PLC专业课程设计.doc

课程设计汇报

课程名称:电气控制和PLC课程设计

设计题目： 基于软PLC步进电机控制
系 别：
专 业：
班 级： 20
学生姓名:
学 号:
起止日期: 20年12月29日~ 20年1月14日
指导老师:
教研室主任：
指导老师评语：

指导老师署名： 年 月 日

成绩评定
项 目
权重
成绩

1、设计过程中出勤、学习态度等方面
0.2

2、课程设计质量和答辩
0.5

3、设计汇报书写及图纸规范程度
0.3

总 成 绩

教研室审核意见：

教研室主任签字： 年 月 日
教学系审核意见：

主任签字： 年 月 日

摘 要

步进电机能够对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为制实施元件，是电气自动化关键产品之一, 广泛应用在多种自动化控制系统和精密机械等领域。比如，在仪器仪表，机床设备和计算机外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行正确控制情况下，使用步进电机最为理想。伴随微电子和计算机技术发展，步进电机需求量和日俱增，在各个国民经济领域全部有应用。软件PLC综合了计算机和PLC开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信、PID调整等功效，经过一个多任务控制内核，提供强大指令集、快速而正确扫描周期、可靠操作和可连接多种I/O系统及网络开放式结构。用PLC控制步进电机定位、转向、调速、细分有很大优势和前景。此次设计是利用PLC 控制方法，上位机监控功效，在试验室进行模拟实现。试验结果达成了预期功效。
关键词：软PLC；步进电机；上位机；定位；转向；调速；细分

目 录
设计要求 1
1引言 2
2、方案论证和对比 3
2.1 方案一 3
2.2 方案二 3
2.3 方案对比和选择 4
3、系统设计 5
3.1 PLC内部原理 5
3.2 二相混合式步进电机工作原理 6
3.3 驱动器原理 7
3.4硬件和软件设计 8
4、组态设计 10
4.1 I/O 口定义 10
4.2 结构数据库 10
4.3 建立动画连接 11
5、系统功效调试和性能分析 12
5.1系统调试中问题及处理方案 12
5.1.1软件调试 12
5.1.2、正反转未响应 12
5.1.2、定位误差 12
5.1.3、组态设计中问题 12
5.1.2、其它 12
6、具体仪器清单 13
7、总结和致谢 14
参考文件 15
附录一 梯形图 16
附录二 源程序 18

基于软PLC步进电机控制
设计要求
本系统由软PLC控制器、步进电机对象、自动化控制软件平台等组成，设计出软PLC控制程序，实现步进电机速度、方向、定位、细分等控制功效。步进电机为二相混合式，供电电压24VDC，功率30 W，电流1.7A（或1.2A），转矩0.35NM,步矩角1.8°/0.9°，并配有细分驱动器，实现细分运行，降低振荡。关键内容包含：
1. 设计出硬件系统结构图、接线图、时序图等；
2. 系统有开启、停止功效；
3. 利用功效指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中止程序；
4. 用组态王监控组态软件，设计出上位监控系统；
5. 程序结构和控制功效自行创新设计；
6. 进行系统调试，实现步进电机控制要求。

1引言
步进电动机是一个用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成对应角位移或线位移实施机构。因为受脉冲控制,其转子角位移量和速度严格地和输入脉冲数量和脉冲频率成正比,经过控制脉冲数量来控制角位移量,从而达成正确定位目标;经过控制脉冲频率来控制电机转动速度和加速度,从而达成调速目标;经过改变通电次序,从而达成改变电机旋转方向目标。步进电机是机电一体化关键产品，广泛应用于多种自动化控制系统和机电一体化设备中。伴随微电子技术和计算机技术发展，步进电机需求量和日俱增，在各行各业全部得到了广泛应用。
可编程逻辑控制器Programmable logic Controller（通常称为PLC）是一个工业控制计算机，含有模块化结构、配置灵活、高速处理速度、正确数据处理能力、多个控制功效、网络技术和优越性价比等性能，能充足适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高，是现在广泛应用控制装置之一，PLC对步进电机也含有良好控制能力，利用其高速脉冲输出功效或运动控制功效，即可实现对步进电机控制。利用PLC控制步进电机，其脉冲分配能够有软件实现，也可由硬件组成。
软件PLC（SoftPLC，也称为软逻辑SoftLogic）是一个基于基于PC机开发结构控制系统，它含有硬PLC在功效、可靠性、速度、故障查找等方面特点，利用软件技术能够将标准工业PC转换成全功效PLC过程控制器。软件PLC提供了和硬PLC一样功效，同时又提供了PC环境多种优点。
本文中，我们将对软PLC 进行综述，对采取PLC来进行步进电机设计研究进行介绍。并以三菱FN2系列PLC为例，讨论步进电机PLC控制系统硬件和软件设计方法，和利用组态设计，经过上位机进行监控和PLC进行通信，从而实现对系统控制。

