《LC课程设计报告》word版.doc

中原工学院信息商务学院课程设计报告 专业课程设计报告题目：PLC课程设计 系 别 信息工程系 专业班级 自动092 学生姓名 王浩然 指导教师 孙继卫 提交日期 2012年5月 25日 目 录一.PLC简介4二.实验注意事项8三. STEP 7-Micro/WIN软件的使用83.1. 课程设计目的83.2. 内容93.3. 实验步骤10四.设计过程111.智能抢答器设计111.1. 课程设计目的111.2. 课程设计所需设备111.3. 控制要求及参考121.4. 课程设计及要求131.5.设计过程131.6.流程图141.7.梯形图142.交通灯自动控制162.1. 课程设计目的162.2. 课程设计所需设备162.3. 控制要求及参考172.4. 课程设计内容及要求182.5.设计过程192.6.流程图192.7.梯形图193电机正反转启停控制223.1. 课程设计目的223.2. 课程设计所需设备223.3. 控制要求及参考233.4. 课程设计内容及要求243.5.步进电机及其工作原理253.6.设计思路273.7.流程图283.8.梯形图28五.心得体会30六.参考文献32一.PLC简介 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，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。PLC的基本构成一、电源 可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 二、中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 三、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 。 四、输入输出接口电路 1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。 2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 五、功能模块 如计数、定位等功能模块。 六、通信模块工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段， 即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 一、输入采样阶段 在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 二、用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 三、输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。 功能特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。 一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。 二、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。 起源1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求； 1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。 1969年，美国研制出世界第一台PDP-14； 1971年，日本研制出第一台DCS-8； 1973年，德国研制出第一台PLC； 1974年，中国研制出第一台PLC。 发展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Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，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。 20世纪80年代初，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。 20世纪80年代至90年代中期，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3040%。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。 二.实验注意事项（1）本指导书中，所有PLC模块均采用西门子公司生产的S7-200PLC，该模块CPU的型号是CPU 224 ，软件支持是STEP 7 MicroWIN SP3。（2）软硬件连接时，首先用PC/PPI编程电缆连通计算机和PLC。（3）将PLC外接220V的交流电源，但实验台上的电源开关开始应置于断开状态。（4）为了使PLC模块的输入/输出接线柱和螺钉不会因实验的频繁拆装而导致损坏，本课设的实验装置已经将这些节点用固定连接线接到试验台的固定接线柱上。（5）在计算机上编辑、编译程序（也可提前进行）。（6）在试验台上的电源开关置于断开状态的情况下，按实课程设计内容的要求接好线，检查接线无误后，合上试验台上的电源开关。（7）下载已编译的软件。