机械毕业设计（论文）-数字阀门的PLC控制.doc

编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 数字阀门的PLC控制 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：高工 ） （职称： ）2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 基于PLC的数字阀门基本系统的实现 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械93 学 号： 0923125 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院信 机系 机械工程及自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目基于PLC的数字阀门的控制 2、专题 二、课题来源及选题依据 随着科技的越来越发展，在机械类方面越来越向自动化方面靠拢，各种各种各样的技术如雨后春笋般冒出，而PLC就应运而生。就全世界自动化市场的过去、现在和可以预见的未来而言，PLC仍然处于一种核心地位。由此可见PLC的重要性，以及对其研究意义的肯定。 PLC是一种专门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按照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。目前，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 。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 通过毕业设计培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力； 学会使用PLC系统开发的综合训练，达到能够进行PLC系统设计和实施的目的； 熟练掌握步进电机的工作方式及其电路分析； 掌握PLC的工作原理及其基本构造； 能够熟练编制梯形图编制； 熟练使用西门子S7系列提供的step7工具。 四、接受任务学生： 机械93 班 姓名 五、开始及完成日期：自2012年11月12日 至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名 2012年11月12日VII摘 要我们在各种场合看到了继电接触器控制，那个时代已经过去了，如今的继电器只能作为低端的基层控制模块或者简单的设备中使用，而PLC的出现也就成了划时代的主题，通过比较稳定的硬件和灵活的软件控制使得自动化走向了新的高潮。尤其是如今的互联网大潮下，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）。中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 本次毕业设计通过西门子S7-200（CPU221）型PLC控制步进电机完成对阀门系统控制。根据数字阀门系统的电磁阀的动作要求和技术参数确定PLC的输入口和输出口的分配以及电气元件的选型，主电路和控制电路的设计。根据输入输出口和电磁阀的动作表利用西门子S7-200编译器V4.0 STEP 7 MicroWIN设计出控制系统主程序，自动运行和手动运行两个子程序的梯形图。最后根据控制系统的组成完成系统走线图和电气柜设计。关键字：西门子PLC ；步进电机；STEP 7；梯形图ABSTRACTWe saw the relay contactor control on various occasions. The time has passed, the relay can only use today as a low-end of the primary control module or a simple device. And the emergence of PLC has become the epoch theme, through a comparative stable hardware and flexible software control automation to a new climax. Especially in todays Internet tide, programmable controller and other industrial control computer network composed of large control system