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1、山东交通学院电控与PLC课程设计报告书院(部)别 信息科学与电气工程学院 班 级 电升 131 学 号 130817120 姓 名 荣彬华 指导老师 韩耀振 时 间 2013.12.16-2013.12.27 一、设计内容及要求1、就基本交通灯设计一个十字路口交通信号灯的控制程序。要求为：南北向红灯亮10秒，东西向绿灯亮4秒闪3秒，东西向黄灯亮3秒，然后东西向红灯亮10秒，南北向绿灯亮4秒闪3秒，南北向黄灯亮3秒，并不断循环反复。2、 四相八拍步进电机的PLC实验掌握步进电机的工作原理，提供的设备中东疆的是四相八拍的步进电机，设计程序实现对步进电机启动、停止、正转、反转的控制，及2 键实现3
2、档调速即快速、中速、慢速。控制模块中的步进电机工作方式为四相八拍，电机的四相线圈分别用A、B、C、D 表示，公共端已接地。当电机正转时，其工作方式如下：AABBBCCCDDDAA。当电机反转时，其工作方式如下：A-ADDDCCCBBBAA。用LED 显示电机档位。此外，步进电机的运转可以和外部模拟量联动，当模拟量大于3V 小于5V 时，步进电机按正转快速自动运转，否则停止。3、基于PLC的多通道温湿度监控装置用稳压器给定2 路输入信号为0-5V 标准直流电压信号分别表示为温度、湿度对应的电压信号。分别经过EM235 转换之后，用2 位LED 交替显示相应电压值的个位和第一个小数位（静态显示方式
3、），要实现可自动每隔2 秒交替，也可手动按键交替显示。把其中的一路模拟量输入，通过EM235 的模拟量输出端直接输出，可用万用表测量，要保证显示精度，要有启动和停止按钮。二、设计原始资料1、PLC实验箱一台2、东疆 PLC实验平台3、交通灯控制模块4、编程电缆一根5、导线若干6、螺丝刀7、带编程软件 V4.0 STEP 7 MicroWIN的计算机8、EM235模块9、万用表10、稳压器三、设计完成后提交的文件和图表系统原理说明；I/O端子分配图；外部接线结构图；梯形图及每一网络相应的注释；使用的中间继电器、定时器、计数器等用途说明；结合具体使用的I/O，定时器，计数器等做系统原理的详细说明；
4、设计中遇到的问题，解决方法；设计心得展望等；四、进程安排教学内容 学时 地点集中学习 1天 教室资料查阅与学习讨论 1天 图书馆、PLC实验室设计及调试 7天 PLC实验室成果验收 1天 PLC实验室 五、主要参考资料1 王永华，现代电气控制及PLC应用技术M，北京，北京航空航天大学出版社 2007年 11月。2 肖峰、贺哲荣，PLC编程100例，中国电力出版社(2009-06出版)。3 程子华、刘小明，PLC原理与编程实例分析，国防工业出版社，2007.目录摘要4简单交通信号灯的自动控制51.1实验目的51.2实验器材51.3实验内容及步骤51.4 I/O接口表61.5设计程序6步进电机控制
5、的PLC 实现（东疆教仪）102.1总体设计要求102.2 设计目的102.3步进电机原理及设计思想102.4 使用设备122.5 I/O分配122.6设计程序132.7 实验照片21基于PLC 的多通道温湿度监控装置（天煌）223.1总体设计要求223.2 设计目的223.3 设计思想以及EM235的使用223.4 使用设备283.5 I/O分配283.6 设计程序293.7 实验照片32总结33参考文献34摘要电控与PLC课程设计主要基于PLC的控制实验，结合理论知识从而对其有更好的认识，以至于在工作中更好的运用。可编程控制器（PLC）把计算机的功能完备、通用性和灵活性好等优点和继电器控制
6、系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优点结合起来，因此它是一种适应与工业环境的通用控制装置。现在的可编程序控制器和原来的控制系统相比，增加了算术运算、数据转换、过程控制、数据通讯等功能，已可以完成大型而复杂的控制任务。可编程序控制器作为工业自动化的技术支柱之一，在工业自动控制领域占有十分重要的地位。 S7-200 PLC属于小型PLC,其主机的基本结构是整体式，其主机有一定数量的输入/输出（I/O）点，一个主机就是一个系统。它还可以灵活的扩展，如果I/O点不够，则可增加I/O扩展模块。S7-200 PLC强大的功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂的控制功能。由于其具有紧凑的设计、
