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[摘 要]PLC在工业控制领域应用广泛，其实时性、指令集成和界面操作便于实现运动控制功能。该文介绍了一种基于西门子S7-200PLC的步进电机控制系统，使用STEP7 Micro/WIN具有的脉冲串输出功能，设置加速和减速时间、组态包络输出脉冲串，实现步进电机速度和位置控制。使用MCGS软件组态触摸屏人机界面，实现电机控制和状态监控。该文详细介绍了系统组成、控制原理、程序设计和软件组态。该控制系统已经面向学生实验，使用效果良好。
[关键词]PLC；步进电机；触摸屏
中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0119-02
0 引言
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，通过控制脉冲频率和个数，可以达到调速和定位的目的。S7-200PLC适用于小型电气自动化监测和控制系统，其具有的高速脉冲串输出（PTO）功能，方便了步进电机控制。
本文结合实验室现有资源，设计了步进电机控制方案，以触摸屏作为人机界面、以S7-200PLC作为主控制器、通过专用驱动器控制步进电机，步进电机带动直线运动单元，由限位开关反馈极限位置。文中详细介绍了系统组成和程序设计，方案为本科生课程设计提供了实验内容，使用效果良好。
1 系统组成
控制系统由PLC、触摸屏、步进电机及其驱动器、直线运动单元、限位开关、开关电源以及相关电路等设备组成，系统组成原理如图1所示。
1.1 PLC主机
PLC选用西门子S7-200 CPU226DC/DC/DC晶体管输出型，最大脉冲输出频率20kHz，脉冲输出电压5VDC[1]。主机有两个内置的脉冲发生器，指定给数字输出点Q0.0与Q0.1，有两种脉冲发生模式可供选择：脉冲串输出（PTO）和脉冲宽度调制输出PWM。
1.2 触摸屏
组态人机界面选用和利时HT6720T型7英寸高亮度TFT液晶显示屏，可配合S7-200PLC程序执行各类组态，模拟工程现场运作，丰富实验内容[2]。触摸屏与计算机采用USB连接、与PLC采用485通信。在PC机上运用MCGS组态软件，编程后下载到PLC，PLC通过程序指令将触摸屏输入的运动参数转化为控制指令，控制步进电机的实时运动。图形界面主要包括以下功能：
（1）电机启动：通过触摸屏按钮启动或停止系统；
（2）初始化：对系统的初始点进行设置；
（3）控制方式选择：选择自动或手动控制方式；
（4）数据输入：通过调用隐藏的小键盘，输入速度、方向等运动参数；
（5） 过程显示：对运动中的速度、位移进行实时显示；
（6） 检测报警：极限位置检测、错误报警等。
1.3 步进电机及其驱动
步进电机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的常用电气执行元件，具有步进数可控、运行平稳、价格便宜等优点[3]。步进电机转子的位移与脉冲数成正比，因而其转速与脉冲频率成正比，而不受电源电压、负载大小及环境条件等影响。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度前进一步，这个角度即为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了旋转的速度，方向信号决定了旋转的方向。
本系统电机采用杭州日升电气设备有限公司生产的57BYG250FC混合两相步进电机和配套驱动器型号HB202M。直线运动单元由步进电机、丝杠连接、五个定位限位开关、以及接线面板组成。其中丝杠是将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动，左右两端为极限限位开关，中间三个限位开关分别是前、中和后位置检测。接线面板上对应的五个限位开关分别有信号输出端子，并且有LED信号触发指示。步进电机驱动器上的信号公共端（COM-），脉冲输入端（CP），方向信号输入端（DIR），脱机控制信号输入端（FREE）以及24VDC电源输入都布置在接线面板相应区域。
直接关系运动结果的参数有以下几个：
N：PLC发出的控制脉冲的个数；
n：步进电机驱动器的脉冲细分数；
θ：步进电机的步距角，即步进电机每收到一个脉冲变化，轴所转过的角度；
d：丝杠的螺纹距，它决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离；
根据以上几个参数，得到以下结果：
PLC发出的脉冲个数到达步进电机上，脉冲实际有效数应为N/n，步进电机每转过一圈，需要的脉冲个数为360/θ，则PLC发出N个脉冲，工作台面移动的距离为：
2 系统控制原理和主程序设计
2.1 控制原理
利用高速脉冲输出功能控制步进电机，S7-200PLC的CPU模块有两个PTO发生器，通过Q0.0、Q0.1输出高速脉冲列。每个PTO生成器有一个9位的控制字节、一个16位无符号的周期值或脉冲宽度值、以及一个无符号32位脉冲计数值。这些值全部存储在指定的特殊存储器区，并被预先设置，通过执行脉冲输出指令（PLS）来启动操作。PLC指令使S7-200读取SM位，并对PTO发生器进行编程。
使用STEP7--Micro/WIN位控向导，为PTO操作组态一个内置输出。通过向导配置脉冲速度、加减速时间，得到每一步的目标速度和脉冲数。设定的目标速度和位置如图2。
