基于PLC的运动控制系统设计

西京学院本科毕业设计（论文）11绪论在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制是按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的，1968年美国通运公司提出取代电气控制装置要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程逻辑控制器。随着个人计算机发展起来后，为了方便，也为了反映可编程逻辑控制器的功能特点，可编程控制器定名为PLC。PLC控制运动系统是数控化工业生产的关键组成部分，研究PLC控制运动系统可进一步提高其在工业生产中的应用。PLC作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂、价格便宜、可现场修改程序、体积小、硬件维护方便、价格便宜等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。因此，通过研究PLC来控制运动，即可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。以往的电动机需要靠驱动器来控制，随着技术不断发展完善，PLC通过自身输出脉冲接入并控制电动机，这样就有利于对运动精确控制。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展的最快时期，年增长率一直保持为30—40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人及接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入运动控制领域，在某些应用上取代了在运领域处于统治地位的DCS系统。基于电动机良好的控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数控机床、绘图机、扎钢机、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。PLC具有通用性强、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点，PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来时无法取代的。本控制系统设计是由系统硬件设计和系统软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括步进电动机的工作原理分析、步进电动机的驱动设计及PLC工作原理及PLC作用驱动器且驱动步进电动机运动原理设计。软件设计包括主程序以及其他辅助控制程序设计，最终实现对步进电动机转角、转速、及转向控制。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的功能也越来越强大并得到广泛应用，继续研究PLC对步进电动机的控制系统，对提高控制精度、提高响应速度和提高能源利用率等有着重要意义。西京学院本科毕业设计（论文）22可编程序控制器（PLC）简介2.1PLC的基本概述2.1.1PLC的定义可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(简称PC)的简称混淆，所以将可编程控制器任简称PLC。PLC即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”2.1.2PLC的基本组成PLC是一种面向工业环境设计的专用计算机，它具有一般计算机类似的结构，也是由硬件和软件组成。由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口、编程器、电源等几部分组成。PLC内部硬件结构框图如图2.1所示。a.中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的核心，他通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、I/O接口相连，其主要作用是执行系统控制软件，从输入接口读取各个开关状态，根据梯形图程序进行逻辑处理，并将处理结果输出到输出接口。b.存储器PLC的存储器是用来存储数据或程序的。存储器中的程序包括系统程序和应用程序。系统程序用来管理控制系统的运行，解释执行应用程序，存储在只读存储器ROM中。应用程序即用户程序，一般存放在随机存储器RAM中，由后备电池维持其在一定时间内不丢失。也可将用户程序固化到只读存储器中，永久保存。西京学院本科毕业设计（论文）3c.电源电源的作用是吧外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。有的电源单元还向外提供24V直流电，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储内容不丢失。PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。图2.1PLC的硬件结构框图d.I/O接口电路I/O接口是CPU与现场I/O设备联系的桥梁。输入接口接收和和采集输入信号。数字量或开关量输入接口用来接收从按钮、选择开关、限位开关、接近开关、压力微电器等来的数字量输入信号；模拟量输入接口用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。输入信号通过接口电路转化成适合CPU处理的数字信号。为防止各种干扰信号和高低压信号，输入接口一般要加光电耦合器进行隔离。输出接口电路将内部电路输出的弱电信号转换为现场需要的强电信号输出，以驱动执行元件。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。为保证PLC可靠安全的工作，输出接口电路采取电气隔离措施。输出接口电路分为继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出三种，目前，一般采用继电器输出方式。西京学院本科毕业设计（论文）4e.编程器编程器是用来输入和编辑程序，也可以用来监视PLC运行时各编程元件的工作状态。编程器是由键盘、显示器、工作方式开关以及与PLC的通信接口等几部分组成。一般情况下只在程序输入、调试阶段和检修时使用，所以一台编程器可供应多台PLC使用。2.1.3PLC的工作原理与扫描技术可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（见图2.2a）。可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。ab图2.2PLC的工作原理示意图西京学院本科毕业设计（论文）5在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制器处于运行（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作（见图2.2b），图中仅画出了与用户程序执行过程有关的3个阶段。可编程序控制器在RUN工作状态时，执行一次上图所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1~100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等,如图2.3所示。图2.3PLC的扫描运行方式示意图a.输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。b.用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有西京学院本科毕业设计（论文）6可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。c.输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。2.2PLC控制系统的设计基本原则a.最大限度的满足被控对象的控制要求。b.在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。c.保证控制系统安全可靠。e.考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。2.3PLC软件系统及常用编程语言PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。a.PLC提供的编程语言—标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点：（1）它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。（2）梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。（3）梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。（4）内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。（5）PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。西京学院本科毕业设计（论文）7b.语句表语言，类似于汇编语言。c.逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。2.4PLC的特点a.可靠性高抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