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1、PLC 控制系統課程設計1目錄第一章 控制工藝流程分析.11.1 步進電機的控制過程描述 .11.2 PLC 控制步進電機的控制工藝分析.2第二章 步進電機 PLC 控制系統總體方案設計.22.1 系統硬件組成 .22.2 控制方法分析 .42.3 I/O 分配.52.4 系統接線圖設計 .7第三章 控制系統梯形圖程序設計.83.2 控制程序的時序圖設計 .93.3 控制程序設計思路 .9第四章 監(jiān)控系統設計.114.1PLC 與上位監(jiān)控軟件通訊 .114.2 上位監(jiān)控系統組態(tài)設計 .114.3 實現的效果 .12第五章 系統調試及結果分析.135.1 實驗調試中遇到的問題及解決方案 .135
2、.2 設計心得 .13參考文獻.14附錄.15PLC 控制系統課程設計2第一章第一章 控制工藝流程分析控制工藝流程分析1.11.1 步進電機的步進電機的控制過程描述控制過程描述步進電機是一種能夠將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機有單路電脈沖驅動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電動機有多相方波脈沖驅動，用途很廣。使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉換為多相脈沖信號，在經功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉子會轉過一定的角度（稱為步距角）
3、。正常情況下，步進電機轉過的總角度和輸入的脈沖數成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數字量的輸入，所以特別適合于微機控制。1.21.2 PLCPLC 控制步進電機控制步進電機的的控制工藝分析控制工藝分析時至今日，軟件以及電子設備等相關技術都有了長足發(fā)展。雖然軟件的發(fā)展速度比不上硬件的發(fā)展速度那么迅速，但已能滿足現在的工業(yè)需求。對步進電機的傳統控制通常完全由硬件電路搭接而成。 ，比如：可以實現高精度的控制，降低成本，降低控制難度，簡化控制電路等。而從20世紀80年代開始開發(fā)出了專用的IC驅動電路，
4、今天，在打印機、磁盤器等的OA裝置的位置控制中，步進電機都是不可缺少的組成部分之一。PLC控制步進電機的控制工藝分析:1不需要反饋，控制簡單。2與微機的連接、速度控制（啟動、停止和反轉）及驅動電路的設計比較簡單。3沒有角累積誤差。4停止時也可保持轉距。5沒有轉向器等機械部分，不需要保養(yǎng)，故造價較低。6即使沒有傳感器，也能精確定位。7根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉動。但是，這種電機也有自身的缺點。8難以獲得較大的轉矩9、不宜用作高速轉動10在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。11超過負載時會破壞同步，速工作時會發(fā)出振動和噪聲PLC 控制系統課程設計3第二章第二章 步進電機步進電機 PLC
5、PLC 控制系統總體方案設計控制系統總體方案設計2.12.1 系統硬件組成系統硬件組成可編程控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)中，可編程控制器通過執(zhí)行反應控制來實現用戶的控制要求。為了使可編程控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不僅僅執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直到可編程控制器停機或切換到STOP 工作狀態(tài)。本設計采用 51 單片機 AT89C51（晶振頻率為 12MHZ）對該四相六線制步進電機（內阻 33 歐，步進 1.8 度，額定電壓 12V）進行控制。通過 I/O 口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經
