工作台自动往返运动论文

目录

摘要 (3)

Abstract (4)

第一章课题背景 (5)

第二章设计总体要求 (6)

第三章操作要求 (7)

第四章整体方案 (8)

第五章硬件和软件设计 (10)

5.1 机械部分各参数选 (10)

5.2 确定步进电机的型号 (10)

5.3 软件设计 (12)

5.4 PLC部分控制 (14)

第六章程序调试 (18)

第七章结论 (20)

参考文献 (21)

谢辞 (22)

摘要

中型企业普遍采用了先进的自动化系统对生产过程进行控制，但绝大部分小型企业尚未应用自动化系统和产品对生产过程进行控制。因此，PLC在我国的应用潜力远没有得到充分发挥。我国工业企业的自动化程度普遍较低，PLC产品有很大的应用空间，如机械行业80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制。随着竞争的日益加剧，越来越多的小型企业将采用经济、实用的自动化产品对生产过程进行控制，以提高企业的经济效益和竞争实力。

在自动化生产线上，有些生产机械的工作台需要按一定的顺序实现自动往返运动，并且有的还要求在某些位置有一定的时间停留，以满足生产工艺要求。用PLC程序实现运料工作台自动往返顺序控制，不仅具有程序设计简易、方便、可靠性高等特点，而且程序设计方法多样，便于不同层次设计人员的理解和掌握。

关键词：PLC 自动化顺序控制工作台

Abstract

Chinese large and medium-sized businesses generally dopted advanced automated system for production process control, but most small enterprises were not yet available automation system and products to the production process control. Therefore, PLC application in our country is far from potential into full play. Our industrial enterprise automation degree is generally low, and the application of PLC products have very big space, such as mechanical industry more than 80% of the device is still using traditional relays and contactor controlling. As more and more fierce market competition, more and more small businesses will adopt economic and practical automation products on production process control, in order to improve the economic benefit of enterprise and competitiveness.

according to certain order the realization of automatic round-trip sport, and some still requirements in some places have certain time stays, to meet the production process requirements. With PLC program realization shipped materials workbench automatic round-trip sequence control, not only has the program design of simple and easy, convenient, the reliability high characteristic and the program design methods are various, facilitate different levels design personnel understanding and mastering.

Keywords：Programmable Logic Controller ， atomation ，squence control The Workbench

第一章课题背景

在自动化生产线上，有些生产机械的工作台需要按一定的顺序实现往返运动，并且有的还要求在某些位置有一定的时间停留，以满足生产工艺要求。用PLC程序实现工作台自动往返顺序控制，不仅具有程序设计简易、方便、可靠性高等特点，而且程序设计方法多样，便于不同层次设计人员的理解和掌握。本文以西门子S7-200 PLC为例，提出基于工作台自动往返顺序控制的PLC程序设计方法。

工业设备的自动化，越来越多的厂设备采用PLC，因此自动化程度越来越高。电器控制技术随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发展。在现代化工业成产中，为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动负担，要求整个生产工艺全程自动化，就离不开控制系统。

自动往返工作台是基于PLC控制系统来设计的，控制系统的每一步动作都直接作用于工作台的运动，与PLC控制系统有着巨大的关系，因此对自动往返工作台的设计要予以重视。

已经在国内外工程、工厂中得到实际应用，具有巨大的经济和社会价值，其智能化和自动化的思路值得以后继续深入研究和推广。

第二章设计总体要求

(1) 使用PLC实现工作台往返循环工作的控制。

(2) 工作台前进及后退由步进电动机通过丝杠拖动。

(3) 点动控制：能分别实现工作台前进和后退的点动控制。

(4) 自动循环控制：单循环运行即工作台前进及后退一次循环后停止在原位，碰到换向行程开光时不掩饰）；6次循环计数控制（即工作台前进及后退1次1个循环，每碰到换向行程开关时停止3秒后再运行，循环6次后停止在原位，原位在SQ2处。

