PLC课程设计（论文）-模拟电机的转速测试.doc

四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 目 录 前前 言言.1 1. plc 简介简介2 1.1 plc 的定的定义义2 1.2 plc 系系统组统组成及各部分的功能成及各部分的功能2 1.3 plc 的工作原理的工作原理3 1.4 plc 控制系控制系统设计统设计思路思路3 2. 总体设计方案总体设计方案4 2.1 模模拟拟旋旋转编码转编码器方案器方案 4 2.1.1 旋旋转编码转编码器器.4 2.1.2 使用使用 plc 中中 pto/pwm 模模拟拟5 2.2 高速高速计计数器方案数器方案.6 3.硬件系统设计硬件系统设计7 3.1 西西门门子子s7-200plc 简简介介7 3.2 硬件硬件连线连线 7 4.软件设计软件设计8 4.1 软软件介件介绍绍.8 4.2 软软件启件启动动流程流程 8 4.3 程序流程程序流程图图 11 4.3.1 高速脉冲串的高速脉冲串的产产生生11 4.3.2 高速高速计计数器的数器的实现实现11 4.4 梯形梯形图图 12 4.4.1 高速脉冲串的梯形高速脉冲串的梯形图图12 4.4.2 高速高速计计数器的数器的语语句表句表14 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 1 4.5 结论结论.15 4.5.1 频频率率变变化的高速脉冲波形化的高速脉冲波形15 4.5.2 高速高速计计数器的数器的变变量量结结果果15 5.设计总结设计总结15 6.参考文献参考文献16 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 2 前 言 可编程控制器(programmable controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制 应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(programmable logic controller)，简称plc，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这 种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制 器，简称pc。但是为了避免与个人计算机(personal computer)的简称混淆，所以将可 编程控制器简称plc。 “plc是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。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及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体， 易于扩展其功能的原则而设计。” plc在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻 纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 使用软件step 7-micro/win 4.0版和s7-200 cpu产品系列编程，s7-200系列小型 plc (micro plc)可应用于各种自动化系统。紧凑的结构、低廉的成本以及功能强大的 指令集使得s7-200 plc成为各种小型控制任务理想的解决方案。s7-200产品的多样化 以及基于windows的编程工具，使您能够更加灵活地完成自动化任务。 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 3 1. plc 简介简介 1.1 plc 的定义 在1987年国际电工委员会（international electrical committee）颁布的plc标 准草案中对plc做了如下定义： “plc是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。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及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体， 易于扩展其功能的原则而设计。” 1.2 plc 系统组成及各部分的功能 1.系统组成 图 1 plc 的系统组成 2各部分的作用 (1)cpu运算和控制中心 起“心脏”作用。 (2)存储器 ：具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。 (3)输入/输出接口 。 输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。 输出接口：plc的继电器输出接口电路。 (4)编程器 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 4 编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。 二种是通过plc的rs232与计算机相连。 1.3 plc 的工作原理 当plc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，plc的 cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 图 2 plc 的运行阶段 1. 