本科畢業設計說明書（論文） 第 1 頁 共 37 頁 目次 1、緒論 . 3 1.1 選題背景及意義 . 3 1 2 國內外的應用現狀 . 3 1.3本文的主要工作 . 4 2 滑塊厚度檢測系統的整體結構 . 5 2 1檢測對象 . 5 2 2 測量傳動機構 . 5 2 3 滑塊的檢測原理 . 6 2 4分類機構 . 7 3 檢測平臺的控制系統設計 . 8 3 1控制系統的工藝要求 . 8 3 2系統的控制要求 . 9 3 3控制系統的 I/O點及地址分配 . 9 3 4 PLC系統的選型 . 11 3 5控制系統的硬件組成 . 11 3.6 控制系統與上位機的通信接口 . 12 4 控制系統的軟件設計 . 13 4 1上位機軟件 . 13 4 2 PLC控制軟件 . 15 4 2 1 PLC 主控軟件設計 . 15 4 2 2步進電機的開環運動控制 . 16 4 2 2 1 前級驅動步進電機的輸出特性 . 16 4.2.2.2 前級驅動部分步進電機驅動器的特性 . 16 4.2.2.3 分類步進電機的矩頻特性 . 17 4.2.2.4 分類步進電機控制器特性 . 18 4 2 2 5 PLC 對步進電機的控制方法 . 18 4 PLC 與工控機的通信設計 . 24 4 PLC 控制軟件的功能設計 . 26 4.2.4.1主程序 Main . 26 4.2.4.2 初始化程序 Initial . 27 4.2.4.3分類子程序 Micro_SORT . 27 4.2.4.4 Run_Motor1 . 28 4.2.4.5 Stop_Motor1 . 28 4.2.4.6 報警程序 Alarm . 29 4.2.4.7 自啟動子程序 Reset . 29 5 系統的可靠性設計 . 30 5.1 系統接地 . 30 5.2 接近開關 . 30 5.2.1接近開關的主要功能 . 30 本科畢業設計說明書（論文） 第 2 頁 共 37 頁 5.2.2 接近開關的定位精度 . 31 5.3 PLC的輸出端保護 . 32 5.4 SSR及電機的保護 . 32 5.5分類口分布的優化設計 . 32 5.6 軟件的優化設計 . 33 5.7 系統聯調 . 33 6 全文總結 . 34 結論 . 35 致謝 . 36 參考文獻 . 37 附件 1、控制系統的 PLC 程序。 附件 2、論文 Microcomponent Thickness Comprehensive Detecting Plain Test Control System Designing發表于 ISTM2005。 本科畢業設計說明書（論文） 第 3 頁 共 37 頁 1、緒論 1.1 選題背景及意義 滑塊是空氣壓縮機及空調中的一個關鍵性部件，其幾何尺寸、表面粗糙度、形位公差等精度的高低，嚴重影響空調制冷制熱效果的好壞。如今隨著市場對空調及空氣壓縮機需求的擴大，對滑塊的需求量也越來越大，精度要求也越來越高。目前，在加工生產后，主要依靠人工檢測的方法，對滑塊是否合格進行檢驗。由于檢測精度很高，人工檢測的方法存在檢測速度慢、效率低、人為因素影響大等問題 ， 檢測成為制約生產的關鍵性一環。 為此，研制了這套滑塊自動化檢測系統。 1 2 國內外的應 用現狀 可編程控制器 (PLC)是一種專為在工業環境應用而設計的數字運算電子系統，它將計算機技術、自動控制技術和通訊技術融為一體，成為實現單機、車間、工廠自動化的核心設備。 PLC 的控制功能由簡單的邏輯控制、順序控制發展為復雜的連續控制和過程控制，并將微機的數據處理能力強和網絡通信能力也集成在一起，成為自動化領域的三大技術支柱 (PLC、機器人、 CAD/CAM)之一 1。 隨著微電子技術的發展， PLC 的功能更加完善和豐富，但成本卻在下降。目前在國內外， PLC已廣泛應用于鋼鐵、采礦、建筑、石油、化工、電力、機械制 造、汽車、紡織、環保和娛樂等行業 16。 在工業自動化應用方面，廣泛使用 PLC 實現運動控制、過程控制、順序控制、數據處理和與其它智能控制設備組成分布式控制系統的通信網絡。在現場控制領域， PLC以其抗干擾能力強、可靠性高、結構簡單和通用性強的特點，廣泛用于實現生產過程的自動化。 在機電系統中， PLC 作為底層控制命令的執行者，執行管理層的命令。尤其是在工業生產過程中，控制驅動系統比如：電機控制，具有控制精確性高、使用方便的優點。