苏ICP备112451047180号-6
二维运动轨迹控制与监控软件改进设计
一、选题背景、研究意义及文献综述
1、选题背景
本课题是以我校本科实验室建设项目:“PLC控制实验室”为背景而展开论文研究工作的。当今社会自动化技术不断发展,应用领域不断扩展,对自动化技术人才也提出了越来越高的要求,不仅要求他们具有扎实的理论基础,更要有良好的实际动手能力。而以往的学生实验课环节,学生多以做一些验证性的实验为主,较少从设计整个控制系统的高度上进行综合性实验和创新设计。为了向机电工程系学生提供一个实际动手设计控制系统的训练平台,学校设立了“PLC控制实验室”本科实验室建设项目,为配合PLC 控制实验室建设和主题实践，然而当前我校PLC控制实验室不够完善，PLC编程控制其轨迹运动及MCGS软件设计上还有很多缺陷,而市场上买到的产品在实验性能上还不能完全满足需要，因此本课题的任务是以二维交流伺服驱动平台为基础，采用西门子S7-200 控制模块对其进行二次开发，使其具有良好的轨迹运动控制能力，补充和完善实验功能等。为开设PLC主题实践创造可靠的运行平台。
2、研究意义
控制系统综合训练平台可以在多方面发挥作用:①发扬理论联系实际的学风,培养学生的工程技术能力;②在实践训练环节,提供“标准化”、“规范化”、“工程化”的实验环境;③在学校的科研任务中,发挥有力的支持和保障作用;④在推广先进技术和理念的进程中发挥促进作用通过对PLC交流伺服驱动控制系统的设计，使学生学习和掌握典型PLC软件编程使其能够精准控制其轨迹并且学会MCGS监控软件的设计。
3、文献综述
3.1 可编程序控制器
可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称为 PLC，是在计算机技术和电气控制技术的基础上发展起来的，并且逐渐发展为以微处理器为核心，把计算机技术、自动化技术、通信技术融合为一体的新一代通用工业控制装置。它已被广泛应用于各种生产过程和生产机械的自动控制中，具有操作方便、简单易懂、可靠性高等特点，成为一种最普及、最重要、应用场合最多的工业控制装置，成为现代工业自动化控制系统领域的重要支柱之一[1]。
PLC具有以下特点:①可靠性高,抗干扰能力强;②编程简单,使用方便;③设计安装容易,维护工作量少;④功能完善,通用性强;⑤体积小,能耗低;⑥性能价格比高。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[2]。
3.2 PLC 对步进电机的控制
3.2.1步进电机
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化设备中。它是一种用电脉冲进行控制、将电脉冲信号转换成相应角位移的电机。它的运转需要配备一个专门的驱动器，驱动器的输出受外部的脉冲信号和方向信号控制。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。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。 就一个传动比确定的具体设备而言，无需距离、速度信号反馈环，只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备移动部件的移动距离和速度；而方向信号可控制移动的方向。另外，步进电机可以实现细分运转方式。这样，尽管步进电机的步距角受机械制造的限制不能很小，但可以通过电气控制的方式使步进电机的运转由原来的每个整步细分为多个小步来完成，提高了设备运行的精度和平稳性。因此，步进电机一般需要专门的驱动器来控制。 在控制系统中，压胶装置和纠偏装置都需要步进电机来驱动，压脚装置上压胶轮的旋转角度和速度均需要确定，纠偏轮也一样，因此采用PLC通过驱动器来控制步进电机是一种理想的技术方案。
3.2.2 PLC 控制步进电机的一般方式
PLC 控制步进电机系统的示意图如图1所示。在控制过程中，在控制面板上设定移动距离、速度和方向等参数。PLC读入这些设定值后，通过运算产生脉冲、方向信号，控制步进电机的驱动器，达到对距离、速度、方向控制的目的[3]。
图1 PLC控制步进电机系统示意图
图中，控制面板上的位置旋钮控制移动的距离，速度旋钮控制移动的速度，方向旋钮控制移动的方向，启停按钮控制电机的启动和停止。
实际系统中的位置与速度往往需要分成几档，因此位置、速度按钮可选择用波段开关。通过对波段开关的不同跳线进行编码，可减少操作面板与 PLC的连线数量，同时也减少了 PLC 的输入点数。
在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，与此类似，“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应。
