西门子脉冲方式PTO和PMW有什么区别？如何使用，看完你就是高手了

序: PTO和PMW的在应用上的区别为:

PTO为脉冲控制模式，而PWM为模拟量控制模式。

当设备对位置有精确要求时选用PTO，而当设备对转速和力矩有精确要求时选用PWM。

根据设备的需要选择伺服设备的类型，再选择用哪种控制方式。

PWM是通过高速计数器将输入信号模拟为恒定的电压输出，通过控制电压的变化来控制电机转速的变化。

一 西门子PLC高速脉冲输出的几个概念

1 高速脉冲输出的形式

A 高速脉冲串输出 PTO : ( Pulse Train Output )

输出指定数量，占空比为50% 的方波脉冲串。

B 宽度可调脉冲输出 PWM : ( Pulse Width Modulation )

输出数量不限，占空比可调的脉冲串信号。

2 高速脉冲输出端子

西门子S7-200CPU可以提供 2 个高速脉冲发生器

● PTO/PWM 发生器0 的输出端子是 Q0.0

● PTO/PWM 发生器1 的输出端子是 Q0.1

3 高速脉冲输出优先权

有PTO/PWM 输出时，CPU 把输出端子Q0.0、Q0.1 控制权交给 PTO/PWM 发生器，禁止普通逻辑输出。

输出映像寄存器 Q 的状态会影响PTO/PWM波形的起始电平, 高速脉冲输出前要先把Q0.0、 Q0.1的状态清零。

4 高速脉冲输出适用机型

输出高频脉冲信号时，应选用晶体管输出型 PLC。

二 高速脉冲输出指令及特殊寄存器

1 高速脉冲输出指令( Pulse )

指令功能：EN 有一个上升沿时，激活PLS，控制PLC从 Q0.0 或 Q0.1 输出高速脉冲。

PLS指令可以输出:

※ 高速脉冲串 PTO

※ 宽度可调的脉冲信号 PWM

数据类型：

※ 操作数Q0.X：X必须是常数 0 或 1。

※ EN:只接通一个扫描周期的短信号。

2 特殊寄存器

每个 PTO/PWM 都有一组配套参数：

● 1个 8位的控制字节

● 1个 8位的状态字节

● 1个 16位的周期值

● 1个 16位的脉宽值

● 1个 32位的脉冲数量

对于多段 PTO，还有

● 1个 8位的段字节

● 1个 16位包络表起始地址

这些参数存放在系统指定的特殊标志寄存器中

状态字节

PTO 方式下运行时，系统根据运行状态使相应位置位。

控制字节

通过设置字节中各控制位，来定义高速脉冲输出的特性.

控制字节中各控制位的功能

三 高速脉冲串输出PTO

特点:高速脉冲串输出(PTO)方式下，只能改变脉冲的周期值和脉冲数。

1 周期和脉冲数

●周期：单位：μs或ms。周期值为16位无符号整数。变化范围：50～65535 μs或 2～65535 ms。

脉冲数：是一个32位的无符号整数，取值范围：1～4294967295。

2 高速脉冲串输出中断

PTO 方式下，当输出完指定数量的脉冲后，产生高速脉冲串输出中断。

● PTO/PWM 0 的中断事件号是19

● PTO/PWM 1 的中断事件号是20

高速脉冲串输出时，CPU自动将PTO空闲位SM66.7（或SM76.7）置1。

3 PTO的种类

PTO方式下，要输出多段脉冲串时，允许脉冲串排队。PTO输出多段脉冲的方式有两种：

●单段PTO：定义一个脉冲串，输出一个脉冲串 (特性参数通过特殊寄存器分别定义) 。

●多段PTO：集中定义多个脉冲串，按顺序输出多个脉冲串(特性参数通过包络表集中定义)

