第四章 S7—200直接控制步进电机硬件设计

4.1s7—200的介绍

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
1、中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可*性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
PLC常用的存储器类型：
（1）、RAM这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。
（2）、EPROM这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。
（3）、EEPROM这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
3、空间的分配：
虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
（1）系统程序存储区
（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）
（3）用户程序存储区系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。
系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。
（1）、I/O映象区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit）。因此整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。
（2）、系统软设备存储区 ：除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失。
S7-200编程控制器是西门子公司1995年底推出的新一代微型PLC，由干其性能价格比较高，目前己经在各个领域得到广泛应用。根据其性能S7-200系列可编程控制器可以分5个基本机型:CPU210, CPU212,CPU214, CPU215和CPU216，共有18种不同型号的CPU;也可以分成两个档次:CPU210,CPU212为低成本的，具有小型PL C的一般功能;CPU214及以上为高性能档次，在一般小型PLC的基础上加上集成功能，使其性能超出一般的PLC。
S7-200硬件是以固定结构的基本单儿为主，并可选用开关量、模拟量等扩展单儿通过总线联接器组成的系统，与S7-200配合使用的硬件还有：编程器、操作面板、IBM PC兼容机等，其基本组成示例如下图。5个基本机型的最大配置分别为:6 I/4 O, 40 I/38 O, 62 I/58 O, 62 I/58 O, 64 I/64 I，模拟量最大16路。S7-200系列PLC硬件的组成形式、连接方式与其它品牌的PLC基本相似。但是，在下面几个方面，其硬件很有特点，为使用者提供了不同的需求。

图4-1 S7-200系列PLC硬件的组成形式

4.1.1性能
1、品种齐全的CPU：
S7-200系列PLC有5种中央处理基本单元，CPU210, CPU212,CPU214, CPU215和CPU216，功能从简到繁。CPU210有8个I/O点;CPU216集成了两个通讯口，I/O点最多可扩展至128点，并可扩展16路模拟量输入/输出，远程(AS-I)I/0点可再扩展496个I/0点。这5种型号CPU中的每一种都含有多种类型，如AC电源、DC输人、继电器输出型，DC电源、DC输人、DC输出型等多种类型，GPU的种类达18种之多。
2、强大的内里集成功能：
S7-200系列PL C集成了比其他任何微型PLC多且强的内置于CPU基本单元的特殊功能，下面简单列举集成在CPU内的特殊功能。
（1）、集成CPU215和CPU216中的PID指令；在CPU中集成了高速计数功能；集成了脉冲连续输出功能；集成了日历/实时时钟功能；集成了用户程序三级口令保护功能；具备32位浮点运算能力。

（2）、卓越的通讯能力
一PPI通讯协议；自由通讯口方式；profibus协议。
（3）、丰富的扩展模块
可以通过结合各种模块来达到扩展功能，扩大控制能力。S7—200已开发了三大类扩展功能模块：模拟量扩展；数字量扩展；远程数字I/O扩展。

4.1.2西门子 PLC 应用中需要注意的问题
（1）、温度：PLC 要求环境温度在 0 ℃～55 ℃, 安装时不能放在发热量大的元件下面, 四周通风散热的空间应足够大。
（2）、湿度：为了保证 PLC 的绝缘性能, 空气的相对湿度应小于 85%( 无露珠) 。
（3）、震动：应使 PLC 远离强烈的震动源, 防止振动频率为 10 Hz～55Hz 的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时, 必须采取减震措施, 如采用减震胶等。
（4）、 空气：避免有腐蚀和易燃的气体, 如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境, 可将 PLC 安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。
（5）、 电源：PLC 对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中, 可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器, 以减少设备与地之间的干扰。一般 PLC 都有直流 24 V输出提供给输入端, 当输入端使用外接直流电源时, 应选用直流稳压电源。普通的整流滤波电源, 由于纹波的影响, 容易使 PLC 接收到错误信息。