在对 PLC 选型和编程前，应计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量。根据脉冲信号的频率可以确定 PLC 高速脉冲输出时需要的频率，根据脉冲数量可以确定 PLC 的位宽。同时，考虑到系统相应的及时性、可靠性和使用寿命，PLC 应选择晶体管输出型。
步进电机细分数的选择以避开电机的共振频率为原则，一般可选择 2、5、10 、25 细分。编制 PLC 控制程序时，应将传动系统的脉冲当量、反向间隙、步进电机的细分数定义为参数变量，以便现场调整。
PLC 编程中需要的参数计算公式如下：
脉冲当量=（步进电机步距角×螺距）/（360×传动比）；
脉冲频率上限=（移动速度×步进电机细分数）/脉冲当量；
脉冲频率下限=（移动距离×步进电机细分数）/脉冲当量。
3.2.3 步进电机驱动器的控制
以压胶装置用到的 WD3-007 驱动器为例,介绍步进电机驱动器的控制。该驱动器主要驱动 2～12Nm 的三相混合式步进电机.控制信号的意义如下:
PULSE:脉冲信号，每一个脉冲的上升沿使电机转动一步。
DIR:向信号，与 PULSE 信号配合使用,低电平电机顺时针旋转,高电平电机逆时针旋转。
CW:正传信号，每个脉冲使电机正向转动一步(与 CCW 信号配合)。
CCW:反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步(与 CW 信号配合)。
PULSE与CW、DIR与CCW对应同一个接口，它们是按控制方式不同给出的两种定义名称。
此外，在驱动器上设有STEP1、STEP2拨码开关，用于设置电机每转步数，可以设为500、1000、5000 和 10000。PULSE•SYS 拨码开关用于设置控制方式，OFF 时为“脉冲和方向”控制方式，ON 时为“正转和反转”控制方式。
控制信号要求 ：7mA≤高 电 流 ≤30mA， -25mA≤高电流 ≤0.2mA。 由于CP1H(PLC)的控制电源配置 24V 开关电源，此时可以串接 1.8K 的限流电阻。
CP1H内置了8个快速脉冲输出功能并设置了相应的控制指令可以很好的对步进电机进行控制。压胶装置的压胶轮使用脉冲输出 2的 100.04 和 100.05端子，频率变化范围 1～30kHz（设置单位 1Hz），频率加减速比率 1～65535Hz（每 4ms），可设置的脉冲数为±1～±2147483647。有两种控制方式，一种是脉冲+方向控制（100.04输出脉冲，100.05输出方向），一种是正反脉冲输出（100.04输出 CW 脉冲，100.05 输出 CCW 脉冲）。根据输出脉冲量的不同，有 2 种脉冲输出模式。
单独模式 在定位时使用，输出被设定的脉冲数的量时自动停止，也可以通过指令使其停止。
连续模式 在速度控制时使用，到通过指令出现脉冲输出停止的指令动作为止，或变为【程序】模式为止，一直继续脉冲输出。
3.2.4 PLC 控制步进电机的实现
1．控制坐标系的建立
CP1H-XA对步进电机的控制首先要确定坐标系，可以设为相对坐标系，也可以设为绝对坐标系。脉冲输出当前值的相对／绝对坐标指定的方法是：在ORG指令进行的原点搜索或INI指令进行的脉冲输出当前值设定时，为原点确定状态，自动变为绝对坐标。原点未确定状态下，为相对坐标。
2．带加减速的单轴正反转控制布线
压胶装置和纠偏装置都采用带加减速的单轴正反向控制，都使用脉冲+方向控制方式。步进控制接线图如图2所示。压胶装置用脉冲输出3的100.04端口输出脉冲、100.05端口输出方向。纠偏装置用脉冲输出3的100.06端口输出脉冲、100.07端口输出方向。
图2 步进电机控制接线图
3．带加减速的单轴正反转控制程序编写
（1）进行PLC系统设定
不使用脉冲输出原点搜索功能。
（2）梯形图程序所用的指令
脉冲量置位指令（PULS）：端口指定、输出脉冲量设定；
频率加减速控制指令（ACC ）：端口指定、输出方式（CW/CCW、脉冲＋方向指定）、加减速（加速、减速相同）脉冲输出控制；
工作模式控制指令（INI）：端口指定、脉冲输出停止；
脉冲当前值读取指令（PRV）：端口指定、脉冲输出当前值读取。
（3）步进电机的控制流程如图3所示：
图3 步进电机控制流程图
3.3 PLC运算指令
3.3.1 指令基本格式
S7-200 常用的指令表达方式有三类：梯形图、指令表、功能图。在工程应用中，一般采用梯形图编写。梯形图简单、易学，编程思路与电气控制图设计思路相似，是一种比较通用的图形编程语言。它采用符号来表示触点及操作，常开、常闭触点符号如图 4 所示，触点上面标注必要的参数[4]。