例如：有的使用 PLC對機床主軸實現脈動定位控制，實質是對電動機進行脈動控制。通過使 電動機的轉速穩定在一個較低的平均速度下實現主軸定位，大大提高了定位系統的可靠性，取得很好的定位效果 19。有的以交流異步電動機的 PLC邏輯控制、位置控制、過程控制、變頻控制、數據處理和數據通信的典型應用實例，闡述了 PLC在交流異步電動機自動化控制領域的廣泛應用和重要作用 20。有的使用 PLC對三相異 本科畢業設計說明書（論文） 第 4 頁 共 37 頁 步電機進行控制，提高了可靠性，減小了控制電路的體積 21。 還有很多文章是基于 PLC 的計算機集散控制系統 22。計算機集散控制系統 (簡稱DCS)， DCS 以其分散控制、集中監控的獨特優勢迅速得到了企業界的認 可，并得以大規模的推廣應用。 DCS 采用分級遞階結構，即從系統工程出發，考慮功能分散、危險分散、提高可靠性、強化系統應用靈活性、減少設備的復雜性與投資成本。尤其在一些流程工業復雜控制對象的控制中，計算機集散控制系統的作用十分明顯。利用 PLC構成集散控制系統，將計算機管理能力強的優點與 PLC成本低、控制功能強的特點結合起來，取得了良好的效果。 將 PLC應用于生產過程的監控，也是 PLC的重要應用之一 23。運用計算機控制技術與 PLC和回路調節器相配合，按照工藝流程的要求，對整個生產線中的各種電機、閥門等開關和溫 度、壓力、液位等模擬量進行檢測控制。用計算機對生產工序進行自動監控和管理提高了企業的生產管理水平和競爭能力。 在本項目中， PLC 作為直接的控制命令執行者，不但要對系統運行過程中的各種狀態進行檢測，還要精確控制后級分 類 機構電機的輸出相位。因此、這就需要對 PLC的輸出進行編程。在 Simens公司生產的 S7-200系列小型 PLC中，專門集成了針對步進電機的控制方式 PTO（高速脈沖輸出）。這樣，只需要用戶軟件編程就實現了對步進電機的精確控制，大大簡化硬件電路的構成 24。 1.3 本文的主要工作 依據滑塊厚度檢 測的工藝和檢測方法，本文 主要 在以下幾個方面展開了工作： （ 1） 根據系統的控制功能要求設計控制系統的總體方案， 并對其可行性進行分析 并論證 ； （ 2） 設計控制系統的硬件電路，并 分析 硬件的可靠性和安全性 ； （ 3） 設計和編制控制系統的軟件，并通過現場調試證明軟件設計的合理性 和完善性 ； （ 4） 定義 完善的 PLC 與上位機的通信協議，并 在調試種 對其完整性和合理性進行分析 驗證 ； （ 5） 對步進電機的性能進行分析，設計較為合理的步進電機控制方案。 本科畢業設計說明書（論文） 第 5 頁 共 37 頁 2 滑塊厚度檢測系統的整體結構 2 1 檢測對象 滑塊是空調和空氣壓縮機中的一個關鍵部件。本系統所要檢測的對象 滑塊的正面形狀如圖 2.1 所示： 圖 2.1 滑塊 滑塊在檢測過程中 主要檢測 滑塊的厚度、兩表面的平行差等參量。經研究討論設計為檢測每一表面的兩對角線上三個點作為判定依據，計算滑塊是否合格，并根據厚度、平行差是否超限分為七類（詳細分類見 4.2.2）。 對滑塊的平面度和 厚 度檢測有一定要求，測量精度較高，測量分辨率 要求達到 0.1 m。測量傳感器采用 密封式光柵位移傳感器，測量精度達到 0.025 m，滿足測量精度的要求。 其幾何尺寸如 圖 2.2 所示 ： 圖 2.2 滑塊的幾何尺寸 2 2 測量傳動機構 測 量傳動機構主要有測量平臺和傳動機構組成。其整體結構如圖 2.3 所示 。 機械結構是整個檢測平臺的基體。 圖 2.3 中， 1 是測量傳感器安裝位置； 2 是傳動輪； 3是出料口。測量平臺是整個 測量用的定位基準面 。傳動機構采用 同步齒形帶與相應類型的帶輪配合 ，并在 齒槽中套接滑塊外夾具 固定滑塊完成滑塊在流水線上的測量傳 本科畢業設計說明書（論文） 第 6 頁 共 37 頁 送。在測量完畢后，在出料口，由于滑塊的自身重力， 而脫離夾具 ，并由滑道傳送至分類機構。 夾具布滿整個工作導軌，并隨傳動帶循環運動，滑塊從入料口進入 傳送軌道 ，在某一時刻必定有一夾具與之配合 。 圖 2.3 測量傳動機構 2 3 滑塊的檢測原理 測量平臺分為上下兩層，滑塊隨傳送帶運動，分別檢測其上下表面。測量平臺是滑塊幾何量測量的基準， 為避免測量平臺的精度引入測量誤差，測量平臺的 表面 加工精度遠高于滑塊的 表面要求 精度。