4.1.3控制系统中干扰及其来源
影响 PLC 控制系统的干扰源, 大都产生在电流或电压剧烈变化的部位, 其原因是电流改变产生磁场, 对设备产生电磁辐射; 磁场改变产生电流, 电磁高速产生电磁波, 电磁波对其具有强烈的干扰。
（1）、 强电干扰。由于电网覆盖范围广, 电网受到空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化, 刀开关操作浪涌、大型电力设备启停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等, 都通过输电线路传到电源原边。
（2）、柜内干扰。控制柜内的高压电器, 大的电感性负载, 混乱的布线都容易对 PLC 造成一定程度的干扰。
（3）、 来自接地系统混乱时的干扰。正确的接地, 既能抑制电磁干扰的影响, 又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地, 反而会引入严重的干扰信号, 使 PLC 系统将无法正常工作。
（4）、 来自 PLC 系统内部的干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生, 如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响, 模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。
（5）、变频器干扰。一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰, 引起电网电压畸变, 影响电网的供电质量; 二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰, 影响周边设备的正常工作。

4.1.4主要抗干扰措施
1、合理处理电源以抑制电网引入的干扰：
对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为 1∶1 的隔离变压器, 以减少设备与地之间的干扰, 还可以在电源输入端串接 LC 滤波电路。
2、安装与布线：
动力线、控制线以及 PLC 的电源线和 RS485 网线应分别配线, 各走各的桥架或线槽。
(1)、PLC 应远离强干扰源, 柜内 PLC 应远离动力线( 二者之间距离应大于 200 mm) , 与 PLC 装在同一个柜子内的电感性负载, 如功率较大的继电器、接触器的线圈, 应并联 RC 消弧电路。
(2)、PLC 的输入与输出最好分开走线, 开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线, 屏蔽层应一端或两端接地, 接地电阻应小于屏蔽层电阻的 1/10。
(3)、交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆, 输出线应尽量远离高压线和动力线, 避免并行。

4.1.5I/O 端的接线
1、输入接线：输入接线一般不要太长；但如果环境干扰较小,电压降不大时, 输入接线可适当长些；是输入/输出线不能用同一根电缆, 输入/输出线要分开；是尽可能采用常开触点形式连接到输入端,使编制的梯形图与继电器原理图一致。
2、输出接线：输出端接线分为独立输出和公共输出；在不同组中, 可采用不同类型和电压等级的输出电压, 但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源；是由于 PLC 的输出元件被封装在印制电路板上, 并且连接至端子板, 若将连接输出元件的负载短路, 将烧毁印制电路板；采用继电器输出时, 所承受的电感性负载的大小, 会影响到继电器的使用寿命, 因此, 使用电感性负载时应合理选择, 或加隔离继电器。

4.1.6正确选择接地点以完善接地系统
PLC 控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对 PLC 系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均, 不同接地点间存在地电位差, 引起地环路电流, 影响系统正常工作。
1、安全地或电源接地：将电源线接地端和柜体连线接地为安全接地。
2、系统接地：PLC 控制器为了与所控的各个设备同电位而接地, 叫系统接地。接地电阻值不得大于 4 Ω, 一般需将 PLC 设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起, 作为控制系统地。
3、信号与屏蔽接地：一般要求信号线必须要有唯一的参考地。

4.2步进电机的具体控制原理

步进电机位置控制系统以S7-200为主控单元，以步进电机驱动器为驱动单
元，以三相步进电机为执行单元。通过PL C控制脉冲的发生个数，从而控制步进电机的运转角度，实现对步进电机的控制。
步进电机PLC控制系统1/0接线图的设计以三相步进电机为例，步进电机通常设有加速、减速控制及正反转控制等控制方式。按控制要求可设计出步进电机的PLC控制系统I/O接线图。步进电机脉冲频率的变化规律：步进电机在启动和停止时有一个加速及减速过程，且加速速度越小则冲击越小，动作越平稳，所以步进电机动作一般要经历以下的变化过程:加速-恒速(高速)-减速-恒速(低速)-停止。因步进电机转速与脉冲频率成正比，所以输入步进电机的脉冲频率也要经历一个类似的变化过程，其变化规律见图4-1。
可见在步进电机启动时要使脉冲升频，停车时使脉冲降频。由十步进电机驱动器在输入脉冲200Hz时处于震荡区内，容易损坏内部儿件，而在200Hz以卜运转速度较慢，效率较低，故一般采用350Hz作为脉冲的低频起点。经测试，轻载时高频脉冲可达到6.8 k HZ。

图4-1步进电机脉冲频率变化规律

4.3 步进电机的选择

本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动，在设计要求中没有对步进电机提出特别的要求，因此为了设计的方便，选择受控电机为三相三线制的步进电机(内阻33欧,步进1.8度，额定电压12V）。

