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基于PLC控制系统的电磁阀吸力特性测试装置基于PLC控制系统的电磁阀吸力特性测试装置摘要本设计研究的是一种基于PLC控制系统的高性能电磁阀吸力特性测试装置，本文首先对电磁阀及其吸力特性进行了简介，然后提出两种设计方案，并对其进行论证，然后确立一种总体方案进行设计。其次是系统硬件设计，本文详细介绍了系统的硬件组成和主要设备及元器件的选型，并给出系统的硬件接线图。最后进行软件设计，软件设计分为下位机控制程序设计和上位机程序性设计，本文给出了下位机控制程序自动和手动过程的详细流程图，并对它们进行行详细的分析，并对上位机程序部分的监控画面设计和变量链接做了详细的介绍。最后，通过对本系统进行联机调试，本系统基本上可以实现设计要求。实验证明，该装置可以精确地描述高性能电磁阀吸力特性，并且自动化程度和检测效率得到了很大的提高。　　关键词 PLC；高性能电磁阀；吸力特性；测试装置 PLC CONTROL SYSTEM BASED ON SUCTION CHARACTERISTICS OF THE ELECTROMAGNETIC VALVE TEST DEVICE ABSTRACT This design studies a device for testing features of high-performance suction valve based on PLC control system. First , This paper introduced the characteristics of the electromagnetic valve and suction. Second is the system hardware design, this paper introduces the hardware and the main equipment and component selection, and gives the system hardware hookup. The design of the software, software design into the control program design and PC procedural design, this paper presents the process of automatic and manual control program, and the detailed flow of their lines, and detailed analysis on PC monitor screen design part program and variable links are described in detail. Finally, through this system, this system basically online adjustment can realize the design requirements. Experiments have proved that this device can accurately describe electromagnetic valve, high automation degree and the suction and detection efficiency has been greatly improved.detection efficiency has been greatly improved. KEY WORDS： high performance solenoid valve,plc,Suction,test equipment II 目录摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1.1 电磁阀及电磁机构吸力特性简介 1 1.1.1 工作原理 1 1.1.2 电磁机构的吸力特性 1 1.2 课题背景和意义 2 1.3 本设计完成的主要工作 3 2 