3.3.2 操作数的表示方法
S7-200 PLC指令的操作数非常丰富，共有13类，分别是输入映像寄存器I、输出映像寄存器Q、顺序控制继电器存储器S、内部标志位存储器M、特殊标志位存储器SM、局部存储器 L、变量存储器V、定时器T、计数器C、模拟量输入映像寄存器AI、模拟量输出映像寄存器AQ、累加器AC、高速计数器HC等。对于寄存器的存取可以采用位存取、字节存取、字存取、双字存取。
1 位表示格式：标识符 字节地址.位号，例 M0.6。I、Q、S、M、SM、L、V 等寄存器都可采用这种方法表示,也可以采用字节、字、双字等形式表示。
2 字节表示格式：标识符 B字节地址，例 VB10。
3 字表示，格式同字节表示，用 W 表示，例 MW2。
4 双字表示，格式同字节表示，用 D 表示，例 SMD2。
3.3.3 脉冲指令
S7-200提供脉冲输出指令PLS控制高速脉冲输出，脉冲输出指令PLS必须与特殊存储器SM配合，才能完成对步进电机的控制。
脉冲输出指令PLS会从特殊存储器SM中读取数据，使程序按照其存储值控制PTO/PWM发生器。所以在执行脉冲输出指令PLS前，必须将相应的值装入特殊存储器中。这些特殊存储器分为三大类：PTO/PWM功能状态位、PTO/PWM功能控制位和PTO/PWM功能存储器。
脉冲输出指令PLS可以通过以下步骤建立控制逻辑，完成对高速脉冲输出Q0.0的PTO控制[5]：
（1）将值16#85（以微妙为单位）或16#8D（以毫秒为单位）载入控制字节SMB67中。
（2）在周期寄存器SMW68中载入一个周期值。
（3）在PTO脉冲计数寄存器SMD72中载入脉冲计数值。
（4）如果需要在PTO输出完成后立即执行相关功能，可以将脉冲串完成事件（中断类别19）附加于中断子程序，为中断编程，使用ATCH指令执行全局中断启用指令ENI。
（5）执行PLS指令，使S7-200为PTO发生器编程。
由于驱动器方已经通过电子齿轮设为了1000个指令脉冲对应XY轴实际移动量1mm，所以PLC只需要按1个脉冲对应10微米编程即可。
3.4寻址方式
所谓寻址方式是指令得到操作数的方式，可直接给出或间接给出。S7 有四种寻址方式：立即寻址、存储器直接寻址、存储器间接寻址和寄存器间接寻址。其中，立即寻址是对常数或常量的寻址方式，操作数本身直接包含在指令中；存储器直接寻址则是直接给出操作数的存储单元地址，包括对寄存器和存储器的直接寻址[6]。
1 存储器间接寻址
在存储器间接寻址的指令中，给出一个存储器，该存储器的内容是操作数所在存储单元的地址，其地址给定格式为: 地址标识符+指针。指针所指示存储单元中所包含的数值，就是地址的确切数值单元。
存储器间接寻址具有两个指针格式: 单字和双字[7]。
例如：
AI［MD 2］ //对由 MD 2 指出的输入位进行“与”逻辑操作。//
程序语句中用方刮号 ［ ］ 标明的内容，间接的指明了指令要进行操作的地址，语句中的 MD2称为指针Pointer。指针所指向的存储器中包含的数值，才是指令真正要执行的地址区域的确切位置。该语句中，若 MD 2 的值为 2#0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101 0110，则是对 I 10.6 进行"与"操作。
地址指针可以是字或双字。定时器（T）、计数器（C）、数据块（DB）、功能块（FB）和功能（FC）的编号范围小于 65535，使用字指针就够了。其它地址则要使用双字指针，如果要用双字格式的指针访问一个字、节或双字存储器，必须保证指针的位编号为 0。
2 寄存器间接寻址
在 S7 中有两个地址寄存器，它们是 AR1 和AR2。通过地址寄存器，可以对各存储区的存储器内容实现寄存器间接寻址。地址寄存器的内容加上偏移量形成地址指针，该指针指向数值所在的存储单元。寄存器间接寻址方式的优点是，当程序执行时，可以通过修改寄存器内容来能改变操作数，这对程序中的循环尤为重要。
地址寄存器存储的地址指针有两种格式：区内寄存器间接寻址和区域间寄存器间接寻址。其长度均为双字。图5 给出了这两种格式的细节及其差别，区域标识位的组合状态见表 1[8]。
5 结论
利用 MCGS 组态软件搭建了 1 个 PLC 实验教学平台,开发的 PLC 仿真控制对象有十字路口交通灯控制、装配流水线控制、电梯控制、电机正反转控制、溶液混合装置、水塔水位控制等,完全可以直接应用到 PLC 实验教学中.并将组态技术应用于 PLC 实验教学, 通过动画画面形式直观反映PLC 程序执行 PLC 控制对象的结果, 解决传统实验存在的实验方法单调枯燥、学生学习兴趣不高、效果不理想等问题, 能提高学生参与实践的积极性及动手能力, 并丰富学生的工程实践经验.
