传感器与自动检测技术（第二版）工业传感器的综合实训

工业传感器的综合实训本章学习的主要内容：11.1小车自动往返系统11.2温湿度监控报警系统11.3水塔水位模型控制系统11.1小车自动往返系统一、实训目的1.熟悉S7-1200PLC轴工艺对象的使用；2.掌握步进驱动器及传感器件的使用；3.掌握Portal软件的基本操作；二、实训仪器与设备1.智能传感实验台

1台2.小车运动控制模型（滚轴丝杠或皮带启停）1套3.连接导线

若干三、实训原理1.设计要求设计一个小车运动控制程序，实现滑台在左右限位之间自动往返运动。2.步进系统介绍（1）步进驱动器

本小车运动控制模型使用深圳雷赛公司数字式步进电机驱动器DM556，可以设置200至51200内的任意细分以及额定电流内的任意电流值，即使在低细分的条件下，也能够达到高细分的效果,保证低中高速运行平稳。电流设定方便，可在0.1-5.6A之间任意选择。脉冲响应频率最高可达200KHz，具有过压、欠压、短路等保护功能。名称功能PUL+（+5V）脉冲控制信号：脉冲上升沿有效；PUL-高电平时4～5V，低电平时0～0.5V。为了可靠响应脉冲信号，脉冲宽度应大于1.2μs。如采用+12V或+24V时需串电阻。PUL-（PUL）DIR+（+5V）方向信号：高/低电平信号，为保证电机可靠换向，方向信号应先于脉冲信号至少5μs建立。电机的初始运行方向与电机的接线有关，互换任一相绕组（如A+、A-交换）可以改变电机初始运行的方向，DIR-高电平时4～5V，低电平时0～0.5V。DIR-（DIR）ENA+（+5V）使能信号：此输入信号用于使能或禁止。ENA+接+5V，ENA-接低电平（或内部光耦导通）时，驱动器将切断电机各相的电流使电机处于自由状态，此时步进脉冲不被响应。当不需用此功能时，使能信号端悬空即可。ENA（-ENA）表11-1控制信号接口说明表11-2线号标识符说明标识符含义标识符含义PULSE+脉冲输入正GND电源负PULSE-脉冲输入负VDC电源正DIR+方向输入正A+电机A相线圈DIR-脉冲输入负A-ENA+使能信号输入+B+电机B相线圈ENA-使能信号输入-B-表11-3工作电流设定说明（动态）输出峰值电流输出均值电流SW1SW2SW3电流自设定Defaultoffoffoff当SW1、SW2、SW3设为offoffoff时,可以通过PC软件设定为所需电流，最大值为5.6A，分辨率为0.1A。不设置则默认电流为1.4A。2.1A1.5Aonoffoff2.7A1.9Aoffonoff3.2A2.3Aononoff3.8A2.7Aoffoffon4.3A3.1Aonoffon4.9A3.5Aoffonon5.6A4.0Aononon

静态电流可用SW4拨码开关设定，off表示静态电流设为动态电流的一半，on表示静态电流与动态电流相同。一般将SW4设成off，使得电机和驱动器的发热减少，可靠性提高。脉冲串停止后约0.4秒左右电流自动减至一半左右（实际值的60％），发热量理论上减至36％。表11-4细分设定说明步数/转SW5SW6SW7SW8

Defaultonononon当SW5、SW6、SW7、SW8都为on时，驱动器细分采用驱动器内部默认细分数：用户通过PC机软件ProTuner或STU调试器进行细分数设置，最小值为1，分辨率为1，最大值为25600。400offononon800onoffonon1600offoffonon3200ononoffon6400offonoffon12800onoffoffon25600offoffoffon1000onononoff2000offononoff4000onoffonoff5000offoffonoff8000ononoffoff10000offonoffoff20000onoffoffoff25000offoffoffoff

DM556驱动器采用差分式接口电路可适用差分信号，单端共阴、共阳等接口，内置高速光电耦合器，允许接收长线驱动器，集电极开路和PNP输出电路的信号。在环境恶劣的场合，推荐用长线驱动器电路，抗干扰能力强。现在以集电极开路和PNP输出为例，接口电路示意图：图11-1输入信号接口线路图注意：VCC值为5V时，R短接；VCC值为12V时，R为1K，大于等于1/4W电阻；VCC值为24V时，R为2K，大于等于1/4W电阻；