is the development direction of the programmable controller technology. DCS computer control system at present (Distributed Control System). Application of programmable controller in the already large number of. Along with the development of computer network, the programmable controller is an important part of automation and control network and international network, will be many outside the industry and industry play a more and more important role. The graduation design through the Siemens S7-200 (CPU 221) PLC to control the stepper motor to complete the valve control system. To determine the distribution of PLC input port and the output port and the selection of electrical components according to the movement requirements of digital valve solenoid valve system design and technical parameters, main circuit and control circuit. According to the input and output port and the electromagnetic valve action table by Siemens S7-200 compiler V4.0 STEP 7 MicroWIN to design the main program control system, ladder diagram of automatic and manual operation two subroutine. Finally, according to the control system to complete the system wiring diagram and electrical cabinet design.Keywords: Siemens PLC; step motor; STEP 7; ladder diagram目录摘 要IIIABSTRACTIV1绪论11.1 数字阀门的PLC控制研究内容和意义11.1.1 背景介绍11.1.2 研究内容和意义11.2 国内外发展概况11.2.2 国外发展21.2.1 国内发展31.2.3 本课题应达到的要求42数字阀门PLC控制的元件选择及其特点52.1普通阀门电动装置的结构与功能特点52.2 PLC阀门控制器总体设计方案62.2.1 调节型阀门控制器设计要求62.2.2 调节型阀门控制器功能分析72.2.3 PLC阀门控制器基本原理72.3调节型阀门控制器中央处理单元102.3.1 PLC控制器的选择102.3.2 S7-200的优点102.3.3 硬件系统112.3.4 软元件122.4步进电机的特点及其选择122.4.1 步进电机的特点122.4.2 步进电机的分类132.4.3 步进电机的选择133 PLC步进电机工作方式的控制153.1 常见的步进电机的工作方式153.1.1 常见的步进电机的工作方式有以下三种：153.2 步进电机控制原理163.2.1 控制步进电机换向顺序163.2.2 控制步进电机的转向163.2.3 控制步进电机的速度163.3 PLC控制步进电机的方法163.4 PLC控制步进电机的设计思路173.4.1 步进电机控制方式173.4.2 西门子PLC控制步进电机193.5 步进电机驱动电路设计193.5.1驱动器的选择193.6控制原理和接线图204 S7-200控制步进电机软件设计214.1 STEP 7概述214.1.1 STEP 7的硬件接口214.1.2 STEP 7的编程功能214.1.3 STEP 7的诊断功能与硬件组态224.2 程序的编写224.3电机正反转接线图244.4 梯形图程序设计254.4.1 CPU的选择254.4.3 