自动化专业PLC 控制技术课程设计实例

李跃鹏，胡上国，雷 霖

（成都大学 电子信息与电气工程学院，四川 成都 610106）

PLC（programmable logic controller）技术是自动化专业一门重要的核心课程，是检验自动化专业学生工程设计能力和是否达到毕业要求的一门关键课程。在自动化专业培养方案中，不仅有系统的PLC 控制技术理论课程和实验安排，也有独立的PLC 控制技术课程设计环节。PLC 控制技术课程设计通常安排在大四年级第一学期，要求学生应用所学的PLC 控制技术理论知识和实验技能完成一项综合课题研究与设计[1-2]。要求学生从教师给定的课题清单中自主选择一项，用32 学时的课堂时间及课后时间，在理论教师和实验教师的指导下按阶段完成PLC 控制技术课程设计的目标与任务。本文通过以西门子S7-300 型三轴运动控制系统为基础的二维平面多形态雕刻控制设计实例，介绍PLC 控制技术课程设计教学的方案设计和实践方法。

1 设计要求

1.1 设计目标

本课程设计要求学生理解工程设计的步骤，对原理分析、方案设计、算法推演、程序设计、加工调试等各个环节合理分配时间并很好掌握相关的理论和方法；要能够对三轴运动控制系统速度和精度进行准确控制，对实验设备进行安全操作；人机操作界面功能完整、简洁美观、易于操控；雕刻出来的图形完整美观。

1.2 设计任务与实验设备

利用实验室三轴运动控制系统，结合控制系统设计要求及工作方式，分析中心控制器的数字量模块，设计控制系统结构；利用西门子 S7-300 编程软件STEP 7 和博图软件的TIA，编写轨迹运行控制程序，设计人机组态软件界面（HMI）；完成系统的软硬件测试工作；实现对平面板材的多形态雕刻设计。设计框图及装置如图1 所示。

图1 设计原理及装置图

具体任务包括：①完成PLC 控制系统输入输出数字量I/O 模块的功能地址分配；②掌握用户程序编辑和人机组态软件界面设计相关技术；③完成六芒星、八芒星及一座简易小房子在二维平面上的雕刻加工，利用几种基本的几何图形经矢量组合成目标图像，通过线性矢量关系完成目标图像的拼接。

实验室为本课程设计提供15 台西门子S7-300 型控制设备，并同时配套15 台三轴运动控制装置。该实验系统是由校企共建的先进自动化工厂教学设备的一部分，具有丰富的数字模拟信号采集、多路总线通信及灵活易用的组态软件等，配套目标终端的还有运料小车控制终端、物料搅拌装置等，能够为学生实现PLC控制技术课程设计提供良好的仪器设备保障。

控制设备的三轴运动控制装置实物图如图1 所示。其由安装在铝合金型材实训台上的X、Y、Z三个轴及塔灯、夹具、直流电机、刀头、工作台等组成。每个轴各自搭配一个伺服电机，可作为一个独立的先进运动控制系统。该设备应用了多种类型的传感器（限位开关），西门子同步伺服电机与丝杆进行连接，Y轴丝杆上载有X轴及Z轴，在X轴的丝杆上载有Z轴，在Z轴的丝杆上载有夹具，在夹具上载有直流电机。

其中的PLC 控制模块选用西门子S7-300 系列PLC 控制器，型号为CPU315T-3 PN/DP，具有电磁兼容性强，可用于工艺、运动控制领域附加集成功能等特点，是一种既经济又合理的选择。用于储存系统和用户信息及其他数据信息的是一种微型存储卡，可用于数据归档和配方管理，大小为384 KB，相当于128 K条指令[3-5]。S7-300 中央处理单元搭载数字量I/O 模块SM323，完成系统输入输出功能，SM323 数字量I/O模块是同时具备输入点和输出点的信号模块。

电机驱动控制系统的设计选用西门子公司的SINAMICS S120 驱动控制系统，是融合V/F 控制、矢量控制、伺服控制于一体的高性能多轴驱动系统，具有模块化设计，其组成模块包括电源模块（基本型/非调节型/调节型）、电机模块、控制单元CU320 模块（有控制和调节功能）、编码器（用于将编码器信号转换成驱动装置之间通信电缆DRIVE-CLIQ 可识别的信号），其中的电机模块须通过DRIVE-CLIQ 与控制单元联接。

1.3 编程平台

本设计使用专业的PLC 程序编译软件STEP 7 进行硬件组态配置及梯形图程序设计，其主要功能为硬件配置和参数设置、通信组态、梯形图及组态软件编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断等。

由于本课程设计需实时进行路径数据监测和其他功能控制，所以引入人机交互技术，选型为SIMATIC HMI TP700，目的是通过PROFIBUS 总线实现用户与计算机之间进行信息交换和智能化控制显示[6-8]。主要包括“输入”与“输出”两种状态，“输入”是指由用户来进行设备的操作控制，例如进行页面选择、启动暂停信号输入等；“输出”是指操作设备接收到输入信号后做出的一系列响应，若一切正常，则稳定工作，反之，则进行故障自处理或报警。