6、過特定芯片驅動步進電機。本文選用 ULN2003 構成步進電機的驅動電路，下面但見介紹下 ULN2003 的結構和特點：ULN2003 是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅 NPN 達林頓管組成。該電路的特點如下：ULN2003 的每一對達林頓都串聯一個 2.7K 的基極電阻,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達 500mA，并且能夠在關態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。ULN2003 采用 DIP16 或 SOP16 塑料封裝。ULN2003
7、 方框圖如圖 2-1 所示。2-1 ULN2003 內部方框圖利用 ULN2003 以及 AT89C51 設計的步進電機驅動電路如圖 2-2 所示。PLC 控制系統課程設計4圖 2-2 ULN2003 和 AT89C51 構成的驅動電路此 25-28 口接 ULN2003 的 1-4 輸入端。另外，用鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制。將圖 2-2 和圖 2-3 連接起來，使之實現：按下啟動鍵 S1，電機旋轉，按一下加 1 鍵 S2，速度增加 1 轉/分，按一下減 1 鍵 S3，速度降低 1 轉/分。本設計設置了速度范圍，其速度最低和最高分別為：9 轉/分，75 轉/分，按下停止鍵S4，電機停轉。速度
8、值在數碼管上顯示出來。綜合以上設計的控制電路方案，總設計方案框圖如 2-3 所示。單片機ULN2003鍵盤步進電機數碼管圖 2-3 步進電機控制系統硬件電路設計框圖圖 2-4 PLC 控制系統的硬件結構圖PLC 控制系統課程設計52.2控制方法分析控制方法分析步進電機是將給定的電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。給定一個電脈沖信號，步進電機轉子就轉過相應的角度，這個角度就稱作該步進電機的步距角。目前常用步進電機的步距角大多為 1.8 度（俗稱一步）或0.9 度（俗稱半步） 。以步距角為 0.9 度的進步電機來說，當我們給步進電機一個電脈沖信號，步進電機就轉過 0.9 度；給兩個脈沖信
9、號，步進電機就轉過1.8 度。以此類推，連續(xù)給定脈沖信號，步進電機就可以連續(xù)運轉。由于電脈沖信號與步進電機轉角存在的這種線性關系，使得步進電機在速度控制、位置控制等方面得到了廣泛的應用.步進電機的位置控制是靠給定的脈沖數量控制的。給定一個脈沖，轉過一個步距角，當停止的位置確定以后，也就決定了步進電機需要給定的脈沖數。其工作原理如下：設 A 相首先通電，轉子齒與定子 A、A對齊。然后在 A 相繼續(xù)通電的情況下接通 B 相。這時定子 B、B極對轉子齒 2、4 產生磁拉力，使轉子順時針方向轉動，但是 A、A極繼續(xù)拉住齒 1、3，因此，轉子將轉到兩個磁拉力平衡為止。即轉子順時針轉過了 15。接著 A
10、相斷電，B 相繼續(xù)通電。這時轉子齒2、4 和定子 B、B極對齊，轉子從圖(b)的位置又轉過了 15。這樣，如果按AA、BBB、CCC、AA的順序輪流通電，則轉子便順時針方向一步一步地轉動，步距角 15。如果按 AA、CCC、BBB、AA的順序通電，則電機轉子逆時針方向轉動。圖 2-5 步進電機通電方式原理圖PLC 控制系統課程設計6三相步進電動機有三個繞組: A、B、C正轉通電順序為：AABBBCCCA反轉通電順序為：ACACBCBAB#1 開關控制其運行 ( 啟 )。#2 開關控制其運行 ( 停 )。#3 號開關控制其低速運行 (轉過一個步距角需 0.5 s)。#4 號開關控制其中速運行 (
11、轉過一個步距角需 0.1 s)。#5 號開關控制其高速運行 (轉過一個步距角需 0.04 s)。#6 號開關控制其轉向 ( ON 為正轉 )。#7 號開關控制其轉向 ( OFF 為反轉)。2.32.3 I/OI/O 分配分配步進電動機以最常用的三相六拍通電方式工作，并要求步進電動機設有快速、慢速控制、正反轉及單步控制 4 種控制方式。根據要求，可選用 C28PCDTD 的 PLC 進行控制并設計出步進電動機的 PLC 控制系統 I/O 接線圖。圖 2-6 步進電動機的 PLC 控制系統 I/O 接線圖步進電動機 PLC 控制系統梯形圖設計圖 2-7 步進電動機的 PLC 控制系統梯形圖PLC
12、控制系統課程設計72.42.4系統接線圖設計系統接線圖設計圖 2-8 PLC 控制系統接線圖 1、步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速） 。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相電機） 、0.9 度/1.8 度（二、四相電機） 、1.5 度/3 度（三相電機）等。2、靜力矩的選擇：步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的
