毕业设计（论文）-利用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制.doc

东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 摘要摘 要 可编程控制器（plc）是专为工业环境下应用而设计一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小、是实现机电一体化理想控制装置等显著优点，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有关见解与方法，介绍了控制系统研制中需要认识与解决若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构设计思路，工矿企业实现相关机床改造具有较高应用与参考价值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精确移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹，在移动过程中刀具不切削工件。关键词：plc 点位控制 步进电机 光电编码器i东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 毕业设计总体概括abstractbecause plc is one industrial control computer which is specially applied under the industry environment , it has lots of remarkable merits,such as strong antijamming ability , high reliability , slight volume , and it is an ideal control device to realize the integration of machinery and so on.therefore, through the practice and deep research, this article proposes related opinions and methods on realizing the position control function of the numerical control system by using the plc ,introducing certain questions which needs to be known and solved in the control system development , and giving the design mentality about the control system plan and the software and hardware structure as well.it has high application and reference value to realize the transformation of related engine bed ,regarding the industrial and mining establishment .the numerical control technology develops with applying achievements on modern science technology synthesisly ,such as electronic technology, computation technology, automatic control and automatic detection , and so on .at present , it has been widely spreaded in many domains day by day,particularly in the machine-finishing profession.there are two ways to realize the numerical control system: firstly, using the entirely-functional numerical control installment, its function is perfect, but its price is actually expensive.moreover, to position control ,many function is unnecessary; secondly, using the single trigger or the monolithic integrated circuit control, besides carrying on the software development, it needs to design the hardware circuit, the interface circuit, the driving circuit, especially considering the antijamming question in the industry scene .key words ： plc stepping motor photoelectric encoder绪 论1、数控系统发展简史及趋势 1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.1 控(nc)阶段(19521970年) 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控(hard-wired nc)，简称为数控(nc)。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代-电子管；1959年的第二代-晶体管；1965年的第三代-小规模集成电路。 1.2 计算机数控(cnc)阶段(1970年现在) 到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(cnc)阶段(把计算机前面应有的通用两个字省略了)。到1971年，美国intel公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器(microprocessor)，又可称为中央处理单元(简称cpu)。到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕(故当时曾用于控制多台机床，称之为群控)，不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了1990年，pc机(个人计算机，国内习惯称微机)的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于pc的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代-小型计算机；1974年的第五代-微处理器和1990年的第六代-基于pc(国外称为pc-based)。