PLC课程设计抢答器+交通灯+步进电机

1、plc课程设计 系部名称： 信息工程系 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2011年05月29日目录1 概述12 plc介绍22.1 plc系统组成32.1.1 cpu运算和控制中心32.1.2 存储器32.1.3输入/输出接口32.1.4编程器42.2 plc的基本工作原理42.2.1 plc采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式42.2.2 plc与继电器控制系统、微机区别52.3 主要技术性能53 设计过程63.1实验要求64抢答器的设计64.1学习目标64.2实验内容64.3 所需的设备84.4 训练内容84.5操作过程及其操作95 交通灯自动控制105.1实验目的105.2

2、实验设备105.3 控制要求及参考115.4. 实验内容及要求125.5操作过程126步进电机的控制136.1实验目的136.2 实验设备136.3控制要求：137组态王167.1工程管理167.2画面制作系统167.3报警和事件系统177.4报表系统177.5控件187.6opc187.7通讯系统18总结20参考文献21附录221 概述plc课程设计能够使学生们熟练掌握s7-200plc的接线方式、程序编写和整体系统调试，从而全面地提高学生们对plc的软件、硬件等方面的理解，进而增强学生们在实践环节的动手操作能力。譬如，学生们可以根据实验指导书的要求，完成交通信号灯的硬件设计、plc型号选择

3、、软件操作、以及整体控制系统调试，并写出完善的实验报告。在进行实验之前，要求学生们具备数字电路、模拟电路、电路基础、自动控制、电力电子、电机学、电气控制和plc等相关课程的知识，并具备一些基本的实践操作水平。plc = programmable logic controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。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。是工业控制的核心部分。图1.1 plc外观图早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制

4、器(programmable logic controller,plc)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制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，所以将可编程序控制器简称plc,plc自1966年美国数据设备公司（dec）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。2 plc介绍plc的种类繁多，生产的公司不同，plc的结构和编程语言也会有或多或少的差异，即使是同一家公司的产品，产品系列不同，其编程语言也

5、可能会不同，在课堂上，需要一种plc为讲课对象。西门子的simatic s7-200系列plc适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化。s7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。由于它具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格、丰富的功能模块以及强大的指令系统，使得s7-200 plc可以近乎完美地满足小规模的控制要求。课堂上讲述的plc是德国西门子公司生产的s7-200 plc.图2.1 s7-200 cpu224外观图图2.2 s7-200 cpu224连接器端子接线图2.1 plc系统组成2.1.1 cpu运算和控制中心起“心脏”作用。纵

6、：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后cpu根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成plc内部所认可的用户编译程序。横：输入状态和输入信息从输入接口输进，cpu将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由cpu把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：cpu由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。cpu通过地址总线、数据总线与i/o接口电路相连接。2.1.2 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。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管

7、理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、rom组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（ram）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为35年。2.1.3输入/输出接口（1）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。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：

8、当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成plc内部所能接受的数字信号。（2）输出接口plc的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载晶体管输出：无触

9、点、寿命长、直流负载晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载2.1.4编程器编程器分为两种，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口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过nstp-gr软件（或windows下软件）向plc内部输入程序。2.2 plc的基本工作原理2.2.1 plc采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式 （1）每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。（2）输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。（3）一个扫描周期分为输入采样，程序执

10、行，输出刷新。（4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。（5）扫描周期的长短由三条决定。（1）cpu执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数（6）由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。2.2.2 plc与继电器控制系统、微机区别（1）plc与继电器控制系统区别前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“软件”，后者用“硬件”。（2）plc与微机区别前者工作方式是“循环扫描”。后者工作方式是“待命或中断”plc 编程方式plc最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。pl

11、c编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。梯形图语言特点：（1）每个梯形图由多个梯级组成。（2）梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。（3）继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。（4）每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。（5）输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。2.3 主要技术性能用户程序存储容量：是衡量可存储用户应用程序多少的指标。通常以字或k字为单位。16位二进制数为一个字，每1024个字为1k字。plc以字为单位存储指令和数据。一般的逻辑操作指令每条占1个字。定时/计数