系统方案论证及总体方案设计 4 2.1 本设计要求 4 2.2 基于LABVIEW的方案 4 2.3 基于PLC和组态软件的方案 4 2.4 最终方案的确定和总体设计 5 2.4.1 系统总体方案设计 5 3 硬件系统设计 7 3.1 系统硬件组成 7 3.1 系统I/O分析 7 3.3 系统主要硬件选择 8 3.3.1 PLC 8 3.3.2 模拟量输入模块 8 3.3.3 步进电机及其驱动器 9 3.3.4 编码器 10 3.3.5 力传感器 11 3.4 系统硬件接线图 11 4 系统控制程序设计 12 4.1 顺序功能图(SFC) 12 4.2 S7-200PLC高速计数和高速脉冲输出介绍 12 4.2.1 高速计数 12 4.2.2 高速脉冲输出 13 4.3 系统I/O及变量分配 14 4.3.1 系统I/O口分配 15 4.3.1 系统变量分配 15 4.4 系统控制程序框架及典型环节介绍 16 4.4.1 控制程序框架 16 4.4.2 典型环节介绍 16 4.5 控制程序分析 18 5 上位机程序设计 20 5.1 工业组态产生的背景 20 5.2 力控ForceControlV6.1监控组态软件 20 5.3 本系统上位机部分设计 20 5.3.1 工程及画面的建立 20 5.3.2 定义外部设备和变量 22 5.3.3 X-Y曲线组件和数据表格组件的插入 23 5.3.4 数据变量的连接 24 6 系统联机调试及结果分析 26 6.1 硬件调试 26 6.2 软件调试 27 6.3 结果及分析 27 结束语 29 致谢 31 参考文献 32 附录 33 基于PLC控制系统的电磁阀吸力特性测试装置 1 绪论电磁阀近年来广泛应用于纺织、轻工、城建等领域，更重要是它也应用在那些精度要求高的领域，如汽车领域和航天领域。随着自动化的飞速发展，电磁阀在自动化系统中的应用数量和种类也越来越多，并且对电磁阀质量的要求也越来越高。因此本节将对电磁阀及电磁机构的吸力特性进行简单的介绍，并叙述了本课题研究的现状和背景。 1.1 电磁阀及电磁机构吸力特性简介电磁阀是用来控制流体的方向的自动化基础元件，属于执行器；通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。 1.1.1 工作原理电磁阀的基本原理：当线圈接通电流，便产生了磁性，跟磁铁相互吸引，磁铁就会拉动顶杆。关闭电源，磁铁和顶杆就复位了，即当线圈通电或断电时，磁芯的运转将导致液体通过阀体或被切断，以达到改变流体方向的目的。电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。 1.1.2 电磁机构的吸力特性电磁机构的电磁吸力[1]可以按下式1.1求得： F= （1.1）式1.1中F为电磁吸力（N），B为气隙中磁感应强度（T），S为磁极截面积（）。当端面积S为常数时，吸力F与磁密强度成正比，也可以认为F与磁通Φ成正比，如式1-2所示。 F ∞ Φ （1.2）电磁机构的吸力特性反映的是其电磁吸力与气隙长短之间的关系。直流电磁机构有直流电源激磁，稳态时，磁路对电路无影响，所以可认为其激磁电路不受气隙变化的影响。即其磁势IN不受气隙变化的影响，电路在恒磁势下工作。此时 F ∞ Φ∞（1/δ） (1.3) 即直流电磁机构的吸力F与气隙δ的平方成反比。其吸力特性曲线如图1-1所示。可以看出特性曲线比较陡峭，它表明衔铁闭合前后吸力变化很大，气隙越小吸力则越大。图1-1 电磁机构吸力特性曲线由于衔铁闭合前后激磁线圈的电流不变，所以直流电磁机构适合于动作频繁的场合，且吸合后电磁吸力大，工作可靠性高。 1.2 课题背景和意义平时我们在商场里见到的那些全自动洗衣机，插上电源以后就会自动把水加满，洗完以后自己把水放掉，然后再自动加水冲洗，洗完后再把水放掉把衣服甩干，全部过程都是自动完成的，可方便了。其中很重要的一个因素就是全自动洗衣机含有一个关键部件——电磁阀。电磁阀是管道自动控制系统中常用的执行元件，它是以电磁力为动力，来实现管道中水流的开启或关闭，由于电磁阀具有耗能小、体积小、性能稳定、维修方便等优点，因此在管道自动控制方面，扮演着重要的角色。