(5) 采用光栅尺实现工作台位置检测。

(6) 自动循环控制线路：为了使步进电动机的正反转控制与工作台的左右运动相配合,在控制线路中设置了四个位置开关SQ1、SQ2、SQ3和SQ4,并把它们安装在工作台需限位的地方。其中SQ1、SQ2被用来自动换接电动机正反转控制电路,实现工作台的自动往返行程控制;SQ3、SQ4被用来作终端保护,以防止SQ1、SQ2失灵,工作台越过限定位置而造成事故。在工作台的T形槽中装有两块挡铁,挡铁1只能和SQ1、SQ3相碰撞,挡铁2只能和SQ2、SQ4相碰撞。当工作台运动到所限位置时,挡铁碰撞位置开关,使其触头动作,自动换接电动机正反转控制电路,通过机械传动机构使工作台自动往返运动。工作台行程可通过移动挡铁位置来调节,拉开两块挡铁间的距离,行程就短,反之则短。

图1 工作台自动循环

第三章操作要求

（1）点动控制的时候，按下SB4 按钮，工作台前进，松开 SB4按钮，工作台停止前进，按下 SB5 按钮，工作台后退，松开SB5 按钮，工作台停止后退。

（2）单循环运行：当按下SB1时，是正转启动，当工作台压下 SQ1 时，将 I0.5常闭断开，I0.5常开闭合，延时3秒钟执行单循环操作；按下SB2，效果一样，只是开始的方向不同。

（3）6 次循环计数控制：同时按下 SQ2、SB2，执行 6 次自动循环过程。

(4)选择好PLC的类型，根据PLC外部电气原理图，将PLC与实验板正确连接，经检验无误后，接通PLC电源，并将CPU置于“STOP”状态，点击“下载”将编译正确的程序载至PLC，打开监控。以便观察程序运行过程中各触点的开合情况，方便检查程序的错误，最后将PLC置于运行模式，运行程序。

(5)调试过程中，按动正转按钮SB1，电动机正向进给，进给到撞块压下行程开关SQ3，电动机反转，工作台后退，后退到撞块压下行程开关SQ1，电动机由反转进入正转，如此周而复始循环。程序运行正确。

第四章整体方案

(1)机械部分：

由步进电动机经过传动链将动力源传递至丝杆，丝杆与固定在工作台上的螺母配合，完成工作台的直线运动，当工作台运动至极限位置时，触动限位开关，限制工作台在一定的行程内工作，起到保护工作台的作用。

图4-1 工作示意图

(2)电气部分：

PLC初始值，将初始值传递至步进电动机驱动控制器，从而对步进电动机进行速度和方向的控制，工作台在运动后，主副光栅传感器的相对位移经过光电转换器产生微弱的模拟信量再经过放大整形电路，将其变成数字信号量，便于PLC 高速计数模块的处理，经高速计数模块处理后的信号PLC相匹配，从而便于进行比较处理。

图4-2 工作方框图

第五章 设计内容

5.1机械部分各参数选

工作台和运载物的重量：w=2000N

工作台与丝杆的摩擦系数：μ=0.06

工作台速度：v=min

mm 500 丝杆导程： L=6㎜

丝杆直径：d=30㎜

丝杆总长度：L1=1000㎜

定位精度：0.02㎜

5.2确定步进电机的型号

1、脉冲当量的选择

A 脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离0.01p mm 初选之相步进电动机的步距角5.175

.000，当三相六拍运行时，步距角75.00，其

每转的脉冲数75

.03600=S =480r p 步进电动机与丝杆间的传动比i

25.1480

01.06s i =?=?=σL .......(5-1) 在步进电动机与丝杆之间加201=Z ,252=Z 模数m=2.5的一对齿轮。

2、等效负载转矩的计算

[][]m

422.125

.18.01415926.32006.0150006.01400i 2w u L N L S Z F T =?????+=∏?+=

η .......( 5-2) ηs --丝杆传动效率

3、等效转动惯量计算

3.1丝杆转动惯量J S

()m

1010032.0d 24344g 1.83285.711415.332

lp ??=????==-K J S π .......( 5-3) 3.2 工作台的运动惯量

m

10006.0l 242

2kg 2.18.91400g w ??===-??