12、，移位指令占2个字。数据操作指令占24个字。3 设计过程3.1实验要求（1）本试验中指导书中，所有plc模块均采用西门子公司生产的s7-200plc，该模块cpu的型号是cpu 224 ，软件支持是step 7 microwin sp3。（2）实验时，首先用pc/ppi编程电缆连通计算机和plc。（3）将实验装置（实际是plc）外接220v的交流电源，但实验台上的电源开关开始应置于断开状态。（4）为了使plc模块的输入/输出接线柱和螺钉不会因实验的频繁拆装而导致损坏，本课设的实验装置已经将这些节点用固定连接线接到试验台的固定接线柱上。（5）在计算机上编辑、编译程序（也可提前进行）。（6）在试验

13、台上的电源开关置于断开状态的情况下，按实验内容的要求接好线，检查接线无误后，合上试验台上的电源开关。（7）下载已编译的软件。下载软件时，应将plc上“run”、“stop”开关置于“stop”状态。（8）将plc上“run”、“stop” 开关置于“run”状态，则实验开始。（9）严格要求接线步骤，务必保证正确地接线，否则，将会给人身安全和实验设备带来严重后果。4抢答器的设计4.1学习目标2.学会用plc来解决实际问题的思路。2.掌握定时器的格式及编程方法。3.学会用互锁和自锁电路为基础构成各输出电路。4.熟悉plc装置，ctsc-200系列可编程控制器的外部接线方法。4.2实验内容设计一个智

14、能竞赛抢答显示系统，使用参加竞赛人分为儿童组、学生组、成人组,其中儿童两人，学生为一人，成人二人，主持人一人。控制要求：当主持人按下sbo后,指示灯lo亮,表示抢答开始,参赛者方可开始按下按钮抢答；为了公平，要求儿童组只需一人按下按钮，其对应的指示灯亮，而成人组需要二人同时按下二个按钮对应的指示灯才亮；当一个问题回答完毕，主持人按下sb1，一切状态复位；成年人一人违例抢答灯l3闪烁；当抢答开始后时间超过30秒，无人抢答，此时铃响，提示抢答时间已过，此题作废。图4.1 抢答示意图l.设计程序根据系统的控制要求及plc的1/0分配表，并设计合适的程序。2.设计接线图根据1/0分配表,连接系统接线图

15、。3.系统调试（1） 输入程序。按前面介绍的程序输入方法,用手持式编程器(或计算机)正确输入程序。（2）系统调试。按设计的系统接线图正确连接好输出设备,进行系统的调试,观察是否能按照控制要求抢答，否则，检查电路并修改、调试程序,直至能按控制要求显示。4.3 所需的设备1ctsc-200 plc 1台2编程电缆 1根3连接导线 若干4.4 训练内容当主持人按下sbo后,指示灯lo亮,表示抢答开始,参赛者方可开始按下按钮抢答；为了公平，要求儿童组只需一人按下按钮，其对应的指示灯亮，而成人组需要二人同时按下二个按钮对应的指示灯才亮；当一个问题回答完毕，主持人按下sb1，一切状态复位；成年人一人违例抢

16、答灯l3闪烁；当抢答开始后时间超过30秒，无人抢答，此时铃响，提示抢答时间已过，此题作废。表4.1 抢答系统i/o分配表：类别元件元件号备注输入sb0i0.0抢答开始sb1i0.1返回原状sb11i0.2儿童抢答sb12i0.3儿童抢答sb21i0.4学生抢答sb31i0.5成人抢答sb32i0.6成人抢答输出l0q0.0表示抢答已经开始灯l1q0.1儿童抢答成功灯l2q0.2学生抢答成功灯l3q0.3成人抢答成功灯铃q0.4抢答时间已过铃 图4.2 智力竞赛抢答器接线图4.5操作过程及其操作1、输入程序（1）将编程电缆线连接到计算机和plc的编程口。（2）接通plc电源，并将运行开关打到st

17、op状态。（3）将梯形图程序输入到计算机中，并下载程序到plc，并对程序进行调试运行，记录调试结果。2、连接电路 按训练内容连接好外部电路。3、通电观察经教师检查接线正确后，接通dc电源。5 交通灯自动控制5.1实验目的（1）练习定时器、计数器的基本使用方法。（2）掌握plc的编程和调试方法。（3）对应用plc解决实际问题的全过程有个初步了解。5.2实验设备（1）编程器1台（pc机）。（2）实验装置1台（含s7-200 24点cpu）。（3）导线若干。 图5.1 交通灯模拟控制5.3 控制要求及参考 交通路口红、黄、绿灯的基本控制要求如下： 路口某方向绿灯显示（另一方向亮红灯）10秒后，黄灯以

