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摘 要：随着自动化水平的不断提高，越来越多的工业控制场合需要精确的位置控制。因此，如何更方便、更准确地实现位置控制是工业控制领域内的一个重要问题。本论文从如何实现机械设备的精确的位置控制单元入手，阐述了用PLC控制实现位置控制的硬、软件原理。接着从实例分析，结合结合卧式注塑机全自动送料系统。首先从硬件上分析其基本结构，包括其各个零部件的装配方式，通信端口接入方式，脉冲形式和脉冲信号发生方式。然后从软件上分析PLC控制程序，结合PLC型号，分析如何使用西门子MAP指令库（Micro Automation Positioning-一SERVO）中的Q0_x_Home指令实现各个指令控制机械设备完成不同动作。
关键词：PLC 位置控制 高速脉冲 MAP指令
为了应对日益升高的人力成本，还有对高质量产品的追求，在数控机床、电梯、纺织机械、包装机械以及注塑等行业，很多企业积极提高生产线的自动化水平，使用机器来代替人工。实现机械设备的位置精确控制，是制造自动化生产线的关键技术。本文结合卧式注塑机自动上下料系统，以西门子S7-200CPU224为控制单元，讨论以PLC实现位置控制的硬件、软件设计方法。
1机械及电气设计
课题来源于某电子产品生产企业，为卧式注塑机设计一套自动上下料系统。卧式注塑机全自动送料系统的功能是将卷绕在料盘上的料带剪成单个嵌片，通过机械手将嵌片送入卧式注塑机注塑，并将注塑好的成品取出。系统中位置控制运动单元如图1所示。
图1 控制对象
系统要控制的对象有：（1）送料带步进电机，；（2）X1轴直线滑台的伺服电机；（3）Y1轴直线滑台的伺服电机；（4）X2直線滑台的伺服电机；（5）Y2直线滑台的伺服电机；（6）Z轴直线滑台的伺服电机；（7）90度旋转手爪伺服电机。送料带的步进电机使用固定步长的控制方式，也就是每收到一个脉冲电压，控制器驱动电机旋转一个固定的角度，角度大小可以通过控制器附带的软件设定。直线滑台上有一个无触点的电感式接近传感器和两个极限开关检测滑块的位置。接近开关用来提供直线运动的起点信号；左、右极限开关用于提供越程故障时的保护信号，当机械手在运动中越过左或右极限位置时，极限开关会动作，从而向系统发出越程故障信号。90度旋转手爪有3个激光传感器实现类似直线滑台上的起点信号和越程保护的功能。
每台西门子S7-200 CPU224 PLC可以发出2路高速脉冲控制2台伺服电机，系统使用3台PLC控制上述6台伺服电机。伺服电机采用LS迈克彼恩APM-SA01ACN伺服电机，控制器型号为L7SA002A。西门子224PLC的其它输出端口用于控制步进电机、气缸等部件。每个224有2个RS485通信口，3个PLC之间使用RS485方式进行数据交换，其中一个PLC的通信口与触摸屏连接。
2 PLC位置控制程序
西门子224PLC提供的两路高速脉冲输出（Q0.0和Q0.1），可以分别工作在PTO（脉冲串输出）和PWM（脉宽调制）状态下。PWM可输出周期固定但占空比可变的脉冲。以指定频率（周期）启动后，PWM持续输出，脉冲宽度根据所需的控制要求进行变化。脉冲宽度可以从0%（无脉冲，一直为低电平）变化到100%（无脉冲，一直为高电平）。使用 PTO 功能可以输出周期（频率）和个数可调的脉冲串西门子224PLC使用2套特殊寄存器控制2个PTO独立工作，当组态一个输出为PTO操作时，PLC生成一个占空比为50%的脉冲串，脉冲宽度可以控制电机的速度，脉冲的个数可以控制电机运动的距离。PTO支持单段管线和多段管线2种工作方式。使用单段管线可以根据特殊寄存器设定的规格输出一个脉冲串。单段管线支持排队，可以在发送当前脉冲串时，为下一个脉冲串重新定义特殊寄存器。在多段管线工作方式下，CPU 从 V 存储器的包络表中读出多个脉冲串的特性并顺序发送脉冲。包络表使用8字节保存一个脉冲串的属性，包括一个字长的起始周期值，一个字长的周期增量值和一个双字长的脉冲个数。一个包络表可以包含1～255个脉冲串。
控制伺服电机的运动需要PLC工作在PTO状态，编写PTO控制程序可以使用向导工具也可以直接用PTO指令，要实现电机的运动、停止控制是很容易的，但是没有寻找参考点指令。使用西门子MAP指令库（Micro Automation Positioning-一SERVO）中的Q0_x_Home指令实现寻找参考位置相当方便。在西门子公司网站上下载.MAP指令库安装后，STEP 7 - MicroWIN 界面程序块列表内出现MAP块。MAP块的主要功能如表1所示。