下载软件时，应将PLC上“RUN”、“STOP”开关置于“STOP”状态。（8）将PLC上“RUN”、“STOP” 开关置于“RUN”状态，则实验开始。（9）严格要求接线步骤，务必保证正确地接线，否则，将会给人身安全和实验设备带来严重后果。三. STEP 7-Micro/WIN软件的使用STEP 7-Micro/WIN软件是针对西门子S7-200PLC而开发的编程软件。本节首先熟悉STEP 7-Micro/WIN软件的基本操作方法，然后进行PLC的练习实验。本节给出了PLC控制系统实验要求的例程序，参考电路等PLC练习实验所需要的所有资料，可以通过程序输入、调试、运行，逐步掌握PLC实验的基本方法。3.1. 课程设计目的（1）练习STEP 7-Micro/WIN编程软件的安装与卸载；（2）掌握用户程序的输入和编辑方法；（3）熟悉基本指令的应用；（4）熟悉语句表指令的应用及其与梯形图等程序的转换；（5）重点掌握S7-200PLC的接线方式。3.2. 内容（1）STEP 7-Micro/WIN编程软件有多重版本，本实训采用的是STEP 7 MicroWIN SP6（V4.0）版本，该软件大小约316M，安装和卸载过程比较简单，在此不再赘述。（2）输入图2.1所示的梯形图，并转换成对应的语句表指令（也可结合教材第5章习题练习）。（3）为梯形图2.1中网络1和网络2注释，并用符号表为I0.0、I0.1、Q0.0添加符号名（符号名可任意设定）。图3.1 梯形图练习（4）练习程序的编辑、修改、复制、粘贴的方法。（5）将图2.1中程序改成图2.2，并转换成语句表程序，分析OLD、ALD语句用法。图3.2 梯形图练习（6）参考教材5.1.8章，练习栈操作指令的使用方法。（7）参考教材5.1.10章，练习定时器指令及参数的输入方法。（8）S7-200PLC的接线方式如下图2.3和图2.4所示（重点）。图3.3 S7-200 CPU224外观图 图3.4 S7-200 CPU224连接器端子接线图3.3. 实验步骤（1）开机（打开计算机电源，但不接PLC电源）。（2）进入S7-200PLC编程软件 。（3）选择编程语言类型（LAD、STL和FBD）。（4）由主菜单或快捷按钮输入、编辑程序。(5) 给PLC上电，进行计算机和PLC之间的连接，如下图2.5。图3.5 计算机和PLC之间的连接（6）进行程序的编译，并观测编译结果，修改程序，直至编译成功。四.设计过程1.智能抢答器设计1.1. 课程设计目的（1）学会用PLC来解决实际问题的思路。（2）掌握定时器的格式及编程方法。（3）学会用互锁和自锁电路为基础构成各输出电路。（4）熟悉PLC装置，S7-200系列可编程控制器的外部接线方法。1.2. 课程设计所需设备（1）编程器1台（PC机）。（2）实验装置1台（含S7-200 24点CPU）。（3）智能抢答器实验模板一块。（4）导线若干。 图4.1.1 抢答示意图1.3. 控制要求及参考 设计一个智力竞赛抢答显示系统，使用参加竞赛人分为儿童组、学生组、成人组,其中儿童两人，学生为一人，成人二人，主持人一人。控制要求：当主持人按下SB0后，指示灯L0亮，表示抢答开始，参赛者方可开始按下按钮抢答；为了公平，要求儿童组只需一人按下按钮，其对应的指示灯亮，而成人组需要二人同时按下二个按钮对应的指示灯才亮；当一个问题回答完毕，主持人按下SB1，一切状态复位；成年人一人违例抢答灯L3闪烁；当抢答开始后时间超过30秒，无人抢答，此时铃响，提示抢答时间已过，此题作废。抢答系统I/O分配表：类别元件元件号备注输入SB0I0.0抢答开始SB1I0.1返回原状SB11I0.2儿童抢答SB12I0.3儿童抢答SB21I0.4学生抢答SB31I0.5成人抢答SB32I0.6成人抢答输出L0Q0.0表示抢答已经开始灯L1Q0.1儿童抢答成功灯L2Q0.2学生抢答成功灯L3Q0.3成人抢答成功灯铃Q0.4抢答时间已过铃1.4. 课程设计及要求（1）按参考电路图完成PLC电路接线（配合通用器件板开关元器件）。（2）输入参考程序并编辑。（3）编译、下载、调试应用程序。（4）通过实验模板，显示出正确运行结果。注意：程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态。1.5.设计过程根据设计要求，首先设计主持人控制电路，当主持人按下I0.0时，指示灯Q0.0得电并且形成自锁，保持通电，并且用定时器制定30秒的抢答时限。然后依次设计各组的抢答器。儿童组只需要一人按下抢答器，故用I0.2,I0.3并联且自锁；学生组只需要一个I0.4就行；成人组需要考虑违例问题，先用两个开关串联成抢答器，在用两个常开和相应的常闭开关构成违例抢答，当成人组违例时闪烁电路启动。最后是超时电路。1.6.流程图1.7.梯形图抢答器梯形图 2.交通灯自动控制2.1. 课程设计目的（1）练习定时器、计数器的基本使用方法。（2）掌握PLC的编程和调试方法。（3）对应用PLC解决实际问题的全过程有个初步了解。（4）熟悉用组态软件建立监控界面的过程。2.2. 课程设计所需设备（1）编程器1台（PC机）。（2）实验装置1台（含S7-200 24点CPU）。（3）交通灯实验模板一块。（4）导线若干。 图4.2.1 交通灯模拟控制板2.3. 控制要求及参考 交通路口红、黄、绿灯的基本控制要求如下： 路口某方向绿灯显示（另一方向亮红灯）10秒后，黄灯以占空比为50的一秒周期（0.5秒脉冲宽度）闪烁3次（另一方向亮红灯），然后变为红灯（另一方向绿灯亮、黄灯闪烁），如此循环工作。