交通灯抢答器步进电机.doc

PLC课程设计2011年05月29日0中原工学院信息商务学院课程设计目录1 前言12 课程设计注意事项13 STEP 7-Micro/WIN软件的使用23.1 实验目的23.2 实验内容23.3 实验步骤43.4 实验报告内容54、课程设计项目64.1抢答器64.1.1 学习目标64.1.2 实验要求64.1.3 实验内容64.1.4 所需的设备84.1.5 训练内容84.2交通灯的制作114.2.1 设计目的114.2.2 所需设备114.2.3 控制要求及参考124.2.4 课设内容及要求134.2.5 组态王144.2.6 组态王与西门子S7-200的几种通信方式154.2.7 交通灯运行程序174.3步进电机204.3.1 步进电机简介及接法204.3.2 步进电机设备功能说明254.3.3 步进电机运行程序275 课程设计心得体会296 参考文献301 前言本实验指导书，主要适用于自动化、电气工程及其自动化、测控与仪器等专业，根据具体教学大纲的要求，任课教师可以有选择地安排指实验导书之中的相关内容进行实验教学。通过本实验指导书，能够使学生们熟练掌握S7-200PLC的接线方式、程序编写和整体系统调试，从而全面地提高学生们对PLC的软件、硬件等方面的理解，进而增强学生们在实践环节的动手操作能力。譬如，学生们可以根据实验指导书的要求，完成交通信号灯的硬件设计、PLC型号选择、软件操作、以及整体控制系统调试，并写出完善的实验报告。在进行实验之前，要求学生们具备数字电路、模拟电路、电路基础、自动控制、电力电子、电机学、电气控制和PLC等相关课程的知识，并具备一些基本的实践操作水平。 2 课程设计注意事项（1）本试验中指导书中，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 SP31殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护. 北京：机械工业出版社，20022戴仙金.西门子S7-200系列PLC应用与开发. 北京：中国水利水电出版社，2007 1 。（2）实验时，首先用PC/PPI编程电缆连通计算机和PLC。（3）将实验装置（实际是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，按实验内容的要求接好线，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”3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。3 STEP 7-Micro/WIN软件的使用STEP 7-Micro/WIN软件是针对西门子S7-200PLC 3王永华. 现代电器控制及PLC应用技术 第二版. 北京航空航天大学出版社,20072 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 实验目的（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 实验内容（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2.1 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2.2 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2.3 S7-200 CPU224外观图图2.4 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所示。图2.5 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。3.4 实验报告内容 （1）以图2.1为例，总结梯形图输入及修改的操作过程。 （2）写出梯形图添加注释及符号名的操作过程。 （3）将图2.1的梯形图转换成语句表和功能块图。 （4）总结OLD、ALD指令和栈操作指令的使用方法。 （5）总结计算机和PLC之间进行连接过程中需要注意的事项。4、课程设计项目4.1抢答器4.1.1 学习目标2.掌握定时器的格式及编程方法5孙振强. 可编程控制器原理及应用教程.北京：清华大学出版社4。1.学会用PLC4史国生. 电气控制与可编程控制器技术.北京：化学工业出版社，20033来解决实际问题的思路。3.学会用互锁和自锁电路为基础构成各输出电路。4.1.2 实验要求（1）掌握PLC外部输入、输出电路的设计和连接方法；（2）掌握应用软件的编程方法；（3）掌握应用符号地址编程的方法（4）利用PLC控制系统设计1个3组的智力竞赛抢答器（5）设计PLC外部电路；（6）使用通用器件板开关元器件和实验板连接PLC外部电路，采用符号地址、应用七段码指令编写用户程序；（7）输入、编辑、编译、下载、调试用户程序；（8）运行用户程序，观察程序运行结果。.熟悉PLC装置，CTSC-200系列可编程控制器6阮友德. 电气控制与PLC实训教程.北京：人民邮电出版社，20067王宇 . PLC电气控制与组态设计. 