步进电机和交通灯的PLC控制设计(15页).doc

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1、-步进电机和交通灯的PLC控制设计-第 1 页武汉理工大学华夏学院信息工程课程设计报告书课 程 名 称 可编程控制器 课程设计总评成绩 学生姓名、学 号 10212409105 学 生 专 业 班级 自动化1091 指 导 教 师 姓名 陈艳三 课程设计起止日期 课程设计基本要求课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理

2、，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。1. 课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。项目设计方案论

3、证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出23个问题

4、，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。8. 课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。一、课程设计项目名称步进电机控制二、项目设计目的及技术要求1、 学

5、习在PLC实验系统中步进电机信号的驱动控制2、 熟悉软件算法编程的使用方法和调试程序的方法3、 进一步掌握写入和编辑用户程序的方法步骤：1、 在断电的情况下用编程电缆连接PLC的通信口和计算机的串行通信接口COM1；2、 把扁平电缆线连接控制对象一和EL-PLC-III-M6模块，将步进电机控制模块插在控制对象一上，上电，5V的指示灯应该亮；3、 正常后，西门子按以下方法接线：PLC输入 中央主控上的IN1 ： 接PLC 电平转换的021 ，而I21 接EL-PLC-III-M6模块上的TL5 中央主控上的IN2 ： 接PLC 电平转换的022 ，而I22 接EL-PLC-III-M6模块上的

6、TL6 PLC输出 中央主控上的OUT0 ：接PLC电平转换模块上的I1，而01 接 步进电机控制模块上TL4 中央主控上的OUT1：接PLC电平转换模块上的I2，而02 接步进电机控制模块上TL3 中央主控上的OUT2：接PLC电平转换模块上的I3，而03 接步进电机控制模块上TL2 中央主控上的OUT3：接PLC电平转换模块上的I4，而04 接步进电机控制模块上TL1注意：要把PLC电平转换模块的VCC1 接24V电源。4、 打开编程软件，用菜单命令“文件”/“打开”，打开实验程序TT13；5、 下载实验程序TT13，成功完成后，使PLC处于运行状态，RUN指示灯亮；6、 按下模块上的正转

7、按钮S1 ，步进电机会正转180度，当步进电机转到180度后停止。7、 按下模块上的反转按钮S2后，步进电机会反转180度，当步进电机转到180度后，停止。8、 可以在程序中修改延时的长短来达到电机转动的角度的目的。三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图)1.步进电机简介步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。然而，由于电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其它电动机所没有的特性。因此，沿着小型、高效、低价的方向发展。步进电动机由此而得名。步进电动机的运行是在专用的脉

8、冲电源供电下进行的，其转子走过的步数，或者说转子的角位移量，与输入脉冲数严格成正比。另外，步进电动机动态响应快，控制性能好，只要改变输入脉冲的顺序，就能方便地改变其旋转方向。这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。因此， 步进电动机的上述特点，使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。因此，在数字控制系统出现之初，步进电动机经历过一个大的发展阶段。2.PLC的概述可编程控制器(简称 PLC) 是种数字运算操作的电子系统，是在20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运

9、算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC 自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同:1）中央处理单元(CPU)是PLC的控制中

10、枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统

11、。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。2）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。3 PLC技术在步进电机控制中的应用随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性。向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相

12、电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相

13、绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如下图所示：PLC步进电机输入信号4.步进电机工作原理步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移的机电元件，每一个脉冲信号可以使步进电机前进一步，转过的角度与控制脉冲的个数呈严格的正比关系。其运行速度与控制脉冲频率呈严格的正比关系，正是这个特点，使其可以和现代数字控制技术相结合，成为比较理想的执行元件。步进电机主要应用于开环位置控制系统中。目前步进电机在数控机床、计算机外围设备、钟表、包装机械、食品机械中得到广泛的应用。步进电机由定子和转子两部分组成。以二相步进电机为例，定子上有两组相对的磁极，每对磁极缠有同一绕组，形成一相。定子和转子上分

14、布着大小、间距相同的多个小齿。当步进电机某一相通电形成磁场后，在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率（或最小磁阻）的位置。步进电机接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机转过一个步距角，对于一个m相n拍的步进电机来说，每走完n拍，转子就转过一个齿距角，所以齿距角与步距角的关系为：从控制原理上，步进电机可以分为反应式、永磁式和混合式步进电机三大类；按照控制绕组的相数可以分为两相、三相、四相。本次课程设计所使用的步进电机为两相四线步进电机。5.PLC控制步进电机程序设计 符号表四、项目设计结果分析（分析试验过程中获得的数据、波形、现象或问题的正确性和必然性，分析产生不正确结果的原因和处理方法）现象

15、：启动步进电机，按下模块上的正转按钮S1 ，步进电机会正转180度，当步进电机转到180度后停止。按下模块上的反转按钮S2后，步进电机会反转180度，当步进电机转到180度后，停止。此外，当步进电机正传90度后按下S2，步进电机会立刻反转90度。也可以工作到PLC设定的步数后停止。一、课程设计项目名称 交通灯控制二、项目设计目的及技术要求1进一步熟悉编程软件及方法2熟悉顺序控制编程原理及方法3掌握定时器使用方法步骤：接线：西门子PLC输入 中央主控上的IN1 接PLC电平转换模块的O21 ，而I21接控制对象一上的插孔TL7，S0 PLC输出 中央主控上的OUT1 接PLC电平转换模块的I1，