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题
1主要设计任务:
(1)基于PLC控制的轨迹运动控制程序并调试通过；
(2)二维交流伺服驱动PLC控制系统接线图；
(3) 编写MCGS测控软件监控运轨迹；
(4)完成毕业设计论文，包括中文综述、研究报告、主要方案设计说明书。
2主要解决问题：
轨迹控制程序问题：
(1) 原程序中子程序中计算坐标程序与画图程序没有分开，导致程序错乱；
(2) 原程序中选择画图子程序与循环指令写在一起，导致程序复杂，计算次数繁多；
(3) 原程序中，以画圆为例，细分数设置为36，但实际画出的圆细分数为18；
(4) 原程序中，修改细分数数值时无效，画出图形不细分且错误，无法实现细分数自定义；
(5) 原程序中设定的实数数字太多，导致修改变量时需要手动改的数值太多，相当复杂；
(6) 原程序中有些初始化程序错误，导致有时画图会画直线；
(7) 原程序中有些计数程序，没有设置初始值与结束值，导致程序运行错乱；
MCGS监控软件问题：
(1)监控界面无法控制二维伺服平台运动；
(2)监控界面还不能实现改变参数控制轨迹；
三、研究步骤、方法
1 确定毕业设计的题目：二维运动轨迹控制与监控软件改进设计；
2 明确设计的主要任务，根据不同的任务制定具体的研究方案；
3 通过利用互联网搜索、学校图书馆、校园网数据库和实地调研等方法获得相关资料，了解国内外的研究情况，以及研究进度。充分掌握有关课题的第一手资料，为设计奠定基础。
4 利用PLC实验室，亲自学习实践，完成二维运动轨迹控制与监控软件改进设计。
四、研究工作进度
第1-3周 完成文献综述、外文翻译、开题报告初稿，所查文献资料在25篇以上，其中英文5篇。
第4周 完成开题报告，毕业设计总体方案，并将开题报告上传至管理系统，进行开题报告答辩。
第5周 学习编写二维伺服平台的运行程序。
第6周 学习编写控制主程序，以及各子程序
第7周 准备检查，整理资料，包含：文献综述，外文翻译，教师指导记录，学生工作日记，阶段设计结果（初步的论文、程序、实验数据等），
第8周 解决PLC轨迹控制主程序的结构问题
第9周 解决PLC轨迹控制子程序的结构问题
第10周 解决PLC轨迹控制程序的细节问题
第11周 解决基于MCGS监控软件问题
第12周 整理前期的所有工作，汇总所有研究成果，资料，开始撰写毕业设计论文。
第13周 完成详细设计、图纸绘制、程序调试和论文等，检查所有毕业设计资料并修改
第14周 周五之前上交所有毕业设计（论文）资料，机械工程学院教学委员会对所有毕业设计（论文）答辩资格审查，审查通过后，方可参加第一次答辩。
第15-16周 准备PPT，答辩。
五、主要参考文献
[1]黄辉.PLC控制系统训练平台设计与实现[D]:硕士学位论文.南京:南京理工大学,2008.
[2]张宝生.可编程控制器应用实例.[M].机械工业出版社.2012.
[3]章丽芙. PLC自动控制综合实验系统设计[D].东南大学,2006.
[4]潘天宇.可编程序控制器控制软件的设计与实现[D].电子科技大学,2012.
[5]安艳涛.步进式PLC微机调速器控制系统研究与开发[D].西安理工大学,2008.
[6]徐意.基于S7-200PLC的变频调速电梯控制系统的研究[D].浙江工业大学,2010.
[7]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2010.
[8]汪玉基. 基于PLC自动点胶机控制系统的研究与实现[D].东北大学,2011.
[9]李剑.西门子PLC与监控计算机通信问题的研究[D].天津大学,2007.
[10]蒋煜珂,赵研,郑文波,车英.指针在西门子PLC程序设计中的应用[J].长春理工大学学报(自然科学版),2009,32（01）:41-42
[11]廖常初.可编程序控制器应用技术（第三版）.[M].重庆：重庆大学出版社，2009
[12]田裕康. PLC编程语言解释方法研究与系统实现[D].武汉理工大学,2004.
