【導(dǎo)讀】芇薄螆膀荿莇螞腿聿薂薈膈膁蒞羇膇莃蝕袃膇蒆蒃蝿膆膅蠆蚅螂羋蒂薁螁莀蚇衿袁肀蒀螅袀膂蚅蟻衿芄蒈蚇袈蒆芁羆袇膆薆袂袆羋荿螈裊莁薅蚄裊肀莈薀羄膃薃衿羃芅莆螅莇薁螁羈膇莄蚇羀艿蝕薂罿莂蒂袁罿肁蚈螇羈膄蒁蚃肇芆蚆蕿肆莈葿袈肅肈節(jié)襖肄芀蕆螀肅莂莀蚆肅肂薆薂肂膄莈袀肁芇薄螆膀荿莇螞腿聿薂薈膈膁蒞羇膇莃蝕袃膇蒆蒃蝿膆膅蠆蚅螂羋蒂薁螁莀蚇衿袁肀蒀螅袀膂蚅蟻衿芄蒈蚇袈蒆芁羆袇膆薆袂袆羋荿螈裊莁薅蚄裊肀莈薀羄膃薃衿羃芅莆螅莇薁螁羈膇莄蚇羀艿蝕薂罿莂蒂袁罿肁蚈螇羈膄蒁蚃肇芆蚆蕿肆莈葿袈肅肈節(jié)襖肄芀蕆螀肅莂莀蚆肅肂薆薂肂膄莈袀肁芇薄螆膀荿莇螞腿聿薂薈膈膁蒞羇膇莃蝕袃膇蒆蒃蝿膆膅蠆蚅螂羋蒂薁螁莀蚇衿袁肀蒀螅袀膂蚅蟻衿芄蒈蚇袈蒆芁羆袇膆薆袂袆羋荿螈裊莁薅蚄裊肀莈薀羄膃薃衿羃芅莆螅莇薁螁羈膇莄蚇羀艿蝕薂罿莂蒂袁罿肁蚈螇羈膄蒁蚃肇芆蚆蕿肆莈葿袈肅肈節(jié)襖肄芀蕆螀肅莂莀蚆肅肂薆薂肂膄莈袀肁芇薄螆膀荿莇螞腿聿薂薈膈膁蒞羇膇莃蝕袃

　　

【正文】 易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計?！? （可編程控制器）的特 點 可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。從 PLC 的機外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系 統(tǒng)具有極高的可靠性。 配套齊全，功能完善，適用性強 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中。加上 PLC 通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 易學(xué)易用 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易， 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 編程語言易于為工程 技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦 。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。 PLC 基本原理 PLC 主要由中央處理單元 （ CPU） 、存儲器 （ RAM、 ROM） 、輸入 /輸出部件（ I/O） 、電源和編程器幾大部分組成。圖 37 是 PLC 結(jié)構(gòu) 圖 [19]。 圖 37 PLC 的結(jié)構(gòu) 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 圖 38 直流輸入電路 圖 38 直流輸入電路，輸入電路的一次電路與二次電路間用光耦合器隔離。在電路中設(shè)有 RC 濾波器，以消除輸入觸點的抖動和沿輸入線引入的外部噪聲的干擾。因此，外部輸入從 ON→OFF 或從 OFF→ON 變化時， PLC 內(nèi)部約有 10ms的響應(yīng)滯后。當(dāng)輸入開關(guān)閉合時，一次電路中流過電流，輸入指示燈亮，光耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，而三極管從截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通狀態(tài)， PLC 的輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生了 0 和 1 的改變。 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 39 輸出電路（繼電器輸出） 圖 39 輸出電路（繼電器輸出），每種輸出電路的有隔離措施。繼電器輸出型是利用繼電器的觸點和線圈將 PLC的內(nèi)部電路與外部負載電路進行電氣隔離。輸出電路的負載電源由外部提供。輸出電流一般為 至 2A。輸出電流的額定值與負載性質(zhì)有關(guān)。 圖 310 掃描 過程 PLC 是采用 “ 順序掃描，不斷循環(huán) ” 的方式進行工作的 [13]。即在 PLC 運行時， CPU 根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 15 序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。 PLC 的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。 PLC 在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀 態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。 PLC 在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。 輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)輸出設(shè)備工作。 CPM2A 的性能和功能 CPM2A 的性能： CPM2A 在一個小巧的單元 內(nèi)綜合有各種性能，包括同步脈沖控制，中斷輸入，脈沖輸出，模擬量設(shè)定，和時鐘功能等。 CPM2A CPU 單元又是一個獨立單元，能處理廣泛的機械控制應(yīng)用，所以它是在設(shè)備內(nèi)用作內(nèi)裝控制單元的理想產(chǎn)品，完整的通信功能保證了與個人計算機、其它 OMRON PC和 OMRON 可編程終端的通信。這些通信能力使用戶能設(shè)計一個經(jīng)濟的分布生產(chǎn)系統(tǒng) [22]。 圖 311 CPM2A的外觀 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 第 四 章 編程設(shè)計（接線圖、梯形圖、功能表圖） 步進電機 綜合以上因素選擇的步進電機型號是 42BYG25048，參數(shù)如下： 表 41步進 電機參數(shù) 型號 步距角 相數(shù) 電流 A 電阻 Ω 電感 mH 靜轉(zhuǎn)矩 引線數(shù) 機身長 mm 42BYG25048 176。 2 30 80 5000 4 48 圖 41 所選用步進電機 主要特點：高轉(zhuǎn)速，低慣量，低噪音 圖 42 電氣原理圖 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 17 PLC 選擇、參數(shù) 綜合考慮各項要求后 PLC 選擇型號為 CPM2A40CDRA，參數(shù)如下表： 表 42 PLC 型號 說明 輸入點 輸出點 電源 型號 最大 I/O 擴展單元數(shù) 最大的 I/O數(shù) 繼電器輸出 晶體管輸出 漏型 源型 40 點 I/O 的CPU 單元 24 點 16 點 AC CPM2A40CDRA …… …… 3 100 圖 43 所選用的 PLC 外型圖 表 43 I/O 接口分配 項目 CPM2AH I/O 存儲器 輸入位 IR00000～ IR00915 IR02020～ IR02515 輸出位 IR01000～ IR00915 IR03000～ IR03515 工作位 IR02020～ IR04915 IR20200～ IR22715 模擬量 I/O 單元： 為提供模擬量輸入和輸出可連接多達 3 個 模擬量 I/O 單元。每個單元提供 2 點模擬量輸入和 1 點模擬量輸出，所以連接 3 個模擬量 I/O 單元就能得到最大的 6 點模擬量輸入和 3 點模擬量輸出。（將模擬量 I/O 點與 PID(— )和 PWM(— )指令結(jié)合就能完成時間 比例控制）。模擬量輸入范圍可以設(shè)置為 0～10VDC， 1～ 5VDC， 或 4～ 20mA；分辨率為 1/256。 （ 1～ 5VDC 和 4～ 20mA 設(shè)定可以使用開路檢測功能）。模擬量輸出范圍可以設(shè)置為 0～ 10VDC， 10～ 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 10VDC，或 4～ 20mA；分辨率為 1/256。 高速計數(shù)器和中斷： CPM2A 計有五個高速計數(shù)器輸入。 一個響應(yīng)頻率為 20 kHz/5 kHz 的高速計數(shù)器輸入，與四個響應(yīng)頻率為 2 kHz 的高速計數(shù)器輸入（在計數(shù)器方式下）。高速計數(shù)器可以用在四種輸入方式中的任一種下；微分相位方式 (5 kHz)，脈沖 +方向輸入方式 (20 kHz)，增 /減脈沖方式 (20 kHz)，或遞增方式 (20 kHz)。當(dāng)計數(shù)與一設(shè)置值匹配或下降在一規(guī)定范圍內(nèi)時，能觸發(fā)中斷。中斷輸入（計數(shù)器方式）可用遞增計數(shù)器或遞減計數(shù)器 (2 kHz)并在計數(shù)與目標(biāo)值匹配時觸發(fā)中斷（執(zhí)行中斷程序）。 高速中斷輸入功能 有四個輸入用于中斷輸入（與快速響應(yīng)輸入和計數(shù) 方式的中斷輸入共用），最小輸入信號寬度與 50μs，響應(yīng)時間為 ms。當(dāng)一中斷輸入變?yōu)?ON 時，主程序停止而中斷程序執(zhí)行。 快速響應(yīng)輸入功能 有四個輸入用于快速響應(yīng)輸入（與中斷輸入和計數(shù)方式的中斷輸入共用），能可靠地讀出信號寬度短到 5μs的輸入信號。 穩(wěn)定輸入濾波器功能： 所有輸入的輸入時間常數(shù)都可以設(shè)置為 1 ms， 2 ms，3 ms， 5 ms， 10 ms， 20ms， 40 ms 或 80 ms。信號抖動和外部噪聲可以通過提高輸入時間常數(shù)來降低。 間隔計時器中斷 間隔計時器可以設(shè)置在 和 319,968 ms之間，并能 設(shè)置為只產(chǎn)生一次中斷（單次方式）或定時中斷（預(yù)定中斷方式）。 