基于PLC的步進電機控制

目錄摘要11、課程設計概述21.1 PLC概述21.2 SIEMENS S7-200簡介32、基于PLC 的步進電機控制32.1 設計要求32.2 三相六拍步進電機的工作原理32.3 步進電機各按鍵的作用42.4 基于PLC 的步進電機控制程序梯形圖52.5 問題及解決方法73、PLC 實現(xiàn)智能交通燈控制3.1設計要求83.2系統(tǒng)運行過程分析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課程設計總結20參考文獻21致謝22摘要個人計算機（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，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。 上世紀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)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，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用廣泛。通過這次課程設計使我們了解了更多的關于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。在通過我們本學期對PLC這門課程的學習，才讓我們有了這次課程設計，雖然我們還是對PLC缺少一些了解，但是本次課程設計已經(jīng)幫助我們了解了很多的知識，我想通過這次課程設計，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于PLC的任務。關鍵詞 可編程控制器 PLC 控制 應用1、課程設計概述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PLC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，實現(xiàn)邏輯運算、順序運算、計數(shù)、計時和算術運算等功能，用來對各種機械或生產(chǎn)過程進行控制。1982年，國際電工委員會(International Electrical Committee IEC)頒布了PLC標準草案，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)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸人和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴展其功能的原則而設計。目前，在電梯的控制方式上，主要有繼電器控制、PLC控制和微型計算機控制三種。而PlC實際上是一種專用計算機，它采用巡回掃描的方式分時處理各項任務，而且依靠程序運行，這就保證只有正確的程序才能運行，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際上是PLC系統(tǒng)內(nèi)存工作單元，即無線圈又無觸點，使用次數(shù)不受限制，屬無觸點運行，因此，它比繼電器控制有著明顯的優(yōu)越性，運行壽命更長，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、實用性和靈活性的控制方式，它更適合于用在電梯的技術改造和控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代，是電梯控制系統(tǒng)中理想的控制新技術。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)濟效益和社會效益，但新工程的投入、技術的培訓、設備的維護也將導致運行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益，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)過程控制而設計的控制設備，隨著PLC應用技術的不斷發(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、機械與電氣部件有機地結合在一個設備內(nèi)。因此，它已經(jīng)成為電梯運行中的關鍵技術。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)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(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。本機集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O 點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的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，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。2、基于PLC 的步進電機控制2.1 設計要求學習步進電機的工作原理，提供的設備中南京工學院儀器為三相六拍的，設計程序實現(xiàn)對步進電機啟動、停止、正轉、反轉的控制，及用1個按鍵實現(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 三相六拍步進電機的工作原理步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。結構： 電機轉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子齒軸線錯開。0、1/3、2/3,（相鄰兩轉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： 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應與B對齊，此時轉子向右移過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應與C對齊，此時轉子又向右移過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，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉。如按A，C，B，A通電，電機就反轉。 由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。 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，這就是電機細分驅動的基本理論依據(jù)。2.3 步進電機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 的步進電機控制程序梯形圖2.5 問題及解決方法步進電機是我們本次課程設計的第一個課題,剛開始對步進電機的工作原理不明白,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資料解決了此問題，明白了步進電機的工作原理，我們的使用的是三相六拍的步進電機，通過給步進電機輸入脈沖使它轉動，當有一個脈沖時步進電機轉動一個角度。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)器計算我們規(guī)定的時間內(nèi)的脈沖數(shù)目來是步進電機實現(xiàn)高、中、低的三速轉動。3、PLC 實現(xiàn)智能交通燈控制3.1設計要求南北方向為主干道，東西方向為次干道。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這樣東西南北交通燈循環(huán)運行；當人行道上有人要過馬路時，按相應人行道按鈕，延時4s 鐘后（為了給正行駛在馬路上的機動車通過時間）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正常循環(huán)運行。南北方向的時間用LED 顯示。3.2系統(tǒng)運行過程分析南北方向為主干道，東西方向為次干道。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。當上述一切完成時，進入南北紅燈亮時期，在紅燈亮時期有上述基本相同。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延時供正常嘉實的機動車一定得通過時間，4秒過后，相應的人行橫道和相應的主干道或次干道的綠燈通行，在通過定時器6s過后恢復到原來正常秩序。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編號名稱代號輸出點編號啟動按鈕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現(xiàn)其功能，后來在同學的幫助和上網(wǎng)翻閱資料才將此問題解決。雖然我們在同學幫助和查閱資料后，實現(xiàn)了加入人行道的功能，可是在設計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、下行由一臺電動機拖動，電動機正轉為電梯上升，指示燈Q2.2，反轉為下降指示燈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)碼管實時顯示樓層數(shù)，運行要切合實際電梯。有逆向呼叫時，若同向無呼叫，則立即響應。例：電梯響應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3 層后，若更高層無呼叫，則立即下行，而不是先到達最高層。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I1.1 二層行程開關I1.2 三層行程開關I1.3 四層行程開關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Q0.0Q0.6 一層行程開關Q1.0，二層行程開關Q1.1，三層行程開關Q2.0，四層行程開關Q2.1 電機正轉Q2.2 電梯反轉Q2.3序號名稱輸入點序號名稱輸出點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電機正轉Q2.25三層外呼上行I0.15電梯反轉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I1.110 eQ0.411二層行程開關I1.211 fQ0.512三層行程開關I1.312 gQ0.613四層行程開關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計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，了解到了程序設計中seg指令的應用技巧，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仿真的運行環(huán)境，不能準確了解繼電器的運行狀態(tài)，后來經(jīng)學習能熟練操作，這一問題也迎刃而解。在電梯設計中我們遇到的問題最多，我們在設計之初，對程序圖一點思路都沒有，后面我們還是借助別人的設計好的程序，自己一點點的摸索，在弄明白別人的程序的基礎上我們才完成了我們的電梯程序。23課程設計總結通過這次設計實踐。我學會了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。在對理論的運用中，提高了我們的工程素質(zhì)，在沒有做實踐設計以前，我們對知道的撐握都是思想上的，對一些細節(jié)不加重視，當我們把自己想出來的程序與到PLC中的時候，問題出現(xiàn)了，不是不能運行，就是運行的結果和要求的結果不相符合。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，看到了實踐與理論的差距。通過合作，我們的合作意識得到加強。合作能力得到提高。上大學后，很多同學都沒有過深入的交流，在設計的過程中，我們用了分工與合作的方式，每個人互責一定的部分，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請教。在此過程中，每個人都想自己的方案得到實現(xiàn)，積極向同學說明自己的想法。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。通過本次設計，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體項目、課題相結合開發(fā)、設計產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應用于實際，又讓我們懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。在本次設計中，我們還需要大量的以前沒有學到過的知識，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。我們學習的知識是有限的，在以后的工作中我們肯定會遇到許多未知的領域，這方面的能力便會使我們受益非淺。在設計過程中，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，增強了信心。參