一样的，由于计算精度的关系，差几个脉冲也属正常。这个数据在程序中可以作为常数使用。

3.3.1.2     如果目标脉冲数大于加速和减速脉冲数之和，表示脉冲输出可以加速到速，有恒速阶段，那么中断位置=目标脉冲数-减速脉冲数；

3.3.1.3     如果目标脉冲数不大于加速和减速脉冲数之和，无恒速阶段，包络变成一个等腰三角形（两边斜率相同的情况），那么中断位置=目标脉冲数/2。

3.3.1.4     进一步，水平恒速的速度可变，就象本案的情况，卷绕速度是可设定的，而且这个速度受机械/电机限速、薄膜线速的限制，取三者中的小值，然后才能确定加速到该速度所需的脉冲数，通过简单的数学计算即可获得。

3.3.2      PTO0_RUN + 修改包络参数

用向导生成一个单一速度包络，我们来研究自动生成的包络数据结构：

PTO0_DATA

//－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

//输出 Q0.0 的 PTO 包络表

//－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

VB1000 'PTOA'                      //

VW1004 54                          //FREQ

VD1006 10240000                    //SS_SPEED

VD1010 204800000                   //MAX_SPEED

VD1014 16#02000E69                 //K_ACC

VD1018 16#82FFF197                 //K_DEC

VB1022 1                           //NUMPROF

VW1023 25                          //OFFS_0

VB1025 4                           //包络 0 的 NUM_SEGS

VB1026 0                           //保留。

VB1027 0                           //段 0 的 S_STEP

VB1028 16#08                       //S_PROP

VD1029 +10240000                   //SFREQ

VD1033 49950                       //加速的脉冲数

VB1037 0                           //段 1 的 S_STEP

VB1038 16#04                       //S_PROP

VD1039 +199707040                  //SFREQ

VD1043 98                          //恒速的脉冲数

VB1047 0                           //段 2 的 S_STEP

VB1048 16#00                       //S_PROP

VD1049 -1                          //SFREQ

VD1053 49951                       //减速的脉冲数

VB1057 0                           //段 3 的 S_STEP

VB1058 16#10                       //S_PROP

VD1059 +10240000                   //SFREQ

VD1063 1                           //终减速的脉冲数

VB1067 0                           //保留。

VB1068 0                           //保留。

VB1069 0                           //保留。

可以看出，一个简单的包络分为4段（VB1025）：

段0：加速段，加速脉冲数在VD1033

段1：恒速段，恒速脉冲数在VD1043

段2：减速段，减速脉冲数在VD1063

段3：终减速脉冲数，VD1063。依我的经验看，这个终减速脉冲数始终为1。

在向导中，只能生成有限的包络，如果目标脉冲数任意的，我们只好修改包络里面的数据了。加速段和减速段的脉冲数不方便改，因为线性加减速的指令并不清楚，所以只好修改恒速段的脉冲数。实践明，修改恒速段的脉冲数，可以非常且准确地控制输出脉冲数。的限制是，总的脉冲数，大于加减速段+终减速段脉冲数之和，也即恒速段的脉冲不能小于1。