13、。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的 2-3 倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來。3、電流的選擇：靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流。PLC 控制系統課程設計8第三章第三章 控制系統梯形圖程序設計控制系統梯形圖程序設計3.13.1 步進電機控制流程圖步進電機控制流程圖圖 3-1 步進電機控制流程圖PLC 控制系統課程設計93.23.2 控制程序的時序圖控制程序的時序圖設計設計圖 3-2 控制電機的時序圖3.3控制程序設計思
14、路控制程序設計思路功能模塊設計:本模塊可分為如下 3 個部分： （1）步進電動機與單片機的接口。單片機是性能極佳的控制處理器，在控制步進電機工作時，接口部件必須要有下列功能。電壓隔離功能:單片機工作在 5V，而步進電機是工作在幾十 V，甚至更高。一旦步進電機的電壓串到單片機中，就會損壞單片機；步進電機的信號會干擾單片機，也可能導致系統工作失誤，因此接口器件必須有隔離功能。信息傳遞PLC 控制系統課程設計10功能:接口部件應能夠把單片機的控制信息傳遞給步進電機回路，產生工作所需的控制信息，對應于不同的工作方式，接口部件應能產生相應的工作控制波形。產生所需的不同頻率。為了使步進電機以不同的速度工作
15、，以適應不同的目的，接口部件應能產生不同的工作頻率。（2）電壓隔離接口。電壓隔離接口專用于隔離低壓部分的單片機和高壓部分的步進電機驅動電路，以保證它們的正常工作。電壓隔離接口可以用脈沖變壓器或光電隔離器，現在基本上是采用光電隔離器。單片機輸出信號可以通過 TTL 門電路或者直接送到晶體管的基極，再由晶體管驅動光電耦合器件的發(fā)光二極管。發(fā)光二極管的光照到光電耦合器件內部的光敏管上，轉換成電信號，再去驅動步進電機的功率放大電路，電流放大接口是步進電機功放電路的前置放大電路。它的作用是把光電隔離器的輸出信號進行電流放大，以便向功放電路提供足夠大的驅動電流。（3）工作方式接口和頻率發(fā)生器。用單片機控制
16、步進電動機，需要在輸入輸出接口上用 3 條 I0 線對步進電動機進行控制，這時，單片機用 IO 口的 RA0、RAI、RA2 控制步進電動機的三相。PLC 控制系統課程設計11第四章第四章 監(jiān)控系統設計監(jiān)控系統設計4.14.1PLCPLC 與上位監(jiān)控軟件通訊與上位監(jiān)控軟件通訊上位機的作用是提供一個人機交互界面，使操作人員可以通過 CRT 和模擬屏直觀的了解現場各工藝參數及故障報警，根據生產需要發(fā)出相應的控制指令。另外可以使用大容量存儲器記錄歷史數據，為提高生產效率制定新的生產方案提供可靠的依據?？刂坪诵牟捎?PLC，其特點是體積小、功能多、可靠性高。編程后的 PLC 能夠按照內部程序對系統進行
17、實時監(jiān)控，程序啟?，F場設備。由于現場監(jiān)控點多、布局分散，且各工序工藝獨立，為簡化電纜鋪設、降低系統成本、提高系統穩(wěn)定性，采用兩臺 PLC 對生產工藝進行監(jiān)控。其中主 PLC 控制提升泵站、沉砂池、氧化溝、二沉池、回流污泥泵站的所有設備及傳感器?？刂剖Ｓ辔勰啾谜尽δ喑?、加藥間、脫水間的所有設備及傳感器。主、數據通過 Control-Link 總線進行數據交換，實現數據共享。操作人員通過上位機向PLC 發(fā)出相應的控制指令后，由 PLC 對現場進行直接控制。此時即便上位機出現故障（如死機、掉電等） ，也不會影響系統的正常工作，這樣做大大提高了系統的安全穩(wěn)定性。PLC 與上位機的通訊采用 RS485
18、 方式，這種方式傳輸距離遠，技術可靠。4.24.2上位監(jiān)控系統組態(tài)設計上位監(jiān)控系統組態(tài)設計隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，計算機在工業(yè)領域的廣泛應用，人們對工業(yè)自動化的要求越來越高，種類繁多的控制設備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領域的應用，使得傳統的工 業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。 已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個控制項目的不同而使其重復使用率低，導致它的價格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時，倘若動而離去時，則必須同其他人員或新手進行源程序的修改，因而更是相當困難。因為它能夠很好地解決傳統工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據自己的控制對象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。圖 4