北京：电子工业出版社 ，20105的外部接线方法4.1.3 实验内容设计一个智能竞赛抢答显示系统，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SBO后,指示灯LO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。图1-1 抢答示意图l.设计程序根据系统的控制要求及PLC的1/0分配表，并设计合适的程序。2.设计接线图根据1/0分配表,连接系统接线图。3.系统调试（1） 输入程序。按前面介绍的程序输入方法,用手持式编程器(或计算机)正确输入程序。（2）系统调试。按设计的系统接线图正确连接好输出设备,进行系统的调试,观察是否能按照控制要求抢答，否则，检查电路并修改、调试程序,直至能按控制要求显示。4.1.4 所需的设备1CTSC-200 PLC 1台2编程电缆 1根3连接导线 若干4.1.5 训练内容抢答器I/O接线图如下抢答系统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 4.1.6 抢答器程序梯形图64.2交通灯的制作4.2.1 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。4.2.2 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）导线若干。 图1 交通灯模拟控制板4.2.3 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2 红绿灯控制PLC电气原理图4.2.4 课设内容及要求（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，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。交通灯程序调试需要用到组态王，以下是对组态王的介绍4.2.5 组态王 （1）定义：组态王7开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。 （2）特点它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。实践：1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法： (1)图形界面的设计 (2)构造数据库 (3)建立动画连接 (4)运行和调试 2.使用组态王软件开发具有以下几个特点: (1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。 (2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。 3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面: (1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 (2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。 (3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令.4.2.6 组态王与西门子S7-200的几种通信方式 1.组态王的通讯机制 组态王把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现和外部设备的通讯，组态王内置有大量的设备驱动作为外部设备的通讯接口。在开发过程中，只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”，一步步完成连接过程，即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间，组态王可以通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据或指令。组态王的驱动程序采用ActiveX技术，每一驱动都是一个COM对象，这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统，从而保证运行系统的高效率，如图1所示。因此，组态王可以与一些常用I/O设备直接进行通讯，如可编程控制器(PLC)、智能模块、板卡、智能仪表等。组态王与I/O设备之间的数据交换采用五种方式:串行通讯方式、DDE方式、板卡方式、网络节点方式、人机接口卡方式。图1 组态王与外部设备通讯示意图2 组态王与S7-200的PPI通信方式 PPI(Point-to-Point)是西门子专为S7-200系列开发的一个通讯协议，为主/从协议，PC机为主站，S7-200为从站。该方式下有两种硬件连接方法，一种是使用PPI电缆将PC机串口和S7-200的通讯口相连，采用串行通讯方式。另一种是PC机通过CP5611通讯卡与S7-200相连。在第一种方式下，使用PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN32安装通讯硬件，在“SET PG/PC Interface”对话框中配置PC/PPI cable,选择Interface Parameter Assignment为PPI，并设置PPI参数默认值,双击通讯框中得刷新图标后建立与S7-200的通信连接。