模块五-S7-200-SMART-PLC模拟量及运动控制

模块五S7-200SMARTPLC的模拟量模块及运动控制2023/2/55.2步进电机的正反转控制5.1电热水炉温度控制系统目录Contents2023/2/5【能力目标】1．能够对S7-200SMARTPLC的模块量模块进行电路连接、硬件组态和编程。2．能够构建S7-200SMARTPLC的运动控制系统，并能利用运动控制向导组态运动轴，使用运动控制面板进行调试以及编程等。2023/2/5【知识目标】1．熟悉S7-200SMARTPLC模拟量模块的种类。2．掌握模拟量模块的使用和编程。3．掌握S7-200SMARTPLC运动控制的组态及编程。2023/2/5任务5.1电热水炉温度控制系统05二月2023任务导入

电热水炉温度控制示意图如图所示，要求当水位低于低位液位开关时，打开进水电磁阀进水，当水位高于高位液位开关时，关闭进水电磁阀停止进水。加热时，当水温低于80℃时，打开电源控制开关开始加热，当水温高于95℃时，停止加热并保温。电热水炉温度控制示意图2023/2/5

模拟量输入（A/D）模块：将现场仪表输出的（标准）模拟量信号0～

20mA、0～

5V、0～

10VDC等转化为PLC可以处理的一定位数的数字信号。

模拟量输出（D/A）模块：将PLC处理后的数字信号转化为现场仪表可以接收的标准信号0～

20mA、0～

5V、0～10VDC等。相关知识一、模拟量输入/输出扩展模块的功能

2023/2/5二、模拟量输入/输出扩展模块的类型2023/2/5扩展模块（EM）不能单独使用，需要通过自带的连接器插接在CPU模块的右侧，如图所示。扩展模块安装方式如下：扩展插针的3个凸起点：05二月2023三、西门子模拟量输入/输出扩展模块1．模拟量输入模块EMAE04（1）概述对于单极性满量程输入范围对应的数字量输出为0～27648；双极性满量程输入范围对应的数字量输出为-27648～27648。模拟量输入模块EMAE04有4路模拟量输入，其功能是将输入的模拟量信号转化为数字量，并将结果存入模拟量映像寄存器AI中。模拟量输入模块EMAE04有4种量程，分别为：0～20mA、-10～10V、-5～5V、-2.5～2.5V。05二月2023（2）模拟量输入模块EMAE04的端子及接线05二月2023（2）模拟量输入模块EMAE04的端子及接线通道0和通道1可以接受电压和电流，其信号类型必须相同通道2和通道3可以接受电压和电流，其信号类型必须相同05二月20232．模拟量输出模块EMAQ02（1）概述模拟量输出模块EMAQ02有2路模拟量输出，其功能将模拟量输出映像寄存器AQ中的数字量转换为可用于驱动执行元件的模拟量。此模块有2种量程，分别为：±10V和0～20mA，对应的数字量为-27648～27648和0～27648。AQ中的数据以字（16位）的形式存取，电压模式的有效位为11位+符号位；电流模式的有效位为11位。05二月2023（2）模拟量输出模块EMAQ02的端子及接线空端子模拟量的类型有电压和电流两种，电压范围只有-10～10V；电流范围只有0～20mA。05二月20233．模拟量输入/输出模块EMAM06模拟量输入/输出模块EMAM06有4路模拟量输入和2路模拟量输出。05二月2023

模拟量电流、电压信号根据模拟量仪表或设备线缆个数分成四线制、三线制、两线制3种类型，不同类型信号的接线方式不同。

①四线制接线方式。四线制信号是指模拟量仪表或设备上信号线和电源线加起来有4根线。仪表或设备有单独的供电电源，除了两个电源线外，还有两个信号线。

②三线制接线方式。三线制信号是指仪表或设备上信号线和电源线加起来有3根线，负信号线与供电电源M线为公共线。

05二月2023模拟量电压/电流四线制接线方式模拟量电压/电流三线制接线方式四线制：仪表或设备有单独的供电电源，除了两个电源线外，还有两个信号线三线制信号是指仪表或设备上信号线和电源线加起来有3根线，负信号线与供电电源M线为公共线。05二月2023