19、-1 上位監(jiān)控系統組態(tài)與上位機接線圖PLC 控制系統課程設計12組態(tài)（Configuration）為模塊化任意組合。通用組態(tài)軟件主要特點： （1）延續(xù)性和可擴充性。用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應用程序，當現場（包括硬件設備或系統結構）或用戶需求發(fā)生改變時，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級； （2）封裝性（易學易用），通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術（甚至不需要編程技術），就能很好地完成一個復雜工程所要求的所有功能； （3）通用性，每個用戶根據工程實際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設備（ PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻
20、器等）的I/O Driver、開放式的數據庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數據處理、歷史數據和曲線并存、具有多媒體功能和網絡功能的工程，不受行業(yè)限制。4.3實現的效果實現的效果組態(tài)軟件大都支持各種主流工控設備和標準通信協議，并且通常應提供分布式數據管理和網絡功能。對應于原有的 HMI（人機接口軟件，Human Machine Interface）的概念，組態(tài)軟件還是一個使用戶能快速建立自己的 HMI 的軟件工具或開發(fā)環(huán)境。在組態(tài)軟件出現之前，工控領域的用戶通過手工或委托第三方編寫 HMI 應用，開發(fā)時間長，效率低，可靠性差；或者購買專用的工控系統，通常是封閉的系統，選擇余地小，
21、往往不能滿足需求，很難與外界進行數據交互，升級和增加功能都受到嚴重的限制。組態(tài)軟件的出現使用戶可以利用組態(tài)軟件的功能，構建一套最適合自己的應用系統。隨著它的快速發(fā)展，實時數據庫、實時控制、SCADA、通訊及聯網、開放數據接口、對 I/O 設備的廣泛支持已經成為它的主要內容監(jiān)控組態(tài)軟件將會不斷被賦予新的內容。PLC 控制系統課程設計13第五章第五章 系統調試及結果分析系統調試及結果分析5.15.1 實驗調試中遇到的問題及解決方案實驗調試中遇到的問題及解決方案實驗中可能會有許多原因會引起調試的不成功，其中包括硬件方面的，和軟件方面的。硬件方面的主要是連線的錯誤，或者其他硬件方面的問題。比如硬件線路
22、的接法不同也可能導致實驗的不成功。還有軟件方面的問題，比如因為軟件版本存在差異，使得一些語句不能實現，或者達不到預期的效果。這就要求我們在做實驗時要仔細的分析實驗中遇到的問題。5.25.2 設計心得設計心得通過實驗，我們感性地認識到理論與實際的差別，加深了我們對本課程設計的理解和認識。通過實驗來驗證設計并改善設計中的不足之處，實驗中我們會遇到很多問題和故障，在鍛煉了我們的動手能力的同時也提高了我們的思考、解決問題的能力。調試的過程就是觀察、分析、排錯的過程。在進行實驗時，應該按照設計的實驗步驟進行觀察、記錄，然后與原設計進行比較、分析，以判斷每一步是否正確，從而推動整個實驗的進程。實驗的調試過
23、程，實質上是一個不斷發(fā)現問題，不斷找出原因，不斷解決問題的過程。要解決問題關鍵是要發(fā)現問題的所在，而要能找到出錯的原因，只有通過反復的對實驗運行過程中記錄的參數進行分析、比較，才能發(fā)現問題。由此可見，在實驗室做好現場參數的記錄和分析是相當重要的。這不僅是培養(yǎng)我們養(yǎng)成良好實驗習慣的機會，也是讓我們學會將理論知識綜合運用、掌握實驗技巧、提高動手能力。因此必須要經過實驗測試和調整，以便發(fā)現和糾正設計和安裝中的不足，最后才能達到預定的設計要求。PLC 控制系統課程設計14參考文獻參考文獻1鄧星鐘.機電傳動與控制M.華中科技大學出版社,2007 年 7 月.2.廖常初.FX 系列 PLC 編程及應用M.
