PLC课程设计报告智能竞赛抢答器显示系统设计

中原工学院信息商务学院 第一章 概述 近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。在实时监测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心的部件来使用，针对具体应用对象的特点，配以其他器件来加以完善。PLC是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种，小批量生产的需要，生产发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC自1969年问世以来，虽然仅40多年，但是由于在工业自动化各领域取得了广泛的应用。有人将它与数控技术、CAD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。可编程控制器在我国已经广泛应用国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应是广大技术人员努力的方向。所以作为未来技术领域的核心人员，现在我们应该全面学习和应用PLC方面的知识。 现代电气控制与PLC应用技术是我们上学期开的一门技术课，也是一门非常重要的专业课，对于以后的工作有很大的帮助。为了能更好的认识和理解PLC方面的知识，学校为我们安排三周这反面的课程设计，以便能更好的掌握和应用这门技术。 这次课设目的熟练使用各基本指令，根据控制要求，掌握PLC的编程方法和程序调试方法，了解使用PLC解决一个实际问题的全过程。课设的任务在完成“可编程控制器及应用”课程学习的基础上，应用该课程知识并结合相关专业课程知识，实现顺序控制系统设计,达到：掌握控制系统工艺流程的分析方法，掌握PLC设计的CPU模块选型、I/O配置、顺序功能流程图及电气控制接线图设计基本方法；掌握PLC基于顺序功能流程图的梯形图设计方法；最终使学生在完成PLC专题以后，加深理解和巩固课程知识，培养运用所学知识分析和解决工程实际问题的能力。第二章 PLC介绍2.1 PLC的基本概念早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制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，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。 2.2 PLC的基本结构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，基本构成为： a、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 b. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。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。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、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。 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块。 f、通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。2.3 PLC的工作原理一. 扫描技术 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，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。 (一) 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。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 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。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 （三）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。 .2.4 PLC内部运作方式虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下： 步骤一“输入状态检查”：PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。第三章 抢答器3.1 学习目标1.学会用PLC来解决实际问题的思路。2.掌握定时器的格式及编程方法。3.学会用互锁和自锁电路为基础构成各输出电路。4.熟悉PLC装置，CTSC-200系列可编程控制器的外部接线方法。3.2 实验内容设计一个智能竞赛抢答显示系统，使用参加竞赛人分为儿童组、学生组、成人组,其中儿童两人，学生为一人，成人二人，主持人一人。控制要求：当主持人按下SBO后,指示灯LO亮,表示抢答开始,参赛者方可开始按下按钮抢答；为了公平，要求儿童组只需一人按下按钮，其对应的指示灯亮，而成人组需要二人同时按下二个按钮对应的指示灯才亮；当一个问题回答完毕，主持人按下SB1，一切状态复位 ；当抢答开始后时间超过30秒，无人抢答，此时铃响，提示抢答时间已过，此题作废。