③两线制接线方式。两线制信号是指仪表或设备上信号线和电源线加起来只有两个接线端子。由于S5-200SMARTCPU模拟量模块通道没有供电功能，所以

仪表或设备需要外接24V直流电源。

不使用的模拟量输入通道要将通道的两个信号端短接。05二月2023（3）EMAM06的常用技术参数05二月2023（4）模拟量输入/输出扩展EMAM06的组态

（a）模拟量输入通道的组态

注意：通道0和通道1的类型相同，通道2和通道3的类型相同。2023/2/5（4）模拟量输入/输出扩展EMAM06的组态（b）模拟量输出通道的组态任务实施【训练工具、材料和设备】按钮2个通用电工工具1套导线若干PLC1台EMAM06模块液位开关1个进水电磁阀1个05二月20231．硬件电路电热水炉控制的I/O电路05二月20232．程序设计系统块组态05二月2023水温80°C对应的数字量为22118水温95°C对应的数字量为2626605二月2023知识拓展1．控制要求

验布机是服装行业生产前对棉、毛、麻、丝绸、化纤等特大幅面、双幅和单幅布进行瑕疵检测的一套必备的专用设备。根据检验人员的熟练程度、布匹的种类不同，验布机对速度的要求不同。（1）整个验布机分为5个工作速度：1速为15Hz，2速为20Hz，3速为30Hz，4速为35Hz，5速为40Hz。（2）验布机有加速和减速按钮，每按一次按钮，变频器的速度就会增加或减少1Hz。05二月20232．硬件电路验布机的控制原理

验布机通过PLC将0～27648的数字量信号送到EMAM06扩展模块中，该模块把数字量信号转换成0～10V的模拟电压信号，该电压信号送到变频器的模拟量输入端3、4，调节变频器的输出在0～50Hz之间变化，从而控制电动机的速度，其控制原理如图所示。05二月2023验布机控制电路模拟量输出端给频率信号05二月20233．参数设置05二月202305二月20234．程序设计

验布机是通过EMAM06输出的0～10V模拟量电压信号控制变频器在0～50Hz之间调速，其中验布机的5种速度与模拟量电压及数字量之间的对应关系如表所示。05二月20232023/2/5任务5.2步进电机的正反转控制05二月2023任务导入

现有一台三相步进电机，步距角是1.5°，假设步进电机的运行速度为0.7cm/s，旋转一周需要5

000个脉冲，电机的额定电流是2.1A。控制要求：利用PLC控制步进电机顺时针转5周，再逆时针转3周，如此循环进行，按下停止按钮，电机马上停止（电机的轴锁住）。

步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，每输入一个电脉冲，电机就会旋转一定的角度，常作为数字控制系统中的执行元件。最早的步进电机是1920年代由英国人研发。德国百格拉公司于1973年发明了五相混合式步进电机及其驱动器；1993年又推出了性能更加优越的三相混合式步进电机。我国在80年代以前，一直是反应式步进电机占统治地位，混合式步进电机是80年代后期才开始发展。相关知识一、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，电机则就前进一步，所以叫做步进电机。脉冲数越多电机转动的角度越大。脉冲的频率越高电机的转速越快，但不能超过最高频率，否则电机的力矩会迅速减小，电机不转。

步进电机控制系统框图二、步进控制系统的组成步进驱动器的功能就是在控制设备（PLC或单片机）的控制下，为步进电动机提供工作所需要的幅度足够的脉冲信号。

三、步进驱动器两相步进驱动器三相步进驱动器1、步进驱动器的外部端子

步进驱动器外部接线端步进驱动器的三种输入信号：脉冲信号、方向信号、使能信号6个输入信号需要接5V电源，如果接12V或24V直流电源，需要串联电阻●光电隔离元件作用：电气隔离、抗干扰●共阳极接法、共阴极接法和差分方式接法●根据所选PLC来选择驱动器●西门子PLC输出信号为PNP输出（高电平信号），应采用共阴接法●三菱PLC输出信号为NPN输出（低电平信号），应采用共阳接法。2.步进驱动器的外部典型接线注意：一般PLC不能直接与步进驱动器相连，因为驱动器的控制信号是+5V，而PLC的输出信号为+24V。解决方法:如果VCC是5V，则不串电阻，如果VCC是12V时，串联R为1kΩ，大于1/8W电阻；如果VCC是24V时，R为2kΩ，大于1/8W电阻；R必须接在控制器信号端。

所谓细分，就是通过设置驱动器来减小步距角。若步进电机的步距角为1.8°，旋转一周需要360/1.8=200步，若将细分设为10，则步距角被调整为0.18°，旋转一周需要2000步。