24、機械工業(yè)出版社，2009 年 6月.3.李朝青.單片機接口技術M.北京航空航天大學出版社，2005 年10 月.4.宋伯生.PLC 編程理論、算法及技巧M.機械工業(yè)出版社 ，2005年 7 月.5.吳作明.PLC 開發(fā)與應用實例詳解M.北京航空航天大學出版社，2007 年 11 月.PLC 控制系統課程設計15附錄附錄START bit 01H MinSpd EQU 9 MaxSpd EQU 75 Speed DATA 23H ORG 0000HLJMP DJSDORG 0010HLJMP MAINORG 0030HMAIN: MOV SPEED,#MinSpd m_NEXT1:MOV A,S
25、peedMOV B,#10DIV ABCMP A,#0 JE DISPS0CMP A,#1JE DISPS1CMP A,#2JE DISPS2CMP A,#3JE DISPS3CMP A,#4JE DISPS4CMP A,#5JE DISPS5CMP A,#6JE DISPS6CMP A,#7JE DISPS7CMP A,#8PLC 控制系統課程設計16JE DISPS8CMP A,#9JE DISPS9DISPS0: MOV P0,#0FCHJMP NextDISPS1:MOV P0,#060HJMP NextDISPS2:MOV P0,#0DAHJMP NextDISPS3:MOV P0,
26、#0F2HJMP NextDISPS4:MOV P0,#066HJMP NextDISPS5:MOV P0,#0B6HJMP NextDISPS6:MOV P0,#0BEHJMP NextDISPS7:MOV P0,#0E0HJMP NextDISPS8:MOV P0,#0FEHJMP NextDISPS9:MOV P0,#0F6HJE DISPG0CMP B,#1PLC 控制系統課程設計17JE DISPG1CMP B,#2JE DISPG2CMP B,#3JE DISPG3CMP B,#4JE DISPG4CMP B,#5JE DISPG5CMP B,#6JE DISPG6CMP B,#7
27、JE DISPG7CMP B,#8JE DISPG8CMP B,#9JE DISPG9MOV P1,#0FCHJMP NextDISPG1:MOV P1,#060HJMP NextDISPG2:MOV P1,#0DAHJMP NextDISPG3:MOV P1,#0F2HJMP NextDISPG4:MOV P1,#066HJMP NextDISPG5:MOV P1,#0B6HJMP NextPLC 控制系統課程設計18DISPG6:MOV P1,#0BEHJMP NextDISPG7:MOV P1,#0E0HJMP NextDISPG8:MOV P1,#0FEHJMP NextDISPG9:
28、MOV P1,#0F6HJMP NextNext:MOV A,Speed JB START,m_Next2CLR TR1 ORL P2,#11110000Bm_Next2:SETB TR1 JB ACC.1,UpSpd JB ACC.2,DowSpd AJMP KEY_RETStartStop: SETB StartEnd ;UpSpd: INC SPEED MOV A,SPEED CJNE A,#MaxSpd,K1 K1: AJMP KEY_RETDowSpd: DEC SPEED MOV A,SPEEDPLC 控制系統課程設計19 CJNE A,#MAXSPD,KEY_RET MOV SP
29、EED,#MinSpd;KEY_RET: RETDjZS: PUSH ACCPUSH PSWMOV A,SpeeSUBB A,#MinSpd MOV DPTR,#DjHMOVC A,A+DPTRMOV TH1,AMOV A,SpeedSUBB A,#MinSpdMOV DPTR,#DjLMOVC A,A+DPTRMOV TL1,AMOV A,DjCountCPL AORL P2,AMOV A,DjCountJNB ACC.7,d_Next1JMP d_Next2d_Next1:MOV DjCount,#11110111Bd_Next2:MOV A,DjCountRL AMOV DjCount,A ANL P2,APOP PSWPOP ACCRETI
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