7、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可以近乎完美的满足小规模的控制要求。本次课程设计是要实现3个设计，他们是基于S7-200 PLC的简单交通灯的运行控制,基于S7-200 PLC的四相八拍步进电机的控制，基于EM235的温湿度监控系统。关键词：PLC 交通灯 EM235 四相八拍步进电机简单交通信号灯的自动控制1.1实验目的1、 掌握PLC功能指令的用法2、掌握用PLC控制交通灯的方法1.2实验器材1、PC机一台2、PLC实验箱一台3、交通灯控制模块4、编程电缆一根5、导线若干1.3实验内容及步骤1、设计一个十字路口交通信号灯的控制程序。要求为
8、：南北向红灯亮10秒，东西向绿灯亮4秒闪3秒，东西向黄灯亮3秒，然后东西向红灯亮10秒，南北向绿灯亮4秒闪3秒，南北向黄灯亮3秒，并不断循环反复。2、确定输入、输出端口，并编写程序。3、编译程序，无误后下载至PLC主机的存储器中，并运行程序。4、调试程序，直至符合设计要求。5、参考程序1.4 I/O接口表输入输出主机实验模块注释主机实验模块注释I0.0K1启动Q0.0SNR红灯（南北）Q0.1SNG绿灯（南北）1M24VQ0.2SNY黄灯（南北）Q0.3EWR红灯（东西）KCOMGNDQ0.4EWG绿灯（东西）1L24V1.5设计程序步进电机控制的PLC 实现（东疆教仪）2.1总体设计要求掌握
9、步进电机的工作原理，提供的设备中东疆的是四相八拍的步进电机，设计程序实现对步进电机启动、停止、正转、反转的控制，及2 键实现3 档调速即快速、中速、慢速。控制模块中的步进电机工作方式为四相八拍，电机的四相线圈分别用A、B、C、D 表示，公共端已接地。当电机正转时，其工作方式如下：AABBBCCCDDDAA。当电机反转时，其工作方式如下：A-ADDDCCCBBBAA。用LED 显示电机档位。此外，步进电机的运转可以和外部模拟量联动，当模拟量大于3V 小于5V 时，步进电机按正转快速自动运转，否则停止。2.2 设计目的了解PLC控制系统设计及软件程序设计加深对PLC的认识。了解四相八拍的步进电机工
10、作原理。学习PLC的硬件连接与步进电机的接线。熟悉PLC编程的工作原理、规则、技巧和方法。2.3步进电机原理及设计思想当A 相通电时此时磁力线总是沿着磁阻最小的地方构一个闭合的回路,此时定了A 相上的齿与转子上齿对齐,在其后的一个脉冲时,这时由于AB两相同时通电,这时磁力线按照磁阻最小的地方构成回路,由图可知这时转子只转过八分之一个齿距角,当其后的B 相再给脉冲时这时B 相定子上的齿正好与转子上的齿相对,这时转了再转过八分之一个齿距角,依次类推。当要求步进电机反转时把上面的脉冲顺序反向即可。当要求其停止时,这时只给某相通直流电并保持之即可。步进电机的转速与输入脉冲的频率有关。频率越高则转动越快
11、，反之则越慢；正反转则是通过控制脉冲相序来实现。四相八拍步进电机的原理该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图1 四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿
12、，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2所示：脉冲ABCD图22.4 使用设备可编程控制试验台（东疆）1台西门子S7-200系列PLC-CPU 224CN1台通讯电缆1根计算机1台编程软件 V4.0 STEP 7 Micro WIN1套连接导线若干E
13、M2351台稳压器1台2.5 I/O分配符号表：2.6设计程序2.7 实验照片图3基于PLC 的多通道温湿度监控装置（天煌）3.1总体设计要求用稳压器给定2 路输入信号为0-5V 标准直流电压信号分别表示为温度、湿度对应的电压信号。分别经过EM235 转换之后，用2 位LED 交替显示相应电压值的个位和第一个小数位（静态显示方式），要实现可自动每隔2 秒交替，也可手动按键交替显示。把其中的一路模拟量输入，通过EM235 的模拟量输出端直接输出，可用万用表测量，要保证显示精度，要有启动和停止按钮。3.2 设计目的通过使用EM235模块加深对PLC控制的认识。熟悉PLC编程的工作原理、规则、技巧和
14、方法。通过各器件的联系对可编程控制的熟悉以及模拟信号之间的转换。3.3 设计思想以及EM235的使用温湿度监控装置主要是对空气中温湿度的测量，并对测量结果进行译码显示，译码显示只显示检测结果的个位和小数点后一位，温湿度的结果每隔2秒交替显示在两位译码器上，也可以手动按键交替显示，同时要有总的停止和启动。此题用稳压源输入两路模拟电压信号05V，用来表示温湿度，通过EM235的AD转换，转换成032000，然后编写程序用数码管显示个位和小数点后一位，其中一路通过DA转换，电压输出口输出，用万用变测量。模拟量扩展模块接线图及模块设置EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟
