自動化專業(yè)PLC 控制技術(shù)課程設(shè)計實例

李躍鵬，胡上國，雷 霖

（成都大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，四川 成都 610106）

PLC（programmable logic controller）技術(shù)是自動化專業(yè)一門重要的核心課程，是檢驗自動化專業(yè)學(xué)生工程設(shè)計能力和是否達(dá)到畢業(yè)要求的一門關(guān)鍵課程。在自動化專業(yè)培養(yǎng)方案中，不僅有系統(tǒng)的PLC 控制技術(shù)理論課程和實驗安排，也有獨立的PLC 控制技術(shù)課程設(shè)計環(huán)節(jié)。PLC 控制技術(shù)課程設(shè)計通常安排在大四年級第一學(xué)期，要求學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的PLC 控制技術(shù)理論知識和實驗技能完成一項綜合課題研究與設(shè)計[1-2]。要求學(xué)生從教師給定的課題清單中自主選擇一項，用32 學(xué)時的課堂時間及課后時間，在理論教師和實驗教師的指導(dǎo)下按階段完成PLC 控制技術(shù)課程設(shè)計的目標(biāo)與任務(wù)。本文通過以西門子S7-300 型三軸運動控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的二維平面多形態(tài)雕刻控制設(shè)計實例，介紹PLC 控制技術(shù)課程設(shè)計教學(xué)的方案設(shè)計和實踐方法。

1 設(shè)計要求

1.1 設(shè)計目標(biāo)

本課程設(shè)計要求學(xué)生理解工程設(shè)計的步驟，對原理分析、方案設(shè)計、算法推演、程序設(shè)計、加工調(diào)試等各個環(huán)節(jié)合理分配時間并很好掌握相關(guān)的理論和方法；要能夠?qū)θS運動控制系統(tǒng)速度和精度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，對實驗設(shè)備進(jìn)行安全操作；人機(jī)操作界面功能完整、簡潔美觀、易于操控；雕刻出來的圖形完整美觀。

1.2 設(shè)計任務(wù)與實驗設(shè)備

利用實驗室三軸運動控制系統(tǒng)，結(jié)合控制系統(tǒng)設(shè)計要求及工作方式，分析中心控制器的數(shù)字量模塊，設(shè)計控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；利用西門子 S7-300 編程軟件STEP 7 和博圖軟件的TIA，編寫軌跡運行控制程序，設(shè)計人機(jī)組態(tài)軟件界面（HMI）；完成系統(tǒng)的軟硬件測試工作；實現(xiàn)對平面板材的多形態(tài)雕刻設(shè)計。設(shè)計框圖及裝置如圖1 所示。

圖1 設(shè)計原理及裝置圖

具體任務(wù)包括：①完成PLC 控制系統(tǒng)輸入輸出數(shù)字量I/O 模塊的功能地址分配；②掌握用戶程序編輯和人機(jī)組態(tài)軟件界面設(shè)計相關(guān)技術(shù)；③完成六芒星、八芒星及一座簡易小房子在二維平面上的雕刻加工，利用幾種基本的幾何圖形經(jīng)矢量組合成目標(biāo)圖像，通過線性矢量關(guān)系完成目標(biāo)圖像的拼接。

實驗室為本課程設(shè)計提供15 臺西門子S7-300 型控制設(shè)備，并同時配套15 臺三軸運動控制裝置。該實驗系統(tǒng)是由校企共建的先進(jìn)自動化工廠教學(xué)設(shè)備的一部分，具有豐富的數(shù)字模擬信號采集、多路總線通信及靈活易用的組態(tài)軟件等，配套目標(biāo)終端的還有運料小車控制終端、物料攪拌裝置等，能夠為學(xué)生實現(xiàn)PLC控制技術(shù)課程設(shè)計提供良好的儀器設(shè)備保障。