使用步骤：

3.3.2.1     在启动PTO0_RUN之前，计算出恒速段的脉冲数=目标脉数数-加减速脉冲数之和-1，填入包络表中的恒速位置；

3.3.2.2     启动PTO0_RUN。

3.4         在本项目的设备改造中，主轴卷绕的圈数、中间起停点的变化范围大，使用“PTO0_RUN + 中断”，安排在Q0.0输出；

中断是由高速计数器触发的，所以在Q0.0的向导中使能HC0为作脉冲输出内部反馈，在启动PTO0前使能12#中断“HSC0 CV=PV”，中断程序样例如下：

LD     SM0.0

R      M20.4, 1

CALL   PTO0_MAN, M20.4, PTO0_V, VB290, VD292

DTCH   12

主轴的水平直线运动，行程比较固定，调节范围小，使用“PTO1_RUN + 修改包络参数”，安排在Q0.1。

4           项目运行

台设备改造完成于2005年12月，至目前已有6台投入运行，效果达到预期的目标，保证了产品质量的一致性，生产效率也有提高，工人劳动强度明显降低。

             控制箱实物

5           体会

S7-200是一款是非常的微型控制器，许多功能进行深入研究之后可以做到灵活应用，拓宽其在小型控制领域的应用范围，同时保持较低的应用成本。

S7-200非常象一台带控制IO功能的级微型计算机，使用STL编程，不受继电器逻辑那一套框框的约束，可以象一种计算机语言一样自由地编程。

1　步进电机、脉冲与方向信号

步进电机作为一种常用的电气执行元件, 广泛

应用于自动化控制领域。步进电机的运转需要配备

一个专门的驱动电源, 驱动电源的输出受外部的脉

冲信号和方向信号控制。每一个脉冲信号可使步进

电机旋转一个固定的角度, 这个角度称为步距角。脉

冲的数量决定了旋转的总角度, 脉冲的频率决定了

旋转的速度。方向信号决定了旋转的方向。就一个

传动速比确定的具体设备而言, 距离、速度信号

反馈环, 只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备

移动部件的移动距离和速度; 而方向信号可控制移

动的方向。因此, 对于那些控制精度要求不是很高的

应用场合, 用开环方式控制是一种较为简单而又经

济的电气控制技术方案。

另外, 步进电机的细分运转方式非常实用, 尽管

其步距角受到机械制造的限制, 不能制作得很小, 但

可以通过电气控制的方式使步进电机的运转由原来

的每个整步分成m 个小步来完成, 以提高设备运行

的精度和平稳性。

控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数

控系统, 但对于一些在运行过程中移动距离和速度

均确定的具体设备, 采用PLC (可编程控制器) 是一

种理想的技术方案。

2　控制方案

在操作面板上设定移动距离、速度和方向, 通过

PLC 的运算产生脉冲、方向信号, 控制步进电机的

驱动电源, 达到对距离、速度、方向控制的目的,

1。操作面板上的位置旋钮控制移动的距离, 速度旋

钮控制移动的速度, 方向按钮控制移动的方向, 启ˆ

停按钮控制电机的启动与停止。

在实际系统中, 位置与速度往往需要分成几挡,

故位置、速度旋钮可选用波段开关, 通过对波段开关

的不同跳线进行编码, 可减少操作面板与PLC 的连

线数量, 同时也减少了PLC 的输入点数, 节省了成

本。一个n 波段开关的多挡位可达到2n。

在对PLC 选型前, 应根据下式计算系统的脉冲

当量、脉冲频率上限和大脉冲数量。

脉冲当量= 步进电机步距角×螺距

360×传动速比

脉冲频率上限= 移动速度×步进电机细分数

脉冲当量

大脉冲数量= 移动距离×步进电机细分数

脉冲当量

根据脉冲频率可以确定PLC 高速脉冲输出时

需要的频率, 根据脉冲数量可以确定PLC 的位宽。

同时, 考虑到系统响应的及时性、性和使用寿

命, PLC 应选择晶体管输出型。

步进电机细分数的选择以避开电机的共振频率

为原则, 一般可选择2、5、10、25 细分。

编制PLC 控制程序时应将传动系统的脉冲当

量、反向间隙、步进电机的细分数定义为参数变量,

以便现场调整。

3　应用实例

1 3

笔者应用PLC 脉冲控制步进电机的技术, 对生

产上引法无氧铜管的设备进行了电气控制。

上引法无氧铜管的生产过程是: 将电解铜加入

工频感应炉, 使其熔化成铜液, 在铜液中浸入1 个通

有冷却水的结晶器, 流入结晶器的铜液经过0. 5～ 3

s 后, 便结晶成了固态铜管。然后, 一边由引棒将固

态铜管从结晶器中导出, 一边重复上述结晶过程, 慢

慢地将固态铜管牵引至摩擦压轮, 以后根据工艺间

隔时间由步进电机带动摩擦压轮, 将固态铜管源源

不断地从结晶器中牵引出来。牵引出来的铜管依次

进入校直、轧管、盘管、冷拉等工序, 生产出不同规格

的自来水管或空调、冰箱的热交换器用铜管。

设备应满足如下的生产工艺要求:

引管距离6 挡ˆ(mm ·次- 1) : 2、2. 5、3、3. 5、4、

5;

引管速度7 挡ˆ(mm ·m in- 1 ) : 115、130、140、

150、160、170、180;

牵引与结晶时间比: 1∶1;

引管方式: 间歇式;

牵引方向: 不变;

设备运行: 连续。

可见, 距离开关为6 挡, 速度开关为7 挡, 组合

后共有42 种牵引方式。根据计算, 距离、速度信号各

需3 个输入点就能达到设定的挡数要求, 启ˆ停按钮

需1 个输入点。根据工艺要求, 牵引方向不变, 故操

作面板上不设置方向按钮, 步进电机的旋转方向不

通过PLC 来控制, 而是采用直接跳线来完成设置。

脉冲信号需1 个输出点, 信号灯需2 个输出点。步进

电机采用25 细分工作模式, 以避开电机的共振频率

区。PLC 选用了具有8 个数字量输入点、6 个数字量

输出点的S IEM EN S 公司生产的S IMA T IC S7-

200 CPU 222。另外, 在控制程序中用多段管线操作

设计了电机的升降过程, 以满足大负载启动的要求。

电气控制原理见图2。

图2　电气控制原理

制作时, 将面板上的距离、速度波段开关按

图2 进行跳线, 完成二进制编码, 这样节省了7 个

PLC 输入点, 简化了连接, 提高了系统性, 同时

也降低了设备的制造成本; 然后将各波段开关、按钮

的输出与PLC 相连。设备运行时, PLC 根据操作面

板上各开关的设定位置, 由控制程序产生某一频率

和数量的高速脉冲, 并将其输出至PCB, 由PCB 完

成电平转换。转换后的电平信号送至步进电机驱动

器, 拖动步进电机按设定的速度旋转相应的角度,

终达到控制距离和速度的目的。

4　结论

该设备经3 个多月的运行考核, 证明将PLC 脉

冲控制步进电机技术应用于中、小功率牵引设备中,

具有控制简单、稳定、等特点, 是一种切实可

行的电气控制方案。