[13]俞洁,李旭芳.西门子S7-200系列PLC的软件特点[J].机械工业自动化,1998,20(06):55-57.
[14]李训杰. MCGS组态软件在供水自动化监控系统中的应用[J].工业控制计机,2005,18(02):51-68.
[15]陈美谦. 基于PLC/MCGS的电梯系统研究[D].厦门大学,2007.
[16]Park;Jo,Dong.Method of outputting positioning pulse by PLC [P].KR,United States Patent,9112500,2015.8
[17]Park;Jo,Dong.Data processing apparatus and method in PLC system [P].KR,United States Patent,9191002,2015.11
[18]Vijayasankar;Kumaran.Adaptive sub-band algorithm for point-to-point communication in PLC networks[P].TX,United States Patent,9231657,2016.1
[19]Kim; Seung Jong.Apparatus and method for searching for PLC data log[P].KR,United States Patent,9268816,2016.2
[20]Song;Dong Shin. PLC system[P].KR,United States Patent,8738808,2014.5
一、选题背景、研究意义及文献综述
1、选题背景
本课题是以我校本科实验室建设项目:“PLC控制实验室”为背景而展开论文研究工作的。当今社会自动化技术不断发展,应用领域不断扩展,对自动化技术人才也提出了越来越高的要求,不仅要求他们具有扎实的理论基础,更要有良好的实际动手能力。而以往的学生实验课环节,学生多以做一些验证性的实验为主,较少从设计整个控制系统的高度上进行综合性实验和创新设计。为了向机电工程系学生提供一个实际动手设计控制系统的训练平台,学校设立了“PLC控制实验室”本科实验室建设项目,为配合PLC 控制实验室建设和主题实践，然而当前我校PLC控制实验室不够完善，PLC编程控制其轨迹运动及MCGS软件设计上还有很多缺陷,而市场上买到的产品在实验性能上还不能完全满足需要，因此本课题的任务是以二维交流伺服驱动平台为基础，采用西门子S7-200 控制模块对其进行二次开发，使其具有良好的轨迹运动控制能力，补充和完善实验功能等。为开设PLC主题实践创造可靠的运行平台。
2、研究意义
控制系统综合训练平台可以在多方面发挥作用:①发扬理论联系实际的学风,培养学生的工程技术能力;②在实践训练环节,提供“标准化”、“规范化”、“工程化”的实验环境;③在学校的科研任务中,发挥有力的支持和保障作用;④在推广先进技术和理念的进程中发挥促进作用通过对PLC交流伺服驱动控制系统的设计，使学生学习和掌握典型PLC软件编程使其能够精准控制其轨迹并且学会MCGS监控软件的设计。
3、文献综述
3.1 可编程序控制器
可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称为 PLC，是在计算机技术和电气控制技术的基础上发展起来的，并且逐渐发展为以微处理器为核心，把计算机技术、自动化技术、通信技术融合为一体的新一代通用工业控制装置。它已被广泛应用于各种生产过程和生产机械的自动控制中，具有操作方便、简单易懂、可靠性高等特点，成为一种最普及、最重要、应用场合最多的工业控制装置，成为现代工业自动化控制系统领域的重要支柱之一[1]。
PLC具有以下特点:①可靠性高,抗干扰能力强;②编程简单,使用方便;③设计安装容易,维护工作量少;④功能完善,通用性强;⑤体积小,能耗低;⑥性能价格比高。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[2]。
3.2 PLC 对步进电机的控制
3.2.1步进电机
