南京西门子一级代理商变频器供应商

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  立足现有电话网络,通过Modem拨号上网实现PLC与PC间的远程通信,可以满足监控系统的要求,使远程监控能够通过PLC读取自动化设备的实时运行信息,并向PLC传送控制指令。PLC在远程监控系统中的应用越来越广泛,同时远程监控功能的实现也进一步拓展了PLC的功能和用途。

0 引言

南昌钢铁集团公司利用已有的电话网将转炉和棒材分厂的下位机(PLC)采集的数据实时地送给几公里外信息的上位控制机(PC) ,建成PC对现场PLC的远程监控系统。该系统采用模拟载波传输方式,借助公共电话网(PSTN) ,以异步Modem拨号方式进行数据通信。将PLC送来的数字信号调制成模拟信号在电话线中传输,在接收端将模拟信号还原成数字信号。

1 系统设计

1.1 硬件连接

基本远程通信系统的硬件构成为: 1 台计算机作为上位机, 1台PLC (以西门子S7-200为例)作为下位机, 2 台调制解调器, 1 根PC /PP I电缆用于连接PLC和调制解调器。采用西门子S7-200 PLC开发工具初始化本地和远端调制解调器,把PC /PP I编程电缆的RS-232口接到调制解调器上, RS-485 口接到PLC上,并设置PC /PPI编程电缆的工作模式:设置率为9.6 kb/s,选择DTE和10位模式。

系统实现实时监控功能,分为上、下位机两部分。下位机PLC主要负责数据的采集和上传,运用STEP7-Micro/WIN进行编程;上位机负责对上传数据的处理、显示并作相应记录,可用VB6.0语言进行开发。

1.2 通信方式

S7-200 PLC为用户提供了3种通信方式:

(1) 通过PLC开发商提供的系统协议和网络适配器构成特定的公司内部网络。其特点是网络协议不公开,使用该厂商配套提供的支持相应协议的外设和上位机组态软件(如西门子公司PPI协议下的令牌环网等) 。

(2) 通过开发的工业现场总线,利用PLC内部集成端口或扩展通信模块,构成基于现场总线的集散控制网络。

(3) 通过标准的RS-485串行通信网络和自定义或自主选择的通信协议构成PLC及工控机的分布式网络。

南昌钢铁公司采用现场PLC的通信口在自由口方式下工作,使PLC在程序员自行设计的通信协议下工作。

2 上位计算机远程通信功能的实现

2.1 Modem拨号上网

直接对串口编程是一件复杂的工作,在bbbbbbs操作系统下,利用VB 6.0 提供的MSComm通信控件可以方便地访问串口。

MSComm控件同时支持事件驱动及查询方法。事件驱动通信特别适合bbbbbbs程序的编写,是处理串互作用的一种非常有效的方法。使用MSComm控件的OnComm事件捕获并处理通信错误。无论何时,当CommEvent属性的值变化时,都产生OnComm事件。2.2 通信流程设计

通信流程的设计是该监控系统关键与复杂的部分。上位机的通信管理程序工作过程如下:

(1) 拨号后,进行拨号阶段的通信流程管理,此时MSComm的bbbbbMode属性设置为文本,系统默认接收到的数据为字符串。

(2) 当系统接收到“Connect”字符串时,表示本地Modem与远端Modem间已经建立了物理连接。此时,将bbbbbMode属性设置为二进制。此后,系统将进行检测数据的传输。

(3) 当上位机发出“Send”命令字时,下位机开始上传数据;而当上位机发出“Stop”命令字时,下位机停止上传数据。

3 PLC通信程序

PLC通信程序遵循Modbus协议,采用模块化子程序结构,即整体功能由多个功能相对立的子功能组合实现,每个子功能由若干个任务单一的子程序构成。

(1) 通信总调度模块。通信总调度模块的作用是将PLC通信部分的功能归并为一个调用单元,作为一个功能模块提供给PLC主程序。PLC在每次扫描中执行该模块,完成通信方面的处理工作。

模块设置一个通信时标志,当请求帧尚未接收完毕,而续字节过20 ms仍未到达,则断定通信出错。出错则丢弃本帧,调用通信初始化模块对工作区复位,并准备下一次通信。

(2) 通信初始化模块。PLC的通信以“接受请求帧-返回响应帧”的过程作为一个通信循环,每次循环之间均通过初始化模块对通信工作区中的各中间变量和标志进行复位操作,并将同步字、接收数据指针和发送数据长度的设置放在开机初始化中,在个扫描周期时执行。

