「C#上位机」西门子1200PLC实用定位控制程序案例
引言
本文是一篇综合性非常强的文章，从PLC输入输出及步进电机接线开始，到PLC运动控制程序编写，再到后续的ModbusTCP通信协议及上位机编程实现最终控制，涉及知识面比较广，能够让我们很好地将所学知识结合起来。
项目开发平台
采用西门子TIA Portal V15编程软件编写运动控制程序，实现PLC（S7-1200系列：CPU1214C DC/DC/DC ）对步进电机的控制，再通过编写ModbusTCP程序，将控制地址进行映射，从而方便上位机（VS 2019开发）与PLC进行通信，最终实现步进电机的运动方向、速度及距离的灵活控制。
涉及硬件： 开关电源、S7-1200PLC、步进驱动器、步进电机、单轴模组、限位开关
涉及软件： TIA Portal V15、VS2019、ModbusPoll（用于测试通信）
硬件接线
PLC编程
1.通过博图软件创建一个新的PLC项目，根据硬件型号插入新设备，这里为CPU 1214C DC DC DC
2.双击PLC的以太网口，设置IP地址，这里设置为192.168.2.210
3.双击CPU，在脉冲发生器PTO/PWM选项中设置信号类型为PTO，脉冲输出为Q0.0，方向输出为Q0.1
4.新建一个工艺对象，名称为轴1，通过基本参数>驱动器，设置脉冲输出为Pulse1
5.通过扩展参数>位置限制，设置上下限位分别为I0.1和I0.2
6.通过扩展参数>回原点>主动，设置原点开关为I0.0
7.程序段1，调用MC_Power使能，各个引脚填写如图所示，其中Asix选择轴1
8.程序段2，调用MC_MoveRelative，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于执行相对运动
9.程序段3，调用MC_MoveAbsolute，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于执行绝对运动
10.程序段4，调用MC_MoveJog，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于执行前进和后退点动
11.程序段5，调用MC_Home，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于执行归零
12.程序段6，调用MC_Reset，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于执行复位功能
13.程序段7，调用MC_Halt，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于执行暂停功能
14.程序段8，调用MC_ReadParam，来读取相关参数，各个引脚填写如图所示，该程序段主要用于读取实时脉冲
上位机开发思路
目前比较主流开发上位机的方式，主要是组态软件（触摸屏）、C#开发上位机，C#开发上位机与传统的组态软件之间的区别，主要体现在如下三个方面：
功能限制： 组态软件对于一些特定的需求或者逻辑，会有一定的局限性，使用上也受到软件本身的约束；C#开发上位机完全自主开发，几乎不存在功能上的限制，并且扩展方便。 技术要求： 组态软件最大的优势在于方便，因为它本身都集成了一些通用协议和元件，只需要按照使用说明进行组态配置即可；C#开发需要完全自己搭建框架和实现底层代码，对开发者的技术要求会更高一些。 价格成本： 组态软件需要按套、按点位收费，意味着每个项目无形中都有一个基础成本；C#开发上位机自主开发，不需要二次授权费用，并且开发一套之后，可以快速应用到其他项目中。采用C#上位机开发，首先需要考虑的是通信问题。西门子S7-1200支持很多种不同的通信协议，包括S7、ModbusTCP、TCP/IP、UDP、OPC等，从开发成本上来说，我们优先考虑S7和ModbusTCP，对于S7和ModbusTCP通信协议，比较一下两者的优缺点：
S7协议为西门子内部协议，协议本身不公开，需要调用或者自己开发通信库，使用S7通信协议需要勾选CPU中的允许来自远程对象的PUT/GET通信访问。 ModbusTCP为公开、免费协议，可以自己开发通信库或者使用开源库，使用ModbusTCP通信协议需要编写一定的PLC程序来实现地址映射。从公开免费和使用范围的角度来考虑，这里采用ModbusTCP通信协议，因为学会了ModbusTCP，意味着市场上的大部分仪表、PLC通信都可以搞得定，PLC程序编写如下如下所示：