输入采样阶段 在输入采样阶段，plc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映象区中的相应得单元内。 2. 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，plc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。 3. 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，plc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plc的真正输出。 1.4 plc 控制系统设计思路 本设计以plc作为工具对高速计数器和pto/pwm的各种操作进行控制。plc控制系统 设计一般分为以下几个步骤： 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 5 1. 熟悉被控对象（本次设计的对象为pto/pwm），制定控制方案 2. 确定i/o点数 3. 选择plc机型（本次设计采用西门子s7-200plc） 4. 选择输入、输出设备，分配plc的i/o地址 5. 程序设计（包括梯形图的绘制） 6. 系统调试 7. 编制相关技术文件 8. 系统总体设计流程如图3所示： 图 3 plc 系统总体设计流程图 2. 总体设计方案总体设计方案 2.1 模拟旋转编码器方案 2.1.1 旋转编码器 旋转编码器工作原理为：由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线， 有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成a、b、c、d,每个正弦波相差 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 6 90度相位差（相对于一个周波为360度），将c、d信号反向，叠加在a、b两相上，可增 强稳定信号；另每转输出一个z相脉冲以代表零位参考位。 编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线， 其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定 的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型 的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。 信号输出： 信号连接编码器的脉冲信号一般连接计数器、plc、计算机，plc和计算机连接 的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 a.b两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。 a、b、z三相联接，用于带 参考位修正的位置测量。 a、a-，b、b-，z、z-连接，由于带有对称负信号的连接， 电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。 对于ttl的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。 旋转编码器由精密器件构成，故当受到较大的冲击时，可能会损坏内部功能，使 用上应充分注意。 2.1.2 使用 plc 中 pto/pwm 模拟 图 4 plc 实现模拟旋转编码器 s7-200有两个pto/pwm发生器，用以建立高速脉冲串（pto）或脉宽调节（pwm）信 号波形。一个发生器指定给数字输出点q0.0，另一个发生器指定给数字输出点q0.1。 其中，pto提供方波（50%占空比）输出，脉冲周期和数量可由用户控制。 pto/pwm 控制寄存器 制寄存器中的值启动要求的操作对pto/pwm 0 使用 smb67 对pto/pwm 1 使用 smb77如果要装入新的脉冲数 (smd72 或smd82) 脉冲宽度 (smw70 或smw80) 或周期 (smw68 或smw78) 应该在执行pls指令前装入这些值和控制寄存器 如果要使用多段脉 模拟的旋 转编码器plc 内部 宽度可调脉冲输出 pto/pwm 初始化 高速脉冲串输出 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 7 冲串操作在使用pls指令前也需要装入包络表的起始偏移量 (smw168 或smw178) 和包 络表的值。 表1 控制 pto/pwm 操作的寄存器 2.2 高速计数器方案 高速计数器工作原理为：plc高速计数器和plc程序是两个不同的内部机构。plc程 序是扫描机制，读取的对象是输入映像存储器的数据。一般用计数器也是读取输入映 像存储器。 plc高速计数器一旦启动，其专用的输入点就不再刷新其对应的输入映像存储器。 存取高速计数器的计数值 ，必须指明高速计数器的地址并采用hc类型和计数器号。使 用高速计数器前 必须选定一种工作模式你可以用hdef 指令 (定义高速计数器) 做到 这件事hdef 给出了高速计数器 (hscx) 和计数模式之间的联系对每个高速计数器只能 使用一条hdef 指令 可利用初次扫描存储器位sm0.1 (此位仅在第一次扫描周期时接通 然后断开) 调用一个包含hdef 指令的子程序来定义高速计数器。每个高速计数器都有 一个控制字节包括下列几项允许或禁止计数计数方向控制 (只能是模式0,1,2) 或对所 有其它模的初始化计数方向要装入的计数器当前值和要装入的预置值执行hsc 指令时 要检验控制字节和有关的当前值及预置值。 3.