步进电机PLC控制系统设计优化

■应知点:

了解S7－200PLC移位指令的使用。

■应会点:

掌握多种工作方式的PLC控制系统的程序能力。

一、任务简述

1.步进电机控制要求如下:

步进电机的控制方式是采用四相双四拍的控制方式，每步旋转15°，每周走24步。电机正转时的供电时序如图10－23所示。

图10－23　电机正转供电时序示意图

电机反转时供电时序如图10－24所示。

图10－24　电机反转供电时序示意图

2.步进电机单元设有一些开关，其功能如下:

(1)启动/停止开关——控制步进电机启动或停止；

(2)正转/反转开关——控制步进电机正转或反转；

(3)速度开关——控制步进电机连续运行和单步运行，其中S挡为单步运行。N3挡为高速运行。N2挡为中速运行。N1挡为低速运行，如图10－25所示。

图10－25　步进电机的控制示意图

二、相关知识

在上一个任务中，我们学习了数据传送指令和递增、递减指令两类功能指令的用法，本任务中我们进一步学习一类新的功能指令——移位指令。

移位指令分为左、右移位和循环左、右移位及寄存器移位指令三大类。前两类移位指令按移位数据的长度又分字节型、字型、双字型3种。

1.左、右移位指令

(1)左移位指令(SHL)

使能输入有效时，将输入IN的无符号数字节、字或双字中的各位向左移N位后(右端补0)，将结果输出到OUT所指定的存储单元中，如果移位次数大于0，最后一次移出位保存在“溢出”存储器位SM1.1。如果移位结果为0，零标志位SM1.0置1。

(2)右移位指令(SHR)

使能输入有效时，将输入IN的无符号数字节、字或双字中的各位向右移N位后，将结果输出到OUT所指定的存储单元中，移出位补0，最后一移出位保存在SM1.1。如果移位结果为0，零标志位SM1.0置1。指令格式见表10－9。

表10－9　左、右移位指令格式

2.循环左、右移位指令

循环移位将移位数据存储单元的首尾相连，同时又与溢出标志SM1.1连接，SM1.1用来存放被移出的位。

(1)循环左移位指令(ROL)

使能输入有效时，将IN输入无符号数(字节、字或双字)循环左移N位后，将结果输出到OUT所指定的存储单元中，移出的最后一位的数值送溢出标志位SM1.1。当需要移位的数值是零时，零标志位SM1.0为1。

(2)循环右移位指令(ROR)

使能输入有效时，将IN输入无符号数(字节、字或双字)循环右移N位后，将结果输出到OUT所指定的存储单元中，移出的最后一位的数值送溢出标志位SM1.1。当需要移位的数值是零时，零标志位SM1.0为1。表10－10为循环左、右移位指令格式。

表10－10　循环左、右移位指令格式

【例10－1】:用I0.0控制接在Q0.0~Q0.7上的8个彩灯循环移位，从左到右以0.5s的速度依次点亮，保持任意时刻只有一个指示灯亮，到达最右端后，在从左到右依次点亮。

分析:8个彩灯循环移位控制，可以用字节的循环移位指令。根据控制要求，首先应置彩灯的初始状态为QB0＝1，即左边第一盏灯亮；接着灯从左到右以0.5s的速度依次点亮，即要求字节QB0中的“1”用循环左移位指令每0.5s移动一位，因此须在ROL－B指令的EN端接一个0.5s的移位脉冲(可用定时器指令实现)。梯形图程序和语句表程序如图10－26所示。

图10－26　彩灯循环移位梯形图程序

3.移位寄存器指令(SHRB)

移位寄存器指令是可以指定移位寄存器的长度和移位方向的移位指令。其指令格式如图10－27所示。移位寄存器指令SHRB将DATA数值移入移位寄存器。

图10－27　移位寄存器指令格式

梯形图中，EN为使能输入端，连接移位脉冲信号，每次使能有效时，整个移位寄存器移动1位。DATA为数据输入端，连接移入移位寄存器的二进制数值，执行指令时将该位的值移入寄存器。S＿BIT指定移位寄存器的最低位。N指定移位寄存器的长度和移位方向，移位寄存器的最大长度为64位，N为正值表示左移位，输入数据(DATA)移入移位寄存器的最低位(S＿BIT)，并移出移位寄存器的最高位。移出的数据被放置在溢出内存位(SM1.1)中。N为负值表示右移位，输入数据移入移位寄存器的最高位中，并移出最低位(S＿BIT)。移出的数据被放置在溢出内存位(SM1.1)中。

