自動化專業PLC 控制技術課程設計實例

李躍鵬，胡上國，雷 霖

（成都大學 電子信息與電氣工程學院，四川 成都 610106）

PLC（programmable logic controller）技術是自動化專業一門重要的核心課程，是檢驗自動化專業學生工程設計能力和是否達到畢業要求的一門關鍵課程。在自動化專業培養方案中，不僅有系統的PLC 控制技術理論課程和實驗安排，也有獨立的PLC 控制技術課程設計環節。PLC 控制技術課程設計通常安排在大四年級第一學期，要求學生應用所學的PLC 控制技術理論知識和實驗技能完成一項綜合課題研究與設計[1-2]。要求學生從教師給定的課題清單中自主選擇一項，用32 學時的課堂時間及課后時間，在理論教師和實驗教師的指導下按階段完成PLC 控制技術課程設計的目標與任務。本文通過以西門子S7-300 型三軸運動控制系統為基礎的二維平面多形態雕刻控制設計實例，介紹PLC 控制技術課程設計教學的方案設計和實踐方法。

1 設計要求

1.1 設計目標

本課程設計要求學生理解工程設計的步驟，對原理分析、方案設計、算法推演、程序設計、加工調試等各個環節合理分配時間并很好掌握相關的理論和方法；要能夠對三軸運動控制系統速度和精度進行準確控制，對實驗設備進行安全操作；人機操作界面功能完整、簡潔美觀、易于操控；雕刻出來的圖形完整美觀。

1.2 設計任務與實驗設備

利用實驗室三軸運動控制系統，結合控制系統設計要求及工作方式，分析中心控制器的數字量模塊，設計控制系統結構；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，設計人機組態軟件界面（HMI）；完成系統的軟硬件測試工作；實現對平面板材的多形態雕刻設計。設計框圖及裝置如圖1 所示。

圖1 設計原理及裝置圖

具體任務包括：①完成PLC 控制系統輸入輸出數字量I/O 模塊的功能地址分配；②掌握用戶程序編輯和人機組態軟件界面設計相關技術；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矢量組合成目標圖像，通過線性矢量關系完成目標圖像的拼接。

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

控制設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臺上的X、Y、Z三個軸及塔燈、夾具、直流電機、刀頭、工作臺等組成。每個軸各自搭配一個伺服電機，可作為一個獨立的先進運動控制系統。該設備應用了多種類型的傳感器（限位開關），西門子同步伺服電機與絲桿進行連接，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。

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，可用于工藝、運動控制領域附加集成功能等特點，是一種既經濟又合理的選擇。用于儲存系統和用戶信息及其他數據信息的是一種微型存儲卡，可用于數據歸檔和配方管理，大小為384 KB，相當于128 K條指令[3-5]。S7-300 中央處理單元搭載數字量I/O 模塊SM323，完成系統輸入輸出功能，SM323 數字量I/O模塊是同時具備輸入點和輸出點的信號模塊。

電機驅動控制系統的設計選用西門子公司的SINAMICS S120 驅動控制系統，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動系統，具有模塊化設計，其組成模塊包括電源模塊（基本型/非調節型/調節型）、電機模塊、控制單元CU320 模塊（有控制和調節功能）、編碼器（用于將編碼器信號轉換成驅動裝置之間通信電纜DRIVE-CLIQ 可識別的信號），其中的電機模塊須通過DRIVE-CLIQ 與控制單元聯接。

1.3 編程平臺

本設計使用專業的PLC 程序編譯軟件STEP 7 進行硬件組態配置及梯形圖程序設計，其主要功能為硬件配置和參數設置、通信組態、梯形圖及組態軟件編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷等。

由于本課程設計需實時進行路徑數據監測和其他功能控制，所以引入人機交互技術，選型為SIMATIC HMI TP700，目的是通過PROFIBUS 總線實現用戶與計算機之間進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，“輸入”是指由用戶來進行設備的操作控制，例如進行頁面選擇、啟動暫停信號輸入等；“輸出”是指操作設備接收到輸入信號后做出的一系列響應，若一切正常，則穩定工作，反之，則進行故障自處理或報警。

