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1、PLC控制系统课程设计目录第一章 控制工艺流程分析11.1步进电机的控制过程描述11.2 PLC控制步进电机的控制工艺分析2第二章 步进电机PLC控制系统总体方案设计22.1系统硬件组成22.2控制方法分析42.3 I/O分配52.4系统接线图设计7第三章 控制系统梯形图程序设计83.2控制程序的时序图设计93.3控制程序设计思路9第四章 监控系统设计114.1PLC与上位监控软件通讯114.2上位监控系统组态设计114.3实现的效果12第五章 系统调试及结果分析135.1实验调试中遇到的问题及解决方案135.2 设计心得13参考文献14附录15第一章 控制工艺流程分析1.1步进电机的控制过程
2、描述步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动
3、机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。1.2 PLC控制步进电机的控制工艺分析时至今日，软件以及电子设备等相关技术都有了长足发展。虽然软件的发展速度比不上硬件的发展速度那么迅速，但已能满足现在的工业需求。对步进电机的传统控制通常完全由硬件电路搭接而成。，比如：可以实现高精度的控制，降低成本，降低控制难度，简化控制电路等。而从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。PLC控制步进电机的控制工艺分析:1不需要反馈，控制简单。2与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。3
4、没有角累积误差。4停止时也可保持转距。5没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。6即使没有传感器，也能精确定位。7根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。但是，这种电机也有自身的缺点。8难以获得较大的转矩9、不宜用作高速转动10在体积重量方面没有优势，能源利用率低。11超过负载时会破坏同步，速工作时会发出振动和噪声第二章 步进电机PLC控制系统总体方案设计2.1系统硬件组成可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态中，可编程控制器通过执行反应控制来实现用户的控制要求。为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不仅仅执行
5、一次，而是反复不断地重复执行，直到可编程控制器停机或切换到STOP工作状态。本设计采用51单片机AT89C51（晶振频率为12MHZ）对该四相六线制步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V）进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过特定芯片驱动步进电机。本文选用ULN2003构成步进电机的驱动电路，下面但见介绍下ULN2003的结构和特点：ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。该电路的特点如下：ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可
6、以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003 采用DIP16 或SOP16 塑料封装。ULN2003方框图如图2-1所示。2-1 ULN2003内部方框图利用ULN2003以及AT89C51设计的步进电机驱动电路如图2-2所示。图2-2 ULN2003和AT89C51构成的驱动电路此25-28口接ULN2003的1-4输入端。另外，用键盘来对电机的状态进行控制。将图2-2和图2-3连接起来，使之实现：按下启动键S1，电机旋转，按一下加1键S2，速度增
7、加1转/分，按一下减1键S3，速度降低1转/分。本设计设置了速度范围，其速度最低和最高分别为：9转/分，75转/分，按下停止键S4，电机停转。速度值在数码管上显示出来。综合以上设计的控制电路方案，总设计方案框图如2-3所示。单片机ULN2003键盘步进电机数码管图2-3 步进电机控制系统硬件电路设计框图图2-4 PLC控制系统的硬件结构图2.2控制方法分析步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗称半步）。以步距角为0.9度的
8、进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用.步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。其工作原理如下：设A相首先通电，转子齿与定子A、A对齐。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A极继续拉住齿1、3，因此，转子将转到
