基于plc的电机控制系统-毕设论文.doc

学号： 常 州 大 学 毕业设计（论文）（2012届）题 目 学 生 学 院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务 校外指导老师 专业技术职务 二一二年六月基于PLC的电机控制系统 摘要：本论文的目的在于采用PLC来控制步进电机时，可通过硬件连线和软件编程进行对步进电机的控制。通过模块化设计，以主程序调用相应的子程序和终端程序的方式来改变输入脉冲的频率和个数，可实现步进电机的速度、方向、定位等功能。步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。其基本原理是是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的脉冲顺序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的顺序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。因此，本次设计的中心思想是通过控制脉冲输出信号的频率和个数，实现步进电机的速度、方向、定位等功能。 本设计采用可编程逻辑控制器PLC的高速脉冲输出，选用的是西门子的PLC设计理念在于采用模块化设计，针对设计要求，通过主程序调用相应的子程序及中断程序来完成步进电机的不同功能。关键字：步进电机；PLC ；高速脉冲输出 Design of Motor Control System Based on PLC Abstract：The purpose of this paper is that the PLC to control the stepper motor, stepper motor be controlled through hardware connection and software programming. Through modular design, the main program call the subroutine and the terminal program to change the frequency and number of the input pulse, the stepper motor speed, direction, location and other functions. The stepper motor is a digital-analog conversion component that digital pulse signal to convert the mechanical angular displacement or linear displacement . The basic principle is an actuator that electrical pulse signal is converted into linear displacement or angular displacement, whenever imposed on an electrical pulse, the output turned a fixed angle. Output displacement of stepper motor is proportional to the number of input pulses. Its speed is proportional to input of the number of pulses in unit time (pulse frequency). Its steering is related to pulse assigned to each phase winding stepper motor pulse sequence . So long as the control of the order of the command pulse number, frequency, and motor windings energized to control the stepper motor output displacement, speed and steering. Therefore, the central idea of this design is by controlling the frequency and number of the pulse output signal, achieve the stepper motor speed, direction, and positioning. This design uses a Programmable Logic Controller (PLC), high-speed pulse output, an optional Siemens PLC design concept is a modular design, for design requirements, the main program calls the appropriate subroutine and interrupt the program to complete the stepper motor function.Keywords: stepper motor ；PLC ；high-speed pulse output 目 录摘要.IAbstract.II目录.III1 绪论11.1 设计的意义11.2 设计的发展与趋势12 系统设计方案32.1 设计的任务32.2 方案原理32.3 方案特点及选择依据42.4 硬件简介52.4.1 PLC的简介52.4.2 步进电机选型72.4.3 