毕业设计论文基于PLC的步进电机的控制Word格式文档下载.docx
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当PLC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PLC的可靠性,近年来对大型PLC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。
2）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器.存放应用软件的存储器称为用户程序存储器[1］。
步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。
步进电机的输出位移量与输人脉冲个数成正比,其速度与单位时间内输人的脉冲数（即脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。
所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。
步进电机具有较好的控制性能,其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成,且可获得较高的控制精度,因而广泛应用在数控机床、钟表、数字系统、程序控制系统及航天工业装置中。
PLC对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能,即可实现对步进电机的控制.因此如何实现PLC控制步进电机的通用控制电路设计方法有着实际生产意义。
1.2S7—200PLC国内外现状和发展趋势
限于当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能.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控制器，使PLC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。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC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（简称PC）发展起来后，为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程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,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用.这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化.这个阶段的另一个特点是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。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40％。
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，PLC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，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要.从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；
从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;
从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易.目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展.
小型PLC从产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；
其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；
如今的小型PLC在编程，I/O扩展，通讯接口，开关量和模拟量的调节以及一些特殊功能模块如高速计数输入和脉冲输出的应用上已经基本满足用户的需求了。
但随着应用需求及关联产品技术性能的提升（如步进驱动的脉冲响应频率及精度，HMI及关联系统的通讯功能），PLC将继续得已完善和发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器.可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1。
3论文的主要研究工作
掌握步进电机的原理及其驱动方法，掌握西门子S7-200PLC的原理与程序设计方法。
掌握步进电机的电气控制试验系统的工作原理，基于该系统设计S7—200PLC程序,实现主站PLC对步进电机的控制。
第二章西门子S7-200PLC
2。
1PLC的产生
传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点,在工业生产中应用甚广。
但是，这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是接线复杂、排除故障非常困难而且要花费大量的时间。
如果工艺要求发生变化，控制柜内的元件和接线也需要作相应的变动，改造的工期长、费用高，通用性和灵活性较差。
1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种方法，以尽可能减少重新设计继电器控制系统和接线、降低成本、缩短时间,而考虑把计算机的功能完善、通用灵活等优点与继电器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，提出了研制PLC的基本设想:
1.编程简单方便,可在现场修改程序；
硬件维护方便，最好是插件式结构；
3.可靠性要高于继电器控制装置；
4。
体积小于继电器控制装置;
5。
可将数据直接送入管理计算机；
6。
成本上可与继电器竞争；
7。
输入可以是交流115V；
8.输入为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；
9。
扩展时，原有系统只需做很小的改动；
10。
用户程序存储器容量器容量至少可以扩展到4K。
根据以上设想和要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的汽车生产线上试用成功,从而开创了工业控制的新局面。
从此，这一更新技术就以很快的速度发展起来，现代的PLC已成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和CAD／CAM）之一。
2.2PLC的特点
1编程方法简单易学
考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯和应用微机的实际水平，PLC配备有他们最容易接受和掌握的梯形图语言。
梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图非常接近。
而且某些仅有开关量逻辑控制功能的PLC只有十几条指令。
通过阅读PLC的使用手册或短期培训，电气技术人员或技术工人只要几天的时间就可以熟悉梯形图语言,并用来编制用户程序。
2.2硬件配套齐全,用户使用方便
PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。
用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和外部接线.PLC的安装接线也很方便。
2.2.3通用性强,适应性强
PLC的生产具有系列化和模块化特点，硬件配置相当灵活，可以很方便地组成能满足各种控制要求的控制系统。
组成系统后,如果工艺变化，可以通过修改用户程序,方便快速地适应变化.
2.2.4可靠性高，抗干扰能力强
绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。
PLC的平均无故障间隔时间高，如日本三菱公司的F1、F2系列PLC的平均无故障间隔时间长达30万小时,这是一般微机所不能比拟的。
2.5系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序很容易掌握,设计和调试梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少得多。
6维修工作量小，维修方便
PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的指示灯或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因。
用更换模块的方法可以迅速地排除PLC的故障。
2.2。
7体积小，能耗低
以F1意40M型PLC为例,其外形尺寸为305×
ll0×
110mm，功耗小于25VA。
由于体积小，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。
2.3PLC的系统构成
PLC实际上是一种工业控制计算机。
它的硬件结构与一般微机相似，主要由主机、I/O扩展机、外围设备三部分组成，
3。
1主机
主机由CPU（微处理器）、存储器、输入／输出单元、电源等部分组成.