15、量输出功能。下面以EM235为例讲解模拟量扩展模块接线图，如图4。 Em235简单内部原理图如图5所示。图4图5图4演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X和X；对于电流信号，将RX和X短接后接入电流输入信号的“”端；未连接传感器的通道要将X和X短接。图5 是内部4个输入为四个AD转换器，输出为1个DA转换器。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。（后面将详细介绍）EM235的常用技术参数：模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV 电压（双极性）10V
16、5V 2.5V 1V 500mV 250mV 100mV 50mV 25mV电流020mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出 10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位下表说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。EM235开关 单/双极性选择增益选择衰减选择SW1SW2SW3SW4SW5SW6ON单极性OFF 双极性OFF OFF X1OFF ONX10 O
17、NOFF X100ONON无效ONOFF OFF 0.8OFF ONOFF 0.4OFF OFF ON0.2由上表可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。根据上表6个DIP开关的功能进行排列组合，所有的输入设置如下表：单极性满量程输入分辨率SW1 SW2SW3 SW4 SW5 SW6 ONOFFOFFONOFFON0到50mV 12.5V OFFONOFFONOFFON0到100mV 25V ONOFFOFFOF
18、FONON0到500mV125uA OFFONOFFOFFONON0到1V 250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mV ONOFFOFFOFFOFFON0到20mA 5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V 2.5mV 双极性满量程输入分辨率SW1 SW2SW3SW4SW5SW6ONOFF OFF ONOFF OFF 25mV 12.5V OFF ONOFF ONOFF OFF 50mV 25VOFF OFF ONONOFF OFF 100mV 50V ONOFF OFF OFF ONOFF 250mV 125VOFF ONOFF OFF ONOFF 500 250VO
19、FF OFF ONOFF ONOFF 1V 500V ONOFF OFF OFF OFF OFF 2.5V 1.25mV OFF ONOFF OFF OFF OFF 5V 2.5mV OFF OFF ONOFF OFF OFF 10V 5mV 6个DIP开关决定了所有的输入设置。也就是说开关的设置应用于整个模块，开关设置也只有在重新上电后才能生效。输入校准模拟量输入模块使用前应进行输入校准。其实出厂前已经进行了输入校准，如果OFFSET和GAIN电位器已被重新调整，需要重新进行输入校准。其步骤如下：A、 切断模块电源，选择需要的输入范围。B、 接通CPU和模块电源，使模块稳定15分钟。C、 用
20、一个变送器，一个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端。D、 读取适当的输入通道在CPU中的测量值。E、 调节OFFSET（偏置）电位计，直到读数为零，或所需要的数字数据值。F、 将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个，读出送到CPU的值。G、 调节GAIN（增益）电位计，直到读数为32000或所需要的数字数据值。H、 必要时，重复偏置和增益校准过程。EM235输入数据字格式下图6给出了12位数据值在CPU的模拟量输入字中的位置图6可见，模拟量到数字量转换器（ADC）的12位读数是左对齐的。最高有效位是符号位，0表示正值。在单极性格式中，3个连续的0使得模拟量到数字量转换器（ADC）每变
