摘要：本文介紹了西門子S7-200系列PLC在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中的一種控制方法，并通過(guò)實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明了這種方法的具體操作步驟。 關(guān)鍵字：PLC 步進(jìn)電機(jī) 位置控制向?qū)?脈沖 運(yùn)動(dòng)包絡(luò) Abstract: This paper introduces a controlling method for STEP-MOTOR, and in this method Siemens S7-200 PLC is applied. Particularly, the paper illustrates the operating procedure of this method by a concrete example. Keywords: PLC; STEP-MOTOR; Position-controlling Wizard; Pulse; Motion Profile 0 前言 PLC是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)化裝置。由于它具有體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，以及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是PLC適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境的能力和高可靠性，使其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是由于我國(guó)的PLC技術(shù)教育落后，許多高校畢業(yè)生，甚至一些現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員對(duì)PLC的知識(shí)也相當(dāng)缺乏[1]。 步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程當(dāng)中經(jīng)常用到的一種控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是通過(guò)接受輸入脈沖，然后每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)一定的步距（角度）來(lái)完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制傳動(dòng)的。使用PLC可以通過(guò)特殊功能存儲(chǔ)器（SM）或者增加EM253位控模塊來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，但是使用SM需要熟悉每一位的意義，而且編程煩瑣。如果為PLC增加功能擴(kuò)展模塊，無(wú)疑會(huì)增加產(chǎn)品成本。鑒于這些原因并結(jié)合本人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文利用STEP 7-Micro/WIN 位置控制向?qū)?lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用PLC控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)功能。 1 操作步驟[2] 使用STEP 7——Micro/WIN位置控制向?qū)�，為線性脈沖串輸出（PTO）操作組態(tài)一個(gè)內(nèi)置輸出。啟動(dòng)位置控制向?qū)�，可以點(diǎn)擊瀏覽條中的向?qū)D標(biāo)，然后雙擊PTO/PWM圖標(biāo)，或者選擇菜單命令工具→位置控制向?qū)А? （1）在位置控制向?qū)?duì)話框中選擇“配置S7-200 PLC內(nèi)置PTO/PWM操作”。 （2）選擇Q0.0或Q0.1，組態(tài)作為PTO的輸出。 （3）從下拉對(duì)話框中選擇“線性脈沖串輸出（PTO）”。 （4）若想監(jiān)視PTO產(chǎn)生的脈沖數(shù)目，點(diǎn)擊復(fù)選框選擇使用高速計(jì)數(shù)器。 （5）在對(duì)應(yīng)的編輯框中輸入最高電機(jī)速度（MAX_SPEED）和電機(jī)的啟動(dòng)/停止速度（SS_SPEED）的數(shù)值。 （6）在對(duì)應(yīng)的編輯框中輸入加速和減速時(shí)間。 （7）在移動(dòng)包絡(luò)定義界面，點(diǎn)擊新包絡(luò)按鈕允許定義包絡(luò)，并選擇所需的操作模式。 a）對(duì)于相對(duì)位置包絡(luò)： 輸入目標(biāo)速度和脈沖數(shù)。然后，可以點(diǎn)擊“繪制包絡(luò)”按鈕，查看移動(dòng)的圖形描述。 若需要多個(gè)步，點(diǎn)擊“新步”按鈕并按要求輸入步信息。 b）對(duì)于單速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)： 在編輯框中輸入目標(biāo)速度的數(shù)值。 若想終止單速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，點(diǎn)擊子程序編程復(fù)選框，并輸入停止事件后的移動(dòng)脈沖數(shù)。 （8）根據(jù)移動(dòng)的需要，可以定義多個(gè)包絡(luò)和多個(gè)步。 （9）選擇完成結(jié)束向?qū)А? 2 應(yīng)用實(shí)例 本例通過(guò)PLC控制步進(jìn)電機(jī)在車輪自動(dòng)超聲探傷中的應(yīng)用，進(jìn)一步說(shuō)明利用STEP 7-Micro/WIN 位置控制向?qū)?lái)實(shí)現(xiàn)利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)的具體操作過(guò)程。 車輪自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)是利用車輪在探傷架上的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，其中車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)是由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速箱來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的。整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械部分的運(yùn)動(dòng)由下位機(jī)（PLC）來(lái)控制，如圖1。 [align=center] 圖1 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)原理 圖2 上位機(jī)與下位機(jī)的通信[/align] 為了保證探傷的準(zhǔn)確性，一般需要兩組探頭同時(shí)檢測(cè)分別對(duì)車輪的踏面以及內(nèi)側(cè)面。當(dāng)這兩組探頭分別接觸到車輪的踏面和內(nèi)側(cè)面后，PLC會(huì)收到這兩組探頭的行程開關(guān)發(fā)出的探頭到位信號(hào)，此時(shí)由下位機(jī)向上位機(jī)（工控機(jī)）上傳“準(zhǔn)備好”信號(hào)。在上位機(jī)收到“準(zhǔn)備好”信號(hào)后，可以向下位機(jī)發(fā)送“探傷開始”的信號(hào)了，下位機(jī)收到該信號(hào)后，立即向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖，車輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)，探傷工作開始了，如圖2所示，其中上位機(jī)與下位機(jī)是采用自由口方式進(jìn)行通信的。 在這個(gè)過(guò)程中，利用位置控制向?qū)?duì)步進(jìn)電機(jī)的配置非常重要，合理的配置能夠增加探傷系統(tǒng)的靈敏度，不合理的配置會(huì)增加探傷工作的困難，甚至有可能燒壞電機(jī)。 在該應(yīng)用中，配置向?qū)У那八膫�(gè)操作步驟中一般采用默認(rèn)設(shè)置即可。在操作步驟（5）中，MAX_SPEED的設(shè)置應(yīng)該在電機(jī)力矩的最大范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的力矩由摩擦力、慣性以及加速/減速時(shí)間決定，在這里設(shè)為400。對(duì)SS_SPEED的設(shè)置不能太大，太大就會(huì)造成電機(jī)失步，但是如果太小就會(huì)在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生顫抖或者振動(dòng)，在此設(shè)為100。具體應(yīng)用要根據(jù)不同的電機(jī)使用說(shuō)明書來(lái)設(shè)置。最低電機(jī)速度（MIN_SPEED）系統(tǒng)默認(rèn)等于SS_SPEED。MAX_SPEED、SS_SPEED和MIN_SPEED的關(guān)系如圖3所示。 [align=center] 圖3 最大、最小和開始/停止速度[/align] 在步驟（6）中可以設(shè)置加速時(shí)間（ACCEL_TIME）和減速時(shí)間（DECEL_TIME），如圖4所示。在該系統(tǒng)中，探傷主要是在電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)工作的，所以加速與減速時(shí)間越小越有利于探傷工作，但是時(shí)間太小會(huì)影響步進(jìn)電機(jī)的使用壽命，在此加速時(shí)間設(shè)為1000，減速時(shí)間設(shè)為500。 [align=center] 圖4 加速時(shí)間和減速時(shí)間[/align] 在步驟（7）中，由于步進(jìn)電機(jī)本身存在加速與減速時(shí)間，所以我們選擇建立相對(duì)位置包絡(luò)。并且探傷系統(tǒng)不需要中間變速度，所以只需要輸入希望的步0信息。在該系統(tǒng)中，我們希望的目標(biāo)速度為150（介于MAX_SPEED和MIN_SPEED之間）。假設(shè)α為步進(jìn)電機(jī)一步轉(zhuǎn)過(guò)的角度，θ為步進(jìn)電機(jī)總共需要轉(zhuǎn)的角度，ψ為步進(jìn)電機(jī)需要的總脈沖數(shù)，φ為車輪總共轉(zhuǎn)過(guò)的角度，n為減速箱的傳動(dòng)比，于是計(jì)算包絡(luò)總位移（即步進(jìn)電機(jī)需要的總脈沖數(shù)）的公式為 ψ=θ/α=nφ/α （1） 由于步進(jìn)電機(jī)存在開始時(shí)加速和結(jié)束時(shí)減速兩個(gè)無(wú)法克服的過(guò)程，所以在這兩個(gè)過(guò)程中可能存在漏探或誤探，于是在探傷過(guò)程中規(guī)定，車輪至少應(yīng)轉(zhuǎn)1.25圈，即450°。在該系統(tǒng)中，n=60，α=0.72°（即每轉(zhuǎn)細(xì)分?jǐn)?shù)為500步）,因此由公式（1）可以推出ψ=37500。繪制的包絡(luò)如圖5所示。 [align=center][IMG=相對(duì)位置模式下的包絡(luò)]/uploadpic/tech/2008/1/2008011513155051594H.jpg[/IMG] 圖5 相對(duì)位置模式下的包絡(luò)[/align] 然后選擇一個(gè)大小合適且未使用的V存儲(chǔ)區(qū)來(lái)保存配置和包絡(luò)信息，最后向?qū)?huì)根據(jù)剛才的配置生成PTO0_CTRL、PTO0_MAN和PTO0_RUN三個(gè)項(xiàng)目組件，用戶可以在自己編寫的程序中調(diào)用這些組件。其中：PTO0_CTRL指令是用于在手動(dòng)模式下初始化步進(jìn)電機(jī)；PTO0_MAN指令是用于手動(dòng)模式控制線性PTO，在手動(dòng)模式中，可以使用不同的速度操作PTO，如圖6；PTO0_RUN指令用于命令線性PTO操作執(zhí)行在向?qū)渲弥兄付ǖ倪\(yùn)動(dòng)包絡(luò)，如圖7。 [align=center][IMG=PTO0_MAN指令應(yīng)用]/uploadpic/tech/2008/1/2008011513161329199V.jpg[/IMG] 圖6 PTO0_MAN指令應(yīng)用 [IMG=PTO0_RUN指令應(yīng)用]/uploadpic/tech/2008/1/2008011513162495644M.jpg[/IMG] 圖7 PTO0_RUN指令應(yīng)用[/align] 至此，利用位置控制向?qū)?duì)步進(jìn)電機(jī)的配置已經(jīng)完成。 3 結(jié)論 通過(guò)上面的例子可以看出，本文介紹的利用STEP 7-Micro/WIN 位置控制向?qū)?lái)實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，操作簡(jiǎn)單，而且不用增加功能擴(kuò)展模塊，降低了產(chǎn)品成本，是非常值得在PLC應(yīng)用中嘗試的。 參考文獻(xiàn) [1]劉洪濤 黃海.PLC應(yīng)用開發(fā)從基礎(chǔ)到實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007. [2]西門子（中國(guó)）有限公司.SIMATIC S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)[Z].2005.