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1、目 录前 言11. PLC简介21.1 PLC的定义21.2 PLC系统组成及各部分的功能21.3 PLC的工作原理31.4 PLC控制系统设计思路32. 总体设计方案42.1 模拟旋转编码器方案42.1.1旋转编码器42.1.2 使用PLC中PTO/PWM模拟52.2 高速计数器方案63.硬件系统设计73.1西门子s7-200PLC简介73.2 硬件连线74.软件设计84.1软件介绍84.2 软件启动流程84.3 程序流程图114.3.1 高速脉冲串的产生114.3.2 高速计数器的实现114.4 梯形图124.4.1 高速脉冲串的梯形图124.4.2 高速计数器的语句表144.5结论154
2、.5.1 频率变化的高速脉冲波形154.5.2 高速计数器的变量结果155.设计总结156.参考文献16前 言可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称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，所以将可编程控制器简称PLC。“PLC是一种专门
3、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入和输出，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该按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。”PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。使用软件STEP 7-Micro/WIN 4.0版和S7-200 CPU产品系列编程，S7-200系列小型PLC (Micro PLC)可应用于各种自动化系统。紧凑的结构、低
4、廉的成本以及功能强大的指令集使得S7-200 PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。S7-200产品的多样化以及基于Windows的编程工具，使您能够更加灵活地完成自动化任务。1. PLC简介1.1 PLC的定义在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“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入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC
5、及其有关的外围设备都应该按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。”1.2 PLC系统组成及各部分的功能1.系统组成 图1 PLC的系统组成2各部分的作用 (1)CPU运算和控制中心 起“心脏”作用。(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。 (3)输入/输出接口 。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。 输出接口：PLC的继电器输出接口电路。 (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与计算机相连。1.3 PLC的工作原理 当PLC投入运行后，其工作过程
6、一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 图2 PLC的运行阶段1. 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。2. 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储
7、区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。3. 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。1.4 PLC控制系统设计思路本设计以PLC作为工具对高速计数器和PTO/PWM的各种操作进行控制。PLC控制系统设计一般分为以下几个步骤：1. 熟悉被控对象（本次设计的对象为PTO/PWM），制定控制方案2. 确定I/O点数3. 选择PLC机型（本次设计采用西门子S7-200PLC）4.
8、 选择输入、输出设备，分配PLC的I/O地址5. 程序设计（包括梯形图的绘制）6. 系统调试7. 编制相关技术文件8. 系统总体设计流程如图3所示：图3 PLC系统总体设计流程图2. 总体设计方案2.1 模拟旋转编码器方案2.1.1旋转编码器旋转编码器工作原理为：由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。 编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线