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化设备中。它是一种用电脉冲进行控制、将电脉冲信号转换成相应角位移的电机。它的运转需要配备一个专门的驱动器，驱动器的输出受外部的脉冲信号和方向信号控制。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。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。 就一个传动比确定的具体设备而言，无需距离、速度信号反馈环，只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备移动部件的移动距离和速度；而方向信号可控制移动的方向。另外，步进电机可以实现细分运转方式。这样，尽管步进电机的步距角受机械制造的限制不能很小，但可以通过电气控制的方式使步进电机的运转由原来的每个整步细分为多个小步来完成，提高了设备运行的精度和平稳性。因此，步进电机一般需要专门的驱动器来控制。 在控制系统中，压胶装置和纠偏装置都需要步进电机来驱动，压脚装置上压胶轮的旋转角度和速度均需要确定，纠偏轮也一样，因此采用PLC通过驱动器来控制步进电机是一种理想的技术方案。
3.2.2 PLC 控制步进电机的一般方式
PLC 控制步进电机系统的示意图如图1所示。在控制过程中，在控制面板上设定移动距离、速度和方向等参数。PLC读入这些设定值后，通过运算产生脉冲、方向信号，控制步进电机的驱动器，达到对距离、速度、方向控制的目的[3]。
图1 PLC控制步进电机系统示意图
图中，控制面板上的位置旋钮控制移动的距离，速度旋钮控制移动的速度，方向旋钮控制移动的方向，启停按钮控制电机的启动和停止。
实际系统中的位置与速度往往需要分成几档，因此位置、速度按钮可选择用波段开关。通过对波段开关的不同跳线进行编码，可减少操作面板与 PLC的连线数量，同时也减少了 PLC 的输入点数。
在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，与此类似，“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应。
在对 PLC 选型和编程前，应计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量。根据脉冲信号的频率可以确定 PLC 高速脉冲输出时需要的频率，根据脉冲数量可以确定 PLC 的位宽。同时，考虑到系统相应的及时性、可靠性和使用寿命，PLC 应选择晶体管输出型。
步进电机细分数的选择以避开电机的共振频率为原则，一般可选择 2、5、10 、25 细分。编制 PLC 控制程序时，应将传动系统的脉冲当量、反向间隙、步进电机的细分数定义为参数变量，以便现场调整。
PLC 编程中需要的参数计算公式如下：
脉冲当量=（步进电机步距角×螺距）/（360×传动比）；
脉冲频率上限=（移动速度×步进电机细分数）/脉冲当量；
脉冲频率下限=（移动距离×步进电机细分数）/脉冲当量。
3.2.3 步进电机驱动器的控制
以压胶装置用到的 WD3-007 驱动器为例,介绍步进电机驱动器的控制。该驱动器主要驱动 2～12Nm 的三相混合式步进电机.控制信号的意义如下:
PULSE:脉冲信号，每一个脉冲的上升沿使电机转动一步。
DIR:向信号，与 PULSE 信号配合使用,低电平电机顺时针旋转,高电平电机逆时针旋转。
CW:正传信号，每个脉冲使电机正向转动一步(与 CCW 信号配合)。
CCW:反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步(与 CW 信号配合)。
PULSE与CW、DIR与CCW对应同一个接口，它们是按控制方式不同给出的两种定义名称。
此外，在驱动器上设有STEP1、STEP2拨码开关，用于设置电机每转步数，可以设为500、1000、5000 和 10000。PULSE•SYS 拨码开关用于设置控制方式，OFF 时为“脉冲和方向”控制方式，ON 时为“正转和反转”控制方式。
控制信号要求 ：7mA≤高 电 流 ≤30mA， -25mA≤高电流 ≤0.2mA。 由于CP1H(PLC)的控制电源配置 24V 开关电源，此时可以串接 1.8K 的限流电阻。
CP1H内置了8个快速脉冲输出功能并设置了相应的控制指令可以很好的对步进电机进行控制。压胶装置的压胶轮使用脉冲输出 2的 100.04 和 100.05端子，频率变化范围 1～30kHz（设置单位 1Hz），频率加减速比率 1～65535Hz（每 4ms），可设置的脉冲数为±1～±2147483647。有两种控制方式，一种是脉冲+方向控制（100.04输出脉冲，100.05输出方向），一种是正反脉冲输出（100.04输出 CW 脉冲，100.05 输出 CCW 脉冲）。根据输出脉冲量的不同，有 2 种脉冲输出模式。
单独模式 在定位时使用，输出被设定的脉冲数的量时自动停止，也可以通过指令使其停止。
连续模式 在速度控制时使用，到通过指令出现脉冲输出停止的指令动作为止，或变为【程序】模式为止，一直继续脉冲输出。
3.2.4 PLC 控制步进电机的实现
1．控制坐标系的建立
