沈阳西门子模块代理商电源供应商

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一、 引言
数控技术是综合应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测等现代科学技术成就而发展起来的，目前在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。 数控系统按其控制方式划分有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。在机械加工时，数控系统的点位控制一般用在孔加工机床上（例如钻孔、铰孔、镗孔的数控机床），其特点是，机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹，在移动过程中不切削工件。 实现数控系统点位控制的通常方法可以有两种：一是采用全功能的数控装置，这种装置功能十分完善，但其价格却很昂贵，而且许多功能对点位控制来说是多余的；二是采用单板机或单片机控制，这种方法除了要进行软件开发外，还要设计硬件电路、接口电路、驱动电路，非凡是要考虑工业现场中的抗干扰问题。 由于可编程控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、性高、体积小、是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点，因此通过实践与深入研究，本文提出了利用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的有关见解与方法，介绍了控制系统研制中需要熟悉与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路，对于工矿企业实现相关机床改造具有较高的应用与参考。

  二、控制系统研制中需要熟悉与解决的若干问题
1、防止步进电机运行时出现失步和误差 步进电机是一种性能良好的数字化执行元件，在数控系统的点位控制中，可利用步进电机作为驱动电机。在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲控制。由PLC直接产生脉冲来控制步进电机可以有效地简化系统的硬件电路，进一步提高性。由于PLC是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作。例如，若控制步进电机的脉冲频率为4000HZ，则脉冲周期为0.25毫秒，这样脉冲周期的数量级就比扫描周期小很多，如采用此频率来控制步进电机。则PLC在还未完成输出刷新任务时就已经发出许多个控制脉冲，但步进电机仍一动不动，出现了严重的失步现象。若控制步进电机的脉冲频率为100HZ，则脉冲周期为10毫秒，与PLC的扫描周期约处于同一数量级，步进电机运行时亦可能会产生较大的误差。因此用PLC驱动步进电机时，为防止步进电机运行时出现失步与误差，步进电机应在低频下运行，脉冲信号频率选为十至几十赫兹左右，这可以利用程序设计加以实现。
2、保证定位精度与提高定位速度之间的矛盾 步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在低频下运行时，其转速必然很低。而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角时或工作台移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起带来了一个问题：定位时间太长。例如若步进电机的工作频率为20HZ，即50ms走一步，取脉冲当量为δ＝0.01mm/步，则1秒钟或工作台移动的距离为20x0.01＝0.2mm，1分钟移动的距离为60x0.2＝12mm，如定位距离为120mm，则定位时间需要10分钟，如此慢的定位速度在实际运行中是难以忍受的。 为了保证定位精度，脉冲当量不能太大，但却影响了定位速度。因此如何既能提高定位速度，同时又能保定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。
3. 可变控制参数的在线修改 PLC应用于点位控制时，用户显然希望当现场条件发生变化时，系统的某些控制参数能作相应的修改，例如步进电机步数的改变，速度的调整等。为满足生产的连续性，要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。尽管使用编程器可以方便快速地改变原设定参数，但编程器一般不能交现场操作人员使用；虽然利用PLC的输入按键并配合软件设计也能实现控制参数的在线修改，但由于PLC没有提供数码显示单元，因此需要为此单设计数码输入显示电路，这又将大地占用PLC的输入点，导致硬件成本增加，而且操作不便，数据输入速度慢。所以，应考虑开发其他简便有效的方法实现PLC的可变控制参数的在线修改。
4. 其他问题 为了实现点位控制过程中数字变化的显示及故障输出代码的显示等要求，另外还得单设计PLC的数码输出显示电路。由于目前PLC I/O点的价格仍较高，因此应着重考虑选用能压缩显示输出点的合适方法。此外，为保证控制系统的与稳定运行，还应解决控制系统的保护问题，如系统的行程保护、故障元件的自动检测等。