CPU是PLC的核心，其作用类似于人的大脑。
它能够识别用户按特定格式输入的指令,并按照指令完成预定的控制任务。
另外，它还能识别用户所输入的指令序列的格式和语法错误,还具有系统测试与诊断功能。
PLC的存储器有两种：
系统程序存储器和用户程序存储器。
系统程序存储器主要用于存放系统正常工作所必须的程序，如系统诊断程序、键盘输入处理程序、指令解释程序、监控程序等。
这些程序与用户无直接关系,已由厂家直接固化进EPROM中，不能由用户直接存取、修改。
用户程序存储器主要存放用户程序（用户利用PLC的编程语言按不同控制要求所编制的控制程序或数据，这相当于设计继电器控制系统硬接线的控制电路图），可通过编程器进行修改。
输入输出（I／O）单元是PLC与输入控制信号和被控制设备连接起来的部件，输入单元接收从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成CPU能接收和处理的数字信号.输出单元接收经过CPU处理过的输出数字信号，并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。
电源部件是把交流电转换成直流电的装置，它向PLC提供所需要的直流电源。
电源组件具有很高的抗干扰能力,适合工业现场使用,供电稳定、安全可靠。
电源组件内还装有备用锂电池,以保证在断电时保存必要的信息。
PLC还有各种接口，PLC通过这些接口可与监视器、打印机、其它的PLC或计算机等相连。
2I/O扩展机
每种PLC都有与主机相配的扩展模块，用来扩展输入、输出点数，以便根据控制要求灵活组合系统。
PLC扩展模块内不设CPU,仅对I/O通道进行扩展，不能脱离主机独立实现系统的控制要求。
3外部设备
外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、图形监控系统等。
其中编程器是PLC必不可少的重要外围设备，由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成，主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视PLC的工作状态。
编程器有简易型和智能型两类。
简易型编程器只能联机编程,且需将梯形图转化为助记符后才能送入。
智能型编程器又称图形编程器,它既可联机编程，又可脱机编程,具有图形显示功能,可直接输入梯形图和通过屏幕对话，但价格较贵。
现在也可在个人计算机上填加适当的硬件接口，利用生产厂家提供的编程软件包就可将计算机作为编程器使用，而且还可以在计算机上实现模拟调试。
PLC与打印机相连可将过程信息，系统参数等输出打印.当与监视器相连时可将控制过程图象显示出来.当PLC与PLC相连时，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。
当PLC与计算机相连时，可组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。
4高速脉冲输出功能
脉冲输出（PLS）指令功能为：
使能有效时，检查用于脉冲输出（Q0。
0或Q0。
1）的特殊存储器位（SM）,然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作。
指令格式如表2-1所示.
表2-1脉冲输出（PLS）指令格式
LAD
STL
操作数及数据类型
PLSQ
Q：
常量（0或1）
数据类型字
4.1用于脉冲输出（Q0。
1）的特殊存储器
（1）控制字节和参数的特殊存储器
每个PTO/PWM发生器都有:
一个控制字节（8位）、一个脉冲计数值（无符号的32位数值）和一个周期时间和脉宽值（无符号的16位数值）。
这些值都放在特定的特殊存储区（SM），如表4所示.执行PLS指令时，S7—200读这些特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作，即对相应的PTO/PWM发生器进行编程。
表2-2脉冲输出（Q0。
Q0.0和Q0.1对PTO/PWM输出的控制字节
Q0。
1
说明
SM67.0
SM77.0
PTO/PWM刷新周期值0:
不刷新；
1：
刷新
SM67.1
SM77.1
PWM刷新脉冲宽度值0：
1：
SM67。
2
SM77。
PTO刷新脉冲计数值0:
不刷新;
3
PTO/PWM时基选择0：
1µ
s;
1ms
4
SM77.4
PWM更新方法0：
异步更新;
1：
同步更新
5
PTO操作0：
单段操作；
1:
多段操作
6
PTO/PWM模式选择0：
选择PTO1:
选择PWM
SM67.7
7
PTO/PWM允许0：
禁止；
允许
Q0.0和Q0.1对PTO/PWM输出的周期值
Q0.0
Q0.1
SMW68
SMW78
PTO/PWM周期时间值（范围：
2至65535）
Q0.0和Q0。
1对PTO/PWM输出的脉宽值
SMW70
SMW80
PWM脉冲宽度值（范围：
0至65535）
1对PTO脉冲输出的计数值
SMD72
SMD82
PTO脉冲计数值（范围:
1至4294967295）
0和Q0.1对PTO脉冲输出的多段操作
SMB166
SMB176
段号（仅用于多段PTO操作），多段流水线PTO运行中的段的编号
SMW168
SMW178
包络表起始位置,用距离V0的字节偏移量表示（仅用于多段PTO操作）