PLC控制电机正反转I/O分配及硬件接线254.4.3 状态真值表264.5 梯形图程序265 总结345.1 全文总结345.2 不足之处及展望34致 谢35参考文献361绪论1.1 数字阀门的PLC控制研究内容和意义1.1.1 背景介绍可编程控制器ProgrammableController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 （ProgrammableLogicController）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（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。1.1.2 研究内容和意义本课题是在充分了解国内外调节型阀门电动执行机构技术现状和发展趋势的基础上，认真研究了其优点和不足之处，并结合国内用户的需求及应用环境而提出的。在国内现有的同类产品基础上，将单片机技术、电子技术、传感器技术应用在电动执行器中，开发了集执行机构、驱动单元、调节控制单元、现场显示仪表等为一体的机、电、仪一体化的调节型执行器。以西门子S7-200为中心对阀门电动执行装置进行控制。通过开关式控制机构在行程到位、过转矩或故障发生时直接切断该机构在电气控制回路中的对应常闭触点来断开电机电源的方式。由电机来带动阀门的开闭及整个过程。本课题由故障检测和开度控制两部分组成，故障检测包括相序检测及自动调整环节、断相检测环节、电机过热检测环节及极限位置检测等，开度控制包括控制电机正反转环节和开度显示环节等，主要功能包括本地控制和远程控制两个方面，本地控制使用旋钮控制电动执行器开度，远程控制使用4-20mA标准信号控制执行器开度，输出需要显示电机开度，同时使用指示灯显示电机状态。通过传感器实现行程和转矩控制机构实时采集行程和转矩信息并以电信号的形式传至西门子S7-200并分析处理，西门子S7-200根据处理结果实时刷新开度指示模块的开度显示，并通过电机驱动模块控制电机的正转、反转和停止；状态检测模块在系统上电后即对电机电源的相序正反、是否缺相、电机温度过热等状态实时监控，异常时向西门子S7-200发出相应的故障信号，西门子S7-200及时做出故障处理（如通过电机驱动模块使电机停止等），并通过开度指示模块显示故障报警信息。1.2 国内外发展概况执行器是工业自动化系统中的执行单元，也是自动化系统中最重要的组成部分之一，电动执行器一般是以电动机作为动力源的阀门电动装置,其作用是将控制信号转换成相应的动作来控制阀内截流件的位置或其它调节装置。1.2.2 国外发展自1929年LIMITORQUE公司制造出了世界上第一台电动执行机构以来，国际上电动执行器技术水平发展迅速。20世纪80年代起，国外相继推出了符合各种现场总线标准的调节型执行器，在工业现场取得了较好的应用效果。由于高新技术的迅猛发展，目前国外己开发出新一代调节型化电动执行机构产品，电子计算机技术、微机控制技术己在阀门设计中得到广泛应用。这些调节型化电动执行器功能强大、简单可靠、技术先进。国际著名的电动执行器公司英国的ROTORK（罗托克）生产的IQ系列调节型化电动执行器，不但具有调节型通信、调节型控制、支持多种现场总线的功能，而且其独有的双密封系统和红外线非侵入式设定使它可用在任何环境中，防水防暴，终身可靠，调试及故障排除简单。德国Hartmann&Braum公司新一代产品调节型电动执行器MOE700实现了调节型式电子一体化，变频变速定位，监控等功能。代表着该领域的世界先进水平的公司还有美国的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等几家国外著名的公司。JORDAN公司的调节型电动执行器突出特点是动作频率高，其动作频率是20004000/h，而国内的电动执行器动作频率在2000/h以下，一般动作频率达到1200/h就是很高的了。调节型电动执行器集微机技术和执行器技术于一体，以调节型放大器取代传统的磁放大器，是一种新型的终端控制单元，是工业控制与自动化系统当前和今后发展动向之一。国际上电动执行器向五个方向发展：调节型性，现场总线调节型性，轻巧实用性，重型，安全复位性。目前调节型化阀门电动装置在国外已经形成许多系列产品，广泛应用于许多工业领域中，并呈现出全方位调节型化，“全方位”体现在阀门电动装置与仪表执行机构这两类产品概念的统一，即其产品已经将上述两类产品性能集于一身。其突出特点在于： 1、机械结构的精简可靠，电子电路高度集成化、模块化。把整个控制回路装在一个现场仪表（阀门电动装置）之中，同时可在不使用专用的工具移去任何封盖的前提下进行系统设置，而是通过安置在控制仪表板上的LCD（Liquid Crystal Display）和本地控制开关来完成。