电磁阀不仅仅在全自动洗衣机上有应用，并且广泛应用在那些精度要求高的领域，如汽车领域和航天领域。随着汽车控制技术的发展,汽车电磁阀的应用数量和种类越来越多,对电磁阀质量要求也越来越高。在现代汽车制造技术里,汽车的油路、气路通断控制和汽车的制动,无处不见电磁阀的身影。电磁阀性能的好坏直接关系汽车的操作性能，甚至关系到驾驶人的安全。因此，电磁阀特别是高性能电磁阀的质量检测就显得十分重要了。长期以来，电磁阀的性能检测方法是采用简易的人工检测，这种检测台操作复杂，对检测人员要求较高，操作人员的劳动强度非常大，速度也较慢。尤其在检测精度方面，效果不能使人满意。发达国家使用的电磁阀检测仪都是自主开发的自动检测台，没有通用的产品。因此，研发具有我国自主知识产权的具有自动化水平很高的电磁阀性能检测台，对我们提高生产力和自动化程度具有重要的意义。 1.3 本设计完成的主要工作第一、了解电磁阀的工作原理及电磁机构的吸力特性。第二、针对高性能电磁阀吸力特性的测试要点，提出若干设计方案，并对它们进行全方位的方案论证，最后在满足设计要求的情况下，综合其自动化程度、经济性等因素确定出一种最佳方案。第三、针对选出的最佳设计方案，我们首先要对其硬件系统进行设计，对方案中用到的重要设备及元器件进行选型，并画出硬件组成图。第四、在硬件系统确立的基础上，接下来我们进行系统软件部分的设计，软件部分要按照操作方便、系统安全性等原则设计。第五、系统软硬件设计完成后，我们要进行系统联机调试，针对调试过程中出现的问题进行分析、修正和优化，最后完成本次设计。 2 系统方案论证及总体方案设计在设计任何一个系统，我们首先要做的就是系统方案论证，即在满足设计基本要求的情况下对提出的若干方案进行论证，谋求一种在满足设计要求的基础上，在综合各方面因素的情况下，选择一种最佳方案，然后对其进行详细介绍。 2.1 本设计要求本设计研究的是高性能电磁阀吸力特性测试装置，即绘制电磁阀吸力与吸合行程之间的关系曲线。因此，本设计的要求为：第一、系统应该不仅具有手动测试部分，并且最重要的是还要有自动测试部分。第二、在程序的编写过程中，要充分考虑到任何可能发生的情况，特别是异常情况，并针对上述情况编写安全性高的程序。第三、设计的系统应该能够精确地采集到电磁阀的吸力和吸合行程两组数据。第四、能够直观地在计算机上显示它们的关系曲线。 2.2 基于LABVIEW的方案 LabVIEW是NI推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。LabVIEW程序又称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器；但LabVIEW程序很容易改变设置和功能。LabVIEW是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能因此，本装置可以采用LABVIEW软件与采集板卡组成LABVIEW控制系统组成目标系统，采集板卡负责吸力和吸合行程两组数据的实时采集，LABVIEW软件负责数据的处理和电磁阀吸力特性关系曲线的绘制。虽然LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，省时简便。但是，LabVIEW一般适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，以及对信号进行分析研究、传输等场合。最主要的是这样的一个系统花费的代价一般是是非常昂贵的。 2.3 基于PLC和组态软件的方案我们也可以采用PLC加组态软件完成目标系统，PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。因此，PLC是当今自动化控制系统领域中的重要支柱之一。 