本实验使用西门子PLC进行脉冲输出，其与DM556外部线路连接如图11-2所示，图示为共阳极接法：图11-2西门子PLC与DM556共阳极接法示意图（2）步进电机模型使用深圳雷赛57HS22型两相步进电机，其与DM556驱动器的接线如图11-3所示：实验模型已将驱动器与电机进行了连接，所以实验时无需另行连接。图11-3步进电机接线图四、实训内容及步骤第1步：电气回路接线根据I/O分配表（表11-5）以及接线图（图11-4）进行接线，实验所用导线为2号护套线，直接将实验模型与智能传感器学习平台上2号护套插座对应连接即可，连接后经检查无误后才可接通电源。表11-5PLCI/O分配表数字量输入数字量输出启动/停止Ia.0(I0.0)脉冲输出PUL+Qa.0(Q0.0)左限位Ia.2(I0.2)方向输出DIR+Qa.1(Q0.1)初始位Ia.3(I0.3)

右限位Ia.4(I0.4)

回原点Ia.5(I0.5)

左移Ia.6(I0.6)

右移Ia.7(I0.7)

复位Ib.0(I1.0)

图11-4实验接线图实验接线说明：1)“启/停”信号使用小车模型接口面板上按钮开关1常开触点；2)“左限位”信号使用安装于模型左侧的电容传感器，“右限位”信号使用安装于右侧的电容传感器；“初始位”信号使用安装于中间的电容传感器。电容传感器为三线制（红蓝黑），红线接24V+，黑线接GND，蓝色线为信号输出端。模型集成的电容式传感器，接通时输出低电平，非接通时输出高电平，所以需要PLC的1M端接24V+，输入低电平有效。模型的移动滑块先置于“初始位”传感器和“右限位”传感器之间。3)实验接线图中24VDC“①”已经在台体内部连接好，无需另接，只需将实验台体面板上PLC区域的开关切换至“ON”即可向PLC供电。24VDC“②”使用实验台面板PLC区域的“传感器电源”，24VDC“③”使用实验台面板PLC区域的“开关电源”。接线时注意正负极不可接反。第2步：系统及模块上电使用三极电源线将220V交流电引到实验台，合上实验台面板上电源总开关（断路器），实验台电源指示灯点亮；触摸屏得电点亮；闭合实验台面板上PLC电源开关（红色船型开关），PLC主机得电，运行/停止指示灯变绿。第3步：组态及程序设计、下载、网络连接将PLC程序及触摸屏组态程序分别下载到CPU1215C和MCGS触屏。使用网线将触摸屏与PLC相连，实现通讯。在设计触屏组态以及与PLC通讯时，需注意以下细节：1200PLC的DB块的建立与查看

与PLC通信，须把数据块的“优化的块访问”去掉。同时设备属性中选中连接机制，勾选“允许来自远程对象PUT/GET通信访问。右击DB块选择属性，去掉勾选，如图11-5。图11-5数据块_属性设定1200PLC的DB块的建立与查看

这时候DB块的变量都有一个偏移量。在MCGS中连接变量时变量地址将以数据块中Static_1到Static_5的偏移量为准，如图11-6。图11-6数据块各变量偏移量MCGS组态（1）图11-7为范例组态界面，实验人员可自行设计组态程序，以符合自身实验要求和使用习惯。组态设计的规范和说明请参考MCGS提供的帮助文档。图11-7小车运动模型组态界面（2）在触摸屏上电瞬间，手指一直按击触摸屏的任意位置，出现MCGS的启动界面，在这里可以查看当前的IP地址，如图11-8。图11-8触摸屏IP地址（3）组态程序的下载有两种方法，一种是使用USB线（一端USB-A型公头，一端USB-B公头），一种是使用以太网线。正常启动屏幕后通过USB线与屏幕连接，单击下载出现下载界面，连接方式选择“USB通信”，单击连接运行，再单击“通信测试”可以测试一下是否连接成功。连接成功后，点击工程下载按钮，下载完毕，再点击启动运行，或点击触摸屏上启动运行工程按钮。下载配置如图11-9。图11-9使用USB数据线下载工程配置界面