4.4 步进电机驱动电路设计

4.4.1功率放大器件驱动电机
通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是三相的步进电机，就需要对三路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时，运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。
1 、驱动电路：
PLC 控制步进电机常用的形式有普通型通用 PLC控制和 PLC 专用步进驱动模块控制等两种, 模块式控制方式具有控制可靠性高的优点, 而通用 PLC 控制步进驱动系统具有 PLC 系统构成简单, 工程造价低等优点,易于推广应用。图 4-3 所示为步进电机的驱动电路。图中仅为一相的驱动电路, 其余三相与之相同.在图中三极管 T1 起开关作用。当三极管截止时, 无集电极电流流通, 开关相当于断开; 当三极管饱和时, 流过的集电极电流最大, 开关相当于闭合, 该开关“动作”可由加于基极的电流来控制。由 T2、T3 两个三极管组成达林顿式功放电路, 驱动步进电机的 3个绕组, 使电机绕组的静态电流达到近 2A。电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号隔离。当控制输入信号为低电平时, T1 截止, 输出高电平, 则红外发光二极管截止, 光敏三极管不导通, 因此绕组中无电流流过; 当输入信号为高电平时, T1 饱和导通, 于是红外发光二极管被点亮, 使光敏三极管导通, 向功率驱动级晶体管提供基极电流, 使其导通, 绕组被通以电流。

图4-3步进电机驱动电路

2、脉冲分配器：
本设计采用的是CH250的脉冲分配器，是专为三相步进电机脉冲控制而设计的接口电路，在配合适当三相功率驱动电路后，就可使三相步进电机作双三拍或单六拍的停转与正反转。
（1）、引脚功能简介：
CH 250具有控制步进电机三相双三拍和三相六拍的功能，VDD在4-18V内都能工作。如图几所示。其中R1、R2端置“1”;可分别将三相六拍和三相双三拍复位。时钟端CL和时钟允许端EN分别为时钟脉冲输人和控制时钟输入。当时钟由CL端输入时，EN端必须接“1”，这时有效电平变化为上升沿;当时钟由EN端输入时，CL端必须接“0"，这时有效电平为下降沿输入端J3L、J3R、J6L、J6R是控制步进电机作三相双三拍还是三相单六拍运转。A，B，C为CH 250的三个输出端，经驱动后推动步进电机。
（2）、本设计的接线：
工作在三相单六拍方式时的连接如图所示。开始工作时，将R1端复位“0”，时钟脉冲CP由EN端输入，CL置“0”，当J6r端为"1"J6L端为“0”时(C = 0),步进电机正转，反之，步进电机反转。

图4-4三相单六拍方式的接线

表4·1 CH250部分真值表
CL EN J3R J3L J6R J6L 功能
脉冲 1 0 0 1 0 单六正转
脉冲 1 0 0 0 1 单六反转
0 脉冲 0 0 1 0 单六正转
0 脉冲 0 0 0 1 单六反转

3、控制的驱动接口：

图4-5驱动器接口

4、定位控制部分：
主要由位置控制部分与转速控制部分组成，分别接PLC的I0.0~I0.7口。接线图如下

图4-5定位控制部分图

5、电源接线部分：

图4-6电源接线部分

4.4.2 PLC直接驱动电机
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，与硬件连接相比对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对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。其目的是使环形脉冲分配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。如下图所示：

图4-7 PLC直接驱动电机

环形分配程序对步进电机各相绕组的通电顺序进行环形脉冲分配,从而控制接到步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断,形成旋转磁场,使步进电机转动。步进电机的转动，由于步进电机是电感性负载,直流电阻很小,故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏，当步进电机各相绕组的通电顺序按 ：…A—AB—B—BC—C—CA—A……导通断开时,步进电机正转。按: A—AC—C—CB—B—BA—A…依次导通、断开时,步进电机反转，即步进电机可以按三相六拍工作。每当步进电机走一步,环形脉冲分配程序的步数减一,当步数减为零时,停止环形脉冲分配,等待下一次的脉冲输入。如下图所示：

图4-8 西门子PLC直接驱动步进电机图（局部）

图4-9PLC控制步进电机系统示意图

图4-10时序图
总体接线图