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控(即cnc)了，而我国仍习惯称数控(nc)。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。2、实现机床数控化的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 2.1可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2.2 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。 2.3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。 2.4 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 2.5 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 2.6由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行fmc(柔性制造单元)、fms(柔性制造系统)以及cims(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、fmc、fms外，还包括在产品开发中推行cad、cae、cam、虚拟制造以及在生产管理中推行mis(管理信息系统)、cims等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化)，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重(数控化率)到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达20.8%，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。3、数控未来发展的趋势 3.1 继续向开放式、基于pc的第六代方向发展基于pc所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用pc机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。pc机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 3.2 向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 3.3 向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 3.3.1 应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 3.3.2 引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 3.3.3 引入故障诊断专家系统 3.3.4 智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 4、我国机床产业的现状我国机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元机床的年产量数控化率为6%，年产值数控化率为12%(后两项日本分别为31.6%和75.4%)。而且数控机床中经济型数控机床占80%以上，自动机床等高级机床不多。我国机床役龄10年以上的占60%以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%，fmc/fms等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60%以上)。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。即使是数控机床，多数是经济型数控机床，生产装备和技术陈旧而落后。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。据专家预测，到2000年，我国数控机床消费额可达240.2亿元。这些需求一方面通过购置新设备来满足，另一方面，如果充分利用我国的现有的存量资产，用更新改造后的设备替代和减少购置新设备，可以起到事半功倍的效果。以240.2亿元的需求量估计，即使10%的需求通过设备的再生改造来实现，每年也有24亿元的市场。5、进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。为了充分利用这些设备和生产线，我们对部分引进10年以上、与机械行业有关的技术改造项目进行了一次调查。我们了解到一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决“卡脖子”的关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。6、课题研究的目标我们采用plc作为数控系统的主控芯片，利用plc控制步进电机运动。通过步进电机的脉冲控制，从而使车床的x轴和y轴进行快进和工进，从而实现车床数控加工。1 、毕业设计总体概括1.1 毕业设计任务书1 用步进电机与旋转编码器实现闭环调速2 x方向：丝杠（螺距6）进给当量0.01。步进电机：三相相六拍，步距角0.75。 速度v5m/min（分级可调）。最大运行距离2m 、对输出力矩无要求.3 y方向：丝杠（螺距6）进给当量0.01。步进电机：三相六拍，步距角0.75、速度v3m/min（分级可调）。最大运行距离300m m 、 对输出力矩无要求。4 步进电机：三相六拍，步距角0.755 反馈元件采用增量式光电码盘6 系统实现正反转，特性同上述一样7 为了克服系统的机械传动间隙有找准系统绝对原点功能.t加速加速减速5m/min3m/min减速vv00t 图1-1 x方向速度特性曲线图 图1-2 y方向速度特性曲线旋转编码器工作台plc步进电机功率放大器脉冲分配器联轴器齿轮组图1-3 机械传动示意图1.2 数控机床概述本节主要介绍数控机床的定义、组成、工作原理等有关概念。1.2.1 数控的定义数控的定义：电子计算机以数字方式控制机床的技术称为数字控制技术，简称数控（nc）。1.2.2 数控机床的组成数控机床是由普通机床演变而来的，它的控制采用计算机数字控制方式，它各个坐标方向的运动均采用单独的伺服电动机驱动，取代了普通机床上联系各坐标方向运动的复杂齿轮传动链。数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床主体组成。如图1-4所示，其中实线部分表示开环系统。加虚线为闭环控制。控制介质控制装置伺服系统机床本体控制介质图1-4 数控机床的组成1.2.3 控制介质数控机床加工时，所需的各种控制信息要靠某种中间载体携带和传输，这种载体称作“控制介质”。控制介质是存储数控加工所需要的全部动作和刀具相对工件位置信息的媒介物，它记载着零件的加工程序。