? ????? ??ππJ W ......( 5-4) 3.3 大齿轮的转动惯量J 2g (大齿轮节圆直径62.5㎜，宽12㎜) ()m

10100625.0243442g kg 76.13285.701.01415.332

bp ??=????==-D J π .......( 5-5) 3.4 小齿轮的转动惯量J 1g （小齿轮节圆直径50㎜ 宽12㎜）换算系列电机轴

上的总转动惯量J L

()m

101005.0253441g kg 78.53285.7012.01415.332

bp ??=????==-D J π ......( 5-6) 换算到电动机轴上的总转动惯量J L

m 1025

.110101010242444522g w 1g kg 33.776.128.11.878.5??=?+?+?+?=+++=-----L

J J J J J S L ......( 5-7)

3.5 初选步进电动机型号

根据负载转矩m 58.1?=N T L 和电动机总转动惯量10433.7-?=J L 选电动机型号为110BF003步进电动机，m 1.8max ?=N T ，转子转动惯量

5.3软件设计：

1）PLC 程序的总体设计 ：

PLC 工作台的运动主要为点位控制和画面复杂曲线 （例如圆），工作台控

制程序较复杂， 借鉴模块化设计思想， 将控制程序分为系统启动程序、初始化

程序、 转换条件触发程序、 点位运动子程序和画圆子程序。

(1) 系统启动程序：

采用一典型的启动、保持与停止电路，其作用是当输入启动信号后，使系统

处于可以运行的状态,当输入停止信号时,系统通过继电器的自锁完成一个动作

循环后，停止运行。

(2) 初始化程序：系统初始化是通过 MOV 指令进行赋值运算,可通过触发

SM0.20/SM0.1 寄存器来实现程序的初始化。

(3) 转换条件触发程序：当使能端接通时，设置好移入移位寄存器、移位

寄存器的长度、转换条件（对应于框图中的步）,每当一个转换条件达到时，便

进行移位操作。

(4) 点位运动子程序： 单轴定位指令 POS x GOTO 的控制模块以规定的频

率输出规定数量的脉冲，利用本指令可以实现单速定位操作。当 POS x GOTO 指

令的使能端接通,输入要运动到的位置与速度,工作台便能 图6程序流程图 运动到指定的点，其中程序-POS 处代表运动的距离-SPEED 代表运动的速度。 例

如工作台要以速度 v 从坐标 A 点直线运动到坐标点 B ，可以将两个坐标轴方向

的距离分别填入-POS,X 轴方向的速度为

V Y X 22X

+,Y 轴方向的速度为V

Y X 22Y

+，分别填入-SPEED ，两个方向的速度计算可以编写为子程序。

(5)画圆子程序： 设圆心角为 θ，半径为 R 的圆弧为AB ， 工作台从 A 运

动到 B 点 ，由几何关系易知 X 轴方向的位移为 R-Rcos θ，Y 轴方向的位移为 Rsin θ，由于完整的圆为 360°，在编程时可以将其细化为 360 个θ，即每一

个 θ 为 π/360°，再调用直线运动的指令便可以进行画圆。

PLC 程序流程如图 6 所示。

（2）位控模块的介绍与连接。工作台精确定位和调速是利用位置模块 EM253 来实现，该定位模块的作用是通过向步进电机驱动电源模块发送一定数量的脉冲，驱动伺服电机转动。定位模块选用与 PLC 相搭配的西门子司EM253，EM253 定位模块是 S7-200 的特殊功能模块，它能够产生脉冲串，用于步进电机和伺服电机的速度和位置的开环控制。它带有八个数字输出，在 I/O 的组态中作为智能模块，可提供单轴、开环移动控制所需要的功能和性能。提供高速控制， 12~200000 脉冲 /S。STEP7 --Micro/WIN为位置控制模块的组态和编程提供了位置控制向导，可以生成组态/包络表和位置控制指令，配置 EM253 的运动参数、运动轨迹包络等。