21、化1个单位，数据字则以8个单位变化。在双极性格式中，4个连续的0使得模拟量到数字量转换器每变化1个单位，数据字则以16为单位变化。EM235输出数据字格式图7给出了12位数据值在CPU的模拟量输出字中的位置：图7数字量到模拟量转换器（DAC）的12位读数在其输出格式中是左端对齐的，最高有效位是符号位，0表示正值。模拟量扩展模块的寻址每个模拟量扩展模块，按扩展模块的先后顺序进行排序，其中，模拟量根据输入、输出不同分别排序。模拟量的数据格式为一个字长，所以地址必须从偶数字节开始。例如：AIW0，AIW2，AIW4、AQW0，AQW2。每个模拟量扩展模块至少占两个通道，即使第一个模块只有一个输出AQ
22、W0,第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址，以此类推。图8演示了CPU224后面依次排列一个4输入/4输出数字量模块，一个8输入数字量模块，一个4模拟输入/1模拟输出模块，一个8输出数字量模块，一个4模拟输入/1模拟输出模块的寻址情况，其中，灰色通道不能使用。图8模拟量值和A/D转换值的转换假设模拟量的标准电信号是A0Am（如：420mA），A/D转换后数值为D0Dm（如：640032000），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系Af（D）可以表示为数学方程：A（DD0）（AmA0）（DmD0）A0。根据该方程式，可以方便地根据D值计算出A值
23、。将该方程式逆变换，得出函数关系Df（A）可以表示为数学方程：D（AA0）（DmD0）（AmA0）D0。具体举一个实例，以S7-200和420mA为例，经A/D转换后，我们得到的数值是640032000，即A04，Am20，D06400，Dm32000，代入公式，得出：A（D6400）（204）（320006400）4假设该模拟量与AIW0对应，则当AIW0的值为12800时，相应的模拟电信号是6400162560048mA。又如，某温度传感器，1060与420mA相对应，以T表示温度值，AIW0为PLC模拟量采样值，则根据上式直接代入得出：T=70（AIW06400）2560010可以用T
24、直接显示温度值。模拟量值和A/D转换值的转换理解起来比较困难，该段多读几遍，结合所举例子，就会理解。为了让您方便地理解，我们再举一个例子：某压力变送器，当压力达到满量程5MPa时，压力变送器的输出电流是20mA，AIW0的数值是32000。可见，每毫安对应的A/D值为32000/20，测得当压力为0.1MPa时，压力变送器的电流应为4mA，A/D值为（32000/20）46400。由此得出，AIW0的数值转换为实际压力值（单位为KPa）的计算公式为：VW0的值(AIW0的值6400)(5000100)/(320006400)100（单位：KPa）3.4 使用设备可编程控制实验箱（天煌）1台西门
25、子S7-200系列PLC-CPU 2241台通讯电缆1根计算机1台编程软件 V4.0 STEP 7 MicroWIN 1套连接导线若干EM2351台稳压器1台3.5 I/O分配3.6 设计程序3.7 实验照片总结此次课程设计从程序设计、调试仿真到选型、接线，可以说非常贴近实际需求，是锻炼我们综合设计能力的良好体现。我从此次设计中收获颇多,第二个题目由于步进电机给脉冲就转，不给脉冲电机就不转，而且步进脉冲的频率越高，步进电机转得越快；改变各相的通电方式，就可以改变电机的运行方式；改变通电顺序，就可以控制电机的正、反转。所以，采用经验设计法的主要思想是使用循环位移指令实现正反转与状态变化，通过控制
26、时间计数器的时间长短来实现速度控制。单个功能的实现是容易的，但组合起来并没有冲突是要动脑子的，经过不停地调试与仿真，最终顺利完成设计任务。第一个题目比较简单,对于熟悉PLC的I/O接口以及程序的编写很有帮助.对于第三个题目，由于第二个题目已经懂得了模拟量模块em235的使用方法，所以第三个题目写起来是比较容易的。使我对em235有了更深的认识，无论是信号的采集还是数据的转换还有模拟量的输出都哟一个更深的认识，因此，设计最重要的就是思路要清晰，而且一旦发现路子走不太通或者走得比较曲折，就要考虑是否需要转换思路（时间上要允许，需慎重）。正确的方向，不断地努力，就一定能达到目的！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.S7200PLC编程及其应用 朱文杰 中国电力出版社