控制設(shè)備的三軸運動控制裝置實物圖如圖1 所示。其由安裝在鋁合金型材實訓(xùn)臺上的X、Y、Z三個軸及塔燈、夾具、直流電機(jī)、刀頭、工作臺等組成。每個軸各自搭配一個伺服電機(jī)，可作為一個獨立的先進(jìn)運動控制系統(tǒng)。該設(shè)備應(yīng)用了多種類型的傳感器（限位開關(guān)），西門子同步伺服電機(jī)與絲桿進(jìn)行連接，Y軸絲桿上載有X軸及Z軸，在X軸的絲桿上載有Z軸，在Z軸的絲桿上載有夾具，在夾具上載有直流電機(jī)。

其中的PLC 控制模塊選用西門子S7-300 系列PLC 控制器，型號為CPU315T-3 PN/DP，具有電磁兼容性強(qiáng)，可用于工藝、運動控制領(lǐng)域附加集成功能等特點，是一種既經(jīng)濟(jì)又合理的選擇。用于儲存系統(tǒng)和用戶信息及其他數(shù)據(jù)信息的是一種微型存儲卡，可用于數(shù)據(jù)歸檔和配方管理，大小為384 KB，相當(dāng)于128 K條指令[3-5]。S7-300 中央處理單元搭載數(shù)字量I/O 模塊SM323，完成系統(tǒng)輸入輸出功能，SM323 數(shù)字量I/O模塊是同時具備輸入點和輸出點的信號模塊。

電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計選用西門子公司的SINAMICS S120 驅(qū)動控制系統(tǒng)，是融合V/F 控制、矢量控制、伺服控制于一體的高性能多軸驅(qū)動系統(tǒng)，具有模塊化設(shè)計，其組成模塊包括電源模塊（基本型/非調(diào)節(jié)型/調(diào)節(jié)型）、電機(jī)模塊、控制單元CU320 模塊（有控制和調(diào)節(jié)功能）、編碼器（用于將編碼器信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動裝置之間通信電纜DRIVE-CLIQ 可識別的信號），其中的電機(jī)模塊須通過DRIVE-CLIQ 與控制單元聯(lián)接。

1.3 編程平臺

本設(shè)計使用專業(yè)的PLC 程序編譯軟件STEP 7 進(jìn)行硬件組態(tài)配置及梯形圖程序設(shè)計，其主要功能為硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、梯形圖及組態(tài)軟件編程、測試、啟動和維護(hù)、文件建檔、運行和診斷等。

由于本課程設(shè)計需實時進(jìn)行路徑數(shù)據(jù)監(jiān)測和其他功能控制，所以引入人機(jī)交互技術(shù)，選型為SIMATIC HMI TP700，目的是通過PROFIBUS 總線實現(xiàn)用戶與計算機(jī)之間進(jìn)行信息交換和智能化控制顯示[6-8]。主要包括“輸入”與“輸出”兩種狀態(tài)，“輸入”是指由用戶來進(jìn)行設(shè)備的操作控制，例如進(jìn)行頁面選擇、啟動暫停信號輸入等；“輸出”是指操作設(shè)備接收到輸入信號后做出的一系列響應(yīng)，若一切正常，則穩(wěn)定工作，反之，則進(jìn)行故障自處理或報警。

2 實施步驟與方法

2.1 階段性目標(biāo)分解

整個課程設(shè)計按照任務(wù)內(nèi)容分成三個階段性目標(biāo)：①完成對PLC 與三軸運動控制裝置的硬件了解和接口配置，主要包括伺服電機(jī)的控制設(shè)計、PLC 的I/O地址分配、PLC 的電氣接線設(shè)計，要求在8 學(xué)時內(nèi)完成；②完成對課程設(shè)計的硬件編程控制和組態(tài)軟件設(shè)計，要求在12 學(xué)時內(nèi)完成；③實現(xiàn)對六芒星、八芒星、小房子的雕刻設(shè)計，進(jìn)行系統(tǒng)的實踐調(diào)試，此目標(biāo)需要和前兩個階段目標(biāo)協(xié)同進(jìn)行，要求在12 學(xué)時內(nèi)完成。

2.2 階段性目標(biāo)的設(shè)計實現(xiàn)