PLC控制系统具有以下特点：（一）可靠性高、抗干扰能力强（二）配套齐全、功能完善、适用性强（三）系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造（四）体积小、重量轻、能耗低随着PLC（Soft-PLC）控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有SoftPLC组态软件和基于工业PC控制系统的市场的份额正在逐步得到增长，这些事实使传统PLC供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须面对现实，在传统PLC的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。在基于PLC和组态软件的方案中，我们可以用PLC采集电磁阀吸力和吸合行程这两组数据，然后采用组态软件对这两组数据进行处理后，最终利用组态软件含有的控件绘制出电磁阀吸力特性曲线。 2.4 最终方案的确定和总体设计上面提出的两种方案各有各自的特点，都能满足设计要求。但是，由于LabVIEW系统一般适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，且价格一般很昂贵，再有本装置安装在工业现场并且需求量大，所以，我们不得不考虑成本及性价比问题。PLC加组态软件系统成本低、可靠性高，最重要的是其性价比高，因此，在两种方案都能满足设计要求的情况下，综合各方面因素进行取舍，最终我选用PLC加组态软件完成目标系统。 2.4.1 系统总体方案设计本设计研究的是高性能电磁阀吸力特性测试装置，即绘制电磁阀吸力与行程之间的关系曲线。我们选用PLC作为核心控制器，然后利用PLC强大的数据处理功能完成底层吸力和吸合行程两组数据的采集和处理，最后利用组态软件对这两组数据进行分析和处理，设计监控画面并借用计算机特有的曲线控件绘制出电磁阀吸力特性曲线，直观地将其显示在计算机屏幕上。整个系统组成图如图2-1所示。电磁阀吸力电磁阀吸合行程 PLC控制器工控机图2-1 系统组成图 3 硬件系统设计既然要测电磁阀的吸力特性曲线，因此我们必须要得到电磁阀吸力和行程两组数据，然后利用组态软件基于这两组数据绘制力与行程特性曲线。下面重点针对系统的硬件组成，I/O点分析，硬件选型方面进行介绍。 3.1 系统硬件组成该装置主要包含有控制器PLC、步进电机及其驱动器、编码器、力传感器、放大器和模拟量输入模块组成。系统组成图如下图3-1所示。 PLC 编码器力传感器步进电机模拟量模块放大器驱动器图3-1 系统组成图系统工作过程：PLC利用周期可调的高速脉冲输出PWM驱动步进电机转动，经机械传动系统带动安装在力传感器上的顶针向下顶电磁阀的阀芯，与此同时，编码器输出高速脉冲，PLC记录高速脉冲的个数，通过计算得出准确的行程，力传感器输出模拟信号经运算放大器输出4~20mA标准信号电流，经过模拟量输入模块变换成数字量，经PLC计算得出吸力和吸合行程后，我们就可以利用组态软件绘制出吸力和行程的特性曲线。 3.1 系统I/O分析在设计任何一个PLC控制系统之前，我们做的首要工作就是确定I/O点数。本设计含有一个模拟量即电磁阀吸力，编码器输入口，控制步进电机脉冲输出口，控制步进电机方向输出口。再有控制部分分自动部分和手动部分，手动部分含有手动上升、手动下降和手动停止控制，自动部分含有自动测试开始和步进电机运行上限控制。算得本系统含有6个数字量输入、两个数字量输出和一个模拟量输入。 3.3 系统主要硬件选择本系统硬件选择主要包括控制器，模拟量输入模块，驱动器，步进电机、编码器、力传感器的选择，由于篇幅所限其他诸如继电器、电源等硬件的选择在此不做一一介绍。 3.3.1 PLC 目前流行的PLC种类有很多，市场占有率较高的有德国西门子PLC和日本的三菱、欧姆龙PLC，其中它们各自都有自己的优缺点，本系统我们选用西门子PLC，之所以选用西门子PLC是因为其品牌、价格、市场占有率高等优势，最重要的是其功能强大，系统模块化强，更加容易扩展和系统的维护。西门子PLC分为小型、中型和大型PLC[2]，由于本系统是一个小型系统，并且I/O点数少，所以我们选用西门子小型S7-200系列PLC。S7-200CPU是将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC。在下载了程序之后，S7-200将保存多需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。