2 實施步驟與方法

2.1 階段性目標分解

整個課程設計按照任務內容分成三個階段性目標：①完成對PLC 與三軸運動控制裝置的硬件了解和接口配置，主要包括伺服電機的控制設計、PLC 的I/O地址分配、PLC 的電氣接線設計，要求在8 學時內完成；②完成對課程設計的硬件編程控制和組態軟件設計，要求在12 學時內完成；③實現對六芒星、八芒星、小房子的雕刻設計，進行系統的實踐調試，此目標需要和前兩個階段目標協同進行，要求在12 學時內完成。

2.2 階段性目標的設計實現

2.2.1 階段目標1 的設計實現（硬件配置）

該目標任務的完成是整個課程設計順利進行的基礎。首先應用SINAMICS S120 系列變頻器高性能驅動系統完成雙軸電機接線，用以分別驅動X軸、Y軸的同步伺服電機，如圖2 所示；驅動Z軸時則是通過取消上述雙軸電機接線的一軸來實現。

圖2 伺服電機與S120 驅動模塊接線圖

其次，按照設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據信號與現場信息做數據交換，用以區別不同的現場狀況。三軸運動控制系統SM323 數字量模塊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，根據各器件的技術要求以DC0 V、DC24 V 等形式供電，完成對整個控制系統的電氣接線。主要供電模塊包括SM323 供電電源、人機交互界面SIMATIC HMI TP700 電源、S120 驅動模塊控制電源、伺服電機電源等。

2.2.2 階段目標2 的設計實現（軟件設計）

本課程設計中，軟件設計包括兩部分內容，一是應用梯形圖完成對PLC 硬件的配置設計以及硬件的控制設計，二是通過人機交互技術實現對人機界面的設計，并最終加載到SIMATIC HMI TP700 顯示控制裝置中。

首先，應用PLC 程序編譯軟件STEP 7 進行軟件設計。應用SIMATIC Manager 軟件完成程序工程項目的創建、PROFIBUS 總線網絡創建以及三軸等硬件參數配置?？刂葡到y主程序流程圖如圖3 所示。

圖3 控制系統主程序流程圖

利用S7-300 系列PLC 對伺服電機、進刀直流電機進行運動控制?？刂葡到y啟動后，系統進入初始化狀態，各功能模塊進入自檢模式，由操作平臺上塔燈的顯示情況表示檢查狀態，塔燈為綠燈時，自檢通過，控制三軸運動控制系統雕刻加工設備進入正常運行狀態，塔燈為紅燈時，表示設備處于待處理或故障狀態，無法進入正常運作模式。整個控制系統設計的實現根據模塊化的編程思想，將程序進行有序組織以保證設計的實現。將程序設計分為同步伺服電機的啟動/停止設計、同步伺服電機轉動方向設計、同步伺服電機轉速設計、三軸復位設計、觸摸屏顯示設計、限位保護和按鈕設計等，最后將各個模塊的代碼組合起來。每個功能模塊相互獨立，進行單獨編譯，這樣就不會因混亂導致結構出錯，能夠保證控制系統結構設計的嚴謹與可利用開發。

其次，主要子程序控制模塊具有主軸電機啟停設計，主軸電機帶動刀具進行切削加工，完成工件制作，可通過程序功能設計實現對主軸電機的自動進給控制設計和人機界面上的手動進給控制設計。

X、Y、Z三軸的同步伺服電機的啟動控制是通過控制字W#16#47F 發出的指令來完成的，W#16#47F的數據類型是一個“字（WORD）”，總共有16 個“位（BIT）”，對應的二進制表示為10001111111。例如，Y軸伺服電機的啟動控制，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。同時，伺服電機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 軸伺服驅動程序