滑塊的檢測原理如下： 圖 2.4 滑塊的檢測原理 滑塊測量過程中，滑塊相對于工作臺以速度 V 作滑動運動。為保證傳送過程中的平穩性，避免傳動機構的振動引入附加的測量誤差，造成測量結果的失真。傳動裝置采用同步帶傳送，并在測量傳感器前加裝加緊裝置，避免傳送帶的跳動引入額外的測量誤差，從而大大減少了傳動機構對測量 過程的影響。滑塊的每一表面要測量兩對角線上五個點（中心交叉處可看作一個）。因此 ,滑塊在運動中不但要做 1 度旋轉，還要翻轉 180 度。在測量平臺上刻畫合適的曲線使滑塊完成旋轉 1 角度（見其他人的論文）。 滑塊的 180 度翻轉，則通過設計流水線的空間結構來實現。如 圖 2.4 所示，滑塊出料口 V 本科畢業設計說明書（論文） 第 7 頁 共 37 頁 隨傳送帶運動到下面的測量平臺時，剛好翻轉了 180 度。 2 4 分類機構 滑塊通過一個滑道傳送至分類機構。分類機構是 帶開口的勻質圓盤，可繞其中心軸轉動，在開口槽的 兩側沿圓周方向均勻分布 7個出口。在圓盤 中心處安裝 吸力電磁鐵。 在 圓盤開口 處連接分類 滑道，每一個滑道 裝有一個 接近開關 （記為 分類完成信號 ），共有 七個 。 分類機構由 PLC 依據接收到的分類信息控制步進電機旋轉相應的角度，將滑塊分類出去。 PLC 對分類電機的控制是通過 PTO（高速脈沖串輸出）的方式。 PTO 方式中，可輸出多個脈沖串，并允許脈沖串排隊，以形成管線。依據管線的實現方式分為單段管線和多段管線。本系統中采用多段管線的方式，通過在變量存儲區建立包絡表的方式，控制輸出脈沖的周期和脈沖數，從而達到對步進電機的速度和轉動角度精確控制的目的。其結構如圖 2.5 所示。 在分類的過程中， PLC 通過對安裝在系統 中的感應開關來判斷分類過程中的各種狀態。如：滑塊到達、定位信號、分類完成等等。如果發現非正常狀態，則向工控機發出相應的報警信號告知工作人員，以方便排除故障。 圖 2.5 分類機構 本科畢業設計說明書（論文） 第 8 頁 共 37 頁 3 檢測平臺的控制系統設計 滑塊厚度綜合檢測平臺主要由自動檢測平臺、分類機構和控制部分三部分組成。本系統是基于微機 -PLC 模式構成的一個集散控制系統。一般來說，集散控制系統可分為三層。頂層是管理層，其任務是實現對整個系統的管理工作。中間層為集中監控層，其任務是實現對整個系統的監視、控制、調度等工作。底層是分 散執行層。其任務是完成局部的控制工作。在本系統中，工控機作為監控管理層承擔了頂層和中間層的任務； PLC 作為控制執行層，承擔底層控制任務。工控機把管理決策、控制任務、控制參數和調度命令通過通信電纜傳送給控制層 PLC， PLC 也要通過電纜把控制過程的參數、控制進程和控制數據傳送給管理層。整個系統的功能框圖如圖 2.1 所示。 圖 3.1 控制系統功能框圖 3 1 控制系統的工藝要求 由前面測量原理所述， 滑塊在工作臺上 要完成 旋轉、翻轉 ，而這些通過設計滑塊的導軌曲線來實現（詳細設計見其他人的論文）。 因 此 ，控制系統主要完成 驅動電機的速度的控制和調節。對于步進電機來說，改變輸出脈沖的頻率就可以完成。輸出頻率受電機的輸出轉矩和傳感器檢測精度的限制，需要在調試過程中加以確定 （見4.2.2） 。 滑塊的分類依靠分類電機輸出不同的相位來區分，其分類號由上位機給出。因此，要精確控制電機的輸出脈沖數目以及頻率。脈沖數目關系到輸出的角度；頻率的大小關系到分類的速度。 主要考慮 選用合適的頻率使電機能夠在不失步的情況下，頻率最大 ，也就是分類最快是系統設計的重點 。同樣需要調試過程中確定。 PC/PPI 控制信號 分類控制信號 位控信息 傳動控制 傳感器信號 傳動測量機構 工 控 機 RS-232 PLC RS485 分類控制系統 本科畢業設計說明書（論文） 第 9 頁 共 37 頁 3 2 系統的控制要求 為使整個系統完成滑塊 的檢測、傳送和正確分類，要求系統應具有如下功能： (1)能確保滑塊在流水線上穩定傳送，保證滑塊按進入系統的先后形成的隊列傳送，并且要充分保證隊列的有序性和完整性。 (2)前級傳動機構的速度不應快于后級分類機構，且至少應保證在分類機構沒有完成分類時，沒有滑塊進入分類機構。 (3)保證分類機構能夠自動復位，當步進電機失步時，分類機構能夠自動復位。 (4)當出現有多于一個滑塊進入分類機構時，要告知工作人員系統故障，同時，能判斷分類電機的工作是否正常，輸出角位移是否正確。 (5)系統應有一定的容錯能力，當出現一般性 錯誤時，系統能夠自我修復，不影響系統的正常工作。當出現嚴重錯誤時，能夠提示錯誤的可能種類或者故障的大致方位。 (6)滑塊的 檢測速度 至少 應達到 3s/個， 每天至少要 檢 測 1萬片 。 3 3 控制系統的 I/O 點及地址分配 控制系統的輸入和輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表 I 所示。當有輸入信號時為 1，無信號輸入時為 0。 表 I 輸入輸出分配 名稱 代碼 地址編號 輸入 急停（中斷輸入1） I1 I0.0 中斷輸入 2 I2 I0.1 :分類一完成信號 IC1 I0.2 分類二完成信號 IC2 I0.3 分類三完成信號 IC3 I0.4 分類四完成信號 IC4 I0.5 分類五完成信號 IC5 I0.6 本科畢業設計說明書（論文） 第 10 頁 共 37 頁 分類六完成信號 IC6 I0.7 分類七完成信號 IC7 I1.0 滑塊到達信號 IA1 I1.1 啟動信號 IS1 I1.2 傳感器 1啟動監測信號 1 IT1 I1.3 傳感器 2啟動監測信號 2 IT2 I1.4 傳感器 3啟動監測信號 3 IT3 I1.5 傳感器 4啟動監測信號 4 IT4 I1.6 滑塊重疊信號 IR1 I1.7 定位信號 IP1 I2.0 停止信號 IS1 I2.1 手動輸入 I3 I2.2 備用 I2.3 I2.7 輸出 電機 1脈沖輸出 OP1 Q0.0 電機 2脈沖控制 OP2 Q0. 1 電機 2正反轉控制 OD1 Q0.2 電磁鐵吸放 OD2 Q0.3 狀態正常指示 ODS1 Q0.4 報警指示 OAD1 Q0.5 分類錯誤報警 OAD2 Q0.6 滑塊堆積報警 OAD3 Q0.7 本科畢業設計說明書（論文） 第 11 頁 共 37 頁 傳感器 1感應到滑塊到達指示 OA1 Q1.0 傳感器 2感應到滑塊到達指示 OA2 Q1.1 傳 感器 3感應到滑塊到達指示 OA3 Q1.2 傳感器 4感應到滑塊到達指示 OA4 Q1.3 報警鈴 ALA Q1.4 備用 Q1.5Q1.7 3 4 PLC 系統的選型 由 前述 分析可以看出，系統共有開關量輸入 18 個、高速脈沖輸出 2 個、其他輸出 11 個。如果選用 CPU224，則必須擴展輸入模塊。考慮到控制系統的程序較復雜、需要存儲空間較大。而且，市場價格 CPU224（選用 CPU224 和擴展模塊的價格）與CPU226 相差不大，況且考慮到本系統只是厚度檢測，還要高度、平行度等檢測系統，構成網絡化檢測系統是一 個發展趨勢。選有兩個通信口的 CPU226 更加合理。 3 5 控制系統的硬件組成 滑塊厚度檢測系統的控制系統硬件采用微機 -PLC 模式，工控機是整個控制系統的核心，完成檢測 數據采集、計算 、控制處理檢測過程中的各種問題和提供人機交互的界面； PLC 是 底 層的控制執行核心，驅動執行機構完成各種控制命令。他們之間的接口就是通信協議。因此，制定完善、詳細的通信協議不管是調試、還是系統的運行，在整個控制系統中是很重要的。 整個控制系統執行核心是 PLC，其電路原理圖如圖 3.3所示。 PLC 的輸入開關量主要是接近開關， PLC 通過安裝在 系統各部分的接近開關判斷系統的狀態，并 做 出處理。對電機的控制通過步進電機驅動器完成， PLC 提供步進電機運行脈沖和方向，通過其高速脈沖輸出口實現對步進電機的控制。報警電路 采用聲光報警的方式，蜂鳴器可以直接由 PLC 驅動，報警燈則是發光二極管串接電阻實現。由于電磁鐵要求 220AC 驅動，對電磁鐵的控制通過固態繼電器實現。 PLC 與上位機的通信通過 PC/PPI 電纜連接。 本科畢業設計說明書（論文） 第 12 頁 共 37 頁 控制系統 電路連接如 圖 3.2 所示 ： 圖 3.2 試驗連接電路 其硬件電路 原理 如 圖 3.3 所示 ： 圖 3.3 系統 電路原理圖 3.6 控制系統與上位機的通信 接口 控制系統與上位機的通信主要通過 PLC 的通信口實現。由于 PLC 的通信口采用的是 RS-485 標準，而工控機的串行口是 RS-232 標準，因此要使用 RS-232/PPI 多主站電纜連接。 RS-232/PPI 多主站電纜支持 1200b 至 115.2k 的波特率。本系統采用的PC/PPI 電纜只支持 9600bps 的波特率 （詳見 4.2.3） 。 