首先，S-7200PLC输出类型有晶体管（DC）、继电器（DC/AC）和晶闸管三种输出方式，考虑到本系统要利用高速脉冲输出PWM驱动步进电机和采集高速脉冲序列来精确计算吸力和吸合行程这两种功能，开关频率高，因此我们选用晶体管输出方式，它可以输出最大可达20kHz的高频脉冲序列，可以驱动步进电机和伺服电机以实现准确定位任务。其次，系统的I/O点数。经过分析本系统需要一个高速脉冲输入口和五个普通输入I/O口，一个高速脉冲输出口和一个普通输出I/O口，考虑到普通数字开关量不能和高速输入口分在一组内，以免对高速脉冲造成干扰，致使测得特性曲线不准确，并且在满足够用的情况下，应该留下一定的冗余。因此，参照西门子S7-200产品目录及市场的实际价格，选用主机为CPU224（14输入/8输出晶体管输出）一台，加一台扩展的模拟量模块，这样的配置是最经济和适用的。 3.3.2 模拟量输入模块因所选CPU224本身无模拟量处理的功能，因此我们需要配备一个模拟量输入模块配合PLC处理模拟量。模拟量输入模块处理模拟量数据的原理很简单，传感器采集到模拟量信号，经变送器将此信号转换成4-20mA电流或1-5V电压标准的电信号，然后经模拟量输入模块转换为数字信号，最后经过标度处理后，然后用数学运算，将结果在触摸屏或者文本显示器上显示即可。本系统有一路模拟量信号即力传感器信号，因此考虑在满足冗余的情况下，考虑到经济的因素，我们选用西门子PLC配套的专用模拟量输入模块EM231，附带有四路模拟量输入。 3.3.3 步进电机及其驱动器步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构。其主要优点是有较高的定位精度，无位置累积误差；特有的开环运行机制，与闭环控制系统相比降低了系统成本，提高了可靠性，广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。其实物图如图3-2所示。控制换相顺序，通电换相。这一过程称为“脉冲分配”。例如：四相步进电机的单四拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D。通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断，控制步进电机的转向。如果给定工作方式正序换相通电，则步进电机正转;如果按反序换相通电，则电机就反转。控制步进电机的速度。如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整控制器发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。可编程逻辑控制器内含有独特的PWM高速脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行直接控制。这种控制的优点是大大减小系统设计的工作量，没有各部分接口信号的匹配问题提高了系统的可靠性。本系统系统选用北京和利时电机技术有限公司的两相混合式步进电机86BYG250BN，步距角为1.8°，具有定位精确，转速范围大，分辨率高，低速运行稳定，功耗低等优点。本系统选用DL-025MAC步进电机驱动器，该驱动器是瑞得集团北京瑞业科技发展公司制造的DL系列中的新产品，用于驱动两相或者四相混合式步进电机。体积更小、性能更加稳定。低频特性有很大提高。我门设置参数为：单脉冲模式，脉冲正输入端；单脉冲模式，方向电平的正输入端；每转400步（步距角0.9度）。其接线方法如图3-3所示。图3-2 步进电机图3-3 驱动器 3.3.4 编码器编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。旋转编码器是工业自动化控制过程中测量电机转速，精确定位的重要电气部件。随着现代自动化的程度的逐年上升，编码器在自动化控制中的运用也日趋广泛。本系统选用欧姆龙公司的E6B2（A6B2）增量式编码器，其实物图如图3-4所示。其电源电压DC5-24V，2000P/R的高分辨率，附有逆转、负荷短路保护电路，提高了可靠性。