表1 MAP指令功能表
MAP块中的x取0或者1，分别控制Q0.0及 Q0.1端口的脉冲输出。表2给出了MAP块所占用的端口、寄存器及特殊变量。每套MAP块还需要68个字节的变量来存储诸如最大速度（Max_Speed_DI）、最小速度（SS_Speed_DI）、上升时间（Ramp time）等参数。
表2 MAP块占用的端口、寄存器及变量
在本项目中用到3个程序块，示例程序如下。
（1）初始化程序块。
LD SM0.0
CALL Q0_0_CTRL：SBR3， Velocity_SS：VD100， Velocity_Max：VD104， accel_dec_time：VD108， Fwd_Limit：V112.0， Rev_Limit：V112.1， CTRL_C_Pos：VD113
该程序段处于主程序（Main）中，PLC每次循环扫描都调用Q0_0_CTR，最小速度（Velocity_SS）存从VD100读取，最大速度（Velocity_Max）从VD104读取，加速时间（accel_dec_time）从VD108读取，前限位（Fwd_Limit）信号从V112.0读取，后限位（Rev_Limit）信号从V112.1读取，计数器HC0（CTRL_C_Pos）的值存储到：VD113中。 （2）回原点程序。
LD SM0.0
= L60.0
LD V120.0
EU
= L63.7
LD L60.0
CALL Q0_0_Home：SBR5， L63.7， 0， V120.1， V120.2， V120.3
当位变量V120.0从低电平变到高电平时，调用回原点（Q0_0_Home）程序。变量V120.1确定回原点起始运动方向，回到原点结束标志存放到V120.2，没有完成回原点的标志存放到V120.3，回到原点后位置计数器的值设为0。
（3）绝对位置运动程序。
LD SM0.0
= L60.0
LD V150.0
EU
= L63.7
LD L60.0
CALL Q0_0_MoveAbsolute：SBR8， L63.7， VD134， VD144， V150.1
收到位变量V150.0脉冲前沿信號，调用绝对运动程序块（Q0_0_MoveAbsolute），VD134是要到达的位置，VD144是运动的速度，V150.1是运动完成标志位。
3人机交互
在控制面板上有“电源”、“复位”、“启动”、“停止”和“急停”5个按钮。“电源”按钮实现通电和断电之间切换。“复位”按钮给PLC传送复位信号，PLC收到复位信号后，6个伺服电机都要做回原点运动。“启动”按钮发出自动上下料开始的命令。按下“停止”按钮，系统完成正在进行的上下料周期后回到指定位置停止动作。“急停”按钮动作，6个伺服电机立即停止运动。
面板上有“电源”、“复位”、“运行”、“停机”、“故障”指示灯。上电则“电源”指示灯等为绿色。“复位”、“运行”、“停机”灯亮表示系统处于相应的工作状态。按下“急停”按钮，或者有其它故障，故障指示灯亮，复位后故障指示消除。
系统采用WECON LEVI777A-V型号的电阻式触摸屏进行参数设置和监测。监测画面为主画面，主要图形如图1所示，指明了系统的结构，还有报警提示，加工的数量显示等。参数设置在每个设备的调试窗口完成，以图2所示的X1轴调试窗口为例来说明画面的设计。
图2 X1轴调试触摸屏界面
画面中“前进”、“后退”、“原点”、“停止”“自动”为命令按钮，触摸即执行相应动作。触摸“前进”或“后退”，命令电机按照图中“步进脉数”设定的长度、以“电机速度”设定的速度做1次运动。触摸“原点”命令x1轴电机做回原点运动。触摸“自动”电机做一套组合动作，动作由图中“位1”、“位2”等7个按钮及“设定时间”右边的7个输入框来确定。通过触摸“前进”、“后退”按钮，使电机运动到需要的位置，触摸“位1”、“位2”等位置记录按钮，可将该位置记录下来。收到“自动”命令后等待第1个设定时间输入框规定的时间后运动到位置1。到位置1后停止第2个设定时间输入框规定的时间后运动到位置2，依此类推。
4结论
使用西门子S7-200 224PLC控制伺服电机，调用西门子MAP指令库编程，简单效率高，控制精度满足要求。开发的卧式注塑机全自动化上下料系统能够在减轻体力劳动、改善劳动条件和安全生产、提高注塑成型机的生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到重要的作用。
参考文献
[1] 余朝刚，刘启中，王宇嘉，彭勃，马超. PLC控制的步进电机教学机械手[J]. 实验技术与管理，2012，02：98-100+122.
