完整word版基于plc的步进电机控制课程设计Word文件下载.docx
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本文详细阐述了该系统中PLC（西门子）直接控制步进电机的实现方法、系统的各部件的组成、各部件的连接情况。
本文主要介绍了西门子S7-200在步进电机控制方面的应用。
关键词：
步进电机；
可编程逻辑控制器（PLC）；
西门子S7-200
1概述
可编程逻辑控制器（PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段后，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。
2可编程逻辑控制器
2.1PLC的定义
在二十世纪七十年代PLC问世后，由美国电气制造商协会对PLC下过如下的定义:
PLC是一种数字式的电子装置。
它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。
1982年，国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee-IEC）颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版对PLC作了如下的定义:
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计的。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关外部设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
2.2PLC的功能
（1）开关量逻辑控制
（2）模拟量控制
（3）闭环过程控制
（4）定时控制
（5）计数控制
（6）顺序（步进）控制
（7）数据处理
（8）通信和联网
2.3PLC的特点
（1）可靠性高、抗干扰能力强
（2）通用性强、灵活性好、功能齐全
（3）编程简单、使用方便
（4）模块化结构
（5）安装简单、调试方便
（6）网络通信
（7）体积小、能耗低、便于机电一体化
2.4PLC的基本组成
从广义上说，PLC也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的使用与控制要求的编程语言。
所以PLC与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等,如图2.1所示：
SBKM
YV
SQYV
HL
SAHL
图2.1可编程逻辑控制器的基本组成
2.5PLC的工作原理
（一）建立I/O映像区
在PLC存储器内开辟了I/O映像区。
PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在相应的位上；
将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。
PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映像区，而不直接与外部设备发生关系。
I/O映像区的建立，使PLC工作失职和内存有关的得知单元内所存信息状态发生关系，而系统输出也只是给内存某一地址单元设定一个状态。
这样不仅加快程序执行速度，而且还是控制系统与外界隔离，提高了系统的抗干扰能力。
同时控制系统远离实际对象，为硬件标准化生产创造了条件。
（二）循环扫描的工作方式
PLC上电后，在系统程序的监控下，周而复始的按一定的顺序对系统内部的各种人物进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程。
执行一个循环扫描过程所需的时间称为扫描周期，其典型值是1-100MS。
图2.2PLC的工作过程
PLC的工作过程，与CPU的操作方式有关。
CPU有两个操作方式：
STOP方式和RUN方式。
在扫描周期内，STOP方式和RUN方式的主要差别在于：
RUN方式下执行用户程序，而在STOP方式下不执行用户程序。
PLC对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。
（三）输入、输出延迟响应
由于PLC采用循环扫描的工作方式，即对信息采用串行处理方式，必定导致输入、输出延迟响应。
当PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这段时间就称为响应时间或滞后时间。
这种现象称为输入、输出延迟响应或滞后现象。
2.6S7-200PLC系统的基本组成
S7-200PLC有基本单元（S7-200CPU模块）、个人计算机（PC）或编程器、STEP7-Micro/WIN32编程软件以及通信电缆组成。
基本单元也成为主机，由中央处理单元（CPU）、电源以及数字量输入输出单元组成。
这些单元被紧凑的安装在一个独立的装置中。