图1-1 抢答示意图l.设计程序根据系统的控制要求及PLC的1/0分配表，并设计合适的程序。2.设计接线图根据1/0分配表,连接系统接线图。3.系统调试（1） 输入程序。按前面介绍的程序输入方法,用手持式编程器(或计算机)正确输入程序。（2）系统调试。按设计的系统接线图正确连接好输出设备,进行系统的调试,观察是否能按照控制要求抢答，否则，检查电路并修改、调试程序,直至能按控制要求显示。3.3 所需的设备1CTSC-200 PLC 1台2编程电缆 1根3连接导线 若干3.4 训练内容抢答系统I/O分配表类别元件元件号备注输入SB0I0.0抢答开始SB1I0.1返回原状SB11I0.2儿童抢答SB12I0.3儿童抢答SB21I0.4学生抢答SB31I0.5成人抢答SB32I0.6成人抢答输出L0Q0.0表示抢答已经开始灯L1Q0.1儿童抢答成功灯L2Q0.2学生抢答成功灯L3Q0.3成人抢答成功灯铃Q0.4抢答时间已过铃梯形图3.5 训练步骤1、输入程序（1）将编程电缆线连接到计算机和PLC的编程口。（2）接通PLC电源，并将运行开关打到STOP状态。（2）将梯形图程序输入到计算机中，并下载程序到PLC，并对程序进行调试运行，记录调试结果。2、连接电路 按训练内容连接好外部电路。3、通电观察（1）经教师检查接线正确后，接通DC电源。（2）分别按对应开关或按钮，观察运行结果第四章 交通灯4.1 实验目的（1）练习定时器、计数器的基本使用方法。（2）掌握PLC的编程和调试方法。（3）对应用PLC解决实际问题的全过程有个初步了解。4.2 实验设备（1）编程器1台（PC机）。（2）实验装置1台（含S7-200 24点CPU）。（3）导线若干。 图1 交通灯模拟控制板4.3 控制要求及参考 交通路口红、黄、绿灯的基本控制要求如下： 路口某方向绿灯显示（另一方向亮红灯）10秒后，黄灯以占空比为50的一秒周期（0.5秒脉冲宽度）闪烁3次（另一方向亮红灯），然后变为红灯（另一方向绿灯亮、黄灯闪烁），如此循环工作。PLC I/O端口分配： SB1 I0.0 起动按钮 SB2 I0.1 停止按钮 HL1（HL7） Q0.0 东西红灯 HL2（HL8） Q0.1 东西黄灯 HL3（HL9） Q0.2 东西绿灯 HL4（HL10） Q0.4 南北红灯 HL5（HL11） Q0.5 南北黄灯 HL6（HL12） Q0.6 南北绿灯PLC参考电路：图2 红绿灯控制PLC电气原理图4.4 实验内容及要求（1）按参考电路图完成PLC电路接线（配合通用器件板开关元器件）。（2）输入参考程序并编辑。（3）编译、下载、调试应用程序。（4）通过实验模板，显示出正确运行结果。注意：程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态。4.5 设计过程 在该程序中用到定时器控制红绿灯的亮灯时间和闪烁电路，由于黄灯是在一秒内闪烁一次并且占空比是50%，而SM0.5 该位提供时钟脉冲，该脉冲在1秒钟的周期时间内OFF（关闭）0.5秒，ON（打开）0.5秒，所以用SM0.5控制闪烁电路。使用定时器控制时间时为简便起见，在这我们使用时间的累加。设计程序梯形图如下：4.6 创建组态王4.6.1 组态王概述 组态软件是工业控制应用软件的开发平台，它提供了一个良好开发环境，如：提供了许多绘图元素、控件、报表格式、报警方式等，使开发人员不必把精力集中在绘制人机界面上，而专心考虑如何实现系统的功能，使开发工作变得轻松容易、简单高效。目前我国引进的组态软件有：美国的FIX32、iFIX，德国的WinCC等。国产的组态软件有组态王、开物、世纪星、力控、FameView、MCGS等，其中亚控公司开发的组态王是一个非常优秀的软件。4.6.2 组态王程序设计进入组态王的“工程管理器”，新建工程，选择工程所在的路径，添加工程名称和描述，即可建立新工程。双击工程名，进入“工程浏览器”，设置端口，单机“com1”，然后双击新建图标，按照向导，依次选择PLC-S7200-PPI-自定义设备名称PLC1-指定串口为com1-设备地址为2。单击“数据词典”，单击新建，依次设计如下设计变量变量名称变量类型连接设备寄存器开关量报警东西红灯I/O离散PLC1Q0.0勾选东西黄灯I/O离散PLC1Q0.1勾选东西绿灯I/O离散PLC1Q0.2勾选南北红灯I/O离散PLC1Q0.4勾选南北黄灯I/O离散PLC1Q0.5勾选南北绿灯I/O离散PLC1Q0.6勾选启动开关I/O离散PLC1I0.0勾选关闭开关I/O离散PLC1I0.1勾选4.6.3 组态王画面设计单击“画面”，双击“新建”，可打开组态王画面设计界面，单击“T”，在界面上输入“红绿灯运行显示”，选中后，在工具栏选择颜色和修改字体工具，可修改字体的大小、类型和颜色。单击工具栏中的“折线”工具，可绘制线段，单击工具栏中的图库，选择“指示灯”，双击图标后，在界面内即可得到图形，调整大小使图形美观，得到如下图形：4.6.4 画面连接双击图标，设置报警色为相应的颜色（红色为红色），正常色为淡色，单击“？”将相应的灯设置为相应的变量名称。4.6.5 组态王模拟监控进入“VIEW”界面，课观察到相应画面第五章 电机正反转控制5.1 学习目标1.学会用PLC来解决实际问题的思路。2.掌握定时器的格式及编程方法。3.学会用互锁和自锁电路为基础构成各输出电路。4.