西门子6ES7223-1PM22-0XA8规格说明

西门子6ES7223-1PM22-0XA8规格说明

汽车传动轴固定节是汽车驱动系统中一个重要的零部件，传动轴固定节的端面，如图1示。由于固定节中6粒钢球由工人手工进行安装，有可能发生少装的情况，如不及时发现，将出现质量问题，影响产品的正常使用和企业的声誉。因此根据厂方要求设计了此套系统，系统采用无损检测，运用图象处理与模式识别技术，对CCD拍摄到的图象进行处理，作出漏装与不漏装判断，并对漏装工件进行声光报警。

一、系统组成与控制过程

1. 系统组成

系统主要由机械部分、电气部分、控制部分组成。机械部分主要是完成零件的传送（从安装位置到检测位置，再送到下一个工序的加工位置）、定位（保证零件与摄像头的同心度）以及不合格零件的剔除；电气部分有传感器、汽缸等执行机构组成；控制部分采用PLC和工控机集成控制。系统硬件配置主要有工控机、可编程控制器、CCD摄像头、图像采集卡、I/O接口板、传感器等硬件及部分外围电路组成，它们的结构，如图2示。

2. 控制流程

系统由工控机作为上位机，PLC作为下位机。系统的自动控制流程为：

1，工控机与PLC进行通信握手，表明一切就绪；
2，送料位置传感器检测到工件，发信号给PLC；
3，PLC根据测量位置传感器状态判断测量位置是否有工件；
4，如果测量位置没有工件，则PLC发信号驱动汽缸，放开送料挡块；
5，测量位置传感器检测到工件已经到达，发信号给PLC；
6，PLC进行延时，目的是让工件稳定有利于拍摄，然后发信号给工控机并延时，目的是让计算机进行图象处理与模式识别；
7，工控机执行程序由CCD摄像头摄取图像，由工控机实时处理图像，作出漏装或非漏装判断结果。把结果发给PLC；
8，PLC判断结果信息，如果全装且翻转位置无工件，发信号驱动汽缸放开定位挡块；如果漏装，PLC发信号驱动报警灯和蜂鸣器，进行声光报警由工人手工剔除。

PLC判断下料槽是否可以下料，若可以则翻转工件进入下一道工序。重复顺序执行2～8，就达到了系统的自动检测。从执行过程中可以看到，前后两个位置都实现了互锁。系统控制流程，如图3示。

在这个系统中，实现了工控机与PLC的集成控制。工控机主要完成对图象的处理，PLC完成对现场控制信号的采集与执行元件的驱动，它们之间的通信采用I/O卡来实现。控制系统物理结构，如图4示。

二、系统硬件模块

系统硬件模块主要分为数据采集子系统，微机基本子系统，数据分配子系统及基本I/O系统。它们之间的结构，如图5示。

1. 微机基本子系统

它是整个系统的核心，对整个系统起监督、管理、控制作用，例如进行复杂的信号处理、控制决策、产生特殊的测试信号，控制整个检测过程等等。同时，利用微机强大的信息处理能力和高速运算能力，实现命令识别、逻辑判断、图像处理、系统动态特性的自校正、系统自适应等功能。

2. 数据采集子系统

用于和传感器、检测元件联接，实现图像数据的采集、整理并经接口传送到微机子系统处理。

3. 数据分配子系统

实现对被测工件、测试信号发生器以及检测操作过程的自动控制。

4. 基本I/O子系统

用于实现人机对话、输入或改变系统参数、改变系统工作状态、输出检测结果、动态显示测控过程、发出报警信号等。

三、系统软件设计

[NextPage]

软件设计采用模块化和结构化的程序设计方法，即自顶向下、逐步求精的设计方法，并且适当划分模块以提高设计与调试的效率。该系统不但要接受来自传感器、待测工件的信号，还要接受和处理来自于控制面板的按钮信号，以及由图像采集卡传来的数字信号，而且要求系统具有实时处理能力。因此，系统软件对实时性有一定的要求，同时还要对系统资源进行管理和调度。