3.步进驱动器的细分设置步进电机驱动器细分的优点：

（1）完全消除了电机的低频振荡，使电机运行更加平稳均匀。

低频振荡是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。（2）提高了电机的输出转矩尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约30-40%。（3）减小步进电机的步距角，提高电机的分辨率由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，‘提高电机的分辨率’是不言而喻的。3ND583步进驱动器的设置：3ND583步进驱动器侧面端子中间有8个白色的DIP功能设定开关，可以用来设定驱动器的工作方式和工作参数。开关序号ON功能OFF功能SW1—SW4动态电流设定SW5静态电流全流静态电流半流SW6—SW8细分设置用拨码开关工作电流设置表输出峰值电流（A）输出有效值电流（A）SW1SW2SW3SW42.11.500002.51.810002.92.101003.22.311003.62.600104.02.910104.53.201104.93.511105.33.800015.74.110016.24.401016.44.611016.94.900117.35.210117.75.501118.35.91111（1）动态电流设定。用SW1～SW4的4位拨码开关设置工作电流，如表所示。细分设置表（2）细分设定。细分精度由SW6～SW8三位拨码开关设定，参见下表。“1”表示ON，“0”表示OFF。细分不能设置过大，在输入脉冲不变的情况下，细分设置越大，电机转速越慢，而且电机输出转矩也会变小。步/转SW6SW7SW8200111400011500101100000120001104000010500010010000000步进电机和所有电机一样，在不通电时，是可以用手转动的，不能自锁。步进电机一般是用于定位控制场合，对定位是有要求的，所以在实时控制停机时要求“带电自锁”。步进驱动器在停止时提供给步进电机的单相锁定电流称为静态电流。步进驱动器的静态电流由其面板上的拨码开关SW5设置，拨码开关设置为ON时，静态电流与工作电流相同，即静态电流为全流；拨码开关设置为OFF时，静态电流为待机自动半电流，即静态电流为半流。

（3）静态电流设置2023/2/5S7-200SMARTCPU内置运动轴，可以实现位置和速度的开环运动控制。四、S7-200SMART的运动控制功能CPU输出脉冲和方向信号至伺服驱动器，伺服驱动器再将从CPU输入的给定值经过处理后输出到伺服电机，控制伺服电机加速、减速和移动到指定位置。S7-200SMARTPLC的开环控制系统组成

Motion控制--最多同时控制3个被控对象--可以通过Motion向导方便进行组态--支持电机回零，绝对位置，相对位置，包络--可以通过Motion调试面板在线控制电机--支持脉冲+方向输出模式Motion输出模式--支持双向脉冲输出模式--支持A/B正交相位输出模式--支持单向脉冲输出模式--绝对位置Motion包络运行模式--相对位置--单速连续旋转--双速连续旋转--最多支持32个包络，每个包络最多支持16步CPU模块本体最多集成3路高速脉冲输出，频率高达100KHz；支持PWM和PTO输出方式以及多种运动模式，可自由设置运动包络。Q0.3Q0.1Q0.02023/2/5经济型CPUCR40CPUCR60轴0轴1轴2经济型CPU没有Motion功能标准型CPUST20轴0轴1轴2ST20可以组态两个轴CPUST30CPUST40CPUST60轴0轴1轴2脉冲频率：100KHzmax电压等级：24VDC轴数：3@ST30，ST40,ST60

2@ST20*：如果AXIS1组态为脉冲加方向，则P1分配到Q0.7。如果AXIS1组态为双相输出或A/B相输出，则P1被分配到Q0.3，但此时AXIS2将不能使用。1.打开运动控制向导。双击STEP7MIicro/WINSMART启动编程软件

，在项目树中双击“向导”项下的运动，启动运动控制向导。

“工具”>“向导”>“运动控制”。五、使用运动控制向导组态运动轴2.选择需要配置的轴。选择要组态的轴为“轴0”。3.为所选择的轴命名。这里采用默认名“轴0”。4.选择测量系统（工程单位或相对脉冲）。a.选择工程单位或者是相对脉冲；

b.选择电机每转脉冲数；

c.选择基本单位；

d.输入电机每转运行距离。

5.设置运动输出模式，即脉冲输出类型a.设置有几路脉冲输出（单相：1路、双向：2路、正交：2路）；

b.设置脉冲输出极性和控制方向。

2023/2/56.分配输入点（1）正限位和负限位分配。2023/2/56.分配输入点（2）参考点的分配。2023/2/56.分配输入点（3）零脉冲输入分配。2023/2/56.分配输入点（4）停止点的分配。2023/2/57.定义输出点注意：每个轴的输出点都是固定的用户不能对其进行修改，但是可以选择使能/不使能DIS。8.设置电机速度定义电机运动的最大速度。“MAX_SPEED”；定义电机运动的启动/停止速度“SS_SPEED”。

根据定义的最大速度，在运动曲线中可以指定的最小速度；

9.定义电机点动速度10.设置加速时间和减速时间2023/2/511.定义反冲补偿可以指定电机为消除系统中在方向变化时出现的机械松弛（反冲）而必须移动的距离值，反冲补偿始终为正值。05二月202312．使能寻找参考点位置