硬件系统设计 3.1 西门子 s7-200plc 简介 s7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它 智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目 的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使s7-200成为各种控制应用的理想解决 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 8 方案。它集成6 输入/4 输出共10 个数字量i/o 点，无i/o 扩展能力。s7-200系列在 集散自动化系统中充分发，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动 化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领 域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如： 冲压机床、 磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统等。 step 7-micro/win 32是西门子公司专门为s7-200系列plc设计在个人计算机 windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学，可用梯形 图（lad）、语句表（stl）和功能块图三种编程语言编制程序，不同的编程语言编制 的程序可以相互转换。step 7-micro/win 32提供两套指令集，即simatic指令集（s7- 200方式）和国际标准指令集（iec1131-3方式）。程序编制完成之后，利用plc与计算 机专用的pc/ppi电缆传送程序至plc。 3.2 硬件连线 连接s7-200十分容易，在本例中，您只需要给s7-200 cpu供电，然后在编程设 备与s7-200 cpu之间连上通讯电缆即可。给s7-200 cpu供电：第一个步骤就是要 给s7-200的cpu供电。图5给出了直流供电和交流供电两种cpu模块的接线方式。 图 5 plc 的供电方式 硬件接线比较简单：实验室s7200其中一台 plc的q0.0输出接入i0.0，由于pwm 输出口选择的是q0.0，对于各自的共选端接入电源的低，而另外一台plc高速计数器的 计数控制，只需要对应接入输入口和输出口，重要是输入信号由前台plc的高速脉冲串 提供。 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 9 4.软件设计软件设计 4.1 软件介绍 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。为了能快捷高效地开发您的应用程序，step 7-micro/win软件为您提供 了三种程序编辑器。为了便于您找到所需的信息，step 7-micro/win提供了一个详尽 的在线帮助以及一个文档光盘，该光盘含有本手册的电子版、应用示例和其它有用的 信息。 step 7-micro/win 4.0版是用于s7-200的32位编程软件包，它包括：支持最新 型cpu增强功能的新软件工具和改进过的软件工具： pid自整定控制面板、plc内置位 控向导、数据归档向导和配方向导。新的诊断工具：可组态诊断led新指令：夏令时 （read_rtcx和set_rtcx）、间隔定时器（bitim、citim）、清除中断事件 （clr_evnt）以及诊断led（diag_led）。pou和库的增强：新型字符串常量和添加的 间接寻址支持更多的存储类型，增强了使用uss库函数对西门子变频器读写参数功能的 支持。改进的数据块：数据块页、数据块自动增量更佳的step 7-micro/win可用性。 4.2 软件启动流程 1.打开step 7-micro/win 点击step 7-micro/win的图标，打开一个新的项目，图6所示为一个新项目。注 意左侧的操作栏。您可以用操作栏中的图标，打开step 7-micro/win项目中的组件。 点击操作栏中的通讯图标进入通讯对话框。您可以用这个对话框为st ep7-micro/win 设置通讯参数。 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 10 图 6 step 7-micro/win 窗口 2. 打开step 7-micro/win 点击step 7-micro/win的图标，打开一个新的项目，图7所示为一个新项目。注 意左侧的操作栏。您可以用操作栏中的图标，打开step 7-micro/win项目中的组件。 点击操作栏中的通讯图标进入通讯对话框。您可以用这个对话框为st ep7-micro/win 设置通讯参数。 3. 与s7-200建立通讯 用通讯对话框与s7-200建立通讯：在通讯对话框中双击刷新图标。step 7- micro/win搜寻并显示所连接的s7-200站的cpu图标。选择s7-200站并点击ok。如 果step 7-micro/win未能找到您的s7-200 cpu，请核对您的通讯参数设置。建立与 s7-200的通讯之后，您就可以创建并下载示例程序。 图 7 设置通讯 4. 创建一个例子程序 创建这个例子程序将使您体会到使用step 7-micro/win编程有多简单。在本例中， 您用梯形图编辑器来录入程序。下面给出了完整的梯形图和语句表程序。语句表中的 注释，解释了程序的逻辑关系。时序图显示了程序的运行状态 5. 打开程序编辑器 点击程序块图标，打开程序编辑器 。注意指令树和程序编辑器。