控制介质有多种，如穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等，也可同坐通信接口直接输入所需的各种信息。采用何种控制介质取决于数控装置的类型。1.2.4 数控装置数控装置可以分为普通数控装置（cn）和计算机数控装置（cnc）两大类。前者利用专用的控制计算机，又称硬件数控；后者利用通用的小型计算机或微机加软件，又称软件数控。数控装置是数控机床的核心，一般由输入装置、控制器、运算器和输出装置等组成。数控装置根据输入的程序和数据，经过系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定的、有序的动作。控制信号中最基本的信号是：经插补运算决定的各坐标轴（即作进给运动的各执行部件）的进给速度、进给方向和位置量指令信号（送伺服驱动系统驱动执行部件作进给运动）；主运动部件的变速、换向和启动信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑的启动、工件和机床部件颂凯、夹紧、分度工作台转位等辅助指令信号等。1.2.5 伺服系统伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并在机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发出来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。伺服驱动系统有开环、闭环和半闭环之分。1.2.6 机械部件数控机床的机械部件包括：主运动部件；进给运动执行部件，如工作台；拖板及其传动部件；床身、立柱等支承部件；此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。1.3 数控机床的工作原理数控机床的工作原理是：将加工零件的几何信息和工艺信息便支撑程序，由输入部分送到计算机，经过计算机的处理、运算，按各坐标的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使各轴精确走到要求的位置。如此进行下去，各个运动协调进行，一直加工零件的全部轮廓。1.4 数控机床的分类数控机床的分类大体上可从按运动方式分类和控制方式分类来分。1.4.1 按运动方式分类按运动方式分类可以分三种：点位控制系统、点位直线控制系统、轮廓控制系统。1. 点位控制系统 点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。为了减少移动部件的运动与定位时准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。2. 点位直线控制系统 点位直线控制系统是指数控系统不仅控制刀具或工作台从一个点准确移动到另一个点，而且保证在两点之间的运动轨迹是一条直线的控制系统。3. 轮廓控制系统轮廓控制系统也称连续控制系统，是指数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格联系的控制系统。它不仅能控制移动部件从一个点准确地移动到另一个点，而且还能控制整个加工过程每一个点的速度和位移量，将零件加工成一定的轮廓形状。本次设计为点位控制。1.4.2 按控制方式分类按控制方式分类也可分三类：开环控制系统、半闭环控制系统、闭环控制系统。1. 开环控制系统 开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统。它是根据穿孔纸带上的数据指令，经过控制运算发出脉冲信号，输送到伺服驱动装置（如步进电机）使伺服驱动装置转过对应的角度，然后经过减速齿轮或丝杠螺母机构，转换为移动部件的直线移动。如图1-5所示为开环控制系统框图。由于开环控制系统不具有反馈装置，不能进行误差校正，因此系统精度较低。虽然开环控制系统具有结构简单、工作稳定、使用维修方便及成本低的优点，但它已不能满足数控机床日益提高的精度要求。控制介质数控装置伺服系统工作台图1-5 开环控制系统框图2. 半闭环控制系统半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角，间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。由于半闭环控制系统中移位部件的传动丝杠螺母机构不包括在闭环之内，所以传动丝杠螺母机构的误差仍然会影响移动部件的位移精度。如图1-6所示为半闭环控制系统框图。工作台控制介质数控装置比较器放大器伺服系统 反馈信号图1-6 半闭环控制系统框图3. 闭环控制系统闭环控制系统是机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，达到精确定位的控制系统。闭环控制系统定位精度高，一般应用在高精度数控机床上。由于系统增加了检测、比较和反馈装置，所以结构比较复杂，调试维修比较困难。反馈信号控制介质数控装置工作台比较器伺服机构放大器检测元件图1-7 闭环控制系统框图1.5 数控机床的优势与缺点。优点：1 小批量而又轮番生产的零件；2 几何形状复杂的零件；3 需进行多种工序加工的零件；4 切削余量大的零件；5 加工精度高的零件；6 工艺设计会经常变化的零件；7 贵重零件；8 需全部检测的零件 缺点：1. 初次设备投资大；2. 对使用者技术要求高1.6点位控制设计论证点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统 。这类数控机床仅能控制在加工平面内的两个坐标轴带动刀具与工件相对运动，从一个坐标位置快速移动到下一个坐标位置，然后控制第三个坐标轴进行钻镗切削加工。特点：在整个移动过程中不进行切削加工，因此对运动轨迹没有任何要求，但要求坐标位置有较高的定位精度。点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系，这类机床主要有数这类数控机床仅能控制在加工平面内的两个坐标轴带动刀具与工件相对运动，从一个坐标位置快速移动到下一个坐标位置，然后控制第三个坐标轴进行钻镗切削加工。特点：在整个移动过程中不进行切削加工，因此对运动轨迹没有任何要求，但要求坐标位置有较高的定位精度。点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系，这类机床主要有数控钻床、印刷电路板钻孔机、数控镗床、数控冲床、三坐标测量机等。要获得高的定位速度，同时又要保证定位精度，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，刀具不切削工件，因此在这一阶段，可采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。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，则走完全程所需时间为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刀具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，让刀具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。