基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制

目錄摘要11、課程設(shè)計(jì)概述21.1 PLC概述21.2 SIEMENS S7-200簡介32、基于PLC 的步進(jìn)電機(jī)控制32.1 設(shè)計(jì)要求32.2 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的工作原理32.3 步進(jìn)電機(jī)各按鍵的作用42.4 基于PLC 的步進(jìn)電機(jī)控制程序梯形圖52.5 問題及解決方法73、PLC 實(shí)現(xiàn)智能交通燈控制3.1設(shè)計(jì)要求83.2系統(tǒng)運(yùn)行過程分析83.3系統(tǒng)時序圖93.4 輸出地址分配103.5 PLC 實(shí)現(xiàn)智能交通燈控制程序梯形圖103.6 問題及解決方法144.1 系統(tǒng)原理說明144.11 原理144.1.2 四層電梯要求154.1.3 I/O端子分配圖154.2 基于PLC 的四層電梯控制程序梯形圖164.3問題及解決方法19課程設(shè)計(jì)總結(jié)20參考文獻(xiàn)21致謝22摘要個人計(jì)算機(jī)（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。 上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。特別在四層電梯、智能交通燈和水塔水位控制中應(yīng)用廣泛。通過這次課程設(shè)計(jì)使我們了解了更多的關(guān)于PLC的知識，不僅讓我們明白了好多PLC使用的方法，也讓我們了解了PLC的發(fā)展史。在通過我們本學(xué)期對PLC這門課程的學(xué)習(xí)，才讓我們有了這次課程設(shè)計(jì)，雖然我們還是對PLC缺少一些了解，但是本次課程設(shè)計(jì)已經(jīng)幫助我們了解了很多的知識，我想通過這次課程設(shè)計(jì)，讓我們在以后的生活中，在以后的工作中，都能夠很好的完成我們要做的很多關(guān)于PLC的任務(wù)。關(guān)鍵詞 可編程控制器 PLC 控制 應(yīng)用1、課程設(shè)計(jì)概述1.1 PLC概述由于PLC在不斷發(fā)展，因此，對它下一個確切的定義是困難的。1980年P(guān)LC問世后，由美國電氣制造商協(xié)會(National Electric ManufacturerAssociation NEMA)對PLC下過如下的定義:PLC是一種數(shù)字式的電子裝置。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)數(shù)、計(jì)時和算術(shù)運(yùn)算等功能，用來對各種機(jī)械或生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。1982年，國際電工委員會(International Electrical Committee IEC)頒布了PLC標(biāo)準(zhǔn)草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版對PLC作了如下的定義:PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸人和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。目前，在電梯的控制方式上，主要有繼電器控制、PLC控制和微型計(jì)算機(jī)控制三種。而PlC實(shí)際上是一種專用計(jì)算機(jī)，它采用巡回掃描的方式分時處理各項(xiàng)任務(wù)，而且依靠程序運(yùn)行，這就保證只有正確的程序才能運(yùn)行，否則電梯不會工作；又由于PLC中的內(nèi)部輔助繼電器及保持繼電器等實(shí)際上是PLC系統(tǒng)內(nèi)存工作單元，即無線圈又無觸點(diǎn)，使用次數(shù)不受限制，屬無觸點(diǎn)運(yùn)行，因此，它比繼電器控制有著明顯的優(yōu)越性，運(yùn)行壽命更長，工作更加可靠安全，自動化水平更高。PLC控制是三種控制方式中最具有可靠性、實(shí)用性和靈活性的控制方式，它更適合于用在電梯的技術(shù)改造和控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代，是電梯控制系統(tǒng)中理想的控制新技術(shù)。一個新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護(hù)也將導(dǎo)致運(yùn)行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本?？