9、两个磁拉力平衡为止。即转子顺时针转过了15。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B极对齐，转子从图(b)的位置又转过了15。这样，如果按AA、BBB、CCC、AA的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15。如果按AA、CCC、BBB、AA的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。图 2-5 步进电机通电方式原理图三相步进电动机有三个绕组: A、B、C正转通电顺序为：AABBBCCCA反转通电顺序为：ACACBCBAB#1开关控制其运行 ( 启 )。#2开关控制其运行 ( 停 )。#3 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.5 s)。#4 号开关控制其中速
10、运行 (转过一个步距角需 0.1 s)。#5 号开关控制其高速运行 (转过一个步距角需 0.04 s)。#6 号开关控制其转向 ( ON 为正转 )。#7 号开关控制其转向 ( OFF 为反转)。2.3 I/O分配步进电动机以最常用的三相六拍通电方式工作，并要求步进电动机设有快速、慢速控制、正反转及单步控制4种控制方式。根据要求，可选用C28PCDTD的PLC进行控制并设计出步进电动机的PLC控制系统I/O接线图。图2-6 步进电动机的PLC控制系统I/O接线图步进电动机PLC控制系统梯形图设计图2-7 步进电动机的PLC控制系统梯形图2.4系统接线图设计图2-8 PLC控制系统接线图1、步距
11、角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。2、静力矩的选择：步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应
12、为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。3、电流的选择：静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流。第三章 控制系统梯形图程序设计3.1 步进电机控制流程图图3-1步进电机控制流程图3.2控制程序的时序图设计图3-2控制电机的时序图3.3控制程序设计思路功能模块设计:本模块可分为如下3个部分： （1）步进电动机与单片机的接口。单片机是性能极佳的控制处理器，在控制步进电机工作时，接口部件必须要有下列功能。电压隔离功能:单片机工作在5V，而步进电机是工作在几十V，甚至更高。一旦步进电机的电压串到单片机中，就会损坏单片
13、机；步进电机的信号会干扰单片机，也可能导致系统工作失误，因此接口器件必须有隔离功能。信息传递功能:接口部件应能够把单片机的控制信息传递给步进电机回路，产生工作所需的控制信息，对应于不同的工作方式，接口部件应能产生相应的工作控制波形。产生所需的不同频率。为了使步进电机以不同的速度工作，以适应不同的目的，接口部件应能产生不同的工作频率。（2）电压隔离接口。电压隔离接口专用于隔离低压部分的单片机和高压部分的步进电机驱动电路，以保证它们的正常工作。电压隔离接口可以用脉冲变压器或光电隔离器，现在基本上是采用光电隔离器。单片机输出信号可以通过TTL门电路或者直接送到晶体管的基极，再由晶体管驱动光电耦合器件
14、的发光二极管。发光二极管的光照到光电耦合器件内部的光敏管上，转换成电信号，再去驱动步进电机的功率放大电路，电流放大接口是步进电机功放电路的前置放大电路。它的作用是把光电隔离器的输出信号进行电流放大，以便向功放电路提供足够大的驱动电流。（3）工作方式接口和频率发生器。用单片机控制步进电动机，需要在输入输出接口上用3条I0线对步进电动机进行控制，这时，单片机用IO口的RA0、RAI、RA2控制步进电动机的三相。第四章 监控系统设计4.1PLC与上位监控软件通讯上位机的作用是提供一个人机交互界面，使操作人员可以通过CRT和模拟屏直观的了解现场各工艺参数及故障报警，根据生产需要发出相应的控制指令。另外
15、可以使用大容量存储器记录历史数据，为提高生产效率制定新的生产方案提供可靠的依据。控制核心采用PLC，其特点是体积小、功能多、可靠性高。编程后的PLC能够按照内部程序对系统进行实时监控，程序启停现场设备。由于现场监控点多、布局分散，且各工序工艺独立，为简化电缆铺设、降低系统成本、提高系统稳定性，采用两台PLC对生产工艺进行监控。其中主PLC控制提升泵站、沉砂池、氧化沟、二沉池、回流污泥泵站的所有设备及传感器。控制剩余污泥泵站、储泥池、加药间、脱水间的所有设备及传感器。主、数据通过Control-Link总线进行数据交换，实现数据共享。操作人员通过上位机向PLC发出相应的控制指令后，由PLC对现场进行直接控制。此时即便上位机出现故障（如死机、掉电等），也不会影响系统的正常工作，这样做大大提高了系统的安全稳定性。PLC与上位机的通讯采用RS485方式，这种方式传输距离远，技术可靠。4.2上位监控系统组态设计随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用
