物理与电子工程学院
《PLC原理与应用》
课程设计报告书
设计题目：基于PLC的电动机顺序起动/停止控制设计专业：自动化
班级：XX
学生姓名:XX
学号:XXXX
指导教师：XX
2013年12月17日
物理与电子工程学院课程设计任务书
专业：自动化班级： 2班
学生姓名XX 学号XX
课程名称PLC原理与应用设计题目基于PLC的电动机顺序起动/停止控制设计
设计目的、主要内容（参数、方法）及要求设计目的：
1、掌握PLC功能指令的用法。
2、掌握PLC控制系统的设计流程。
设计主要内容及要求：
1、设计一个3台电动机M1、M
2、M3顺序起动，逆序停止的控制程序，具体要求如下: （1）按下起按钮后：①M1起动；②5S后，M2起动；③10S后，M3起动。
（2）按下停止按钮后：①M3停止；②10S后，M2停止；③5S后，M1停止。
（3）在起动过程中，若果按下停止按钮，则立即中止起动过程，对已起动运行的电动机，马上进行方向顺序停止，直到全部结束。
2、画出实现程序流程图。
3、列出输入、输出端口。
4、写出梯形图程序。
5、调试程序，直至符合设计要求。
工作量2周时间，每天3学时，共计42学时
进度安排第1天：明确课程设计的目的和意义，根据课程设计要求查找相关资料
第2-3天：学习课程设计中用到的PLC相关知识
第4-5天：根据课程设计的要求画出程序流程图
第6天：列出I/O分配表
第7-8天：写出梯形图程序，并对程序进行注释
第9-10天：学习西门子S7-200的编程软件STEP 7 MicroWIN SP6，并在该软件中编写梯形图程序
第11天：学习西门子S7-200仿真软件，并进行程序仿真和调试。
第12天：将课程设计中用到的程序在PLC试验箱上进行运行和调试。
第13-14天：撰写课程设计报告。
主要参考资料[1]廖常初.S7-200 PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2013.8
[2]梅丽凤.电气控制与PLC应用技术[M].机械工业出版社,2012.3
[3]殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护[M].机械工业出版社,2006.1
指导教师
签字
教研室主任签字
本文介绍了基于电力拖动的3台电动机的顺序启动停止的设计方案。我们运用其原理的思路是：用三套异步电机M1、M2和M3，顺序启动、停止控制电路是在一个设备启动之后另一个设备才能启动运行的一种控制方法，常用于主、辅设备之间的控制，我们使用了PLC进行控制，当按下SB1时，电动机M1会立即启动，而M2会延迟几秒启动，再延迟几秒M3启动。当按下SB2时。电动机M3会停止，而M2会延迟几秒钟停止，再延迟几秒M1会停止。用PLC进行控本设计两台电动机的顺序启动/停止可以运用到生活的各个方面这也充分体现了PLC在当今社会对生活的重要之处。本设计在顺序控制的基础上采用PLC对电动机的控制通过合理的选择和设计提高了电动机的控制水平使电动机达到了较为理想的控制效果。根据顺序功能图的设计法联系到现实做出了本设计两台电动机顺序启动/停止控制的PLC系统设计。
关键词：接触器；PLC控制；顺序启停
1 课程设计背景 (1)
1.1 课程设计的定义 (1)
1.2 课程设计的目的及意义 (1)
1.3 可编程逻辑控制器简介 (1)
2 基于PLC的电动机顺序起动/停止控制设计的硬件设计 (3)
2.1 控制对象及要求 (3)
2.2 硬件选型 (3)
2.3 系统I/O分配 (5)
2.4 PLC端子接线图 (5)
3 基于PLC的电动机顺序起动/停止控制设计的软件设计 (5)
3.1 编程软件介绍 (5)
3.2 程序流程图 (8)
3.3 程序调试 (8)
4 心得体会 (9)
参考文献 (10)
附录 (11)
1 课程设计背景
1.1 课程设计的定义
课程设计是“针对某一门”课程的要求，对学生进行综合性训练的过程，其中包括参考资料的查找、相关工具的应用以及课程设计文本的撰写和设计的实现或仿真等。
1.2 课程设计的目的及意义
设计目的：
1、掌握PLC功能指令的用法。
2、掌握PLC控制系统的设计流程。
意义：
课程设计的目的在于培养学生运用课程中所学到的理论知识，解决实际问题的能力，培养学生查阅资料文献的能力，培养学生使用相关软体的能力，培养学生动手的能力，培养学生规范撰写的能力等。
1.3 可编程逻辑控制器简介
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，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。
可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：电源、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、功能模块（如计数、定位等功能模块）和通信模块。