这样使控制系统的设计、安装、操作和维护等工作大大简化，且减少因信号传输中的泄漏和干扰等因素对系统的影响，提高了可靠性。此外，在结构设计上充分考虑到抗恶劣工作环境的因素，其组件多带有保护涂层以防腐蚀，外壳采用密封式，经得起温度、湿度的大范围变化和振动冲击的考验，保证工作可靠。例如，OTORK公司生产的Q300系列电动装置就带有防水保护和双层密封外壳，工作温度度在-30+70之间。从这些可以折射出国外阀门电动装置生产厂商的规模生产能力，以及其技术、工艺的成熟和完善。2、功能的完备，主要体现在其一机多用途，完全具备阀门电动装置、仪表执行器的所有功能。计算机控制功能。除了能精确确定阀门全行程的两个极限位置外，还可按给定值自动进行过程调节，控制流量和压力等过程变量，通过微处理器和PID或调节型控制算法编程实现。例如VALTEK公司的Starpac调节型化阀门电动装置能响应外部4-20mA模拟信号或经由RS-485通讯口发来的数字信号或按自身程序设定的参数进行PID控制。安全保护功能，具有高度的自身保护和系统保护功能。如自动调整三相电源的相序而保证电机正确起动，避免因相序接错导致电机反转而损坏电动装置和阀门，此外还能在阀门卡死的情况下防止阀门因过转矩而损坏。ROTORK公司生产的IQ型调节型化阀门电动装置具有上述两种功能，它装有相同步器（自动相序调整装置），可确保IQ的三相电动机始终具有正确的相序电源，其次如果阀门卡死，当启动信号发出715秒后无任何的动作，IQ的执行器内部逻辑电路可将相应的触点断开。除了有自身保护功能外，调节型化阀门电动装置还具有系统保护功能，即当某些部件出现故障或系统出现其它问题时，会自动采取应急措施以免发生事故。调节型诊断功能，在阀门电动装置上装有一些附加的传感器或检测电路，专门用于故障检测，微处理器在运行中连续对整个系统进行检测，一旦发现问题立即执行预定的程序，自动采取应急措施并报警告知用户。3、业现场总线技术、无线通讯技术的工业产品化应用。调节型阀门电动装置利用数字通讯手段与主控制室相连，主控制室送出的可寻址数字信号通过电缆被电动装置接收，电动装置的微处理器根据收到的信号对电动装置进行相应的控制。1.2.1 国内发展近年来，我国电动阀门研制行业坚持技术进步，加快新产品开发，涌现出一批各具特色的高新技术产品。如北京机床所的直动式电液伺服阀、杭州精工液压 机电公司的低噪声比例溢流阀(拥有专利)、 宁波华液公司的电液比例压力流量阀 (已申请专利)，均为机电一体化的高新技术产品，并己投入批量生产，取得了较 好的经济效益。目前国内研制的新型智能电动执行器的主要特点是:主要技术指 标正在向国际 90 年代初水平看齐，工作死区小于 0.8 级，回差和基本误差都小 于 1 级。使用方便，具有自诊断、自调整和 PID 调节功能。目前国内工业现场使用的阀门执行器大多是以模拟仪表为主，其硬件电路复杂。随着工业现代化的发展，我国电力、冶金、矿山、石化等行业对阀门执行器的可靠性、稳定性、适应性和精度等方面提出的要求越来越高，而在这些重点行业上，国内执行器厂家纷纷引进国外技术，有的是全套进口执行器件，国内组装，生产技术国产化；有的是进口主要器件和壳体，国内组装；也有的进口原装执行器。可见，国内比较先进的执行器以引进为主。在调节型阀门电动装置领域与国外相比国内的发展要滞后，其产品的可靠性、工艺的完善性等均比国外落后、低于国际水平。目前使用的阀门电动装置绝大部分仍然是六七十年代设计的产品，其突出特点是体积庞大，采用传统的模拟控制，控制精度低，抗干扰性差，不容易实现网络化控制，其主要作用也只是代替人力去操纵那些大口径的阀门。随着国外调节型阀门电动装置对国内市场的影响，国内阀门电动装置厂商和相关机构开始把更多的精力投入到调节型阀门电动装置产品上。国内较为领先的调节型阀门电动装置生产厂家，如奥托克、瑞基等新兴生产厂家，其技术水平紧随国外同行业产品。鞍山阀门厂引进了日本的相关技术，所生产的系列电动执行器具有相当好的性能和控制精度；上海自动化仪表七厂引入了梅索尼兰的三个品种的产品；大连第三仪表厂和四川仪表十一厂又引进了西门子的电动执行机构。引进型电动执行机构品种规格齐全、精度高、结构紧凑、体积小、重量轻，具有各种保护功能、适用性强、性能稳定、安全可靠；安装、调试、操作、维修方便；可直接与各类蝶阀、控制阀和带控制的截止阀、闸阀等1.2.3 本课题应达到的要求1.熟练的使用PLC编程语言，包括梯形图语言和指令表语言2.了解PLC的组成结构及其工作方式3.了解PLC控制步进电机的工作原理4. 用STEP 7完成PLC的编程 2数字阀门PLC控制的元件选择及其特点本章分析了国内普通阀门电动装置对阀门位置控制（简称行程控制）和阀门转矩控制（简称转矩控制）机械开关式控制机构的结构以及普通阀门电动装置控制器的功能特点，针对调节型非侵入的要求从总体设计上提出了调节型阀门控制器系统的解决方案。