(3) 通信寄存器刷新模块。通信寄存器是上位机程序与PLC进行数据交换的桥梁。PLC把I/O点状态存入相应通信寄存器作为发送数据前的准备。在PLC中,对于上传的状态数据实时进行对应寄存器的刷新,以随时准备将数据提供给上位机。

4 结束语

立足现有电话网络,通过Modem拨号上网实现PLC与PC间的远程通信,可以满足监控系统的要求,使远程监控能够通过PLC读取自动化设备的实时运行信息,并向PLC传送控制指令。PLC在远程监控系统中的应用越来越广泛,同时远程监控功能的实现也进一步拓展了PLC的功能和用途。

 摘要：地那米在采用了PLC控制后，可以较方便地实现计算机化操作或管理。由于地那米构成的特殊性，并工作在高频高压下，这对其控制电路提出了严格的诸如抗打火方面的要求，采用光电隔离能有效地满足其要求，简化控制电路设计，安装、调试或维修均较为方便。在普通光电耦合器件的基础上，增加适当的保护措施，可提高系统运行的性，同时实现开关量和模拟量的隔离传输。 

上海原子核所制造加工的地那米已有七、八台，已广泛用于工业生产之中，并创造了大的经济效益。在山东鲁能集团之前安装的地那米均为手动操作，继电器逻辑控制方式;为了好地发挥地那米的效能，提高地那米的性价比，增强运行性和故障诊断的识别率，我们采用可编程逻辑控制器(PLC)对地那米的控制进行了改造，在山东曲阜电力电缆厂的地那米上实施了现场调试，各项指标达到了设计要求。

PLC控制简述

PLC(Programmable Logic Controller)是将微机技术与继电器常规控制方式相融合，以微处理器为，专为工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子学系统。经过30多年的发展，其产品不断新换代，性能逐渐提高，控制领域进一步扩大;低档PLC正向小型、简易、方向发展，以便广泛地代替继电器控制，中、型PLC则向大型、高速、多功能方向发展，使之能取代工业控制领域中微机的相关功能，能自动控制大规模、复杂的综合系统。

PLC的工作过程一般可分为输入采样，程序执行和输出刷新三个主要阶段。PLC通电后行自检，确定自身的完整性和I/O连接的正确与否，清零或复位，然后循环扫描用户程序。PLC按顺序采样所有输入信号并读入到输入映像寄存器中存储，各输入信号的状态在本次扫描周期内不会被改变，在PLC执行程序时被使用，通过对当前输入输出映像寄存器中的数据进行运算﹑处理，再将其写入输出映像寄存器中保存，但并不被立即执行，只有在执行完用户所有程序后，PLC刷新输出锁存器时方被用作驱动用户设备，至此完成一个扫描周期。PLC的扫描周期一般在100毫秒以内，决定于用户程序的大小。

地那米的被控制对象

地那米即高频高压，是一个用高频振荡器并联驱动﹑串联整流的系统，通过电感应耦合将低压交流电转变成高压直流电并用于加速电子的装置。其主要构成为：高频电压发生器，直流电压发生器，电子束产生器，加速管，扫描引出设备，真空系统，六氟化硫气体处理和防护设施等。

地那米需参与控制的对象有高频发生器，电子，扫描幅度，输出能量，输出束流和各种连锁信号，总共有60路开关量和14路模拟量，它们分别由各自的传感器产生并被连接至PLC输入接口电路板。地那米监控系统框图如图(1)所示。

隔离电路的设计

用于PLC控制的接口电路分为开关量接口电路和模拟量接口电路。由于在安装调试或运行时会出现打火现象，在所有接口中增加光电隔离电路，一方面可改善PLC工作的环境，另一方面可提高的运行性。

开关量的光电隔离电路采用普通的光耦元件实现，如图(2)所示。LED可用于指示设备的工作状态，TVS为瞬变电压抑制器，其雪崩击穿时，动态电阻较小，响应速度快(理论上高达10-12秒)，器件面积大,可吸收大的浪涌电流;以美国PROTEK公司的P6KE200为代表，被广泛用于通信，宇航工业和计算机领域中的抗高压保护器件。我们选用了单向TVS二管P6KE30A，其阻断电压28.5V，工作电压25.6V，脉冲峰值电流14.7A，典型的响应时间小于1皮秒。现场使用的结果表明，在调试中打火引起的集成电路损坏情况：有TVS二管作保护的IC损坏数小于未装TVS保护的IC损坏数。

