基于PLC的运动控制实验装置研究 机械设计及其自动化毕业设计论文

本科毕业设计（论文）
基于PLC的运动控制实验装置研究The Research of Motion Control Experimental Device based on PLC
年级: 2004级
学号: 20040983
姓名: xx
专业: 机械设计制造及其自动化
指导老师: xx
2008 年6 月
本科毕业设计(论文) 第I页
院系机械工程学院专业机械设计制造及其自动化
年级2004级姓名xx
题目基于PLC的运动控制实验装置研究
指导教师
评语
指导教师(签章)
评阅人
评语
评阅人(签章) 成绩
答辩委员会主任(签章)
年月日
毕业设计（论文）任务书
班级机械八班学生姓名xx 学号20040983
发题日期：2008年3月 5 日完成日期：2008年6月13 日题目：基于PLC的运动控制实验装置研究
1、本论文的目的、意义
PLC是现代工业控制系统常用硬件，具备高可靠性。

本课题要求学生综合利用所学机电专业知识，依据松下或三菱PLC硬件平台，消化现有资料，研制点位和平面运动控制实验装置，实现运动的交互点动控制和程序连续控制，具备常见的运动控制保护和调整功能。

该成果对于完善机电测控实验中心创新实验具备一定价值。

2、学生应完成的任务
（1）完成点位和平面运动控制调研和资料搜集。

（2）完成点位和平面运动控制方案设计。

（3）完成点位和平面运动控制程序设计和调试。

（4）完成点位和平面运动控制器实验物一套。

（5）整理完成不少于24000字的毕业论文。

3、论文各部分内容及时间分配：（共15 周）
第一部分调研准备和资料搜集（2周）第二部分方案设计和补充元器件采购（2周）第三部分程序设计和调试（5周）第四部分系统集成和联调（4周）第五部分撰写毕业论文（1周）评阅及答辩（1周）
备注
指导教师：年月日
审批人：年月日
摘要
可编程序控制器(PLC）是综合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术的新型的、通用的自动控制装置。