控制過程分析 表 44 步進電機工作狀態(tài)表 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 19 程序編制 單臺步進電機功能表圖、時序圖 圖 44 單臺步進電機時序 圖 45 單臺步進電機功能表圖 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 圖 46 單臺步進電機梯形圖 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 21 電機間的速比 根據(jù)線圈包扎過程控制過程圖可以知道，在包扎兩端斜邊時控制 X 軸的步進電機 M3 和控制 Y 軸的步進電機 M2 是同時啟停的，它們之間在包扎過程中需要相互配合，則速度之間必有關(guān)系，因此需要計算 M M3 之間的速度關(guān)系，首先 假設(shè)線圈的轉(zhuǎn)角是 120186。 圖 47 M2/M3 電機速比示意圖 則 32 cot 60mmVV ??約等于 3/5。 考慮 M3 與 M2 的速比后 ,梯形圖如下： 圖 48 M3 梯形圖 圖 49 M2 梯形圖 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 包扎頭電機速比 ： 圖 510 包扎頭速比示意圖 步進電機外 輪與繞包頭的傳動比是 8/40=1/5。脈沖當(dāng)量 =步進電機步距角 螺距/( 360 傳動速比 )，已知螺距是 5mm，而絕緣材料包扎 5mm 就是前進了一個螺距 。 包扎頭電機 M1 的脈沖當(dāng)量 = 513605?? = 繞包頭的梯形圖如下 圖 410 包扎頭步進電機梯形圖 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 23 我們采用多個 PLC 基礎(chǔ)脈沖組成一個步進電機工作脈沖，其工作流程圖如下。這樣通過改變基礎(chǔ)脈沖個數(shù)即可實現(xiàn)對步進電機工作脈沖的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對步進電機的調(diào)速 。 圖 411 脈沖定義示意圖 圖 412 流程圖 重新定義脈沖寬度的程序如下 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 413 重新定義脈沖寬度的梯形圖 對于兩相步進電機，當(dāng)電源極性發(fā)生改變時，保持控制過程不變，則電機轉(zhuǎn)向發(fā)生改變，即改變電源的正負極向，實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)。 圖 58 所示為電源正反轉(zhuǎn)控制原理圖。圖中當(dāng)開關(guān) 1000 和 1001 接通時，電源輸出極性為上 +下 ，當(dāng)開關(guān) 1002 和 1003 接通時，電源輸出極性為上 下 +。 考慮到 1000、 1002 和 100 1001 分別同時接通時會發(fā)生短路現(xiàn)象，故必須增加互鎖保護。本設(shè)計里 ，采用 PLC 程序進行電源互鎖保護。 圖 414 電源反接原理圖 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 25 電源反接梯形圖 圖 415 電源反接梯形圖 四臺步進電機梯形圖，根據(jù)控制流程圖寫出， 圖 516 四臺步進電機控制流程圖 根據(jù)控制流程圖。用 CXProgram寫出梯形圖，把控制的主程序放在最前， 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 把四臺步進電機的程序放在后面，中間用開關(guān)控制。 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 27 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 29 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 30 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 31 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 32 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 33 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 34 四臺步進電機語句表因為長度過大，因此置于附錄。 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 35 步進電機與 PLC 銜接配合 圖 417 PLC 與步進電機接線圖 運城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 36 第 五 章 實驗 條件實驗 實驗設(shè)備： T