  三、控制系统方案
1、将定位过程划分为脉冲当量不同的两个阶段 要获得高的定位速度，同时又要保定位精度，可以把整个定位过程划分为两个阶段：粗定位阶段和精定位阶段。这两个阶段均采用相同频率的脉冲控制步进电机，但采用不同的脉冲当量。粗定位阶段：由于在点位过程中，不切削工件，因此在这一阶段，可采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或1mm/步，甚。例如步进电机控制脉冲频率为20HZ，脉冲当量为0.1mm/步，定位距离为120mm，则走程所需时间为1分钟，这样为速度显然已能满足要求。精定位阶段：当使用较大的脉冲当量使或工作台快速移动至接近定位点时，（即完成粗定位阶段），为了保证定位精度，再换用较小的脉冲当量进入精定位阶段，让或工作台慢慢趋近于定位点，例如取脉冲当量为0.01mm/步。尽管脉冲当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行程的五十分之一左右），因此并不会影响到定位速度。 为了实现上述目的，在机械方面，应采用两套变速机构。在粗定位阶段，由步进电机直接驱动或工作台传动，在精定位阶段，则采用降速传动。这两套变速机构使用哪一套，由电磁离合器控制。
2、应用功能指令实现BCD码拨盘数据输入 目前较为的PLC不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供了丰富的功能指令。如说基本逻辑指令是对继电器控制原理的一种抽象提高的话，那么功能指令就象是对汇编语言的一种抽象提高。BCD码数据拨盘是计算机控制系统中常用到的十进制拨盘数据输入装置。拨盘共有0~9 个位置，每一位置都有相应的数字指示。一个拨盘可代表一位十进制数据，若需输入多位数据，可以用多片BCD码拨盘并联使用。笔者选用BCD码拨盘装置应用于PLC控制的系统，这样再设计数码输入显示电路，有效地节省了PLC的输入点，简化了硬件电路，并利用的功能指令实现数据的存储和传输，因此能方便地实现数据的在线输入或修改（如计数器设定值的修改等），若配合简单的硬件译码电路，就可显示有关参数的动态变化（如电机步数的递减变化等）。为避免在系统运行中拨动拨盘可能给系统造成的波动，设置一输入键，当确认各片拨盘都拨到位后再按该键，这时数据才被PLC读入并处理。
3、“软件编码、硬件解码” 为满足压缩输出点这一前提条件，采用“软件编码、硬件解码”的方法设计PLC的数码输出显示电路。例如，对于9种及其以下的故障状态显示，可采用8-4软件编码，4-8硬件解码，使显示故障的输出点压缩为4个，硬件电路包含74LS04、74LS48、共阴数码管等器件。
4、PLC外部元件故障的自动检测 由于PLC具有高的性，因此PLC控制系统中绝大部分的故障不是来自PLC本身，而是由于外部元件故障引起的，例如常见的按钮或行程开关触点的熔焊及氧化就分别对应着短路故障及开路故障。系统一旦自动检测到元件故障，应不仅具有声光报警功能，而且能立即显示故障代码，以便用户据此判定出故障原因。为节省篇幅，此项内容的程序设计思路见参考文献。

  四、控制系统的软件结构
软件结构根据控制要求而设计，主要划分为五大模块：即步进电机控制模块、定位控制模块、数据拨盘输入及模块、数码输出显示模块、元件故障的自动检测与报警模块。 由于整个软件结构较为庞大，脉冲控制器产生0.1秒的控制脉冲，使移位寄存器移位，提供六拍时序脉冲，通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y430、Y431、Y432按照单双六拍的通电方式控制步进电机。为实现定位控制，采用不同的计数器分别控制粗定位行程和精定位行程，计数器的设定值依据行程而定。例如，设或工作台欲从A点移至C点，已知AC＝200mm，把AC划分为AB与BC两段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量快速移动，利用了6位计数器（C660/C661），而BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量定位，利用了3位计数器C460，在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动接通电磁离合器输出点Y433以实现变速机构的换。

  五、结束语
系统试验表明，本文提出的应用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的方法能满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。所研制的控制系统具有程序设计思路清楚、硬件电路简单实用、性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可应用于工矿企业的相关机床改造。

    此外，对于能使用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，使得可编程控制器发生故障时，能将引起伤害的负载电源切断。交流输出线和直流输出线不要用同一本电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。

如果把金字塔结构与NBS模型或ISO模型比较一下，就会发现，PLC及其网络发展到现在，已经能够实现NBS模型/ISO模型要求的大部分功能，至少可以实现4级以下的功能。 PLC

PLC要提供金字塔功能或者说要实现NBC/ISO模型要求的功能，采用单层子网显然是不行的。因为不同层次实现的功能不同，所承担的任务的性质不同，导致他们对通信的要求也就不一样。在上层所传送的主要是些生产管理信息，通信报文长，每次传输的信息量大，要求的通信的范围也比较广，但对通信实时性的要求却不高。而在底层传送的主要是过程数据及控制命令，报文不长，每次通信量不大，通信距离也比较近，但对实时性及性的要求比较高。中间层对通信的要求正好居于两者之间。 PLC