图3-4 编码器由设计好的传动系统得知，电机转一圈带动轴移动距离为5mm，我们编码器输出2000个脉冲，因此我们要得到的吸力行程={HS0（编码器输出脉冲个数）*5/2000}*1000，单位为微米。 3.3.5 力传感器本系统就采用了一款电阻应变式传感器YZC-516力传感器。电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力学量转换为电信号的传感器。电阻应变式传感器具有精度高，性能稳定，测量范围宽，可制成各种机械量传感器；并且结构简单，体积小，重量轻。可在超低温、强振动、强磁场等恶劣环境下工作等特点。YZC-516 力传感器，采用“S”型结构，精度高，抗偏载能力强。由于采用优质的弹性材料和科学的工艺以及精心的补偿措施，使其产品具有优良的长期稳定性，体积小，外形美观，全密封防水，有铝合金，合金钢及不锈钢三种型式适用于各种配料秤，包装秤，电子称量及各种测力系统。广泛应用于冶金机械、电子、轻工、纺织、石油、矿山、建筑、交通等各个领域。其实物图如3-5图所示。图3-5 力传感器实物图 3.4 系统硬件接线图系统硬件接线图见附录3。 4 系统控制程序设计本节将对顺序功能图编程语言及西门子PLC高速计数和高速脉冲输出功能指令进行简单介绍，并重点对控制程序中的典型环节进行重点介绍。 4.1 顺序功能图(SFC) 顺序功能图具有图形编程语言（LD/FBD）的特点，也具有文本编程语言（ST/IL）的特点，SFC在可编程序控制器国际标准编程语言IEC 61131-3中将其作为公共元素使用。SFC是一种强大的描述控制流程顺序行为特征的图形化语言，能对复杂的过程或操作由顶到底地进行整体开发。对于一个顺序控制问题，不管多么复杂，SFC都可以将这个复杂的问题逐层分解为若干个图形化的状态。通过SFC使多种编程语言融合，实现程序的优化设计，特别适合于具有并发顺序和选择顺序的控制过程中，也适合于多进程时序混和型复杂控制。SFC是未来工业编程语言的首选。 4.2 S7-200PLC高速计数和高速脉冲输出介绍 4.2.1 高速计数一般来说，高速计数器HSC和编码器配合使用，在现代自动控制中实现精确定位和测量长度。它可用来累计比可编程逻辑控制器的扫描频率高得多的脉冲输入，利用其产生的中断事件完成预定的操作。高速计数器指令如图4-1和图4-2所示。图4-1 图4-2 其中HSC表示高速计数器编号，为0~5的常数，属字节型；MODE表示工作模式，为0~12的常数，数字节型。高速计数器的使用方法：（一）选择高速计数器（二）设置控制字节（三）执行HDEF指令（四）设定初始值和预定值（五）设置中断事件并开全局中断（六）执行HSC指令其中HSC使用的特殊标志寄存器如下表4-1所示。表4-1 HSC使用的特殊标志寄存器高速计数器编号状态字节控制字节初始值预设值 HSC0 SMB36 SMB37 SMD38 SMD42 HSC1 SMB46 SMB47 SMD48 SMD52 HSC2 SMB56 SMB57 SMD58 SMD62 HSC3 SMB136 SMB137 SMD138 SMD142 HSC4 SMB146 SMB147 SMD148 SMD152 HSC4 SMB146 SMB157 SMD158 SMD162 4.2.2 高速脉冲输出高速脉冲输出功能是指在可编程序逻辑控制器的某些输出端产生高速脉冲，用来驱动负载实现精准控制，这在运动控制中具有广泛的应用。使用高速脉冲输出功能时，PLC主机应选用晶体管输出型，以满足高速输出的频率要求。高速脉冲输出有高速脉冲串输出PTO和宽度可调脉冲输出PWM两种输出方式。本系统使用的是PWM输出方式，它可以输出一串占空比可调的脉冲序列，用户可以控制脉冲的周期和脉宽。如图 4-3所示。周期脉宽图4-3 高速脉冲PWM输出方式高速脉冲输出指令如图4-4所示。图4-4 其中Q0.X代表PLC输出口选择，可以使Q0.0或Q0.1。 PWM的使用步骤：（一）确定脉冲发生器它包含两方面的工作，即根据控制要求，一是选用高速脉冲输出端；二是选择工作模式为PWM。（二）设置控制字节按控制字节要求设置特殊寄存器（三）写入周期值和脉冲宽度值按控制要求将脉冲周期和脉宽分别写入相应的特殊寄存器。