西门子高速布尔处理器代理商
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詹雪芬 9 9：85011-1590
用PLC实现步进电机的直接控制
步进电机的可编程控制器直接控制，可使组合机床自动生产线控制系统的成本显著下降。文章介绍了用PLC控制步进电机驱动的数控滑台方法，伺服控制、驱动及接口以及步进电机PLC控制的软件逻辑。
1 概述
在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；（2）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；（3）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其的性能。PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70~90%，甚至只占用自动线控制单元PLC的3~5个I/O接口及<1KB的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。
2 PLC控制的数控滑台结构
一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，见图1。
图1
伺服传动机构中的齿轮Z1、Z2应该采取消隙措施，避免产生反向死区或使加工精度下降；而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求，确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副，具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成本较高且不能自锁。
3 数控滑台的PLC控制方法
数控滑台的控制因素主要有三个：
3.1 行程控制
一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的转角，因此只要控制步进电机的转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：
n= DL/d （1）
式中 DL——伺服机构的位移量（mm），d ——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）
3.2 进给速度控制
伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率:
f=Vf/60d (Hz) （2）
式中 Vf——伺服机构的进给速度(mm/min)
3.3 进给方向控制
进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。
4 PLC的软件控制逻辑
由滑台的PLC控制方法可知，应使步进电机的输入脉冲数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以利用PLC中的定时器构成，如图2所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。不同的PLC其高速脉冲的频率可达4000~6000Hz。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。
图2
5 伺服控制、驱动及接口
5.1 步进电机控制系统的组成
步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，其结构见图1。
控制系统中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量；同时通过编程控制脉冲频率——既伺服机构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。采用软环占用的PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数M>4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，目前市场有多种芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几~几十伏特、几十~几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。
5.2 可编程控制器的接口
如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用PLC的I/O口点数少于5点，一般仅为3点。其中I口占用一点，作为启动控制信号；O口占用2点，一点作为PLC的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端，如图3所示；伺服系统采用软件环行分配器时，其接口如图4。
6 应用实例与结论
将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个I/O接口，节省了CNC控制系统，其脉冲当量为0.01~0.05mm,进给速度为Vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求。
