《可编程控制器》课程设计-五相十拍步进电机控制设计.doc

设 计 任 务 书可编程控制器课程设计全套设计加扣 3012250582设 计 题 目： 五相十拍步进电机控制设计学 院： 机电工程学院学 号：专业（方向）年级： 电气工程及其自动化（3）班学 生 姓 名：福建农林大学机电工程学院电气工程系2017年02月20日可编程控制器课程设计任务书（一） 设计题目五相十拍步进电动机控制程序的设计（二） 情况简介步进电机是一种控制精度极高的电机, 在工业上有着广泛的应用。步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。本次设计主要是采用可编程控制器(PLC) 对五相十拍步进电机进行控制，设计原理及方法。本次设计用PLC控制步进电机系统的原理，及硬件和软件设计方法。其内容主要包括I/O地址分配、PIC外部接线图、控制流程图、梯形图以及语句表。在实际应用中表明此设计是合理有效的。（三） 设计要求3.1任务描述与控制要求3.1.1控制要求：五相步进电动机有五个绕组：A、B、C、D、E正转顺序：ABC BC BCD CD CDE DE DEA EA EAB AB反转顺序：ABC BC BCD CD CDE DE DEA EA EAB AB3.1.2用五个开关控制其工作： 1号开关控制其运行（启/停）。2号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.5S）。3号开关控制其中速运行（转过一个步距角需0.1S）。4号开关控制其高速运行（转过一个步距角需0.03S）。5号开关控制其转向（ON为正转，OFF为反转）（四） 设计步骤1.查找资料，了解和分析题目所要求具体工程项目控制的过程。2.确定I/O点数，选择PLC 的型号，并根据需要进行硬件系统配置。3.绘制外部I/O接线图及相关的电气原理图。4.编程。5调试。6.编写设计说明书。（五） 设计说明书要求1.完整的设计任务书。2.确定I/O点数，选择PLC 的型号，完成系统组态或硬件配置。3.正确合理地进行编程元件的地址分配。4.画出输入/输出接线图及相关电气原理图。5.设计梯形图控制程序。6.编制系统的操作说明。7.编制系统的调试说明及注意事项。8.设计体会（可选）.9.参考文献.（六） 列出设计参考资料目录设计时间 2017 年 2 月 19 日至 2017 年 3 月 2 日（2周）指导教师 : 张 翠 云 设 计 说 明 书可编程控制器课程设计设 计 题 目： 五相十拍步进电机控制设计学 院： 机电工程学院学 号：3146108065专业（方向）年级： 电气工程及其自动化（3）班学 生 姓 名：徐圣烽福建农林大学机电工程学院电气工程系2017年03月01日目录1 引言11.1背景11.2设计内容及目的12 系统总体方案设计22.1 系统硬件配置及组成原理22.1.1系统硬件配置22.1.2 PLC系统的结构组成22.1.3五相十拍步进电机控制原理22.2 系统变量定义及分配表22.3 系统接线图设计33控制系统程序设计53.1 控制程序流程图设计53.2 控制系统的设计思路及设计程序53.3 创新设计内容64、控制系统的上位机设计74.1 人机界面选择74.2 人机界面设计74.2.1通讯连接74.2.2变量设置84.2.3画面组态85、系统调试及结果分析115.1 PLC程序调试及解决的问题115.2 PLC与上位机联调135.3 结果分析13结束语14参考文献：14 1 引言1.1背景步进电机作为执行元件，是电气自动化的关键产品之一，广泛应用于各种自动化控制系统和精密机械等领域，步进电机具有快速起停，精确步进和定位的特点所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件，目前，基于PLC控制步进电机具有设计简单，实现方便，参数设计灵活的特点。步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中。虽然步进电机已经被广泛应用，但是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。它必须由双环脉冲信号，功率驱动器等组成控制系统方能使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械，电机，电子和计算机等许多专业知识。而本次设计采用可编程逻辑控制器PLC，是专门为工业控制面设计的。在设计和制造过程中均采用了屏蔽、滤波、光电隔离等有效措施，并且采用模块式结构，有故障迅速更换，故PLC平均无故障2万小时以上。此外，PLC还具有很强的自诊断功能，可以迅速方便的检查判断出故障，缩短检修时间。并且PLC具有许多优点编程简单是PLC优于微型计算机的一大特点。目前大多数PLC都采用与实际电路接线图非常接近的梯形图编程，这种编程形象直观，易于掌握。