（四）执行PLS指令经以上设置并执行指令后，即可用PLS指令启动PWM，并有Q0.0或Q0.1输出。其中相关寄存器功能表如表所示。表4-2 HSC使用的特殊标志寄存器 Q0.0的寄存器 Q0.1的寄存器名称及功能描述 SMB36 SMB76 状态字节，在PTO方式下，跟踪脉冲串输出状态 SMB67 SMB77 控制字节，控制PTO/PWM脉冲输出地基本功能 SMW68 SMW78 PTO/PWM的周期值，范围2~65535ms或10~65535us SMW70 SMW80 PWM的脉宽值，范围0~65535(ms或us) SMD72 SMD82 PTO的脉冲数，范围1~4294967295 SMB166 SMB176 段号，多段管线PTO进行中的段的编号 SMW168 SMW178 多段管线PTO包络表起始字节的地址 4.3 系统I/O及变量分配在编写控制程序之前，我们首先要对I/O和变量进行地址分配，这样我们就可以进行程序的编写。 4.3.1 系统I/O口分配系统I/O分配表如表4-3所示。表4-1 系统I/O口分配表序号备注地址 1 编码器输入 I0.0 2 手动上升 I1.0 3 手动下降 I1.1 4 手动停止 I1.2 5 自动测试开始信号 I1.3 6 步进电机运行上限位 I1.4 7 步进电机脉冲输出 Q0.0 8 步进电机方向输出 Q0.1 4.3.1 系统变量分配本系统变量包含下位机和上位机变量两部分，分配方案如下： M10.0 自动测试标志 V1000.0 初始状态指示 V1000.0 自动开始上位机 V1118.0 上升上位机 V1118.1 下降上位机 V1118.2 停止上位机 V1118.3 可以开始自动测试标志 V4001.0 防止VD1106的误动作 VW1120 手动步进电机周期 VW4120 手动步进电机脉宽 VW1122 自动步进电机周期 VW4122 自动步进电机脉宽 vw4220为自动测试过程中用于设定当前值小于峰值多少才跳转 vw4222为自动测试过程中用于设定当前值大于谷值多少时才跳转 Vw6008 经毛刺处理后的当前力值 VW6050 原始采集到的力值 VW6216 转换为实数的原始采集到的力值 VD1106 经标定后的力值单位Kg VD1132 上位机连接的力值单位Kg VD1128 计算后的行程值单位微米 4.4 系统控制程序框架及典型环节介绍控制程序包含有若干部分，本节首先列出程序的总体框架。然后对初始化程序、模拟量采集程序，保护程序等主要部分进行简单介绍。 4.4.1 控制程序框架系统控制程序框架图如图4-5所示。系统程序总体框架初始化程序模拟量采集程序硬件保护程序手动控制程序自动控制程序图4-5 控制程序框架 4.4.2 典型环节介绍 (一)初始化程序初始化程序一般只在上电瞬间执行一次的程序，一般情况下负责状态设置、开中断、清除内存中的数据。本初始化程序主要负责开时基中断，设置中断时间和定义高速计数器。此时基中断连接的中断程序负责的任务就是模拟量的采集和处理。初始化程序的编写如图4-6所示。图4-6 初始化程序（二）保护程序编写保护程序的作用是防止系统出现异常情况后，系统不能及时停止工作，从而造成系统某些设备及元器件的损坏。本保护程序作用是当步进电机反转带动轴向上移动到上限位停止过程中，防止上限位限位开关出现异常从而不能使电机停止。方法为设置一定时器，定时时间到达时自动停止电机转动，定时时间跟情况设定，保护程序如图4-7所示。图4-7 保护程序图 4.5 控制程序分析控制系统程序主要包含两大部分，一是手动部分；二是自动部分。手动部分采用梯形图编程；自动部分将采用流行的SFC编程语言进行编程，编程更为简单方便。下面主要针对这两部分进行简单的程序分析。 4.5.1 手动部分手动部分编程思路：控制系统上电后，系统处于待测状态，等待工作人员完成测试前的准备工作，如放上电磁阀等。准备就绪后，使输入I1.0置1或在监控画面上点击下降按钮，在步进电机则按照手动设置的速度转动，进而经机械传动系统带动安装在力传感器上的撞针像下移动，当撞针刚接触电磁阀阀芯时自动停止下降，为自动测试做准备，此时力传感器测得一个接触力值（根据实际情况设定，这里设定为1Kg）,而产生自动停止的条件就是，力测量值>1Kg。