本系统采用西门子PLC300CPU和CP342-5、CP343-1的接口模块相连构成系统的主站。CP342-5是用于连接S7-300和 profibus-DP的主/从站接口模块，CP 343-1是用于连接S7-300和工业以太网的接口模块。在该控制系统中，除了上述主站外，从站是由 22个ET200S和22个ET200ECO组成，分别分布在两条profibus网络上。CPU上自带的profibus-DP接口构成 profibusⅠ线，CP 342-5接口模块构成profibusⅡ线。
系统中ET200S从站上采用的IM151-1接口模块有两种: 基本型和标准型，基本型的接口模块所能挂接的电源管理模块和I/O模块个数范围为2～12个，标准型的接口模块其范围为2～63个。所以当从站I/O模块较多时，宜选用标准型的接口模块。接口模块上带有profibus地址设定拨码开关。
系统中ET200ECO从站中选用了8DI和16DI两种模板，模板结构紧凑，模板的供电采用7/8电源线，模板的通讯采用M12通讯接头。接线灵活而快速，方便拔插。其接口模块上带有2个旋转式编码开关用于profibus地址分配。
网络设备按照适应工业现场环境的程度，以及生产线的布局来考虑选用不同防护等级。控制箱中的模块采用防护等级为20的ET200S I/O模块，对应每个控制箱的还有一个防护等级为67的ET200eco模块，置于生产线滚轮下方，由于该模块需要接触到现场较为恶劣的生产环境，因此需要有防水防油防尘等功能。
3 目标控制系统
3.1 系统设计汽车发动机装配线是一个对发动机顺序装配的流水线工艺过程。由于工艺的繁琐性，工程的计算机控制系统考虑采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，采用以西门子PLC为核心构成的计算机控制系统，各独立工位控制系统之间通过网络实现数据信息、资源共享。该装配线在整个生产过程中较为关键，由于每个工位之间是流水线生产，因此每个环节的控制都必须具备高可靠性和一定的灵敏度，才能保证生产的连续性和稳定性。从站中的每个ET200S站和其对应的ET200ECO站共同构成一个工位, ET200ECO主要是采集现场数据用。ET200S站的模块置于小型控制箱内, 对于工位的基本操作有两种方式，就地控制箱手动方式和就地自动方式。由于每个控制工位的操作进度不一致，操作工可以按照装配要求进行手自动切换。特殊情况下亦可通过手动操作进行工件位置的修正。
PC与S7-200系列PLC通信的连接 西门子PLC S7-200系列PLC有通信方式有三种：一种是点对点（PPI）方式，用于与该公司PLC编程器或其它人机接口产品的通信，其通信协议是不公开的。另一种为DP方式，这种方式使得PLC可以通过Profibus-DP通信接口接入Profibus现场总线网络，从而扩大PLC的使用范围。后一种方式是自由口通信（Freeport）方式，由用户定义通信协议，实现PLC与外设的通信。以下采用自由口通信方式，实现PC与S7-200系列PLC通信。 PC与S7-200系列PLC通信连接 PC为RS232C接口，S7-200系列自由口为RS485。因此PC的RS232接口必须先通过RS232/RS485转换器，再与PLC通信端口相连接，连接媒质可以是双绞线或电缆线。西门子公司提供的PC/PPI电缆带有RS232/RS485转换器，可直接采用PC/PPI电缆，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和PC的连接，如图7-17所示。也可实现多点连接。 图7-17 PC与S7-200系列PLC的连接 PLC编程应满足哪些要求 1、所编的程序要合乎所使用的PLC的有关的规定 主要是对指令要准确地理解，正确地使用。各种PLC指令多有类似之处，但还有些差异。对于有PLC使用经验的人，当选用另一种不太熟悉的型号进行编程设计时，一定要对号PLC的指令重新理解一遍，否则容易出错。 2、要使所编的程序尽可能简洁 简短的程序可以节省内存，简化调试，而且还可节省执行指令的时间，提高对输入的响应速度。要使所编的程序简短，就要注意编程方法，用好指令，用巧指令，还要能优化结构。要实现某种功能，一般而言，在达到的目的相同时，用功能强的指令比用功能单一的指令，程序步数可能会少些。 3、要使所编的程序尽可能清晰 这样既便于程序的调试、修改或补充，也便于别人了解和读懂程序。要想使程序清晰，就要注意程序的层次，讲究模块化、标准化。特别是在编制复杂的程序时，更要注意程序的层次，可积累自己的与吸收别人的经验，整理出一些标准的具有典型功能的程序，并尽可能使程序单元化，像计算机中的常用的一些子程序一样，移来移去都能用，这样，设计起来简单，别人也易了解。 4、要使所编的程序合乎PLC的性能指标及工作要求 所编程序的指令条数要少于所选用的PLC内存的容量，即程序在PLC中能放得下，所用的输入、输出点数要在所选用PLC的I/O点数范围之内，PLC的扫描时间要少于所选用PLC的程序运行监测时间。PLC的扫描时间不仅包括运行用户程序所需的时间，而且还包括运行系统程序，（如I/O处理、自监测）所需的时间。 5、所编程序能够循环运行 PLC的工作特点是循环反复、不间断地运行同一程序。运行从初始化后的状态开始，待控制对象完成了工作循环，则又返回初始化状态。只有这样才能使控制对象在新的工作周期中也得到相同的控制。