引入微机控制技术、传感器技术和电子技术，分别利用绝对值光电编码器和测力传感器替代行程控制机构及转矩控制机构实现对行程和转矩信号的连续采集，并提交PLC系统构成的调节型中央处理单元分析处理，同时也通过各种处理电路丰富和完善了故障检测和报警功能及远程开关控制和状态联动功能，提供了人性化的LCD汉字显示界面，并使结构上达到了操作时非侵入的要求，使得该调节型阀门控制器实现了对信息采集的数字化，控制处理的精确化，人机交互的人性化、调节型化以及操作设置的安全化。2.1普通阀门电动装置的结构与功能特点普通阀门电动装置对于行程和转矩的控制均由机械开关式行程和转矩控制机构实现。如图2.1所示，包括机械开关式行程控制机构、可调式开度指示器和机械开关式蝶簧组及转矩控制机构，用以控制阀门的开启、关闭及阀门位置的开度指示和开关阀门过程中的转矩保护。1.电机 2.3.齿轮 4.蜗杆 5.蜗轮 6.输出轴 7.8.伞齿轮 9.行程控制机构 10.中间齿轮 11.可调式开度指示器12.蜗杆上环槽 13.曲柄 14.转矩控制机构 15.蝶簧组及转矩控制机构图2.1 普通阀门电动装置结构示意图机械开关式行程控制机构：由十进位齿轮组、顶杆、凸轮和微动开关组成，简称计数器。其工作原理是由减速箱内的一主动小齿轮带动计数器工作。如果计数器按阀门开或关的位置已调整好，当计数器随输出轴转到预先调整好的位置（圈数）时，则凸轮将被转动90，压迫微动开关动作，切断电源，电机停转，以实现对电动装置行程的控制，为了控制较多圈数（多回转）的阀门，可调整凸轮转180或270再迫使微动开关动作。同时其指针式阀门开度指示由可调式开度指示器实现，其由减速齿轮组、调节齿轮、阀门开度表盘、凸轮、微动开关及电位器组成。在现场调试时根据所配阀门开关的圈数，将调节齿轮调整到所需位置，并与减速齿轮组啮合。当阀门在开启或关闭过程中，开度盘经减速后转动，指示阀门的开度值，指示角度与阀门开度值同步。机械开关式转矩控制机构：由曲柄、碰块、凸轮、分度盘、支板和微动开关组成。当输出轴受到一定的阻力转矩后，蜗杆除旋转外，还产生轴向位移，带动曲柄旋转，同时使碰块也产生一定角位移，从而压迫凸轮，使支板上抬。当输出轴上的转矩增大到预定值时，则支板上抬到直至微动开关动作，切断电源，电机停转，实现对电动装置输出转矩的控制。通过以上描述可见，机械开关式行程和转矩控制机构存在着安装设置调整繁琐、控制精度不高，不易实现阀门开度的电子式数字显示，转矩只能针对某个具体值进行控制，无法实现连续的采集和控制等弊端。另外，普通型阀门电动装置是靠三相异步电机通过传动机构来带动阀门的启停，电机靠交流接触器控制，除电气控制回路外，还有各种保护电路，例如熔断器、热继电器、过转矩保护等。这种阀门电动装置控制回路简单，可靠性较好，但所提供的故障信息较少，使用维护不便，也无法实现联动功能。2.2 PLC阀门控制器总体设计方案2.2.1 调节型阀门控制器设计要求PLC阀门控制器是以PLC为核心的控制电路，要求其使用时性能稳定可靠、控制部分紧凑合理、各功能单元既相互独立又互有接口、方便维修和在线扩展等优点。具体设计要求如下：1完成三相异步电动机的正转、反转、停止的控制2.能实现对电机正反转之间的互锁，防止电源间的短路。3. 能实现对三相电源进行缺相、相序检测，避免因缺相带来的电机过热。4 .接受开关量控制:通过操作面板上开关或远程的开阀/关阀开关控制，开关闭合时，电机立即启动，开关断开时，立即停止。5. 完成对阀门开度检测，并进行反馈控制，同时实现变送4-20mA电流信号输出。6. 完成对阀门力矩检测，并进行反馈控制，检测阀门的行程上/下限和力矩上/下限。7. 控制面板上有本地、停止、远程三种模式选择开关和本地模式下开、关操作旋转开关。在远程模式下，可进行模拟量和开关量控制。8.电机的过热保护采用热保护器，电机内埋入PT100热电阻，可用通过程序进行(80，150)内的任意温度设定，起电机保护作用。9 .分辨率:1%；元器件选用工业级。10. 具有较强抗干扰能力(例如:电磁干扰、噪声干扰、温度影响)2.2.2 调节型阀门控制器功能分析在充分理解和分析国外先进PLC阀门控制装置及其控制器的基础上，提出本设计中的调节型非侵入式阀门电动装置控制器应具有以下功能：1、系统要求电机能够正转、反转和停转控制，因此系统采用了带互锁的继电器控制电机，并配合元件互锁，保证电机安全、可靠工作；在继电器进线端采用了光电耦合，实现强电与弱电的隔离，提高了系统的抗干扰能力。2、为了实现对阀门开度的检测，系统需要检测阀门的转动位置，通过4-20mA标准信号转换传输到PLC再由PLC传输到显示屏，从而对电机开度进行实时的检测，实现电机的开度控制和显示。