CP1H-XA对步进电机的控制首先要确定坐标系，可以设为相对坐标系，也可以设为绝对坐标系。脉冲输出当前值的相对／绝对坐标指定的方法是：在ORG指令进行的原点搜索或INI指令进行的脉冲输出当前值设定时，为原点确定状态，自动变为绝对坐标。原点未确定状态下，为相对坐标。
2．带加减速的单轴正反转控制布线
压胶装置和纠偏装置都采用带加减速的单轴正反向控制，都使用脉冲+方向控制方式。步进控制接线图如图2所示。压胶装置用脉冲输出3的100.04端口输出脉冲、100.05端口输出方向。纠偏装置用脉冲输出3的100.06端口输出脉冲、100.07端口输出方向。
图2 步进电机控制接线图
3．带加减速的单轴正反转控制程序编写
（1）进行PLC系统设定
不使用脉冲输出原点搜索功能。
（2）梯形图程序所用的指令
脉冲量置位指令（PULS）：端口指定、输出脉冲量设定；
频率加减速控制指令（ACC ）：端口指定、输出方式（CW/CCW、脉冲＋方向指定）、加减速（加速、减速相同）脉冲输出控制；
工作模式控制指令（INI）：端口指定、脉冲输出停止；
脉冲当前值读取指令（PRV）：端口指定、脉冲输出当前值读取。
（3）步进电机的控制流程如图3所示：
图3 步进电机控制流程图
3.3 PLC运算指令
3.3.1 指令基本格式
S7-200 常用的指令表达方式有三类：梯形图、指令表、功能图。在工程应用中，一般采用梯形图编写。梯形图简单、易学，编程思路与电气控制图设计思路相似，是一种比较通用的图形编程语言。它采用符号来表示触点及操作，常开、常闭触点符号如图 4 所示，触点上面标注必要的参数[4]。
3.3.2 操作数的表示方法
S7-200 PLC指令的操作数非常丰富，共有13类，分别是输入映像寄存器I、输出映像寄存器Q、顺序控制继电器存储器S、内部标志位存储器M、特殊标志位存储器SM、局部存储器 L、变量存储器V、定时器T、计数器C、模拟量输入映像寄存器AI、模拟量输出映像寄存器AQ、累加器AC、高速计数器HC等。对于寄存器的存取可以采用位存取、字节存取、字存取、双字存取。
1 位表示格式：标识符 字节地址.位号，例 M0.6。I、Q、S、M、SM、L、V 等寄存器都可采用这种方法表示,也可以采用字节、字、双字等形式表示。
2 字节表示格式：标识符 B字节地址，例 VB10。
3 字表示，格式同字节表示，用 W 表示，例 MW2。
4 双字表示，格式同字节表示，用 D 表示，例 SMD2。
3.3.3 脉冲指令
S7-200提供脉冲输出指令PLS控制高速脉冲输出，脉冲输出指令PLS必须与特殊存储器SM配合，才能完成对步进电机的控制。
脉冲输出指令PLS会从特殊存储器SM中读取数据，使程序按照其存储值控制PTO/PWM发生器。所以在执行脉冲输出指令PLS前，必须将相应的值装入特殊存储器中。这些特殊存储器分为三大类：PTO/PWM功能状态位、PTO/PWM功能控制位和PTO/PWM功能存储器。
脉冲输出指令PLS可以通过以下步骤建立控制逻辑，完成对高速脉冲输出Q0.0的PTO控制[5]：
（1）将值16#85（以微妙为单位）或16#8D（以毫秒为单位）载入控制字节SMB67中。
（2）在周期寄存器SMW68中载入一个周期值。
（3）在PTO脉冲计数寄存器SMD72中载入脉冲计数值。
（4）如果需要在PTO输出完成后立即执行相关功能，可以将脉冲串完成事件（中断类别19）附加于中断子程序，为中断编程，使用ATCH指令执行全局中断启用指令ENI。
（5）执行PLS指令，使S7-200为PTO发生器编程。
由于驱动器方已经通过电子齿轮设为了1000个指令脉冲对应XY轴实际移动量1mm，所以PLC只需要按1个脉冲对应10微米编程即可。
3.4寻址方式
所谓寻址方式是指令得到操作数的方式，可直接给出或间接给出。S7 有四种寻址方式：立即寻址、存储器直接寻址、存储器间接寻址和寄存器间接寻址。其中，立即寻址是对常数或常量的寻址方式，操作数本身直接包含在指令中；存储器直接寻址则是直接给出操作数的存储单元地址，包括对寄存器和存储器的直接寻址[6]。
1 存储器间接寻址
在存储器间接寻址的指令中，给出一个存储器，该存储器的内容是操作数所在存储单元的地址，其地址给定格式为: 地址标识符+指针。指针所指示存储单元中所包含的数值，就是地址的确切数值单元。
存储器间接寻址具有两个指针格式: 单字和双字[7]。
例如：
AI［MD 2］ //对由 MD 2 指出的输入位进行“与”逻辑操作。//
程序语句中用方刮号 ［ ］ 标明的内容，间接的指明了指令要进行操作的地址，语句中的 MD2称为指针Pointer。指针所指向的存储器中包含的数值，才是指令真正要执行的地址区域的确切位置。该语句中，若 MD 2 的值为 2#0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101 0110，则是对 I 10.6 进行"与"操作。