1. 上位机软件设计

上位机监控软件主要由数据采集程序、检测与控制算法程序、中断服务程序、故障自诊断与处理程序等组成。系统模块划分如下：

(1) 初始化模块

硬件初始化 对系统中各硬件资源设定明确的初始化状态，包括对可编程器件初始化，各I/O口初始状态设定，为系统硬件资源分配任务等。

软件初始化 包括堆栈初始化、状态变量初始化、各软件标志初始化、各变量存储单元初始化、系统参数初始化等。

(2) 数据采集模块

控制摄像头摄取图像，通过图像采集卡完成A/D转换，并生成待处理的数据文件。

(3) 检测/控制模块

对得到的图像数据文件进行分析、计算、比较、检测，判别工件是否合格，并实现对键盘的管理。

(4) 中断管理模块

针对系统中的各种中断源和所选用的微处理机的中断结构，设计相应的中断处理程序模块，包括中断管理模块和中断服务模块。

(5) 显示管理模块

[NextPage]

用于实时更新显示图像和数据，并对报警指示灯进行管理。

(6) 时钟管理模块

包括数据采样周期定时、控制周期定时、动态刷新周期定时、及故障监视电路的定时信号等。

(7) 故障自诊断与处理模块

它是提高系统的可靠性和可维护性的重要手段，主要采取开机自检的形式，每当电源接通或复位后，系统自动执行一次自检程序，对硬件电路进行一次检测。上位机监控软件主要程序流程，如图6所示。

2. PLC软件设计

PLC的程序采用了模块化设计方法，由主程序、手动控制程序、故障处理程序等模块构成。根据系统要求，PLC的I/O分配，如表1示。

(1) 输入输出信号

(2) 梯形图编制

根据控制过程及输入输出信号编制出梯形图。PLC采用循环扫描方式，按梯形图从上而下，从左而右的先后顺序予以执行。同时，前后两个工件位置都进行互锁。部分梯形图，如图7示。

R001是内部继电器，表示选择“自动”，当PLC得到信号X010时，即传感器检测到定位工位有工件时，延时并输出允许摄像信号Y000，然后再延时2s（等待计算机作出判断）并且当翻转汽缸不在原位和翻转工位无工件时，输出工件可以离开定位工位信号。如果PLC接到计算机发出的“工件不合格”信号，即X014后，报警，直到按复位键停止报警。

四、计算机与PLC的通信

在计算机与PLC的集成控制系统中，一个关键的技术问题是计算机与PLC的通信问题。在本课题中，对于计算机与PLC之间的通信，我们考虑了两种实现方法：一种是利用串口通信，另外可通过I/O卡来实现。由于串口通信在实时性、可靠性、抗干扰性等方面都没有I/O卡好，又根据厂里具体情况，后还是选用了后一种方法。I/O卡即开关量输入输出卡，在此项目中，我们选择了PCL—724，24位数字I/O卡，传输速率为300KB/s。该I/O卡具有2个八位端口（A，B），端口地址范围为200H～3FFH，两端口都可以进行输入输出操作，在进行输入输出操作时，无需进行握手，因为数据可以直接写或读到设定的端口。由PLC输入输出信号表可以看到，PLC需要接收计算机3个信号，计算机需要接收PLC一个信号。它们的通信协议定义与地址设定，如表2示。

五、结束语

本系统是PLC与工控机集成控制的很好应用，投入运行后，为企业带来了可观的经济效益和社会效益。该系统在工业现场控制方面，尤其在PLC控制方面，以其卓越的控制功能和良好的性能价格比，赢得了用户的广泛赞誉

1、步进的性能和工作方式

是将电脉冲信号转化为角位移或线位移的一位电动元件，当步进驱动器每接收一个脉冲控制信号，即驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步距角），故称为步进电机。非过载情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。利用这一线性关系，可以通过控制给定信号的脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以控制脉冲频率来控制电机的运转速度，达到调速的目的。与普通电机相比，即具有调速性能，又具有较jingque的定位功能，而且低速时的转矩较大，调速范围也更宽。

在速度和位置控制系统中，步进电机驱动系统具有运行可靠、结构简单、成本低、维修方便等优点，其步距角不会因电压、电流、温度等因素而波动，可以做到快速启动、反转和制动。在、印刷、化工等工业控制领域的应用也极为广泛。

