步进电动机PLC控制的模拟

沈阳理工大学课程设计论文

1 1 概述

可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机［1］。自1969年对工业自动控制的特点和需要而开发的第一台PLC问世以来，迄今已经三十多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的集成和演变，但又不同于顺序控制器和通用的微机控制装置。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格的形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和差错都很容易。用户买到所需PLC后，只需按说明书或提示。做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可灵活而方便地将PLC应用于生产实践。而且用户程序的编制、修改和调试不需要具有专门的计算机编程语言只是。这样就破除了了“电脑”的神秘感，推动了计算机技术的普遍应用。可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是值得重视的先进控制技术，PLC现已成为现代工业控制的三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，已其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速技术与位控等高性能模块的优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统的继电-接触控制系统。

1.1 可编程序控制器

1.1.1 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。

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2 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，易于扩充其功能的原则设计。

1.1.2 PLC的功能

（一）开关量逻辑控制

（二）模拟量控制

（三）闭环过程控制

（四）定时控制

（五）计数控制

（六）顺序（步进）控制

（七）数据处理

（八）通信和联网

1.1.3 PLC的特点

（一）可靠性高、抗干扰能力强

（二）通用性强、灵活性好、功能齐全

（三）编程简单、使用方便

（四）模块化结构

（五）安装简单、调试方便

（六）网络通信

（七）体积小、能耗低、便于机电一体化

1.1.4 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

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3 PLC与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等,如图1.1所示：

V N

SB KM

YV

SQ YV

HL

SA HL

图1.1可编程序控制器的基本组成

1.1.5 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

1）PLC的工作过程

输 输

入 出

单 单

元 元 存储器

电源

编程器 微处理器

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4 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。

a)初始化

b)CPU的自诊断

c)通信信息处理

d)与外部设备交换信息

e)执行用户程序

f)输入、输出信息处理

2）用户程序的循环扫描过程

图1.2 PLC的工作过程

PLC的工作过程，与CPU的操作方式有关。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RUN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。

PLC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

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。

初

始

化

CPU自诊断

通信信息处理

与外部设备交换信息

执行用户程序

输入输出信息处理

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5 这种现象称为输入、输出延迟响应或滞后现象。

1.1.6 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成，如图所示：

图1.3 S7-200PLC系统的构成

（一）基本单元

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1.4 S7-200CPU模块

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6 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 CPU22X系列产品有：CPU221模块、CPU224模块、CPU226模块等。例如，CPU226模块的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。

下图是CPU226 AC/DC/继电器模块输入、输出单元的接线图。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、I2.0-I2.7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。由于是直流输入模块，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/400mA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、L1端子是供电电源AC120V/240V输入端。该电源电压允许范围为AC85-264V。

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图1.5 CPU226AC/DC/继电器模块输入、输出单元的接线图

1.2可编程序控制器的控制系统设计

1.2.1 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，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。

1.2.2 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。

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。