9、，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。 信号输出： 信号连接编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。 A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。 A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输
10、较远的距离。 对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。 旋转编码器由精密器件构成，故当受到较大的冲击时，可能会损坏内部功能，使用上应充分注意。2.1.2 使用PLC中PTO/PWM模拟模拟的旋转编码器高速脉冲串输出PTO/PWM初始化宽度可调脉冲输出PLC内部图4 PLC实现模拟旋转编码器 S7-200有两个PTO/PWM发生器，用以建立高速脉冲串（PTO）或脉宽调节（PWM）信号波形。一个发生器指定给数字输出点Q0.0，另一个发生器指定给数字输出点Q0.1。其中，PTO提供方波（50%占空比）输出，脉冲周期和数量可由用户控制。PTO/PWM 控制寄存器制寄存器中的值
11、启动要求的操作对PTO/PWM 0 使用 SMB67 对PTO/PWM 1 使用 SMB77如果要装入新的脉冲数 (SMD72 或SMD82) 脉冲宽度 (SMW70 或SMW80) 或周期 (SMW68 或SMW78) 应该在执行PLS指令前装入这些值和控制寄存器 如果要使用多段脉冲串操作在使用PLS指令前也需要装入包络表的起始偏移量 (SMW168 或SMW178) 和包络表的值。表1 控制 PTO/PWM 操作的寄存器2.2 高速计数器方案高速计数器工作原理为：PLC高速计数器和PLC程序是两个不同的内部机构。PLC程序是扫描机制，读取的对象是输入映像存储器的数据。一般用计数器也是读取输
12、入映像存储器。 PLC高速计数器一旦启动，其专用的输入点就不再刷新其对应的输入映像存储器。存取高速计数器的计数值 ，必须指明高速计数器的地址并采用HC类型和计数器号。使用高速计数器前 必须选定一种工作模式你可以用HDEF 指令 (定义高速计数器) 做到这件事HDEF 给出了高速计数器 (HSCx) 和计数模式之间的联系对每个高速计数器只能使用一条HDEF 指令 可利用初次扫描存储器位SM0.1 (此位仅在第一次扫描周期时接通然后断开) 调用一个包含HDEF 指令的子程序来定义高速计数器。每个高速计数器都有一个控制字节包括下列几项允许或禁止计数计数方向控制 (只能是模式0,1,2) 或对所有其它
13、模的初始化计数方向要装入的计数器当前值和要装入的预置值执行HSC 指令时 要检验控制字节和有关的当前值及预置值。3.硬件系统设计3.1西门子s7-200PLC简介S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。它集成6 输入/4 输出共10 个数字量I/O 点，无I/O 扩展能力。S7-200系列在集散自动化系统中充分发，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
14、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、运动系统等。STEP 7-Micro/WIN 32是西门子公司专门为S7-200系列PLC设计在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学，可用梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图三种编程语言编制程序，不同的编程语言编制的程序可以相互转换。STEP 7-Micro/WIN 32提供两套指令集，即SIMATIC指令集（S7-200方式）和国际标准指令集（IEC1131-3方式）。程序编制
15、完成之后，利用PLC与计算机专用的PC/PPI电缆传送程序至PLC。3.2 硬件连线连接S7-200十分容易，在本例中，您只需要给S7-200 CPU供电，然后在编程设备与S7-200 CPU之间连上通讯电缆即可。给S7-200 CPU供电：第一个步骤就是要给S7-200的CPU供电。图5给出了直流供电和交流供电两种CPU模块的接线方式。图5 PLC的供电方式硬件接线比较简单：实验室S7200其中一台 PLC的Q0.0输出接入I0.0，由于PWM输出口选择的是Q0.0，对于各自的共选端接入电源的低，而另外一台PLC高速计数器的计数控制，只需要对应接入输入口和输出口，重要是输入信号由前台PLC的