PLC工作原理：当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。①输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入；②在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻
辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。③当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。
（1）使用方便，编程简单
采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
（2）功能强，性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。
硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
（4）可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的
1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已
被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
（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，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC 上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
（6）维修工作量小，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管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故。
2 基于PLC的电动机顺序起动/停止控制设计的硬件设计
2.1 控制对象及要求
电动机的选用首先要了解电动机的机械负载特性根据机械负载的类型和特性来选择电动机的额定容量、额定转速、额定电压以及型式。要为某一生产机械选配一台电动机首先要合理选择电动机的功率。通常根据生产机械负载的需要来选择电动机的功率同时还要考虑负载的工作制问题也就是说所选的电动机应适应机械负载的连续、短时或间断周期工作性质。功率选用时不能太大也不能太小。选小了保证不了电动机和生产机械的正常工作选大了虽然能保证正常运行但是不经济电动机容量不能被充分利用而且电动机经常不能满载运行使得效率和功率因数不高。其次根据电源电压条件要求所选用的电动机的额定电压与频率同供电电源电压与频率相符合。电动机的转速一定要按生产机械铭牌上的要求选择否则可能改变生产机械的性能。此外电动机的结构、防护、冷却和安装形式应适应使用环境条件的要求并且要力求安装、调试、检修方便以保证电机能安全可靠的运行。
2.2 硬件选型
在电动机顺序启动停止控制系统中，输入信号有停止按钮SB1、正转按钮SB2，热继电器触点FR，输出信号有接触器KM1、KM2、KM3。系统的输入输出信号较少，选用S7-200 CPU224(或CPU222）既经济而且可以满足要求。
常开常闭开关器的选择：
按钮开关：一种短时接通或断开小电流电路的电器，它不直接控制主电路的通断，而在控制电路中发出手动“指令”去控制接触器、继电器等电器，再由它们去控制主电路，故称“主令电器”。
（1）按钮开关的结构
按钮开关的结构：由按钮帽、复位弹簧、固定触点、可动触点、外壳和支柱连杆等组成。
常开触头（动合触头）：是指原始状态时（电器未受外力或线圈未通电），固定触点与可动触点处于分开状态的触头。
常开(动合)按钮开关，未按下时，触头是断开的，按下时触头闭合接通；当松开后，按钮开关在复位弹簧的作用下复位断开。在控制电路中，常开按钮常用来启动电动机，也称启动按钮。
常闭(动断)按钮开关与常开按钮开关相反，末按下时，触头是闭合的，按下时触头断开；当手松开后，按钮开关在复位弹簧的作用下复位闭合。常闭按钮常用于控制电动机停车，也称停车按钮。
复合按钮开关：将常开与常闭按钮开关组合为一体的按钮开关，即具有常闭触头和常开触头。未按下时，常闭触头是闭合的，常开触头是断开的。按下按钮时，常闭触头首先断开，常开触头后闭合；当松开后，按钮开关在复位弹簧的作用下，首先将常开触头断开，继而将常闭触头闭合。复合按钮用于联锁控制电路中。
（2）按钮开关的安装和使用
1)将按钮安装在面板上时，应布置整齐，排列合理，可根据电动机启动的先后次序，从上到下或从左到右排列：
