苏ICP备112451047180号-6
基于PLC的二维运动轨迹控制与监控软件改进设计
摘 要
目前我校实验室所使用PLC控制二维轨迹运动平台应用还不够理想，阻碍了学生的学习实践。因此本课题的任务是以二维轨迹运动平台为基础，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。
论文概述了原程序的结构原理和其中存在的问题，提出了本文的PLC控制程序的改进设计方案；进行了程序结构和细节上的改进设计，让PLC控制程序在逻辑和结构上正确清晰，使画出的轨迹与设计一致；实现了同一段轨迹细分数的正确变换；编写了更复杂的函数程序，实现了其稳定正确的绘制；同时能采用MCGS组态软件作为上位机监控软件对二维轨迹运动平台进行监控。为开设PLC主题实践创造了可靠的运行平台。
关键词：PLC，控制程序，轨迹绘制，MCGS
第一章 绪论
1.1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, 这门应用技术是一门实践性很强的学科,实践环节至关重要,只有通过进行全面的实际操作,才能学通学透。然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,很少的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。
基本的工业控制系统一般包括控制器、监控部分、被控对象三部分,如图1-1所示。
图1-1 控制系统组成示意图
在科研设计阶段,被控对象往往不能满足需要。主要原因如下:①实际被控对
象本身还没有建立,控制系统的设计和被控对象的设计同时进行;②控制系统的设计地点和被控对象往往不在同一个地方;③某些情况下,直接在被控对象上进行调试存在危险。
学校实践环节训练,被控对象往往也不能满足需要。主要原因如下:①实物被控对象体积大、价格昂贵、维护困难,学校一般不会购置;②实物被控对象的硬件模型价格高、灵活性差,只能设计少数几种实验。所以,建立一种代价小、灵活性高、紧密联系实际、适于用于实践教学环节的仿真被控对象具有广泛的现实意义,本课题的主旨就是建立一种仿真被控对象,进而搭建基于这种仿真被控对象的PLC控制系统训练平台[1]。
1.2研究意义
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，需要有相应的实验平台和理想的控制程序及监控程序。当前实验室所使用的PLC控制二维伺服平台，然而当前的控制程序和监控程序还不够理想，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 控制模块对平台进行二次开发和完善，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。
1.3可编程序控制器的概述
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[2]。
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[3]。
1.4可编程序控制器实验系统的应用现状
自从70年代问世以来,已经引起了一场工业技术的革命。在发达的工业国家,可编程序控制器已经广泛应用于各行各业,用可编程序控制器设计自动控制系统已成为世界潮流,在我们国家可编程序控制器的应用范围不断扩大,正处于方兴未艾之势。可编程序控制器教学从80年代中期开始在各类学校逐渐普及,现已成为工业自动化、应用电子、机电一体化等专业的主要课程之一。
可编程序控制器原理及应用这门课程的特点是可编程序控制器原理部分内容较抽象,应用部分与生产实践紧密结合,实践性教学环节占有较大的比重。在大多数学校中可编程序控制器课程的实验实训教学内容主要是可编程序控制器的编程训练,实验实训时学生按控制要求将可编程序控制器的输入/输出端子与控制对象连接好,然后输入已编好的程序并调试、运行,观察控制对象的动作是否与要求的控制规律一致。近年来可编程序控制器实验实训设备的发展也很迅速,常见的有凡种:
（1）仅仅以可编程序控制器来进行实验教学,而没有控制对象,学生用编程器对可编程序控制器进行编程之后,通过观察输出口的状态来确定程序的运行情况。在这类教学方式中学生往往只能进行验证性实验,没有条件进行外围设备的连接和控制。
（2）建立简易的实验室,利用原有的电动机等机电设备作为被控对象。学生实验时按控制要求连接好线路,通过专用的编程器输入并调试运行程序,观察被控现象的动作是否与控制要求相符。这类实验室投资小,建设周期短,缺点是原有的机电设备不能完全适合可编程序控制器实验的要求,能开出的实验较少。
（3）专门的可编程序控制器实验箱,在实验箱里装有可编程序控制器主机,同时用发光二极管模拟被控对象,程序执行后通过发光二极管点亮的情况观察实验现象,大多数产品都带有上位机的接口电路,可以通过上位机输入程序。这类实验设备投资适中,但是实验现象不够直观,与实物差距较大,许多学校已经不再选择这类设备[4]。
基于此,本课题是以二维交流伺服驱动平台为基础，采用西门子S7-200控制模块对平台进行二次开发和完善，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。
1.5可编程序控制器对伺服电机的控制
由于步进电机控制是伺服电机控制的一种，本设计中采用步进电机控制系统对二维伺服平台进行控制。
步进电机控制系统,是一点一位控制系统,所谓点一位控制,就是控制电动机拖动负载从一个位置运行到另一个位置。对步进电机而言,就是控制电动机从一个锁定位置运行若干步到达另一个位置进入锁定状态。这里要求电动机实际运行的步数一定要与设定相符,不允许有误差[5]。
1.5.1 PLC伺服电机控制系统总体设计
现代的运动控制方法主要有直流伺服驱动、交流伺服驱动、步进伺服驱动。其中交流伺服驱动的性能最好,但价格较高。随着步进伺服驱动控制技术迅速发展,步进伺服驱动细分精度日益提高,且逐步克服了振荡,失步的不足,其性价比大幅度提高。步进电机可直接用数字信号控制,无需反馈可开环工作,无累积定位误差,控制精度高,因此被广泛用于数字控制和计算机控制等精密定位的控制系统中。
可编程序控制器PLC是一种适于工业现场控制的技术平台。PLC综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术,使用面向过程、面向用户的简单编程语言,用户可通过软件设计,实现各种复杂的逻辑控制。S7-200 PLC具有较好的实时刷新功能,可以产生一定频率的脉冲信号,而且具有大功率的晶体管输出接口,能够满足步进电机绕组的电压和电流要求。因此,本系统采用S7-200直接控制步进电动机的新型系统,实现对其的控制,其系统的结构如图1-2所示。
图1-2 PLC控制步进电机系统示意图
电位器将检测到的接力器的位移信号通过A/D转换后送入PLC,PLC根据该位移信号与PID计算出的位移信号相比较计算出相应的步进电机位移,并输出一个相应的脉冲信号给环形分配器,环形分配器将输入的单一脉冲串按工作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲,以便形成旋转磁场。由此形成的各相微弱信号经各相的功率放大器,产生足够的电磁转矩使电动机旋转。本文采用PLC内部软件来实现脉冲频率变化的功能,降低了硬件成本,具有相当的实用价值。
步进电机的角位移与输入脉冲的个数成正比;转速与脉冲频率成正比;转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。因此利用PLC可产生一定周期的控制脉冲,使移位寄存器移位,产生相应时序,通过环形分配器使输出继电器按时序接通驱动步进电机并由计数器控制脉冲个数,使步进电机按一定速度,转动一定的角度。根据功能要求,综合考虑步进电机的性能,选常州微特电机生产的反应式五相步进电机,经过验算转矩有足够的余量,所选步进电机满足要求。控制器与步进电机连接时,先把五个线圈的一端都接到+12V上,另一端按一定的顺序接到驱动器的线圈输出端。
1.5.2控制系统的实现