熟悉PLC装置，CTSC-200系列可编程控制器的外部接线方法。5.2 设计要求1. 两相步进电动机有2个绕组：AB正转顺序：AB 反转顺序：BA2. 用五个开关控制其工作：1好开关控制其运行（启/停）2好开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.5秒）3号开关控制其中速运行（转过一个步距角需0.1秒）4号开关控制其高速运行（转过一个步距角需0.03秒）5号开关控制其转向（ON为正传，OFF为反转）5.3 所需的设备1. CTSC-200 PLC 1台2编程电缆 1根3连接导线 若干5.4 步进电机的接法 5.4.1 串联接法串联接法比较简单，也容易理解。分别把4相绕组相邻的两相串接起来即可，共有两种接法。绕组的接法如图1和图2所示。图1. 2相8线电机绕组的串联接法1（错误接法）图2. 2相8线电机绕组的串联接法2（正确接法） 根据接法1和接法2分别接好电路后，发现按照接法1连接后，转子不动；只有按照接法2连接，电机才能正常转动。接法2对应的DB15连接器接法如图3所示。图3. 2相8线步进电机串联接法对应的连接器5.4.2 并连接法并联接法稍复杂些，需将四相绕组相邻的两相分别并接在一起，共有两种接法。绕组的接法如图4和图5所示。图4. 2相8线电机绕组的并联接法1（错误接法）图5. 2相8线电机绕组的并联接法2（正确接法）根据接法1和接法2分别接好电路后，发现按照接法1连接后，转子不动；只有按照接法2连接，电机才能正常转动。对应的DB15连接器接法如图6所示。图6. 2相8线步进电机并联接法对应的连接器5.4.3 分析及总结图7所示为SMD2001步进电机驱动器2相8线步进电机的接线图。从图中可以看出，驱动器给步进电机发送脉冲的顺序为Phase 1 -> Return 1 -> Return 2 -> Phase 2 -> Phase 3 -> Return 3 -> Return 4 -> Phase4，因而，只有图2和图5所对应的接法正确。图7. SMD2001驱动器与2相8线电机连接的接线图串联连接的电机，由于每一相绕组电阻增大，电流较小，一般将驱动器的电流设定为电机相电流的0.7倍，这种接法的电机发热量小，低频力矩较大；并联连接的电机，电感较小，一般将驱动器的电流设定为电机相电流的1.4倍，所以启动、停止速度较快，高频力矩有所增大，但电机发热量大。但是步进电机有点温度是正常的，只要低于电机的消磁温度就行，一般步进电机的消磁温度在105度左右。5.5 设计接线图根据1/0分配表,连接系统接线图 当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态(脱机状态)。在有些自动化设备中，假如在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴(手动方式)，就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。5.6 设计程序 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。 根据系统的控制要求及PLC的1/0分配表，并设计合适的程序。梯形图结论 本次课程设计的写作是在老师的指导下进行的。针对在写作过程中遇到许多的难题老师都给以认真的解释，为此，向老师表示最衷心的谢意。通过这次课程设计使我对PLC有了更为系统的了解和认识，PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器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、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。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。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。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流这次课设中我们做了抢答器、交通灯、步进电动机正反转控制，在这次课设中我们主要是学习软件的应用，我们完成的是程序的设计，我们组五个人在一起讨论，不断的修改，最终完成了各个应用程序的设计，在功能实现的一刹那我们的心情是无比的激动。这些贴近生活的应用让我们看到了我们学到的知识在现实生活中的应用，让我们看到我们所学的知识具有很大的现实意义，也是我们对以后的学习更有信心和热情。在课设过程中，我们也遇到了很多的问题，比如有些知识在学习的过程中掌握的不够，这就需要我们再巩固以前学的知识，还有些知识在学习的过程中并没有接触到，这是对我们更大的考验，我们需要查各种资料，自己反复的看才能悟出其中的奥妙，对于工科的我们有些东西不管怎么看还是不理解，在这方面老师给了我们很大的帮助，在这里再次谢谢老师。在这三周的实习过程中真的学到不少知识，尤其是自己查找资料的习惯，相信这在以后的工作学习中会有很大的帮助。参考文献著录1范永胜，电气控制与PLC应用.第二版.中国电力出版社，2007。2 张万忠等.电器与PLC控制技术.化学工业出版社,2002。3 路林吉.PLC应用开发技术与工程实践.人民邮电出版社,1999.5。4王永华. 现代电器控制及PLC应用技术. 第二版. 北京航空航天大学出版社，2008.2。28