它具有功能强、可靠性高、易于编程及适应工业环境下应用等一系列优点。

近十年来，它在工业自动化，机电一体化，传统产业技术等方面的应用越来越广，成为现代工业控制的三大支柱之一。

本运动控制实验装置是在实验室现有设备的基础上，以松下FP∑系列FPG-C32T 型号的PLC为基本控制核心，改装而成的。

可以实现水平面内的点动、点位连续控制，以及两个平面图形的演示功能。

操作界面选取MCGS组态软件设计，简单易懂，美观大方。

论文共分为六章。

第一章绪论部分主要介绍了PLC作为运动控制的国内外研究现状。

第二章简单介绍了PLC和运动控制技术的基础知识。

第三章对该运动控制实验装置进行了总体设计，包括功能分析、机械结构设计、控制方案选择、硬件及软件的总体规划等。

第四章主要包括各硬件的选型及控制电路接线的设计。

第五章为软件部分，详细讲述了控制系统各部分的梯形图编程设计。

第六章为操作界面设计，重点阐述了该控制系统操作界面的建立过程。

论文的最后部分，则是对于本次毕业设计的整个过程进行了一个全面的回顾和总结。

关键词：运动控制PLC MCGS 实验装置
Abstract
Programmable Controller (PLC) is a new automatic controller incorporating computer science and automatic control technique. It possesses the advantages of it’s powerful functions, high reliability, easy to programe and adaptiving to applicate in the industrial environments ,and so on. In recent years, it has obtained more and more application in industrial automation, mechatronics and tradition industry techniques, etc, and has become one of the world's three pillars of modern industry control area.
The experimental device of motion control takes FPG-C32T model which belongs to FP Σ series in Panasonic as the basic control core by using the existing equipments in laboratory.It can realize spot move control、point continuous control and demo functions of two flat graphics.By using MCGS software to design the operation interface make it easy to understand and beautiful to appear.
The thesis is divided into six chapters. In chapter 1 , the research on the status quo at home and abroad of taking PLC as motion control is given out. In chapter 2, a brief introduction to the PLC and the technology of motion control is given out. In chapter 3, the overall design of experimental device of motion control including function analysis, mechanical structure design, the choosing of control project, and the overall planning of hardware and software is given out. In chapter 4, it mainly includes the choosing of hardware and the design of control circuit wiring. In chapter 5, the ladder programming design process of each parts of the control system is discussed in detail. In the chapter 6,the design process of operation interface of the control system is elaborated. The last part of thesis is the summary and conclusion of the whole design process.
Key words：Motion Control PLC MCGS Experimental Device
目录
第1章绪论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.1.1 问题的提出 (1)
1.1.2 国内外研究现状 (1)
1.2 本文研究的主要内容、目标与方法 (4)
第2章可编程控制器及运动控制技术 (5)
2.1 PLC控制系统 (5)
2.2运动控制技术 (10)
2.2.1 运动控制技术综述 (10)
2.2.2 数控机床简介 (12)
第3章运动控制实验装置总体设计 (15)
3.1 功能总体分析设计 (15)
3.2 机械部分总体设计 (15)
3.3 控制部分方案选择 (16)
3.3.1 实验室MPC02运动控制卡数控系统简介 (16)
3.3.2 运动控制器件的种类 (18)
3.3.3 控制方式的比较选择 (20)
3.4 硬件总体设计 (32)
3.5 软件总体设计 (33)
第4章运动控制实验装置硬件设计 (34)
4.1 PLC选型 (34)
4.1.1 PLC的选型方法 (34)
4.1.2 PLC型号的选择 (35)
4.2 电机及驱动器选择 (36)
4.3 驱动器选择 (40)
4.4 编码器选择 (40)
4.4.1 光电编码器简介 (40)
4.4.2 增量式光电编码器 (41)
4.4.3 编码器的选择 (46)
4.5 控制电路接线图 (46)
第5章运动控制实验装置软件设计 (47)
5.1 PLC的编程语言 (47)
5.2 PLC应用设计步骤 (47)
5.3 运动控制系统的PLC程序设计 (49)
5.3.1 主程序部分 (49)
5.3.2 点动控制部分 (53)
5.3.3 点位控制部分 (55)
5.3.4 平面演示部分 (58)
第6章运动控制系统操作界面设计 (64)
6.1 MCGS组态软件介绍 (64)
6.2 用户操作界面设计 (67)
6.2.1 系统界面设计流程 (67)
6.2.2 系统操作界面最终效果 (71)
结论 (72)
致谢 (73)
参考文献 (74)
附录 (75)
附录1控制电路接线图 (75)
附录2控制梯形图 (76)
附录3毕业实习报告 (85)
第1章绪论
1.1课题背景
1.1.1 问题的提出
机电一体化技术的发展直接影响到一个国家的机械工业装备水平，运动控制技术是机电一体化五大关键技术的核心部分。

为了让同学们快速的接触、了解运动控制技术，提高同学们的动手能力，巩固所学知识，我校根据教学大纲，专门购买了X-Y轴二维数控运动实验装置，该装置通过MPC02运动控制卡控制。

该实验装置给同学们提供了动手操作的平台，给同学的知识巩固带来了很大帮助，发挥了其应有的价值。

然而，做为机械电子工程专业的学生，我们需要不断的学习新的知识，不断的完善自己。

可编程控制器（PLC）作为技术成熟的控制器，以其高可靠性、控制能力强、体积小、程序可以在线修改、易于与计算机接口、能对开关量、模拟量进行综合控制等优异的性能，在工业控制领域中得到了广泛应用，成为现代工业控制的支柱产品。

随着运动控制技术在工业生产过程中越来越广泛的应用，运动控制器成为了各大工业控制器厂商一个新的经济增长点。

可编程序控制器在运动控制技术方面也在不断的发展和完善，使得可编程序控制其也越来越广泛的应用到位置控制和运动控制领域。

学习PLC知识，特别是在运动控制等新领域方面的知识已迫在眉睫。

基于此，本论文旨在将现有的X-Y轴二维数控运动实验装置改装成基于PLC控制的点位和平面运动控制实验装置，给同学们提供一个学习PLC基础，动手设计编程，掌握PLC运动控制核心的实验平台，该成果对于完善机电测控实验中心创新实验具备一定价值。