3、为了实现对阀门力矩的检测，系统需要检测电机的三相电流，按照相应的换算关系间接检测力矩的大小。4、由于开度和力矩值需要变送输出，因此系统要设计开度和力矩的变送模块。5、为了实现远程模拟量的控制，系统需要检测远程模拟量值，经过A /D转换实现电动机在对应控制信号位置时停止。6、另外设置的参数要在液晶屏上显示，系统还需要设计显示模块。7、为了使系统在掉电后能够长时间工作，系统还需要选用一款低功耗单片机来检测和记录开度，其他电路都保持掉电状态。8、针对电机内部温度过热的现象，系统设计了温度检测模块来实时检测电机的温度值。2.2.3 PLC阀门控制器基本原理根据前面对普通阀门电动装置的结构、功能特点及调节型阀门控制器的功能要求的分析，本着对现有普通阀门电动装置结构上改动最小即可实现调节型化的原则，针对直接开关位置控制方式，开发实用的、符合我国国情的调节型非侵入式阀门电动装置控制器，用于驱动和控制多回转阀门装置，提出的总体设计方案如下：本设计将微机控制技术、传感器技术和PLC技术引入到阀门的控制系统中，改变了普通阀门电动装置中通过开关式控制机构（包括行程、转矩和故障检测机构）在行程到位、过转矩或故障发生时直接切断该机构在电气控制回路中的对应常闭触点来断开电机电源的方式。本执行机构主要由控制器和执行器组成，阀门气动 执行机构的控制器采用西门子s7_200可编程控制器为核心，配以相应的外围电路。明显简化了系统的结构，提高了控制精度，本设计方案控制精度要求达到0.5%。系统工作原理如图2.1上位机控制信号反馈信息PLC阀门执行机构阀门状态控制指令接近开关安全栅图2.1 PLC控制阀门的工作原理1、可编程控制器系统智能控制器可编程控制器系统智能控制器接收来自控制中心的DC-20mA的电信号，该模拟信号接入PLC的模拟量模块；或者，控制器接收来自控制中心的数字信号，即阀门开度圈数。圈数直接传入PLC的控制单元，作为阀门工作指令，并与阀门开度反馈信号比较，由PLC判断处理，以确定气动阀的开关状态：正转、反转或者停止，再将阀门实际开度传回控制中心。阀门实际开度和主轴旋转方向由接近开关通过安全栅传回PLC，以便监视阀 门运行状态。2、PLC控制器对控制器的基本要求是，能够实时显示采集阀门的状态信息，并加以分析、判断，控制气动阀门的正确运行，实时显示气动阀门的开度，同时保持与控制中心的通信。考虑开关量输入输出的数量，模拟量输入精度及连锁等各方面情况，选用西门子S7-200系列可编程控制器，CPU型号为CPU-221。这种小型、紧凑，可以直接装在电气常用的35mm标准导轨上；本机带有4个输入点和5个输出点，还可扩展2个模块，包括模拟量模块；机内有256个内部继电器，256个定时器6计数器，足够编程人员使用；内置24v直流电源；指令执行速度快，每条指令执行时间为0.37s；编程可用手持编程器，方便现场调试，也可以用个人PC，方便在研制场所编制程序及归档文件和打印输出。3、检测端隔离式安全栅检测端隔离式安全栅的原理是：模块电路将通过能量限制电路输入的电流或电压信号转变为0.2-1VDC后，送入模块内进行采集、放大、运算和进行抗干扰处理后，再经变压器调制成输出隔离的电流和电压信号，供后面的PLC控制器仪使用。模块还需输出一个隔离的18.528.5VDC电压，通过能量限制电路作为供给两线制变送器的工作电压。能量限制电路能限制大电流或高电压的危险信号窜入危险现场。5、电机驱动模块阀门电动装置主要是通过电机驱动阀门的正反向运转。对于三相异步电机，要实现其可逆运转，只需改变三相主回路上任意两相电源的相序即可。也就是要改变电动机的接线位置，用两台交流接触器交替地给电动机送入L1、L2、L3相序电源和L3、L2、L1相序电源，电动机就可以实现逆向运转。如图2.1所示，本电路由熔断器Fu，正转交流接触器触点KO、反转交流接触器触点KC和电动机M构成主回路。KO合闸后送入电动机接线柱U、V、W的电源相序为L1、L2、L3，电动机正转；KC合闸，送入电动机接线柱U、V、W的电源相序为L3、L2、L1，电动机反转。图2.2 调节型阀门控制器电机驱动模块在电气控制回路中，接入两个12V线圈的小型继电器SB1和SB2的触点，并且实现硬件上的互锁结构，如图2.1所示。SB1、SB2分别控制交流接触器KM1、KM2的通断，并且SB1、SB2的线圈直接受中央处理单元的开关量控制信号控制。中央处理单元通过三相电路判断送入电动机接线柱U、V、W的电源相序是否是正序，是的话按照上一段的描述，则SB1闭合控制电机正转，SB2闭合控制电机反转；否则SB1闭合控制电机反转，SB2闭合控制电机正转。因此，中央处理单元只要控制SB1、SB2就能实现对电机的正、反转和停止控制，同时实现了自动调相功能，避免了因为接线相序错误而造成危险。