由于各层对通信的要求相差甚远，如果采用单级子网，只配置一种通信协议，势必顾此失彼，无法满足所有各层通信的要求。只有采用多级通信子网，构成复合型拓扑结构，在不同级别的子网中配置不同的通信协议，才能满足各层对通信的不同要求。

PLC网络的分级与生产金字塔的分层不是一一对应的关系，相邻几层的功能，若对通信要求相近，则可合并，有一级子网去实现。采用多级复合结构不仅使通信具有适应性，而且具有良好的可扩展性，用户可以根据投资情况及生产的发展，从单台PLC到网络，从底层向高层逐步扩展。下面具几个有代表性公司的PLC网络。

一、A-B公司的PLC网络
A-B公司是大的PLC制造商，占据全美市场份额45%。图1表示了A-B公司的PLC网络，采用的是3级总线复合型拓扑结构。底一级为远程I/O系统，负责收集现场信息，驱动执行器，在远程I/O系统中配置周期I/O通信机制。中间一级为高速数据通道DH+（或DH，DHⅡ），负责过程监控，在高速数据通道中配置令牌总线通信协议。一级可选用Ethernet（以太网）或者MAP网，这一级负责生产管理。在Ethernet网中配置以太网协议，在MAP网中配置MAP规约。

 PLC

图1 A-B公司的PLC网络

二、SIEMENS公司的PLC网络

西门子公司是欧洲大的PLC制造商，在大中型PLC市场上，西门子与A-B公司的产品齐全。图2表示了西门子公司的S7系列PLC网络，采用3级总线复合型结构，底一级为远程I/O链路，负责与现场设备通信，在远程I/O链路中配置周期I/O 通信机制。中间一级为Profibus现场总线或主从式多点链路。前者是一种新型现场总线，可承担现场、控制、监控三级的通信，采用令牌方式与主从轮询相结合的存取控制方式；后者是一种主从式总线,采用主从轮询使通信。一层为工业以太网，负责传送生产管理信息。在工业以太网通信协议的下层中配置以802.3为的以太网协议，在上层向用户提供TF接口，实现AP协议与MMS协议。 PLC资料网

图2 SIEMENS公司的S7系列PLC网络

三、MODICON公司的PLC网络

20世纪90年代初德国奔驰集团属下的AEG公司全资收购了MODICON公司，现在称之为AEG-MODICON。MODICON的PLC产品在美国市场上所占份额居二位。图3表示了AEG-MODICON的PLC网络，采用了3级总线复合型的拓扑结构。其一级为Ethernet或MAP网，分别配置Ethernet（DECent）协议及MAP规约，负责传输生产管理信息。下一级为远程I/O链路，采用周期I/O方式通信，负责PLC与现场设备的通信。中间一级为Modbus+或者Modbus网，配置Modbus协议，采用主从方式通信。 PLC资料网

图3 AEG-MODICON公司的PLC网络

四、松下电工公司的PLC网络

日本松下电工公司推出的FP系列PLC是世界PLC市场上的一匹黑马，大有后来居上之势.图4表示了松下电工公司的PLC网络,这是一种4级子网的复合型网络，即可采用总线/总线/总线/总线4级复合，也可采用总线/总线/环/总线4级复合。

松下电工的PLC网络一级为以太网，配置以太网协议，可与商用以太网互联，负责传输生产管理信息。下一级为远程I/O链路，采用周期I/O通信方式与现场设备交换信息。中间两级负责过程监控，无论环形还是总线型，其应用层均采用MEWTOCOL协议。

 PLC

图4 松下电工公司的PLC网络 PLC

五、GE-FANUC公司的PLC网络

近美国的通用电气公司（GE）与日本的数控FANUC公司合并成立了GE-FANUC公司，其PLC产品在美国市场所占份额居三位。GE-FANUC的PLC网络产品是在标准化方面进展快的产品，图5表示了GE-FANUC的PLC网络。 PLC资料网

图5 GE-FANUC公司的PLC网络由图5可见，GE-FANUC的公司PLC网络有两种结构。一种是右侧的4级总线复合型拓扑结构，一种是左侧的2级总线复合型拓扑结构。