1.1.2 国内外研究现状
在国外，运动控制(MotionC ontrol)己成为一个专门的产业，近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，己经被越来越多的产业领域接受，一大批厂家正在不断开发这方面的新技术，研制这方面的新产品，它己经达到一个引人瞩目的市场规模。

从上位机控制器来说，基于计算机标准总线的运动控制器、Soft型开放式运动控制器和嵌入式结构的运动控制器发展较迅速。

而谈到PLC作为运动控制器，就不得不提到日本的欧姆龙公司和德国西门子公司。

欧姆龙公司推出的专门用于运动控制的CS1系列PLC，它不仅可以实现直线插
补、圆弧插补，还能实现用G语言编写运动控制程序、识别G代码、输出模拟量等功能，与伺服装置之间构成闭环控制。

图1.1为CS1系列运动控制单元实物图。

图1.1 CS1系列运动控制单元
西门子公司推出的SIMOTION D是基于SINAMICS S120驱动平台的驱动系统，从而使其成为一个极其紧凑同时具有强大控制功能驱动控制系统。

它将逻辑控制、运动控制（定位、同步等）以及工艺控制（压力、温度控制等）集中在同一个系统中。

可以实现从简单的速度轴控制到复杂的多轴电子凸轮插补，从几个轴的同步运行到上百根轴的高精度的角同步控制。

SIMOTION D具有若干种规格，具有不同的性能，其中SIMOTION D435适用于中等规模的应用。

它带有两个具有时钟同步的PROFIBUS接口以及两个以太网口。

同样，SIMOTION D435也通过DRIVE-CLiQ接口与SINAMICS S120的其它模块进行数据交换。

通过外扩CU320，一个SIMOTION D435最多能控制64个轴。

图1.2为SIMOTION D控制系统简图。

图1.2 SIMOTION D控制系统简图
从执行机构来说，日本松下(Panasonic)公司的MINASA系列全数字式交流伺服系统，以其性能卓著，体积小巧而著称;德国伦茨(Lenz)的9300系列交流伺服系统，其特点在于其伺服系统针对不同行业，配有面向具体应用的软件包，可柔性实现自动化方案;美国科尔摩根(Kollmorgen)的PLATINUM DDL系列直线电机，其特点在于直接提供推力给负载，能提供很高的动态响应速度和加速度;日本安川系列电机可以采用位置、速度、扭矩三种控制方式不同的控制方式其接线也不相同，通过对编码器输入指令来控制伺服电机。

安川E -I1系列交流伺服电动机驱动器可以选择模拟量输入和脉冲输入方式，也可以选择数值指令输入方式。

目前采用硬、软件结合的数字伺服系统较为普遍。

其中数值输入方式的位置控制是由软、硬件结合实现的。

其中偏差和进给速度指令的计算由软件实现，硬件接受进给指令的数据，进行D/ A转换，提供指令电压给速度控制单元最后驱动电动机运转。

我国在运动控制器产品开发方面相对落后，1999年固高科技有限公司在深圳成立，是国内第一家专业开发、生产开放式运动控制器产品的公司。

国内的运动控制器生产厂商提供的产品大致可以分为三类:第一类是以单片机或微处理器作为核心的运动控制器，这类运动控制器速度较慢，精度不高，成本相对较低。

第二类是以专用芯片(ASIC)作为核心处理器的运动控制器，这类运动控制器结构比较简单，但这类运动控制器大多数只能输出脉冲信号，工作于开环控制方式。

第三类是基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器这类运动控制器通常都能提供多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。

目前应用比较广泛。

然而，利用PLC作为控制器方面，台达电子集团生产的台达SC系列--可編程序控制器利用PLC实现XY轴二维平面双轴插补功
能，是目前国内最先进的专业定位控制机种，能出色的完成平面内斜线、圆弧、曲线运动控制。