本科畢業設計說明書（論文） 第 13 頁 共 37 頁 4 控制系統的軟件設計 4 1 上位機軟件 上位機軟件完成滑塊檢測傳感器的檢測和數據處理，并給出滑塊的分類。上位機是整個檢測系統的管理核心， 直接與用戶進行交流。它能夠完成參數設定、狀態顯示、控制系統運行等功能。上位機軟件采用面向對象的 windows 應用程序，用 Bland C+編譯器編寫，具有精美的人機交互界面和多級菜單設計，操作十分簡單。可在 Windows 98/2000/xp 下運行，具有很好的可擴充性、可維護性和可靠性。 整個軟件分為三個子功能：滑塊標定、 檢測 和參數 瀏覽 ，其界面如圖 4.1-圖 4.3所示。 圖 4.1 滑塊檢測系統標定界面 在標定界面中，可以完成滑塊標準塊的檢測，并將其值作為標準值。在正常檢測過 程中，通過與標準值的比對，以判斷滑塊是否合格。 滑塊的檢測采用相對測量的方法，傳感器本身有一個懸空值，滑塊的厚度等于檢測值與相對量之和。 每次檢測前，都要對系統進行標定， 以獲得標準值。同時， 這樣可以減少 一由于傳感器觸頭磨損帶來的累積誤差。傳感器的測頭使用過一段時間后，就要更換。 本科畢業設計說明書（論文） 第 14 頁 共 37 頁 圖 4.2 滑塊檢測系統檢測界面 在檢測界面中，實時顯示了當前檢測滑塊（剛檢測完成但是還沒有完成分類）的參數，如：厚度、平行差和分類值。 在右邊的欄目里， 記錄了各個分類口的歷史數據 滑塊的數量。 右上角的統計功能可 以統計所檢測的滑塊概率分布，即每一種滑塊在整個分類滑塊中 比重。同過這些數據可以顯示所生產的滑塊在哪些方面存在問題，以此改進生產工藝。 圖 4.3 滑塊檢測系統參數瀏覽界面 本科畢業設計說明書（論文） 第 15 頁 共 37 頁 在參數瀏覽界面，顯示了系統的初始狀態、當前工作人員的信息。在使用過程中，為了避免 多用戶使用過程中，對系統的設定的非故意更改造成系統工作故障。軟件設計為多權限設計，管理員擁有最高權限，可以更改初始設定、系統的通信設置、運行速度控制等，適合對系統具有很深的了解的工作人員。標準用戶權限則只能夠檢測和瀏覽參數的功能，適合普通 的工作人員。這樣，增強了系統的安全性和 方便性。 4 2 PLC 控制軟件 PLC 控制軟件采用 STEP7-Micro/WIN32 編程軟件編寫。 STEP7-Micro/WIN32 編程軟件是基于 Windows 的應用軟件，由西門子公司專門為 S7-200 系列可編程控制器設計開發。它功能強大，主要為用戶開發程序使用，同時也可以實時監控程序的執行狀態。上位機軟件和 PLC 控制軟件通過定義統一的通信協議完成雙方的信息交換、狀態指示等。 4 2 1 PLC 主控軟件設計 PLC 控制軟件采用模塊化設計，將主要的功能劃分為幾個子程序。 這樣不但提高了程序的執行效率，而且便于修改和擴充，易于升級。 PLC 控制軟件結構上可分為主程序 Main、正常分類程序 Micro_Sort、自動復位程Reset、初始化程序 Inistall 和錯誤及故障 報警 程序 Alarm 等。各子程序統一由主程序依據工控機或外部命令決定其是否被調用。 系統上電后，首先調用初始化程序完成對整個系統的初始化及各感應開關的掃描，并依此判斷系統狀態是否正常。如否，則向工控及發出初始化失敗信息，并等待操作人員處理；如正常，則在初始化完成后，向工控機發出準備就緒信號，工控機收到后，啟動系統工 作。 工作過程中， PLC 不斷掃描各感應開關，監控整個系統的工作狀態，當有滑塊到達分類機構依據工控機發出的分類信號，控制分類機構將滑塊分類出去。由于多個分類的存在，可能出現因電機失步而導致誤分類。因此，在彈出滑塊后， PLC 要依據分類信息和收到的分類完成信號，判斷他們是否一致。如一致，則表明分類正確；否則應報警，告知分類錯誤，同時中止系統的運行。 本科畢業設計說明書（論文） 第 16 頁 共 37 頁 4 2 2 步進 電機的開環運動 控制 4 2 2 1 前級驅動 步進電機的輸出特性 在本系統中， 在前級驅動部分 主要使用了 四通公司的 86BYG250C 這種步進電機作為整個測 量傳動部分的動力來源 。其矩頻特性如圖 4.4 所示： 圖 4.4 前級驅動 步進電機的矩頻特性 由機械部分的計算可知，傳動部分需要的力矩為 4.6N*m（詳細計算見其他人論文），傳動級減速器的減速比為 1/10，安全系數為 5。