接线中，CP+/CP-为脉冲信号、DIR+/DIR-为方向信号（电平控制），输出极性和方向控制如图3所示。
2.2 主程序设计
主程序完成步进电机启停、以目标速度控制电机正转或者反转、限位开关位置检测等。软件采用STEP7-Micro/WIN编写，调用的主要PTO子程序有： PTOx_CTRL子程序（控制）：使能和初始化用于步进电机的PTO输出。
PTOx_RUN子程序（运行包络）：命令PLC在一个指定的包络中执行运动操作，此包络存储在组态/包络表中。
PTOx_MAN子程序（手动模式）：使PTO输出置为手动模式。该子程序允许电机以不同的速度启动、停止和运行。
程序有手动控制和自动控制两种功能，手动模式下电机遇限位停止，自动模式下电机正反转自动循环、按停止指令停止。流程图分别如图4和图5所示。
3 界面设计
MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能[4]。
由MCGS嵌入版生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，如图6所示。
在窗口内，通过放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同的参数以完成不同的功能。根据系统运行要求，设计的触摸屏界面如图7所示。
4 结束语
用PLC实现对步进电机的速度和位置进行控制，用触摸屏替代传统的按钮、指示灯，操作简单，人机交互性好。本方案利用S7-200PLC脉冲输出PTO功能实现了步进电机速度和位置控制，利用HT6720T触摸屏、MCGS组态软件实现电机控制和运行状态监控。通过实验，学生掌握了STEP 7--Micro/WIN编程软件使用、熟悉了步进电机原理及其驱动、并初步具备了MCGS软件的组态设计方法。
参考文献
[1] 龚仲华.S7-200系列PLC应用技术[M]，北京：人民邮电出版社，2011.
[2] 廖常初.西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术，北京：机械工业出版社，2008.
[3] 岂兴明.PLC与步进伺服快速入门与实践[M]，北京：人民邮电出版社，2011.
[4] 吴作明.工控组态软件与PLC应用技术[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[5] 郭俊宇.基于PLC的步进电机控制方法研究[J]，科技情报开发与经济，2011，21（13）：193-1947.
[6] 王立红.基于PLC的步进电机行程控制[J]，组合机床与自动化加工技术，2008（11）：44-46.
[7] 崔延.采用PLC控制步进电机实现点位控制[J]，组合机床与自动化加工技术，2009（4）：61-66.
[8] 江华生.基于PLC和触摸屏的步进电机控制系统的设计[J]，机械与电子，2008（10）：75-78.
资助项目：高教所实验室建设专项资助项目（GK100301006-3）。
作者简介：吴茂刚（1976—），男，山东莱芜人，讲师，电机及其控制。
[关键词]PLC；步进电机；触摸屏
中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0119-02
0 引言
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，通过控制脉冲频率和个数，可以达到调速和定位的目的。S7-200PLC适用于小型电气自动化监测和控制系统，其具有的高速脉冲串输出（PTO）功能，方便了步进电机控制。
本文结合实验室现有资源，设计了步进电机控制方案，以触摸屏作为人机界面、以S7-200PLC作为主控制器、通过专用驱动器控制步进电机，步进电机带动直线运动单元，由限位开关反馈极限位置。文中详细介绍了系统组成和程序设计，方案为本科生课程设计提供了实验内容，使用效果良好。
1 系统组成
控制系统由PLC、触摸屏、步进电机及其驱动器、直线运动单元、限位开关、开关电源以及相关电路等设备组成，系统组成原理如图1所示。
1.1 PLC主机
PLC选用西门子S7-200 CPU226DC/DC/DC晶体管输出型，最大脉冲输出频率20kHz，脉冲输出电压5VDC[1]。主机有两个内置的脉冲发生器，指定给数字输出点Q0.0与Q0.1，有两种脉冲发生模式可供选择：脉冲串输出（PTO）和脉冲宽度调制输出PWM。
1.2 触摸屏
组态人机界面选用和利时HT6720T型7英寸高亮度TFT液晶显示屏，可配合S7-200PLC程序执行各类组态，模拟工程现场运作，丰富实验内容[2]。触摸屏与计算机采用USB连接、与PLC采用485通信。在PC机上运用MCGS组态软件，编程后下载到PLC，PLC通过程序指令将触摸屏输入的运动参数转化为控制指令，控制步进电机的实时运动。图形界面主要包括以下功能：
（1）电机启动：通过触摸屏按钮启动或停止系统；
（2）初始化：对系统的初始点进行设置；
（3）控制方式选择：选择自动或手动控制方式；
（4）数据输入：通过调用隐藏的小键盘，输入速度、方向等运动参数；
（5） 过程显示：对运动中的速度、位移进行实时显示；
（6） 检测报警：极限位置检测、错误报警等。
1.3 步进电机及其驱动