论文采用西门子S7-200系列PLC为核心,利用S7-200PLC的两路高速脉冲输出功能,一路高速脉冲输出端Q0.0向步进电机发出进给脉冲,通过改变Q0.0输出脉冲的频率来控制步进电机的转速,另一路高速脉冲端输出端Q0.1根据Q0.0输出的脉冲频率 ,给步进电机提供稳定的驱动电压,即采用软件实现步进电机升频升压驱动电路的功能,与简单的脉冲放大电路一起,实现了快速、高精度步进电机驱动。不需要专门的升频升压电路,降低了硬件电路的复杂性,结构简单,成本低。
（1）总体驱动程序设计
步进电机的驱动原理见图1-3所示。
图1-3 步进电机的驱动原理图
步进电机的位移量通过电位器及EM235 A/D模块转换成控制器可识别的数字量,与场值进行比较,计算其差值,由于其差值最后一位处于不稳定状态,故应对差值进行死区设置,当差值大于设置死区值时,对差值进行放大,然后将差值按照一定的换算方式换算成步进电机的运行频率,从而控制步进电机的转向及速度。
第二章 二维运动轨迹控制与监控软件改进总体设计
整个软件系统分为两个部分：以PLC 为主的软件控制系统和上位机MCGS监控系统。本章简略介绍了PLC控制的二维轨迹运动平台系统，以及控制其的原程序简介，并提出的详细的改进方案。
2.1二维轨迹运动平台的系统组成
本课题中PLC控制的二维轨迹运动平台是软件编程的基础,该平台由电气控制部分，机械本体以及软件三大部分构成。其中系统的控制对象为两个伺服电机带着运动的X-Y机械平台；系统的电气控制核心采用西门子S7-200 CPU224 PLC。其软件分为两部分，其中一部分为PLC里面执行的控制程序，另一部分是上位机的人机互动界面，由MCGS组态软件编写而成。为了更好的了解编程，有必要先了解一下二维轨迹运动平台的系统，下边简略介绍整个系统与功能。
（1）系统组成：
整个系统构成如图2-1。二维轨迹运动平台是一款多功能机电一体化教学设备。它包含PLC 控制器、电控箱、二维机械平台。S7-200 控制器是本套系统的核心部件，它包含有伺服运动控制及I/O 点的过程控制功能。在运动控制功能中，由它发送控制指令给伺服驱动器，再由驱动器控制伺服电机运动，进而带动二维机械平台运动。PLC与计算机采用PPI通信协议，通过RS485串行接口连接。各部件全部设计成独立的模块，便于面向不同的实验进行重组。
二维机械平台是一个采用滚珠丝杠传动的模块化十字工作台，用于实现目标轨迹和动作，为了记录运动轨迹和动作效果，专门配备了笔架和绘图装置。实验系统软件包括基于轴的控制、基于坐标系的控制、命令编辑和运行、数控代码编辑和运行、复杂运动轨迹控制、系统的计算机网络控制等模块，对于具体的实验运行相对应的软件模块。
电控箱相当于一个小型的电气控制柜，由伺服驱动器，差分单元，接线端子排构成。二维机械平台的所有信号线都引到电控箱的接线端子排，PLC的I/O点也引到电控箱的接线端子排与二维机械平台传过来的信号对应。
图2-1 系统组成框图
（2）系统描述：
由PLC两个高速输出点通过脉冲方向控制伺服电机驱动器，驱动器驱动伺服电机工作，伺服电机自带编码器反馈电机的速度以及位置信息给驱动器，同时可以通过PLC的高速脉冲输入口反馈给PLC CPU，从而构成一个控制回路。另外的外部输入输出点接入到PLC CPU 参与控制，上位机通过组态软件实现对系统的控制监测功能[11]。
（3）系统功能：
可以对两轴伺服电机进行有效控制，实现两轴联动插补功能，产生各种不同曲线轨迹运动，通过电磁笔画出来。比如正方形、三角形、正弦、余弦曲线、抛物线等。并且有自定义功能，学生可以发挥自己的想象绘制图形轨迹。
第六章 总结与展望
6.1总结
随着工业自动化的不断发展，高校自动化专业学生的实践环节越来越受到重视。建立比较完备的工业控制系统实验室，让学生得到符合工程实际的锻炼己经成为普遍共识。本校的二维轨迹运动平台建设正是顺应了社会对自动化人才培养的要求。
作者在导师的精心指导下，在设备厂商基础上进行了设计与实现。本文的任务是二维运动轨迹控制与监控软件的改进设计，在此过程中主要设计和实现了一种基于PLC高速脉冲功能开发了圆弧插补功能的软件设计，实现轨迹的绘制，有圆形，五角星，抛物线，或者自定义的图形。完成了控制软件的二次开发，具有良好的轨迹运动控制能力，补充和完善了实验功能。为开设PLC主题实践创造了可靠的运行平台。
