項目四功能指令及應(yīng)用任務(wù)一8站小車的呼叫控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)二步進電動機的PLC控制任務(wù)三模擬量的PLC控制任務(wù)一8站小車的呼叫控制系統(tǒng)設(shè)計

一、任務(wù)目標(biāo)

(1)掌握累加器AC和高速計數(shù)器HC的使用方法。

(2)掌握傳送、數(shù)學(xué)運算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令及其編程方法。

(3)會應(yīng)用功能指令編寫較復(fù)雜的控制程序。二、任務(wù)分析

用功能指令設(shè)計一個8站小車呼叫的控制系統(tǒng)。其控制要求如下：小車所停位置號小于呼叫號時，小車右行至呼叫號處停車；小車所停位置號大于呼叫號時，小車左行至呼叫號處停車；小車所停位置號等于呼叫號時，小車原地不動；小車運行時呼叫無效；具有左行、右行定向指示和原點不動指示。

8站小車呼叫的示意圖如圖4-1所示。圖4-18站小車呼叫的示意圖由于該任務(wù)較復(fù)雜需要進行輸入信號的判別，并需要進行呼叫信號與小車所停位置的比較，及確定小車的運行與顯示，因此下面先學(xué)習(xí)傳送指令及相關(guān)知識，然后再解決該

任務(wù)。三、相關(guān)知識

(一)累加器AC和高速計數(shù)器HC

1．累加器(AC)

累加器是可以像存儲器那樣使用的讀/寫單元，CPU提供了4個32位累加器(AC0～AC3)，可以按字節(jié)、字和雙字來存取累加器中的數(shù)據(jù)。按字節(jié)、字只能存取累加器的低8位或低16位，按雙字能存取全部的32位，存取的數(shù)據(jù)長度由指令決定。例如在指令“MOVWAC2，VW100”中，AC2按字(W)存取。

2．高速計數(shù)器(HC)

高速計數(shù)器用來累計比CPU的掃描速率更快的事件，計數(shù)過程與掃描周期無關(guān)。其當(dāng)前值和預(yù)置值為32位有符號整數(shù)，當(dāng)前值為只讀數(shù)據(jù)。高速計數(shù)器的地址由區(qū)域標(biāo)示符HC和高速計數(shù)器號組成，例如HC2。

(1)高速計數(shù)器占用的輸入端子。S7-200PLC有6個高速計數(shù)器，其占用的輸入端子如表4-1所示。各高速計數(shù)器不同的輸入端有專用的功能，如：時鐘脈沖端、方向控制端、復(fù)位端、啟動端等。

(2)高速計數(shù)器工作模式。S7-200的高速計數(shù)器的工作模式分為以下4大類：

①無外部方向輸入信號的單相加/減計數(shù)器(模式0～2)?？梢杂酶咚儆嫈?shù)器的控制字節(jié)的第3位來控制加計數(shù)或減計數(shù)。該位為1時為加計數(shù)，為0時為減計數(shù)。

②有外部方向輸入信號的單相加/減計數(shù)器(模式3～5)。方向輸入信號為1時為加計數(shù)，為0時為減計數(shù)。

③有加計數(shù)時鐘脈沖和減計數(shù)時鐘脈沖輸入的雙相計數(shù)器(模式6～8)。若加、減計數(shù)脈沖的上升沿出現(xiàn)的時間間隔小于0.3ms，當(dāng)前值不變，也不會有計數(shù)方向變化的指示。

④?A/B相正交計數(shù)器(模式9～11)。它輸出的兩路計數(shù)脈沖的相位互差90°(如圖4-2所示)，可以實現(xiàn)在正轉(zhuǎn)時加計數(shù)，反轉(zhuǎn)時減計數(shù)。圖4-2A、B相型編碼器的輸出波形

A/B相正交計數(shù)器有1倍頻(1×)模式和4倍頻(4×)模式(如圖4-3所示)。需要增加測量的精度時，可以采用4倍頻模式，即分別在A、B相波形的上升沿和下降沿計數(shù)，在時鐘脈沖的每一周期可以計數(shù)4次，但是被測信號的最高頻率相應(yīng)降低。圖4-3正交1×模式和正交4×模式操作舉例

A/B相計數(shù)器的兩個時鐘脈沖可以同時工作在最大速率，全部計數(shù)器可以同時以最大速率運行，互不干擾。

根據(jù)有無外部硬件復(fù)位輸入和啟動輸入，上述4類工作模式又可以各分為3種，因此HSC1和HSC2有12種工作模式；HSC0和HSC4因為沒有啟動輸入，只有8種工作模式；HSC3和HSC5只有時鐘脈沖輸入，所以只有一種工作模式。外部輸入端子與高速計數(shù)器工作模式關(guān)系如表4-2所示。如果復(fù)位輸入信號有效，將清除計數(shù)當(dāng)前值并保持清除狀態(tài)，直至復(fù)位信號關(guān)閉。

如果啟動輸入有效，允許計數(shù)器計數(shù)；如果關(guān)閉啟動輸入，計數(shù)器當(dāng)前值保持不變，時鐘脈沖不起作用。

如果在啟動輸入無效時復(fù)位輸入變?yōu)橛行В瑢⒑雎詮?fù)位輸入，當(dāng)前值不變；如果在復(fù)位輸入有效時啟動輸入變?yōu)橛行?，則當(dāng)前值被清除。

(3)高速計數(shù)器的控制字和狀態(tài)字。

①控制字節(jié)。定義了計數(shù)器和工作模式之后，還要設(shè)置高速計數(shù)器的有關(guān)控制字節(jié)。每個高速計數(shù)器均有一個控制字節(jié)，它決定了計數(shù)器的計數(shù)允許或禁用，方向控制(僅限模式0、1和2)或?qū)λ衅渌Ｊ降某跏蓟嫈?shù)方向、是否更新當(dāng)前值和預(yù)置值。②設(shè)置初始值與預(yù)置值。每個高速計數(shù)器都有一個32位當(dāng)前值區(qū)和一個32位預(yù)置值區(qū)。當(dāng)前值與預(yù)置值為符號整數(shù)。為了向高速計數(shù)器裝入新的當(dāng)前值(相當(dāng)于計數(shù)的起始值)與預(yù)置值，必須先設(shè)置控制字節(jié)，令其第五位和第六位為1，允許更新預(yù)置值和當(dāng)前值，新當(dāng)前值和新預(yù)置值寫入特殊內(nèi)部標(biāo)志位存儲區(qū)，然后執(zhí)行HSC指令，將新數(shù)值傳輸?shù)礁咚儆嫈?shù)器。表4-4為HSC的當(dāng)前值與預(yù)置值的特殊存儲器。③狀態(tài)字節(jié)。每個高速計數(shù)器都有一個狀態(tài)字節(jié)，其中的狀態(tài)位表示當(dāng)前計數(shù)方向以及當(dāng)前值是否大于或等于預(yù)置值。每個高速計數(shù)器狀態(tài)字節(jié)的狀態(tài)位如表4-5所示。

(4)高速計數(shù)器的指令及使用。

①高速計數(shù)器指令。

高速計數(shù)器指令有兩條，如表4-6所示。

a.高速計數(shù)器定義指令HDEF：指定高速計數(shù)器(HSC×)的工作模式。工作模式的選擇即選擇高速計數(shù)器的輸入脈沖、計數(shù)方向、復(fù)位和啟動功能。每個高速計數(shù)器只能用一條高速計數(shù)器定義指令。

b.高速計數(shù)器指令HSC：根據(jù)高速計數(shù)器控制位的狀態(tài)和按照HDEF指令指定的工作模式，控制高速計數(shù)器。

②高速計數(shù)器指令的使用。

a.執(zhí)行HDEF指令之前，必須將高速計數(shù)器控制字節(jié)的位設(shè)置成需要的狀態(tài)，否則將采用默認(rèn)設(shè)置。默認(rèn)設(shè)置為：復(fù)位和啟動輸入高電平有效，正交計數(shù)速率選擇4倍速模式。執(zhí)行HDEF指令后，就不能再改變計數(shù)器的設(shè)置，除非CPU進入停止模式。

b.執(zhí)行HSC指令時，CPU檢查控制字節(jié)和有關(guān)的當(dāng)前值和預(yù)置值。

(二)傳送指令及編程

1．字節(jié)、字、雙字和實數(shù)的傳送

傳送指令(如表4-7和圖4-4所示)將輸入(IN)的數(shù)據(jù)傳送到輸出(OUT)指定的輸出地址，傳送過程不改變數(shù)據(jù)的原始值。圖4-4數(shù)據(jù)傳送指令梯形圖

指令助記符中最后的B、W、DW(或D)和R(不包括BIR)分別表示操作數(shù)為字節(jié)(Byte)、字(word)、雙字(DoubleWord)和實數(shù)(Real)。梯形圖中的指令助記符與語句表中的指令助記符可能有較大的差別(如表4-7所示)。