另外，该方案省去了普通阀门控制器控制回路中的急停开关、电机热继电器常闭触点等器件，而由状态检测电路对上述状态进行监控，出现异常时通知中央处理单元，中央处理单元通过SB1、SB2断开使电机停转即可。6、远程功能模块根据功能不同，该模块可以分成三个部分，第一，远程开关对阀门电动装置的点动控制；第二，可以指示电动装置各种工作状态的开关量输出，以便实现联动功能。这两种功能均可由继电器接入中央处理单元的输入输出接口，并通过软件编程实现2.3调节型阀门控制器中央处理单元本章在前一章总体设计的基础上，针对该调节型阀门控制器的硬件设计进行了详细的阐述，实现了整个控制器系统的调节型化。2.3.1 PLC控制器的选择阀门控制器的PLC元件是该系统的核心单元，负责系统的所有控制活动。系统将采集的各种信号（数字信号、经A/D转换的模拟信号、开关信号）送往处理单元，再根据按用户要求设计的软件程序控制系统，从而实现了系统的数字化和调节型化。 根据系统设计要求，应选择有丰富的I/O接口，通用性强，可靠性高，抗干扰能力强，编程简单，维修方便，驱动能力强的PLC控制器作为中央处理器。因此，最好选用模块化结构，组合方便的西门子s7-200作为控制器。S7-200系列出色表现在以下几个方面：2.3.2 S7-200的优点1. 极高的可靠性。在工作原理方面，可编程序控制器采用周期循环扫描方式，在执行用户程序过程中与外界隔绝，从而大大减小外界干扰；在硬件方面，采用良好的屏蔽措施、对电源及IO电路多种形式的滤波、CPU电源自动调整与保护、CPU与IO电路之间采用光电隔离、输出连锁、采用模块式结构并增加故障显示电路等措施；在软件方面，设置自诊断与信息保护与恢复程序。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性2. 极丰富的指令集。S7-200系列PLC主机中有两类指令集：IEC1131-3指令集；SIMATIC指令集。IEC1131-3指令集是国际电工委员会（IEC）制定的PLC国际国标标准1131-3Programming Language（编程语言）中推荐的标准语言，只能用梯形图（LAD）和功能块图（FBD）编程语言编程，通常指令执行时间较长。SIMATIC指令集是西门子公司为S7-200PLC设计的汇编语言，该指令通常执行时间短，而且可以用梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL）三种编程语言。3. 易于掌握，便捷的操作。易于使用STEP 7-Micro/WIN工程软件初学者和专家的理想选择4. 丰富的内置集成功能。集成的 R-S 485接口或者作为系统总线使5. 实时特性。杰出的实时响应在任何时候均可对整个过程进行完全控制，从而提高了质量、效率和安全性。6. 强劲的通讯能力。S7-200系列PLC的通讯你能力，通过硬件和软件两方面实现。7. 丰富的扩展模块。S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，用于扩展I/O点数。图2.3 S7-200实物图2.3.3 硬件系统S7-200PLC属于小型PLC，其主机的基本结构是整体式，主机上有一定数量的输入/输出(I/O)点，一个主机单元就是一个系统。它还可以进行灵活的扩展，如果(I/O)点不够，则可增加(I/O)扩展模块；如果需要其他特殊功能，如特殊通信或定位控制等，则可以增加相应的功能模块。一个完整的系统组成如图2.2所示：编程工具通信模块功能模块扩展模块CPU主机模块工业现场总线HMI人机模块 图2.4 S7-200 PLC系统组成主机单元：主机单元，又称基本单元或CPU模块。它由CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等组成，是PLC的主要部分。实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。扩展单元：扩展单元，又称扩展模块。当主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块。根据I/O点数不同、性质不同、供电电压不同，I/O扩展模块有多种类型。每个CPU所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是由多种因素共同决定的。特殊功能模块：当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置，如运动控制模块、特殊通信模块等。相关设备：相关设备是为充分和方便利用系统的硬件和软件资源而开发、使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。