单段PTO 实现的方法

用指定的特殊标志寄存器定义脉冲串特性参数（每次定义一个脉冲串）。一个脉冲串输出完成后，产生中断。在中断服务程序中再为下一个脉冲串更新参数，输出下一个脉冲串。

优点： 各脉冲段可以采用不同的时间基准。◎缺点：单段PTO输出多段高速脉冲串时，编程复杂，且参数设置不当会造成脉冲串之间的不平滑转换。

多段PTO 操作

多段PTO：集中定义多个脉冲串，并把各段脉冲串的特性参数按照规定的格式写入变量存储区用户指定的缓冲区中--称为包络表

包络表说明：

● 包络表由包络段数和各段构成。

● 第一个字节为需要输出的脉冲串总段数，范围：1～255 ；

● 定义一段脉冲串的特性参数需要8个字节

※ 2个字节存放脉冲串的起始周期值

※ 2个字节定义脉冲串的周期增量

※ 4个字节存放该段脉冲串的脉冲数

包络表中的周期单位可以为 ms 或 μs，

但表中所有周期单位必须一致。

● 周期增量的计算公式：

多段PTO操作时，需把包络表的起始地址装入标志寄存器 SMW168（或SMW178）中。

● PTO指令执行时，当前输出段的段号由系统填入 SMB166 或 SMB176 中。

多段PTO的优点：

编程简单，且在同一段脉冲串中其周期可以均匀改变。

多段 PTO 编程方法及步骤：

A. 初始化操作(以PTO/PWM 0为例)：

a. 将 PTO 的输出点 Q0.0 复位;

b. 调用初始化子程序SBR-0，完成下列任务：

设置控制字节SMB67 ,按照控制要求按位填写：如使SMB67=16#A0。

将包络表的起始地址写入 SMW168；

● 填写包络表中各段脉冲串的特性参数；

建立中断连接：用ATCH指令建立脉冲输出完成中断事件与中断程序的联系。当PLS指令输出完指定数量的脉冲串时，产生中断。

● 用ENI全局开放中断；

B. 有启动信号时，执行高速脉冲输出指令PLS，按顺序输出多段脉冲串。

C. 有停止信号时，停止高速脉冲串输出。

停止 PTO 输出的方法

PLS指令一经激发，就能完成指定脉冲串的输出，故要停止PTO输出，必须先在控制字节中禁止PTO输出，且执行PLS指令。

多段PTO应用实例

已知步进电机的起动频率为2 kHz（A点），经过400个脉冲加速后频率上升到10 kHz（B点和C点），恒速转动的脉冲数为4000个，减速过程脉冲数为200个，频率降为2 kHz（D点），其频率特性如图所示。

解：● 确定脉冲发生器及工作模式

要求PLC输出三段串脉冲。故采用多段PTO输出方式。选择输出端为 Q0.0。

● 填写控制字节SMB67：使SMB67=16#A0

将包络表首地址装入SMW168中。

● 填写包络表。

参数换算：

起始频率：2 kHz ，起始周期值：500μs，

运行频率为10 kHz，运行周期值：100μs。

输出3段脉冲串，时基取μs，定义三段脉冲串特性参数的包络表为：

中断连接：高速脉冲输出完成时，产生中断事件19，用ATCH指令将与中断事件与中断服务程序INT0连接起来，并全局开中断（ENI）。

● 执行PLS指令。

采用多段PTO，脉冲串连续输出期间，按启动按钮I0.0不起作用，不会出现脉冲串重复排队输出的现象，脉冲串能够按照规定的顺序输出完后，停止输出。

四 宽度可调的脉冲输出PWM

特点: PWM方式下，用户可以改变脉冲的周期值 和 脉宽值 ，脉冲数不受限制。

1 周期值和脉宽值

周期值：是一个16位无符号数据，单位：μs或ms；变化范围：50～65535μs或2～65535 ms。

脉冲宽度：是一个16位无符号整数，单位：μs或ms；变化范围是0～65535 μs或ms。即占空比在0％～100％之间变化。

2 PWM 更新方式

● 同步更新：在改变脉冲周期值和脉宽值时，不改变时间基准。特点：同步更新时，波形的变化发生在周期的边缘，输出波形进行平滑转换。

异步更新：在改变脉冲周期值和脉宽值时，改变时间基准。特点：采用异步更新会使高速脉冲输出功能被瞬时禁止，这时输出端交由输出映像寄存器Q控制，可能使 PWM 的波形不连续，引起被控制设备的振动。