PLC具有逻辑运算、定时、计数等很多功能，还能进行、/转换，数据处理，通信联网；并且运行速度很快，精度高。通用性好。品种多，档次也多，许多制成模块式，可灵活组合。体积小,重量轻，功能强，耗能低，环境适应力强，不需要专门的机房和空调。从上述的功能特点可见，控制系统具有很多优点，在许多方面都可以取代继电接触控制。但是，目前的价格还较高，高、中档使用需要具有相当的计算机知识，且制造厂家和品种类型很多，而指令系统和使用方法不尽相同，这给用户带来不便。1.2设计内容及目的本次的课程设计的主题就是：五相十拍步进电机控制的程序设计。本次课程设计主要是控制步进电机的正转，反转以及精确的间隔时间，其中包含了步进电机的软件保护和其相应的硬件保护措施。对于步进电机的精确控制在机械电子等工业领域有着非凡的实际意义。步进电机实际上是一种多相或单相同步电机，使用步进电机需要注意很多事项，通过本次课程设计可以对将来的实践工作有着重要的作用。2 系统总体方案设计2.1 系统硬件配置及组成原理2.1.1系统硬件配置（1）.西门子S7200(CPU224XP)CPU（2）.Siemens S7-200 CPU224XP PPI触摸屏（3）.步进电机驱动功率放大器（4）.五相十拍步进电动机（5）.DC24V直流电源2.1.2 PLC系统的结构组成CPU224XP的用户存储（byte）为12288，16384。用户数据（byte）为10240，本机数字量I/O为14入/10出，本机模拟量I/O为2输入1输出，数字I/O映像区为256（128输入/128输出）。图2-1 PLC系统的结构框图2.1.3五相十拍步进电机控制原理步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械唯一的机电执行元件，它实际上是一种多相或者单相同步电动机。使用步进电动机时，只需要将单路脉冲信号先通过脉冲分配器转变为电动机所需的多路单脉冲信号，再经过功率放大后分别送入电动机各相绕组，即可使步进电机准确运行。如图2-1所示由于PLC的CPU224xp型号输出的电流为毫安级别，而步进电机的电子绕组需要很大的电流才可以驱动其旋转，所以要使用功率放大器来驱动。 图2-1本次课程设计采用定时器控制其输出时间的方法，让其A，B，C，D，E五个绕组按照正转顺序：ABC，BC，BCD，CD，CDE ，DE，DEA ，EA，EAB，AB。反转顺序：ABC，BC，BCD，CD，CDE，DE，DEA，EA，EAB，AB。依次让PLC的输出端输出，以达到控制效果。2.2 系统变量定义及分配表根据不同控制要求，可以定义不同的变量名来代替外界发来的开关信号，并且合理的分配对应的变量，从而针对性的进行开关信号的转变，使程序的可读性增强，使程序在扩展方面更加方便。在我的设计方案中，I/O分配如表2-1、表2-2所示。表2-1 输入信号的定义及地址分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输入信号启动/停止开关开关SB1I0.0低速运行开关SB2I0.1中速运行开关SB3I0.2高速运行开关SB4I0.3转向开关SB5I0.4表2-2 输出信号的定义及地址分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输出信号A相绕组输出接触器KM1Q0.0B相绕组输出KM2Q0.1C相绕组输出KM3Q0.2D相绕组输出KM4Q0.3E相绕组输出KM5Q0.42.3 系统接线图设计接线图，是根据电气设备和电器元件的实际位置和安装情况绘制的，只用来表示电气设备和电器元件的位置、配线方式和接线方式，而不明显表示电气动作原理。主要用于安装接线、线路的检查维修和故障处理。 根据系统变量定义及分配表可以看出，要实现控制目的要利用PLC中的5个输入继电器和5个输出继电器，所以本系统可以选用PLC型号为西门子S7200(CPU224XP)，这种机型的I/O点数分别为14/16；而输入部分的电压可以采用DC24V的直流电，输出部分的电压则必须采用DC24V的直流电，并且热继电器的辅助常闭触点要接在主线上，这样才能达到保护的目的。此五相十拍步进电机控制的接线图可如图2-3所示。图2-3 五相十拍步进电机控制系统接线图3控制系统程序设计3.1 控制程序流程图设计本次课程设计的五相十拍步进电机的控制系统分为两个主要部分：手动模式和自动模式；手动模式下可一步一步输出，使步进电机正转或者反转。自动模式下可以让电机在一定的时间间隔下正转或者反转。具体的程序流程图如图3-1 图3-1 五相十拍步进电机控制的程序流程图3.2 控制系统的设计思路及设计程序设计思路：本次课程设计的步进电机控制功能分为两个部分手动模式和自动模式，设置了手动模式M10.0和自动模式M10.1两个监控开关，在手动模式中根据其对应开关和手动按钮组成的触发条件控制SHRB移位指令来输出每一步操作，对应其输出情况ABC，BC，BCD，CD，CDE ，DE，DEA ，EA，EAB，AB共有10步设置M3.0到M4.1，且每一步控制对应输出位Q0.0，Q0.1，Q0.2，Q0.3，Q0.4输出。