2、方案论证和对比
2.1 方案一
步进电机控制方法采取开环控制方法，即步进电机驱动系统输入脉冲不依靠和转子位置,而是事先按一定规律给定。负载位置对控制电路没有反馈,所以步进电机必需正确响应每次励磁改变。

图2.1 步进电机开环控制框图
2.2 方案二
闭环控制是不停直接或间接地检测转子位置和速度,然后经过反馈和合适处理,自动给出脉冲链,使步进电机每一步全部响应控制信号命令,从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。
图2.2 步进电机闭环控制框图
2.3 方案对比和选择
经过对比，步进电机最显著优势是不需要位置反馈信号就能够进行正确位置控制。这种开环控制形式省去了昂贵位置传感器件，只需对输入指令脉冲信号计数，就能知道电机位置。在开环控制系统中，电机响应走步指令后实际运行情况，控制系统是无法估计和监视。在部分运行速度范围宽、负载大小改变频繁场所，步进电机轻易失步，而使整个系统趋于失控。这时候，能够对步进电机进行位置闭环控制。控制系统对电动机转子位置进行检测，并将信号反馈至控制单元，使得系统对步进电机发出走步命令，只有得到对应实际位置响应后，方告完成。所以，闭环控制最基础任务是预防步进电机失步。
闭环控制励磁延时设置随负载而改变，它能产生靠近最好速度曲线和快速负载定位。而且通常采取直接监视负载位置方法，所以发生失步可能性大大减小。但在本试验中因为要求不是很高，所以只要采取最简单开环控制系统，用来实现步进电动机正转、反转、加速、减速、定位。

3、系统设计
3.1 PLC内部原理
可编程控制器结构多个多样，但其组成通常原理基础相同，全部是以微处理器为关键结构。通常由中央处理单元（CPU）、存放器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等多个部分组成。
可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来，它梯形图程序和继电器系统电路图相同，梯形图中一些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。这种计算机程序实现“软继电器”，和继电器系统中物理结构在功效上一些相同之处。
PLC实质上是一个被专用于工业控制计算机，其硬件结构和微机是基础一至。图3.1a PLC硬件基础结构图所表示：
编程器
中央处理单元
（CPU）
输入电路
输出电路
系统程序存放区
用户程序存放区
电源

图3.1 PLC硬件基础结构图
依据设计要求系统I/O分配表以下：

表 1 I/O分配表
输入端
输出端
输入设备
输入端子
输出设备
输出端子
开启停止按钮SB1
X000
电机A相线圈
Y0
正反选择按钮SB2
X001
电机B相线圈
Y1
慢速选择开关SA1
X002
方向选择
Y2
慢速选择开关SA2
X003
按钮K1驱动线圈
Y3
定位按钮SB3
X004
按钮K2驱动线圈
Y4
运行按钮SB4
X005
按钮K3驱动线圈
Y5
细分按钮K1
X006