使用以太网线下载工程以及在与PLC通信时，应将MCGS的IP设为与PLC地址同一网段。（4）用网线与触摸屏连接，打开下载界面，通信方式选择“TCP/IP网络”，目标机名填写上一个步骤查到的IP地址，自己电脑的IP也要和触摸屏同一网段（子网掩码相同，IP地址前三位相同，最后一位不同）。单击“连机运行”再单击“通信测试”可以测试一下是否连接成功。连接成功后，单击“高级操作”，可设置新的IP地址。单击“设置IP地址”，在里面填写和PLC一样网段的IP和相同的子网掩码。单击“确认”。这时候需要给触摸屏重新上电才能使新IP生效。（5）添加Siemens_1200设备：打开设备窗口，右击空白位置可以打开“设备工具箱”，在工具箱中找到Siemens_1200，双击添加。如果找不到，单击“设备工具箱”里的“设备管理”，找到Siemens_1200并安装。如图11-10示。图11-10添加Siemens1200设备（6）添加通信的通道：在MCGS软件中把驱动程序“Siemens_1200”加入到设备窗口之后，双击打开“设备编辑窗口”，在该窗口的远端IP地址输入S7-1200的IP地址，本地IP地址输入触摸屏的IP地址。设置完成之后，将程序下载到触摸屏。触摸屏与S7-1200用网线连接，实现通讯。设备编辑窗口如图11-11所示。图11-11设备编辑窗口（7）单击“增加设备通道”，对于DB块的数据，通道类型选择“V数据寄存器”，若PORTALV15中设定的DB块的标号为6，Static_5的偏移量为10。数据类型选择“32位浮点数”，通道地址为6.10（6表示DB编号，10代表偏移量）。变量Static_5对应通道设置如图11-12所示。图11-12变量Static_5对应通道设置第4步：启动运行并观察实验点击一次启停按钮，轴使能；再次点击，取消轴使能。轴使能后，点击左移右移可移动滑块左移或右移，当滑块处于原点和右限位中间某一位置时，点击回原点，滑块将向左移动寻找原点开关，并最终将滑块右端定位在原点开关侧。实时速度和实际位置显示在数显框中。组态中小车模型随实际模型滑块的移动而移动。第5步：停止实验再次按下“启动/停止”按钮，模型停止运行；依次关闭PLC电源开关，电源总开关；拆除实验导线和网线。五、参考程序下面对程序范例进行说明。图11-13所示为启停控制程序段1和程序段2，程序段1中，I0.0或M500.0触发上升沿时计数器开始计数，当计数值大于等于2时，复位计数器。程序段2中当计数值等于1时，起停标志位置位。图11-13启停控制程序段1和程序段2

图11-14所示程序段3中，当计数值不等于1时，将启停标志位复位，将上一次扫描过程存储的信号状态清零，以存储本次扫描的信号状态。图11-14启停控制程序段3

图11-15所示程序段4，启用禁用轴工艺对象，当启停标志位M50.0置位时，轴工艺对象将启用；当M50.0复位时，根据组态的“StopMode”的值，中断当前所有作业，停止并禁用轴。

停止模式StopMode的值为0：为紧急停止模式，按照轴工艺对象参数中的“急停”速度停止轴。轴在变为静止状态后被禁用。停止模式StopMode的值为1：为立即停止模式，PLC将根据基于频率的减速度，停止脉冲输出。输出频率≥100Hz时，减速度持续最长30ms；输出频率<100Hz时，减速度为30ms；输出频率为2Hz时，最长1.5s。停止模式StopMode的值为2：为带有加速度变化率控制的紧急停止。如果禁用轴的请求处于待决状态，则轴将以组态的急停减速度进行制动。如果激活了加速度变化率控制，会将已组态的加速度变化率考虑在内。轴在变为静止状态后被禁用。图11-15启用禁用轴工艺对象

图11-16所示程序段5和程序段6，实现轴归位（回原点）功能，使用“MC_Home”运动控制指令可将轴坐标与实际物理驱动器位置匹配。轴的绝对定位需要回原点。回原点的类型有主动回原点、被动回原点、直接绝对回原点、直接相对回原点、绝对编码器相对调节、绝对编码器绝对调节模式。回原点模式说明如下：绝对式直接回原点(Mode=0)：当前轴位置被设置为参数“Position”的值。相对式直接回原点(Mode=1)：当前轴位置的偏移量为参数“Position”的值。被动回原点(Mode=2)：在被动回原点期间，指令MC_Home不会执行任何回原点运动。用户必须通过其它运动控制指令来执行该步骤所需的行进运动。检测到参考点开关时，轴将回到原点。主动回原点(Mode=3)：自动执行回原点步骤。本例程使用主动回原点模式。图11-16轴归位指令