驱动器的选型73 系统硬件设计93.1 系统总功能概述93.2 PLC模块设计93.2.1 PLC工作原理93.2.2 PLC的特点123.2.3 PLC控制系统的系统配置及I/O地址分配123.3 步进电机模块设计153.3.1 步进电机工作原理153.3.2 步进电机的特点153.4 步进电机驱动电路设计163.4.1 驱动器原理163.4.2 驱动器的特点163.4.3 驱动电路163.4.4 驱动电路接口174 系统软件设计174.1 上位机组态监控软件设计174.2 程序的设计要求184.3 程序设计184.3.1 程序流程图184.3.2 PTO的概述204.3.3 程序的设计原理224.3.4 程序的分析225 系统调试与故障分析255.1 系统调试255.2 故障解决方案27结 论29附 录30参考文献33致 谢34IV常州大学本科生毕业设计1 绪论1.1设计的意义随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个行业的控制领域都将有广泛应用。而现在的可编程控制器（通常称PLC）是一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能，能充分适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高，是目前广泛应用的控制装置之一。 步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点,所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。目前,比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电机。但采用单片机控制,不仅要设计复杂的控制程序和I/O接口电路,实现比较麻烦,而且对工业现场的恶劣环境适应性差,可靠性不高。基于PLC控制的步进电机具有设计简单,实现方便,定位精度高,参数设置灵活等优点,在工业过程控制中使用,可靠性高,监控方便。 基于步进电动机良好的控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数控机床、绘图机、轧钢机、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。 1.2设计的发展与趋势PLC作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格便宜，可现场修改程序，体积小、硬件维修方便，价格便宜等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。因此，通过研究用PLC来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。以往的步进电动机需要靠驱动器来控制，随着技术的不断发展完善，PLC具有了通过自身输出脉冲直接步进电动机的功能，这样就有利于步进电动机的精确控制。随着计算机技术的发展，PLC升级为PCC，其基本组成和工作原理和PLC是相同的。但是，PCC具有一般PLC所不具备的特点： PCC已经采用了多任务操作系统； PCC不但支持梯形图和C语言等各种高低编程语言，还具有专为工业控制开发的高级语言，它比通用的高级语言，如C语言更适用于工业控制，更易于编程；PCC可以支持多个主CPU同时工作，而且还具有智能处理器，如专门的时间处理单元守（TPU）。从这些特点可以看出，PCC在很多方面突破传统，在PLC中引入了新的思想和编程思想，更易于实现日趋复杂的控制要求。步进电机在工业领域应用非常广泛，实现PCC控制的步进电机具有很大的实用价值。步进电动机已成为除了直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机，传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域。 随着微电子技术和计算机技术的发展，PLC有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越少。对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性。向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优越性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机要更好一些。可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。目前利用PLC技术可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速机电一体化的实现。时至今日，软件以及电子设备等相关技术都有了长足发展。虽然软件的发展速度比不上硬件的发展速度那么迅速，但已能满足现在的工业需求。对步进电机的传统控制通常完全由硬件电路搭线而成。随着PLC的普及，现在已普遍采用硬件与软件相结合的方式对其进行控制，这种控制方法有很多优点，比如：可以实现高精度的控制，降低成本，降低控制程度，简化控制电路等。今后步进电机的总体发展趋势是向着低功耗、高频率精度、多功能、高度自动化和智能化的方向发展。PLC发展至今，已有30余年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域已有翻天复地的变化，PLC亦在不断的发展变化之中，PLC正朝着新的技术发展。PLC可编程序控制器工作可靠，支持开关量和模拟量，是工业现场应用比较广泛的设备。