2.字節(jié)立即讀寫指令

字節(jié)立即讀MOV_BIR(MoveByteImmediateRead)指令讀取1個字節(jié)的物理輸入IN，并將結(jié)果寫入OUT指定的輸出地址，但是并不刷新輸入過程映像寄存器。

字節(jié)立即寫MOV_BIW(MoveByteImmediateWrite)指令將輸入IN中的1個字節(jié)的數(shù)值寫入物理輸出OUT指定的物理輸出地址，同時刷新相應(yīng)的輸出過程映像區(qū)。這兩條指令的IN和OUT都是字節(jié)變量。

3.字節(jié)、字、雙字的塊傳送指令

塊傳送指令將從地址IN開始的N個數(shù)據(jù)傳送到從地址OUT開始的N個單元，N?=?1～255，N為字節(jié)變量。以塊傳送指令“BMBVB20，VB100，4”為例，執(zhí)行后VB20～VB23中的數(shù)據(jù)被傳送到VB100～VB103中。

4.字節(jié)交換指令

字節(jié)交換SWAP(SwapBytes)指令用來交換輸入字IN的高字節(jié)與低字節(jié)位。

5.數(shù)據(jù)傳送指令應(yīng)用舉例

【例4-1】將VB100，VW102，VD104，VD108中存儲的數(shù)據(jù)分別送到VB200，VW202，VD204，VD208中。圖4-5例4-1的梯形圖

（三）數(shù)學(xué)運算指令及編程

1.加減乘除指令

在梯形圖中，整數(shù)、雙整數(shù)與浮點數(shù)的加、減、乘、除指令(如表4-8所示)分別執(zhí)行下列運算： IN1+IN2?=?OUT，IN1-IN2?=?OUT，IN1*IN2?=?OUT，IN1/IN2?=?OUT在語句表中，整數(shù)、雙整數(shù)與浮點數(shù)的加、減、乘、除指令分別執(zhí)行下列運算：

IN1?+?OUT?=?OUT，OUT-IN1?=?OUT，IN1*OUT?=?OUT，OUT/IN1?=?OUT

這些指令影響SM1.0(零)、SM1.1(溢出)、SM1.2(負(fù))和SM1.3(除數(shù)為0)。

整數(shù)(Integer)、雙整數(shù)(Doub1eInteger)和實數(shù)(浮點數(shù)，Real)運算指令的運算結(jié)果分別為整數(shù)、雙整數(shù)和實數(shù)，除法不保留余數(shù)。運算結(jié)果如果超出允許的范圍，溢出位被置1。

整數(shù)乘法產(chǎn)生雙整數(shù)指令MUL(如圖4-6(a)所示)將兩個16位整數(shù)相乘，產(chǎn)生一個32位乘積。在語句表的MUL指令中，32位變量OUT的低16位被用作乘數(shù)。

帶余數(shù)的整數(shù)除法指令DIV(如圖4-6(b)所示)將兩個16位整數(shù)相除，產(chǎn)生一個32位結(jié)果，高16位為余數(shù)，低16位為商。在語句表的DIV指令中，32位變量OUT的低16位被用作被除數(shù)。圖4-6數(shù)學(xué)運算指令

如果在乘除法運算中有溢出(運算結(jié)果超出允許的范圍)，SM1.1被置1，結(jié)果不寫到輸出，其他狀態(tài)位均置0。如果在除法運算中除數(shù)為零，SM1.3被置1，其他算術(shù)狀態(tài)位不變，原始輸入操作數(shù)也不變；否則，運算完成后其他算術(shù)狀態(tài)位有效。圖4-7除法指令應(yīng)注意梯形圖與語句表中的數(shù)學(xué)運算指令的差異，梯形圖中除法指令有兩個輸入量和一個輸出量，操作為IN1/IN2?=?OUT。語句表中除法指令的輸出量OUT同時又是被除數(shù)，其操作為OUT/IN?=?OUT。將圖4-7中的梯形圖轉(zhuǎn)換為語句表后將會增加一條數(shù)據(jù)傳送指令：圖4-7除法指

【例4-2】用模擬電位器調(diào)節(jié)定時器T37的設(shè)定值，要求定時范圍為5s～20s。

CPU221和CPU222有1個模擬電位器，其他CPU有兩個模擬電位器。CPU將電位器的位置轉(zhuǎn)換為0～255的數(shù)字值，然后存入兩個特殊存儲器字節(jié)SMB28和SMB29中，分別對應(yīng)電位器0和電位器1的值?？梢杂眯÷萁z刀來調(diào)整電位器的位置。

要求在輸入信號I0.4的上升沿，用電位器0來設(shè)置定時器T37的設(shè)定值，設(shè)定的時間范圍為5s～20s，即從電位器讀出的數(shù)字0～255對應(yīng)于5s～20s。設(shè)讀出的數(shù)字為N，100ms定時器的設(shè)定值(以0.1s為單位)為(200?-?50)?×?N/255?+?50?=?150?×?N/255?+?50

為了保證運算的精度，應(yīng)先乘后除。N的最大值為255，使用整數(shù)乘整數(shù)得雙整數(shù)的乘法指令MUL。乘法運算的結(jié)果可能大于一個字能表示的最大正數(shù)32767，所以需要使用雙字除法指令“/D”。運算結(jié)果為雙字，但是不會超過一個字的長度，所以只用商的低位字來提供T37的設(shè)定值。下面是實現(xiàn)上述要求的梯形圖程序(如圖4-8所示)。累加器可以存放字節(jié)、字和雙字，在數(shù)學(xué)運算時使用累加器來存放操作數(shù)和運算的中間結(jié)果比較方便。圖4-8例4-2梯形圖程序

2.加1與減1指令

在梯形圖中，加1(Increment)和減1(Decrement)指令(如表4-9所示)分別執(zhí)行IN+1?=?OUT和IN-1?=?OUT。在語句表中，加1指令和減1指令分別執(zhí)行OUT?+?1?=?OUT和OUT-1?=?OUT。加1與減1指令如圖4-6(c)、(d)所示。字節(jié)加1、減1操作是無符號的，其余的操作是有符號的。這些指令影響標(biāo)志位SM1.0(零)、SM1.1(溢出)、SM1.2(負(fù))和SM1.3(除數(shù)為0)。

(四)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令及編程

1．?dāng)?shù)字轉(zhuǎn)換指令

表4-10中的前7條指令屬于數(shù)字轉(zhuǎn)換指令，包括字節(jié)(B)與整數(shù)(I)之間(數(shù)值范圍為0～255)、整數(shù)與雙整數(shù)(DI)之間、BCD碼與整數(shù)之間的轉(zhuǎn)換指令，以及雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為實數(shù)(R)的指令。BCD碼的允許范圍為0～9999，如果轉(zhuǎn)換后的數(shù)超出輸出的允許范圍，溢出標(biāo)志SM1.1將被置為1。整數(shù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)時，有符號數(shù)的符號位被擴展到高字。字節(jié)是無符號的，轉(zhuǎn)換為整數(shù)時沒有擴展符號位的問題。圖4-9給出了梯形圖中的部分?jǐn)?shù)字轉(zhuǎn)換指令。圖4-9部分?jǐn)?shù)字轉(zhuǎn)換指令

2.實數(shù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)的指令指令ROUND將實數(shù)(IN對應(yīng)的數(shù))四舍五入后轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)，如果小數(shù)部分≥0.5，整數(shù)部分加1。截位取整指令TRUNC將m位實數(shù)(IN對應(yīng)的數(shù))轉(zhuǎn)換成m位帶符號整數(shù)，小數(shù)部分被舍去。如果轉(zhuǎn)換后的數(shù)超出雙整數(shù)的允許范圍，溢出標(biāo)志SM1.1被置為1。

3.數(shù)字轉(zhuǎn)換指令舉例

【例4-3】用實數(shù)運算求直徑為9876mm的圓的周長，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為整數(shù)。

LD I0.0

ITD +9876，AC1 //9876裝入AC1，整數(shù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)

DTR AC1，AC1 //雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為實數(shù)9876.0

*R 3.14159，AC1 //乘以π得31026.34

ROUND AC1，VD4 //轉(zhuǎn)換為整數(shù)31026

四、任務(wù)實施

1．I/O分配

為了便于區(qū)別，工位依1～8編號并各設(shè)一個限位開關(guān)。為了呼車，每個工位設(shè)一呼車按鈕，系統(tǒng)設(shè)啟動及停機按鈕各1個，小車設(shè)正反轉(zhuǎn)接觸器各1個。每個工位設(shè)呼車指示燈各1盞，但并連接于某一輸出口上。系統(tǒng)布置如圖4-1所示。

根據(jù)控制要求，繪制系統(tǒng)工作流程圖如圖4-10所示。為了實現(xiàn)圖中功能，選擇S7-222基本單元1臺及EM222擴展單元2臺組成系統(tǒng)?？删幊痰亩丝诩皺C內(nèi)器件安排如表4-11所示。圖4-10繪制系統(tǒng)工作流程圖表4-11呼車系統(tǒng)輸入/輸出端口安排表2．硬件接線