6.2展望
虽然本次设计基本完成了既定的设计任务，但是要使基于PLC控制的二维轨迹运动平台更好的发挥作用，还有很多工作要做。
（1）基于PLC控制的二维轨迹运动平台如今只能实现一个函数的绘制，有待于进一步发挥它的潜力，让学生参与开发PLC控制程序，发挥学生的创新才能，设计出更有趣复杂的图形，扩充训练平台的内涵。
（2）监控软件的模拟绘制，由于时间原因，如今的监控软件只能实现控制二维伺服平台绘制图形，无法在电脑上模拟画出图形，有待对其进行进一步的编程实现该功能。
摘 要
目前我校实验室所使用PLC控制二维轨迹运动平台应用还不够理想，阻碍了学生的学习实践。因此本课题的任务是以二维轨迹运动平台为基础，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。
论文概述了原程序的结构原理和其中存在的问题，提出了本文的PLC控制程序的改进设计方案；进行了程序结构和细节上的改进设计，让PLC控制程序在逻辑和结构上正确清晰，使画出的轨迹与设计一致；实现了同一段轨迹细分数的正确变换；编写了更复杂的函数程序，实现了其稳定正确的绘制；同时能采用MCGS组态软件作为上位机监控软件对二维轨迹运动平台进行监控。为开设PLC主题实践创造了可靠的运行平台。
关键词：PLC，控制程序，轨迹绘制，MCGS
第一章 绪论
1.1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, 这门应用技术是一门实践性很强的学科,实践环节至关重要,只有通过进行全面的实际操作,才能学通学透。然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,很少的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。
基本的工业控制系统一般包括控制器、监控部分、被控对象三部分,如图1-1所示。
图1-1 控制系统组成示意图
在科研设计阶段,被控对象往往不能满足需要。主要原因如下:①实际被控对
象本身还没有建立,控制系统的设计和被控对象的设计同时进行;②控制系统的设计地点和被控对象往往不在同一个地方;③某些情况下,直接在被控对象上进行调试存在危险。
学校实践环节训练,被控对象往往也不能满足需要。主要原因如下:①实物被控对象体积大、价格昂贵、维护困难,学校一般不会购置;②实物被控对象的硬件模型价格高、灵活性差,只能设计少数几种实验。所以,建立一种代价小、灵活性高、紧密联系实际、适于用于实践教学环节的仿真被控对象具有广泛的现实意义,本课题的主旨就是建立一种仿真被控对象,进而搭建基于这种仿真被控对象的PLC控制系统训练平台[1]。
1.2研究意义
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，需要有相应的实验平台和理想的控制程序及监控程序。当前实验室所使用的PLC控制二维伺服平台，然而当前的控制程序和监控程序还不够理想，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 控制模块对平台进行二次开发和完善，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。
1.3可编程序控制器的概述
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[2]。
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[3]。
1.4可编程序控制器实验系统的应用现状
自从70年代问世以来,已经引起了一场工业技术的革命。在发达的工业国家,可编程序控制器已经广泛应用于各行各业,用可编程序控制器设计自动控制系统已成为世界潮流,在我们国家可编程序控制器的应用范围不断扩大,正处于方兴未艾之势。可编程序控制器教学从80年代中期开始在各类学校逐渐普及,现已成为工业自动化、应用电子、机电一体化等专业的主要课程之一。