而自动模式为设置总的定时器，并且每一个步距角的时间间隔都有一个相应的定时器，然后在一定的时间间隔上让输出位在其定时器相应的时间范围内输出图3-3 步进电机判断模式开关程序设计图系统初始化完，开始判断模式，自动模式下建立各个时间段的有效输出，手动模式下按一次手动按钮，相应输出为按照次序输出。具体的逻辑程序见附录。3.3 创新设计内容在我的程序中，主要的创新点是一个定时器控制时间范围并且在相应的时间对应输出，例如：在转过一个步距角为0.5s的情况下设置定时器T37，经过计算总消耗时间为50x100ms而在T37每个0.5s的时间范围内让相应步的输出位输出，由于定时器计满时间后自然复位，在程序中无需使用顺序控制来将程序循环，从而自然使程序能够循环使用。4、控制系统的上位机设计4.1 人机界面选择对于人机界面，我们此次用的是富昌维控公司的触摸屏来制作。使用人机界面有利于认为对PLC和被控设备进行控制与监测，以及一些紧急情况的快速处理和保护等等。本次课程设计使用的触摸屏为Siemens S7-200 CPU224XP PPI该系列设备具有通讯速度快，运行效率高，处理信息快速，编辑简单方便的特点，非常适合做为本次课程设计的人机界面。4.2 人机界面设计4.2.1通讯连接在系统的设备栏里，点击COM1，接着点击出现的新建设备，西门子S7-200系列PPI，然后选择串口号、设置地址指南等，如下图（图4-1）所示。26 图4-14.2.2变量设置表4-1 上位机输入、输出变量输入变量地址空间输出变量地址空间手动模式开关M10.0A相绕组Q0.0自动模式开关M10.1B相绕组Q0.1启动/停止开关M1.0C相绕组Q0.2手动开关M1.5D相绕组Q0.3正转/反转开关M1.4E相绕组Q0.4步距角0.5s开关M1.1步距角0.1s开关M1.2步距角0.03s开关M1.34.2.3画面组态本次课设的人机界面具体分为三个界面：主界面，手动模式界面和自动模式界面（如下图）。图4-2 进入程序主界面图图4-3手动模式界面图图4-4自动模式界面图图4-3为五相十拍步进电机控制程序的主界面图，设置了2个超级组合按钮和日期，时间显示。当用户要进行步进电机控制时，可以根据实际情况需要，按下手动或自动按钮，进入相关界面进行操作，手动模式主要是让步进电机在调试或者检修情况下，配合手动按钮可以进行手动步进操作，自动模式下仅需打开开关，设置步进时间间隔和正反转之后便可以让步进电机自动步进，界面设置简单，便于用户上手，以及操作方便。图4-5将上位机程序载入触摸屏调试图 图4-6现场调试图片 5、系统调试及结果分析5.1 PLC程序调试及解决的问题根据设计思路利用V4.0 STEP7 Micro WIN SP9软件编写程序，经过编译确认无误后，导出awl程序，接着打开S7-200仿真软件，选择CPU型号为CPU224XP，在工具栏程序中装载之前导出程序块和数据块，点击监视器和运行按钮，就可进行仿真模拟。（也可以在实体机上进行通信-下载-运行，利用监控与状态表来判断正误。）PLC程序的调试是我们写程序中相当关键的一步，调试不仅可以帮我们检查程序的正误及如何改进，而且还能提前让我们了解我们所编程序的最终效果。利用S7-200仿真软件调试步进电机低速和中速运行如下图（图5-1，图5-2，图5-3）。图5-1 步进电机低速运行仿真图图5-2 步进电机中速运行仿真图图5-3 步进电机高速运行仿真图5.2 PLC与上位机联调上位机我采用的是富昌维控公司的触摸屏，用LeviStudio软件来制作编写，人机界面中根据下位机PLC的程序新建一些I/O变量（如表4-1），这些变量需要添加进PLC程序中，才能进行PLC与上位机的联调。PLC与上位机的联调：首先在实验室将线路接通后，在V4.0 STEP7 Micro WIN SP9中打开程序，进行程序的通信，并下载程序，随后运行程序，关闭V4.0 STEP7 软件。紧接着，打开LeviStudio软件，选择自己的工程，编译后下载进入触摸屏，在触摸屏正常显示创建的人机界面并且触摸屏上的COM黄色指示灯闪烁时表明触摸屏与PLC通讯正常。联调时，第一，点击触摸屏中的自动模式按钮进入自动模式界面，左边为速度选择，选择要使用的速度档速，然后打开总开关，并且选择正反转，默认为正转。这些开关的开关顺序没有要求。便可以正常的自动运行步进电机；第二，若要变为手动模式则要关闭速度档开关，然后返回致主界面，电机第二个手动开关，进入手动模式界面，按下手动开关便可以手动控制步进电机的正反转。最后观察是否符合设计要求。只有两者都成功了，才能确保PLC与上位机联调成功。5.3 结果分析经过PLC与上位机的联调，我做的人机界面能够实现远程控制和监测，在联调时所有控制不会产生冲突或者系统奔溃