基本单元可以构成一个独立的控制系统。
图2.3S7-200CPU模块
S7-200PLC主机型号规格种类较多，以适应不同需求的控制场合。
西门子公司推出的S7-200CPU22X系列产品有：
CPU221模块、CPU224模块、CPU226模块等。
例如，CPU226模块的I/O总数为40点。
其中输入点24点，输出点16点。
可带7个扩张模块，用户程序存储器容量为6.6K字。
内置高速计数器，具有PID控制器的功能。
有2个高速脉冲端和2个RS-485通信口。
具有PPI通信协议和自由口协议的通信能力。
运行速度快、功能强。
适用于要求更高的中小型控制系统。
24个数字量输入点分成两组。
第一组由输入端子I0.0-I0.7、I1.0-I1.4共13个输入点组成，每个外部输入的开关信号均有个输入端子接出，经一个直流电源终至公共端1M；
第二组有输入端子I1.5-I1.7、I2.0-I2.7共11个输入点组成，每个外部输入信号有个输入端子接出，经一个直流电源至公共端2M。
由于是直流输入模块，所以采用直流电源作为检测各输入接点状态的电源。
M、L+两个端子提供DC24V/400mA传感器电源，可以作为传感器的电源输出，也可以作为输入端的检测电源使用。
16个数字量输出点分成三组。
第一组由输出端子Q0.0-Q0.3共4个输出点与公共端1L组成；
第二组有输出端子Q0.4-Q0.7、Q1.0共5个输出点与公共端2L组成；
第三组由输出端子Q1.1-Q1.7共7个输出点与公共端3L组成。
每个负载的一端与输出点相连，另一端经电源与公共端相连。
由于是继电器输出方式，所以既可带直流负载，也可代交流负载。
负载的基里原有负载性质确定。
输出端子排的右端N、L1端子是供电电源AC120V/240V输入端。
该电源电压允许范围为AC85-264V。
3硬件设计
3.1控制要求
在步进电机单元完成本实验。
使用接通延时定时器指令，可以大大简化程序设计。
输入端（IN）接通时，当定时器的当前值等于或大于设定值（PT）时，该定时器位置位为“1”，运用定时器的这个特点可实现步进电机的控制。
图3.1步进电动机控制的模拟实验面板图
3.2可编程序控制器的控制系统设计
3.2.1PLC控制系统的设计原则
在最大限度的满足被控对象控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、安全可靠，并考虑到今后生产的发胀和工艺的改进，在选择PLC机型时，应适当留有余地。
3.2.2PLC控制系统的设计内容及步骤
（一）分析控制对象
在确定采用PLC控制后，应对被控对象工艺流程的特点和要求做深入了解、详细分析、认真研究，明确控制的任务、范围、和要求，根据工业指标，合理的制定和选取控制参数，使PLC控制系统最大限度的满足被控对象的工艺要求。
控制要求，主要指控制的基本方式、必须完成的动作时序和动作条件、应具备的操作方式、必要的保护和联锁等，可用控制流程图和系统框图的形式来描述。
在明确了控制任务和要求后，须选择电器传动方式和电动机、电磁阀等执行机构的类型和数量，拟定电动机起动、运行、调速、转向、制动等控制要求；
确定输入、输出设备的种类和数量，分析控制过程中输入、输出设备后之间的关系，了解对输入信号的响应速度等。
（二）PLC控制系统的硬件配置
PLC控制系统的硬件设计包括急性选择、输入/输出模块的选择、画出输入/输出端子的接线图等内容。
（三）软件设计
软件设计就是在硬件设计的基础上，分配输入输出元件的地址号，应用相关编程软件编写用户应用程序。
根据控制要求设计出梯形图或语句表等语言的程序，这是整个设计的核心工作。
（四）输入程序并调试程序
将编译通过的程序可下载到PLC中，进行室内模拟调试，如果孔子系统是由几个部分组成，则应先做局部调试，然后再进行整体调试。
调试中出现的问题，要着意排除，直至调试成功。
（五）固化程序
若程序须频繁修改，可选用RAM；
若长期使用不需改变后运行期结束，可选用EPROM或EEPROM。
八一调试通过的程序写入EPROM或EEPROM，将程序固化，PLC控制系统就可正式投运。
3.2.3接通延时定时器（TON）
接通延时定时器（TON）指令在启动输入IN为打开时，开始计时。
定时器当前值Txxx为当前时间（时间基数的倍数）。
定时器当前值等于预设时间（PT）时，定时器到达输出Q打开。
定时器当前值到达定时器预设时间（PT）后，定时器停止计时。
启动输入IN为关闭时，定时器当前值被清除。
在STL中，TON的启动输入IN是堆栈顶值。
TON、TONR和TOF定时器有三种分辨率。
分辨率由下表所示的定时器号码决定。
每一个当前值都是时间基数的倍数。
例如，10毫秒定时器中的计数50表示500毫秒。
图3.2TON指令编程
3.3选择PLC型号
选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题。
目前，国内外生产PLC的厂家很多，不同的厂家的PLC场频随谈基本功能相似，但有些特殊功能、价格、服务及使用的编程指令和编程软件都不同。