可编程序控制器原理及应用这门课程的特点是可编程序控制器原理部分内容较抽象,应用部分与生产实践紧密结合,实践性教学环节占有较大的比重。在大多数学校中可编程序控制器课程的实验实训教学内容主要是可编程序控制器的编程训练,实验实训时学生按控制要求将可编程序控制器的输入/输出端子与控制对象连接好,然后输入已编好的程序并调试、运行,观察控制对象的动作是否与要求的控制规律一致。近年来可编程序控制器实验实训设备的发展也很迅速,常见的有凡种:
（1）仅仅以可编程序控制器来进行实验教学,而没有控制对象,学生用编程器对可编程序控制器进行编程之后,通过观察输出口的状态来确定程序的运行情况。在这类教学方式中学生往往只能进行验证性实验,没有条件进行外围设备的连接和控制。
（2）建立简易的实验室,利用原有的电动机等机电设备作为被控对象。学生实验时按控制要求连接好线路,通过专用的编程器输入并调试运行程序,观察被控现象的动作是否与控制要求相符。这类实验室投资小,建设周期短,缺点是原有的机电设备不能完全适合可编程序控制器实验的要求,能开出的实验较少。
（3）专门的可编程序控制器实验箱,在实验箱里装有可编程序控制器主机,同时用发光二极管模拟被控对象,程序执行后通过发光二极管点亮的情况观察实验现象,大多数产品都带有上位机的接口电路,可以通过上位机输入程序。这类实验设备投资适中,但是实验现象不够直观,与实物差距较大,许多学校已经不再选择这类设备[4]。
基于此,本课题是以二维交流伺服驱动平台为基础，采用西门子S7-200控制模块对平台进行二次开发和完善，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。
1.5可编程序控制器对伺服电机的控制
由于步进电机控制是伺服电机控制的一种，本设计中采用步进电机控制系统对二维伺服平台进行控制。
步进电机控制系统,是一点一位控制系统,所谓点一位控制,就是控制电动机拖动负载从一个位置运行到另一个位置。对步进电机而言,就是控制电动机从一个锁定位置运行若干步到达另一个位置进入锁定状态。这里要求电动机实际运行的步数一定要与设定相符,不允许有误差[5]。
1.5.1 PLC伺服电机控制系统总体设计
现代的运动控制方法主要有直流伺服驱动、交流伺服驱动、步进伺服驱动。其中交流伺服驱动的性能最好,但价格较高。随着步进伺服驱动控制技术迅速发展,步进伺服驱动细分精度日益提高,且逐步克服了振荡,失步的不足,其性价比大幅度提高。步进电机可直接用数字信号控制,无需反馈可开环工作,无累积定位误差,控制精度高,因此被广泛用于数字控制和计算机控制等精密定位的控制系统中。
可编程序控制器PLC是一种适于工业现场控制的技术平台。PLC综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术,使用面向过程、面向用户的简单编程语言,用户可通过软件设计,实现各种复杂的逻辑控制。S7-200 PLC具有较好的实时刷新功能,可以产生一定频率的脉冲信号,而且具有大功率的晶体管输出接口,能够满足步进电机绕组的电压和电流要求。因此,本系统采用S7-200直接控制步进电动机的新型系统,实现对其的控制,其系统的结构如图1-2所示。
图1-2 PLC控制步进电机系统示意图
电位器将检测到的接力器的位移信号通过A/D转换后送入PLC,PLC根据该位移信号与PID计算出的位移信号相比较计算出相应的步进电机位移,并输出一个相应的脉冲信号给环形分配器,环形分配器将输入的单一脉冲串按工作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲,以便形成旋转磁场。由此形成的各相微弱信号经各相的功率放大器,产生足够的电磁转矩使电动机旋转。本文采用PLC内部软件来实现脉冲频率变化的功能,降低了硬件成本,具有相当的实用价值。