因此，對應的電機運行的上限頻率為 5k 左右。 4.2.2.2 前級 驅動 部分 步進電機驅動器的特性 本 系統前級驅動部分采用的 驅動器 為四通的 20806N-D。本驅動器 在繼承四通電機公司以往驅動器細分技術的基礎上首次引入了全新的動態智能電流控制技術 ， 從而大大改善了電機電流的控制精 度 ， 進一步降低了力矩的脈動 ， 提高了細分的精度 ， 并且可以將電機的損耗降低 30%， 達到減小電機溫升的效果 。并具有 更寬的電壓電流范圍可以滿足更多的應用場合 ； 通過動態智能控制 模式可以根據實際的運行工況尋得最優的控制方式 。其接線方式采用共陰極接法，如圖 4.5所示： 本科畢業設計說明書（論文） 第 17 頁 共 37 頁 圖 4.5 前級驅動器接線 驅動器的細分設定為 16 細分，工作電流 6.2A。其脈沖由 PLC 的 Q0.0 提供，方向固定， 24VDC 供電。電機的運行頻率需要在試驗中調節 。 4.2.2.3 分類步進電機的矩頻特性 分類步進電機采用四通公司的 56BYG250 作為分類機構的動力源，其矩頻特性如圖 4.6 所示。 圖 4.6 分類步進電機的矩頻特性 分類步進電機的矩頻特性關系到輸入脈沖的頻率和系統對電機輸出力矩的要求。輸入脈沖的頻率越高，電機的分類時間越少。同時，其輸出力矩就越小。因此，在控 本科畢業設計說明書（論文） 第 18 頁 共 37 頁 制中要充分考慮分類時間與輸出力矩之間的平衡。由本系統機械設計部分的要求，知所需輸出力矩為 0.473N*m，安全系數 5，電機減速器的減速比 1/5， 對應 步進電機的上限工作 頻率為 4k。 4.2.2.4 分類步進電機控制器特性 分類電機的驅動器采用 20803N，其功能與 20806N-D 類似。只是采用的接線方式有所不同，如圖 4.7 所示： 圖 4.7 分類電機驅動器接線 分類電機驅動器設定為 16細分 ，工作電流 2.3A。電機旋轉的脈沖由 Q0.1控制輸出，方向由 Q0.2依據分類的不同而給出。 信號從高到低的下跳變被驅動器解釋為一個脈沖，此時驅動器將按照相應的時序驅動電機運行一步。脈沖低電平的持續時間不應少于 300ns。此驅動器的信號最高響應頻率為 2MHz，過高的輸入頻率將可能得不到正確響應。 輸入 方向信號 時， 方向 端的高電平和低 電平被解釋為電機運行的兩個方向，信號的改變將使電機運行的方向發生變化。該端懸空被等效認為輸入高電平。 在應用中要注意一點是，應確保方向信號領先脈沖信號輸入至少 10 s建立，從而避免驅動器對脈沖的錯誤響應 ，在編程中需要特別留意（詳細解決方法見附件程序）。 4 2 2 5 PLC 對步進電機的控制方法 使用 PLC 的 PTO 模式用于開環位置控制主要考慮步進電機的最大速度MAX_SPEED 和啟動 /停止速度 SS_SPEED。如圖 4.8 所示 （ 1） MAX_SPEED：該數值是應用操作中的最大值，它應在電機力矩能力的范 本科畢業設計說明書（論文） 第 19 頁 共 37 頁 圍內，驅 動負載所需的力矩由摩擦力、慣性力及加速減速時間決定。 圖 4.8 最大速度和啟動 /停止速度 （ 2） SS_SPEED：該數值滿足電機在低速時驅動負載的能力，如果 SS_SPEED 的數值過低，電機在運動的開始或者結束時可能會搖擺或顫動。反之， SS_SPEED 的數值過高，電機會在啟動時丟失脈沖，引起失步，并且在停止時會使電機過載。 因此，基于以上分析，將電機的運行速度 頻率，定為 1k。對滑塊的分類控制，歸結為對步進電機輸出脈沖數的控制。同時，由分類口的安排可知，分類的角度（相對于基準零位置）如下： 表 II 分類角度 類別 說明 度數 分類一 厚度合格、平行差合格 +30 分類二 厚度合格、平行差超差 -30 分類三 厚度超上限、平行差合格 +60 分類四 厚度超上限、平行差超差 -60 分類五 厚度超下限、平行差合格 +90 分類六 厚度超下限、平行差超差 -90 分類七 備用出口 +120 本科畢業設計說明書（論文） 第 20 頁 共 37 頁 每一個分類所需的脈沖數計算公式為： pn i0（ 1） n 脈沖數； i 分類角； 0 步距角； p 減速比； 細分數。 每一個分類所需時間的計算公式： xMM tNTNTTt 2102 （ 2） T0 啟動頻率； TM 運行頻率； N1 加速階段脈沖數； N2 運速階段脈沖數； tx 電磁鐵探出滑塊的時間，典型值 0.5s。 