18、占空比为50的一秒周期（0.5秒脉冲宽度）闪烁3次（另一方向亮红灯），然后变为红灯（另一方向绿灯亮、黄灯闪烁），如此循环工作。plc i/o端口分配： sb1 i0.0 起动按钮 sb2 i0.1 停止按钮 hl1（hl7） q0.0 东西红灯 hl2（hl8） q0.1 东西黄灯 hl3（hl9） q0.2 东西绿灯 hl4（hl10） q0.4 南北红灯 hl5（hl11） q0.5 南北黄灯 hl6（hl12） q0.6 南北绿灯plc参考电路：图5.2 红绿灯控制plc电气原理图5.4. 实验内容及要求（1）按参考电路图完成plc电路接线（配合通用器件板开关元器件）。（2）输入参考程序

19、并编辑。（3）编译、下载、调试应用程序。（4）通过实验模板，显示出正确运行结果。注意：程序上、下载时，必须给plc上电，并将cpu置于stop状态。5.5操作过程（1）按参考电路图完成plc电路接线（配合通用器件板开关元器件）。（2）输入参考程序并编辑。（3）编译、下载、调试应用程序。（4）通过实验模板，显示出正确运行结果。注意：程序上、下载时，必须给plc上电，并将cpu置于stop状态6步进电机的控制6.1实验目的 （1）用plc控制电动机y-起动和正反转；（2）通过实验，提高分析、解决问题的能力。6.2 实验设备（1）计算机（编程器）1台；（2）实验装置（含s7-200 24点cpu）1

20、台； （3）电动机y-起动实验模板1块；（4）连接导线若干。 6.3控制要求：1两相步进电动机有2个绕组: a、b正转顺序: ab反转顺序: ba2用五个开关控制其工作：1 号开关控制其运行 ( 启 / 停 )。2 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.5 秒)。3 号开关控制其中速运行 (转过一个步距角需 0.1 秒)。4 号开关控制其高速运行 (转过一个步距角需 0.03 秒)。5 号开关控制其转向 ( on 为正转，off 为反转 )。 步进电机的接法 串联接法串联接法比较简单，也容易理解。分别把4相绕组相邻的两相串接起来即可，共有两种接法。图6.1 相8线电机绕组的串联接法根据

21、接法1和接法2分别接好电路后，发现按照接法1连接后，转子不动；只有按照接法2连接，电机才能正常转动。并连接法并联接法稍复杂些，需将四相绕组相邻的两相分别并接在一起，共有两种接法。图6.2 相8线电机绕组的并联接法根据接法1和接法2分别接好电路后，发现按照接法1连接后，转子不动；只有按照接法2连接，电机才能正常转动。分析及总结smd2001步进电机驱动器2相8线步进电机的接线图。从图中可以看出，驱动器给步进电机发送脉冲的顺序为phase 1 - return 1 - return 2 - phase 2 - phase 3 - return 3 - return 4 - phase4，因而，只有

22、图2和图5所对应的接法正确。图6.3 smd2001驱动器与2相8线电机连接的接线图串联连接的电机，由于每一相绕组电阻增大，电流较小，一般将驱动器的电流设定为电机相电流的0.7倍，这种接法的电机发热量小，低频力矩较大；并联连接的电机，电感较小，一般将驱动器的电流设定为电机相电流的1.4倍，所以启动、停止速度较快，高频力矩有所增大，但电机发热量大。但是步进电机有点温度是正常的，只要低于电机的消磁温度就行，一般步进电机的消磁温度在105度左右。7组态王组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于

23、扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

24、7.1工程管理对于系统集成商和用户来说，一个系统开发人员可能保存有很多个组态王工程，对于这些工程的集中管理以及新开发工程中的工程备份等都是比较烦琐的事情。组态王工程管理器的主要作用就是为用户集中管理本机上的所有组态王工程。工程管理器的主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索指定路径下的所有组态王工程，修改工程属性，工程的备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。另外，组态王6.0开发系统提供工程加密，画面和命令语言导入、导出功能。7.2画面制作系统（1）支持无限色和过渡色 组态王6.0调色板支持无限色，支持二十四种过渡色效果， 组态王的任一种绘图工具都可以使用无限色