傊?，電梯的控制是比較復(fù)雜的，可編程控制器的使用為電梯的控制提供了廣闊的空間。PLC是專門為工業(yè)過程控制而設(shè)計(jì)的控制設(shè)備，隨著PLC應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，將使得它的體積大大減小，功能不斷完善，過程的控制更平穩(wěn)、可靠，抗干擾性能增強(qiáng)、機(jī)械與電氣部件有機(jī)地結(jié)合在一個設(shè)備內(nèi)。因此，它已經(jīng)成為電梯運(yùn)行中的關(guān)鍵技術(shù)。1.2 SIEMENS S7-200簡介S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動系統(tǒng)。 CPU 226： 24V DC電源，24V DC輸入，24V DC輸出，100230V AC電源 24V DC輸入，繼電器輸出。本機(jī)集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O 點(diǎn)。可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35路模擬量I/O 點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。2、基于PLC 的步進(jìn)電機(jī)控制2.1 設(shè)計(jì)要求學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，提供的設(shè)備中南京工學(xué)院儀器為三相六拍的，設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的控制，及用1個按鍵實(shí)現(xiàn)3 檔調(diào)速即快速、中速、慢速。同時用一位數(shù)碼管顯示當(dāng)前的速度狀態(tài)：快、中、慢分別用1、2、3 表示。2.2 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3、2/3,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3，C與齒3向右錯開2/3。旋轉(zhuǎn)： 如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3，此時齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移（-1/3）=2/3。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3，此時齒4與A偏移為1/3對齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。2.3 步進(jìn)電機(jī)各按鍵的作用序號名稱輸入口序號名稱輸出口1脈沖數(shù)控制I0.05A相輸入Q0.02起停按鍵I0.16B相輸入Q0.13正反轉(zhuǎn)按鍵I0.27C相輸入Q0.24低速輸入控制I0.38低速脈沖輸出Q0.45中速輸入控制I0.49中速脈沖輸出Q0.56高速輸入控制I0.510高速脈沖輸出Q0.62.4 基于PLC 的步進(jìn)電機(jī)控制程序梯形圖2.5 問題及解決方法步進(jìn)電機(jī)是我們本次課程設(shè)計(jì)的第一個課題,剛開始對步進(jìn)電機(jī)的工作原理不明白,不知道脈沖如何發(fā)送,經(jīng)過上網(wǎng)查詢和圖書館查閱相關(guān)資料解決了此問題，明白了步進(jìn)電機(jī)的工作原理，我們的使用的是三相六拍的步進(jìn)電機(jī)，通過給步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖使它轉(zhuǎn)動，當(dāng)有一個脈沖時步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度。同時，對于調(diào)速輸入脈沖數(shù)無法控制，經(jīng)過查閱資料和實(shí)踐琢磨也將此問題解決，我們主要是通過定時，讓記數(shù)器計(jì)算我們規(guī)定的時間內(nèi)的脈沖數(shù)目來是步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)高、中、低的三速轉(zhuǎn)動。3、PLC 實(shí)現(xiàn)智能交通燈控制3.1設(shè)計(jì)要求南北方向?yàn)橹鞲傻?，東西方向?yàn)榇胃傻?。