（3）位控模块的编程方法。 STEP 7-Micro/WIN 是方便位控模块 EM253 的组态和编程的工具。通过以下顺序即可实现位控模块的编程：①连接组态位控模块。在STEP 7-Micro/WIN 中提供一个位控向导来生成组态 /包络表和位控指令；②测试位控模块操作。在 STEP 7-Micro/WIN 提供中一个 EM253 控制面板，用以测试输入/输出的接线、位控模块的组态以及运动包络的运行；③创建 S7-200 的运行程序。位控向导自动生成位控指令，可以将这些指令方便的插入到程序中。第一，要使能位控模块，需插入一个 POSx_CTRL 指令。用SM0.0 以确保这条指令在每一个循环周期中都得到执行。第二，要将电机移动到一个指定位置，使用一条 POSx_GOTO 指令或一条 POSx_RUN 指令。POSx_GOTO 指令使电机运动到您在程序中输入的指定位置。 POSx_RUN 指令则使电机按照在位控向导中所组态的路线运动。在上文点位程序的介绍中也是采用此方法。第三，要使用绝对坐标进行运动，必须应用建立零位置。使用一条POSx_RSEEK 或一条 POSx_LDPOS 指令可以建立零位置；④编译程序并将系统块、数据块和程序块下载到 PLC 中。

5.4 PLC控制部分

1）PLC的选择：

PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。Siemens在推出新一代小型PLC产品S7200后其价格与日本产品相差不大，最近几年其小型PLC的市场增长迅速，已经与日本主要产品（Mitsubishi和Omron）在小型PLC领域取得了类似的市场地位。近年来，由于具有明显的价格优势，中国台湾的部分PLC厂商在小型PLC领域发展势头十分强劲，抢占了原来日本产品的一部分低端市场。本课程设计选用S7—200 PLC 型可编程控制器。

S7—200 PLC型可编程控制器是德国西门子公司生产的一种小型PLC，是整体式结构。它有以下几个特征：

1、定义掉电保护区

2、立即读写I/Q

3、设置停止模式下的输出值

4、对输入信号增加滤波器

5、捕捉窄脉冲

6、模拟点位器

7、高速I/Q

2)PLC及步进电机接线图

图5-1 PLC及步进电机接线图

用S7-200 PLC控制步进电机正转与反转。把步进电机驱动器的D2设置为OFF，即PU为步进脉冲信号，DR为方向控制信号。PLC的Q0.0输出高速脉冲至步进电机驱动器的PU端，Q0.1控制步进电机反转。

3)电路图、接线图：

4)I/O地址分配表

第六章程序调试

1硬件调试

接通电源，检查可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。

2 软件调试

按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM，进行下一步的调试。

3运行调试

在硬件与软件调试正确的基础上，打开可编程控制器的“RUN”开关进行调试；观察运行的情况是否正确，以确定PLC的控制系统设计符合要求。

4 自动往返工作台梯形图:

图5-2 自动往返工作台梯形图

第七章结论

本系统主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能和以电机为动力的前提下，实现了利用可编程控制器控制变频调速恒压供水的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当系统的功能增加时，硬件接线上只需增加行程开关输入信号。原来的接线不需改变，软件上只需增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也较少。调试结果表明，在适应性、精确性和可靠性方面，到达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。

感谢老师的耐心的指导，同学的帮助。虽然过程挺艰难，不过在老师和同学的帮助下，我还是完成了本次设计。这次的课程设计让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。而这份精神也将成为我以后工作时的动力。

总之，在这次设计中让我对PLC和电机拖动控制这两门课有了更深入的了解，让我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且也学会了独立的去发现、面对、分析、解决问题的能力。让我知道理论要运用于实践有多重要，使我受益匪浅。在此，再次的对老师和同学说声谢谢！

通过本设计，我学习到了很多东西，在工作的细心上也得到了提高。并且，更了解了有关可编程控制器的功能。我选择这个设计，也是为了弥补以前学习上的不足。这次设计，使我了解到老师的用心良苦，并且从老师那学到了很多宝贵的东西。

参考文献

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