无锡信捷全新XCM系列运动控制型PLC是运动控制专用PLC，它支持10轴脉冲输出。

可以看出，国内外的运动控制技术正在不断的发展，而利用PLC作为运动控制的模式也在逐渐形成与发展，预计不久的将来，PLC将成为高精度、高标准、高性能等各种复杂控制的主潮流。

1.2 本文研究的主要内容、目标与方法
1、本文研究的主要内容包括：
（1）完成实验装置控制方案的设计；
（2）实现点动运动的控制；
（3）实现点位连续运动的控制；
（4）实现平面图形运动演示的控制；
（5）完成外围硬件的连接；
（6）完成PLC控制程序的编制。

2、论文研究要达到的目标：
通过PC中的组态软件窗口打开系统，用户自己选择要实现的点动、点位或平面控制，点击后看到相关正确的运动，直观的感受到PLC运动控制的高精度、高可靠性等优异性能。

3、本文研究采用的方法是：
（1）通过专用串行口传输数据至PLC；
（2）利用驱动器接受编码器反馈的信号，进行相应的位置和速度补偿，完成半闭环控制；
（3）通过组态软件实现人机界面。

第2章可编程控制器及运动控制技术
可编程控制器（Programmable Controller,后又称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通讯网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。

本文首先对PLC的定义、特点、功能及工作原理等进行了简单的介绍。

接着对运动控制技术进行了系统的阐述，并着重介绍了数控机床。

可以说通过本章，使读者对运动控制系统有了一个初步的了解。

2.1 PLC控制系统
1 PLC的定义
可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

数十年来，对于PLC的定义多种多样，其中比较全面准确的是在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC所作的如下的定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”PLC的整体外观图如图2.1所示。

图2.1 PLC的整体外观
2 PLC的特点
（1）可靠性高、抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用了现代大规模集成电路技术，采用了严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

（2）配套齐全、功能完善、适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（3）易学易用、深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易、编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

（5）体积小、重量轻、能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

3 PLC的应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域。

它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器可用于模拟量控制。

（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期是直接用于开关量的I/O模块连接位置传感器和执行机构，而现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

（5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作；也可以利用通信功能传送到别的智能装置；或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统，也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

4 PLC的基本结构和工作原理
（1）PLC基本结构
中央处理器：由控制电路（CPU）和存储器组成，用于控制、读取指令、处理和执行指令等，另外存储器拥有记忆功能，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他信息。

CPU是运算和控制中心到起“心脏”的作用。

当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。

输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映像寄存器。

然后由CPU 把数据和程序有机地结合在一起。

把结果存入输出映像寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。

存储器：具有记忆功能的半导体电路。

分为系统程序存储器和用户存储器。

系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。

由只读存储器、ROM组成。

厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。

输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。

发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。

光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。

在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。

输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。

当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。

向内部电路输入信号。

也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。

输出接口工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。

当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。

也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。

输入输出部分：为PLC与被控设备相连接的接口电路，用户输入的各种指令都要通过接口将这些信号转换成中央处理器能够接受和处理的信号，输出接口电路将中央处理器送出的弱点控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动各元气件。

编程器：编程器可分为两种，一种是手持编程器，方便。

我们实验室使用的就是手持编程器。

二种是通过PLC的RS232口与计算机相连，然后敲击键盘，通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。

（2）PLC工作原理
PLC采用循环扫描工作方式，这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向各输出点发出相应的控制信号。

整个过程可分为3个阶段：输入刷新，用户程序执行，输出刷新。

其工作过程如图2.2所示。

图2.2 PLC的扫描工作过程
PLC的中央处理器在开始时，首先对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入状态寄存器中，这是输入刷新阶段。

然后中央处理器将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态(这些状态统称为数据)进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器，这就是程序执行阶段。

当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。

由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段之后马上进行的，所以要将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。

实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测(自诊断功能)，并与编程器或计算机等编程工具进行通信，这些操作统称为“监视服务”。

PLC经过上述这3个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后又重新执行上述过程，扫描周而复始的进行。

5 PLC控制系统与继电器控制系统的比较
PLC的出现就是为了解决传统的继电器控制的一些问题，下表2-1就将继电器控制与PLC控制系统所了一个简单的比较。