(完整word版)基于plc的步进电机控制课程设计

1、课程设计任务书分院信息科学与工程学院专业自动化学生姓名学号设计题目步进电动机的控制内容及要求：1.在步进电机单兀完成本课设；2.使用接通延时定时器（TON ）完成本次试验；3.进行 I/O 分配；4.设计 I/O 接线图；5.完成试验的调试。进度及安排：1 熟悉步进电机单元（2 天）；2. 根据步进电机单元分配 I/O 接口并进行设计（1 天）；3. 按照课程设计要求利用接通延时定时器 （TON 设计梯形图，完成设计的要求 实现对步进电机的控制（1 天）。4.编写设计说明书，完成设计书（2 天）。指导教师（签字）：年 月日分院院长（签字）：年 月日步进电机是一种控制精度极高的电机，一种基于脉冲

2、控制的电气元件在工业 上有着广泛的应用。随着微电子技术和计算机技术的发展， 可编程序控制器有了 突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、 顺序控制的范围，它与计算机 有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功能等。论文在简要介绍步进电机 的工作原理和控制原则之后，对采用可编程控制器（PLC 对步进电机进行控制的 设计方法进行了介绍。实际应用表明了设计的有效性。本次课程设计根据传统步进电机控制中的不足和缺点，将 PLC 直接控制技术 运用于步进电机的控制。该系统解决了传统控制技术中的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者一很大的精力和劳动，接口信号的匹配以及各器 件的质量等对整个系

3、统的可靠性影响很大等缺点。根据 PLC 控制步进电机的控制 特点及其原理，把软件控制和硬件电路互相结合起来，形成整体的控制，有效的克 服了它们的缺点而发挥了它们的优势。 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目录1 概述.12 可编程逻辑控制器.22.1PLC 的定义.222PLC 的功能.22.3PLC 的特点 .32.4PLC 的基本组成.32.5PLC 的工作原理 .42.6S7-200PLC

4、系统的基本组成 . 53 硬件设计.73.1控制要求.73.2可编程序控制器的控制系统设计 .73.2.1 PLC 控制系统的设计原则 .73.2.2 PLC 控制系统的设计内容及步骤 . 73.2.3接通延时定时器（TON . 83.3 选择 PLC 型号.93.3.1 I/O 点数的估计. 93.3.2用户存储器容量的估算 .103.3.3 CPU 功能与结构的选择 .103.3.4机型选择.103.4系统设计流程示意图 .113.5I/O分配表.123.6I/O接线.124 软件设计.134.1程序设计的主要内容 .134.2程序设计的步骤.134.3设计梯形图.144.3.1梯形图编程

5、语言概述 . 144.3.2梯形图指令程序. 154.4设计语句表.165 调试.186 结束语.19参考文献.20沈阳理工大学课程设计11 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，

6、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。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 3040%在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算 能力

7、、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。沈阳理工大学课程设计22 可编程逻辑控制器2.1 PLC 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

8、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（International Electrical Committee-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

9、扩充其功能的原则设计。2.2 PLC 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2.3 PLC 的特点(1)可靠性高、抗干扰能力强(2)通用性强、灵活性好、功能齐全沈阳理工大学课程设计3(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2.4 PLC 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

10、具有中央处理器(CP)存储器、输入/输出(I/O ) 接口、电源等,如图 2.1 所示：2.5 PLC 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 接沈阳理工大学课程设计4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

11、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 2.2 PLC 的工作过程PLC 的工作过程， 与 CPU 勺操作方式有关。 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 RUh 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。P

12、LC 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、输出延迟响应沈阳理工大学课程设计5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。2.6 S7-200PLC 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

13、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 2.3 S7-200CPU 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 S7-200 CPU22） 系列产品有： CPU221 模块、 CPU22 碳块、 CPU226 模块 等。例如，CPU22 濮块的 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

14、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 、12.0-12.7 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 由顶邵端子査 硕输出瑞子状态显示通信口前：！方兀开关 电毡器扩展I忧接底部端子蛊输入端子、传歸电源沈阳理工大学课程设计6于是直

15、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/40Om/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

16、、L1 端子是供电电源 AC120V/240V 俞入端。 该电源电压允许范围为 AC85-264V沈阳理工大学课程设计73 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。步 进 电 机A B C D COM o o o oo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3.2.1 PLC 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，

17、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。3.2.2 PLC 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。沈阳理工大学课程设计8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

18、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

19、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? EEPRQM 八一调试通过的程序写入 EPRO 或 EEPRQM 将程序固化，PLC控制系统就可正式投运。323 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

20、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 毫秒定时器中的沈阳理工大学课程设计9计数 50 表示 500 毫秒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

21、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。3.3.1 I/O 点数的估计INTONPTms.T5 O.C510 0图 3.2 TON 指令编程沈阳理工大学课程设计10I/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。PL

22、C 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 雅 U 30%勺备用量。3.3.2用户存储器容量的估算PLC常用的内存有EPROMEEPRO和带锂电池供电的RAM 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

23、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 S7-200 CPU226 CNAC/DC/RLY 俞出的 PLC 即能满足要

24、求。沈阳理工大学课程设计113.4系统设计流程示意图图 3.3系统设计流程图沈阳理工大学课程设计123.5 I/O 分配表表 3.1 I/O 分配表输入SDI0.0输出ABCDQ0.0Q0.1Q0.2Q0.33.6I/O 接线图 3.4 I/O 接线图SDTO. QWKoIO 1CJJ- 1IO-工QOL N10, 3QUL 3TO, 4QO. 41O 5QO,氐MOu各IO 7Z 11- OQI. O11_ ICH- 1II. 2UK3d1. 4QI. 4II, 6QI. 5QI. &Wl-T1MIKCPU叱&CN3L書-* 1,FLJZ4Y沈阳理工大学课程设计134 软件设

25、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

26、、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

27、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。沈阳理工大学课程设计14（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

28、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、

29、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。梯形沈阳理工大学课程设计15图（LAD 在 PLC 中使用得非常普遍，通常各厂家，各型号 用户语言。432 梯形图指令程序N Rework 3M0.1R ）1Network

30、4M20J0MOJTIC（）1Network 5I0.0MD.1Network b10,0T41TJCINTONPT100 msNetwork 7T40T41r40II_ 1 D _SHRBPMFMn|1 1111E.H. NuAMO.O-DATAM20.0-S_BIT+4 N阖络标题Network 2PLC都把它作为第一Network1M20L3MO.O沈阳理工大学课程设计16INTONPT100 msNetwork 8M2D.0QO.ONetwoik 3M201QO1T I-()Nel work 10M2Q2QQ2T I-()Netwoik 11M20 3Q0 3T I-()4.4设计语句

31、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。Network 1 / 网络标题LD T40EUSHRB MO.O, M20.0, +4Network 2LD M20.4ON I0.0R M20.0, 4Network 3LD M20.3ON I0.0沈阳理工大学课程设计17R M0.1,

32、 1Network 4LD M20.0S M0.1, 1Network 5LD I0.0AN M0.1=M0.0Network 6LD I0.0AN T41TON T40, +1Network 7LD T40TON T41, +1Network 8LD M20.0Q0.0Network 9LD M20.1=Q0.1Network 10LD M20.2=Q0.2Network 11LD M20.3=Q0.35 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

33、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沈阳理工大学课程设计18（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-. ）o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。沈阳理工大