基于PLC的步进电机-交通灯-四层电梯控制.doc

目录

摘要 1
1、课程设计概述 2
1.1 PLC概述 2
1.2 SIEMENS S7-200简介 3
2、基于PLC 的步进电机控制 3
2.1 设计要求 3
2.2 三相六拍步进电机的工作原理 3
2.3 步进电机各按键的作用 4
2.4 基于PLC 的步进电机控制程序梯形图 5
2.5 问题及解决方法 7
3、PLC 实现智能交通灯控制
3.1设计要求 8
3.2系统运行过程分析 8
3.3系统时序图 9
3.4 输出地址分配 10
3.5 PLC 实现智能交通灯控制程序梯形图 10
3.6 问题及解决方法 14
4.1 系统原理说明 14
4.1．1 原理 14
4.1.2 四层电梯要求 15
4.1.3 I/O端子分配图 15
4.2 基于PLC 的四层电梯控制程序梯形图 16
4.3问题及解决方法 19
课程设计总结 20
参考文献 21
致谢 22

摘要
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。
　　上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。特别在四层电梯、智能交通灯和水塔水位控制中应用广泛。
通过这次课程设计使我们了解了更多的关于PLC的知识，不仅让我们明白了好多PLC使用的方法，也让我们了解了PLC的发展史。在通过我们本学期对PLC这门课程的学习，才让我们有了这次课程设计，虽然我们还是对PLC缺少一些了解，但是本次课程设计已经帮助我们了解了很多的知识，我想通过这次课程设计，让我们在以后的生活中，在以后的工作中，都能够很好的完成我们要做的很多关于PLC的任务。

关键词 可编程控制器 PLC 控制 应用

1、课程设计概述
1.1 PLC概述
由于PLC在不断发展，因此，对它下一个确切的定义是困难的。1980年PLC问世后，由美国电气制造商协会(National Electric ManufacturerAssociation NEMA)对PLC下过如下的定义:
PLC是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。
1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee IEC)颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版对PLC作了如下的定义: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人和输出，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，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。而PlC实际上是一种专用计算机，它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作；又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，属无触点运行，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。
总之，电梯的控制是比较复杂的，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，将使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强、机械与电气部件有机地结合在一个设备内。因此，它已经成为电梯运行中的关键技术。

1.2 SIEMENS S7-200简介
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。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。 　
CPU 226： 24V DC电源，24V DC输入，24V DC输出，100～230V AC电源 24V DC输入，继电器输出。本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
2、基于PLC 的步进电机控制
2.1 设计要求
学习步进电机的工作原理，提供的设备中南京工学院仪器为三相六拍的，设计程序实现对步进电机启动、停止、正转、反转的控制，及用1个按键实现3 档调速即快速、中速、慢速。同时用一位数码管显示当前的速度状态：快、中、慢分别用1、2、3 表示。
2.2 三相六拍步进电机的工作原理
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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
结构：
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て。
旋转：
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。
如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。
如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。
如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て
这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。
由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。
不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。
2.3 步进电机各按键的作用
序号
名称
输入口
序号
名称
输出口
1
脉冲数控制
I0.0
5
A相输入
Q0.0
2
起停按键
I0.1
6
B相输入
Q0.1
3
正反转按键
I0.2
7
C相输入
Q0.2
4
低速输入控制
I0.3
8
低速脉冲输出
Q0.4
5
中速输入控制
I0.4
9
中速脉冲输出
Q0.5
6
高速输入控制
I0.5
10
高速脉冲输出
Q0.6

2.4 基于PLC 的步进电机控制程序梯形图

2.5 问题及解决方法
步进电机是我们本次课程设计的第一个课题,刚开始对步进电机的工作原理不明白,不知道脉冲如何发送,经过上网查询和图书馆查阅相关资料解决了此问题，明白了步进电机的工作原理，我们的使用的是三相六拍的步进电机，通过给步进电机输入脉冲使它转动，当有一个脉冲时步进电机转动一个角度。同时，对于调速输入脉冲数无法控制，经过查阅资料和实践琢磨也将此问题解决，我们主要是通过定时，让记数器计算我们规定的时间内的脉冲数目来是步进电机实现高、中、低的三速转动。
3、PLC 实现智能交通灯控制
3.1设计要求
南北方向为主干道，东西方向为次干道。东西方向红灯亮20s，南北方向绿灯亮13s，闪4 次（每次0.5s 亮，0.5s 灭），黄灯亮3s；然后，东西方向绿灯亮8s，闪3 次（每次0.5s 亮，0.5s 灭），黄灯亮3s，南北方向的红灯亮14s；再然后，东西方向红灯亮20s，南北方向绿灯亮13s，闪4……这样东西南北交通灯循环运行；当人行道上有人要过马路时，按相应人行道按钮，延时4s 钟后（为了给正行驶在马路上的机动车通过时间）人行道及同向马路变绿灯，而垂直方向马路灯及人行灯变红灯，延时6s 钟后，垂直方向马路灯及人行灯变绿灯且马路灯恢复正常循环运行。
南北方向的时间用LED 显示。