2.2.1 階段目標(biāo)1 的設(shè)計實現(xiàn)（硬件配置）

該目標(biāo)任務(wù)的完成是整個課程設(shè)計順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。首先應(yīng)用SINAMICS S120 系列變頻器高性能驅(qū)動系統(tǒng)完成雙軸電機(jī)接線，用以分別驅(qū)動X軸、Y軸的同步伺服電機(jī)，如圖2 所示；驅(qū)動Z軸時則是通過取消上述雙軸電機(jī)接線的一軸來實現(xiàn)。

圖2 伺服電機(jī)與S120 驅(qū)動模塊接線圖

其次，按照設(shè)計要求分配中心控制元件PLC 的輸入輸出端口信號。其工作原理是通過分配不同的輸入輸出點數(shù)據(jù)信號與現(xiàn)場信息做數(shù)據(jù)交換，用以區(qū)別不同的現(xiàn)場狀況。三軸運動控制系統(tǒng)SM323 數(shù)字量模塊I/O 地址分配如表1 所示。

表1 SM323 模塊輸入/輸出地址分配表

最后是完成控制電路接線。以PLC 控制中心電路為主，各元器件電路為輔，根據(jù)各器件的技術(shù)要求以DC0 V、DC24 V 等形式供電，完成對整個控制系統(tǒng)的電氣接線。主要供電模塊包括SM323 供電電源、人機(jī)交互界面SIMATIC HMI TP700 電源、S120 驅(qū)動模塊控制電源、伺服電機(jī)電源等。

2.2.2 階段目標(biāo)2 的設(shè)計實現(xiàn)（軟件設(shè)計）

本課程設(shè)計中，軟件設(shè)計包括兩部分內(nèi)容，一是應(yīng)用梯形圖完成對PLC 硬件的配置設(shè)計以及硬件的控制設(shè)計，二是通過人機(jī)交互技術(shù)實現(xiàn)對人機(jī)界面的設(shè)計，并最終加載到SIMATIC HMI TP700 顯示控制裝置中。

首先，應(yīng)用PLC 程序編譯軟件STEP 7 進(jìn)行軟件設(shè)計。應(yīng)用SIMATIC Manager 軟件完成程序工程項目的創(chuàng)建、PROFIBUS 總線網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建以及三軸等硬件參數(shù)配置。控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)主程序流程圖

利用S7-300 系列PLC 對伺服電機(jī)、進(jìn)刀直流電機(jī)進(jìn)行運動控制。控制系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)，各功能模塊進(jìn)入自檢模式，由操作平臺上塔燈的顯示情況表示檢查狀態(tài)，塔燈為綠燈時，自檢通過，控制三軸運動控制系統(tǒng)雕刻加工設(shè)備進(jìn)入正常運行狀態(tài)，塔燈為紅燈時，表示設(shè)備處于待處理或故障狀態(tài)，無法進(jìn)入正常運作模式。整個控制系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)根據(jù)模塊化的編程思想，將程序進(jìn)行有序組織以保證設(shè)計的實現(xiàn)。將程序設(shè)計分為同步伺服電機(jī)的啟動/停止設(shè)計、同步伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動方向設(shè)計、同步伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計、三軸復(fù)位設(shè)計、觸摸屏顯示設(shè)計、限位保護(hù)和按鈕設(shè)計等，最后將各個模塊的代碼組合起來。每個功能模塊相互獨立，進(jìn)行單獨編譯，這樣就不會因混亂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出錯，能夠保證控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的嚴(yán)謹(jǐn)與可利用開發(fā)。

其次，主要子程序控制模塊具有主軸電機(jī)啟停設(shè)計，主軸電機(jī)帶動刀具進(jìn)行切削加工，完成工件制作，可通過程序功能設(shè)計實現(xiàn)對主軸電機(jī)的自動進(jìn)給控制設(shè)計和人機(jī)界面上的手動進(jìn)給控制設(shè)計。