三軸伺服電機控制需要完成位置控制設計、轉速設計和轉向設計。脈沖編碼器單位毫米脈沖Nmm計算公式為：

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

三軸伺服電機轉速控制的計算公式為：

ω是三軸伺服電機轉速，v是人機交互界面HMI輸入軸的移動速度。通過在電機轉動速度前添加正負號來實現對伺服電機的正反轉控制[9-10]。

人機界面設計是實現準確操作的重要保障。主頁面設計為三軸運動控制系統界面，主要用于進行各項功能選擇。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、三軸位置數據監測窗口、伺服電機轉速設置窗口、啟動復位和OFF/ON 開關按鈕，手動頁面有伺服電機三個方向的運動控制按鈕和三軸的位置數據監測窗口。

2.2.3 階段目標3 的設計實現（形狀加工設計）

課程設計的最終目標是實現三軸雕刻機的自動加工，完成預定作品制作。分別對六芒星、八芒星、小房子做雕刻設計，用STEP 7 編譯軟件進行程序編輯和調試，確定三軸雕刻機運行的關鍵點位坐標，設計出合適的加工路徑。在進行六芒星、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的速度控制，搭配滾珠絲桿與伺服驅動系統的三軸設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兩點之間的距離S的表達式如式（3），式（4）為軌跡點速度、距離與時間之間的關系。

式中，xn、yn、xn–1、yn–1表示軌跡點在二維平面上的坐標值，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鍵點或必須點的坐標如表2 所示。

根據坐標點位置，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的。設備從機械原點運行到起始點A，主軸電機開始切割，運行軌跡為：從A 到B 到C 再到A；主軸電機停止轉動，然后回升至機械原點；設備再從機械原點運動到D 點，主軸電機開始切割，運行軌跡為：從D 到E 到F 再到D；切割完成，三軸復位。

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

小房子的雕刻設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。設備從機械原點運行到起始點O，主軸電機開始切割，運行軌跡依次為：OCHIJOAKLBCDEFGHE；主軸電機停止轉動，然后回升至機械原點；設備再從機械原點運動到K 點，主軸電機開始切割，運行軌跡為：從K 到N 到M 再到L；切割完成，三軸復位。

表2 軌跡坐標結構圖

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，輔以Z 軸坐標（工作時140 mm，復位時0 mm），完成在三維平面上的坐標設計，再根據具體圖形的特點，以盡可能少的Z 軸升降次數為原則設計出設備的最佳運行路徑，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行機械復位，待塔燈的綠燈亮起，即可進入圖形加工階段。在雕刻加工和機械復位過程中，將伺服電機的轉速設置為5 mm/s，這是經多次調試后確定的轉速值，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 課程設計結果

完成三項階段性設計工作后，將人機界面程序下載到觸摸屏控制器，將多形態的S7-300 控制程序下載到S7-300 型PLC 控制單元。撥動電源開關給設備上電，待PLC 指示燈穩定后，按動觸摸屏上的復位按鈕使設備回到機械原點，此時塔燈綠燈亮起。然后，進入三軸運動控制系統主頁面，按照六芒星、八芒星、小房子自定義設計的實驗項目，點擊進入相應界面，首先確定Z 軸下降的高度。通過手動按鈕，將伺服電機速度設置為5 mm/s，上下調節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，并在驅動程序中將此距離寫入。最后，將旋轉電機啟停設置為ON/OFF，點擊啟動，開始雕刻工件，觀察設備的運動狀態、運動軌跡等。加工成品如圖6 所示。

圖6 加工成品圖

3 結語

PLC 課程設計是自動化類專業的核心課程。近五年來，PLC 課程綜合設計從S7-200 型實驗箱發展到S7-300 型綜合實驗臺。該課程設計不僅在自動化專業課程改革、自動化專業工程認證、本科教學評估中擔當重要角色，也是學生畢業后就業的重要工作技能?；赑LC 的三軸運動控制系統綜合課程設計，使學生的課程理論知識和實踐技能得到綜合提升，實現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。