创建DB块这里首先创建一个DB块，里面包含了常用的一些操作和参数设置，值得注意的是，由于Modbus保持型寄存器的Bit位操作比较麻烦，因此这里我们统一使用Word类型来代替Bit。
上位机开发功能实现的核心在于ModbusTCP通信库编写，由于Modbus协议是公开免费，可以自己根据Modbus协议来开发，也可以使用开源的Modbus库，如NModbus等，有了ModbusTCP通信库之后，我们可以将更多的精力放在业务处理及逻辑处理上面。
上位机功能开发
首先创建一个Windows窗体应用项目，项目名称为thinger.com.MotionPro。日志显示功能：日志显示采用ListView进行显示，绑定一个ImageList用来区分信息、报警、错误，添加日志方法的参数包含日志等级及日志内容。自己开发ModbusTCP通信库或者使用开源库，该库应该具备建立连接、断开连接、预置寄存器、读取寄存器的功能。建立连接和断开连接：这里通过按钮实现建立连接和断开连接2个功能。相对位置运动：设置相对运动速度和相对运动位置，实现电机的相对运动。绝对位置运动：设置绝对运动速度和绝对运动位置，实现电机的相对运动。点动运动模式：设置点动运动速度，按住正向点动或者反向点动，实现电机的点动运动。回原点模式：点击回原点，可以控制物体回到原点位置并停止。运动停止、运动暂停、复位相关功能。(来源：网络，版权归原作者所有，侵删）
如何用PLC控制实现编码器的定位功能？
严格来讲，编码器只会告诉你该如何定位，要如何执行，是需要靠数控系统（或者PLC之类控制器）控制伺服或者步进电机来实现定位的，编码器好比人的眼睛，知道电机轴或者负载处于当前某个位置，工业上用的一般是光电类型编码器，下边简单说明一下。
01 简单说下编码原理和位置测量
光电编码器是在一个很薄很轻的圆盘子上，通过紧密仪器来腐蚀雕刻了很多条细小的缝，相当于把一个360度，细分成很多等分，比如成1024组，这样每组之间的角度差是360/1024度=0.3515625度。
然后有个精密的发光源，安装在码盘的一面，码盘的另外一面，会有个接收器之类的，使用了光敏电阻这些元件加放大和整形电路组成，这样码盘转动时候，有缝隙的地方会透光过去，接收器会瞬间收到光脉冲，经过电路处理后，输出一个电脉冲信号，这样码盘旋转了一周，会对应输出1024个脉冲，第一个脉冲位置如果是0，第二个脉冲位置就是0.3515625°，第三个脉冲位置是0.3515625°*2，以此类推，这样只要有仪器能读到脉冲个数，就可以知道码盘对应在什么位置了，如果把编码器安装到电机的轴上，电机轴和码盘是刚性连接，两者的位置关系会一一对应，通过读编码器脉冲，就可以知道电机的轴位置。
而电机轴，比如会通过同步带，齿轮，链条等带动一些负载，比如控制丝杆，这样会有个所谓电子齿轮比的关系，电机转一圈，丝杆会前进多少毫米，这样读到了对应编码器上输出多少给脉冲，通过脉冲数就可以反推出当前丝杆的位置。
但是编码器是圆的，如果无限制旋转下去，角度会无穷大，所以设计了一种增量型的编码器，转一圈，会输出三组信号ABZ，其中AB是一样的脉冲，比如上边说的一圈有1024个脉冲，AB相脉冲对应一圈内的圆周角度，而且两种脉冲是处于正交状态的，如果是正反转，通过判断AB相脉冲的上升沿和下降沿的先后顺序，就可以知道编码器当前是顺时针还是逆时针方向旋转的。
另外有个Z相脉冲，是因为圆周虽然会不停转下去，角度会无穷无尽，但是都是一周一周的重复而已，零相脉冲固定在圆周某个位置，编码器每转一圈，只输出一个零相脉冲，这样如果以Z相脉冲为基准点，这样每次读到这个脉冲时候，系统就清零一次，就可以让角度最大值控制在360°以内，相当于一个零基准点了。
这样即使系统断掉了，重新上电，只要能找到这个基准点，就可以知道丝杆的初始位置在什么地方了。
以上这种定位叫增量坐标系，所以编码器就是增量型编码器，应用比较广泛，因为灵活而且价格便宜。
如果只设备只需要转一圈的，也就是角度在360°内的，编码器可以细分精密一点，比如有13位，相当于2^13次方个脉冲一圈，对应着360°，这种脉冲数和角度一一对应，不怕系统断电需要重新调整零位，这种编码器叫单圈绝对值编码器。如果负载需要转多圈的，但是这个圈数也不能非常多，比如5圈，相当于5*360°=1800°，这样脉冲和1800°一一对应，这些在一些高档的数控机床上应用比较多，可以知道丝杆或者一些旋转工作的当前精密位置，而且不用担心系统断电归零问题。