2 实施步骤与方法

2.1 阶段性目标分解

整个课程设计按照任务内容分成三个阶段性目标：①完成对PLC 与三轴运动控制装置的硬件了解和接口配置，主要包括伺服电机的控制设计、PLC 的I/O地址分配、PLC 的电气接线设计，要求在8 学时内完成；②完成对课程设计的硬件编程控制和组态软件设计，要求在12 学时内完成；③实现对六芒星、八芒星、小房子的雕刻设计，进行系统的实践调试，此目标需要和前两个阶段目标协同进行，要求在12 学时内完成。

2.2 阶段性目标的设计实现

2.2.1 阶段目标1 的设计实现（硬件配置）

该目标任务的完成是整个课程设计顺利进行的基础。首先应用SINAMICS S120 系列变频器高性能驱动系统完成双轴电机接线，用以分别驱动X轴、Y轴的同步伺服电机，如图2 所示；驱动Z轴时则是通过取消上述双轴电机接线的一轴来实现。

图2 伺服电机与S120 驱动模块接线图

其次，按照设计要求分配中心控制元件PLC 的输入输出端口信号。其工作原理是通过分配不同的输入输出点数据信号与现场信息做数据交换，用以区别不同的现场状况。三轴运动控制系统SM323 数字量模块I/O 地址分配如表1 所示。

表1 SM323 模块输入/输出地址分配表

最后是完成控制电路接线。以PLC 控制中心电路为主，各元器件电路为辅，根据各器件的技术要求以DC0 V、DC24 V 等形式供电，完成对整个控制系统的电气接线。主要供电模块包括SM323 供电电源、人机交互界面SIMATIC HMI TP700 电源、S120 驱动模块控制电源、伺服电机电源等。

2.2.2 阶段目标2 的设计实现（软件设计）

本课程设计中，软件设计包括两部分内容，一是应用梯形图完成对PLC 硬件的配置设计以及硬件的控制设计，二是通过人机交互技术实现对人机界面的设计，并最终加载到SIMATIC HMI TP700 显示控制装置中。

首先，应用PLC 程序编译软件STEP 7 进行软件设计。应用SIMATIC Manager 软件完成程序工程项目的创建、PROFIBUS 总线网络创建以及三轴等硬件参数配置。控制系统主程序流程图如图3 所示。

图3 控制系统主程序流程图

利用S7-300 系列PLC 对伺服电机、进刀直流电机进行运动控制。控制系统启动后，系统进入初始化状态，各功能模块进入自检模式，由操作平台上塔灯的显示情况表示检查状态，塔灯为绿灯时，自检通过，控制三轴运动控制系统雕刻加工设备进入正常运行状态，塔灯为红灯时，表示设备处于待处理或故障状态，无法进入正常运作模式。整个控制系统设计的实现根据模块化的编程思想，将程序进行有序组织以保证设计的实现。将程序设计分为同步伺服电机的启动/停止设计、同步伺服电机转动方向设计、同步伺服电机转速设计、三轴复位设计、触摸屏显示设计、限位保护和按钮设计等，最后将各个模块的代码组合起来。每个功能模块相互独立，进行单独编译，这样就不会因混乱导致结构出错，能够保证控制系统结构设计的严谨与可利用开发。

其次，主要子程序控制模块具有主轴电机启停设计，主轴电机带动刀具进行切削加工，完成工件制作，可通过程序功能设计实现对主轴电机的自动进给控制设计和人机界面上的手动进给控制设计。

X、Y、Z三轴的同步伺服电机的启动控制是通过控制字W#16#47F 发出的指令来完成的，W#16#47F的数据类型是一个“字（WORD）”，总共有16 个“位（BIT）”，对应的二进制表示为10001111111。例如，Y轴伺服电机的启动控制，常开触点M10.3 通路，常闭触点I8.3 通路，常开触点I9.1 通路，通过控制字指令启动伺服电机。同时，伺服电机的停止控制是通过控制字W#16#47E 来完成的，如图4 所示。

图4 Y 轴伺服驱动程序

三轴伺服电机控制需要完成位置控制设计、转速设计和转向设计。脉冲编码器单位毫米脉冲Nmm计算公式为：

Nc为电机转动一圈使轴移动5 mm 脉冲编码器脉冲输出计数，其值为1 048 576，Nmm为伺服电机每移动1 mm 脉冲编码器输出的脉冲计数，其值由式（1）计算得209 715。

三轴伺服电机转速控制的计算公式为：

ω是三轴伺服电机转速，v是人机交互界面HMI输入轴的移动速度。通过在电机转动速度前添加正负号来实现对伺服电机的正反转控制[9-10]。

人机界面设计是实现准确操作的重要保障。主页面设计为三轴运动控制系统界面，主要用于进行各项功能选择。子页面是轨迹自动页面和手动页面，自动页面包括轨迹雕刻模型显示、三轴位置数据监测窗口、伺服电机转速设置窗口、启动复位和OFF/ON 开关按钮，手动页面有伺服电机三个方向的运动控制按钮和三轴的位置数据监测窗口。