2)按钮的安装固定应牢固，接线应可靠。应用红色按钮表示停止，绿色或黑色表示启动或通电，不要搞错。
3)由于按钮触头间距离较小，如有油污等容易发生短路故障，因此应保持触头的清洁。
4)安装按钮的按钮板和按钮盒必须是金属的，并设法使它们与机床总接地母线相连接，对于悬挂式按钮必须设有专用接地线，不得借用金属管作为地线。
5)按钮用于高温场合时，易使塑料变形老化而导致松动，引起接线螺钉间相碰短路，可在接线螺钉处加套绝缘塑料管来防止短路。
6)带指示灯的按钮因灯泡发热，长期使用易使塑料灯罩变形，应降低灯泡电压，延长使用寿命。
7)“停止”按钮必须是红色；“急停”按钮必须是红色蘑菇头式；“启动”按钮必须有防护挡圈，防护挡圈应高于按钮头，以防意外触动使电气设备误动作。
2.3 系统I/O 分配
I/O 地址分配见表2-3-1所示：
表2-3-1 I/O 分配表
2.4 PLC 端子接线图
PLC 控制系统的端子接线图如图2-4-1所示。
图2-4-1 PLC 端子接线图
3基于PLC 的电动机顺序起动/停止控制设计的软件设计
3.1 编程软件介绍
本设计采用Step7 Micro Win v4.0.4.16 (电子编程)编程软件进行编程: STEP7－MICRO/WIN 编程软件，强大的工控编程组态软件
在Windows 平台上运行的SIMATIC S7-200软件简单、易学，能够解决复杂输入
输出 名称
符号 地址编号 名称 符号 地址编号 停止按钮
SB1 I0.0 接触器 KM1 Q0.0 启动按钮
SB2 I0.1 接触器 KM2 Q0.1 热继电器触
点 FR I0.2 接触器 KM3 Q0.2
的自动化任务
可以快速进入，节省编程时间，具有扩展功能，基于标准的Windows软件(类似于Winword, Outlook等标准应用软件。
STEP 7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。
1、基本功能：
STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATIC S7-200 PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。
适用于所有SIMATIC S7-200 PLC机型软件编程。
支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换。
具有密码保护功能。
STEP 7-Micro/WIN提供软件工具帮助您调试和测试您的程序。这些特征包括：监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。
指令向导功能：PID自整定界面；PLC内置脉冲串输出(PTO)和脉宽调制(PWM)指令向导；数据记录向导；配方向导。
支持TD 200和TD 200C 文本显示界面 (TD 200向导)。
2、其他功能
（1）运动控制
S7-200提供有开环运动控制的三种方式：
脉宽调制（PWM）-内置于S7-200，用于速度、位置或占空比控制。
脉冲串输出（PTO）-内置于S7-200，用于速度和位置控制。
EM253位控模块-用于速度和位置控制的附加模块。
为了简化您应用程序中位控功能的使用，STEP7-Micro/WIN提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。该向导可以生成位控指令，您可以用这些指令在您的应用程序中对速度和位置进行动态控制。对于位控模块，STEP 7-Micro/WIN还提供了一个控制面板，可以控制、监视和测试您的运动操作。
（2）创建调制解调模块程序
使用EM241调制解调模块可以将S7-200直接连到一个模拟电话线上，并且支持S7-200与STEP 7-Micro/WIN的通讯。该调制解调模块还支持Modbus从站RTU协议，该模块与S7-200之间的通讯通过扩展I/O总线实现。
STEP 7-Micro/WIN提供一个调制解调扩展向导，它可以帮助您设置一个远端的调制解调器，或者设置将S7-200连向远端设备的调制解调模块。
（3）USS协议库
STEP 7-Micro/WIN指令库，该指令库包括预先组态好的子程序和中断程序，这些子程序和中断程序都是专门为通过USS协议与驱动通讯而设计的。通过USS 指令，您可以控制这个物理驱动，并读/写驱动参数。
可以在STEP 7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。当您选择一个USS指令时，系统会自动增加一个或多个相关的子程序（USS1到USS7）。
西门子库在一张单独的CD上出售，STEP 7-Micro/WIN附加件：指令库，订货号是6ES7 830-2BC00-0YX0。在定购和安装了1.1版本的西门子库后，任何后续STEP 7-Micro/WIN V3.2x和V4.0升级都会在不需要附加费用的情况下自动升级您的库（当增加或修改库时）。