步进电机技术，历经上世纪几十年的发展，已成为相对成熟的技术但随着应用范围的推广和新工艺、新技术的不断出现，步进电机技术仍然在不断发展完善中步进电机的发展是向小型化方向发展，改圆形电动机为方形电动机，一体化设计，向五相和三相电动机方向发展。步进电机驱动技术的发展主要是在DDS技术在步进电动机控制系统中的应用，步进电动机自动加减速运行的研究，高性能步进电机电源技术的研究，步进电机细分驱动技术的应用。 科学技术的飞速发展，步进、伺服电机的应用越来越广泛，其功能多样性和产品可靠性日臻完善，正在逐步取代原来的普通电机。而且随着可编程控制器技术的日益成熟，将二者完整地结合起来，完成对各种复杂运动的自动控制，实行机电一体化，正在成为一种趋势。2系统设计方案2.1设计的任务本设计采用PLC来控制步进电机时，可通过硬件连线和软件编程进行对步进电机的控制。通过模块化设计，以主程序调用相应的子程序和终端程序的方式来改变输入脉冲的频率和个数，可实现步进电机的速度、方向、定位等功能。设计采用可编程逻辑控制器PLC的高速脉冲输出，选用的是西门子的PLC设计理念在于采用模块化设计，针对设计要求，通过主程序调用相应的子程序及中断程序来完成步进电机的不同功能。2.2方案原理 系统原理图： 转 换 电 路 步进电机装置 速度信号 PLC 步进电机驱动器定位信号 电流检测方向信号图2.1 PLC控制步进电机原理系统图步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。其基本原理是是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的脉冲顺序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的顺序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。 针对步进电机的工作原理，可通过改变PLC输出脉冲频率和个数的控制，实现步进电机的速度控制要求和定位控制。至于方向控制，则可用PLC输出信号作为驱动器方向电平的输入信号。 图2.1中PLC作为控制器, 接收设定数据并进行逻辑处理, 再控制步进电机。步进电机装置是受控对象, 外围有转换与驱动装置。为了使多种信号的检测和驱动与步进电机装置相匹配, 增加了信号的脉冲转换电路。脉冲转换电路将PLC 输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。步进电机功率驱动器是将PLC 输出的控制脉冲放大到所需的驱动能力。在步进电机驱动器中, 内置了电流检测电路。电机发生断电或欠电流运行时, 发出报警信号, 使系统停止运行。2.3方案特点及选择依据 采用PTO控制步进电机；高速脉冲输出功能是指可编程序控制器的某些输出端产生高速脉冲，用来驱动负载实现精确控制。高速脉冲输出有高速脉冲输出PTO和宽度可调脉冲输出PWM两种方式。PTO可以输出一串脉冲（占空比50%），用户可以控制脉冲的周期和个数。PTO主要采用的是控制字节来控制脉冲输出指令来设定不同的脉冲输出信号的频率。PTO主要采用的是控制字节来控制脉冲输出指令来设定不同的脉冲输出信号的频率。PTO具有很大的灵活性和通用性。根据设计要求，这种方式保证系统的精确性和稳定性。2.4硬件简介2.4.1PLC的简介 PLC是一种通用型的工业控制设备 ，PLC 控制系统的规模、模块划分、功能的设置都是面向各种各样的应用。在市场上PLC的品种繁多，其结构形式、 性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。PLC的选择应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等几个方面考虑。 （1）CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 （2）I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少。但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （3）电源模块：PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 在本控制系统中，综合控制系统对PLC的功能要求、使用的I/O点数以及现场环境等因素，选择了西门子S7-200PLCCPU 226。 西门子PLCS7-200； 西门子S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。S7-200系列出色表现在以下几个方面： 极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。是一种通用型PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。模块化、无排风扇结构、易于实现分布式的配置、以及用户易于掌握等特点，使得S7-200PLC在以下工业部门中实施各种控制任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案。 控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。 CPU 226： 本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。 可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。 2.4.2步进电机选型本设计选用45BF008。相数是三相、步距角1.5/3度。电压24V、相电流0.2A、保持转距0.118NM(1.2kg.cm)、空载启动频率500， D为45； D1为25；高H为2.5； d为4；E为14.5；L为58； D2为33；MS为4-M3。