對于分類步進電機，由前述可知， 0 為 1.8， p 為 1/5， 為 16。對于分類一 /二 步進電機的輸出脈沖為 1334。 分類一 ： 轉動正 （ 負 ） 30 度，分類二的輸出脈沖不變，方向反相。其輸出脈沖控制如圖 4.9 所示。 t1 是加速時間， t2 是勻速運動時間， tx 是滑塊彈出時間。 所用時間：（ 117*100+225*25） *2+500000=1096250us 圖 4.9 分類一（分類二反相）的輸出脈沖 表 III分類一 /二的包絡表 本科畢業設計說明書（論文） 第 21 頁 共 37 頁 V變量存儲器 各塊名稱 實際功能 參數名稱 參數值 VB500 段數 決定脈沖輸出串 總包絡段 3 VW501 段一 電機加速 初始周期 150us VW502 周期增量 -2us VD505 輸出脈沖 25 VW509 段二 電機勻速 初始周期 100us VW511 周期增量 0 VD513 輸出脈沖 1284 VW517 段三 電機減速 初始周期 100us VW519 周期增量 2us VD521 輸出脈沖 25 編程時，只需要將包絡表的首地址賦值給 SMW168， PLC 的 PTO 模式即可根據設定脈沖串輸出。步進 電機依據 脈沖按 分類號輸出包絡表所確定的波形轉動相應角度，到位后，彈出滑 塊 。置反向位，再次輸出此波形即復位。 由圖 4.10 所示， 對應 60 度，輸出脈沖為 2667。 分類三 / 四 ： 轉 動 正 （ 負 ） 60 度 ， 所用時間： （ 283*100+225*25 ）*2+500000=1926250us， 其輸出脈沖控制如圖 4.7 所示。 圖 4.10 分類三（分類四反相）的輸出脈沖 表 IV 分類三 /四的包絡表 V變量存儲器 各塊名稱 實際功能 參數名稱 參數值 VB525 段數 決定脈沖輸出串 總包絡段 3 本科畢業設計說明書（論文） 第 22 頁 共 37 頁 VW526 段一 電機加速 初始周期 150us VW528 周期增量 -2us VD530 輸出脈沖 25 VW534 段二 電機勻速 初始周期 100us VW536 周期增量 0 VD538 輸出脈沖 2617 VW542 段三 電機減速 初始周期 100us VW544 周期增量 +2 VD546 輸出脈沖 25 分類五 /六 ， 對應 90 度，輸出脈沖為 4000， 所用時間： （ 450*100+225*25）*2+500000=2761250us， 其輸出脈沖控制如圖 4.11 所示。 圖 4.11 分類五（分類六反相）輸出脈沖 表 V 分類五（分類六）包絡表 V變量存儲器 各塊名稱 實際功能 參數名稱 參數值 VB550 段數 決定脈沖輸出串 總包絡段 3 VW551 段一 電機加速 初始周期 150us VW553 周期增量 -2us VD555 輸出脈沖 25 VW559 段二 電機勻速 初始周期 100us VW561 周期增量 0 VD563 輸出脈沖 3950 VW567 段三 電機減速 初始周期 100us 本科畢業設計說明書（論文） 第 23 頁 共 37 頁 VW569 周期增量 +2 VD571 輸出脈沖 25 分類七 ， 對應 120 度，輸出脈沖為 5334， 所用時間為 （ 617*100+225*25）*2+500000=3596250us， 其輸出脈沖控制如圖 4.12 所示。 本科畢業設計說明書（論文） 第 24 頁 共 37 頁 圖 4.12 分類七輸出脈沖 表 VI 分類七的包絡表 V變量存儲器 各塊名稱 實際功能 參數名稱 參數值 VB575 段數 決定脈沖輸出串 總包絡段 3 VW576 段一 電機加速 初始周期 150us VW578 周期增量 -2us VD580 輸出脈沖 25 VW584 段二 電機勻速 初始周期 100us VW586 周期增量 0 VD588 輸出脈沖 5284 VW592 段三 電機減速 初始周期 100us VW594 周期增量 +2 VD596 輸出脈沖 25 4 PLC 與工控機的通信設計 S7-200CPU 支持多樣的通信協議。根據所使用的 S7-200 CPU，網絡可以選擇支持一個或多個協議，包括通用協議和公司專用協議。專用協議包括點到點接口協議（ PPI）、多點接口協議（ MPI）、 Profibus 協議、自由通信接口協議和 USS 協議。 