结论：改变 PWM 波形的特性时应尽量采用同步更新。

3 PWM的编程方法及步骤

A.确定脉冲发生器：

※ 选择高速脉冲输出端（发生器）；

※ 选择工作模式为PWM。

B. PWM的初始化

a. 将PWM的输出点（Q0.0或Q0.1）复位;

b. 调用初始化子程序SBR-0，它所完成的任务：

按位填写控制字节(如SMB67)：SMB67=16#DB

向SMW68写入第一个脉冲串的周期值；

●向SMW70写入第一个脉冲串的脉宽值 ；

●执行PLS指令，输出指定宽度的脉冲信号。修改脉冲串宽度的方法

● 改写控制字节SMB67，将允许改脉宽值位置1 ，其它位不变。

● 向SMW70写入新的脉冲宽度值

● 执行PLS，输出指定宽度的脉冲信号。

PWM 输出举例

要求 PWM0的脉冲周期是 T=10000ms，开始时输出占空比为 10%的脉冲，当 I0.0=1时，输出占空比为 50%的脉冲 ，当 I0.2=1时，停止输出脉冲。

利用PLC与组态软件设计的电机变频调速系统

本文以三相异步电动机为被控对象，介绍了利用PLC+变频器实现对三相异步电动机的变频调速控制。最后通过MCGS组态软件建立PLC与上位PC机之间的通信连接，实现上位机监控，并能通过IE浏览器访问实现远程监控。

随着工业控制要求的不断发展，对电机速度控制的要求也越来越高，交流调速的方法也越来越多。基于PLC可靠性高、抗干扰能力强 、系统的设计、建造工作量小，维护方便、容易改造的特点，本设计以PLC作为控制核心，结合变频器、组态软件等完成对电机速度的控制。

组态软件是一种数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。这样基于MCGS组态软件建立PLC与上位PC机之间的通信连接实现远程操作控制，既可以改善操作人员的工作环境又可以提高工作的安全性。

系统设计的总体构架

通过对系统的总体分析，该变频调速系统的设计实现过程分为三个步骤:

1)基层PLC+变频器实现对三相异步电动机的控制。

2）基于MCGS实现PLC与上位PC机之间的通信连接，实现上位机监控。

3）通过IE浏览器访问实现远程控制，可实现基于B/S模式的远程监控。上位监控层中的PC机运行MCGS网络版组态软件,一方面可作为PLC下位机的监控和组态平台另一方面由于MCGS网络版组态软件采用了先进的基于TCP/IP协议,可完成整个系统的信息收集和发布客户端上只需运行IE浏览器,便通过Internet对现场的运行状态进行浏览或控制。

本系统的控制平台分为三层：PLC控制层、上位机监控层、远程监控层，如图1所示。

图1 电机变频调速系统

PLC+变频器实现变频调速

本设计采用松下FP∑系列PLC和VF0系列变频器实现对三相异步电动机电动机的变频调速控制。我们将采用八段速、无极调速及采用光电编码器的闭环控制方法实现对电机的控制。

（1）八段速控制

八段速控制就是在变频器中设定八个频率，通过PLC的八个控制按钮输入分别控制一种频率输出，即实现一个按钮控制一种电机的转速。

具体实现过程如下：编写PLC梯形图程序使输出端子Y0～Y2的输出状态组合成八种状态，即000～111。每一种状态用一个控制开关控制，这样共有八个控制开关控制PLC 的Y0～Y2输出的八种状态。将PLC的三个输出端子与变频器的控制电路端子7～9依次相连。

通过对变频器P09、P32～P38参数的设定确定出各个状态输出频率的大小，这样就实现了每一个控制开关控制变频器的一种输出频率，将变频器与电动机连接起来，通过对八个控制开关的通断控制就实现了PLC对电机的八段速控制。PLC控制程序如图2所示。

图2 八段速程序

（2）无极调速控制

本控制方案采用PWM技术对电机进行控制，PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一.