GE-FANUC的公司PLC网络一级子网为GEnet MAP宽带局域网，采用全MAP3。0协议，通信速度高达10Mb/s，用于传输生产管理信息。 PLC

Genius网是GE 2级结构的底层子网，他相当于系统90-70可编程控制器的远程I/O链路，负责与现场单元交换数据，采用GE-FANUC协议。

GE 4级复合结构的3级子网为GEnet MMS Ethernet网或者GEnet MAP载带网，前者采用Ethernet协议，后者采用MAP3.0协议。2级为CCM网，采用GE的CCM协议及RTU协议，按主从方式通信，1级子网为SNP望，这是一条多点链路，采用SNP协议，按主从方式工作。

从上述五家有代表性的公司的PLC网络结构分析中可以清楚地看到，PLC网络采用复合型拓扑结构，大多数由3级总线或4级总线复合而成。

通过硬件和软件侦听的方法，分析PLC内部固有的PPI通讯协议，然后上位机采用VB编程，遵循PPI通讯协议，读写PLC数据，实现人机操作任务。这种通讯方法，与一般的自由通讯协议相比，省略了PLC的通讯程序编写，只需编写上位机的通讯程序资源
S7-226的编程口物理层为RS-485结构，SIEMENS提供MicroWin软件，采用的是PPI(Point to Point)协议，可以用来传输、调试PLC程序。在现场应用中，当需要PLC与上位机通讯时，较多的使用自定义协议与上位机通讯。在这种通讯方式中，需要编程者定义自己的自由通讯格式，在PLC中编写代码，利用中断方式控制通讯端口的数据收发。采用这种方式，PLC编程调试较为烦琐，占用PLC的软件中断和代码资源，而且当PLC的通讯口定义为自由通讯口时，PLC的编程软件无法对PLC进行监控，给PLC程序调试带来不便。
SIEMENS S7-200PLC的编程通讯接口，内部固化的通讯协议为PPI协议，如果上位机遵循PPI协议来读写PLC，就可以省略编写PLC的通讯代码。如何获得PPI协议？可以在PLC的编程软件读写PLC数据时，利用三个串口侦听PLC的通讯数据，或者利用软件方法，截取已经打开且正在通讯的端口的数据，然后归纳总结，解析出PPI协议的数据读写报文。这样，上位机遵循PPI协议，就可以便利的读写PLC内部的数据，实现上位机的人机操作功能。
软件设计
系统中测控任务由SIEMENS S7-226PLC完成，PLC采用循环扫描方式工作，当定时时间到时，执行数据采集或PID控制任务，完成现场的信号控制。计算机的软件采用VB编制，利用MSComm控件完成串口数据通讯，通讯遵循的协议为PPI协议。
PPI协议
西门子的PPI（Point to Point）通讯协议采用主从式的通讯方式，一次读写操作的步骤包括：上位机发出读写命令，PLC作出接收正确的响应，上位机接到此响应则发出确认申请命令，PLC则完成正确的读写响应，回应给上位机数据。这样收发两次数据，完成一次数据的读写[5]。
其通讯数据报文格式大致有以下几类：
1、读写申请的数据格式如下：

SD LE LER SD DA SA FC DASP SSAP DU FCS ED
SD:(Start Delimiter)开始定界符(68H)
LE:（Length）报文数据长度
LER:（Repeated Length）重复数据长度
SD: (Start Delimiter)开始定界符(68H)
SA:（Source Address）源地址，指该地址的指针，为地址值乘以8
DA:（Destination Address）目标地址，指该地址的指针，为地址值乘以8
FC:（Function Code）功能码
DSAP:（Destination Service Access Point）目的服务存取点
SSAP:（Source Service Access Point）源服务存取点
DU:（Data Unit）数据单元
FCS:（Frame Check Sequence）校验码
ED:（End Delimiter）结束分界符（16H）
报文数据长度和重复数据长度为自DA至DU的数据长度，校验码为DA至DU数据的和校验，只取其中的末字节值。
在读写PLC的变量数据中，读数据的功能码为 6CH，写数据的功能码为 7CH。
2、PLC接收到读写命令，校验后正确，返回的数据格式为 E5H
3、确认读写命令的数据格式为：