此外，编码器还有磁电方式的，比如在码盘上加工了很多个南北间隔的小磁铁，通过霍尔去读小磁铁信号，输出信号，同样经过放大和整形变成了电脉冲，这点和光电编码器是类似的，而且价格会便宜点，可靠性会高，但是精度就比光电要差点。
02 PLC如何通过编码器判断位置
PLC能输入开关量，也就是一高一低的电平电压，而编码器脉冲信号，可以理解一定时间内，用极快的速度完成的一组开关量。但是因为这种开关量的频率太高了，所以PLC的普通I/O口是无法准确读到这些脉冲的个数的，因为PLC工作过程中存在扫描周期，需要每个一段时间才去刷新一下普通I/O口的数据，而编码器的精度太高了，单位时间内输出的脉冲个数太多，普通I/O是无法胜任的。
一般PLC会设计有高速计数端口，本质是利用了底层单片机的硬件逻辑来完成这些编码器计数的，避开了扫描周期问题，PLC都设计有专门的高速计数指令，使用的时候，直接调用这些指令就可以读到当前的脉冲值了。
但是脉冲的计算和输出上，由于扫描周期存在，往往也会存在着滞后影响，如果用来控制一些执行机构，比如气缸来动作裁切动作，这样要考虑提前量的补偿问题。
提醒一下，如果想用PLC来控制伺服或者步进系统，往往并不需要通过编码器反馈来判断位置，通过一些PLS指令之类的来发出位置脉冲给伺服驱动器，位置环在伺服驱动器内部构成就好，而PLC这边只是一个指令机构，并没有构成位置闭环，当然如果是专门定位模块控制，使用了NC之类的控制方式，是可以在里边构建位置闭环的。
↓技成PLC课堂专属学习资料
相关问答
用plc接---环形脉冲分配器--步进电机，那plc怎么输出方向控...
[最佳回答]输出的方向控制信号是不要用专用的输出模块,发脉冲用一个口(PLSYY0),电机旋转方向用一个口(OUTY1),发脉冲的个数多少决定步进电机走多少角度,当Y...
plc如何实现位置控制的正反转?
可以通过PLC的高速输出信号控制步进电机的运动方向、运行速度、运行步数等状态。其中:步进电机的方向控制,只需要通过控制U/D端的On和Off就能决定电机的正转或...
plc如何控制车转弯?
PLC(可编程逻辑控制器)可以用来控制车辆转弯,通过掌握车轮转动的速度和方向,实现车辆转弯的控制。如果需要控制一个轮式车辆(例如小车或机器人)进行转弯,...
plc正向着哪两个方向发展?
PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。随着PLC应用领域日益扩大,PLC技术及其产品结构都在不断改进,功能日益强大,性价比越来越高。在产品规模方面,...
plc编程显示能流方向逆转怎么回事?
关于这个问题,PLC编程显示能流方向逆转是由于程序中的逻辑错误导致的。具体原因可能包括以下几点:1.逻辑控制错误:在程序中可能存在逻辑错误,导致电流方向...
三菱PLCDRVAD0D2Y0Y2中Y2的方向怎么定或怎么设置?
Y2就是方向,不用设置,伺服或是步进,都有脉冲+方向模式,假如你Y0给出脉冲,Y2不接通的情况下,是朝左边走的话,那么Y2接通的话就是会朝右边走了。Y2就是方向,不...
西门子S7-200PLC用Q0.0做脉冲输出点，请问步进电机方向用哪个点控制?
控制步进需要用到西门子200的高速脉冲,西门子200的高速脉冲输出点有两个Q0.0和Q0.1。假设楼主这台步进用Q0.0来发脉冲控制转动,Q0.2来控制方向,那么接线为,P...
plc编程就业方向?
PLC就业的行业主要有:1.电厂(包括各个公司,工厂的配电室);2.软件开发(特别是单片机或EDA等);3.PLC(大体是工控方向,搭建操作平台等);4.各个矿山...PLC就...
三菱plc脉冲加方向指令用法?
步骤/方式11、在左母线右侧双击鼠标输入上升沿控制软元件X0,当X0接通时执行脉冲指令。步骤/方式22、在X0触点后输入前沿脉冲“PLSM0,前沿脉冲指当X0从关到...
三菱PLC用dDRVI指令为什么给它正负脉冲都只朝一个方向转?
发脉冲不是这个指令应该是plsy脉冲加方向的话比如你Y0是脉冲那么改变方向只需要加上Y1ON就可以了发脉冲不是这个指令应该是plsy脉冲加方向的话比如你Y0是脉冲...
扫一扫微信交流