X、Y、Z三軸的同步伺服電機(jī)的啟動控制是通過控制字W#16#47F 發(fā)出的指令來完成的，W#16#47F的數(shù)據(jù)類型是一個“字（WORD）”，總共有16 個“位（BIT）”，對應(yīng)的二進(jìn)制表示為10001111111。例如，Y軸伺服電機(jī)的啟動控制，常開觸點M10.3 通路，常閉觸點I8.3 通路，常開觸點I9.1 通路，通過控制字指令啟動伺服電機(jī)。同時，伺服電機(jī)的停止控制是通過控制字W#16#47E 來完成的，如圖4 所示。

圖4 Y 軸伺服驅(qū)動程序

三軸伺服電機(jī)控制需要完成位置控制設(shè)計、轉(zhuǎn)速設(shè)計和轉(zhuǎn)向設(shè)計。脈沖編碼器單位毫米脈沖Nmm計算公式為：

Nc為電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈使軸移動5 mm 脈沖編碼器脈沖輸出計數(shù)，其值為1 048 576，Nmm為伺服電機(jī)每移動1 mm 脈沖編碼器輸出的脈沖計數(shù)，其值由式（1）計算得209 715。

三軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的計算公式為：

ω是三軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，v是人機(jī)交互界面HMI輸入軸的移動速度。通過在電機(jī)轉(zhuǎn)動速度前添加正負(fù)號來實現(xiàn)對伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制[9-10]。

人機(jī)界面設(shè)計是實現(xiàn)準(zhǔn)確操作的重要保障。主頁面設(shè)計為三軸運動控制系統(tǒng)界面，主要用于進(jìn)行各項功能選擇。子頁面是軌跡自動頁面和手動頁面，自動頁面包括軌跡雕刻模型顯示、三軸位置數(shù)據(jù)監(jiān)測窗口、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置窗口、啟動復(fù)位和OFF/ON 開關(guān)按鈕，手動頁面有伺服電機(jī)三個方向的運動控制按鈕和三軸的位置數(shù)據(jù)監(jiān)測窗口。

2.2.3 階段目標(biāo)3 的設(shè)計實現(xiàn)（形狀加工設(shè)計）

課程設(shè)計的最終目標(biāo)是實現(xiàn)三軸雕刻機(jī)的自動加工，完成預(yù)定作品制作。分別對六芒星、八芒星、小房子做雕刻設(shè)計，用STEP 7 編譯軟件進(jìn)行程序編輯和調(diào)試，確定三軸雕刻機(jī)運行的關(guān)鍵點位坐標(biāo)，設(shè)計出合適的加工路徑。在進(jìn)行六芒星、八芒星和小房子的雕刻加工過程中，最為重要的是三個軸的運動控制及主軸電機(jī)的速度控制，搭配滾珠絲桿與伺服驅(qū)動系統(tǒng)的三軸設(shè)計能夠為操作提供非常好的控制精度與速度。工件按加工軌跡運行的連續(xù)兩點之間的距離S的表達(dá)式如式（3），式（4）為軌跡點速度、距離與時間之間的關(guān)系。

式中，xn、yn、xn–1、yn–1表示軌跡點在二維平面上的坐標(biāo)值，V表示三軸加工的實際運動速度，T表示在距離S時三軸運動的時間。由式（3）和式（4）計算出六芒星、八芒星和小屋子的關(guān)鍵點或必須點的坐標(biāo)如表2 所示。

根據(jù)坐標(biāo)點位置，六芒星的加工軌跡是基于兩個等邊三角形在二維平面上通過圖形組合來實現(xiàn)的。設(shè)備從機(jī)械原點運行到起始點A，主軸電機(jī)開始切割，運行軌跡為：從A 到B 到C 再到A；主軸電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，然后回升至機(jī)械原點；設(shè)備再從機(jī)械原點運動到D 點，主軸電機(jī)開始切割，運行軌跡為：從D 到E 到F 再到D；切割完成，三軸復(fù)位。