16、高速脉冲串提供。4.软件设计4.1软件介绍STEP 7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。为了能快捷高效地开发您的应用程序，STEP 7-Micro/WIN软件为您提供了三种程序编辑器。为了便于您找到所需的信息，STEP 7-Micro/WIN提供了一个详尽的在线帮助以及一个文档光盘，该光盘含有本手册的电子版、应用示例和其它有用的信息。STEP 7-Micro/WIN 4.0版是用于S7-200的32位编程软件包，它包括：支持最新型CPU增强功能的新软件工具和改进过的软件工具： PID自整定控制面板、PLC内置位控向导、数据归档向导和配方向导。
17、新的诊断工具：可组态诊断LED新指令：夏令时（READ_RTCX和SET_RTCX）、间隔定时器（BITIM、CITIM）、清除中断事件（CLR_EVNT）以及诊断LED（DIAG_LED）。POU和库的增强：新型字符串常量和添加的间接寻址支持更多的存储类型，增强了使用USS库函数对西门子变频器读写参数功能的支持。改进的数据块：数据块页、数据块自动增量更佳的STEP 7-Micro/WIN可用性。4.2 软件启动流程1.打开STEP 7-Micro/WIN点击STEP 7-Micro/WIN的图标，打开一个新的项目，图6所示为一个新项目。注意左侧的操作栏。您可以用操作栏中的图标，打开STEP
18、7-Micro/WIN项目中的组件。点击操作栏中的通讯图标进入通讯对话框。您可以用这个对话框为ST EP7-Micro/WIN设置通讯参数。图6 STEP 7-Micro/WIN窗口2. 打开STEP 7-Micro/WIN点击STEP 7-Micro/WIN的图标，打开一个新的项目，图7所示为一个新项目。注意左侧的操作栏。您可以用操作栏中的图标，打开STEP 7-Micro/WIN项目中的组件。点击操作栏中的通讯图标进入通讯对话框。您可以用这个对话框为ST EP7-Micro/WIN设置通讯参数。3. 与S7-200建立通讯用通讯对话框与S7-200建立通讯：在通讯对话框中双击刷新图标。ST
19、EP 7-Micro/WIN搜寻并显示所连接的S7-200站的CPU图标。选择S7-200站并点击OK。如果STEP 7-Micro/WIN未能找到您的S7-200 CPU，请核对您的通讯参数设置。建立与S7-200的通讯之后，您就可以创建并下载示例程序。图7设置通讯4. 创建一个例子程序创建这个例子程序将使您体会到使用STEP 7-Micro/WIN编程有多简单。在本例中，您用梯形图编辑器来录入程序。下面给出了完整的梯形图和语句表程序。语句表中的注释，解释了程序的逻辑关系。时序图显示了程序的运行状态5. 打开程序编辑器点击程序块图标，打开程序编辑器 。注意指令树和程序编辑器。您可以用拖拽的方
20、式将梯形图指令插入到程序编辑器中。在工具栏图标中有一些命令的快捷方式。在输入和保存程序之后，您可以下载程序到S7-200中。6. 下载例子程序1. 您可以点击工具条中的下载图标或者在命令菜单中选择File Download来下载程序。参见图8。2. 点击OK下载程序到S7-200。如果您的S7-200处于运行模式，将有一个对话提示您CPU将进入停止模式。单击Yes将S7-200置于STOP模式。图8 下载窗口7. 将S7-200转入运行模式并调试应用程序如果想通过STEP 7-Micro/WIN软件将S7-200转入运行模式，S7-200的模式开关必须设置为TERM或者RUN。当S7-200处
21、于RUN模式时，执行程序：图9 进入模式4.3 程序流程图4.3.1 高速脉冲串的产生如下图：图 10 高速脉冲串的流程图4.3.2 高速计数器的实现如下图 ：初始化设置中断初始值控制字子程序中断启动HSC图11 高速计数器的流程图4.4 梯形图4.4.1 高速脉冲串的梯形图 (1)主程序如下：高速脉冲输出脉冲串（PTO）和宽度可调脉冲输出（PWM）/注意I0.0的输入由PTO/PWM的输出口：Q0.0。硬件接线注意的重点， 脉冲宽度调制VW100=500ms时进入脉宽增的函数， 脉冲宽度调制VW100=2000ms或递减值后比先前的值小时进入脉宽减的函数。Network 1LD SM0.1C
22、ALL SBR1Network 2 LD I0.0EULPSLDW= VW100, SMW70OW= SMW70, 500ALDCALL SBR0LPPLPSAW= SMW70, 2000-I 100, SMW70AENO= L63.7LPPAW= SMW70, VW100O L63.7CALL SBR2(2)初始化：/初始化PWM：输入控制字SMB67=11011011 ：脉冲输出允许，选用PWM模式，单段管线，同步更新，ms单位时基，PTO输出脉冲数不更新，PWM更新脉冲宽度值，PTO/PWM不更新周期值。周期值SMW68=2s，脉冲宽度值SMW70=0.5s。PLS指令是启动PWM，并有