其中在下降期间，若需要急停的时候，我们可以置I1.2为1或点击监控画面上的停止按钮，步进电机将停止转动。调整完以后，可以点击监控画面上上升按钮回到初始状态，也可以点击下降按钮继续下降到自动测试等待状态。系统手动部分程序流程图见附录1。 4.5.2 自动部分系统自动部分编程思路：进入到自动测试等待状态以后，点击自动测试按钮后，自动测试开始，置V4800.0为1，开始输出力和行程。首先将当前力值存于VW4210（比较最大值，由于预先知道曲线中力值先突然增大，然后才开时下降，因此要找到最大值，才能顺利完成曲线的绘制），然后设置高速脉冲输出PWM，将自动测试的脉冲周期和脉宽分别送入控制字节SMW68和SMW70，步进电机将按设定转速转动，与此同时，编码器开始记录行程的大小。曲线上升阶段中，我们时刻将采集到的当前力值与VW4210比较，若当前力值大于VW4210，则继续将当前力值存于VW4210，否则，若当前力值小于VW4210一定数值（存于VW4220，根据实际情况而定，这里我们设定为1000）后，将此时的当前力值存于最小值VW4100，而后进入曲线下降阶段。在下降阶段，我们时刻将采集到的当前力值与VW4100比较，若当前力值小于VW4210，则继续将当前力值存于VW4100，否则，若当前力值大于VW4210一定数值（存于VW4222，根据实际情况而定，这里我们设定为1000）后（力当前值最大，即电磁阀气隙被完全顶下去），步进电机自动换向，按照手动时的速度自动上升置上限位，回到初始状态，准备下一次测试。其中为了在自动测试过程中，防止VD1106误动作，即当在电磁阀气隙完全顶下去后，步进电机不能停止下降，造成力传感器损坏，我们加了一层保护，即VD6050>30000（预先知道力值最大时不过24Kg左右，换算为数字量后，远小于30000），因此，能够有效防止传感器的损坏。还有一层保护，即防止上限开关损坏而加的一层保护。采用定时器，即设定一个时间，当自动测试结束后启动定时器，时间到以后立即停止步进电机转动，即停止上升。系统自动部分程序流程图见附录2。 5 上位机程序设计 5.1 工业组态产生的背景在工业控制系统中，特别是发展中国家的工业控制系统，由于和多企业都是从小到大慢慢发展过程总，由于各种原因造成每一个控制对象使用的控制器都不同。企业发展到一定规模时，为了跟上当今信息时代的步伐。需要把现场设备、控制器、监控和管理融合为一体，要实现这个任务，需要进行针对性的编程，大家可以想象这样的工作量及开发时间有多大了。然而这是很多企业都会遇到的问题。为了能简单解决这个问题，工业组态软件应运而生。工业组态可以这样理解：就是把企业中现场设备、控制器、监控和管理各层信息融合为一体的计算机平台。典型的工业组态通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结构，它们构成了一个分布式的工业网络控制系统，其中设备层负责将物理信号转换成数字或标准的模拟信号；控制层完成对现场工艺过程的实时监测与控制；监控层通过对多个控制设备的集中管理，来完成监控生产运行过程的目的；管理层对生产数据进行管理、统计和查询。监控组态软件一般是位于监控层的专用软件，负责对下集中管理控制层，向上连接管理层，为实施数据采集、过程监控、生产控制提供了基础平台，其在检测、控制设备构成的任意复杂的监控系统中发挥了核心作用是企业生产信息化的重要组成部分。 5.2 力控ForceControlV6.1监控组态软件力控ForceControlV6.1监控组态软件是北京三维力控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计开发的高端产品，V6.1在秉承V5.0成熟技术的基础上，对历史数据库、人机界面、I/O驱动调度等主要核心部分进行了大幅提升与改进，重新设计了其中的核心构件，力控6.1开发过程采用了先进软件工程方法：“测试驱动开发”，使产品的品质得到了充分的保证。

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