25、，大部分图形都支持过渡色效果，巧妙地利用无限色和过渡色效果，可以使您轻松构造面无限逼真、美观的画面。（2）图库 使用图库具有很多好处：降低了工程人员设计界面的难度，缩短开发周期；用图库开发的软件将具有统一的外观，方便工程人员学习和掌握；利用图库的开放性，工程人员可以生成自己的图库元素，一次构造，随处使用，节省了工程人员投资。6.0图库全新改版，提供具有属性定义向导的图库精灵，用户只需稍做调整即能制作具有个性化的图形。 （3）按钮和图形 组态王6.0支持按钮的多种形状和多种效果，并且支持位图按钮， 用户可以构造无限漂亮的按钮。另外，组态王6.0支持多种图形格式，如gif 、jpg、 bmp等，用

26、户可以充分利用已有的资源，轻松构造自己功能强大且美观的应用系统。 （4）可视化动画连接向导 通过可视化图形操作，直接完成移动、旋转的动画连接定义。7.3报警和事件系统组态王6.0报警系统全新改版，具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。组态王分 布式报警管理提供多种报警管理功能。包括：基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等功能，以及通过网络的远程报警管理。组态王还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。报警和事件具有多种输出方式：文件、数据库、打印机和报警窗，并且可以利用控件等工具轻松浏览和打印报警数据库的内容。7.4报表系统组态王6.0提供一套全新的、集成的内嵌

27、式报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可创建多样的报表。提供报表工具条，操作简单明了，比如：日报表的组态只需用户选择需要的变量和每个变量的收集间隔时间；提供报表模板，方便用户调入其它的表格。报表能够进行组态，例如有日报表、月报表、年报表、实时报表的组态，另外，报表打印时可以进行预览和页面设置。7.5控件组态王6.01支持windows标准的active x控件（主要为可视控件），包括microsoft提 供的标准active x控件和用户自制的active x控件。active x控件的引入在很大程度上方便了用户，用户可以灵活地编制一个符合自身需要的控件，或调用一个已有的标准控件，来完成一项

28、复杂的任务，而无须在组态王中做大量的复杂的工作。一般的 active x控件都具有属性、方法、事件，用户通过控件的这些属性、事件、方法来 完成工作。组态王6.0版本中新增三个功能强大的控件，即数据表格控件（可将odbc数据源里的大量数据在组态王中进行显示和打印）；历史曲线控件（可动态增删曲线，进行曲线比较，并且数据来源可以是odbc数据源）；pid调节控件（对过程量进行闭环控制，可实现三种pid控制算法：标准型，归一参数型，和近似微分型）。7.6opc全面支持opc标准（组态王6.0既可以作为opc服务器，也可以作为opc客户端）开发人员可以从任何一个opc服务器直接获取动态数据，并集成到组态

29、王中；同时组态王作为opc服务器，可向其他符合opc规范的厂商的控制系统提供数据。opc节省了不同厂商的控制系统相连的工作量和费用。并且组态王提供sdk开发包，用户可以自己利用vc，vb编制程序，利用组态王的opc接口来访问组态王的变量和变量的域。 7.7通讯系统（1） 支持远程拨号组态王6.0支持与远程设备间通过拨号方式进行通讯。组态王的远程拨号与组态王原有驱动程序无缝连接，硬件设备端无需更改程序。利用远程拨号能实时显示现场设备运行状况，随时打印，报警和历史数据自动上传等功能。 （2）开发中进行硬件测试 开发系统中有硬件测试界面，在不启动运行系统的情况 下，能测试对硬件设备的读写操作，并且io变量支持时间戳和质量戳，能随时判断数据采集的时间和检查通讯质量的好坏。 （3）支持网络dde，组态王6.0版本支持win2000操作系统下的ddeshare方式，实现组态王与excel和vb程序间通过网络进行数据交换。总结三周的时间很快就过去了，在这三周的plc课程设计时间里，我严格要求自己，刻苦钻研，学会了使用step7v4.0软件，了解了西门子s7-200plc的结构和工作原理，同时也掌握了工业组态王的