PLC I/O端口分配：SB1 I0.0 起动按钮SB2 I0.1 停止按钮 HL1（HL7） Q0.0 东西红灯 HL2（HL8） Q0.1 东西黄灯 HL3（HL9） Q0.2 东西绿灯 HL4（HL10） Q0.4 南北红灯 HL5（HL11） Q0.5 南北黄灯 HL6（HL12） Q0.6 南北绿灯PLC参考电路：图4.2.2 红绿灯控制PLC电气原理图组态王运行系统中的交通灯监控参考画面：图4.2.3 组态王运行系统中的交通灯监控画面2.4. 课程设计内容及要求（1）按参考电路图完成PLC电路接线（配合通用器件板开关元器件）。（2）输入参考程序并编辑。（3）编译、下载、调试应用程序。（4）通过实验模板和组态监考画面，显示出正确运行结果。注意：程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态。2.5.设计过程交通灯应分为东西，南北两组进行设计。按下启动按钮时，系统运行，东西绿灯亮，同时利用定时器设置时间，时间过后黄灯开始闪烁，闪烁电路由定时器构成。南北的循环与东西相同，只是时间不同。2.6.流程图2.7.梯形图交通灯梯形图交通灯组态王仿真3电机正反转启停控制3.1. 课程设计目的（1）练习定时器、计数器的基本使用方法。（2）掌握高速脉冲输出指令的用法。（3）掌握PLC的编程和调试方法。（4） 掌握步进电机运行的控制原理。3.2. 课程设计所需设备（1）编程器1台（PC机）。（2）实验装置1台（含S7-200 24点CPU）。（3）步进电机1台和步进电机驱动器1台。（4）导线若干。 （5）24V直流电源一个。图4.3.1步进电机与步进电机驱动器的接线图参考 图4.3.2 PLC接线图（带驱动器）(参考)图4.3.3 PLC接线图（不带驱动器，输出电源电压应与步进电动机额定电压匹配）（参考）SB1为启动按钮，SB2为停止按钮，SB3为加速按钮，SB4为减速按钮。3.3. 控制要求及参考 （1）两相步进电动机有2个绕组: A、B正转顺序: AB反转顺序: BA（2）用五个开关控制其工作：1 号开关启动按钮。2 号开关停止按钮3 号开关加速按钮。4 号开关减速按钮。PLC I/O端口分配：类别元件元件号备注输入SB1I0.0启动控制SB2I0.1停止控制SB3I0.2加速控制SB4I0.3减速控制输出L0Q0.0连接步进电机驱动器脉冲输入正L1Q0.2连接步进电机驱动器的方向输入正3.4. 课程设计内容及要求（1）按参考电路图完成PLC与步进电机电路接线（配合通用器件板开关元器件）。（2）输入参考程序并编辑。（3）编译、下载、调试应用程序。（4）通过实验模板，显示出正确运行结果。注意：程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态。3.5.步进电机及其工作原理步进电电机是将电脉脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。基本原理：通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。主要特点 1一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 主要特性1 步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止， 如果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。 2 三相步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360 度， 需要48 个脉冲完成。 3 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 4 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。驱动器的特点（1）构成步进电机驱动器系统的专用集成电路： A、脉冲分配器集成电路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。 B、包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如SGS公司的L297、L6506等。 C、只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动）。 D、将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如东芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。3.6.设计思路当步进电机启动时要给步进电机一个初始频率或周期，加速和减速由周期来控制，加速时周期减小，减速时周期增加。3.7.流程图3.8.梯形图电机梯形图电机控制子程序电机加速子程序电机加速子程序五.心得体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关PLC方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而