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，进一步提高可靠性。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。37东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 总体方案设计2 总体方案设计2.1 总体方案确定plc键盘输入数字显示部分传感器x轴驱动电路y轴驱动电路电机转动电机转动电源图2-1 系统总体框图整个系统由电源、plc、键盘输入、数字显示、步进电机驱动、步进电机以及传感器组成。2.1.1 系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动x-y工作台。2.1.2 计算机系统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，特别是要考虑工业现场中的抗干扰问题。 综上可得：基于抗干扰性、可靠性、体积等因素分析。第三种方案在实现机电一体化的理想控制装置等明显长处，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，先容了控制系统研制中需要熟悉与解决的若干题目，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价值。基于抗干扰性、可靠性、体积等因素分析。本课题采用plc控制的点位控制技术方案。控制系统由微机部分、键盘、led、i/o接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。led显示数控工作台的状态。2.1.3 x-y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双v形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 数控系统硬件组成3 数控系统的硬件组成 本次设计主要以plc为主控芯片，用led显示，外加上电机驱动和键盘构成。3.1 plc基础知识简介 在自动化控制领域，plc是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种plc产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。为了使各位初学者更方便地了解plc，本文对plc的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介，以期对各位网友有所帮助。3.1.1 plc的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它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gm（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，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序控制器，称programmable controller（pc）。 个人计算机（简称pc）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为programmable logic controller（plc），现在，仍常常将plc简称pc。plc的定义有许多种。国际电工委员会（iec）对plc的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是plc发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，plc在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，plc逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的dcs系统。 plc具有通用性强、使用方便、适应面广、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，是无法取代的。3.1.2 s7-200简介s7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。s7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此s7-200系列具有极高的性能/价格比。 s7-200系列出色表现在以下几个方面： * 极高的可靠性 * 极丰富的指令集 * 易于掌握 * 便捷的操作 * 丰富的内置集成功能 * 实时特性 * 强劲的通讯能力 * 丰富的扩展模块 s7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 s7-200系列plc可提供4个不同的基本型号的8种cpu供您使用。，（cpu 221，222具有180ma输出， cpu 224，cpu 224xp，cpu 226分别输出280，400ma。可用作负载电源）。 本次设计选用cpu226。本机集成24输入/16输出共40个数字量i/o 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量i/o 点或35路模拟量i/o 点。13k字节程序和数据存储空间。6个独立的30khz高速计数器，2路独立的20khz高速脉冲输出，具有pid控制器。2个rs485通讯/编程口，具有ppi通讯协议、mpi通讯协议和自由方式通讯能力。i/o端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。 s7-200系列plc是西门子公司的产品，另外，国内外还有一些厂家生产与其完全兼容的产品，例如德国vipa公司，中国上海正航电子科技有限公司等。3.1.3 plc的输入输出通信地址表31 plc的输入输出通信地址i0.0x轴旋转编码器a相q0.0x轴电机驱动信号i0.1x轴旋转编码器b相q0.1y轴电机驱动信号i0.2x轴旋转编码器复位q0.2x轴电机转动方向驱动信号i0.3y轴旋转编码器a相q0.3y轴电机转动方向驱动信号i0.4y轴旋转编码器b相q0.4键盘第四行控制i0.5y轴旋转编码器复位q0.5键盘第三行控制i0.6键盘第四列控制q0.6键盘第二行控制i0.7键盘第三列控制q1.7键盘第一行控制i1.0键盘第二列控制q1.0led驱动i1.1键盘第一列控制q1.1led驱动i1.2启动电源q1.2led驱动i1.3紧急停车q1.3led驱动i1.4x轴正向运行q1.4led片选i1.5x轴反向运行q1.5led片选i1.6y轴正向运行q1.6led片选i1.7y轴反向运行q1.7led片选i2.0复位3.2 步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。3.2.1 步进电机的应用步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1. 