2.2.3 阶段目标3 的设计实现（形状加工设计）

课程设计的最终目标是实现三轴雕刻机的自动加工，完成预定作品制作。分别对六芒星、八芒星、小房子做雕刻设计，用STEP 7 编译软件进行程序编辑和调试，确定三轴雕刻机运行的关键点位坐标，设计出合适的加工路径。在进行六芒星、八芒星和小房子的雕刻加工过程中，最为重要的是三个轴的运动控制及主轴电机的速度控制，搭配滚珠丝杆与伺服驱动系统的三轴设计能够为操作提供非常好的控制精度与速度。工件按加工轨迹运行的连续两点之间的距离S的表达式如式（3），式（4）为轨迹点速度、距离与时间之间的关系。

式中，xn、yn、xn–1、yn–1表示轨迹点在二维平面上的坐标值，V表示三轴加工的实际运动速度，T表示在距离S时三轴运动的时间。由式（3）和式（4）计算出六芒星、八芒星和小屋子的关键点或必须点的坐标如表2 所示。

根据坐标点位置，六芒星的加工轨迹是基于两个等边三角形在二维平面上通过图形组合来实现的。设备从机械原点运行到起始点A，主轴电机开始切割，运行轨迹为：从A 到B 到C 再到A；主轴电机停止转动，然后回升至机械原点；设备再从机械原点运动到D 点，主轴电机开始切割，运行轨迹为：从D 到E 到F 再到D；切割完成，三轴复位。

八芒星的加工基于两个正方形在二维平面上经图形组合而来。设备从机械原点运行到起始点A，主轴电机开始切割，运行轨迹为：从A 到B 到C 到D 再到A；主轴电机停止运动，然后回升至机械原点；设备再从机械原点运动到E 点，主轴电机开始切割，运行轨迹为：从E 到F 到G 到H 再到E；切割完成，三轴复位。

小房子的雕刻设计是由几种常见的几何图形组合而成，包括等腰直角三角形、矩形和平行四边形。设备从机械原点运行到起始点O，主轴电机开始切割，运行轨迹依次为：OCHIJOAKLBCDEFGHE；主轴电机停止转动，然后回升至机械原点；设备再从机械原点运动到K 点，主轴电机开始切割，运行轨迹为：从K 到N 到M 再到L；切割完成，三轴复位。

表2 轨迹坐标结构图

工件的加工首先要计算出各个图形在二维平面上的必须点坐标，辅以Z 轴坐标（工作时140 mm，复位时0 mm），完成在三维平面上的坐标设计，再根据具体图形的特点，以尽可能少的Z 轴升降次数为原则设计出设备的最佳运行路径，然后利用PLC 的逻辑可编程功能编写出该图形的自动雕刻逻辑运行程序，最后利用整套雕刻设备完成该图形在加工工件上的自动雕刻。

在程序运行之前首先需要进行机械复位，待塔灯的绿灯亮起，即可进入图形加工阶段。在雕刻加工和机械复位过程中，将伺服电机的转速设置为5 mm/s，这是经多次调试后确定的转速值，便于控制、易于掌握。程序运行功能加工流程如图5 所示。

图5 加工流程图

2.3 课程设计结果

完成三项阶段性设计工作后，将人机界面程序下载到触摸屏控制器，将多形态的S7-300 控制程序下载到S7-300 型PLC 控制单元。拨动电源开关给设备上电，待PLC 指示灯稳定后，按动触摸屏上的复位按钮使设备回到机械原点，此时塔灯绿灯亮起。然后，进入三轴运动控制系统主页面，按照六芒星、八芒星、小房子自定义设计的实验项目，点击进入相应界面，首先确定Z 轴下降的高度。通过手动按钮，将伺服电机速度设置为5 mm/s，上下调节Z轴让刀具尖部与雕刻面距离适中，记录触摸屏上Z轴显示的下降距离，并在驱动程序中将此距离写入。最后，将旋转电机启停设置为ON/OFF，点击启动，开始雕刻工件，观察设备的运动状态、运动轨迹等。加工成品如图6 所示。

图6 加工成品图

3 结语

PLC 课程设计是自动化类专业的核心课程。近五年来，PLC 课程综合设计从S7-200 型实验箱发展到S7-300 型综合实验台。该课程设计不仅在自动化专业课程改革、自动化专业工程认证、本科教学评估中担当重要角色，也是学生毕业后就业的重要工作技能。基于PLC 的三轴运动控制系统综合课程设计，使学生的课程理论知识和实践技能得到综合提升，实现了理论与实践的融会贯通，也可作为自动控制原理、过程控制等课程的实践方法。