图2.2为实物图，图2.3为三相步进电机的尺寸。图2.2 45BF三相反应式步进电机实物图图2.3 45BF三相反应式步进电机尺寸2.4.3驱动器的选型 选择合适的驱动器和技术要求有关，并和你选的步进电机额定电流有关，二相步进电机选二相驱动器，三相电机选三相驱动器，精度要求高的选用高细分驱动器，否则反之，驱动器选择电流略大于电机额定电流，驱动器电流存在虚标，标称的大都是峰值电流。 步进电机驱动器仅作驱动步进电机之用。从驱动型式上分有恒压驱动、恒流斩波驱动、PWM脉宽调制驱动。从细分型式上分有：最大可达256细分。从电流型式上分有最大电流可达8A。步进电机驱动器工作模式：有三种基本的步进电机驱动模式：整步、半步、细分。其主要区别在于电机线圈电流的控制精度(即激磁方式)。 整步驱动：在整步运行中，同一种步进电机既可配整/半步驱动器也可配细分驱动器，但运行效果不同。步进电机驱动器按脉冲/方向指令对两相步进电机的两个线圈循环激磁(即将线圈充电设定电流)，这种驱动方式的每个脉冲将使电机移动一个基本步距角，即1.80度(标准两相电机的一圈共有200个步距角)。 半步驱动：在单相激磁时，电机转轴停至整步位置上，驱动器收到下一脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继处在激磁状态，则电机转轴将移动半个步距角，停在相邻两个整步位置的中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后双相激磁步进电机将以每个脉冲0.90度的半步方式转动。所有雷赛公司的整/半步驱动器都可以执行整步和半步驱动，由驱动器拨码开关的拨位进行选择。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速运行时振动较小的优点，所以实际使用整/半步驱动器时一般选用半步模式。 细分驱动：细分驱动模式具有低速振动极小和定位精度高两大优点。对于有时需要低速运行(即电机转轴有时工作在60rpm 以下)或定位精度要求小于0.90度的步进应用中，细分驱动器获得广泛应用。其基本原理是对电机的两个线圈分别按正弦和余弦形的台阶进行精密电流控制，从而使得一个步距角的距离分成若干个细分步完成。如上图所示。例如十六细分的驱动方式可使每圈200标准步的步进电机达到每圈200*16=3200步的运行精度(即0.1125)。雷赛公司可提供规格齐全、性能优越、品质可靠、价格优惠的十余款细分驱动器。 驱动器选型要点 驱动器的电流：电流是判断驱动器能力的大小，是选择驱动器的重要指标之一，通常驱动器的最大电流要略大于电机标称电流，通常驱动器有2.0A、3.5A、6.0A、8.0A 等规格。 驱动器供电电压：供电电压是判断驱动器升速能力的标志，常规电压供给有：24VDC、40VDC、80VDC、110VAC 等。 驱动器的细分：细分是控制精度的标志，通过增大细分能改善精度。细分能增加电机平稳性，通常步进电机都有低频振动的特点，通过加大细分可以改善，使电机运行非常平稳。 控制信号接口说明 差分式接口：多数雷赛步进电机驱动器采用差分式接口电路，内置高速光电耦合器，允许接收长线驱动器，集电极开路和PNP 输出电路的信号，可适配各种控制器接口，包括西门子PLC。建议用长线驱动器(例如：AM26LS31)电路，抗干扰能力强。 单/双脉冲模式：多数雷赛步进电机驱动器可以接收两类脉冲信号：一一种为脉冲+方向形式(单脉冲)；一种为正脉冲+反脉冲。 在本控制系统中按电流电压及环境因素选择为3MD2280。3系统硬件设计3.1系统总功能概述 图3.1中PLC作为控制器, 接收设定数据并进行逻辑处理, 再控制步进电机。步进电机装置是受控对象, 外围有转换与驱动装置。为了使多种信号的检测和驱动与步进电机装置相匹配, 增加了信号的脉冲转换电路。脉冲转换电路将PLC 输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。步进电机功率驱动器是将PLC 输出的控制脉冲放大到所需的驱动能力。在步进电机驱动器中, 内置了电流检测电路。电机发生断电或欠电流运行时, 发出报警信号, 使系统停止运行。 转 换 电 路 步进电机装置 速度信号 PLC 步进电机驱动器定位信号 电流检测方向信号图3.1 PLC控制步进电机原理系统图 根据图3.1比较直观地了解系统控制。 速度控制：整步控制，即同时按下按钮，步进电机进行整步运行；慢、快速运行，即按下慢/快速按钮，电机慢/快运行。 方向控制：按下正/反按钮，电机正/反转运行。 定位控制：在整步运行状态下，设定脉冲数为一固定值，并用计数器进行计数，实现电机的精确定位控制。3.2 PLC模块设计3.2.1PLC工作原理 PLC控制任务的完成是建立在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，这一点和计算机的工作原理是一致的。因此，PLC的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的。但是，由于早期的PLC是从继电器控制系统发展而来的，主要完成的任务是开关量的顺序控制，对被控制对象控制的实现是有关逻辑关系的实现。因此，PLC并不是单纯像普通计算机那样工作，而是发展了一种巡回扫描的工作机制。PLC的巡回扫描，即是对整个程序巡回执行的工作方式，就是说用户程序的执行不是从头到尾只执行一次，而是执行一次以后， 又返回去执行第二次、第三次.直到停机.PLC实现控制的过 程一般是：输入刷新运行用户程序输出刷新再输 入刷新再运行用户程序再输出刷新.反复循环进行。同时系统还会作公共处理，如循环时间监控、外设服务及通信处理等。