模拟量光隔电路的设计，除需考虑上述打火现象外，还要求其跟踪度﹑响应速度等满足的设计指标，为此，我们采用了电压-频率转换芯片LM331进行设计。其结构框图如图(3)所示。

输出跟踪精度测量列于表(1)中，该电路的动态响应如图(4)，从图(4)中可以看出其响应时间小于2毫秒，PLC的扫描周期。

抗打火现象的考虑

地那米的打火现象，无论是在安装调试阶段，还是在运行过程中都是难免的，原因是引起打火的因素太多。因此，要求参与运行的所有元器件都具有抗打火冲击的能力，亦即不能一遇打火就坏。为了有效地减少打火对元器件的损坏，除了光电隔离外，还应该一方面在整个电路的连线上始终保证各电流回路间不相混淆，特别是大电流回路与其控制回路间的公共线走向，高电压回路与低压回路间的交汇点及接地点等;另一方面在接口电路中所有输入/输出端放置压敏电阻或TVS二管类型的过电压保护器(如图2)。在适当的电路中加入RC滤波器也可以起到缓冲作用。同时，在整个控制电路的设计中，我们借鉴了以前设计地那米磁铁扫描电源的相关抗干扰措施，也保证了该控制系统能顺利地在山东曲阜电力电缆厂的上调试运行成功。

  (一)分析被控对象并提出控制要求

详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。

(二)确定输入/输出设备

根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备(如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等)和输出设备(如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等)，从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。

(三)选择PLC

PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择，详见本章二节。

(四)分配I/O点并设计PLC外围硬件线路

1.分配I/O点

画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在2步中进行。

2.设计PLC外围硬件线路

画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。

由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

(五)程序设计

1.程序设计

根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容：

1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对立，一般在程序设计基本完成时再添加。

3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，。

2.程序模拟调试

程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

1)硬件模拟法是使用一些硬件设备(如用另一台PLC或一些输入器件等)模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

(一)分析被控对象并提出控制要求

详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。

(二)确定输入/输出设备

根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备(如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等)和输出设备(如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等)，从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。

(三)选择PLC

PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择，详见本章二节。

(四)分配I/O点并设计PLC外围硬件线路

1.分配I/O点

画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在2步中进行。

2.设计PLC外围硬件线路

画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。

由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

(五)程序设计

1.程序设计

根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容：

1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对立，一般在程序设计基本完成时再添加。

3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，。

2.程序模拟调试

程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

1)硬件模拟法是使用一些硬件设备(如用另一台PLC或一些输入器件等)模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

【摘要】指出PLC 应用于冲床动作控制的必要性,明确了应用PLC 对冲床实施控制时的几个关键技术问题并指出了相应的解决途径,从而成功地对J H23 - 40 型冲床实施了控制。 

0 引言冲床是主要的锻压设备。据不统计, 我国现在拥有的各类冲床为50 万台左右,除部分进口冲床之外, 国产冲床几乎都用继电器---接触器控制方式, 这种传统控制方式虽然结构简单, 价格,抗干扰性能强,容易掌握,但其占用的体积大,动作速度慢, 功能少, 只能作简单的控制, 特别由于它是靠硬线逻辑构成的系统,接线复杂,通用性和灵活性较差。在我国由于低电压电器质量不过关而造成这种继电器---接触器控制方式故障率高, 维护人员多,费用高。而采用微机控制方式由于价格高,抵抗锻压车间恶劣环境的能力差, 输入和输出电路不匹配和编程技术复杂等原因, 也不太适合对冲床的控制。因此, 70 年代中期出现并不断完善的可编程控制器PLC( Programmable Cont roller 简称PC ,为了避免和个人计算机Personal Comp uter ---PC 相混淆,本文仍使用可编程控制器初的名称:可编程逻辑控制器Programmable Logic Cont roller , 简称PLC) 具有编程简单,通用性强,抗锻压车间温度、湿度、振动、电源波动及电磁干扰能力强,性高,体积小, 维护方便, 设计、施工投产调试等众多优点, 很适合代替继电器---接触器的传统控制方式对冲床进行控制。所以国内有个别企业在实施上述的冲床PLC 技术改造。