1）两相步进电机的结构和工作原理

目前常用的有两相、三相、四相、五相步进电机。相数，是指电机内部的线圈组数，电机相数不同，其步距角也不同。下面以以两相步进电机为例，对其结构和工作原理作一简要说明。

图1 二相步进电机结构与绕组电流回路图

步距角为0.9/1.8，即整步为1.8°，半步为0.9°。一台步进电机，相数（绕组数）是固定不变的，但可运行于二相四拍或二相八拍的两种运行模式下。当运行于二相四拍模式下时，步矩角为1.8°，运行于二相八拍模式下时，步矩角为0.9°。当采用带细分的步进驱动器时，其步矩角根据细分设定值而有更大范围的变化。

步进电机的拍数：完成一个磁场周期变化所需要脉冲数（绕组导电状态），指电机转过一个齿距角

所需脉冲数。上图为二相四拍运行模式下的绕组电流回路图，k1-k4四只开关按一定次序通断——若为基本步单激励方式——任一时刻总是两只开关闭合，只形成一相电流，则形成iab→icd→iba→idc按四拍规律变化的绕组电流；若为两相激励方式——同时形成两相绕组电流，则形成iab、icd→iba 、icd→iba、idc→iab、idc按四拍规律变化的绕组电流。

如控制k1-k4开关按规律开通，使之形成按iab→iab、icd→icd→iba→icd→iba→iab、idc→idc→iab、idc按8拍变化的绕组电流，则可使步进电机工作于二相八拍的工作模式之下。实际的驱动电路——步进驱动器，即是将k1-k4换成了晶体管开关元件，控制其通断规律，完成对步进电机的驱动任务。

步进电机须由步进驱动器（由电路构成）驱动，因而其工作模式和步矩角的大小，取决于步进电机驱动器的相关设置。

2）步进电机驱动器的基本参数和特性

a、供电，可据所驱动步进电机的电源规格进行选择。交流电源供电的，如ac80v，可用220v市电经降压变压器，提供给驱动器。选用变压器时，须同时考虑电压和电流两方面的工作参数。如电流值3a，由算式80v×3a=240va得出的是视在功率值，达不到3a的实际输出能力，应将计算结果再乘以1.5以上的系数，选用220/80v，400va以上的变压器，作为电源输入。二相电机的供电一般为12～48v，

b、输出电流值。产品标注值往往为峰能输出能力，选用时，低应按步进电机额定电流值的2倍以上。

输出电流的档位，一般操作面板上的拨码开关进行人工整定，如0.9a-3a。这也是一种过载保护整定，整定值可参考步进电机的工作电流值。一般有8级整定档次。

c、励磁方式：整步、半步、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分。半步实际上是2细分，细分级别越高，步矩角越小，而电机转速越低。步进驱动器的控制面板，也设有细分拨码开关，也对细分值进行设置。

d、保持转矩（holding torque）：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机重要的参数之一。比如，当人们说2n.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2n.m的步进电机。

2、步进驱动器的电路构成和工作原理

1）步进电动机驱动器的电路构成

图2 步进电动机驱动器的电路构成

步进电动机驱动器的电路构成如上图。整流电路将输出ac电源，整流滤波为直流电压，提供稳压电源的供电，并作为逆变功率电路的输入电源。部分小功率步进电动机驱动器，直接取用外供直流电源，省去了整流电路这一环节。控制电路以（cpu）为核心，接收输入端子进入的控制信号，和过流检测电路输入的保护信号，输出逆变电路所需的信号脉冲，并经脉冲驱动电路进行功率放大，驱动逆变功率电路的cmos（或igbt）功率开关管，使负载电动机产生相应步进动作。逆变功率电路，有些机型是由单管分立零件组成，有些则与整流电路等集成于一个功率模块内部。

2）步进电动机驱动器与步进电动机和控制线路的连接

下图3为两相步进电机驱动器的接线图，控制设备可以是的输出回路，也可以是其它电器设备。步进电机驱动器重要的控制信号有两个：脉冲信号和方向信号。脉冲信号决定步进电动机的运转速度，方向信号，决定步进电动机的旋转方向。不仅仅是plc，任何设备只要能给出这两个控制信号，便能控制步进电机的步进、转速和旋转方向。从脉冲信号输入脚输入的是频率可变的、脉冲个数可控的脉冲信号，这种信号可由纯硬件电路或软件程序生成；方向信号则为常规开关量信号。下面对步时电机驱动器的几个控制信号及其它接线做一简要的说明。