步进电机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的常用电气执行元件，具有步进数可控、运行平稳、价格便宜等优点[3]。步进电机转子的位移与脉冲数成正比，因而其转速与脉冲频率成正比，而不受电源电压、负载大小及环境条件等影响。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度前进一步，这个角度即为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了旋转的速度，方向信号决定了旋转的方向。
本系统电机采用杭州日升电气设备有限公司生产的57BYG250FC混合两相步进电机和配套驱动器型号HB202M。直线运动单元由步进电机、丝杠连接、五个定位限位开关、以及接线面板组成。其中丝杠是将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动，左右两端为极限限位开关，中间三个限位开关分别是前、中和后位置检测。接线面板上对应的五个限位开关分别有信号输出端子，并且有LED信号触发指示。步进电机驱动器上的信号公共端（COM-），脉冲输入端（CP），方向信号输入端（DIR），脱机控制信号输入端（FREE）以及24VDC电源输入都布置在接线面板相应区域。
直接关系运动结果的参数有以下几个：
N：PLC发出的控制脉冲的个数；
n：步进电机驱动器的脉冲细分数；
θ：步进电机的步距角，即步进电机每收到一个脉冲变化，轴所转过的角度；
d：丝杠的螺纹距，它决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离；
根据以上几个参数，得到以下结果：
PLC发出的脉冲个数到达步进电机上，脉冲实际有效数应为N/n，步进电机每转过一圈，需要的脉冲个数为360/θ，则PLC发出N个脉冲，工作台面移动的距离为：
2 系统控制原理和主程序设计
2.1 控制原理
利用高速脉冲输出功能控制步进电机，S7-200PLC的CPU模块有两个PTO发生器，通过Q0.0、Q0.1输出高速脉冲列。每个PTO生成器有一个9位的控制字节、一个16位无符号的周期值或脉冲宽度值、以及一个无符号32位脉冲计数值。这些值全部存储在指定的特殊存储器区，并被预先设置，通过执行脉冲输出指令（PLS）来启动操作。PLC指令使S7-200读取SM位，并对PTO发生器进行编程。
使用STEP7--Micro/WIN位控向导，为PTO操作组态一个内置输出。通过向导配置脉冲速度、加减速时间，得到每一步的目标速度和脉冲数。设定的目标速度和位置如图2。
接线中，CP+/CP-为脉冲信号、DIR+/DIR-为方向信号（电平控制），输出极性和方向控制如图3所示。
2.2 主程序设计
主程序完成步进电机启停、以目标速度控制电机正转或者反转、限位开关位置检测等。软件采用STEP7-Micro/WIN编写，调用的主要PTO子程序有： PTOx_CTRL子程序（控制）：使能和初始化用于步进电机的PTO输出。
PTOx_RUN子程序（运行包络）：命令PLC在一个指定的包络中执行运动操作，此包络存储在组态/包络表中。
PTOx_MAN子程序（手动模式）：使PTO输出置为手动模式。该子程序允许电机以不同的速度启动、停止和运行。
程序有手动控制和自动控制两种功能，手动模式下电机遇限位停止，自动模式下电机正反转自动循环、按停止指令停止。流程图分别如图4和图5所示。
3 界面设计
MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能[4]。
由MCGS嵌入版生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，如图6所示。
在窗口内，通过放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同的参数以完成不同的功能。根据系统运行要求，设计的触摸屏界面如图7所示。
4 结束语
用PLC实现对步进电机的速度和位置进行控制，用触摸屏替代传统的按钮、指示灯，操作简单，人机交互性好。本方案利用S7-200PLC脉冲输出PTO功能实现了步进电机速度和位置控制，利用HT6720T触摸屏、MCGS组态软件实现电机控制和运行状态监控。通过实验，学生掌握了STEP 7--Micro/WIN编程软件使用、熟悉了步进电机原理及其驱动、并初步具备了MCGS软件的组态设计方法。
参考文献
[1] 龚仲华.S7-200系列PLC应用技术[M]，北京：人民邮电出版社，2011.
[2] 廖常初.西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术，北京：机械工业出版社，2008.
[3] 岂兴明.PLC与步进伺服快速入门与实践[M]，北京：人民邮电出版社，2011.
[4] 吴作明.工控组态软件与PLC应用技术[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[5] 郭俊宇.基于PLC的步进电机控制方法研究[J]，科技情报开发与经济，2011，21（13）：193-1947.
[6] 王立红.基于PLC的步进电机行程控制[J]，组合机床与自动化加工技术，2008（11）：44-46.
[7] 崔延.采用PLC控制步进电机实现点位控制[J]，组合机床与自动化加工技术，2009（4）：61-66.
[8] 江华生.基于PLC和触摸屏的步进电机控制系统的设计[J]，机械与电子，2008（10）：75-78.
资助项目：高教所实验室建设专项资助项目（GK100301006-3）。
作者简介：吴茂刚（1976—），男，山东莱芜人，讲师，电机及其控制。