3.2系统运行过程分析
南北方向为主干道，东西方向为次干道。
按下I0.0开始启动，开始次干道处于禁止通行的状态，主干道处于允许通行的状态。在东西红灯亮期间，东西红灯亮20s，南北绿灯量13s，闪烁4s，黄灯亮3秒，均在一总定时器前20 秒完成，各灯分别在总定时器0到13秒，13秒到17秒，17秒到20秒内完成，其中闪烁需要0.5秒定时器来完成。当上述一切完成时，进入南北红灯亮时期，在红灯亮时期有上述基本相同。在总定时器的20到34秒期间，南北红更灯亮14s，东西绿灯亮8亮，闪烁3秒，黄灯亮3秒，各灯分别在总定时器20到28秒，28秒到31秒，31秒到34秒内完成，其中闪烁也需要0.5秒定时器来完成当一切均完成一遍的时候，在从总定时器的0秒开始从新及时，不断循环。
在使用人行横道呼叫时，按下SW1、SW2、SW3、SW4后，与以定时器4s延时供正常嘉实的机动车一定得通过时间，4秒过后，相应的人行横道和相应的主干道或次干道的绿灯通行，在通过定时器6s过后恢复到原来正常秩序。

东西方向
交通灯状态
红灯亮20S
绿灯亮8S
绿灯闪3S
黄灯亮3S
南北方向
交通灯状态
绿灯亮13S
绿灯闪4S
黄灯亮3S
红灯亮14S
3.3系统时序图

3.4 输出地址分配
输入信号
定时元件
输出信号
名称
代号
输入点编号

名称
代号
输出点编号
启动按钮I0.0
START
I0.0
T37
东西红灯
EWR
Q0.0

T37
南北绿灯
SNG
Q0.1

T37,T38,T39
南北闪烁
SNG
Q0.1

T37
南北黄灯
SNY
Q0.2

T42
南北红灯
SNR
Q0.3

T43
东西绿灯
SNG
Q0.4

T44,T45
东西闪烁
SNG
Q0.4

T46
东西黄灯
SNY
Q0.5
人行道按钮1
SW1\SW4
I0.1
T47,T48
南北绿灯
SNG
Q0.3
人行道按钮2
SW2\SW3
I0.2
T49,T50
东西绿灯
EWG
Q0.0
3.5 PLC 实现智能交通灯控制程序梯形图

3.6 问题及解决方法
交通灯是我们的第二个课题，东西和南北灯的显示都进行的比较顺利，只有在加入南北人行道和东西人行道是无法实现其功能，后来在同学的帮助和上网翻阅资料才将此问题解决。虽然我们在同学帮助和查阅资料后，实现了加入人行道的功能，可是在设计梯形图时我们还是遇到了一些困难，在延时时我们开始没有办法成功的加入，后面通过自己的摸索，还是成功的完成了这一功能。4、 基于PLC 的四层电梯控制。
4.1 系统原理说明
4.1．1 原理

采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，指示灯Q2.2，反转为下降指示灯Q2.1。一层有上升呼叫按钮I0.3，二层有上升呼叫按钮I0.2以及下降呼叫按钮I0.4，三层有上升呼叫按钮I0.2以及下降呼叫按钮I0.5，四层有下降呼叫按钮I0.0。一至四层有到位行程开关I1.1～I1.4。电梯内有一至四层呼叫按钮,分别为I0.6、I0.7、I1.5、I1.0。一层至四层外部有指示灯，用数码管显示楼层，分别为Q0.0～Q0.6。
4.1.2 四层电梯要求
有内外呼按钮，数码管实时显示楼层数，运行要切合实际电梯。
有逆向呼叫时，若同向无呼叫，则立即响应。例：电梯响应3 层电梯，电梯上行，
若上行过程中，1 楼又有人呼叫，电梯到达3 层后，若更高层无呼叫，则立即下
行，而不是先到达最高层。
4.1.3 I/O端子分配图
输入端：四层外呼下行I0.0 三层外呼下行I0.5 二层外呼下行I0.4 一层外呼上行I0.3 二层外呼上行I0.2 三层外呼上行I0.1 一层内呼I0.6 二层内呼I2.1 三层内呼I1.5 四层内呼I1.0 一层行程开关I1.1 二层行程开关I1.2 三层行程开关 I1.3 四层行程开关I1.4 电梯UP键I2.2 电梯DOWN键I2.3 总启动I0.7
输出端：数码管a、b、c、d、e、f、g分别对应Q0.0～Q0.6
一层行程开关Q1.0，二层行程开关Q1.1，三层行程开关Q2.0，四层行程开关Q2.1
电机正转Q2.2 电梯反转Q2.3