步进电机的角位移与输入脉冲的个数成正比;转速与脉冲频率成正比;转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。因此利用PLC可产生一定周期的控制脉冲,使移位寄存器移位,产生相应时序,通过环形分配器使输出继电器按时序接通驱动步进电机并由计数器控制脉冲个数,使步进电机按一定速度,转动一定的角度。根据功能要求,综合考虑步进电机的性能,选常州微特电机生产的反应式五相步进电机,经过验算转矩有足够的余量,所选步进电机满足要求。控制器与步进电机连接时,先把五个线圈的一端都接到+12V上,另一端按一定的顺序接到驱动器的线圈输出端。
1.5.2控制系统的实现
论文采用西门子S7-200系列PLC为核心,利用S7-200PLC的两路高速脉冲输出功能,一路高速脉冲输出端Q0.0向步进电机发出进给脉冲,通过改变Q0.0输出脉冲的频率来控制步进电机的转速,另一路高速脉冲端输出端Q0.1根据Q0.0输出的脉冲频率 ,给步进电机提供稳定的驱动电压,即采用软件实现步进电机升频升压驱动电路的功能,与简单的脉冲放大电路一起,实现了快速、高精度步进电机驱动。不需要专门的升频升压电路,降低了硬件电路的复杂性,结构简单,成本低。
（1）总体驱动程序设计
步进电机的驱动原理见图1-3所示。
图1-3 步进电机的驱动原理图
步进电机的位移量通过电位器及EM235 A/D模块转换成控制器可识别的数字量,与场值进行比较,计算其差值,由于其差值最后一位处于不稳定状态,故应对差值进行死区设置,当差值大于设置死区值时,对差值进行放大,然后将差值按照一定的换算方式换算成步进电机的运行频率,从而控制步进电机的转向及速度。
第二章 二维运动轨迹控制与监控软件改进总体设计
整个软件系统分为两个部分：以PLC 为主的软件控制系统和上位机MCGS监控系统。本章简略介绍了PLC控制的二维轨迹运动平台系统，以及控制其的原程序简介，并提出的详细的改进方案。
2.1二维轨迹运动平台的系统组成
本课题中PLC控制的二维轨迹运动平台是软件编程的基础,该平台由电气控制部分，机械本体以及软件三大部分构成。其中系统的控制对象为两个伺服电机带着运动的X-Y机械平台；系统的电气控制核心采用西门子S7-200 CPU224 PLC。其软件分为两部分，其中一部分为PLC里面执行的控制程序，另一部分是上位机的人机互动界面，由MCGS组态软件编写而成。为了更好的了解编程，有必要先了解一下二维轨迹运动平台的系统，下边简略介绍整个系统与功能。
（1）系统组成：
整个系统构成如图2-1。二维轨迹运动平台是一款多功能机电一体化教学设备。它包含PLC 控制器、电控箱、二维机械平台。S7-200 控制器是本套系统的核心部件，它包含有伺服运动控制及I/O 点的过程控制功能。在运动控制功能中，由它发送控制指令给伺服驱动器，再由驱动器控制伺服电机运动，进而带动二维机械平台运动。PLC与计算机采用PPI通信协议，通过RS485串行接口连接。各部件全部设计成独立的模块，便于面向不同的实验进行重组。
二维机械平台是一个采用滚珠丝杠传动的模块化十字工作台，用于实现目标轨迹和动作，为了记录运动轨迹和动作效果，专门配备了笔架和绘图装置。实验系统软件包括基于轴的控制、基于坐标系的控制、命令编辑和运行、数控代码编辑和运行、复杂运动轨迹控制、系统的计算机网络控制等模块，对于具体的实验运行相对应的软件模块。
电控箱相当于一个小型的电气控制柜，由伺服驱动器，差分单元，接线端子排构成。二维机械平台的所有信号线都引到电控箱的接线端子排，PLC的I/O点也引到电控箱的接线端子排与二维机械平台传过来的信号对应。
图2-1 系统组成框图
（2）系统描述：
由PLC两个高速输出点通过脉冲方向控制伺服电机驱动器，驱动器驱动伺服电机工作，伺服电机自带编码器反馈电机的速度以及位置信息给驱动器，同时可以通过PLC的高速脉冲输入口反馈给PLC CPU，从而构成一个控制回路。另外的外部输入输出点接入到PLC CPU 参与控制，上位机通过组态软件实现对系统的控制监测功能[11]。
（3）系统功能：
可以对两轴伺服电机进行有效控制，实现两轴联动插补功能，产生各种不同曲线轨迹运动，通过电磁笔画出来。比如正方形、三角形、正弦、余弦曲线、抛物线等。并且有自定义功能，学生可以发挥自己的想象绘制图形轨迹。