圖4-11呼車系統(tǒng)PLC接線圖

3．程序設(shè)計

程序的編制將使用傳送比較類指令。其基本原理為分別傳送停車工位號及呼車工位號并比較后決定臺車的運動方向，其梯形圖程序如圖4-12所示。圖4-12呼車系統(tǒng)梯形圖

五、能力測試

設(shè)計一個九秒鐘倒計時鐘。接通控制開關(guān)、數(shù)碼管顯示“9”，隨后每隔1s，顯示數(shù)字減1，減到“0”時，啟動蜂鳴器報警，斷開控制開關(guān)停止顯示。I/O分配如下：I0.0為控制開關(guān)；Q0.0～Q0.6接七段數(shù)碼管；Q1.0接蜂鳴器。

(1)設(shè)計程序(40分)。根據(jù)系統(tǒng)控制要求及I/O分配，設(shè)計梯形圖。

(2)設(shè)計接線圖(20分)。根據(jù)系統(tǒng)控制要求及I/O分配，設(shè)計系統(tǒng)接線圖。

(3)系統(tǒng)調(diào)試(40分)。

①程序輸入。按設(shè)計的梯形圖輸入程序。(10分)

②靜態(tài)調(diào)試。按設(shè)計的系統(tǒng)接線圖正確連接好輸入電路，進行模擬靜態(tài)調(diào)試，觀察PLC輸出指示燈動作情況是否正確，否則檢查程序，直到正確為止。(10分)

③動態(tài)調(diào)試。按設(shè)計的系統(tǒng)接線圖正確連接好輸出電路，進行動態(tài)調(diào)試，觀察模擬板上發(fā)光二極管的動作是否正確，否則檢查線路連接及I/O接口。(10分)

④其他測試。測試過程中的表現(xiàn)、安全生產(chǎn)、相關(guān)提問等。(10分)

六、研討與練習(xí)

在I0.0的上升沿將VD0中的0～99.99Hz的浮點數(shù)格式的頻率值，轉(zhuǎn)換為以0.01Hz為單位的4位BCD碼后，送給QW0，通過譯碼芯片和七段顯示器顯示頻率值。每個譯碼芯片的輸入為1位BCD碼。編寫出語句表程序，QW0的哪4位對應(yīng)于BCD碼的個位值？

語句表程序如下：

LD I0.0

EU //在I0.0的上升沿

MOVR 100.0，VD4

*R VD0，VD4 //乘以100

ROUND VD4，VD8 //四舍五入轉(zhuǎn)換為整數(shù)

MOVW VW10，VW12 //VD8的低位字送VW12

IBCD VW12 //轉(zhuǎn)換為BCD碼

MOVW VW12，QW0

七、思考與練習(xí)

在M0.0的上升沿，用3個撥碼開關(guān)來設(shè)置定時器的時間，每個撥碼開關(guān)的輸出占用PLC的4位數(shù)字量輸入點，個位撥碼開關(guān)接I1.0～I1.3，I1.0為最低位；十位和百位撥碼開關(guān)分別接I1.4～I1.7和I0.0～I0.3。設(shè)計梯形圖，讀入撥碼開關(guān)輸出的BCD碼，轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)后存放在VW10中，作為接通延時定時器T33的時間設(shè)定值。T33在M0.1為ON時開始定時。

任務(wù)二步進電動機的PLC控制

一、任務(wù)目標(biāo)

(1)熟悉步進電動機的工作原理及使用知識。

(2)掌握脈沖輸出指令的功能及應(yīng)用。

(3)掌握程序結(jié)構(gòu)及子程序編程方法。

二、任務(wù)分析

設(shè)計某一兩相混合式步進電動機帶動的直線左右運動控制系統(tǒng)。要求按下啟動按鈕，步進電動機先反轉(zhuǎn)左行，左行過程包括加速、勻速和減速3個階段，在加速階段，要求在4000個脈沖以內(nèi)從200Hz增到最大頻率1000Hz；勻速階段持續(xù)20000個脈沖，頻率1000Hz；減速階段要求在4000個脈沖以內(nèi)從1000Hz減到200Hz，反轉(zhuǎn)左行完成后再正轉(zhuǎn)右行，正轉(zhuǎn)過程與反轉(zhuǎn)過程相同。在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)過程中，如果按下停止按鈕則停止運行；如果反轉(zhuǎn)左行時碰到左限位開關(guān)，則停止左行并開始正轉(zhuǎn)右行，若正轉(zhuǎn)右行過程中碰到右限位開關(guān)則停止運行；如果按下啟動按鈕時就在左限位開關(guān)處，則只進行右行過程，右行完成后，系統(tǒng)停止運行。系統(tǒng)停止運行后，再按啟動按鈕，又會重復(fù)上述過程。要求設(shè)計、實現(xiàn)該控制系統(tǒng)，并形成相應(yīng)的設(shè)計文檔。

該項目中，硬件部分主要包括PLC、步進電動機及步進電動機驅(qū)動器等。軟件部分需要掌握PLC的子程序及調(diào)用和高速脈沖輸出指令的運用。完成該項目設(shè)計的重點在于對步進電動機及步進電動機驅(qū)動器的選擇，以及對S7-200數(shù)據(jù)傳送、子程序調(diào)用以及高速脈沖輸出指令的使用等。

三、相關(guān)知識

(一)步進電動機的基本知識

1．步進電動機的工作原理及使用

步進電動機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移的一種特殊執(zhí)行電動機。每輸入一個電脈沖信號，電動機就轉(zhuǎn)動一個角度，它的運動形式是步進式的，所以稱為步進電動機。

1)步進電動機的工作原理

下面以一臺最簡單的三相反應(yīng)式步進電動機為例，簡單介紹步進電動機的工作原理。

圖4-13是一臺三相反應(yīng)式步進電動機的原理圖。定子鐵芯為凸極式，共有三對(六個)磁極，每兩個空間相對的磁極上繞有一相控制繞組。轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有四個齒，齒寬等于定子的極寬。圖4-13三相反應(yīng)式步進電動機的原理圖當(dāng)A相控制繞組通電，其余兩相均不通電的，電機內(nèi)建立以定子A相極為軸線的磁場。由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子A相極軸線對齊，如圖4-13(a)所示。若A相控制繞組斷電、B相控制繞組通電時，轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下，逆時針轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒2、4的軸線與定子B相極軸線對齊，即轉(zhuǎn)子走了一步，如圖4-13(b)所示。若在斷開B相，使C相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子逆時針方向又轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子C相極軸線對齊，如圖4-13(c)所示。如此按A—B—C—A的順序輪流通電，轉(zhuǎn)子就會一步一步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序。若按A—C—B—A的順序通電，則電動機按順時針方向轉(zhuǎn)動。

上述通電方式稱為三相單三拍?！叭唷笔侵溉嗖竭M電動機；“單三拍”是指每次只有一相控制繞組通電，控制繞組每改變一次通電狀態(tài)稱為一拍，“三拍”是指改變?nèi)瓮姞顟B(tài)為一個循環(huán)。把每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。三相單三拍運行時，步距角為30°。顯然，這個角度太大，不能付諸實用。

如果把控制繞組的通電方式改為A→AB→B→BC→C→CA→A，即一相通電接著二相通電間隔地輪流進行，完成一個循環(huán)需要經(jīng)過六次改變通電狀態(tài)，稱為三相單、雙六拍通電方式。當(dāng)A、B兩相繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)同時考慮到兩對定子極的作用，只有A相極和B相極對轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡的中間位置，才是轉(zhuǎn)子的平衡位置。這樣，在單、雙六拍通電方式下轉(zhuǎn)子平衡位置增加了一倍，步距角為15°。

進一步減少步距角的措施是采用定子磁極帶有小齒、轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多的結(jié)構(gòu)，分析表明，這樣結(jié)構(gòu)的步進電動機，其步距角可以做得很小。一般地說，實際的步進電動機產(chǎn)品，都采用這種方法實現(xiàn)步距角的細(xì)分。例如選用的Kinco三相步進電動機3S57Q-04056，它的步距角是1.2°。

除了步距角外，步進電動機還有例如保持扭矩、阻尼扭矩等技術(shù)參數(shù)，這些參數(shù)的物理意義請參閱有關(guān)步進電動機的專門資料。3S57Q-04056部分技術(shù)參數(shù)如表4-12所示。表4-123S57Q-04056部分技術(shù)參數(shù)

2)步進電動機的使用

有關(guān)步進電動機的使用應(yīng)注意兩點：一是正確安裝；二是正確接線。

安裝步進電動機，必須嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明的要求進行。步進電動機是一精密裝置，安裝時注意不要敲打它的軸端，千萬不要拆卸電動機。