而同一厂家生产的PLC产品又有不同的系列，同一系列中又有不同的CPU型号，不同系列、不同型号的。
因此，如何选择合适的机型至关重要。
PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。
选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。
3.3.1I/O点数的估计
I/O点数是PLC的一项重要指标.合理选择I/O点数计可使系统满足控制要求,又可使系统总投资量最低。
PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量等输入/输出设备情况来确定，一般一个输入/输出元件要占用一个输入/输出点。
考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上20%到30%的备用量。
3.3.2用户存储器容量的估算
PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池供电的RAM。
一般微型和小型PLC的存储容量是固定的，介于1-2KB之间。
用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。
因此在程序设计之前只能粗略的估算。
3.3.3CPU功能与结构的选择
PLC的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻
辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等，选型时可考虑以下几点：
1）功能与任务相适应
2）PLC的处理速度应满足实时控制的要求
3）PLC结构合理、机型统一
4）在线编程合理和离线编程的选择
3.3.4机型选择
综上所述，可知本次步进电动机控制的模拟中PLC型号选择：
I/O点数的统计：
输入1点（SD）；
输出4点（A、B、C、D），控制步进电机。
SD为启动按钮。
估计PLC用户程序长度：
为I/O点数的（10-20）倍，选用S7-200CPU226CNAC/DC/RLY输出的PLC即能满足要求。
3.4系统设计流程示意图
N
Y
图3.3系统设计流程图
3.5I/O分配表
表3.1I/O分配表
输入
SD
I0.0
输出
A
B
C
D
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
3.6I/O接线
图3.4I/O接线图
4软件设计
4.1程序设计的主要内容
（一）PLC程序功能分析和设计
PLC程序功能分析和设计实际上是PLC系统功能分析设计中的一个组成部分。
系统的整体功能要求，可以通过硬件和程序两方面来实现。
就软件而言，对工程设计人员就是编制应用程序。
在编写程序之前，手电要确定应用程序的功能，大体上可以从控制功能、操作功能、自诊断功能三方面来考虑。
（二）程序结构设计的分析和设计
模块化的程序设计方法，是PLC程序设计最有效、最基本的方法。
程序结构分析和设计的基本任务就是以模块化程序节后为前提，以系统功能要求为依据，按照相对独立的原则，将全部程序划分为若干个“程序模块”并对每一“模块”提供程序要求、规格说明。
程序设计常采用“自顶向下”的设计方法，使编出的程序清楚、异读。
（三）编制程序规格说明书
程序规格说明书应包括技术要求、编制依据等内容。
如整体应用程序功能要求：
程序模块功能要求；
受控设备及其动作时序、精度、计时、和响应速度要求；
输入装置、输入条件、执行装置、输出条件和接口条件；
输入模块和输出模块或I/O分配表等。
（四）程序设计
根据PLC控制系统硬件结构和生产工艺要求，在程序规格说明书的基础上，使用相应的编程语言指令，编制实际应用程序的过程就是程序设计。
4.2程序设计的步骤
（一）程序框图设计
这部的主要工作是根据程序规格说明书的总体要
求和控制系统具体情况，确定应用程序的基本结构，绘制出程序结构框图；
然后再根据工艺要求，绘制出个功能单元的详细功能框图。
（二）分配I/O编号
在编写程序前，还要给每一个输入/输出信号分配
相应的地址，给出每个地址对应的信号的含义、名称并列成表，以便软件编程和系统调试时使用，这种表叫I/O分配表，也叫输入输出地址表。
（三）编写程序
编写程序就是根据设计出的框图逐条的编写控制程序，这是整个课程设计的核心部分。
应尽量使用编程软件，如STEP7-Micro/WIN32等。
梯形图语言是最普遍使用的编程语言。
在编写程序的过程中，可以借鉴现成的典型控制环节程序。
另外，编写程序过程中要及时对编写的程序进行注释，以免旺季期间相互间关系，最好随编随注，以便阅读和调试。
（四）程序调试
程序调试是整个程序设计工作中一项很重要的内容，它可以初步检查程序的实际效果。
程序调试和程序编写是分不开的，程序的许多功能是在调试中修改和完善的。
调试时可先设定输入信号，观察输出信号（对应输出点的LED数码显示）的变化情况；
确认无误后再现场调试，必要时可以借用某些仪器仪表，测试个部分的借口情况，直至满意为止。