图11-17所示程序段7，通过运动控制指令“MC_MoveJog”，在点动模式下以指定的速度连续移动轴。可以使用该运动控制指令进行测试和调试。图11-17点动模式下移动轴指令

图11-18所示程序段8和程序段9，轴复位指令“MC_Reset”可用于确认“伴随轴停止出现的运行错误”和“组态错误”。并重新启动轴工艺对象。图11-18轴复位指令

如图11-19和图11-20所示，“MC_ReadParam”运动控制指令可连续读取轴的运动数据和状态消息。可以读取的运动数据和状态消息：轴的位置设定值、速度设定值和实际值、轴距目标位置的当前距离、目标位置、实际位置、当前跟随误差、驱动器状态、编码器状态、状态位、错误位。程序段10将轴速度值存储到DB6数据块寄存器Static_4中，程序段11将轴位置值存储到DB6数据块寄存器Static_5中。图11-19连续读取轴速度值图11-20连续读取轴位置值11.2温湿度监控报警系统一、实训目的1.熟悉温度、湿度传感器参数性能；2.熟悉温湿度控制原理；3.熟练掌握运用温湿度控制仪控制模型的方法；4.熟练掌握PLC各种指令的编程方法；5.熟练掌握程序调试的步骤和方法。6.掌握构建实际PLC控制系统的能力。二、实训仪器与设备1.智能传感实验台1台2.温湿度控制模型1套3.安全连接导线若干4.专用航空插头连接电缆1根5.专用220V电源插头线1根三、实训原理

温湿度控制模型包含丰富的硬件资源，根据机电、自动化、过程控制、自动控制等相关教学大纲的要求进行设计。通过对水塔水位的循环控制，使得学生能熟悉系统中各关键功能部件的功能、性能及应用。同时熟悉不同的控制方法。本模型的对象与控制模块相互独立，教学实验时通过专用航空插头线连接以传递控制信号，通过专用电源插头线将实验台体220V交流电源引入控制模块。控制对象集成了温湿度传感器、加湿器、加热器及调压模块、仪表专用温湿度传感器，对象采用不锈钢与透明有机玻璃材料，确保了稳固的结构和观察实验现象的便利性。实验时可以通过温湿度控制仪进行控制，也可以通过相关接口端子实现PLC控制。

控制对象前视图和上视图分别见图11-21和图11-22。图11-21控制对象前视图图11-22控制对象上视图

两个风扇主要用作排湿，也可作为降温用，其中风扇1吸气，风扇2排气，加快对象换气速度。控制模块集成温湿度控制仪表、模式转换开关、风扇控制继电器、保险丝管、仪表电源开关，信号及控制电源输入输出接口。模式开关切换至仪表控制模式时，风扇和加热器由仪表控制，仪表输出220V直接加载到加热器加热，此时不经过调压器调压。模式开关切换至PLC控制时，仪表供电电源被切断，温湿度信号经面板接口端子引入PLC输入端，PLC模拟输出端输出模拟电压作为调压器的控制电压，调压器输出电压控制加热器，实现温度的PID调节控制。四、实训内容及步骤第1步：电气回路接线理解实验的原理及控制要求，正确连接导线。模块电源通过专用220V电源插头线引入模块面板的L/N接口，如图11-23所示控制模块面板示意图。220V~输入，四号护套插座图11-23控制模块面板示意图