您可以用拖拽的 方式将梯形图指令插入到程序编辑器中。在工具栏图标中有一些命令的快捷方式。在 输入和保存程序之后，您可以下载程序到s7-200中。 6. 下载例子程序 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 11 1. 您可以点击工具条中的下载图标或者在命令菜单中选择file download来下载 程序。参见图8。2. 点击ok下载程序到s7-200。如果您的s7-200处于运行模式，将 有一个对话提示您cpu将进入停止模式。单击yes将s7-200置于stop模式。 图 8 下载窗口 7. 将s7-200转入运行模式并调试应用程序 如果想通过step 7-micro/win软件将s7-200转入运行模式，s7-200的模式开关 必须设置为term或者run。当s7-200处于run模式时，执行程序： 图 9 进入模式 4.3 程序流程图 4.3.1 高速脉冲串的产生 如下图： 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 12 图 10 高速脉冲串的流程图 4.3.2 高速计数器的实现 如下图 ： 图 11 高速计数器的流程图 4.4 梯形图 4.4.1 高速脉冲串的梯形图 (1)主程序如下： 高速脉冲输出脉冲串（pto）和宽度可调脉冲输出（pwm） /注意i0.0的输入由pto/pwm的输出口：q0.0。硬件接线注意的重点， 脉冲宽度 调制vw100=500ms时进入脉宽增的函数， 脉冲宽度调制vw100=2000ms或递减值后比先 前的值小时进入脉宽减的函数。 network 1 ld sm0.1 call sbr1 初始化 设置中断 初始值 控制字 子程序 中断启动 hsc 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 13 network 2 ld i0.0 eu lps ldw= vw100, smw70 ow= smw70, 500 ald call sbr0 lpp lps aw= smw70, 2000 -i 100, smw70 aeno = l63.7 lpp aw= smw70, vw100 o l63.7 call sbr2 (2)初始化： /初始化pwm：输入控制字smb67=11011011 ：脉冲输出允许，选用pwm模式，单段 管线，同步更新，ms单位时基，pto输出脉冲数不更新，pwm更新脉冲宽度值，pto/pwm 不更新周期值。周期值smw68=2s，脉冲宽度值smw70=0.5s。pls指令是启动pwm，并有 q0.0输出脉冲（注意pto/pwm中使用的高速脉冲输出，就不能作为普通数字量输出点）。 ld sm0.0 movb 16#da, smb67 movw 2000, smw68 movw 500, smw70 pls 0 (3)脉宽增： 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 14 /使用变量vw100作为中间变量循环递增，递增一次进入pwm指令的使用输出脉冲 宽度增加直到脉冲宽度达到周期就返回。 network 1 ld sm0.0 lps movw smw70, vw100 +i 100, smw70 aw= smw70, 2000 cret lpp pls 0 (4)脉宽减： /使用变量vw100作为中间变量循环递减，递减一次进入pwm指令的使用输出脉冲 宽度变窄， 直到脉冲宽度达到初始脉冲宽度就返回。 network 1 ld sm0.0 lps movw smw70, vw100 -i 100, smw70 aw= smw70, 500 cret lpp pls 0 4.4.2 高速计数器的语句表 (1)主程序： /初始化高数计数器0：控制字节smb37（计数方向为增，允许更新计数方向为增， 允许写入新的初始值，允许写入新的设定值，允许执行hsc），初始值smd38=0， 预设值smd42=500计数到就中断，高数计数器的模式设置hdef。 ld sm0.1 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 15 movb 16#f8, smb37 movd 0, smd38 movd 500, smd42 hdef 0, 0 call sbr0 (2)子程序sbr_0： /时基初始化子程序sbr_0，时基中断0定时时间常数为0，atch 全局 开中断， 对应的事件是10，hsc 0 启动高速计数器0。 ld sm0.0 movb 0, smb34 atch int0, 10 eni hsc 0 (3)中断程序： /读高速计数器0的计数值到vd100，累计数据到vd200，重新对高速计数器初始化， hsc并启动高速计数器。 ld sm0.0 movd hc0, vd100 +d vd100, vd200 movb 16#f8, smb37 movd 0, smd38 movd 500, smd42 hsc 0 4.5 结论 4.5.1 频率变化的高速脉冲波形 从q0.0输出脉冲，使用示波器检测，发现输出方波并且脉冲宽度先是逐渐的增加， 当增加到一定程度后，脉冲宽度开始逐渐的减小到初始的脉冲宽度后又一次进入脉冲 增加，反复的循环产生脉冲输出。（图形见附件高速脉冲波形）。 4.5.2 高速计数器的变量结果 先是设置编程软件中的状态表结果变量 vd200，观察到变量 vd200 中的新值一直 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 16 连续的变化（如表 2、表 3） 表 2 变量结果 间隔一段时间的观察结果： 表 3 变量结果 从实验效果得到：高速脉冲串