PPI通信協議是西門子專門為 S7-200系列 PLC開發的一個通信協議，主要應用于對 S7-200的編程、 S7-200 之間的通信與 HMI 產品的通信。 MPI 協議用于組建 S7-200、 S7-300和 S7-400 的組成網絡，在此網絡中， S7-200 只能作為從站。 Profibus 協議通常用于實現分布式 I/O 設備（遠程式 I/O）的高速通信。自由通信接口協議可以通過用戶程 本科畢業設計說明書（論文） 第 25 頁 共 37 頁 序對通信口進行操作，自己定義通信協議。 USS 協議指令可以方便的實現對變頻器的控制。在本系統中，主要實現 PLC 與計算機的通信，因此，選擇自由口通信協議作為通 信方式。 PLC 與工控機的通信采用串行口通信，由于 PLC 的通信口是 RS-485 標準，而工控機是 RS-232 標準。因此，二者的連接通過 RS-232/PPI 多主站 電纜進行連接。RS-232/PPI 多主站電纜支持 1200b 至 115.2k 的波特率，在使用時，當 RS-232 傳輸線從空閑狀態切換到接收模式時，需要一個時間周期，這個時間周期 定義為電纜的轉換時間。轉換時間隨波特率的不同而不同，對于 9600b，轉換時間為 2.0ms。 在本系統中，通過設計確定通信雙方的數據和通信格式，如波特率、奇偶校驗、停止位等。通信單位定義 為 2 個字節，第一個字節為數據字節，第二個字節是握手信號回車符 0D。 通信格式定義： 通信雙方以一個字節為通信幀，其定義如下： A7A6:高兩位為特征位。 00: 表示為正常分類狀態。 01：表示為控制代碼。 10：錯誤種類。 11：備用。 特征位 （ 2 位） 數據位 （ 6 位） 具體代碼意義如下： 00H：分類系統準備好（分類系統向上位機發送信息）。 01H：滑塊分類 1； 21H:分類 1 完成。 02H：滑塊分類 2； 22H:分類 2 完成。 03H：滑塊分類 3； 23H:分類 3 完成。 04H：滑塊分類 4； 24H:分類 4 完成。 05H：滑塊分類 5； 25H:分類 5 完成。 06H：滑塊分類 6； 26H:分類 6 完成。 07H：滑塊分類 7； 27H:分類 7 完成。 A7 A6 本科畢業設計說明書（論文） 第 26 頁 共 37 頁 40H：測試標定程序 。 41H：啟動電機 1（傳送電機）。 42H：停止電機 1（傳送電機）。 43H：響鈴。 PLC 收到后，報警鈴發出振鈴指示。 44H：報警燈閃爍。 45H；報警燈長明。 46H；報警燈熄滅。 47H：停止響鈴。 81H：滑塊堆積報警 。 指在分類口有超過 1 個滑塊進入分類滑道，將出現錯誤分類。 82H：分類錯誤報警 。 指在不可預測狀態下 出現誤分類錯誤。 83H：初始化失敗報警。 指系統初始化過程中，出現異常情況。 84H：傳感器 1啟動監測信號 1 ,發送給上位機以啟動檢測。 85H：傳感器 2啟動監測信號 2，發送給上位機以啟動檢測。 86H：傳感器 3啟動監測信號 3，發送給上位機以啟動檢測。 87H：傳感器 4啟動監測信號 4，發送給上位機以啟動檢測。 88H：系統復位指令，當 PLC 收到該指令后，將重新初始化系統，使系統恢復到初始狀態。 4 PLC 控制軟件的功能設計 4.2.4.1 主程序 Main 主程序 Main 在 PLC 上電后，在第一個掃描 周期調用初始化子程序對系統進行初始化。完成后，向上位機發送信息，告知系統正常；否則，發出警告，系統初始化失敗，等待處理。 初始化 程序主要完成系統初始化，各感應開關的掃描、通信口的初始化等。主程序在運行中不斷掃描 I0.2I1、 1 I1.3I1.7 有無信號，通信口的波特率、通信地址、校驗位等，各子程序的調用依據上位機的控制信息。 完成后，主程序依據上位機的控制 本科畢業設計說明書（論文） 第 27 頁 共 37 頁 信息，選擇是否啟動傳送電機。其程序流程如下圖 4.13： 圖 4.13 主程序流程圖 梯形圖程序限于篇幅，沒有附在論文正文中，見 附件，以下同。 4.2.4.2 初始化程序 Initial 初始化程序 Initial 在 PLC第一次上電時執行， 完成分類電機的驅動包絡表的建立， 傳動 電機的初始化、啟動速度、各感應開關的狀態掃描、中斷的 打開、 連接和通信口的初始化等。 4.2.4.3