因此，PLC可以被看成是系统软件支持下的一种扫描设备，PLC开机后，一直在周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。定义从扫描过程中的一点开始，经过顺序扫描又回到该点的过程为一个扫描周期。PLC的内部工作流程如图3.1所示。PLC通电后，首先进行系统的初始化，清I/O区并复位各定时器、检查I/O单元的连接情况等。在初始化的基础上开始进入系统的扫描周期。PLC的一个扫描周期基本由三部分组成： （1）保证系统正常运行的公共操作。公共操作是每次扫描程序前又一次自检，若发现故障，除了报警显示灯亮之外，还判断故障性质。一般性故障，只报警不停机，等待处理；对于严重故障，则停止运行用户程序，此时PLC切断一切输出。公共操作这一部分的扫描时间基本是固定的，随计算机类型而不同。 （2）系统与外部设备信息交换即数据I/O操作，这一部分并不是每个系统或系统的每次扫描都有的，占用的时间也是变化的。数据 输入/输出操作有的称为I/O状态刷新。它包括两种操作:一是采样输入信号（即刷新输入状态表的内容）；二是送出处理结果（即 按输出状态表的内容刷新输出电路）。PLC数据I/O的示意图如图3.2所示。 （3）用户程序的执行，这一部分的扫描时间随控制对象复杂性决定的用户控制程序而变化，程序有长有短，扫描时间也就发生变化。图3.3 PLC数据I/O的示意图图3.2 PLC的内部工作流程3.2.2PLC的特点 作为一种新型的工业自动控制装置，PLC有以下一些特点。 1.高可靠性和强抗干扰能力，平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多 硬件和软件抗干扰措施。 硬件方面：（1）隔离，在微处理与I/O电路之间采用光电隔离减少外部干扰源对PLC的影响。（2）滤波，对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，减少高频 干扰。且有些模块设置了连锁保护、自诊断电路等。 软件方面：（1）设置故障检测与诊断程序。（2）当软件故障条件出现时，立即把状态重要信息存入指定存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防止存储器信息被冲掉。这样，一旦外界调整正常后 ，便可以恢复故障发生前的状态，恢复原来的工作。 2.编程简单、使用方便。目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。3. 设计安装容易，维护工作量少。功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。3.2.3PLC控制系统的系统配置及I/O地址分配S7-200 PLC的基本模块也称主机，是一个独立的装置。S7-200 PLC主机的型号、种类较多，可适应不同需求的场合。CPU22X系列产品有CPU221 模块、CPU222 模块、CPU224 模块、CPU226 模块、CPU226XM模块。它们指令丰富、速度快、可靠性好、具有较强的通信能力，表 3.1 列出了S7-200CPU模块的主要技术指标。表 3.1 S7-200CPU 模块主要技术指标CPU221 CPU222 CPU224 CPU226CPU226XM程序存储器用户数据存储器用户存储类型数据后备典型时间本机 I/O扩展模块数量内置高速计数器模拟量调节电位器硬件输入中断口令保护通信口数量 2048 字 1024 字 EEPROM 50H6入/4 出 8入/6 出 2 个4 个（30KHZ）14 个输入点有1（RS-485）4096 字2560 字EEPROM100H14入/10出24入/16 出 7 个6 个（30KHZ）24 个输入点有1（RS-485）2（RS-485）8192 字5120 字EEPROM100H24 /16 7 个6 个（30KHZ） 24 个输入点有2（RS-485） 根据工程需求，合理选择CPU和扩展模块是PLC系统设计的首要任务。选择过程中，应遵循以下几个原则： 1 最大限度地满足被控设备或生产过程的控制要求。充分发挥 PLC 功能、最大限度地满足被控对象的控制对象，是设计控制系统的前提。这就要求设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及、操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。 2 在满足控制要求的前提下，力求使系统简单、经济，使用及维修方便。在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。不宜盲目追求自动化和高指标。 3 保证控制系统工作的安全可靠。保证要求设计者在系统设计上、器件选择上、软件编程上要全面考虑。 4 考虑到今后生产发展和工艺的改进，在选择 PLC 的容量时，应适当留有裕量，一般是 10%15%左右。随着控制技术的不断发展，对控制系统的要求也会不断提高，不断加以完善。因此，在控制系统的设计时要考虑到今后的发展和完善。这要求在选择 PLC 机型和输入/输出模块时，要求留有一定的裕量。 步进电机的参数定义及I/O口地址分配表如表3.2所示：表3.2 I/O口地址分配表输 入 信 号输 出 信 号信号元件及作用启动/停止按钮SB1慢速按钮SB2快速按钮SB3定位按钮SB4正转按钮SB5反转按钮SB6接0V DCPLC输入口地址I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5信号元件及作用PLC脉冲输出正方向控制反方向控制运行灯接24V DCPLC输出口地址Q0.0Q0.1Q0.2Q0.31L 速度控制：整步控制，即同时按下按钮，步进电机进行整步运行；慢、快速运行，即按下慢/快速按钮，电机慢/快运行。 方向控制：按下正/反按钮，电机正/反转运行。 定位控制：在整步运行