浅谈西门子PLC对大量步进电动机的控制应用

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　　【摘要】西门子PLC具有可靠性高、功能强大、使用方便、编程简单、抗干扰强等优点，在工业控制领域得到了广泛应用。本文详细介绍了西门子PLC对大量步进电机的控制方法和编程技术，实现了西门子PLC对大量步进电机的控制和与主控系统进行高效率通信的功能。在实验的基础上验证了该方案的可行性，并且并给出了硬件连接示例和完整的软件程序。
　　【关键词】步进电机；软件程序；西门子；PLC
　　【中图分类号】TU【文献标识码】【文章编号】1674-3954（2011）02-0154-01
　　
　　步进电动机是控制系统中的执行单元，是一种利用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行电机。由于计算机技术的发展，使得步进电动机获得了广泛的应用和普及，特别是数控机床、计算机外围设备、钟表、数字控制系统、程序控制系统以及许多航天工业装置中得到应用。随着步进伺服驱动控制技术的发展，步进伺服驱动细分精度的提高以及电力电子器件的发展，逐步克服了震荡、失步和发热的不足，性价比大幅度提升，广泛应用于工业机械精密定位的控制。当前用于工业控制的计算机控制系统主要有：PLC控制系统、基于PC总线的工业控制计算机（IPC）系统、基于单片机的测控系统、集散控制系统DCS）和现场总线控制系统（FCS）。而其中的PLC因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。但对于大量的步进电机，由于数量多，时序相对复杂，这使得控制难度增大。
　　一、硬件设计
　　1、系统概述
　　该系统为激光参数测量的电控系统，主要功能是完成对光束的控制、数据的采集、光路的准直等，控制特点是被控设备多而且分散，数据传输量大，因此硬件设计采用基于网络技术的分层分布式设计，使控制硬件系统形成一个有机整体，提高系统运行和维护的便捷性，并具有开放性、实用性、可靠性等综合能力。控制系统有6个束组FEP，每一个束组FEP控制264个电机，该图只画出了两个步进电机。分控计算机与1000M光纤网络连接，位于主控制室内，作为控制设备和测量设备的远程控制中心。光纤交换机通过网络接口向上与现场工业以太网相连，向下通过CP343-1，以太网模块连接S7-300PLC。S7-300PLC通过DP口连接EM277模块，底层每个S7-200PLC模块与EM277模块相连，CPU224有两路脉冲输出Q0.0和QO.1，可以同时控制两台步进电机。
　　2、系统配置
　　CPU315-2DP:具有大容量的程序存储器和户ROFIBUS-DP主/从接口的CPU模块，可以使用集成的I/0点处理运动控制工艺技术功能。对于运动控制功能的编程，提供符合PLC open标准功能块(FB)，在用户程序中可以调用这些功能模块，可最大程度地降低工程与组态、调试和维护费用。标准功能块直接集成在固件中，占用的CPU工作内存很少，可以提高运行效率。
　　(1)CP343-1:全双工以太网通信处理器，通过工业以太网以1ooMbit/s比的数据传输速率直接将57-300集成到综合系统中，拥有一个预定的唯一以太网地址，通过网络可直接使用，能独立处理工业以太网上的数据拥塞。
　　(2)CPU224:集成14输入/10输出共24个数字量l/O点，16K字节程序和数据存储空间，具有PIO控制器。1个RS485通讯/编程口，具有户Pl通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的控制器。2路独立的20kHz高速脉冲输出，每一路都可以用来产生控制步进电机驱动器的脉冲。
　　(3)EM277:PROIBUS-DP模块，用于自动化系统中单元级控制设备与分布式l/O的通信。经过EM277的DP通信端口将s7-200CPU连接到PROFIBUS-DP网络，各EM277之间经过串行I/0总线通信。EM277的DP口可运行于9600bit/s和12Mbit/s之间的任何PROFIBUS波特率。
　　(4)步进电机:可采用北京四通的两相混合式步进电机，28系列型号为28BYG25OC，42系列型号为42BYG250C。
　　(5)驱动器:选用与步进电机配套的四通驱动器SH-20403，该驱动器采用H桥恒相电流PWM驱动，具有输出电流选择、细分选择、脱机保持、节能的自动半电流锁定、输入信号光电隔离以及错相保护等功能。
　　二、软件设计
　　1、系统软件配置
　　该系统以SIMATIC STEP7 V5. 3、STEP 7MicroW-NV40SP4和WinCCV6.0为软件开发平台。STEP7V5.3编程软件主要完成S7-300硬件组态配置，物理地址配置，网络通信端口配置, OB、FB、FC编程等任务。STEP7Micro/W N编程软件能够很容易地对S7-200进行编程。
　　上位机组态软件Win CC V6.0向用户提供了极大的应用灵活性和系统开放性，在工业自动化领域有着广泛的应用，它可以通过操作画面对实现数据进行监控， STEP 7中定义的变量可以在Win CC中直接使用，这将大幅降低工程时间。
　　2、硬件组态
　　SIMATIC STEP7H/Wconfig中组态配置内容包括:硬件名称、类型选择和DP网络参数设置（主从站地址、传输速率、操作模式）等。S7-300与S7-200通过EM277进行PROFIBUS通讯，需要在STEP7中进行S7-300站组态。首先，安装新的GSD文件，安装完成后才能在硬件设备中找到EM277。在组态过程中需设定CPU315-2DP的地址，其默认值为2，组态中EM277的地址不能与主站的地址重复， STEP7V5.3中组态的EM277 PROFIBUS站地址要与实际EM277上的拨码开关设定的地址相一致，最后选择EM277的通信接口区大小为32 byte输入/输出。组态完成后，将硬件信息下载到S7-300的PLC中。
　　三、步进电机控制流程
　　步进电机的工作原理就是接收控制器或计算机发出的脉冲信号而动作，给一个脉冲，步进电机就转动一个角度或前进一步。电机驱动器将控制脉冲按照某种模式转换成步进电机线圈的电流，产生旋转磁场，使得转子只能按固定的步数来改变它的位置。连续的脉冲序列产生与其对应的同频率(同步机)步序列，如果控制频率足够高，步进电机的转动可看作一个连续的转动。
　　电机所带负载电移台有两种动作二限位和到位，限位或到位信号接入到57-ZOOPLC的输入端。当要求电移台完成限位动作时，PLC收到上位机的指令后指令电机向某方向转动，电机碰到限位开关就停止运动，同时反馈单元向100OM光纤网报告已经完成限位动作；当要求完成到位动作时，电机驱动器把户LC给定的脉冲数加给电机，电机按照该脉冲数带动负载运动一定的步距角，反馈单元报告负载的位置，分控计算机判断是否到位，如果到位则命令PLC停止动作，否则再通过分控计算机通过计算脉冲数向户LC发指令再次命令步进电机动作。
　　四、结语
　　该系统应用西门子PLC实现了对大量步进电机的控制，分布式I/O之间数据传输采用PRROFIBUS-DP协议通讯方式，大大降低了现场设备连接的工作量和费用，提高了信号传输精度和灵活性，降低了系统成本，并且也给系统的调试和设备维护带来了方便。
　　
　　参考文献：
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