根据作者从事这一方面的大量研究及调试结果, 深感要完成冲床的PLC 控制, 需要解决许多技术问题,特别要解决如下几个关键技术问题,否则就难以达到预期的目的, 本文就针对这几个关键技术问题进行研究。

1 冲床PLC 控制中的几个关键技术问题的确定1. 1 冲床工作对控制系统的要求对于任何装置的控制, 当其冲的就是确定其控制任务。对于冲床所完成的工艺流程及动作对控制系统全部功能的要求应掌握,只有这样,才能使设计完成的PLC 控制方案达到预期的目的。

1. 2 PLC 输入点的确定及小化因为冲床的控制系统输入量通常都为大量的开关量,例如各种按钮、行程开关、脚踏开关、气压继电器及热继电器的动断、动合触点等。从这一角度来讲,冲床很适合于用PLC 进行控制。众所周知,输入点和输出点的数量可衡量PLC 规格的大小,特别对冲床而言,一般规律都是输入信号多(可达十几或二十几甚至三十、四十个) , 而输出信号少, 往往仅有3～8 ,通常小型PLC 输入/ 输出点数之比为3/ 2。这样, 若按照输出点数选择PLC 时, 常遇到所选PLC的输入点不够用等问题。若按所需输入点的多少来选择PLC 时,所选用的PLC 的输出量过多,从而造成PLC 资源的浪费,加之通常情况下冲床的控制较简单, 所以实际编制的控制程序往往只用了其容许存储量的很少一部分, 例如国内某锻压机床厂生产的带气动摩擦离合器与制动器的新型获奖的J 23 -40 型冲床, 当采用PLC 控制时, 所需输入开关量数量达16 个,而实际所需输出量数量为5 个。这样,当以16 个输入点选择德国西门子公司的PLC 产品时,选择的产品只能是S7 - 200 CPU216。该产品总的点数为40 点, 其中输入点为24 个, 输出点为16个, 该产品价格达4050 元, 加上配套的编程光盘以及微机和PLC 的连接电缆,总价格达4500 元。这样的价格对于该冲床来说实在是太高, 而所编制的控制程序所需的存储量为0. 66K ,而该PLC 允许的存储量为8K ,所以内存浪费严重。

该PLC 依据该40t 冲床控制所需的输出点5个来选用德国西门子公司的PLC 产品时, 应选用SIMATIC S7 - 200 中的CPU212 , 该PLC 程序量1K 满足要求, 8 个输入点, 6 个输出点。很显然,输出点满足需要, 但输入点远远不够, 该PLC 价格仅为1828. 75 元,仅是CPU216 的1/ 3 多一点。这样的价格, 作为冲床用户勉强能够接受。但输入点不够, 简单考虑就是采用输入模块扩展该PLC , 况且S7 - 200 CPU212 允许扩展, 大扩展输入点可达30 个,选用西门子公司的EM221 数字输入模块,型号为6ES7221 - IBFOO - OXAO , 该模块8 个直流24V 输入,正好满足要求。其价格为641. 25 元,这样总的PLC 控制器的价格为1828 + 641. 25≈ 2470元, 用户反映这样的价格还是太高。所以采用增加输入模块的方法在实际中还是存在一定的困难。

综上所述, 在对冲床实现PLC 控制时, 确定了输入点数的多少后, 如何方便地使选用的PLC 输入点尽可能的少, 是PLC 能否成功地应用于工业实际中的关键因素。

1. 3 合理地选择PLC 的输出方式及输出负载对PLC 而言, 为了满足工业实践中执行元件的不同要求, 其输出方式有直流、继电器和交流3 种不同形式, 直流方式价格, 交流方式价格, 继电器方式价格居中。例如西门子公司S7 - 200 ,CPU212 直流输出单价为$1733. 75 元, 继电器输出为$1828. 75 元,价格相差95 元,而这一价格比市面上允许电流为2A 的一个直流电源24VDC 低十几元。加之西门子S7 - 200 系列PLC 继电器输出方式的电源电压允许240V , 而冲床控制电路的控制电压通常为110VAC、127VAC、220VAC , 因此, PLC 输出端可以直接用来驱动冲床电路的负载。而要实际确定PLC 的输出方式,确定PLC 的输出负载,因为负载的类型就决定了PLC 的输出方式。