图3二相步进电机驱动器接线图

a、脉冲信号输入端（cp）：由控制设备发送脉冲个数与频率可变化的控制脉冲，控制步进电机的转速，步进距离；信号要求为矩形脉冲，脉冲宽度不低于6-10μs，信号间隔大于6-10μs，低电平幅值0-1v，高电平幅值达4-6v。工作方式，一般为脉冲边沿触发，每输入一个脉冲信号，电机转过一个步距角（步进一次）。

b、方向信号输入端（cw/ccw）：输入开关量电压信号。端子开路状态下，为静态高电平，cp端子有脉冲信号输入时，步进电机正转；控制信号生效使方向输入端为低电平时，在脉冲信号输入期间，反转。

注意：该端子控制回路，接通与断开与否，步进电机都有可能运转，只是运转方向不同罢了。机型不同，对应正、反转的电平值可能有所不同。如有的cw/cww端子为高电平时，反转。

这两个控制端子一般为必接端子，即使只需一个转向。接入方向控制的目的，在单转向时，相当于启/停信号。

c、脱机信号输入端（free）：free指通电运行前步时进电机的静止力矩（锁定转子力矩）。一般步进驱动器，在脉冲信号无输出时，仍输出一静态直流电压，产生静止力矩以锁住转子不动。而当有脱机信号时解除自锁功能，转子处于自由状态并且不响应脉冲信号输入。

在不断电情况下，要手动调整转子位置时，为步进驱动器输入脱机信号，可使转子解除锁定状态，进行手动操作或调节，调整完毕后，再解除脱机信号。

注意：有些步进驱动器，该端子定义为hold（励磁控制信号输入），端子接通状态下，有转子锁定力矩产生，步进电机允许运行。端子开路状态下，反而为脱机状态。

d、故障信号输出端（err）：为开路集电极输出或接点输出方式，在过流、欠压、过压、电机连线接错等故障发生时，步时驱动器停止输出，同时发出故障报警信号。操作面板还有各种运行、故障指示灯，配合显示步进驱动器的工作状态。

e、输出接线端（a+/a-/b+/b-）与步进电机的绕组引线对应相连接。改变电机转向时，除改变cw/ccw端子信号外，也可以用改变输出端子的方法来改变电机转向，将a+、a-端子互调，便使步进电机的转向改变。

f、供电电源端（ac80v或dc40v）：直流供电时，可采用仪用，注意电流供给能力应大于步进电机的2倍；交流供电时，可采用220v/80v或380v/80v降压变压器，电流供给能力应大于步进电机的1.5倍以上。如果负载较轻，转速也要求较低，而步进电机与驱动器的供电电压范围又宽，可以适当降低电源供电电压，以延长电机和驱动器的寿命。

3、步进电动机驱动器检修电路

图4.二相步进电动机驱动器的检修电路

可以用ne555时基电路做一个简单的振荡器，作为步进电动机的脉冲调速信号。步进驱动器需要ac220v电源时，建议用隔离变压器隔离后送入，以保障检修过程中的人身安全；如手头有步进电动机好，若无，可接入照明灯泡两只，用作输出指示，或直接用测量判断输出状态；步进电动机的端子输入信号回路（内部电路为光耦合器），需外供电源。一般要求为5v电压级别。当信号回路的电压高于5v时，需串接限流电阻，如上图中串接的r2、r3电阻，以避免内部器件产生损坏。方向信号端子，可以空置，也可以接信号电源地，以试验正转和反转控制信号是否有效；无脉冲发生器时，可为控制端子提供控制电源，如12v，将r2瞬时对地短接一次，步进电动机输出端的灯光应该产生一次闪烁动作。步进驱动器上电后，因转矩保持功能生效，两只灯光均处于微亮状态，有一定电压输出。转速信号输入时，灯泡的亮度上升，并且灯泡的闪烁频率随给定脉冲信号的变化而变化。