SD SA DA FC FCS ED
其中SD为起始符，为10H
SA为数据源地址
DA为目的地址
FC为功能码，取5CH
FCS为SA+DA+FC的和的末字节
ED为结束符，取16H
PPI协议的软件编制
在采用上位机与PLC通讯时，上位机采用VB编程，计算机采用PPI电缆或普通的485串口卡与PLC的编程口连接，通讯系统采用主从结构，上位机遵循PPI协议格式，发出读写申请，PLC返回相应的数据。程序实现如下：
1、串口初始化程序：
mPort = 1
MSComm1.Settings = "9600,e,8,1"
MSComm1.bbbbbLen = 0
MSComm1.RThreshold = 1
MSComm1.bbbbbMode = combbbbbModeBinary
PPI协议定义串口为以二进制形式收发数据，这样报文的通讯效率比ASCII码高。
2、串口读取数据程序，以读取VB100数据单元为例：
Dim Str_Read(0 To 32) ‘定义发送的数据为字节为元素的数组。
Str_ Read (32) = &H16 ‘相应的数组元素赋值，按照以下格式：
Str_ Read (29) = (100*8) \ 256 ‘地址为指针值，先取高位地址指针
Str_ Read (30) = (100*8) Mod 256 ‘取低位地址指针
Str_ Read (24) = 1 ‘读取的数据长度（Byte的个数）
For I=4 to 30
Temp_FCS = Temp_FCS + Str_Read(i)
Next I
Str_Read(31)= Temp_FCS Mod 256 ‘计算FCS校验码，其它数组元素赋值省略。
68 1B 1B 68 2 0 6C 32 1 0 0 0 0 0 E 0 0 4 1 12 A 10 2 0 1 0 1 84 0 3 20 8B 16
PLC返回数据 E5 后，确认读取命令，发送以下数据：
10 2 0 5C 5E 16
然后上位机VB程序接受到以下数据：
68 16 16 68 0 2 8 32 3 0 0 0 0 0 2 0 5 0 0 4 1 FF 4 0 8 22 78 16
识别目标地址和源地址，确认是这次申请的返回数据，然后经过校验检查，正确后解析出26号数据（&H22）即为VB100字节的数据。
3、串口写入数据程序，以写VB100数据单元为例：
Dim Str_Write(0 To 37) ‘定义发送的数据为字节为元素的数组。
Str_Write (37) = &H16 ‘相应的数组元素赋值，按照以下格式
Str_Write (35) = &H10 ‘要写入的数据值
68 20 20 68 2 0 7C 32 1 0 0 0 0 0 E 0 5 5 1 12 A 10 2 0 1 0 1 84 0 3 20 0 4 0 8 C B9 16
PLC返回数据 E5 后，确认写入命令，发送以下数据：
10 2 0 5C 5E 16
然后上位机VB程序接受到以下数据：
68 12 12 68 0 2 8 32 3 0 0 0 0 0 2 0 1 0 0 5 1 FF 47 16
这是PLC正确接收并写入信息的返回数据。
4、串口接收程序：
在数据接收程序中，利用VB中MSComm控件，一次接收缓冲区中的全部数据，存放到数组形式的暂存单元中，然后分析每个元素的值，得到读写的数据。
Dim RCV_Array() As Byte
Dim Dis_Array As bbbbbb
Dim RCV_Len As Long
RCV_Array = MSComm1.bbbbb ‘取出串口接收缓冲器的数据。
RCV_Len = UBound(RCV_Array)
ReDim Temp(0 To UBound(RCV_Array))
For i = 0 To RCV_Len
Dis_Array = Dis_Array & Hex(RCV_Array (i)) & " "
Next i
Text1.Text = Dis_Array ‘接收到的数据送显示。
在程序的读写过程中，一次大可以读写222个字节，目前给出的数据读写为整数格式。

数据类型 Str_ Read（27）
S 04H
SM 05H
I 81H
Q 82H
M 83H
V 84H
以上程序，是以读写PLC的V变量区为例，利用PPI协议还可以读写S7-200PLC中的各种类型数据，包括I、Q、SM、M、V、T、C、S等数据类型，能够直接读出以上变量中的位、字节、字、双字等，其中读位变量时，是读取该位所在的字节值，然后上位机自动识别出该位的值。按照读写的数据类型，其中Str_ Read（27）的值各不同：
在控制系统中，PLC与上位计算机的通讯，采用了PPI通讯协议，上位机每0.5秒循环读写一次PLC。PLC编程时，将要读取的值、输出值等数据，存放在PLC的一个连续的变量区中，当上位机读取PLC的数据时，就可以一次读出这组连续的数据，减少数据的分次频繁读取。当修改设定值等数据时，进行写数据的通讯操作。