（五）编写程序说明书
程序说明书时对程序的综合说明，使整个程序设计工作的总结。
编写程序设计说明书的木的是便于程序的使用者和现场调试人员使用，它是程序文件的组成部分。
程序说明书一般包括程序设计的依据、程序的基本结构、各功能单元分析、使用的公式和原理、各参数的来源和运算过程、程序调试情况等。
4.3设计梯形图
4.3.1梯形图编程语言概述
梯形图（LAD）是与电气控制电路图相呼应的图形语言。
它沿用了继电器、触点、串并联等术语和类似的图形符号，并简化了符号，还增加了一些功能性的指令。
梯形图是融逻辑操作、控制于一体，面向对象的、实时的、图形化的编程语言。
梯形图信号流向清楚、简单、直观、易懂，很适合电气工程人员使用。
梯形图（LAD）在PLC中使用得非常普遍，通常各厂家，各型号PLC都把它作为第一用户语言。
4.3.2梯形图指令程序
4.4设计语句表
语句表（STL）使用助记符来表达PLC的各种控制功能的。
它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言直观易懂，编程简单，因此也是应用很广泛的一种编程语言。
这种编程语言可使用简易编程器编程，但比较抽象，一般于梯形图语言配合使用，互为互补。
目前，大多数PLC都有语句表编程功能，但各厂家生产PLC的语句表（STL）所用的助记符互不相同，不能兼容。
Network1//网络标题
LDT40
EU
SHRBM0.0,M20.0,+4
Network2
LDM20.4
ONI0.0
RM20.0,4
Network3
LDM20.3
RM0.1,1
Network4
LDM20.0
SM0.1,1
Network5
LDI0.0
ANM0.1
=M0.0
Network6
ANT41
TONT40,+1
Network7
TONT41,+1
Network8
=Q0.0
Network9
LDM20.1
=Q0.1
Network10
LDM20.2
=Q0.2
Network11
=Q0.3
5调试
步进电机的控制系统由可编程控制器和步进电机功率驱动器组成，控制系统中PLC用来产生控制脉冲；
通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角；
同时通过编程控制脉冲频率。
在输入端输入一串脉冲信号（1000），在移位脉冲作用下，此脉冲信号依次移位（1000-0100-0010-0001-1000-…...）至各个寄存器的内部继电器（Q0.0-Q0.1-Q0.2-Q0.3-Q0.0-……）中，并将这些内部继电器的状态输出（LED灯A亮-B亮-C亮-D亮-A亮-……）。
若将梯形图网络三中复位指令的指令操作数M0.1改为M0.2或M0.3，各个寄存器的内部继电器的状态输出将发生改变（1000-0100-0010-0001，即A亮-B亮-C亮-D亮），不会循环移位；
若将梯形图网络四中置位指令的指令操作数M0.1改为M0.2或M0.3，各个寄存器的内部继电器的状态输出将发生改变（1000-1100-1110-1111，即A亮-AB亮-ABC亮-ABCD亮），不会循环移位。
6结束语
这次课程设计我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。
课程设计是对学校所学知识的全面总结和综合应用，对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力。
在不断的努力下我的课程设计终于完成了。
课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次课程设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。
自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。
通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。
最后终于做完了有种如释重负的感觉。
此外，还得出一个结论：
知识必须通过应用才能实现其价值！
有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
总之，通过这次课程设计大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。
最后，这次课程设计顺利的完成要感谢康代红老师和吴东升老师的耐心帮助与指导，同时感谢队友的配合与协助！
参考文献
[1]刘顺禧.电气控制技术.北京：
北京理工大学出版社,1995
[2]袁任光.可编程序控制器（PLC）应用技术与实例.第2版.广州：
华南理工大学出版社,2000
[3]谢剑英.微型计算机控制技术.第3版.北京：
国防工业出版社,2001
[4]西门子公司.
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