安装在各工位的分布式I/O模块ET200S和ET200eco通过现场检测元件和传感器将系统主要的监控参数（主要是开关量）采集进来，ET200S和ET200eco将现场模拟量信号转换为高精度的数据量，通过高速度可达12M的Profibus-DP现场总线网络将采集数据上传到中央控制器，控制器根据具体工艺要求进行处理，再通过Profibus-DP网络将控制输出下传给ET200S，实现各工位的控制流程。 PROFIBUS是全球应用广泛的过程现场总线系统。PROFIBUS有三种类型:FMS、DP和PA。PROFIBUS-FMS可用于通用自动化;PROFIBUS-DP用于制造业自动化;PROFIBUS-PA用于过程自动化。使用PROFIBUS过程现场总线技术可以使硬件、工程设计、安装调试和维修费用节省40%以上。PROFIBUS-DP的技术性能使它可以应用于工业自动化的一切领域，包括冶金、化工、环保、轻工、制药等领域。除了安装简单外，它有极高的传输速率，可达12Mbits/s，通讯距离可达到1000米，如果加入中继器可以将通讯距离延长到数十公里，具有多种网络拓扑结构（总线型、星型、环型）可供选择。在一个网段上多可连接Profibus-DP从站即ET200S或是ET200eco 32个。
整个控制系统根据工艺划分由转台、举升台、举升转移台、翻转机五种工位组成。各部分可独立完成各自的控制任务，并通过工业以太网实现和上位监控系统的连接，由上位系统实现各部分的协调控制。
装配I线工程PLC控制系统和网络通讯系统具有下列特点:
（1）计算机集成自动化过程控制系统，分布式、高可靠性、高稳定性。
（2）从站作为相对独立的系统分散控制各个工位的运行。
3.2 系统控制要点
（1）该系统网络中一个主站CPU下两条profibus网络所带的从站有44个之多，在利用STEP7 V5.5编程软件进行硬件配置时，根据S7-300CPU中CPU31XC的地址分配的参数规范，对于数字量输入输出，其地址分配的参数范围为0.0～127.7。因此在进行硬件配置时,西门子PLC S7-300CPU自带的profibus-DP接口上的profibus I线上的模块数字量I/O地址一般规定在0.0～127.7的范围中,如有出则采用间接寻址的方式来处理。profibus Ⅱ线上的模块的数字量I/O地址无论处个范围中,都必须采用间接寻址方式。
（2）关于接触器的硬件互锁。对于转台工位，转台有正转和反转两种工作状态，因此转台的回转电机需要有一个负荷开关和两个接触器一并来控制（而举升电机一般只需要一个负荷开关和对应的一个接触器即可进行控制），接触器分正转接触器和反转接触器，输入端为380AV。正转接触器的三相电压A、B、C分别和反转接触器的C、B、A短接。当程序在执行过程中，若存在某些漏洞使得正转接触器和反转接触器的输出点同时置1时，则会出现正转接触器和反转接触器各自的A相和C相短接，造成接触器短路损坏，主电源开关跳闸。为了避免这种事故的发生，首先保证程序中不能出现两个接触器同时置1的情况，其次即是采用接触器上硬件互锁，点Q1、点Q2是输出控制点，Q1两端本应接在正向接触器的两个输入端子，同理， Q1两端本应接在正向接触器的两个输入端子，但是改接成如图所示。接触器上有自带的一个常开点和一个常闭点，互锁中只需用到常闭点，当输出点Q1闭合时，正向接触器上常闭点随之断开，则Q2输出点两端之间不可能形成回路，也就不会出现短路跳闸的事故。
该项目中涉及到的变量数目较多，根据现场情况随时可能有更改，为了便于管理，采取S7程序界面和Wincc人机界面共用一套变量。这样可以将建立变量的工作量减少一半，也将出错概率减少一半。先安装西门子STEP 7软件，之后自定义安装西门子Wincc软件，将Wincc通讯组件安装完整。然后在西门子STEP 7软件中插入OS站，可点击右键打开并编辑Wincc项目。在Wincc项目中需要引用变量的位置进行变量选择，出现变量选择对话框，即可在西门子STEP 7项目变量表中选择需要的变量，从而保证人机界面和下位机所用变量的一致性。
3.3 系统控制功能
（1）手自动回路的切换在Wincc人机界面上可以很方便地知道每个工位的手自动状态，但是手自动状态的切换是在从站的控制箱面板上实现的。在自动状态下，工位的操作全由下位控制，可实现全自动控制机械的操作流程。在手动状态下，操作具有自保护功能，在某些机械操作动作下通过软件互锁可杜绝相应的危险动作的发生。
（2）安全保护上位监控系统设定了若干级操作密码，管理员和操作员分别有自己的操作权限，且操作员在进行操作时有必要的警告提示框和信息提示框出现。
（3）查询源程序代码当上位机画面显示某个工位出现故障时，可从画面直接点击按钮进入相应的下位机梯形图程序界面，即可迅速查找出故障的根本原因，节省了维修时间。
（4）故障报警和报表打印当设备出现故障时，报警框中会出现提示，并伴随有声音报警。操作员可根据需要打印与生产相关的报表信息。
4 结
西门子S7-300CPU通过两条profibus-DP网络连接若干ET200S和ET200ECO从站构成的集中分散式控制系统已经在该发动机装配线投运，能够保证生产线连续稳定地生产，尤其在机械动作灵敏度上有较大提高，完全满足了用户的要求。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。输入采样在输入采样阶段，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映象区中的相应得单元内。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。
用户程序执行