序号
名称
输入点
序号
名称
输出点
0
四层外呼下行
I0.0
0
一层指示灯
Q1.0
1
三层外呼下行
I0.5
1
一层指示灯
Q1.1
2
二层外呼下行
I0.4
2
一层指示灯
Q2.0
3
一层外呼上行
I0.3
3
一层指示灯
Q2.1
4
二层外呼上行
I0.2
4
电机正转
Q2.2
5
三层外呼上行
I0.1
5
电梯反转
Q2.3
6
一层内呼
I1.6
6
a
Q0.0
7
二层内呼
I2.1
7
b
Q0.1
8
三层内呼
I1.5
8
c
Q0.2
9
四层内呼
I2.0
9
d
Q0.3
10
一层行程开关
I1.1
10
e
Q0.4
11
二层行程开关
I1.2
11
f
Q0.5
12
三层行程开关
I1.3
12
g
Q0.6
13
四层行程开关
I1.4
13

14
电梯UP键
I2.2
14

15
电梯DOWN键
I2.3
15

16
总启动按键
I0.7
16

4.2 基于PLC 的四层电梯控制程序梯形图

4.3问题及解决方法
电梯设计是所做的最后一个课题，主要问题是七段数码管的显示问题，后来查阅资料，了解到了程序设计中seg指令的应用技巧，成功解决了数码显示的问题。第二个就是电梯逆行问题，起初不了解PLC仿真的运行环境，不能准确了解继电器的运行状态，后来经学习能熟练操作，这一问题也迎刃而解。在电梯设计中我们遇到的问题最多，我们在设计之初，对程序图一点思路都没有，后面我们还是借助别人的设计好的程序，自己一点点的摸索，在弄明白别人的程序的基础上我们才完成了我们的电梯程序。

23

课程设计总结

通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
  通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表过能力。
通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。
在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。
在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。

参考文献

1. 《现代电气控制及PLC应用技术》 王永华 北京航天航空大学出版社（第二版）
2. 《PLC原理及应用》 李长久  机械工业出版社
3. 《PLC应用技术》 徐国林  机械工业出版社
4. 《西门子PLC与工业控制网络应用》 高鸿斌，孔美静，赫孟合 电子工业出版社
5. 《PLC工程应用实例解析（附光盘）》 吕卫阳，徐昌荣 中国电力出版社

致谢
时间飞逝，两周的时间很快就过去了，这次的课程设计我们组主要是以《现代电气控制及PLC应用技术》教材为主要参考主线，我们基本能按照设计要求进行，完成了基于PLC对步进电机、四层电梯和交通灯的控制。

在设计过程中我们组认真理解并掌握了每一个相关知识点，就是在掌握这些知识点的前提下，我们组才能有这个规范的设计。在此次的设计中，我感受了同学们认真完成课程设计的态度和热情。设计中，同学们积极交流，找出设计中的不足，完善提高自己。从无形之中增加了同学们之间的凝聚力。大家积极合作，共同提高。在做课程设计的过程中，我感到自己学到的知识十分有限，通过这次课程设计的学习，我的知识增长了很多。更深刻地了解有关PLC的知识，同时也弄明白了以前不明白的知识点。在本次设计过程在中，也我深深的感受到合作在工作中的作用。

这次课程设计使我受益匪浅，让我认识到了自己还要学的东西还有很多，比如设计程序时思路的重要性，培养了我们的探究能力。在此感谢我们的学校和老师能够让我们有这样的好机会提高锻炼自己，更加感谢韩老师对我们的指导。
这次课程设计我们都能够顺利的完成，这些功劳离不开老师的帮助，离不开同学的帮助，更离不开我们组成员之间的密切合作，我们之间互相信任，互相帮助，顺利的完成了这次课程设计，并且使我们之间友谊更加亲密，相信我们的努力没有白费，我们都学到了知识，拥有的友谊，懂得了合作，这次课程设计让我们都长大了不少，以后我们会更加努力。