（3）Modbus从站协议指令
STEP 7-Micro/WIN指令库包含有专门为Modbus通讯设计的预先定义的子程序和中断服务程序，使得与Modbus主站的通讯简单易行。使用Modbus从站协议指令，您可以将S7-200组态作为Modbus RTU从站，与Modbus主站通讯。
可以在STEP 7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。通过这些新指令，可以将S7-200作为Modbus从站。当选择一个Modbus从站指令时，会有一个或多个相关的子程序自动添加到您的项目中。
西门子库在一张单独的光盘上出售，STEP 7-Micro/WIN附加件：指令库，订货号为6ES7830-2BC00-0YX0。在定购和安装了1.1版本的西门子库后，任何后续的STEP 7-Micro/WINV3.2x和V4.0升级都会在不需要附加费用的情况下自动升级您的库（当增加或修改库时）。
（4）使用配方
STEP 7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助您组织配方和定义配方。配方存在存储卡中，而不是PLC中。
STEP 7-Micro/WIN软件和S7-200 PLC已经支持配方功能。STEP 7-Micro/Win 软件中提供了配方向导程序来帮助您组织配方和定义配方。所有配方存在存储卡中。因此，为了使用配方功能，必须要在PLC中插入一块64K或者256K的存储卡。要查阅关于存储卡的更多信息。
（5）使用数据
STEP 7-Micro/Win提供数据归档向导，将过程测量数据存入存储卡中。将过程数据移入存储卡可以节省V存储区的地址空间，否则这些数据将储存在V
存储区中。
（6）PID自整定和PID整定控制面板
S7-200PLC已经支持PID自整定功能，STEP 7-Micro/WIN中也添加了PID
整定控制面板。这就大大增强了S7-200PLC的功能，并且使这一功能的使用变得更加容易。
可以使用操作员面板中的用户程序或者PID整定控制面板来启动自整定功能。在同一时间，不仅仅只有一个PID回路可以进行自整定，如果需要的话，所有8个PID回路可以同时进行自整定。PID自整定算法向您推荐增益值、积分时间值和微分时间值。您也可以为您的调节回路选择快速响应、中速响应、慢速响应或者极慢速响应等调节类型。
用PID整定控制面板，您可以启动自整定过程，取消自整定过程和在图表中监视结果。控制面板会显示所有可能发生的错误和警告信息。它也允许您将自整定后得到的增益值、积分时间值和微分时间值应用到实际控制中去。
3.2 程序流程图
程序流程图控制系统的程序流程图如图3-2-1所示。
图3-2-1 程序流程图
3.3程序调试
（1）输入程序：通过计算机梯形图正确输入PLC中。
（2）静态调试：按PLC的I/O接线图正确连接好输入设备，进行PLC的模拟静态调试，观察PLC的输出指示灯是否按要求指示，否则，检查并修改程序，直至指示正确。
（3）动态调试：按PLC的I/O接线图正确连接好输出设备，进行系统的空载调试，观察能否按控制要求实现电动机顺序启动、逆序停止。否则，检查电路或修改程序，直至符合控制要求。
4心得体会
在本次设计的过程中，我发现很多的问题，有关于可编程控制器方面的，也有关于人与人之间相互帮助方面的。虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，可编程控制器课程设计重点就在于梯形图的设计，需要有很巧妙的设计方法，虽然以前也设计过类似的梯形图，但我觉的设计出一个好的梯形图并不是一件简单的事；有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。
至于排错，出错了，多观察、对错误重复n次，估计是由什么原因引起的，从电路整体来看、分析可能是什么错误，再缩小范围。如果实再找不出来，就出去吹吹风吧，不能急于求成，但不要放弃；要保持你的头脑清醒。
另外，我在程序方面的总结是1）、写程序注释写得越详细越好、不要怕麻烦。2）、画流程图绝对有助于写程序以及日后查错。3）、随时备份，最好以版本形式备份，并写清楚该版本实现了什么，改进了什么，还没有实现什么。
在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。
参考文献
[1]廖常初.S7-200 PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2013.8
[2]梅丽凤.电气控制与PLC应用技术[M].机械工业出版社,2012.3
[3]殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护[M].机械工业出版社,2006.1
附录程序梯形图