在仪表控制模式时，需连接航空插座电缆和专用电源电缆以及5V直流电源。在PLC控制模式时，需连接航空插座电缆和专用电源电缆以及5V直流电源，以及使用二号护套线连接实验台面板上PLC接口端子与控制模块面板上接口端子。表11-5控制接线表仪表控制模式电源插头线:红+————L实验台:5V+————加湿:5V+电源插头线:蓝+————N实验台:GND————加湿:GNDPLC控制模式电源插头线:红+————L温度:Vout————PLC:AI0电源插头线:蓝+————N湿度:Vout————PLC:AI1实验台:5V+————加湿:5V+TY:GND————PLC:2M实验台:GND————加湿:GNDTY:GND————TY:Vout-PLC:L+————温度:24V+PLC:AQ0————TY:Vout+温度:24V+————湿度:24V+实验台:24V+————PLC:4L+PLC:M————PLC:3M实验台:24VGND————KA:GNDPLC:M————温度:GNDPLC:Qa.0————KA:24V+温度:GND————湿度:GND图11-24CPU1215CDC/DC/DCPLC接线图第2步：控制模式选择选择仪表控制模式时，须在仪表面板上设定仪表相关参数。下面主要讲述PLC控制模式相关内容，仪表控制请自行参考仪表相关使用手册进行参数设置和温湿度控制。控制方式切换开关逆时针方向扭动，选定PLCC控制模式；确认线路接线无误，接通工作电源开关。第3步：组态及程序设计、下载、网络连接（从左到右三个网口分别对应：触摸屏、PLC-P1口、PLC-P2口）1200PLC的DB块的建立，PLC程序下载，MCGS组态界面的操作、下载、配置，添加Siemens_1200设备，添加通信的通道等内容，请参考“小车模型运动控制实训”章节内容。

温湿度控制模型组态如图11-25所示，使用北京昆仑通态人机界面，组态界面集成启动停止按钮，温度设定输入，温湿度显示输出，PID调节输出显示，温度曲线显示等功能。图11-25温湿度控制模型组态界面第4步：启动运行，观察实验现象并记录实验数据

点击触摸屏启动/停止按钮，点击一次为启动，点击两次停止。在“设定温度”右面的输入框输入目标温度值，点击一次启动/停止按钮，系统启动运行。如果实际温度值低于设定温度值，则PLC开始进行PID调节，驱动电压调节模块工作，加热模块开始加热。实际温度超过设定温度时，PID输出降低或关闭。第5步：停止实验再次按下“启动/停止”按钮，模型停止运行；依次关闭PLC电源开关，电源总开关；拆除实验导线和网线。五、参考程序图11-26所示为PID程序：在周期中断OB的恒定时间范围内调用工艺指令PID_Compact。图11-26PID工艺指令

以下为主程序说明。图11-27所示程序段1，将触摸屏上设置的温度设定值（存入Static_3中），移动到指定变量中，并增加0.3度作为温度上限值。实验时可根据需要自行修改温度上限值。图11-28所示程序段2，将触摸屏上设置的温度设定值减少0.2度作为温度下限值。图11-27设定温度值上限值图11-28设定温度值下限值

图11-29所示程序段3和图11-30所示程序段4，将从模拟量输入通道AI0采集的模拟量值转换为实际温度值。其中程序段3将采集的整型值转换为双整型再转换成实型；程序段4对该实型值进行数学处理，换算成实际温度值并存储到DB6数据块中。图11-29采集通道AI0的模拟量图11-30AI0模拟量值转换为实际温度值

图11-31所示程序段5和图11-32所示程序段6，将从模拟量输入通道AI1采集的模拟量值转换为实际湿度值。程序段5将输入值转换为实型，程序段6实现实际湿度值的变换。图11-31采集通道AI1的模拟量图11-32AI1模拟量值转换为实际湿度值

图11-33所示程序段7，复位起停上升沿信号的信号状态存储位，使得上升沿信号有效。图11-33复位指令使得上升沿有效

图11-34所示程序段8实现启停控制，当按一次启停按钮，检测到一个输入信号I1.0或M500.0的上升沿信号，计数器计数1，启停标志位置位；再次按下按钮，计数器计数2，启停标志位复位。图11-34启停控制指令

图11-35所示程序段9判断实际温度超出上限值时，模拟量输出置零，实际温度低于下限值时，模拟量输出最大，同时模拟量输出值传送到数据块DB6的变量Static_4中，供触摸屏显示用。图11-35温度控制逻辑一

图11-36所示程序段10判断实际温度处于上限和下限值之间时，PID控制标志位置位；程序段11允许将PID指令的输出值赋予模拟量输出通道。图11-36温度控制逻辑二