不同步進電動機的接線有所不同，3S57Q-04056接線圖如圖4-14所示，三個相繞組的六根引出線，必須按頭尾相連的原則連接成三角形。改變繞組的通電順序就能改變步進電動機的轉(zhuǎn)動方向。圖4-143S57Q-04056的接線

2．步進電動機的驅(qū)動裝置

步進電動機需要專門的驅(qū)動裝置(驅(qū)動器)供電，驅(qū)動器和步進電動機是一個有機的整體，步進電動機的運行性能是電動機及其驅(qū)動器二者配合所反映的綜合效果。

一般來說，每一臺步進電動機大都有其對應(yīng)的驅(qū)動器，例如，Kinco三相步進電動機3S57Q-04056與之配套的驅(qū)動器是Kinco3M458三相步進電動機驅(qū)動器。圖4-15和圖4-16分別是它的外觀圖和典型接線圖。圖中，驅(qū)動器可采用直流24V～40V電源供電，該電源常由開關(guān)穩(wěn)壓電源(DC24V8A)供給。輸出電流和輸入信號規(guī)格為：

①輸出相電流為3.0A～5.8A，輸出相電流通過撥動開關(guān)設(shè)定；驅(qū)動器采用自然風(fēng)冷的冷卻方式；圖4-15Kinco3M458外觀圖4-16Kinco3M458的典型接線圖

②控制信號輸入電流為6mA～16mA，控制信號的輸入電路采用光耦隔離?？刂破鱌LC輸出公共端Vcc使用的是DC24V電壓，所使用的限流電阻R1為2kΩ。

由圖可見，步進電動機驅(qū)動器的功能是接收來自控制器(PLC)的一定數(shù)量和頻率的脈沖信號以及電動機旋轉(zhuǎn)方向的信號，為步進電動機輸出三相功率脈沖信號。

步進電動機驅(qū)動器的組成包括脈沖分配器和脈沖放大器兩部分，主要解決向步進電動機的各相繞組分配輸出脈沖和功率放大兩個問題。脈沖分配器是一個數(shù)字邏輯單元，它接收來自控制器的脈沖信號和轉(zhuǎn)向信號，把脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系分配到每一相脈沖放大器上，使步進電動機按選定的運行方式工作。由于步進電動機各相繞組是按一定的通電順序并不斷循環(huán)來實現(xiàn)步進功能的，因此脈沖分配器也稱為環(huán)形分配器。實現(xiàn)這種分配功能的方法有多種，例如，可以由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和門電路組成，也可以由可編程邏輯器件組成。脈沖放大器是進行脈沖功率放大。因為從脈沖分配器能夠輸出的電流很小(毫安級)，而步進電機工作時需要的電流較大，因此需要進行功率放大。此外，輸出的脈沖波形、幅度、波形前沿陡度等因素對步進電動機運行性能有重要的影響。3M458驅(qū)動器采取如下一些措施，大大改善了步進電動機的運行性能：

a.內(nèi)部驅(qū)動直流電壓達40V，能提供更好的高速性能。

b.具有電機靜態(tài)鎖緊狀態(tài)下的自動半流功能，可大大降低電動機的發(fā)熱。為調(diào)試方便，驅(qū)動器還有一對脫機信號輸入線FREE+?和FREE-?(如圖4-16所示)，當(dāng)這一信號為ON時，驅(qū)動器將斷開輸入到步進電動機的電源回路。

c.?3M458驅(qū)動器采用交流伺服驅(qū)動原理，把直流電壓通過脈寬調(diào)制技術(shù)變?yōu)槿嚯A梯式正弦波形電流，如圖4-17所示。圖4-17相位差120°?的三相階梯式正弦電流

階梯式正弦波形電流按固定時序分別流過三相繞組，其每個階梯對應(yīng)電機轉(zhuǎn)動一步。通過改變驅(qū)動器輸出正弦電流的頻率來改變電動機轉(zhuǎn)速，而輸出的階梯數(shù)確定了每步轉(zhuǎn)過的角度，當(dāng)角度越小時，其階梯數(shù)就越多，即細(xì)分就越大，從理論上說此角度可以設(shè)得足夠的小，所以細(xì)分?jǐn)?shù)可以是很大。3M458最高可達10?000步/轉(zhuǎn)的驅(qū)動細(xì)分功能，細(xì)分可以通過撥動開關(guān)設(shè)定。

細(xì)分驅(qū)動方式不僅可以減小步進電動機的步距角，提高分辨率，而且可以減少或消除低頻振動，使電動機運行更加平穩(wěn)均勻。

在3M458驅(qū)動器的側(cè)面連接端子中間有一個紅色的八位DIP功能設(shè)定開關(guān)，如圖4-18(a)所示，可以用來設(shè)定驅(qū)動器的工作方式和工作參數(shù)，包括細(xì)分設(shè)置、靜態(tài)電流設(shè)置和運行電流設(shè)置。圖4-18(b)是該DIP開關(guān)功能劃分說明，表4-13(a)和(b)分別為細(xì)分設(shè)置表和輸出電流設(shè)置表。圖4-183M458DIP開關(guān)

步進電動機傳動組件的基本技術(shù)數(shù)據(jù)如下：

3S57Q-04056步進電動機步距角為1.2°，即在無細(xì)分的條件下300個脈沖電動機轉(zhuǎn)一圈(通過驅(qū)動器設(shè)置細(xì)分精度最高可以達到10000個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈)。

對于采用步進電動機作動力源的YL335-B系統(tǒng)，出廠時驅(qū)動器細(xì)分設(shè)置為10000步/轉(zhuǎn)。若直線運動組件的同步輪齒距為5mm，共12個齒，旋轉(zhuǎn)一周搬運執(zhí)行機構(gòu)位移60mm。即每步執(zhí)行機構(gòu)位移0.006mm；電動機驅(qū)動電流設(shè)為5.2A；靜態(tài)鎖定方式為靜態(tài)半流。

3．使用步進電動機應(yīng)注意的問題

控制步進電動機運行時，應(yīng)注意防止步進電動機運行中出現(xiàn)失步的問題。

步進電動機失步包括丟步和越步。丟步時，轉(zhuǎn)子前進的步數(shù)小于脈沖數(shù)；越步時，轉(zhuǎn)子前進的步數(shù)多于脈沖數(shù)。丟步嚴(yán)重時，將使轉(zhuǎn)子停留在一個位置上或圍繞一個位置振動；越步嚴(yán)重時，設(shè)備將發(fā)生過沖。使執(zhí)行機構(gòu)返回原點的操作，常常會出現(xiàn)越步情況。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)回到原點時，原點開關(guān)動作，使指令輸入OFF。但如果到達原點前速度過高，慣性轉(zhuǎn)矩將大于步進電動機的保持扭矩而使步進電動機越步。因此回原點的操作應(yīng)確保足夠低速為宜；當(dāng)步進電動機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)高速運行時緊急停止，出現(xiàn)越步情況不可避免，因此急停復(fù)位時，應(yīng)采取先低速返回原點重新校準(zhǔn)，再恢復(fù)原有操作的方法。(注：所謂保持扭矩是指電動機各相繞組通額定電流，且處于靜態(tài)鎖定狀態(tài)時，電動機所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩，它是步進電動機最主要的參數(shù)之一)。由于電動機繞組本身是感性負(fù)載，輸入頻率越高，勵磁電流就越小。頻率高，磁通量變化加劇，渦流損失加大。因此，輸入頻率增高，輸出轉(zhuǎn)矩降低。最高工作頻率時的輸出轉(zhuǎn)矩只能達到低頻轉(zhuǎn)矩的40%～50%。進行高速定位控制時，如果指定頻率過高，會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象。此外，如果機械部件調(diào)整不當(dāng)，會使機械負(fù)載增大。步進電動機不能過載運行，哪怕是瞬間，都會造成丟步，嚴(yán)重時步進電動機將停轉(zhuǎn)或不規(guī)則地原地反復(fù)振動。

(二)局部變量表與子程序

S7-200PLC把程序分為3大類：主程序(OB1)、子程序(SBR_n)和中斷程序(INT_n)。實際應(yīng)用中，有些程序內(nèi)容可能被反復(fù)使用，對于這些可能被反復(fù)使用的程序往往編成一個單獨的程序塊，存放在某一個區(qū)域，程序執(zhí)行時可以隨時調(diào)用這些程序塊。這些程序塊可以帶一些參數(shù)，也可以不帶參數(shù)，這類程序塊被稱為子程序。

子程序由子程序標(biāo)號開始，到子程序返回指令結(jié)束。S7-200的編程軟件STEP7Micro/WIN32為每個子程序自動加入子程序標(biāo)號和子程序返回指令。在編程時，子程序開頭不用編程者另加子程序標(biāo)號，子程序末尾也不需另加返回指令。子程序的優(yōu)點在于它可以對一個大的程序進行分段及分塊，使其成為較小的更易管理的程序塊。通過使用較小的子程序塊，會使得對一些區(qū)域及整個程序檢查及排除故障變得更簡單。子程序只在需要時才被調(diào)用、執(zhí)行。