第六章 总结与展望
6.1总结
随着工业自动化的不断发展，高校自动化专业学生的实践环节越来越受到重视。建立比较完备的工业控制系统实验室，让学生得到符合工程实际的锻炼己经成为普遍共识。本校的二维轨迹运动平台建设正是顺应了社会对自动化人才培养的要求。
作者在导师的精心指导下，在设备厂商基础上进行了设计与实现。本文的任务是二维运动轨迹控制与监控软件的改进设计，在此过程中主要设计和实现了一种基于PLC高速脉冲功能开发了圆弧插补功能的软件设计，实现轨迹的绘制，有圆形，五角星，抛物线，或者自定义的图形。完成了控制软件的二次开发，具有良好的轨迹运动控制能力，补充和完善了实验功能。为开设PLC主题实践创造了可靠的运行平台。
6.2展望
虽然本次设计基本完成了既定的设计任务，但是要使基于PLC控制的二维轨迹运动平台更好的发挥作用，还有很多工作要做。
（1）基于PLC控制的二维轨迹运动平台如今只能实现一个函数的绘制，有待于进一步发挥它的潜力，让学生参与开发PLC控制程序，发挥学生的创新才能，设计出更有趣复杂的图形，扩充训练平台的内涵。
（2）监控软件的模拟绘制，由于时间原因，如今的监控软件只能实现控制二维伺服平台绘制图形，无法在电脑上模拟画出图形，有待对其进行进一步的编程实现该功能。
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题背景 1
1.2研究意义 2
1.3可编程序控制器的概述 2
1.4可编程序控制器实验系统的应用现状 2
1.5可编程序控制器对伺服电机的控制 3
1.5.1 PLC伺服电机控制系统总体设计 4
1.5.2控制系统的实现 5
1.6可编程序控制器的编程 6
1.6.1常用的指令 6
1.6.2操作数的表示方法 7
1.6.3脉冲指令 7
1.6.4插补运算 8
1.6.5寻址方式 10
1.7工作内容与解决的问题 13
第二章 二维运动轨迹控制与监控软件改进总体设计 14
2.1二维轨迹运动平台的系统组成 14
2.2原程序的简介 15
2.2.1 PLC的控制程序原理 15
2.2.2原程序对伺服电机的控制 16
2.2.3直线插补程序 17
2.3 PLC控制程序改进设计方案 21
2.3.1原PLC控制程序中存在的结构问题与相应的改进方案 21
2.3.2原PLC控制程序中存在的细节问题与相应的改进方案 25
2.3二维轨迹运动平台监控软件（MCGS）的改进设计方案 27
2.4本章小结 28
第三章 二维轨迹运动平台控制程序改进设计 29
3.1相关参数的设定与转换 29
3.1.1细分数的实数与整数间转化 29
3.1.2计算次数的实数与整数间的转化 30
3.1.3中间变量的添加及设定 30
3.1.4计算次数的地址重新设计 31
3.2轨迹坐标计算与存储的改进设计 31
3.2.1调用轨迹子程序 31
3.2.2轨迹坐标值的计算（以圆为例） 32
3.2.3轨迹坐标值的存放 35
3.3画图与轨迹坐标值传送的改进设计 36
3.3.1画轨迹时的初始坐标设定 36
3.3.2 line子程序的调用与计数指令 37
3.3.3调用下一点坐标的计算及运行条件 37
3.3.4参数类型与抬笔指令 38
3.4改进后新程序的功能 38
3.4.1同一轨迹细分数的变换 38
3.4.2复杂函数的编程与绘制（以三叶草程序为例） 39
3.5本章小结 41
第四章 基于MCGS监控软件的改进设计 42
4.1基于MCGS 监控软件介绍 42
4.1.1监控软件概述 42
4.1.2监控软件功能 42
4.2基于MCGS软件的改进设计 43
4.2.1设备窗口的设计 43
4.2.2用户窗口的设计 45
4.2.3实时数据库的设计 46
4.2.4策略窗口的设计 47
4.3本章小结 48
第五章 技术经济安全性分析 49
5.1二维轨迹运动平台的经济性分析 49
5.2二维轨迹运动平台的安全性分析 50
第六章 总结与展望 51
6.1总结 51
6.2展望 51
主要参考文献 52
致 谢 53
声 明 54
附录：参考程序 55