图11-37所示程序段12和程序段13判断实际湿度大于35时启动排风扇。图11-37温度控制逻辑三11.3水塔水位模型控制系统一、实训目的1.熟悉液位传感器参数性能；2.熟悉水塔水位运行原理；3.熟练掌握运用液位差计控制模型的方法；4.熟练掌握PLC各种指令的编程方法；5.熟练掌握程序调试的步骤和方法。6.掌握构建实际PLC控制系统的能力。二、实训仪器与设备1.智能传感实验台1台2.水塔水位模型1套3.连接导线若干三、实训原理1.控制对象图11-38所示模型主要包含水箱、液位计、液位差计、有机玻璃水塔、阀、泵等部件。水塔水位模型根据机电、自动化、过程控制、自动控制等相关教学大纲的要求进行设计。通过对水塔水位的循环控制，使得学生能熟悉系统中各关键功能部件的功能、性能及应用。同时熟悉不同的控制方法。

本水塔水位模型将对象与控制模块集成在一体，方便教学实验。图11-38水塔水位模型

水箱内部有纵隔，将水箱分割成独立的两个容器。水箱底部设置管路，有排水管路和水箱连通管路，水箱连通管路通过电磁阀将两个水箱连通，其作用是：根据实验需要，控制电磁阀的通断，以模拟一个水箱向另一个水箱注水的情境。水塔底部安装有液位计，球阀排水回路，电磁阀排水回路。水塔排水时，水流经过水箱上方盖板的不锈钢网进入水箱，具体进入哪个水箱，根据实际需求选定。（改变水管朝向即可改变水流落点，从而选择注入的水箱。）控制箱集成了电位差计、中间继电器、开关、保险等硬件资源，实验时可以通过液位差计进行水塔水位控制，也可以通过相关接口端子实现PLC的水位控制。水泵为两用型微型泵，抽水管通过水箱盖板上的圆孔置入水箱，根据实验需要置入水箱一或水箱二。出水管接入水塔侧壁的宝塔接头。2.水位控制要求给定水塔水位的目标值，设置水位上限值和下限值。当水塔水位低于下限时，水泵得电工作，开始向水塔注水，水塔水位到达上限值，水泵关闭。打开水箱出水球阀，水塔水位降低，低于下限时，水泵开始抽水。循环往复。可根据现有资源扩展设计其他实验内容。四、实训内容及步骤第1步：电气回路接线理解实验的原理及控制要求，正确连接导线。通过安全护套线将24V直流电源从实验台面板上引入模块，如图11-39所示控制模块面板示意图。电源供电图11-39水塔水位模型控制面板

液位差计控制模式具体接线遵照表11-6所示。工作电源接通后，还需要接通“仪表电源”开关。表11-6使用仪表控制时的接线表：序号起始端——终到端1LT3:+————SEN1:+2LT3:-————SEN1:-324V:+————AH:14AH:2————KA2:+5KA2:-————GND6AH:1————AL:17AL:2————M:+8M:-————KA2:-

PLC控制模式使用PLC控制详细接线见表11-7。表11-7使用PLC控制时的接线表：序号起始端——终到端1传感台开关电源：24V+————面板：24V2传感台开关电源：GND————面板：GND3PLC：AI0————面板：LT3+4PLC：3M————面板：LT3-5传感台传感器电源：M————PLC：3M6传感台传感器电源：M————PLC：1M7PLC：L+————传感台：K1-18传感台：K1-2————PLC：I1.09实验台：24V+————PLC：4L+10实验台：24VGND————面板：KA2-11面板：KA2-————面板：M-12PLC：Q0.2————面板：M+13PLC：Q0.4————面板：KA2+

模型中液位传感器、微型水泵、电磁阀的信号线、电源线，经过控制模块盒底部的穿线孔引入控制面板上相应的接口插座（面板左下角区域）；将液位差计接线端子引到面板右下角区域的接口插座上。系统运行时，通过控制中间继电器KA1、KA2常开触点的通断来控制电磁阀的动作，以免PLC控制模式下，回路电流过大损坏PLC输出端子。RS-485插头接3、8引脚。第2步：组态及程序设计、下载、网络连接1200PLC的DB块的建立，MCGS组态界面的操作、下载、配置，添加Siemens_1200设备，添加通信的通道（见图11-40）等内容，请参考“小车模型运动控制实训”章节内容。组态