[2]程伟，周雷，解国安. 西门子S7-200PLC脉冲输出MAP指令库控制步进电机的应用实例[J]. 黑龙江科技信息，2013，33：69+208.
作者简介：
张琦（1991.2），男，籍贯：甘肃省天水，学历：本科，研究方向：机械工程及自动化。
关键词：PLC 位置控制 高速脉冲 MAP指令
为了应对日益升高的人力成本，还有对高质量产品的追求，在数控机床、电梯、纺织机械、包装机械以及注塑等行业，很多企业积极提高生产线的自动化水平，使用机器来代替人工。实现机械设备的位置精确控制，是制造自动化生产线的关键技术。本文结合卧式注塑机自动上下料系统，以西门子S7-200CPU224为控制单元，讨论以PLC实现位置控制的硬件、软件设计方法。
1机械及电气设计
课题来源于某电子产品生产企业，为卧式注塑机设计一套自动上下料系统。卧式注塑机全自动送料系统的功能是将卷绕在料盘上的料带剪成单个嵌片，通过机械手将嵌片送入卧式注塑机注塑，并将注塑好的成品取出。系统中位置控制运动单元如图1所示。
图1 控制对象
系统要控制的对象有：（1）送料带步进电机，；（2）X1轴直线滑台的伺服电机；（3）Y1轴直线滑台的伺服电机；（4）X2直線滑台的伺服电机；（5）Y2直线滑台的伺服电机；（6）Z轴直线滑台的伺服电机；（7）90度旋转手爪伺服电机。送料带的步进电机使用固定步长的控制方式，也就是每收到一个脉冲电压，控制器驱动电机旋转一个固定的角度，角度大小可以通过控制器附带的软件设定。直线滑台上有一个无触点的电感式接近传感器和两个极限开关检测滑块的位置。接近开关用来提供直线运动的起点信号；左、右极限开关用于提供越程故障时的保护信号，当机械手在运动中越过左或右极限位置时，极限开关会动作，从而向系统发出越程故障信号。90度旋转手爪有3个激光传感器实现类似直线滑台上的起点信号和越程保护的功能。
每台西门子S7-200 CPU224 PLC可以发出2路高速脉冲控制2台伺服电机，系统使用3台PLC控制上述6台伺服电机。伺服电机采用LS迈克彼恩APM-SA01ACN伺服电机，控制器型号为L7SA002A。西门子224PLC的其它输出端口用于控制步进电机、气缸等部件。每个224有2个RS485通信口，3个PLC之间使用RS485方式进行数据交换，其中一个PLC的通信口与触摸屏连接。
2 PLC位置控制程序
西门子224PLC提供的两路高速脉冲输出（Q0.0和Q0.1），可以分别工作在PTO（脉冲串输出）和PWM（脉宽调制）状态下。PWM可输出周期固定但占空比可变的脉冲。以指定频率（周期）启动后，PWM持续输出，脉冲宽度根据所需的控制要求进行变化。脉冲宽度可以从0%（无脉冲，一直为低电平）变化到100%（无脉冲，一直为高电平）。使用 PTO 功能可以输出周期（频率）和个数可调的脉冲串西门子224PLC使用2套特殊寄存器控制2个PTO独立工作，当组态一个输出为PTO操作时，PLC生成一个占空比为50%的脉冲串，脉冲宽度可以控制电机的速度，脉冲的个数可以控制电机运动的距离。PTO支持单段管线和多段管线2种工作方式。使用单段管线可以根据特殊寄存器设定的规格输出一个脉冲串。单段管线支持排队，可以在发送当前脉冲串时，为下一个脉冲串重新定义特殊寄存器。在多段管线工作方式下，CPU 从 V 存储器的包络表中读出多个脉冲串的特性并顺序发送脉冲。包络表使用8字节保存一个脉冲串的属性，包括一个字长的起始周期值，一个字长的周期增量值和一个双字长的脉冲个数。一个包络表可以包含1～255个脉冲串。
控制伺服电机的运动需要PLC工作在PTO状态，编写PTO控制程序可以使用向导工具也可以直接用PTO指令，要实现电机的运动、停止控制是很容易的，但是没有寻找参考点指令。使用西门子MAP指令库（Micro Automation Positioning-一SERVO）中的Q0_x_Home指令实现寻找参考位置相当方便。在西门子公司网站上下载.MAP指令库安装后，STEP 7 - MicroWIN 界面程序块列表内出现MAP块。MAP块的主要功能如表1所示。
表1 MAP指令功能表
MAP块中的x取0或者1，分别控制Q0.0及 Q0.1端口的脉冲输出。表2给出了MAP块所占用的端口、寄存器及特殊变量。每套MAP块还需要68个字节的变量来存储诸如最大速度（Max_Speed_DI）、最小速度（SS_Speed_DI）、上升时间（Ramp time）等参数。
表2 MAP块占用的端口、寄存器及变量