在第二种方式下，将CP5611卡安装在PC机的插槽中，用连接带缆将CP5611卡与S7-200的PORT口相连，安装STEP 7-Micro/WIN32和STEP 7 V5.0 +ServicePack5(或STEP 7 V5.1+ServicePack 2)，运行PG/PC-interface parameterisation，将用户界面配置为CP5611 (PPI)方式。这两种方式的上位机组态王的设置基本相同，首先使用“设备配置向导” 定义外部设备，分别选择西门子S7-200系列PPI通信和西门子S7-200系列通讯卡通信，并设定如下通信参数:波特率9600bps,数据位8位，停止位1位，偶校验。在设定PLC地址时，两种方式有所不同，前者将PLC地址设为默认地址2。后者采用“PLC地址.2”地址格式，小数点前的数字为有效地址PLC的地址(即站号)，小数点后为数字2，所设定的地址范围为2.2126.2，其中PLC的地址可通过编程软件STEP 7-Micro/WIN设置来实现。 在组态王的“数据字典”中定义相关变量，选择变量类型为I/O型，并选择连接设备，指定所访问的寄存器名及寄存器类型。注意，组态王只支持V寄存器，如果要监控Q、M寄存器，可以先在PLC程序中将Q、M寄存器传至V寄存器，组态王通过对V寄存器的操作来实现对Q、M寄存器的监控。另外，组态王不支持直接以I/O离散变量的定义，需以字节(BYTE)形式存取，每一BYTE类型(8个BIT位)对应8个开关量的输入或输出状态，即BYTE的07位分别对应输入或输出的07开关量通道，如果要显示或控制某一开关量通道的状态，可以使用组态王提供的BIT()或BITSET()函数进行取位或置位。在制作好的监控画面中，将画面的图素与定义的变量建立“动画连接”，在TouchVew中运行，即可建立实时通信，得到一个反映工业现场的监控画面。4.2.7 交通灯运行程序组态王运行交通灯模拟图4.3步进电机4.3.1 步进电机简介及接法1）步进电机的简介步进电机是将电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。2）两相八线步进电机绕组的串联接法和并联接法1.串联接法串联接法比较简单，也容易理解。分别把4相绕组相邻的两相串接起来即可，共有两种接法。绕组的接法如图1和图2所示。两相八线步进电机绕组及外接线如下： 图1相8线电机绕组的串联接法1（错误接法）图2相8线电机绕组的串联接法2（正确接法）根据接法1和接法2分别接好电路后，发现按照接法1连接后，转子不动；只有按照接法2连接，电机才能正常转动。图3. 2相8线步进电机串联接法对应的连接器2.并连接法并联接法稍复杂些，需将四相绕组相邻的两相分别并接在一起，共有两种接法。绕组的接法如图4和图5所示。图4相8线电机绕组的并联接法1（错误接法）图5相8线电机绕组的并联接法2（正确接法）根据接法1和接法2分别接好电路后，发现按照接法1连接后，转子不动；只有按照接法2连接，电机才能正常转动。图3. 2相8线步进电机并联接法对应的连接器3、分析及总结图7所示为SMD2001步进电机驱动器2相8线步进电机的接线图。从图中可以看出，驱动器给步进电机发送脉冲的顺序为Phase 1 - Return 1 - Return 2 - Phase 2 - Phase 3 - Return 3 - Return 4 - Phase4，因而，只有图2和图5所对应的接法正确。图7. SMD2001驱动器与2相8线电机连接的接线图串联连接的电机，由于每一相绕组电阻增大，电流较小，一般将驱动器的电流设定为电机相电流的0.7倍，这种接法的电机发热量小，低频力矩较大；并联连接的电机，电感较小，一般将驱动器的电流设定为电机相电流的1.4倍，所以启动、停止速度较快，高频力矩有所增大，但电机发热量大。但是步进电机有点温度是正常的，只要低于电机的消磁温度就行，一般步进电机的消磁温度在105度左右。4.3.2 步进电机设备功能说明步进电机（57HS09） 步进电机驱动器（DM432C） 西门子s7-200 x系列plc一个 24伏直流电源 电阻等步进电机驱动器（DM432C）的功能说明 驱动器功能操作说明微步细分数设定由SW5SW8四个拨码开关来设定驱动器微步细分数，其共有15档微步细分。用户设定微步细分时，应先停止驱动器运行。具体微步细分数的设定，请驱动器面版图说明。输出电流设定由 SW1SW3 三个拨码开关来设定驱动器输出电流，其输出电流共有8档。具体输出电流的设定，请驱动器面版图说明。自动半流功能用户可通过SW4来设定驱动器的自动半流功能。off表示静态电流设为动态电流的一半，on表示静态电流与动态电流相同。一般用途中应将 SW4 设成 off，使得电机和驱动器的发热减少，可靠性提高。脉冲串停止后约0.4秒左右电流自动减至一半左右（实际值的60），发热量理论上减至36。信号接口PUL和 PUL为控制脉冲信号正端和负端；DIR和DIR为方向信号正端和负端；ENA和 ENA为使能信号的正端和负端。电机接口A和 A接步进电机A相绕组的正负端；B和B接步进电机B相绕组的正负端。当A、B两相绕组调换时，可使电机方向反向。电源接口采用直流电源供电，工作电压范围建议为1840VDC，电源功率大于100W。指示灯驱动器有红绿两个指示灯。其中绿灯为电源指示灯，当驱动器上电后绿灯常亮；红灯为故障指示灯，