细分按钮K2
X007

细分按钮K2
X010

3.2 二相混合式步进电机工作原理
二相步进电机有2个绕组，当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。若绕组在控制脉冲作用下，通电方向根据AAB四个状态周而复始进行改变，电机科顺时针转动；通电次序为ABA时，电机就逆时针转动。步进电机是一个将电子数字脉冲信号转变为机械运动电磁增量运动器件。经典电机绕组固定在定子上，而转子则由硬磁或软磁材料组成。当控制系统将一个电脉冲信号经功率装置加到定子绕组中，电机便会沿一定方向旋转一步。脉冲频率决定电机转速。电机转动角度和所输入电脉冲个数成正比；所以，只要简单地改变输入脉冲数目，就能控制步进电机转子运行角度，从而达成位置控制目标。
步进电机有以下特点：
（1）运行角度正比于输入脉冲，便于开环运行，花费少；
（2）含有锁定转矩；
（3）定位精度高，而且没有累积误差；
（4）含有优良起动、停止、反转响应；
（5）无电刷和可靠性高；
（6）可低速运行，直接驱动负载；
（7）不宜控制会引发振动；
（8）不宜运行于高速状态。
图3.2二相图3.2 步进电机内部原理图
3.3 驱动器原理
步进电机必需有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定次序通电，控制电机转动。
图3.3a 开环步进电动机控制系统框图
驱动电路由脉冲信号分配和功率细分驱动电路组成。依据控制器输入脉冲和方向信号，为步进电机各绕组提供正确通电次序，和电机需要高电压、大电流；同时提供多种保护方法，如过流、过热等保护。功率驱动器将控制脉冲根据设定模式转换成步进电机线圈电流，产生旋转磁场，使得转子只能按固定步数来改变它位置。连续脉冲序列产生和其对应同频率步序列。

图3.3b 步进电机驱动控制电路硬件连接框图
图中I1.0、I1.1和I1.5为输入控制信号端;Q0.0和Q0.1为两路高速脉冲，分别负责驱动电机开启定位和停止控制。
3.4硬件和软件设计
步进电机电机PLC控制系统是要求用由PLC控制器、二相混合式步进电机、细分驱动器等器件组成，另外应设计要求要利用上位机进行监控，所以要用到上位机。依据设计要求该系统要实现对步进电机速度、方向、定位、细分等控制功效，要设计对应程序才能使之实现，而快速和慢速、和定位功效实现全部是靠PLC发出高速脉冲来控制，改变脉冲宽度即频率来实现快慢，产生脉冲个数多少来实现正确定位，所以控制关键是控制产生脉冲。
硬件连接和程序步骤图分别以下图3.4a，图3.4b所表示：

图3.4a PLC硬件连接图

图3.4b 系统步骤图
4、组态设计
在本系统设计中采取灯点亮来模拟电机运行状态，监控软件采取了北京亚控企业Kingv iew6.5组态王软件。
4.1 I/O 口定义
首先双击工程浏览器左侧纲领项“设备\COM1”，弹出串口设置对话框，图6所表示。

图 4.1a 串口设置对话框
要用组态软件进行实时监控首先要完成通讯连接，组态王通讯参数应和PLC 通讯参数设置保持一致。因为本系统是PLC 和组态王间进行通讯，所以将PLC生产厂家、设备名称、通讯方法等填入对应对话框即可。然后选择工程浏览器左侧纲领项“设备\COM1”在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，选择PLC三菱FX2系列产品中“编程口”
4.2 结构数据库
数据库是“组态王”软件关键部分，工业现场生产情况要以动画形式反应在屏幕上，操作者在计算机前公布指令也要快速送达生产现场，全部这一切全部是以实时数据库为中介步骤，所以说数据库是联络上位机和下位机桥梁。依据梯行图程序中I/O 配置列表，定义各变量以下表2所表示。
表2 I/O 配置列表
变量名
描述
变量
类型
连接
设备
寄存器
数据
类型
读写
属性
初始值
X0
控制起/停
I/O离散
FX 1N
X0
bit
读写
关
X1
正反转
I/O离散
FX 1N
X1
bit
读写
关
X2
慢速按钮
I/O离散
FX 1N
X2
bit
读写
关
X3
快速按钮
I/O离散
FX 1N
X3
bit
读写
关
X4
定位
I/O离散
FX 1N
X4
bit
读写
关
X5
运行
I/O离散
FX 1N
X5
bit
读写
关
Y0
A相
I/O离散
FX 1N
Y0
bit
只读
关
Y1
B相
I/O离散
FX 1N
Y1
bit
只读
关
4.3 建立动画连接