在程序中使用子程序，必須完成下列3項工作：建立子程序；在子程序局部變量表中定義參數(shù)(如果有)；從適當(dāng)?shù)腜OU(ProgramOrgnazationUnit，程序組織單元，POU指主程序、子程序或中斷處理程序)調(diào)用子程序。

1．子程序的建立

在STEP7-Micro/Win32編程軟件中，可采用下列方法之一建立子程序。

(1)從“編輯”菜單，選擇“插入(Insert)”→“子程序(Subroutine)”。

(2)從“指令樹”中，右擊“程序塊”圖標(biāo)，并從彈出的快捷菜單中選擇“插入(Insert)”→“子程序(Subroutine)”。

(3)在“程序編輯器”窗口中右擊，并從彈出的快捷菜單選擇“插入(Insert)”→“子程序(Subroutine)”。程序編輯器從顯示先前的POU更改為新的子程序。程序編輯器底部會出現(xiàn)一個新標(biāo)簽(缺省標(biāo)簽為SBR_0、SBR_1)，代表新的子程序名。此時，可以對新的子程序編程，也可以雙擊子程序標(biāo)簽對子程序重新命名。如果為子程序指定一個符號名，如USR_NAME，則該符號名會出現(xiàn)在指令樹的“調(diào)用子程序”文件夾中。

2．為子程序定義參數(shù)

如果要為子程序指定參數(shù)，可以使用該子程序的局部變量表來定義參數(shù)。S7-200為每個POU都安排了局部變量表，利用選定該子程序后出現(xiàn)的局部變量表為該子程序定義局部變量或參數(shù)，一個子程序最多可以具有16個輸入/輸出參數(shù)。如SBR_0子程序是一個含有4個輸入?yún)?shù)、1個輸入/輸出參數(shù)、1個輸出參數(shù)的帶參數(shù)的子程序。在創(chuàng)建這個子程序時，首先要打開這個子程序的局部變量表，然后在局部變量表中為這6個參數(shù)賦予名稱(如IN1、IN2、IN3、IN4、INOUT1、OUT1)、選定變量類型(IN或者IN_OUT或者OUT)，并賦予正確的數(shù)據(jù)類型(如BOOL、BYTE、WORD、DWORD等)，局部變量的參數(shù)定義如表4-14所示。這時再調(diào)用SBR_0時，這個子程序自然就帶參數(shù)了。表中地址一項(L區(qū))參數(shù)是自動形成的。

3．子程序調(diào)用與返回指令

(1)子程序調(diào)用與返回指令的梯形圖表示。子程序調(diào)用指令由子程序調(diào)用允許端EN、子程序調(diào)用助記符SBR和子程序標(biāo)號n構(gòu)成。子程序返回指令由子程序返回條件、子程序返回助記符RET構(gòu)成。

(2)子程序調(diào)用與返回指令的語句表表示。子程序調(diào)用指令由子程序調(diào)用助記符CALL和子程序標(biāo)號SBR_n構(gòu)成。子程序返回指令由子程序返回條件、子程序返回助記符CRET構(gòu)成。

如果調(diào)用的子程序帶有參數(shù)時，還要附上調(diào)用時所需的參數(shù)。子程序調(diào)用與返回指令的梯形圖如圖4-19所示，圖4-20所示為帶參數(shù)的子程序調(diào)用。圖4-19子程序調(diào)用與返回指令的梯形圖圖4-20帶參數(shù)的子程序調(diào)用

(3)子程序的操作。主程序內(nèi)使用的調(diào)用指令決定是否去執(zhí)行指定的子程序。子程序的調(diào)用由調(diào)用指令完成。當(dāng)子程序調(diào)用允許時，調(diào)用指令將程序控制轉(zhuǎn)移給子程序SBR_n，程序掃描將轉(zhuǎn)到子程序入口處執(zhí)行。當(dāng)執(zhí)行子程序時，將執(zhí)行全部子程序指令直至滿足返回條件而返回，或者執(zhí)行到子程序末尾而返回。當(dāng)子程序返回時，返回到原主程序出口的下一條指令執(zhí)行，繼續(xù)往下掃描程序。

(4)數(shù)據(jù)范圍。n為0～63。

4．子程序編程步驟

(1)建立子程序(SBR_n)。

(2)在子程序(SBR_n)中編寫應(yīng)用程序。

(3)在主程序或其他子程序或中斷程序中編寫調(diào)用子程序(SBR_n)的指令。

【例4-4】

如圖4-21所示一個用梯形圖語言對無參數(shù)子程序調(diào)用的編程例子。

OB1是S7-200的主程序。OB1中僅有一個網(wǎng)絡(luò)，該程序的功能是，當(dāng)輸入端I0.0=1時，調(diào)用子程序1。

SBR1是被調(diào)用的子程序。該程序段的第一個網(wǎng)絡(luò)的功能是，如果輸入信號I0.1=1，則立刻返回主程序，而不向下掃描該子程序。該程序段第二個網(wǎng)絡(luò)的功能是，每隔1s啟動Q0.0輸出1次，占空比為50%。

圖4-21梯形圖語言對無參數(shù)子程序調(diào)用的編程

(三)中斷與中斷指令

中斷就是終止當(dāng)前正在運行的程序，去執(zhí)行為立即響應(yīng)的信號而編制的中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完畢再返回原先被終止的程序并繼續(xù)運行的過程。S7-200設(shè)置了中斷功能，用于實時控制、高速處理、通信和網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜和特殊的控制任務(wù)。

1．中斷源

1)中斷源的類型

中斷源即發(fā)出中斷請求的事仵，又稱中斷事件。為了便于識別，S7-200給每個中斷源都分配了一個編號，稱為中斷事件號。S7-200系列可編程控制器總共有34個中斷源，分為3大類：通信中斷、I/O中斷和時基中斷，如表4-15所示。

(1)通信中斷。S7-200PLC的串行通信口可由用戶程序來控制，通信口的這種操作模式稱為自由口通信模式。在自由口通信模式下，用戶可通過編程來設(shè)置波特率、奇偶檢驗和通信協(xié)議等參數(shù)。利用接收和發(fā)送中斷可簡化程序?qū)νㄐ诺目刂?。通信口中斷事件編號?、9、23～26。

(2)?I/O中斷。I/O中斷包括外部輸入上升/下降沿中斷、高速計數(shù)器中斷和高速脈沖輸出(PTO)中斷。S7-200可用輸入點I0.0～I0.3的上升或下降沿產(chǎn)生中斷，這些輸入點用于捕獲外部必須立即處理的事件。高速計數(shù)器中斷指對高速計數(shù)器運行時產(chǎn)生的事件實時響應(yīng)，包括當(dāng)前值等于預(yù)置值時產(chǎn)生的中斷，計數(shù)方向改變時產(chǎn)生的中斷或計數(shù)器外部復(fù)位產(chǎn)生的中斷。高速脈沖輸出中斷是指預(yù)定數(shù)目的高速脈沖輸出完成而產(chǎn)生的中斷。

(3)時基中斷。時基中斷包括定時中斷和定時器T32/T96中斷。定時中斷用于支持一個周期性的活動，如對模擬量輸入進行采樣或定期執(zhí)行PID回路等，周期時間從1ms～255ms，時基是1ms。使用定時中斷0，必須在SMB34中寫入周期時間；使用定時中斷l(xiāng)，必須在SMB35中寫入周期時間。定時器T32/T96中斷指允許對定時間隔產(chǎn)生中斷，這類中斷只能由時基為1ms的定時器T32/T96構(gòu)成。

2)中斷優(yōu)先級和中斷隊列

優(yōu)先級是指多個中斷事件同時發(fā)出中斷請求時，CPU對中斷事件響應(yīng)的優(yōu)先次序。S7-200規(guī)定的中斷優(yōu)先由高到低依次是：通信中斷、I/O中斷、時基中斷，如表4-16所示。一個項目中總共可有128個中斷。S7-200在各自的優(yōu)先級組內(nèi)按照“先來先服務(wù)”的原則為中斷提供服務(wù)。在任何時刻，PLC只能執(zhí)行一個中斷程序。一旦一個中斷程序開始執(zhí)行，則一直執(zhí)行至完成，不能被另一個中斷程序打斷，即使是更高優(yōu)先級的中斷程序。中斷程序執(zhí)行中，新的中斷請求按優(yōu)先級排隊等候。中斷隊列能保存的中斷個數(shù)有限，若超出，則會產(chǎn)生溢出。中斷隊列的最多中斷個數(shù)和溢出標(biāo)志位如表4-17所示。

2．中斷指令

中斷指令有4條，分別為開、關(guān)中斷指令，中斷連接和分離指令。中斷指令格式如表4-18所示。

(1)開、關(guān)中斷指令。開中斷(ENI)指令全局性允許所有中斷事件，關(guān)中斷(DISI)指令全局性禁止所有中斷事件，中斷事件出現(xiàn)后均須排隊等候，直至使用全局開中斷指令重新啟用中斷。