在本项目中用到3个程序块，示例程序如下。
（1）初始化程序块。
LD SM0.0
CALL Q0_0_CTRL：SBR3， Velocity_SS：VD100， Velocity_Max：VD104， accel_dec_time：VD108， Fwd_Limit：V112.0， Rev_Limit：V112.1， CTRL_C_Pos：VD113
该程序段处于主程序（Main）中，PLC每次循环扫描都调用Q0_0_CTR，最小速度（Velocity_SS）存从VD100读取，最大速度（Velocity_Max）从VD104读取，加速时间（accel_dec_time）从VD108读取，前限位（Fwd_Limit）信号从V112.0读取，后限位（Rev_Limit）信号从V112.1读取，计数器HC0（CTRL_C_Pos）的值存储到：VD113中。 （2）回原点程序。
LD SM0.0
= L60.0
LD V120.0
EU
= L63.7
LD L60.0
CALL Q0_0_Home：SBR5， L63.7， 0， V120.1， V120.2， V120.3
当位变量V120.0从低电平变到高电平时，调用回原点（Q0_0_Home）程序。变量V120.1确定回原点起始运动方向，回到原点结束标志存放到V120.2，没有完成回原点的标志存放到V120.3，回到原点后位置计数器的值设为0。
（3）绝对位置运动程序。
LD SM0.0
= L60.0
LD V150.0
EU
= L63.7
LD L60.0
CALL Q0_0_MoveAbsolute：SBR8， L63.7， VD134， VD144， V150.1
收到位变量V150.0脉冲前沿信號，调用绝对运动程序块（Q0_0_MoveAbsolute），VD134是要到达的位置，VD144是运动的速度，V150.1是运动完成标志位。
3人机交互
在控制面板上有“电源”、“复位”、“启动”、“停止”和“急停”5个按钮。“电源”按钮实现通电和断电之间切换。“复位”按钮给PLC传送复位信号，PLC收到复位信号后，6个伺服电机都要做回原点运动。“启动”按钮发出自动上下料开始的命令。按下“停止”按钮，系统完成正在进行的上下料周期后回到指定位置停止动作。“急停”按钮动作，6个伺服电机立即停止运动。
面板上有“电源”、“复位”、“运行”、“停机”、“故障”指示灯。上电则“电源”指示灯等为绿色。“复位”、“运行”、“停机”灯亮表示系统处于相应的工作状态。按下“急停”按钮，或者有其它故障，故障指示灯亮，复位后故障指示消除。
系统采用WECON LEVI777A-V型号的电阻式触摸屏进行参数设置和监测。监测画面为主画面，主要图形如图1所示，指明了系统的结构，还有报警提示，加工的数量显示等。参数设置在每个设备的调试窗口完成，以图2所示的X1轴调试窗口为例来说明画面的设计。
图2 X1轴调试触摸屏界面
画面中“前进”、“后退”、“原点”、“停止”“自动”为命令按钮，触摸即执行相应动作。触摸“前进”或“后退”，命令电机按照图中“步进脉数”设定的长度、以“电机速度”设定的速度做1次运动。触摸“原点”命令x1轴电机做回原点运动。触摸“自动”电机做一套组合动作，动作由图中“位1”、“位2”等7个按钮及“设定时间”右边的7个输入框来确定。通过触摸“前进”、“后退”按钮，使电机运动到需要的位置，触摸“位1”、“位2”等位置记录按钮，可将该位置记录下来。收到“自动”命令后等待第1个设定时间输入框规定的时间后运动到位置1。到位置1后停止第2个设定时间输入框规定的时间后运动到位置2，依此类推。
4结论
使用西门子S7-200 224PLC控制伺服电机，调用西门子MAP指令库编程，简单效率高，控制精度满足要求。开发的卧式注塑机全自动化上下料系统能够在减轻体力劳动、改善劳动条件和安全生产、提高注塑成型机的生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到重要的作用。
参考文献
[1] 余朝刚，刘启中，王宇嘉，彭勃，马超. PLC控制的步进电机教学机械手[J]. 实验技术与管理，2012，02：98-100+122.
[2]程伟，周雷，解国安. 西门子S7-200PLC脉冲输出MAP指令库控制步进电机的应用实例[J]. 黑龙江科技信息，2013，33：69+208.
作者简介：
张琦（1991.2），男，籍贯：甘肃省天水，学历：本科，研究方向：机械工程及自动化。