软件：软件是为管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，对S7-200PLC来说，与之配套的软件主要有STEP7-Micro/WIN和HMI人机界面的组态编程软件Pro Tool、Win CC flexible。2.3.4 软元件用户使用的PLC中的每一个输入/输出、内部存储单元、定时器和计数器等都称作软元件。软元件是PLC内部的具有一定功能的器件，这些器件实际上是由电子电路和寄存器及存储器单元等组成。为了把这种元器件和传统电气控制电路中的继电器区别开来，把它们成为软元件或者软继电器。它们最大的特点是：体积小、功耗低、寿命长。软元件是看不见、摸不着的，不存在物理性的触点； 每个软元件可提供无限个常开触点和常闭触点；常用软元件有：输入继电器（I）、输出继电器(Q)、通用辅助继电器(M)、特殊继电器(SM)、变量存储器(V)、局部变量存储器(L)、顺序控制继电器(S)、定时器(T)、计数器(C)、模拟量输入映像寄存器(AI)、模拟量输出映像寄存器(AQ)、高速计数器(HC)、累加器(AC)等。2.4步进电机的特点及其选择2.4.1 步进电机的特点步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。2.4.2 步进电机的分类按其工作方式分为功率式和伺服式：功率式输出转矩较大，能直接带动较大的负载；伺服式输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。按结构分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。按使用频率分为高频步进电动机和低频步进电动机。按运动方式：旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动按工作原理：反应式（磁阻式）、永磁式、永磁感应子式（混合式）反应式：定子上有转子、绕组由软磁材料组成。步距角小，成本低、结构简单、但效率低、动态性能差、发热大，可靠性难以保证。 永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，定子的极数与转子的极数相同。其特点是输出力矩大、动态性能好，但是电机精度差，步矩角大（一般为7.5或15）。 混合式：混合式步进电机综合了永磁式和反应式的优点，其定子上有转子、多相绕组上采用永磁材料，转子和定子上都有多数小齿以提高步矩精度。其特点是步距角小、输出力矩大、动态性能好，但成本相对较高、结构复杂。 按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007/微步）。由于制造精度和摩擦力等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变效果和精度.2.4.3 步进电机的选择本设计所使用的步进电机选用的型号是75BF003的三相反应式步进电机。该型号的步矩角为1.5/3度。相电压30V，相电流4A，保持转距0.882Nm(1.2kgcm)，引线6条，空载启动频率1250Hz，额定功率0.37kW，绝缘等级E。规格：D为75mm； D1为31mm；高H为2mm； d为8mm；E为18mm；L为60mm； D2为68mm；MS为4-M3。图2.5 75BF三相反应式步进电机尺寸三相反应式步进电机的结构如图所示。 定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C相。图2.6 三相反应式步进电机的结构图在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。如图2.1所示，电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由绕组通电的顺序决定。图2.7 A相通电定转子错开示意图3 PLC步进电机工作方式的控制3.1 常见的步进电机的工作方式3.1.1 常见的步进电机的工作方式有以下三种：1.三相单三拍：ABCA图3.1 三相单三拍工作方式时序图2.三相双三拍：AB BC CA AB图3.2 三相双三拍工作方式时序图3.三相六拍：AABBBCCCA A图3.3 三相六拍工作方式时序图3.2 步进电机控制原理3.2.1 控制步进电机换向顺序通电换向这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三相三拍工作方式，其各相通电顺序为ABCA，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、