PLC轉(zhuǎn)換到RUN(運行)模式時，中斷是被禁用的，所有中斷都不響應(yīng)，可以通過執(zhí)行開中斷指令，允許PLC響應(yīng)所有中斷事件。

(2)中斷連接和分離指令。中斷連接指令(ATCH)將中斷事件(EVNT)與中斷程序編號(INT)相連接，并啟用該中斷事件。中斷分離指令(DTCH)取消某中斷事件(EVNT)與所有中斷程序之間的連接，并禁用該中斷事件。

一個中斷事件不能連接多個中斷程序，但多個中斷事件可以連接到同一個中斷程序上。

3．中斷處理程序

1)中斷處理程序的概念

中斷處理程序是為處理中斷事件而事先編好的程序。中斷處理程序不是由程序調(diào)用，而是中斷事件發(fā)生時由操作系統(tǒng)自動調(diào)用。中斷處理程序由中斷程序標(biāo)號開始，以無條件返回指令(CRETI)結(jié)束。在中斷處理程序中禁止使用DISI、ENI、HDEF、LSCR和END指令。

2)建立中斷處理程序的方法

方法一：依次執(zhí)行“編輯”→“插入(Insert)”→“中斷(Interrupt)”命令。

方法二：在指令樹上，右擊“程序塊”圖標(biāo)并從彈出的快捷菜單中選擇“插入(Insert)”→“中斷(Interrupt)”。

方法三：在“程序編輯器”窗口中右擊，在彈出的快捷菜單中選擇“插入(Insert)”→“中斷(Interrupt)”。

程序編輯器從顯示先前的POU更改為新中斷處理程序，在程序編輯器的底部會出現(xiàn)一個新標(biāo)記(默認(rèn)為INT_0、INT_1…)，代表新的中斷處理程序。

【例4-5】編寫由I0.1上升沿產(chǎn)生的中斷事件的初始化程序。

分析：查表4-15可知，I0.1上升沿產(chǎn)生的中斷事件號為2，所以在主程序中用ATCH指令將事件號2和中斷程序0連接起來，并全局開中斷。如果檢測到I/O錯誤(M5.0為1)，則分離中斷并全局禁止中斷，程序如圖4-22所示。圖4-22例4-5的程序

【例4-6】利用定時中斷功能編制一個程序，實現(xiàn)如下功能：當(dāng)I0.0由OFF→ON，Q0.0亮1s，滅1s，如此循環(huán)反復(fù)直至I0.0由ON→OFF，Q0.0變?yōu)镺FF。程序如圖4-23所示。圖4-23例4-6的程序

(四)?PTO/PWM指令及應(yīng)用

1．高速脈沖輸出占用的輸出端子

S7-200有PTO、PWM兩種高速脈沖發(fā)生器。PTO脈沖串功能可輸出指定個數(shù)、指定周期的方波脈沖(占空比50%)；PWM功能可輸出脈寬變化的脈沖信號，用戶可以指定脈沖的周期和脈沖的寬度。若一臺發(fā)生器指定給數(shù)字輸出點Q0.0，另一臺發(fā)生器則指定給數(shù)字輸出點Q0.1。當(dāng)PTO、PWM高速脈沖發(fā)生器控制輸出時，將禁止輸出點Q0.0、Q0.1的正常使用；當(dāng)不使用PTO、PWM高速脈沖發(fā)生器時，輸出點Q0.0、Q0.1恢復(fù)正常的使用，即由輸出映像寄存器決定其輸出狀態(tài)。

在啟動PTO、PWM操作前，最好用復(fù)位指令將Q0.0、Q0.1復(fù)位。

2．用于脈沖輸出(Q0.0或Q0.1)的特殊存儲器

1)控制字節(jié)和參數(shù)的特殊存儲器

每個PTO/PWM發(fā)生器都有一個控制字節(jié)(8位)、一個脈沖計數(shù)值(無符號的32位數(shù)值)及一個周期時間和脈沖寬度值(無符號的16位數(shù)值)。這些值都放在特定的特殊存儲區(qū)(SM)，如表4-19所示。執(zhí)行PLS指令時，S7-200讀這些特殊存儲器位(SM)，然后執(zhí)行特殊存儲器位定義的脈沖操作，即對相應(yīng)的PTO/PWM高速脈沖發(fā)生器進行編程。

2)狀態(tài)字節(jié)的特殊存儲器

除了控制信息外，還有用于PTO功能的狀態(tài)位，如表4-20所示。程序運行時，根據(jù)運行狀態(tài)使某些位自動置位?？梢酝ㄟ^程序來讀取相關(guān)位的狀態(tài)，用此狀態(tài)作為判斷條件，實現(xiàn)相應(yīng)的操作對輸出的影響。編程軟件位置控制向?qū)Э梢詭椭脩艨焖偻瓿蒔TO、PWM和位置控制模塊EM253的參數(shù)設(shè)置，自動生成位置控制指令。

3．PTO的使用

PTO是可以指定脈沖數(shù)和周期的占空比為50%的高速脈沖串的輸出。PTO可以產(chǎn)生單段脈沖串或多段脈沖串(使用脈沖包絡(luò))。

1)周期和脈沖數(shù)

周期范圍從50μs～65535μs或從2ms～65535ms，為16位無符號數(shù)，時基有μs和ms兩種，通過控制字節(jié)的第三位選擇。注意：

①如果周期小于2個時間單位，則周期的默認(rèn)值為2個時間單位；

②如果設(shè)定的周期數(shù)為奇數(shù)，則會引起波形失真。

脈沖計數(shù)范圍從1～4294967295，為32位無符號數(shù)，如果設(shè)定脈沖計數(shù)為0，則系統(tǒng)默認(rèn)脈沖計數(shù)值為1。

2)?PTO的種類及特點

PTO功能可輸出多個脈沖串，當(dāng)前脈沖串輸出完成時，新的脈沖串輸出立即開始，這樣就保證了輸出脈沖串的連續(xù)性。PTO功能允許多個脈沖串排隊，從而形成流水線，流水線分為兩種：單段流水線和多段流水線。

①單段流水線是指：流水線中每次只能存儲一個脈沖串的控制參數(shù)，初始PTO段一旦啟動，必須按照第二個波形的要求刷新SM，并再次執(zhí)行PLS指令。第二個脈沖串的屬性一直保持到第一個脈沖串完成，接著輸出第二個波形。重復(fù)此過程可以實現(xiàn)多個脈沖串的輸出。

單段流水線中的各段脈沖串可以采用不同的時間基準(zhǔn)，但有可能造成脈沖串之間的不平穩(wěn)過渡。輸出多個高速脈沖時，編程復(fù)雜。

②多段流水線是指：在變量存儲區(qū)V建立一個包絡(luò)表，包絡(luò)表存放每個脈沖串的參數(shù)。執(zhí)行PLS指令時，S7-200PLC自動按包絡(luò)表中的順序及參數(shù)進行輸出脈沖串。

包絡(luò)表中每段脈沖串的參數(shù)占用8個字節(jié)，由一個16位周期值(2字節(jié))、一個16位周期增量值(2字節(jié))和一個32位脈沖計數(shù)值(4字節(jié))組成。包絡(luò)表的格式如表4-21所示?？梢酝ㄟ^編程的方式使脈沖周期自動增減。在周期增量值處輸入一個正值將增加周期；在周期增量值處輸入一個負(fù)值將減少周期；若輸入為零，則周期不變。在包絡(luò)表中的所有的脈沖串必須采用同一時基，在多段流水線執(zhí)行時，包絡(luò)表的各段參數(shù)不能改變。

【例4-7】根據(jù)下列要求設(shè)置控制字節(jié)。

要求：用Q0.0作為高速脈沖輸出，輸出脈沖操作為PTO，允許脈沖輸出，多段PTO脈沖串輸出，時基為ms，設(shè)定周期值和脈沖數(shù)。

分析：根據(jù)輸出要求使用Q0.0，確定對應(yīng)的控制字節(jié)為SMB67，根據(jù)以上要求并參考表4-19確定寫入2#10101101，即16#AD。

【例4-8】有一啟動按鈕接于I0.0，停止按鈕接于I0.1。要求當(dāng)按下啟動按鈕時，Q0.0輸出PTO高速脈沖，脈沖的周期為30ms，個數(shù)為10000個。若輸出脈沖過程中按下停止按鈕，則脈沖輸出立即停止。試編寫PTO脈沖輸出程序。圖4-24例4-8的梯形圖

【例4-9】根據(jù)控制要求列出PTO包絡(luò)表。步進電動機的控制要求如圖4-25所示,從A點到B點為加速過程，從B到C為恒速運行，從C到D為減速過程。

分析：在本例中，流水線可以分為3段，需建立3段脈沖的包絡(luò)表。起始和終止脈沖頻率為2kHz，最大脈沖頻率為10kHz，所以起始和終止周期為500μs，最大頻率的周期為100μs。1段：加速運行，應(yīng)在約200個脈沖時達到最大脈沖頻率。2段：恒速運行，約(4000?-?200?-?200)?=?3600個脈沖。3段：減速運行，應(yīng)在約200個脈沖時完成。