八芒星的加工基于兩個正方形在二維平面上經(jīng)圖形組合而來。設(shè)備從機(jī)械原點運行到起始點A，主軸電機(jī)開始切割，運行軌跡為：從A 到B 到C 到D 再到A；主軸電機(jī)停止運動，然后回升至機(jī)械原點；設(shè)備再從機(jī)械原點運動到E 點，主軸電機(jī)開始切割，運行軌跡為：從E 到F 到G 到H 再到E；切割完成，三軸復(fù)位。

小房子的雕刻設(shè)計是由幾種常見的幾何圖形組合而成，包括等腰直角三角形、矩形和平行四邊形。設(shè)備從機(jī)械原點運行到起始點O，主軸電機(jī)開始切割，運行軌跡依次為：OCHIJOAKLBCDEFGHE；主軸電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，然后回升至機(jī)械原點；設(shè)備再從機(jī)械原點運動到K 點，主軸電機(jī)開始切割，運行軌跡為：從K 到N 到M 再到L；切割完成，三軸復(fù)位。

表2 軌跡坐標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

工件的加工首先要計算出各個圖形在二維平面上的必須點坐標(biāo)，輔以Z 軸坐標(biāo)（工作時140 mm，復(fù)位時0 mm），完成在三維平面上的坐標(biāo)設(shè)計，再根據(jù)具體圖形的特點，以盡可能少的Z 軸升降次數(shù)為原則設(shè)計出設(shè)備的最佳運行路徑，然后利用PLC 的邏輯可編程功能編寫出該圖形的自動雕刻邏輯運行程序，最后利用整套雕刻設(shè)備完成該圖形在加工工件上的自動雕刻。

在程序運行之前首先需要進(jìn)行機(jī)械復(fù)位，待塔燈的綠燈亮起，即可進(jìn)入圖形加工階段。在雕刻加工和機(jī)械復(fù)位過程中，將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為5 mm/s，這是經(jīng)多次調(diào)試后確定的轉(zhuǎn)速值，便于控制、易于掌握。程序運行功能加工流程如圖5 所示。

圖5 加工流程圖

2.3 課程設(shè)計結(jié)果

完成三項階段性設(shè)計工作后，將人機(jī)界面程序下載到觸摸屏控制器，將多形態(tài)的S7-300 控制程序下載到S7-300 型PLC 控制單元。撥動電源開關(guān)給設(shè)備上電，待PLC 指示燈穩(wěn)定后，按動觸摸屏上的復(fù)位按鈕使設(shè)備回到機(jī)械原點，此時塔燈綠燈亮起。然后，進(jìn)入三軸運動控制系統(tǒng)主頁面，按照六芒星、八芒星、小房子自定義設(shè)計的實驗項目，點擊進(jìn)入相應(yīng)界面，首先確定Z 軸下降的高度。通過手動按鈕，將伺服電機(jī)速度設(shè)置為5 mm/s，上下調(diào)節(jié)Z軸讓刀具尖部與雕刻面距離適中，記錄觸摸屏上Z軸顯示的下降距離，并在驅(qū)動程序中將此距離寫入。最后，將旋轉(zhuǎn)電機(jī)啟停設(shè)置為ON/OFF，點擊啟動，開始雕刻工件，觀察設(shè)備的運動狀態(tài)、運動軌跡等。加工成品如圖6 所示。

圖6 加工成品圖

3 結(jié)語

PLC 課程設(shè)計是自動化類專業(yè)的核心課程。近五年來，PLC 課程綜合設(shè)計從S7-200 型實驗箱發(fā)展到S7-300 型綜合實驗臺。該課程設(shè)計不僅在自動化專業(yè)課程改革、自動化專業(yè)工程認(rèn)證、本科教學(xué)評估中擔(dān)當(dāng)重要角色，也是學(xué)生畢業(yè)后就業(yè)的重要工作技能。基于PLC 的三軸運動控制系統(tǒng)綜合課程設(shè)計，使學(xué)生的課程理論知識和實踐技能得到綜合提升，實現(xiàn)了理論與實踐的融會貫通，也可作為自動控制原理、過程控制等課程的實踐方法。