16、而O1接控制对象一上的交通灯控制插孔TL6； 中央主控上的OUT2接PLC电平转换模块的I2，而O2接控制对象一上的交通灯控制插孔TL5；中央主控上的OUT3接PLC电平转换模块的I3，而O3接控制对象一上的交通灯控制插孔TL4；中央主控上的OUT4接PLC电平转换模块的I4，而O4接控制对象一上的交通灯控制插孔TL3；中央主控上的OUT5接PLC电平转换模块的I5，而O5接控制对象一上的交通灯控制插孔TL2；中央主控上的OUT6接PLC电平转换模块的I6，而O6接控制对象一上的交通灯控制插孔TL1；注意：要把PLC电平转换模块的VCC1 接24V电源。内容：使用PLC数字量输入、输出控制红绿

17、灯。控制流程表如下图启动开关合上01S南北红灯亮，东西红灯亮，即南北方向和东西方向均等待。14S南北红灯亮，东西绿灯亮，即南北方向等待，东西方向行驶。45S南北红灯亮，东西黄灯亮，即南北方向和东西方向均等待。56S南北红灯亮，东西红灯亮，即南北方向和东西方向均等待。69S南北绿灯亮，东西红灯亮，即南北方向行使，东西方向等待。910S南北黄灯亮，东西红灯亮，即南北方向和东西方向均等待。步骤1、下载程序TT10，成功完成后，使PLC处于运行状态，RUN指示灯亮；2、按下启动按钮S0，L15灯亮，开始时，东西和南北的所有灯都是红灯。然后就是按着控制要求来循环显示路口交通信号的信息。3、控制模块一上实

18、时的显示南北方向和东西方向车辆的运行情况。三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图)1.交通灯概述自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，而现今PLC技术飞快发展，应用越来越广，在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。同时交通控制更是

19、趋向智能化方向发展，LED交通信号灯在持续发光、雨淋、灰尘等恶劣的气候条件下，仍然能保持较好的工作性能，而且价格更低廉。北红 红西 黄 东 绿南南北方向: 左为红灯，中间为黄灯，右为绿灯；2.PLC概述PLC是Programmable Logic Controller的缩写，即可编程逻辑控制器。它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，所以现在仍然将可编程逻辑控制器简称plc。它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、

20、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 3.交通灯流程4.PLC交通灯控制设计四、项目设计结果分析（分析试验过程中获得的数据、波形、现象或问题的正确性和必然性，分析产生不正确结果的原因和处理方法）现象：按下启动按钮S0，L15灯亮，开始时，东西和南北的所有灯都是红灯。然后就是按着控制要求来循环显示路口交通信号的信息。实质上接线中可以不结S0，然后直接接输入，从输入的两个开关上可以实现交通灯的启动和停止。实际中交通灯无法实现南北、东西方向同时红灯，只会出现南北红灯时候东西绿灯，南北绿灯时候东西红灯，并且一直按照要求循环显示交通路

21、口的信号灯的信息。五、参考文摘（相关文摘不少于5篇，记录每篇文献的作者姓名.文献名称.文献发行城市：文献出版社，出版年；文献内容摘要, 每篇不少于100字）【1】 阮友德 电气控制与PLC实训教程 北京 人民邮电出版社 2006摘要：固态继电器用于控制直流电动机时候，应在负载两端接入二极管，用来阻断反电势。控制交流负载时候，必须估计电压冲击的程度，并且采取相应的保护措施（如果加装RC吸收电路或者压敏电阻等）。当控制电感性负载时候，固态继电器的两端还需加压敏电阻。【2】 刘宝廷 程树康 步进电动机及其驱动控制系统 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 1997摘要：转子部件由转子铁芯，水磁材料和轴构成。

22、转子铁芯通常使用硅钢片，也有使用块状电工钢或者粉末冶金材料。使用硅钢片时候加工制造方法和钉子铁芯相同，需采用冲压后叠压成型。转子铁芯必须选用磁损耗小的材料。块状电压钢的导磁性较好，但是齿轮加工量大；冶金材料可使用模具材料烧制成型，造价相对较低。【3】 廖常初 PLC基础及应用 北京 机械工业出版社 2007摘要：中央处理单元是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存

23、入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止。【4】 方承远 工厂电气控制技术 北京 机械工业出版社 2001摘要：热继电器的测量元件通常采用双金属片，由两种具有不同线膨胀系数的金属碾压而成。主动层采用膨胀系数较高的镍铬合金，被动层采用膨胀系数很小的铁镍合金。当双金属片受热后将向被动层方向弯曲，当弯曲到一定的程度时候，通过动作机构使得触点动作。电路中的电流大到一定程度时，执行机构

24、发生跃变，即触点发生动作从而切断主电路。【5】 王兆义 可编程控制器教程 北京 机械工业出版社 2003摘要：可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。他采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应该按照易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计。课程设计评分表评 分 项 目评分成绩1选题合理、目的明确（10分）2设计方案正确，具有可行性、创新性（30分）3项目工艺水平及测试性能达到技术要求（25分）4参考文摘不少于5篇（10分）5答辩（25分）总 分（100分）答辩记录：指导教师综合评语：指导教师（签名） 日 期： 年 月 日