某一段每個脈沖周期增量值Δ用下式確定：

通過該式，計算出1段的周期增量值Δ為?-2μs，2段的周期增量值Δ為0，3段的周期增量值Δ為2μs。假設(shè)包絡(luò)表位于從VB200開始的V存儲區(qū)中，包絡(luò)表如表4-22所示。圖4-25步進電動機的控制要求

多段流水線PTO初始化和操作步驟如下。

用一個子程序?qū)崿F(xiàn)PTO初始化，首次掃描(SM0.1)時從主程序調(diào)用初始化子程序，執(zhí)行初始化操作。以后的掃描不再調(diào)用該子程序，這樣減少掃描時間，程序結(jié)構(gòu)更好。

分析：編程前首先選擇高速脈沖發(fā)生器為Q0.0，并確定PTO為3段流水線。設(shè)置控制字節(jié)SMB67為16#A0，表示允許PTO功能、選擇PTO操作、選擇多段操作以及選擇時基為微秒，不允許更新周期和脈沖數(shù)。建立3段的包絡(luò)表，并將包絡(luò)表的首地址裝入SMW168。PTO完成調(diào)用中斷程序，使Q1.0接通。PTO完成的中斷事件號為19。用中斷調(diào)用指令A(yù)TCH將中斷事件19與中斷程序INT0連接，并全局開中斷。執(zhí)行PLS指令，退出子程序。圖4-26例4-9的主程序、初始化子程序和中斷程序

4．PWM的使用

PWM是脈寬可調(diào)的高速脈沖，通過控制脈寬和脈沖的周期，實現(xiàn)控制任務(wù)，如圖4-27所示。圖4-27脈寬調(diào)制

1)周期和脈寬

周期和脈寬時基為微秒或毫秒，均為16位無符號數(shù)。

周期的范圍從50μs～65535μs，或從2ms～65535ms。

若周期小于2個時基，則系統(tǒng)默認(rèn)為兩個時基。

脈寬范圍從0～65535μs或從0～65535ms。

若脈寬大于等于周期，占空比等于100%，則輸出連續(xù)接通；若脈寬為0，占空比為0%，則輸出斷開。

2)更新方式

有兩種方法改變PWM波形的特性：同步更新和異步更新。

①同步更新。若不需要改變時基，可以用同步更新。執(zhí)行同步更新時，波形的變化發(fā)生在周期的邊緣，形成平滑轉(zhuǎn)換。

②異步更新。需要改變PWM的時基時，則應(yīng)使用異步更新。異步更新使高速脈沖輸出功能被瞬時禁用，與PWM波形不同步，這樣可能造成控制設(shè)備振動。

常見的PWM操作是脈沖寬度不同，但周期保持不變，即不要求時基改變。因此先選擇適合于所有周期的時基，并盡量使用同步更新。

【例4-10】PWM應(yīng)用舉例。設(shè)計程序，從PLC的Q0.0輸出高速脈沖。該串脈沖脈寬的初始值為0.1s，周期固定為1s，其脈寬每周期遞增0.1s，當(dāng)脈寬達到設(shè)定的0.9s時，脈寬改為每周期遞減0.1s，直到脈寬減為0。以上過程重復(fù)執(zhí)行。

分析：因為每個周期都有操作，所以應(yīng)把Q0.0接到I0.0，采用輸入中斷的方法完成控制任務(wù)。編寫兩個中斷程序，一個中斷程序?qū)崿F(xiàn)脈寬遞增，另一個中斷程序?qū)崿F(xiàn)脈寬遞減，并設(shè)置標(biāo)志位，在初始化操作時使其置位，執(zhí)行脈寬遞增中斷程序，當(dāng)脈寬達到0.9s時，使其復(fù)位，執(zhí)行脈寬遞減中斷程序。在子程序中完成PWM的初始化操作，選用輸出端為Q0.0，控制字節(jié)為SMB67，控制字節(jié)設(shè)定為16#DA(允許PWM輸出，Q0.0為PWM方式，同步更新，時基為毫秒，允許更新脈寬，不允許更新周期)，梯形圖如圖4-28所示。圖4-28例4-10的梯形圖四、任務(wù)實施

1．I/O分配

步進電動機和驅(qū)動器選用86BYG250A-0202兩相雙極混合式步進電動機和與之配套的SH-20504D兩相混合式步進電動機細(xì)分驅(qū)動器。

24V直流電源使用輸出電流為10A的S-350開關(guān)電源；變壓器選用380V/220V的BK-1000型單相隔離變壓器。

PLC可選用S7-200CPU222DC/DC/DC帶10個直流數(shù)字量輸入點和6個晶體管數(shù)字量輸出點，滿足系統(tǒng)需求。

2．硬件接線

(1)主電路的電氣原理圖。該系統(tǒng)中主電路主要用于提供工作電源，主電路原理圖如圖4-29所示。圖4-29主電路原理圖①進線電源斷路器QFl既可完成主電路的短路保護，同時起到分?jǐn)嘟涣麟娫吹淖饔谩?/p>

②隔離變壓器T起到降低干擾以及安全隔離的作用。

③開關(guān)電源PW為PLC以及步進電動機驅(qū)動器提供直流24V工作電源。

④斷路器QF2、QF3分別作為PLC以及步進電動機驅(qū)動器分?jǐn)嗉氨Ｗo器件。

(2)控制電路和PLC輸入/輸出電路的電氣原理圖(如圖4-30所示)。

圖4-30控制電路和PLC輸入/輸出電氣原理圖

3．程序設(shè)計

本項目順序功能圖如圖4-31所示。程序由主程序(如圖4-32所示)、初始化子程序(如圖4-33所示)以及PTO包絡(luò)脈沖輸出完成中斷處理程序(如圖4-34所示)組成。圖4-31主程序順序功能圖(1)主程序。主程序采用順控程序設(shè)計法進行設(shè)計。圖4-32主程序梯形圖

(2)初始化子程序。圖4-33初始化子程序梯形圖(3)中斷處理程序。圖4-34中斷處理程序梯形圖

4．系統(tǒng)調(diào)試

本軟件除了主程序外，還有子程序和中斷處理程序，很難使用仿真軟件進行調(diào)試，如果有相應(yīng)的PLC模塊，可以使用模擬調(diào)試法進行調(diào)試。在模擬調(diào)試時，數(shù)字量輸入可以使用開關(guān)代替現(xiàn)場輸入設(shè)備，數(shù)字量輸出可以使用PLC自帶的輸出指示燈觀察，高速脈沖輸出可以使用示波器進行觀察。具體步驟不再詳細(xì)講述，請自行完成。

本系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試時應(yīng)注意以下問題：

(1)檢查電源電壓/電流是否正確(過電壓/過電流都可能造成驅(qū)動模塊或IC的損壞)；檢查驅(qū)動器上的電動機型號或電流設(shè)定值是否合適(開始時不要太大)。

(2)控制信號線應(yīng)接牢靠，工業(yè)現(xiàn)場最好要考慮屏蔽問題(如采用雙絞線)。

(3)不要開始時將需要連接的線全部接上，應(yīng)先連好最基本的系統(tǒng)，運行良好后，再逐步連接。

(4)應(yīng)清楚接地方法，做到有效接地。

(5)開始運行的半小時內(nèi)要密切觀察電動機的狀態(tài)，如運動是否正常，聲音和溫升情況是否正常，若發(fā)現(xiàn)問題立即停機調(diào)整。注意驅(qū)動器連接電路不能帶電拔插。

(6)步進電動機啟動運行時，有時會出現(xiàn)動一下就不動了或原地來回動的現(xiàn)象，或者運行時還會失步的現(xiàn)象，一般要考慮在以下方面作檢查：

①電動機力矩是否足夠大，能否帶動負(fù)載。一般推薦用戶選型時，要選用力矩比實際需要大50%～100%的電動機，因為步進電動機不能過載運行，哪怕是瞬間，都會造成失步，嚴(yán)重時停轉(zhuǎn)或不規(guī)則原地反復(fù)動。

②上位控制器送入的輸入走步脈沖的電流是否夠大(一般要大于10mA，以使光耦合器穩(wěn)定導(dǎo)通)；輸入的頻率是否過高，導(dǎo)致接收不到。如果上位控制器的輸出電路是CMOS電路，則也要選用CMOS輸入型的驅(qū)動器。

③啟動頻率是否太高，在啟動程序上是否設(shè)置了加速過程。最好從電動機規(guī)定的啟動頻率內(nèi)開始加速到設(shè)定頻率，哪怕加速時間很短，否則電動機可能就不穩(wěn)定，甚至處于惰態(tài)。

④電動機未固定好時，有時會出現(xiàn)此狀況，屬于正常情況。因為，實際上此時造成了電動機的強烈共振而導(dǎo)致進入失步狀態(tài)，所以電動機必須固定好。