東西方向紅燈亮20s，南北方向綠燈亮13s，閃4 次（每次0.5s 亮，0.5s 滅），黃燈亮3s；然后，東西方向綠燈亮8s，閃3 次（每次0.5s 亮，0.5s 滅），黃燈亮3s，南北方向的紅燈亮14s；再然后，東西方向紅燈亮20s，南北方向綠燈亮13s，閃4這樣?xùn)|西南北交通燈循環(huán)運(yùn)行；當(dāng)人行道上有人要過馬路時，按相應(yīng)人行道按鈕，延時4s 鐘后（為了給正行駛在馬路上的機(jī)動車通過時間）人行道及同向馬路變綠燈，而垂直方向馬路燈及人行燈變紅燈，延時6s 鐘后，垂直方向馬路燈及人行燈變綠燈且馬路燈恢復(fù)正常循環(huán)運(yùn)行。南北方向的時間用LED 顯示。3.2系統(tǒng)運(yùn)行過程分析南北方向?yàn)橹鞲傻溃瑬|西方向?yàn)榇胃傻?。按下I0.0開始啟動，開始次干道處于禁止通行的狀態(tài)，主干道處于允許通行的狀態(tài)。在東西紅燈亮期間，東西紅燈亮20s，南北綠燈量13s，閃爍4s，黃燈亮3秒，均在一總定時器前20 秒完成，各燈分別在總定時器0到13秒，13秒到17秒，17秒到20秒內(nèi)完成，其中閃爍需要0.5秒定時器來完成。當(dāng)上述一切完成時，進(jìn)入南北紅燈亮?xí)r期，在紅燈亮?xí)r期有上述基本相同。在總定時器的20到34秒期間，南北紅更燈亮14s，東西綠燈亮8亮，閃爍3秒，黃燈亮3秒，各燈分別在總定時器20到28秒，28秒到31秒，31秒到34秒內(nèi)完成，其中閃爍也需要0.5秒定時器來完成當(dāng)一切均完成一遍的時候，在從總定時器的0秒開始從新及時，不斷循環(huán)。在使用人行橫道呼叫時，按下SW1、SW2、SW3、SW4后，與以定時器4s延時供正常嘉實(shí)的機(jī)動車一定得通過時間，4秒過后，相應(yīng)的人行橫道和相應(yīng)的主干道或次干道的綠燈通行，在通過定時器6s過后恢復(fù)到原來正常秩序。東西方向交通燈狀態(tài)紅燈亮20S綠燈亮8S綠燈閃3S黃燈亮3S南北方向交通燈狀態(tài)綠燈亮13S綠燈閃4S黃燈亮3S紅燈亮14S3.3系統(tǒng)時序圖3.4 輸出地址分配輸入信號定時元件輸出信號名稱代號輸入點(diǎn)編號名稱代號輸出點(diǎn)編號啟動按鈕I0.0STARTI0.0T37東西紅燈EWRQ0.0T37南北綠燈SNGQ0.1T37,T38,T39南北閃爍SNGQ0.1T37南北黃燈SNYQ0.2T42南北紅燈SNRQ0.3T43東西綠燈SNGQ0.4T44,T45東西閃爍SNGQ0.4T46東西黃燈SNYQ0.5人行道按鈕1SW1SW4I0.1T47,T48南北綠燈SNGQ0.3人行道按鈕2SW2SW3I0.2T49,T50東西綠燈EWGQ0.03.5 PLC 實(shí)現(xiàn)智能交通燈控制程序梯形圖3.6 問題及解決方法 交通燈是我們的第二個課題，東西和南北燈的顯示都進(jìn)行的比較順利，只有在加入南北人行道和東西人行道是無法實(shí)現(xiàn)其功能，后來在同學(xué)的幫助和上網(wǎng)翻閱資料才將此問題解決。雖然我們在同學(xué)幫助和查閱資料后，實(shí)現(xiàn)了加入人行道的功能，可是在設(shè)計(jì)梯形圖時我們還是遇到了一些困難，在延時時我們開始沒有辦法成功的加入，后面通過自己的摸索，還是成功的完成了這一功能。4、 基于PLC 的四層電梯控制。4.1 系統(tǒng)原理說明4.11 原理采用PLC構(gòu)成四層簡易電梯電氣控制系統(tǒng)。電梯的上、下行由一臺電動機(jī)拖動，電動機(jī)正轉(zhuǎn)為電梯上升，指示燈Q2.2，反轉(zhuǎn)為下降指示燈Q2.1。一層有上升呼叫按鈕I0.3，二層有上升呼叫按鈕I0.2以及下降呼叫按鈕I0.4，三層有上升呼叫按鈕I0.2以及下降呼叫按鈕I0.5，四層有下降呼叫按鈕I0.0。一至四層有到位行程開關(guān)I1.1I1.4。電梯內(nèi)有一至四層呼叫按鈕,分別為I0.6、I0.7、I1.5、I1.0。一層至四層外部有指示燈，用數(shù)碼管顯示樓層，分別為Q0.0Q0.6。4.1.2 四層電梯要求 有內(nèi)外呼按鈕，數(shù)碼管實(shí)時顯示樓層數(shù)，運(yùn)行要切合實(shí)際電梯。有逆向呼叫時，若同向無呼叫，則立即響應(yīng)。例：電梯響應(yīng)3 層電梯，電梯上行，若上行過程中，1 樓又有人呼叫，電梯到達(dá)3 層后，若更高層無呼叫，則立即下行，而不是先到達(dá)最高層。