1. 4 控制方案简捷根据性理论, 一个系统的性很大程度上取决于所使用的元器件本身的性、数量及连接方式。总的来讲, 元器件的数量越多, 性就越差。特别对PLC 来讲,其PLC 在执行控制程序的过程中, 是按梯形图自上而下逐行扫描每个逻辑行, 在同一逻辑行内, 先由上而下处理并联的物理行, 再自左至右处理串联的物理行, 以END 指令作为循环扫描的返回标志, 然后程序又重新从逻辑行开始执行。这种循环扫描程序结构是PLC 特点之一, 而小型PLC 执行每条用户指令平均按10靤计算,则每千条指令约需10ms , 通常总的循环周期需时15～20ms ,这个时间会造成PLC 在I/ O 控制中有一个固定的滞后。所以,尽量精简用户程序有利于缩短这个时间滞后,保证控制系统的正确工作。对行程次数较高的冲床,这一问题应引起足够重视。例如我国原机械部标准JB1395 - 74 规定4、6、3、10、16、25t 开式压力机行程次数分别不小于200、160、135、115、100 次/ 分,这样按上述小行程次数计算,曲轴每转过1 度所用时间分别为0. 83、1. 04、1. 23、1. 45、1. 67ms ,很显然该时间差是很大的。由此可看出尽量简化PLC 程序,减少时间滞后性的重要性。

综上所述, 上述4 个关键技术问题对冲床的PLC 控制来讲是至关重要的, 下面就以某厂生产的J 23 - 40 型冲床来讨论如何很好地解决这4 个关键技术问题。

2 解决4 个关键技术问题的途径2. 1 熟练掌握冲床原有继电器---接触器控制电路的工作原理对于工厂中使用的冲床而言, 其继电器---接触器控制电路通常都经过生产实践的长期考验和生产冲床的企业不断改造完善,所以,目前工业生产中所使用的继电器---接触器电路绝大多数都满足了冲床工作对控制系统的所有要求,加之PLC 控制时的梯形图在结构上和继电器---接触器方式存在很大的相似性, 所以, 要明确冲床工作对PLC 控制系统要求的简捷的途径就是要熟练掌握冲床原有继电器---接触器控制电路的工作原理, 这就会使所设计的PLC 控制方案成功的几率大大提高。

对单台无自动送料要求的冲床来讲, 其控制系统通常都是由电动机开、停模块, 冲床工作状态监测显示信号灯模块, 滑块不同运动方式的操作规范模块组成,而冲床控制的要求都包含在这3 大模块内。

为了深入地掌握冲床的控制要求, 便于后面PLC控制方案的梯形图的设计, 通常应将这3 大模块, 特别是不同操作规范下的继电器---接触器电路图分模块分别画出, 当然在每个操作规范的模块中都应去掉操作规范选择的开关(或称主令转换开关) , 以便等效电路图一目了然。如图1 所示为J 23 - 40 型冲床继电器---接触器控制方式的电器原理图。

这一电气原理图已经过工业生产30 多年的考核,是能圆满完成冲床工作要求的。现将图1 分为3 大模块画出其等效电路图。鉴于电动机开、停模块及信号灯模块等效电路图和图1 为相像, 所以图2中仅画出了4 种不同操作规范下的等效电路图。

因该冲床采用气动摩擦离合与制动器, 离合器与制动器采用刚性连锁方式, 只要控制离合器的气缸进排气用空气分配阀通电或断电, 就可同时完成制动器脱开和离合器接合;或离合器脱开,制动器制动。所以,图1 和图2 中的空气分配阀的得失电方式也就相应地决定了冲床的3 个操作规范。

2. 2 采取各种方法减少PLC 输入点数量从图1 可看出, J 23 - 40 型冲床的输入开关量包括了控制电路限流保险管RD , 钥匙开关YA , 压缩空气的压力经电器开关YLJ , 热继电器开关RJ ,照明灯开关D K ,紧急停车按钮SA ,电动机开、停按钮QA 、TA , 连续操作规范停止钮按3A , 双手连续按钮1KA 、2KA (其中2KA兼作单手寸动操作规范按钮) , 脚踏开关J K , 曲柄下行150°人身保护凸轮开关2XK , 制动凸轮开关1XK , 脚动、双手单次、连续及寸动4个操作规范的选择开关, 以上开关共计18 个输入量。该冲床仅是一个单台无送料机构的冲床,图1 所示的控制电路所能达到的仅仅冲床完成的基本动作, 就这样输入点高达17 个, 若该冲床再添加其它控制功能, 如电动机进行冲床封闭高度的自动调节需要电动机进行正、反转, 装模高度上、下限位需要两个行程开关.