地址指针可以是字或双字。定时器（T）、计数器（C）、数据块（DB）、功能块（FB）和功能（FC）的编号范围小于 65535，使用字指针就够了。其它地址则要使用双字指针，如果要用双字格式的指针访问一个字、节或双字存储器，必须保证指针的位编号为 0。
2 寄存器间接寻址
在 S7 中有两个地址寄存器，它们是 AR1 和AR2。通过地址寄存器，可以对各存储区的存储器内容实现寄存器间接寻址。地址寄存器的内容加上偏移量形成地址指针，该指针指向数值所在的存储单元。寄存器间接寻址方式的优点是，当程序执行时，可以通过修改寄存器内容来能改变操作数，这对程序中的循环尤为重要。
地址寄存器存储的地址指针有两种格式：区内寄存器间接寻址和区域间寄存器间接寻址。其长度均为双字。图5 给出了这两种格式的细节及其差别，区域标识位的组合状态见表 1[8]。
5 结论
利用 MCGS 组态软件搭建了 1 个 PLC 实验教学平台,开发的 PLC 仿真控制对象有十字路口交通灯控制、装配流水线控制、电梯控制、电机正反转控制、溶液混合装置、水塔水位控制等,完全可以直接应用到 PLC 实验教学中.并将组态技术应用于 PLC 实验教学, 通过动画画面形式直观反映PLC 程序执行 PLC 控制对象的结果, 解决传统实验存在的实验方法单调枯燥、学生学习兴趣不高、效果不理想等问题, 能提高学生参与实践的积极性及动手能力, 并丰富学生的工程实践经验.
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题
1主要设计任务:
(1)基于PLC控制的轨迹运动控制程序并调试通过；
(2)二维交流伺服驱动PLC控制系统接线图；
(3) 编写MCGS测控软件监控运轨迹；
(4)完成毕业设计论文，包括中文综述、研究报告、主要方案设计说明书。
2主要解决问题：
轨迹控制程序问题：
(1) 原程序中子程序中计算坐标程序与画图程序没有分开，导致程序错乱；
(2) 原程序中选择画图子程序与循环指令写在一起，导致程序复杂，计算次数繁多；
(3) 原程序中，以画圆为例，细分数设置为36，但实际画出的圆细分数为18；
(4) 原程序中，修改细分数数值时无效，画出图形不细分且错误，无法实现细分数自定义；
(5) 原程序中设定的实数数字太多，导致修改变量时需要手动改的数值太多，相当复杂；
(6) 原程序中有些初始化程序错误，导致有时画图会画直线；
(7) 原程序中有些计数程序，没有设置初始值与结束值，导致程序运行错乱；
MCGS监控软件问题：
(1)监控界面无法控制二维伺服平台运动；
(2)监控界面还不能实现改变参数控制轨迹；
三、研究步骤、方法
1 确定毕业设计的题目：二维运动轨迹控制与监控软件改进设计；
2 明确设计的主要任务，根据不同的任务制定具体的研究方案；
3 通过利用互联网搜索、学校图书馆、校园网数据库和实地调研等方法获得相关资料，了解国内外的研究情况，以及研究进度。充分掌握有关课题的第一手资料，为设计奠定基础。
4 利用PLC实验室，亲自学习实践，完成二维运动轨迹控制与监控软件改进设计。
四、研究工作进度
第1-3周 完成文献综述、外文翻译、开题报告初稿，所查文献资料在25篇以上，其中英文5篇。
第4周 完成开题报告，毕业设计总体方案，并将开题报告上传至管理系统，进行开题报告答辩。
第5周 学习编写二维伺服平台的运行程序。
第6周 学习编写控制主程序，以及各子程序
第7周 准备检查，整理资料，包含：文献综述，外文翻译，教师指导记录，学生工作日记，阶段设计结果（初步的论文、程序、实验数据等），
第8周 解决PLC轨迹控制主程序的结构问题
第9周 解决PLC轨迹控制子程序的结构问题
第10周 解决PLC轨迹控制程序的细节问题
第11周 解决基于MCGS监控软件问题
第12周 整理前期的所有工作，汇总所有研究成果，资料，开始撰写毕业设计论文。
第13周 完成详细设计、图纸绘制、程序调试和论文等，检查所有毕业设计资料并修改
第14周 周五之前上交所有毕业设计（论文）资料，机械工程学院教学委员会对所有毕业设计（论文）答辩资格审查，审查通过后，方可参加第一次答辩。
第15-16周 准备PPT，答辩。
五、主要参考文献
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[5]安艳涛.步进式PLC微机调速器控制系统研究与开发[D].西安理工大学,2008.
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