如图

所示，在“参考点”选项区中，可为应用选择参考点功能。此选项区包含一个只有在已定义参考点开关（RPS）输入时才启用的复选框。05二月202313．设置寻找参考点位置参数

05二月202314．设置参考点偏移量

05二月202315．设置寻找参考点的顺序

设置寻找参考点的顺序如图（a）所示，S7-200SMART提供4种寻找参考点顺序模式，如图（b）所示。05二月202316．新建运动曲线并命名

如图

所示，单击“添加”按钮，可以创建一条新的运动曲线。S7-200SMART最多支持32组运动曲线。运动控制向导提供运动曲线定义，用户可以为其应用程序定义每一条运动曲线。在运动控制向导中定义曲线时输入一个符号名，可为每个运动曲线定义符号名。05二月202317．定义运动曲线

如图所示，在“曲线”对话框中，可定义运动曲线的运行模式及每段曲线的速度和位置。a.选择运动曲线的操作模式（支持四种操作模式：绝对位置、相对位置、单速连续旋转、双速连续旋转）；b.定义该运动曲线每一段的速度和位置（S7-200SMART每组运动曲线支持最多16步）。05二月202318．分配存储区

如图

所示，在“存储器分配”对话框中，可分配存储组态/曲线表的存储器地址。组态表的长度取决于定义的曲线数和定义的最大曲线的步数。05二月202319．完成组态

当完成对运动控制向导的组态时，只需单击“生成”按钮，然后运动控制向导会执行图所示任务。05二月202320．查看输入输出点分配

如图

所示，完成配置后运动控制向导会显示运动控制功能所占用的CPU本体输入输出点的情况，此时只需单击图中左侧列的“映射”即可查看。05二月2023六、使用运动控制面板进行调试

STEP7-Micro/WINSMART提供了一个调试界面“运动控制面板”。通过操作界面、配置参数界面和配置曲线参数界面，用户可以方便地调试、操作和监视S7-200SMARTCPU运动轴的工作状态，验证控制系统接线以及组态是否正确，调整配置运动控制参数，测试每一个预定义的运动轨迹曲线。（1）将运动控制向导生成的所有组件（包括程序块、数据块和系统块）下载到CPU中。否则CPU无法得到操作所需的有效程序组件。（2）将CPU的运行状态设置为“STOP”。05二月20231．打开运动控制面板

如图所示，通过菜单栏或者左侧树形目录打开“运动控制面板”。单击“运动控制面板”按钮，会弹出一个对话框，其作用是比较STEP7-Micro/WINSMART当前打开的程序与CPU中的程序是否一致，如图所示。程序比较通过后单击“继续”按钮（若未通过请重新下载程序块、数据库和系统块至CPU）。打开“运动控制面板”程序比较对话框05二月20232．在操作界面中监视和控制运动轴。

操作界面允许用户以交互的方式，非常方便地操作、控制运动轴。该界面显示当前设备运行速度、位置和方向信息，监控输入、输出点状态信息。操作界面如图所示。运动控制面板的操作界面05二月2023（1）选择“激活DIS输出”，单击“执行”按钮，使能电机驱动器，如图所示。激活DIS输出05二月2023（2）如图所示，选择“执行连续速度移动”，可以使电机连续运转，并且可以在该界面的右侧观察到电机的当前位置、当前速度和当前方向。a.输入目标速度。b.输入目标方向，目标方向正负可以控制电机旋转方向。c.单击“启动”按钮，执行连续速度运转指令。d.单击“停止”按钮，终止连续速度运转指令。e.单击“点动+”按钮执行正向点动命令，单击“点动-”按钮执行负向点动命令，单击时间超过0.5s电机会加速到点动速度（JOG_SPEED）。连续速度运转指令05二月2023（3）如图所示，选择“查找参考点”，单击“执行”按钮，可以完成寻找机械坐标系参考点的操作。单击“执行”按钮之后，先是以2.0cm/s的高速寻找，碰到参考点I0.2之后，开始以低速0.2cm/s的速度反向逼近参考点，寻找到参考点之后停止。寻找参考点指令05二月2023（4）选择“执行曲线”，可以完成配制运动轨迹曲线的操作。如左图所示，通过下拉列表选择已组态曲线的符号名，单击“执行”按钮，按照右图所示的参数运行指定曲线。执行曲线窗口执行运动曲线指令05二月2023（5）如图所示，执行“以相对量移动”，电机按照下图所示的参数运行。执行“以相对量移动”指令05二月2023（6）如图所示，执行“移动到绝对位置”，电机按照图示的参数运行。执行“移动到绝对位置”指令注意：执行“移动到绝对位置”时，需要执行“重新加载当前位置”之后才能执行。05二月20233．在“组态”对话框中显示、修改运动控制参数