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。图3-1步距角2. 静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）3. 电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：图3-2电机选择步骤3.2.2 力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： p= m =2n/60 p=2nm/60 其p为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，m为力矩单位为牛顿米 p=2fm/400(半步工作） 其中f为每秒脉冲数（简称pps)3.2.3 应用中的注意点1. 步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666pps)，最好在1000-3000pps(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。2. 步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3. 由于历史原因，只有标称为12v电压的电机使用12v外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57byg采用直流24v-36v，86byg采用直流50v,110byg采用高于直流80v），当然12伏的电压除12v恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。4. 转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5. 电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6. 高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。7. 电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。8. 电机在600pps（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9. 应遵循先选电机后选驱动的原则。 本设计步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈a、b、c），其正转的通电顺序为：a-ab-b-bc-c-ca-a，其反转的通电顺序为：a-ac-c-cb-b-ba-a。步进时钟a相波形b相波形图3-3 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）c相波形步进时钟a相波形b相波形图3-4 三相六拍工作方式时相电压波形（反转）c相波形步进电机的运行性能不仅与电机本身的特性、负载有关，而且还与配套使用的驱动电源有着密切相关的关系，步进电机的驱动电源包括功率放大器，主要使电机各相按一定的顺序和时间导通或切断， 并根据输入指令使电机正转或反转，故按照电机电机的工作方式进行设计，有硬件环形分配器和软件分配器两种形式。采用硬件分配脉冲达到三相六拍的工作方式即用软件进行脉冲分配的优点是线路简单、成本低、还可以灵活改变步进电机的控制方案，而驱动功能仍由硬件来完成。程序中表现为对plc的q0.0-q0.1口的输出脉冲进行控制分别对三相供电。通过光电耦合器隔离，由+80v、+12v高低压驱动vmos管，在改变绕组通电顺序的情况下来控制它的正反转、及三相六拍通电方式。此次设计中所用的步进电机需要plc高速脉冲的输出。s7-200每个cpu有两个pto/pwm（脉冲列/脉冲宽度调制）发生器，分别通过数字量输出点q0.0及q0.1输出高速脉冲列或脉冲宽度可调的波形。pto/pwm发生器与输出映像寄存器共同使用q0.0及q0.1。当q0.0或q0.1被置为pto或pwm功能时，pto/pwm发生器控制这些输出点，在该输出点禁止使用数字量输出功能，此时输出波形不受输出映像寄存器的状态、输出强制或立即输出指令的影响。不使用pto/pwm发生器时。q0.0与q0.1作为普通的数字输出使用。建议在启动pto或pwm操作之前，用r指令将q0.0或q0.1的映像寄存器置为0.此次设计中用q0.0驱动x轴步进电机，q0.1驱动y轴步进电机。3.3 矩阵式键盘工作原理矩阵式键盘是相对于独立式键盘而言的，也叫行列式键盘，是当键数较多时为节省i/o点而采取的一种结构。在微机系统中，矩阵式键盘的构成方式如图所示。图35 矩阵式键盘结构图首先，判断整个键盘上有无键按下。方法是:将列全输出为0，然后读入行的状态，如果行读入的状态全为1，则无键按下，不全为1则有键按下。其次，若有键按下则逐列扫描。方法是:依次将列线送低电平0，检查对应行线的状态;若行线全为1，则按键不在此列;若不全为1，则按键必在此列，且是与0电平行线相交的那个键。最后，确定键值，并进入键处理程序。3.3.1 矩阵式键盘硬件设计在plc系统中设计矩阵式键盘不仅要用到输入口，而且也要用到输出口，因此，了解plc i/o口内部电路的结构以及工作原理是十分重要的。下面以s7-200的dc输入、输出模块为例，简要说明其工作原理。1. 输入模块如图所示，为plc的dc输入模块，其中，k1-输入开关;m-公共端;i0.0-输入点;r1、r2的典型值为5.6k、1k。图3-6 直流输入模块电路图工作原理:若输入开关k1闭合，则输入信号经rc滤波和光电隔离后，转换为plc的cpu所需的电平(一般为5v)，再经过输入选择器与cpu的总线相连，从而将外部输入开关的“on”状态输入到plc内部，此时输入指示灯亮，且与该输入点对应的输入映像寄存器为“1”。若输入开关断开，则信号没有形成通路，此时输入指示灯不亮，表示为“off”状态。2. 输出模块如图所示，为plc的dc输出模块，其中，l+接dc24v;q0.0-输出点。图3-7 直流输出模块电路图工作原理:若用户程序将输出置为“on”状态，则在刷新输出阶段cpu将“on”信号送给输出锁存器，再经过光电耦合送给场效应管，使之饱和导通，此时输出指示灯亮，且通过场效应管将dc24v和负载连通，从而使得负载获得工作电流。反之，若用户程序将输出置为“off”状态，则输出指示灯不亮，情况与上述相反。3.3.2 键盘的硬件设计由以上分析可知:plc的i/o口内部电路与一般的计算机系统(如单片机系统)有较大的不同，这就决定了在plc系统中设计矩阵式键盘也有其特殊性。首先，由于输入模块中有rc滤波电路，其滤波延迟时间可以通过编程软件设置，即其本身存在硬件消抖动的功能，因此不再需要软件延时消抖动;其次，由于用到了plc的输出口，它本身可以输出对m端有dc24v的电压，因此不再需要外接电源;最后，由于plc的输入口有6k左右的输入电阻，因此可以将dc24v的电压直接加上，若为了延长i/o口的使用寿命，一般按照输入模块的技术指标来配置限流电阻，经查阅输入电流的典型值为4ma，一般取r1=r2=r3=0.5k即可。如图所示为4行4列矩阵式键盘的结构图