图4.3动画连接图
依据以上画面中开关能够来控制PLC设备上开关按钮，能够监视控制PLC上设备运行，依据不一样情况来调整系统启停，快速慢速等功效。
5、系统功效调试和性能分析
5.1系统调试中问题及处理方案
5.1.1软件调试
系统开始运行但没有响应，经试验分析是输入频率过高，所以应输入合适脉冲频率，脉冲低电平连续时间不应少于300ns。过高输入频率将可能得不到正确响应。
5.1.2、正反转未响应
有时在电机运行时按正反转方向键不能正确响应，理论上信号改变将使电机运行方向发生改变，这可能是方向信号未领先脉冲信号输入最少10μs，造成驱动器对脉冲错误响应，从而不能改变方向。
5.1.2、定位误差
本系统定位功效只能在一定范围内实现，不能实现正确定位，在定位过程中能够停止但不能回到初始位置，功效有待完善。
5.1.3、组态设计中问题
在设计实现上位机控制设计组态时注意I/O 配置必需设置好，要和PLC上设备配套起来，另外就是设置串口实现上位机和PLC通信，只有设置好了才能进行正常通信，实现监控。
5.1.2、其它
系统开启时初始设定是正转，必需选择一个慢速或高速才能运行，因为试验器材不够，没有细分驱动器，不能实现细分功效。

6、具体仪器清单
表 3 仪器清单
仪器名称
数量
三菱FX-2N PLC
1台
PLC模拟测试台
1台
模拟面板
1块
各类导线
若干
上位机
1台

7、总结和致谢
这次课程设计我们做是软PLC控制步进电机控制系统设计，要做好该设计，必需对整个系统有一个全方面了解，所以我最开始是在试验室里对该系统各个模块进行试验，搞清楚各部分工作原理和特征。在试验中，并不是十分顺利，常常会出现多种问题，比如线路，或其它电路分析，在试验中常常会出现多种问题，比如电机不转或方向出现问题，有时是没有按预先开启，就要检验线路，通常我们全部会用到万用表，示波器等工具检验电压，极性等来查找问题所在，伴随问题出现，我们就在老师帮助下处理并弄懂很多原理，很多全部是实践中经验，十分宝贵，让我们平时学部分书面理论有了很好实践和融会贯通，很多全部经过试验后全部变很直观，认为天天全部有新收获，同时也锻炼了我们动手能力。
这次毕业设计不仅增强了我专业方面能力，在和小组组员合作中，我们也学会了沟通和合作，学会共同处理问题，互帮互助。对于各自个题也有更深了解。也锻炼了我们在问题和困难面前耐心和毅力，不轻易放弃，一遍不行就试第二遍，相信自己最终全部能处理。当然要感谢刘老师在整个设计中对我们耐心具体讲解和教导，及理论和技术等各方面支持。使我们能愈加好完成课程设计。
实践是检验真理唯一标准。经过此次毕业设计，使我们对平时所学各科理论知识有了更深更全方面了解，同时也提升了动手能力。所以要感谢学校提供良好试验设备和学习环境。尤其要感谢导师刘老师在整个毕业设计过程中对我们耐心尽责教导，和各方面激励支持。最终要感谢本组全部组员共同努力和愉快合作！

参考文件
[1]孙平,邢军. PLC控制步进电机驱动系统. 河南师范大学学报(自然科学版), ,(04) .
[2]陶涛,赵国豪, 乔渠. 步进电机正确控制问题探讨. 科技信息, , (01) :16-17
[3]范永胜,王岷编. 电气控制和PLC利用（第二版）.北京：中国电力出版社,2月．
[4]高邓波. 电路分析程序设计. 中国科技信息, , (03) :119-120
[5]王功利, 蒋建华, 田玉莲, 韩勇. 含有步进电机控制和定标器功效PC机接口板. 第8届全国核电子学和核探测技术学术年会论文集（二）, 1996
[6]王雯. 利用PLC提升平网印花控制单元可靠性. 中国纺织报, , (-02-03)
[7]范贵慈. 利用PLC实现步进电机驱动闭环控制. 包装和食品机械, ,(05)
[8]张晓东. PLC对步进电机控制. 山西机械, , (03)
[9]宣财鑫. PLC脉冲控制步进电机技术[J]机车车辆工艺, ,(01)
[10]孙建仁. 步进电机PLC控制系统设计. 机械研究和应用, ,(04)
[11]孙平,邢军. PLC控制步进电机驱动系统. 河南师范大学学报(自然科学版), , (04)
[12]骆彬,刘震霆. 利用PLC实现对步进电机控制. 军民两用技术和产品, , (06)

附录一 梯形图

附录二 源程序