如图所示，在“组态”对话框中，可以方便地监控、修改存储在S7-200CPU数据块中的配置参数信息。修改组态设置以后，只需要先选中“允许更新PLC中的轴组态”，再单击“写入”按钮即可。“组态”对话框05二月20234．在“曲线组态”对话框界面中修改已组态的曲线参数并更新到CPU中

如图（a）所示，选中“允许更新CPU中的轴组态”，就可以更新CPU中的轴组态参数。

如图（b）所示，可以单击“读取”按钮，读取CPU中存储的已组态的曲线信息，单击“写入”按钮，可以将修改后的曲线信息更新到CPU中。

（b）读取/修改曲线信息（a）“曲线组态”对话框运动向导根据所选组态选项创建唯一的指令子程序，从而使运动轴的控制更容易。各运动指令均具有“AXISx_”前缀，其中x代表轴通道编号。由于每条运动指令都是一个子程序，所以11条运动指令使用11个子程序。

七、运动控制子程序初始化子程序命令运动轴转到所需位置子程序手动运行控制子程序运动曲线子程序七、运动控制子程序1．AXISx_CTRL子程序在程序中仅能使用该子程序一次，并保证每个扫描周期该子程序都被执行。功能：启用和初始化运动轴，方法是自动命令运动轴每次CPU更改为RUN模式时加载组态/包络表。

一直使用SM0.0作为EN的输入●MOD_EN参数必须开启，才能启用其它运动控制子例程向运动轴发送命令。如果MOD_EN参数关闭，运动轴会中止所有正在进行的命令；●Done完成位：参数会在运动轴完成任何一个子例程时开启；

●Error错误代码：参数存储该子程序运行时的错误代码；●C_Pos当前位置：

参数表示运动轴的当前位置●C_Speed当前速度：参数提供运动轴的当前速度。●C_Dir当前方向：参数表示电机的当前方向：信号状态0=正向；信号状态1=反向；

2．AXISx_MAN子程序（手动模式）功能：将运动轴置为手动模式。这允许电机按不同的速度运行，或沿正向或负向慢进。

使能手动子程序●RUN：手动启动/停止。

参数会命令运动轴加速至指定的速度和方向；禁用RUN参数会命令运动轴减速，直至电机停止；●JOG_P（点动正向旋转）或JOG_N（点动反向旋转）参数会命令运动轴正向或反向点动。●Speed参数决定启用RUN时的速度。设定手动运行方向注意：同一时间仅能启用RUN、JOG_P或JOG_N输入之一。3．AXISx_GOTO子程序功能：命令运动轴转到所需位置。●START参数开启会向运动轴发出GOTO命令，为了确保仅发送了一个GOTO命令，请使用边沿检测元素用脉冲方式开启START参数；

●Pos参数包含一个数值，指示要移动的位置（绝对移动）或要移动的距离（相对移动）。●Speed参数确定该移动的最高速度。根据所选的测量单位，该值是脉冲数/每秒(DINT)或工程单位数/每秒(REAL)；

●Mode参数选择移动的类型：

0：绝对位置

1：相对位置

2：单速连续正向旋转

3：单速连续反向旋转●Abort参数启动会命令运动轴停止当前包络并减速，直至电机停止。4．AXISx_RUN子程序（运行包络）功能：命令运动轴按照存储在组态/包络表的特定包络执行运动操作，其指令格式如图所示。使能包络运动子程序●START启动允许：

参数开启将向运动轴发出RUN命令为了确保仅发送了一个命令，请使用边沿检测元素用脉冲方式开启START参数；●Profile包络编号：

参数包含运动包络的编号或符号名称。“Profile”输入必须介于0-31。否则子例程将返回错误；

●Abort终止命令：参数会命令运动轴停止当前包络并减速，直至电机停止；完成信号，ON表示完成错误代码●C_Profile参数包含运动轴当前执行的包络；

●C_Step参数包含目前正在执行的包络步。当前位置当前速度05二月20235.运动控制指令举例任务实施【训练工具、材料和设备】按钮2个通用电工工具1套导线若干PLC1台步进电机1台步进驱动器1台2kΩ电阻3个1．硬件电路输

入输

出输入继电器输入元件作

用输出继电器输出元件作

用I0.0SB1启动按钮Q0.0PUL+脉冲信号I0.1SB2停止按钮Q0.2DIR+方向控制Q0.2=0，正转Q