三、应用实施

根据控制要求，每一步要求两相绕组同时供电，因此需要辅助继电器M配合使用，根据速度的选择，需要为高、中、低挡速度产生不同的时序脉冲，因此各需要两个定时器组成振荡电路。

1.PLC的选型

从上面的分析可知系统有7路输入信号，包括两个切换开关、一个控制按钮和四路脉冲信号。有4路输出信号，为A、B、C、D四相绕组。输入输出均为开关量。所以控制系统可选用CPU224，集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，满足控制要求，而且还有一定的余量。

2.I/O地址分配

步进电机PLC控制系统的I/O地址分配见表10－11。

表10－11　步进电机PLC控制系统的I/O地址分配表

3.PLC外部接线图

步进电机PLC控制系统的外部接线图如图10－28所示。

图10－28　步进电机PLC控制系统的外部接线图

4.PLC程序

步进电机PLC控制系统的梯形图程序见图10－29。(www.xing528.com)

图10－29　步进电机PLC梯形图程序(一)

图10－29　步进电机PLC梯形图程序(二)

图10－29　步进电机PLC梯形图程序(三)

图10－29　步进电机PLC梯形图程序(四)

图10－29　步进电机PLC梯形图程序(五)

梯形图说明:

网络1:初始状态，或者开关切换为停止状态，复位所有绕组。

网络2:切换为启动状态。

网络3~网络4:速度3挡脉冲信号。

网络5~网络6:速度2挡脉冲信号。

网络7~网络8:速度1挡脉冲信号。

网络9~网络10:常速脉冲信号。

网络11:单步启动、手动、速度3挡、速度2挡、速度1挡、常速多种启动方式。

网络12~网络18:用M3.0~M3.4和M23.0~M23.3交替配合实现对4相绕组的控制，使得每一次可以控制两相绕组通电，满足任务的供电时序要求。

网络19:A相绕组通电。

网络20:B相绕组通电。

网络21:C相绕组通电。

网络22:D相绕组通电。

5.程序调试

检查完后将程序下载到PLC，运行调试，如有问题，检查排除故障。

四、操作技能考评

通过对本任务相关知识的了解和应用操作实施，对本任务实际掌握情况进行操作技能考评，具体考核要求和考核标准如表10－12所示。

表10－12　任务操作技能考核要求和考核标准

教学小结

移位指令是PLC的一条重要指令，可用于步进顺序控制，利用这种顺序控制方式可实现其他一些控制功能，比如上例中的彩灯循环控制。

本任务中，设计到的一些常用的子程序，如两个定时器实现的振荡输出电路，以及采用辅助继电器的编程方法，读者应该加以深入领会和掌握。

思考与练习

1.某轮胎内胎硫化机PLC控制系统的顺序功能图如图10－30所示，一个工作周期由初始、合模、反料、硫化、放汽和开模这6步组成，它们与S0.0~S0.5相对应。请根据顺序功能图用SCR指令写出梯形图程序。

图10－30　某轮胎内胎硫化机PLC控制系统的顺序功能图

2.设计一个钻孔动力头控制程序。

控制要求:这是某一冷加工自动线有一个钻孔动力头，如图10－31所示，动力头的加工过程如下:开始时，动力头在原位，加上启动信号(SB)接通电磁阀YV1，动力头快进；动力头碰到限位开关SQ1后，接通电磁阀YV1、YV2，动力头由快进转为工进；动力头碰到限位开关SQ2后，开始延时，时间为10s；当延时时间到，接通电磁阀YV3，动力头快退；动力头回原位后，停止。

图10－31　钻孔动力头控制示意图及工作时序图