4.1.3 I/O端子分配圖 輸入端：四層外呼下行I0.0 三層外呼下行I0.5 二層外呼下行I0.4 一層外呼上行I0.3 二層外呼上行I0.2 三層外呼上行I0.1 一層內(nèi)呼I0.6 二層內(nèi)呼I2.1 三層內(nèi)呼I1.5 四層內(nèi)呼I1.0 一層行程開關(guān)I1.1 二層行程開關(guān)I1.2 三層行程開關(guān)I1.3 四層行程開關(guān)I1.4 電梯UP鍵I2.2 電梯DOWN鍵I2.3 總啟動I0.7輸出端：數(shù)碼管a、b、c、d、e、f、g分別對應(yīng)Q0.0Q0.6 一層行程開關(guān)Q1.0，二層行程開關(guān)Q1.1，三層行程開關(guān)Q2.0，四層行程開關(guān)Q2.1 電機(jī)正轉(zhuǎn)Q2.2 電梯反轉(zhuǎn)Q2.3序號名稱輸入點(diǎn)序號名稱輸出點(diǎn)0四層外呼下行I0.00一層指示燈Q1.01三層外呼下行I0.51一層指示燈Q1.12二層外呼下行I0.42一層指示燈Q2.03一層外呼上行I0.33一層指示燈Q2.14二層外呼上行I0.24電機(jī)正轉(zhuǎn)Q2.25三層外呼上行I0.15電梯反轉(zhuǎn)Q2.36一層內(nèi)呼I1.66aQ0.07二層內(nèi)呼I2.17bQ0.18三層內(nèi)呼I1.58 cQ0.29四層內(nèi)呼I2.09 dQ0.310一層行程開關(guān)I1.110 eQ0.411二層行程開關(guān)I1.211 fQ0.512三層行程開關(guān)I1.312 gQ0.613四層行程開關(guān)I1.41314電梯UP鍵I2.21415電梯DOWN鍵I2.31516總啟動按鍵I0.7164.2 基于PLC 的四層電梯控制程序梯形圖4.3問題及解決方法電梯設(shè)計(jì)是所做的最后一個課題，主要問題是七段數(shù)碼管的顯示問題，后來查閱資料，了解到了程序設(shè)計(jì)中seg指令的應(yīng)用技巧，成功解決了數(shù)碼顯示的問題。第二個就是電梯逆行問題，起初不了解PLC仿真的運(yùn)行環(huán)境，不能準(zhǔn)確了解繼電器的運(yùn)行狀態(tài)，后來經(jīng)學(xué)習(xí)能熟練操作，這一問題也迎刃而解。在電梯設(shè)計(jì)中我們遇到的問題最多，我們在設(shè)計(jì)之初，對程序圖一點(diǎn)思路都沒有，后面我們還是借助別人的設(shè)計(jì)好的程序，自己一點(diǎn)點(diǎn)的摸索，在弄明白別人的程序的基礎(chǔ)上我們才完成了我們的電梯程序。23課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過這次設(shè)計(jì)實(shí)踐。我學(xué)會了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運(yùn)用中，提高了我們的工程素質(zhì)，在沒有做實(shí)踐設(shè)計(jì)以前，我們對知道的撐握都是思想上的，對一些細(xì)節(jié)不加重視，當(dāng)我們把自己想出來的程序與到PLC中的時候，問題出現(xiàn)了，不是不能運(yùn)行，就是運(yùn)行的結(jié)果和要求的結(jié)果不相符合。能過解決一個個在調(diào)試中出現(xiàn)的問題，我們對PLC 的理解得到加強(qiáng)，看到了實(shí)踐與理論的差距。通過合作，我們的合作意識得到加強(qiáng)。合作能力得到提高。上大學(xué)后，很多同學(xué)都沒有過深入的交流，在設(shè)計(jì)的過程中，我們用了分工與合作的方式，每個人互責(zé)一定的部分，同時在一定的階段共同討論，以解決分工中個人不能解決的問題，在交流中大家積極發(fā)言，和提出意見，同時我們還向別的同學(xué)請教。在此過程中，每個人都想自己的方案得到實(shí)現(xiàn)，積極向同學(xué)說明自己的想法。能過比較選出最好的方案。在這過程也提高了我們的表過能力。通過本次設(shè)計(jì)，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實(shí)際，與具體項(xiàng)目、課題相結(jié)合開發(fā)、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應(yīng)用于實(shí)際，又讓我們懂得了在實(shí)踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。在本次設(shè)計(jì)中，我們還需要大量的以前沒有學(xué)到過的知識，于是圖書館和INTERNET成了我們很好的助手。在查閱資料的過程中，我們要判斷優(yōu)劣、取舍相關(guān)知識，不知不覺中我們查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。我們學(xué)習(xí)的知識是有限的，在以后的工作中我們肯定會遇到許多未知的領(lǐng)域，這方面的能力便會使我們受益非淺。在設(shè)計(jì)過程中，總是遇到這樣或那樣的問題。有時發(fā)現(xiàn)一個問題的時候，需要做大量的工作，花大量的時間才能解決。自然而然，我的耐心便在其中建立起來了。為以后的工作積累了經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)了信心。參