1的状态位
SM66。
SM76.4
PTO包络由于增量计算错误异常终止0：
无错；
异常终止
SM76。
PTO包络由于用户命令异常终止0：
无错；
异常终止
PTO流水线溢出0：
无溢出；
溢出
SM66.7
SM76.7
PTO空闲0:
运行中；
1:
PTO空闲
通过修改脉冲输出（Q0.0或Q0。
1）的特殊存储器SM区（包括控制字节），既更改PTO或PWM的输出波形，然后再执行PLS指令。
注意：
所有控制位、周期、脉冲宽度和脉冲计数值的默认值均为零。
向控制字节（SM67。
7或SM77.7）的PTO/PWM允许位写入零，然后执行PLS指令，将禁止PTO或PWM波形的生成。
（2）状态字节的特殊存储器
除了控制信息外，还有用于PTO功能的状态位，如表2所示。
程序运行时，根据运行状态使某些位自动置位.可以通过程序来读取相关位的状态，用此状态作为判断条件,实现相应的操作。
2.4。
2PTO的使用
PTO是可以指定脉冲数和周期的占空比为50%的高速脉冲串的输出。
状态字节中的最高位（空闲位）用来指示脉冲串输出是否完成.可在脉冲串完成时起动中断程序，若使用多段操作，则在包络表完成时起动中断程序。
（1）周期和脉冲数
周期范围从50微秒至65,535微秒或从2毫秒至65,535毫秒，为16位无符号数，时基有μs和ms两种，通过控制字节的第三位选择。
如果周期〈2个时间单位,则周期的默认值为2个时间单位.
周期设定奇数微秒或毫秒（例如75毫秒）,会引起波形失真。
脉冲计数范围从1至4，294,967，295，为32位无符号数，如设定脉冲计数为0，则系统默认脉冲计数值为1。
（2）PTO的种类及特点
PTO功能可输出多个脉冲串，现用脉冲串输出完成时，新的脉冲串输出立即开始.这样就保证了输出脉冲串的连续性。
PTO功能允许多个脉冲串排队，从而形成流水线。
流水线分为两种：
单段流水线和多段流水线。
单段流水线是指：
流水线中每次只能存储一个脉冲串的控制参数，初始PTO段一旦起动，必须按照对第二个波形的要求立即刷新SM，并再次执行PLS指令，第一个脉冲串完成，第二个波形输出立即开始,重复此这一步骤可以实现多个脉冲串的输出。
单段流水线中的各段脉冲串可以采用不同的时间基准，但有可能造脉冲串之间的不平稳过渡。
输出多个高速脉冲时,编程复杂.
2.5PLC的选择
选择西门子S7—200CPU224的PLC。
5.1CPU224
本机集成了:
（1）14输入/10输出,共24个数字量I/O点；
（2）可连接7个扩展模块，最大可扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点；
（3）13KB程序和数据存储空间;
（4）6个独立的30kHZ高速计数器，2路独立的20kHZ高速脉冲输出；
（5）具有PID控制器；
（6）1个RS485通信/编程口；
（7）具有PPI通信协议;
（8）具有MPI通信协议;
（9）具有自由方式通信能力；
（10）I/O端子排可很容易地整体拆卸。
2.5.2工作方式
S7—200有3种工作方式：
RUN（运行）、STOP（停止）、TERM（terminal，终端）工作方式，可通过安装在PLC上的方式选择开关进行切换。
（1）RUN方式：
在RUN方式下，CPU执行用户程序.
（2）STOP方式：
在STOP方式下,不能运行用户程序,可以向CPU装载用户程序或进行CPU设置。
（3）TERM方式:
在TERM方式下，允许使用工业编程软件STEP7-Micro/WIN32来控制CPU的工作方式.
（4）当电源断电又恢复后，如果方式选择开关在TERM或STOP状态下,CPU自动进入STOP方式；
如果方式选择开关在RUN状态下，则CPU自动进入RUN方式。
2.5。
3扫描周期
在RUN方式下,系统周期性地循环执行用户程序。
PLC在每次扫描工作过程中除了执行用户程序外,还要完成内部处理、通信服务等工作。
整个扫描过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新5个阶段。
整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。
即全部输入输出状态的改变，需要一个扫描周期。
4性能简介及特点
S7—200PLC是德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器用于简单控制场合,也可用于复杂的自动化控制系统。
S7-200系列主要有以下几个方面的特点：
（1）极高的可靠性；
（2）易于掌握；
（3）极其丰富的指令集；
（4）便捷的操作特性；
（5）实时特性；
（6）丰富的内置集成功能；
（7）强大的通信能力；
（8）丰富的扩展模块。
附：
见图2.1
图2—1S7—200CPU224PLC的结构图
2.6PLC技术在步进电机控制中的应用
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。
继续沿着小型化的方向发展。
随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。
对电动机进行综合设计。
即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组
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