本方案所要实现的功能是结合组态软件实现在上位机组态界面上输入一个频率来控制电机按这一频率来运行。具体实现过程如下，通过软件编程使PLC输出一路PWM脉冲，连接于变频器的控制电路端子的9号端子。改变PWM脉冲的占空比即可改变变频器的输出频率，这样我们就可以在组态软件中通过设定PWM脉冲的占空比来确定电机的转速。PLC控制程序如图3所示:

图3 无极调速程序

（3）采用光电编码器的闭环控制

本方案采用增量式光电编码器作为闭环控制的反馈输入，具体实现过程如下所示：PLC控制电机按一速度运转，用光电编码器检测电机当前转一圈所产生的脉冲数，将它传回给PLC。用PLC编程将脉冲数转换成电机的转速，然后与电机的预设值进行比较，若有偏差则通过PID算法将误差消除，使电机能按照预定的转速进行运转。本方案的硬件连接图如下图4所示：

图4 闭环控制连接图

监控系统设计

1触摸屏控制设计

本设计采用型号为AIGT0030B1 POT GT01的松下触摸屏 ，在计算机上通过它的支持软件设计各个控制、说明及报警画面，下载到触摸屏后，再通过与PLC的通信来完成对电机的起停、正反转及速度的控制操作。触摸屏与PLC通过通信电缆连接。

2基于MCGS组态软件的上位机监控

MCGS组态软件系统是基于PC硬件、运行在windows平台上的一种组态软件，它由开发环境和运行环境构成，其中前者是应用程序的集成开发环境，在这个环境中完成界面的设计、变量的定义等工作，它具有先进完善的图形生成功能;变量有多种数据类型，能合理的抽象被控对象的特性，对数据的报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能有简单的操作方法。

组态运行环境，用于显示画面开发系统中建立的图形画面，并负责软件与PLC之间的数据交换，实时更新变量的数值，同时完成报警显示、历史记录查询、趋势曲线监视等功能，并可生成历史数据文件。

本系统的设计步骤如下：

（1）在装有网络版MCGS组态软件的计算机上打开该软件，新建一个工程项目。利用组态软件提供的绘图工具构建监控系统的在操作界面。

（2）在组态软件中建立实时数据库，用以实现MCGS与PLC之间进行数据交换。

（3）建立MCGS与PLC之间通信连接，用松下编程电缆连接PLC与上位PC机。在组态软件的设备窗口中加入通用串口父设备及松下PLC，通讯设置如表1。

表1 通讯设置

组态完成之后，进入运行环境就能实现对电机的上位机监控功能。监控画面如下图6、图7所示。

图6 八段速控制界面

图7 无极调速界面

3 通过IE浏览器实现远程监控

MCGSWWW网络版组态软件具有Internet远程浏览的功能,可通过IE浏览器对所建立的工程进行远程浏览与操作控制。在作为上位监控的pc机上打开组态软件，进入运行环境即可。

远程用户只需打开IE浏览器,在地址栏直接输入运行工程的用户的IP就可以直接访问此计算机,在操作首页输入自己的用户名及密码就能方便的浏览到工程中组态的画面,对具有控制权限的人员还能实现远程控制的功能。这样就实现基于MCGS网络版平台的远程监控功能。

结束语

综上所述，通过PLC及变频器的运用方便简单的完成了对电机转速的控制，减少了硬件电路的设计。另外，本系统结合目前比较流行的触摸屏及组态软件技术，使控制系统自动化程度提高，运行稳定可靠，抗干扰能力强，操作简单、直观，维修方便，减轻了工人的劳动强度，提高了效率，使其在工业环境中有更大的应用价值。本控制系统可根据不同的控制要求编制不同的控制程序，应用于不同的工业控制环境。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于PLC与组态软件的电机变频调速系统”，作者为王建伟、杨风等。）

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