⑤對于五相電動機來說，相位接錯，電動機也不能工作。

(7)步進電動機不可以自行拆開檢修或改裝，最好讓廠家做，拆開后沒有專業(yè)設(shè)備很難安裝回原樣，電動機的轉(zhuǎn)、定子間的間隙無法保證。磁鋼材料的性能被破壞，甚至造成失磁，電動機力矩大大下降。

通過運行調(diào)試，保證能夠?qū)崿F(xiàn)控制要求。

五、能力測試

設(shè)計某一兩相混合式步進電動機帶動的直線左右運動控制系統(tǒng)。要求按下啟動按鈕，步進電動機先反轉(zhuǎn)左行，左行過程包括加速、勻速和減速3個階段。在加速階段，要求在2000個脈沖內(nèi)從200Hz增到最大頻率800Hz，勻速階段持續(xù)20000個脈沖，頻率800Hz；減速階段要求在2000個脈沖從800Hz減到200Hz。反轉(zhuǎn)左行完成后再正轉(zhuǎn)右行，正轉(zhuǎn)過程與反轉(zhuǎn)過程相同。電動機在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)過程中，如果按下停止按鈕則停止運行；如果反轉(zhuǎn)左行時碰到左限位開關(guān)，則停止左行并開始正轉(zhuǎn)右行，若正轉(zhuǎn)右行過程中碰到右限位開關(guān)則停止運行；如果按下啟動按鈕時電動機就在左限位開關(guān)處，則只進行右行過程，右行完成后，系統(tǒng)停止運行。系統(tǒng)停止運行后，再按啟動按鈕，又會重復(fù)上述過程。要求設(shè)計、實現(xiàn)該控制系統(tǒng)，并形成相應(yīng)的設(shè)計文檔。

(1)設(shè)計程序(40分)。根據(jù)系統(tǒng)控制要求及I/O分配，設(shè)計其梯形圖。

(2)設(shè)計電路圖(20分)。根據(jù)系統(tǒng)控制要求及I/O分配，設(shè)計系統(tǒng)電路圖。

(3)系統(tǒng)調(diào)試(40分)。

①程序輸入。按設(shè)計的梯形圖輸入程序。(10分)

②靜態(tài)調(diào)試。按設(shè)計的系統(tǒng)接線圖正確連接好輸入電路，進行模擬靜態(tài)調(diào)試，觀察PLC輸出指示燈的情況是否正確，否則檢查程序，直到正確為止。(10分)

③動態(tài)調(diào)試。按設(shè)計的系統(tǒng)接線圖正確連接好輸出電路，進行動態(tài)調(diào)試，觀察模擬板發(fā)光二極管的亮暗是否正確，否則檢查線路連接及I/O接口。(10分)

④其他測試。測試過程中的表現(xiàn)、安全生產(chǎn)、相關(guān)提問等。(10分)

六、研討與練習(xí)

用高速輸出端子Q0.0輸出的PWM波形，作為高速計數(shù)器的計數(shù)脈沖信號產(chǎn)生如圖4-35(a)所示的輸出Q0.1的波形圖。

用脈沖輸出指令PLS和高速輸出端子Q0.0給高速計數(shù)器HSC提供高速計數(shù)脈沖信號，因為要使用高速脈沖輸出功能，必須選用直流電源型的CPU模塊。輸入側(cè)的公共端與輸出側(cè)的公共端相連，高速輸出端Q0.0接到高速輸入端I0.0，24V直流電源的正端與輸出側(cè)的1L+端子相連。PLC外部接線圖如圖4-35(b)所示。有脈沖輸出時Q0.0與I0.0對應(yīng)的LED亮。圖4-35計數(shù)波形圖和PLC外部接線圖

1．配置PWM

(1)執(zhí)行菜單命令“工具”→“位置控制向?qū)А?，選擇PTO/PWM操作，如圖4-36(a)所示。

(2)第2頁脈沖發(fā)生器地址選為Q0.0，如圖(b)所示。

(3)第3頁選擇脈沖寬度調(diào)制PWM，時基為微秒，如圖(c)所示。

完成設(shè)置后自動生成子程序PWM0_RUN(如圖(d)所示)，在主程序中調(diào)用該子程序，如圖4-37所示。輸出的脈沖周期為2ms，占空比為0.5。圖4-36選擇脈沖寬度調(diào)制PWM步驟(a)步驟一(b)步驟二(c)步驟三(d)步驟四圖4-37調(diào)用PWM0_RUN的主程序

2．配置HSC

(1)執(zhí)行菜單命令“工具”→“指令向?qū)А?，選擇HSC操作，如圖4-38(a)所示。

(2)在第2頁選擇HSC0和模式0，如圖(b)所示。

(3)在第3頁設(shè)置計數(shù)器的預(yù)置值為2000，當(dāng)前值為0，計數(shù)方向為加計數(shù)，使用默認(rèn)初始化子程序名HSC_INIT，如圖(c)所示。該步完成4s定時設(shè)置。

(4)在第4頁設(shè)置當(dāng)前值等于預(yù)置值時產(chǎn)生中斷(中斷事件號為12)，使用默認(rèn)中斷程序名COUNT_EQ，為HC0編程兩步，如圖(d)所示。

(5)?CV=PV的第1步的對話框中，即中斷程序COUNT_EQ中，修改預(yù)置值為1000，計數(shù)當(dāng)前值不變，減計數(shù)，當(dāng)前值等于預(yù)置值時產(chǎn)生中斷，調(diào)用中斷子程序HSC0_STEP1。單擊“下一步”按鈕進入CV=PV的第2步的對話框，如圖(e)所示。該步完成2s定時。

(6)?CV=PV的第2步的對話框中，即中斷程序HSC0_STEP1中，修改預(yù)置值為2000，計數(shù)當(dāng)前值為0，加計數(shù)，當(dāng)前值等于預(yù)置值時產(chǎn)生中斷，調(diào)用中斷子程序COUNT_EQ，使計數(shù)器循環(huán)工作，如圖(f)所示。

(7)完成設(shè)置，如圖(g)所示。自動生成初始化子程序HSC_INIT、中斷程序COUNT_EQ與中斷程序HSC0_STEP1。圖4-38HSC指令向?qū)Р僮鞑襟E

3．在主程序中調(diào)用初始化子程序HSC_INIT

為便于對程序執(zhí)行過程的觀察，在中斷程序COUNT_EQ結(jié)束處添加對Q0.1的立即復(fù)位，在中斷程序HSC0_STEP1結(jié)束處添加對Q0.1的立即置位。程序如圖4-39所示(中斷程序HSC0_STEP1與子程序PWM0_RUN均略)。圖4-39研討與練習(xí)的程序

任務(wù)三模擬量的PLC控制

一、任務(wù)目標(biāo)

(1)掌握S7-200PLC的模擬量輸入/輸出模塊的功能。

(2)掌握PID指令。

(3)掌握PLC在模擬量控制中的應(yīng)用。

二、任務(wù)分析

在恒溫箱內(nèi)裝有一個電加熱元件和一個制冷風(fēng)扇，電加熱元件和制冷風(fēng)扇的工作狀態(tài)只有OFF和ON，即不能自行調(diào)節(jié)?，F(xiàn)要控制恒溫箱的溫度恒定，且能在25℃～100℃范圍內(nèi)可調(diào)，如圖4-40所示。圖4-40恒溫箱控制示意圖

三、相關(guān)知識

(一)模擬量擴展模塊及使用

1．PLC對模擬量的處理

在工業(yè)控制中，某些輸入量(例如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等)是模擬量，某些執(zhí)行機構(gòu)(例如電動調(diào)節(jié)閥和變頻器等)要求PLC輸出模擬量信號，而PLC的CPU只能處理數(shù)字量。模擬量首先被傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電流或電壓，例如DC(4～20)mA，(1～5)V，(0～10)V，PLC用A/D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。雙極性電流、電壓在A/D轉(zhuǎn)換后用二進制補碼表示。

D/A轉(zhuǎn)換器將PLC的數(shù)字輸出量轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流，再去控制執(zhí)行機構(gòu)。模擬量I/O模塊的主要任務(wù)就是實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換(模擬量輸入)和D/A轉(zhuǎn)換(模擬量輸出)。

A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的二進制位數(shù)反映了它們的分辨率，位數(shù)越多，分辨率越高。模擬量輸入/輸出模塊的另一個重要指標(biāo)是轉(zhuǎn)換時間。

S7-200有3種模擬量擴展模塊(如表4-24所示)，S7-200的模擬量擴展模塊中A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)均為12位。

2．模擬量輸入模塊

模擬量輸入模塊有多種單極性、雙極性直流電流、電壓輸入量程，量程用模塊上的DIP開關(guān)來設(shè)置。

模擬量輸入模塊單極性全量程輸入范圍對應(yīng)的數(shù)字輸出為0～32000(如圖