在用户程序执行阶段，PLC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。
输出刷新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。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。
X6132铣床常见电气故障原因分析 1．故障现象：主轴电动机M1不能起动，分析原因。 原因分析： 如果转换开关SA2在断开位置。则故障原因为： ①SQ6、SB1、SB2、SB5、SB6、KT延时触点任一个接触不良或者回路断路。 ②热继电器FR1、FR2动作后没有复位导致它们的常闭触点不能导通。 ③接触器KM1线圈断路。 2．故障现象：主轴电动机不能变速冲动或冲动时间过长，分析原因。 原因分析： ①SQ6-1触点或者时间继电器KT的触点接触不良。 ②冲动时间过长的原因是时间继电器KT的延时太长。 3．故障现象：工作台各个方向都不能进给 原因分析： ①KM1的辅助触点KM1（6-9）接触不良。 ②热继电器FR3动作后没有复位。 4．故障现象：进给不能变速冲动 原因分析： 如果工作台能正常各个方向进给，那么故障可能的原因是SQ5-1常开触点坏。 5．故障现象：工作台能够左、右和前、下运动而不能后、上运动 原因分析：由于工作台能左右运动，所以SQ1、SQ2没有故障；由于工作台能够向前、向下运动，所以SQ7、SQ8、SQ3没有故障，所以故障的可能原因是SQ4行程开关的常开触点SQ4-1接触不良。 6．故障现象：工作台能够左、右和前、后运动而不能上、下运动 原因分析：由于工作台能左右运动，所以SQ1、SQ2没有故障；由于工作台能前后运动，所以SQ3、SQ4、SQ7、YC4没有故障，因此故障可能的原因是SQ8常开触点接触不良或YC5线圈坏。 7．故障现象：工作台不能快速移动 原因分析：如果工作台能够正常进给，那么故障可能的原因是SB3或SB4、KM4常开触点，YC3线圈坏。 交流电机单向运转的启停控制线路图、PLC接线图和梯形图 交流电机单向运转的启停控制。 图1 继电器控制线路图 图2 PLC控制的接线图 图3 PLC梯形图 表1 PLC控制的助记符程序
S7-300 CPU 的六个性能等级
现有性能范围极宽的分级 CPU 系列，可用于组态控制器。
产品范围包括 7 种标准的 CPU、
7 种紧凑式 CPU、5 种故障防护型 CPU 以及 3 种工艺 CPU。
现有 CPU 的宽度仅 40mm
SIMATICS7-300 是我们全集成自动化设计的一部分，是销量大的控制器。
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在个实例中，SIMATIC S7-300 用于制造工艺中的创新性系统解决方案，特别是用于汽车工业，一般机械工程，特别是特殊机械制造和机器的连续生产 (OEM)，以及塑料加工、包装行业、食品和饮料工业和加工工程
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对于由于环境条件限制需要特殊的坚固性的应用，我们可以提供SIPLUS 极端设备。
6ES7 390-1AE80-0AA0 导轨(480mm)
6ES7 390-1AF30-0AA0 导轨(530mm)
6ES7 390-1AJ30-0AA0 导轨(830mm)
6ES7 390-1BC00-0AA0 导轨(2000mm)
6ES7 392-1AJ00-0AA0 20针前连接器
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西门子PLCS7-300系列PLC安装及注意事项
西门子S7-300安装注意事项一)辅助电源功率较小，只能带动小功率的设备(光电传感器等);
西门子S7-300安装注意事项二)一般PLC均有一定数量的占有点数(即空地址接线端子)，不要将线接上;
西门子S7-300安装注意事项三)PLC存在I/O响应延迟问题，尤其在快速响应设备中应加以注意。
西门子S7-300安装注意事项四)输出有继电器型，晶体管型(高速输出时宜选用)，输出可直接带轻负载(LED指示灯等
6GK1561-1AA01
SIMATIC NET, PB, CP 5611 通讯处理器，A2 PCI 卡（32 位；3.3/5V; 33/66 MHz），用于将编程器或带 PCI 总线的 PC 连接到 PROFIBUS 或 MPI（不支持 WIN9X ！）
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西门子一级代理商产品远销：
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6ES7 972-0BB12-0xA0 ：
90度电缆出线，集成终端电阻，9针 Sub-D插座，有编程口，不支持快速连接
6ES7 972-0BA12-0xA0 ：
90度电缆出线，集成终端电阻，9针 Sub-D插座，无编程口，不支持快速连接
6ES7 972-0BA42-0xA0 ：
35度电缆出线，集成终端电阻，9针 Sub-D插座，无编程口，支持快速连接
6ES7 972-0BA52-0xA0 ：
90度电缆出线，集成终端电阻，9针 Sub-D插座，无编程口，支持快速连接
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