23、Q0.0输出脉冲（注意PTO/PWM中使用的高速脉冲输出，就不能作为普通数字量输出点）。LD SM0.0MOVB 16#DA, SMB67MOVW 2000, SMW68MOVW 500, SMW70PLS 0(3)脉宽增：/使用变量VW100作为中间变量循环递增，递增一次进入PWM指令的使用输出脉冲宽度增加直到脉冲宽度达到周期就返回。Network 1 LD SM0.0LPSMOVW SMW70, VW100+I 100, SMW70AW= SMW70, 2000CRETLPPPLS 0(4)脉宽减：/使用变量VW100作为中间变量循环递减，递减一次进入PWM指令的使用输出脉冲宽度变窄， 直
24、到脉冲宽度达到初始脉冲宽度就返回。Network 1 LD SM0.0LPSMOVW SMW70, VW100-I 100, SMW70AW= SMW70, 500CRETLPPPLS 04.4.2 高速计数器的语句表 (1)主程序：/初始化高数计数器0：控制字节SMB37（计数方向为增，允许更新计数方向为增，允许写入新的初始值，允许写入新的设定值，允许执行HSC），初始值SMD38=0，预设值SMD42=500计数到就中断，高数计数器的模式设置HDEF。LD SM0.1MOVB 16#F8, SMB37MOVD 0, SMD38MOVD 500, SMD42HDEF 0, 0CALL SBR
25、0(2)子程序SBR_0：/时基初始化子程序SBR_0，时基中断0定时时间常数为0，ATCH 全局 开中断，对应的事件是10，HSC 0 启动高速计数器0。LD SM0.0MOVB 0, SMB34ATCH INT0, 10ENIHSC 0(3)中断程序：/读高速计数器0的计数值到VD100，累计数据到VD200，重新对高速计数器初始化，HSC并启动高速计数器。LD SM0.0MOVD HC0, VD100+D VD100, VD200MOVB 16#F8, SMB37MOVD 0, SMD38MOVD 500, SMD42HSC 04.5结论4.5.1 频率变化的高速脉冲波形从Q0.0输出脉
26、冲，使用示波器检测，发现输出方波并且脉冲宽度先是逐渐的增加，当增加到一定程度后，脉冲宽度开始逐渐的减小到初始的脉冲宽度后又一次进入脉冲增加，反复的循环产生脉冲输出。（图形见附件高速脉冲波形）。4.5.2 高速计数器的变量结果先是设置编程软件中的状态表结果变量VD200，观察到变量VD200中的新值一直连续的变化（如表2、表3）表2 变量结果间隔一段时间的观察结果：表3 变量结果从实验效果得到：高速脉冲串的产生频率快，而一般的计数器不能进行统计，只能使用PLC内部的高速计数器对PLC扫描速率来不及处理的高速计数事件进行计数。高速脉冲串的产生，需要设置PTO/PWM的各自特殊寄存器；高速计数器的计
27、数也需要设置特殊寄存器。寄存器的设置不同会出现不同的结论，像脉宽设置，频率的变化。 5.设计总结经过1星期的课程设计，让我们收获了很多。不管是专业知识上还是团队合作上我都有很大的进步。我们这次课程设计的主要任务有：1.用PLC模拟旋转编码器，输出高速脉冲串（模拟电机的转速测试）。 2.应用说服力PLC内部的高速计数器对其高速脉冲串的计数（模拟速度测试）。3.超速的检测并亮灯提示。4.软件与硬件的连接、安装与调试。我们组分工明确，每个人都很负责完成自己的任务。我们组比较好的完成了既定任务。同时在工作过程中我们非常团结，遇到困难时大家相互沟通相互帮助。通过这次设计让我们更进一步了解了PLC的相关知
28、识以及PLC设计原理。很多设计想法都是从实际中总结出来的，我们根据实际找出了最合适的设计方法。而且我们对自已学的各种PLC知识能有一定的运用，我们做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏，并且开始慢慢走上创造的道路。总的来说，这次的课程设计让我们受益匪浅，弥补了我对PLC知识的不足，让我更加深刻的理解了PLC的设计理念。6.参考文献1 孙海维.SITATIC 可编程序控制器及应用M.北京：机械工业出版社.20052 廖昌初. S7200/300 PLC应用技术M.北京：机械工业出版社.20053 西门子（中国）有限公司J.深入浅出西门子S7200和M7300可编程控制器CPU及模板规手册.20034 西门子（中国）有限公司J. SITATIC使用STEP 7编程.20045 西门子（中国）有限公司J. SITATIC S7200和S7200梯形图（LAD）编程.20046 向守均、徐峰地主编.可编程控制器应用技术实训教材M.内部教材.20037 宋礼中、满海波主编. SITATIC S7200实验实训指导J.内部教材.2006
