基于PLC的单机实验装置的设计毕业论文.doc

基于 PLC 单机实验装置的设计 I 摘要 本课题是基于PLC的单机实验装置的设计。为了满足教学和研究的需要, 针对当前 PLC实验箱的不足, 设计了一种基于三菱FX系列PLC 的单机实验装置. 运用区域化、 模块化的设计方法,设计一款简单低成本的实验装置用于学生实验。文中介绍了该实验 装置的硬件结构、软件结构，以及它的特点和功能, 并对实验进行仿真。 该实验平台 对提高学生的工程实践能力有积极的作用。本文通过PLC教学实验装置进行多种简单实 验的教学应用，如设计基于PLC实验装置简单的AD转换实验，运料小车控制实验，水塔 水位控制模拟实验，电动机正反转模拟实验,简单交通灯的模拟控制实验，定时器与计 数器的模拟验证实验，传送带的模拟实验等。 关键词实验装置；可编程序逻辑控制器；仿真调试 基于 PLC 单机实验装置的设计 II Abstract: The subject is to design a single experiment device based on PLC. In order to meet the needs of teaching and research, in view of the current shortage of PLC experiment box, the design of a single experiment device Mitsubishi FX series based on PLC. Using the design method, modular regionalization, Design of a single experiment device Mitsubishi FX series based on PLC. This paper introduces the hardware structure, software structure of the experimental device, and its characteristics and functions, and the simulation experiment. The experimental platform has a positive effect on the improvement of students ability in engineering practice. This simple experiment teaching application through PLC teaching experimental device, such as the design of PLC experimental device based on simple AD conversion experiment, Carriage control experiment, water tower control simulation, Simulation experiment of motor positive inversion, Simulation of a simple traffic lights, simulation experiment timer and counter, the simulation experiment of conveyor belt. Key words: The experimental device; plc; Simulation debugging 基于 PLC 单机实验装置的设计 III 目录 第一章 引言 1 1.1 课题的意义、目的 .1 1.2 课题相关技术 .1 1.3 国内外研究现状 1 第二章 实验装置的原理与结构 2 2.1 实验装置的原理 .2 2.2 实验装置的系统框图 .3 2.3 实验装置的电气总接线图 .4 第三章 各模块功能介绍和选型 5 3.1 PLC 主机.5 3.2 输入模块 .11 3.3 AD 模块.13 3.4 其他装置 .16 3.5 输出模块 .19 3.6 其他实验模块 .21 3.7 电源模块 .22 第四章 实验案例 .23 4.1 AD 转换温度检测实验 .23 4.2 运料小车控制实验 .26 4.3 水塔水位控制模拟实验 .27 4.4 电动机正反转模拟实验 .29 4.5 简单交通灯的模拟控制实验 .31 4.6 传送带的模拟实验 .33 基于 PLC 单机实验装置的设计 IV 4.7 定时器与计数器的模拟验证实验 .35 4.8 天塔之光模拟控制实验 .36 第五章 总结和展望 37 结束语 .38 参考文献 .39 附录 基于 PLC 单机实验装置的设计 1 第一章 引言 1.1 课题的意义、目的 PLC 原理及应用是工科院校一门重要的、实践性很强的专业课程，很多工科院 校都建立了 PLC 实验室，用于 PLC 实验教学但由于课时或者实验设备的限制，学生在 学完课程后并不能掌握 PLC 的使用,国内高等学校在教学与实验中普遍存在着与实际工 业控制进程脱节的现象,侧重单机编程练习而忽视应用,使学生局限在初级阶段，难以 适应当今主流工业控制对人才的需求,导致大部分学生走向工作岗位后动手能力差,工 作能力不强,不能胜任自己承担工作的情况，高等学校培养的学生类型与社会需求存在 较大的差距。而通过对 PLC 实验装置的设计可以使大学生在实验中更加清晰的了解和 应用 PLC 功能，而且使实验结果更加直观，一般用于教学的 PLC 在学生输入程序运行 后只能观察 PLC 输出端的二极管灯的明灭分析实验结果，从而降低了学生对实验的兴 趣，学习的效果自然也会下降，所以在大学生即将毕业走进社会前期 ，经过对实验装 置的应用和设计加强了技能的提升，加强自己的实际动手操作能力，从而为将来的进 入职场打下坚实的基础。因此实验装置的建立有效结合了理论和实际，是学习与工作 相结合的发生器、整合机。它的建立提升了学生的实践能力，培养社会所需的实用技 术人才，逐步树立院校的教育品质并且增强院校的可持续发展能力 。 1.2 课题相关技术 可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，本课程设计主要运用与教学 实验的应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其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， 完成多种基本的简单实验。 1.3 国内外研究现状 可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等 高新技术，是近年来发展迅速、应用极广的一类工业装置。自从 70 年代问世以来，已 经引起了工业技术的革命。在发达的工业国家，可编程序控制器已经广泛应用于各行 各业，用可编程序控制器设计自动控制系统已成为世界潮流，在我们国家可编程序控 制器的应用范围也在不断扩大。可编程序控制器教学现已成为工业自动化、应用电子、 基于 PLC 单机实验装置的设计 2 机电一体化等专业的主要课程之一。 可编程序控制器原理及应用这门课程的特点是 可编程序控制器原理部分内容较抽象，应用部分与生产实践紧密结合，实践性教学环 节占有较大的比重。在大多数学校中可编程序控制器课程的实验教学内容主要是可编 程序控制器的编程训练，实验实训时学生按控制要求将可编程序控制器的输入和输出 端子与控制对象连接好，然后输入已编好的程序并调试、运行，观察控制对象的动作 是否与要求的控制规律一致。近年来可编程序控制器实验设备的发展较快，常见的有 下面几种类型： (1)仅仅以可编程序控制器来进行实验教学，而没有控制对象，学生对可编程序控 制器进行编程之后，通过观察输出口的状态来确定程序的运行情况。在这类教学方式 中学生往往只能进行验证性实验，没有条件进行外围设备的连接和控制。 (2)利用原有的电动机等机电设备作为被控对象。学生实验时按控制要求连接好线 路，输入程序并调试运行，观察被控对象的动作是否与控制要求相符。这类实验系统 投资小，建设周期短，缺点是原有的机电设备不能完全适合可编程序控制器实验的要 求， 能开出的实验较少。 (3)专门的可编程序控制器实验系统，在实验柜里装有可编程序控制器主机，同时 用发光二极管模拟被控对象，程序执行后通过发光二极管点亮的情况观察实验现象， 大多数产品都带有上位机的接口电路，可以通过上位机输入程序。目前，国内外可编 程序控制器教学实验系统，大都沿着设置灵活的输入、输出设备及模拟工程对象的方 向发展。我们研制的 PLC 教学模拟控制板装置在此思路上加以完善和改革，在教学与 科研结合、模拟与实际结合、操作的方便性、教学设备的保护及安全可靠性等方面独 具特色，实验内容多种多样，实验现象直观，教学效果理想。 第二章 实验装置的原理与结构 2.1 实验装置的原理 本课题实验装置由输入设备、逻辑控制，保护装置和执行机构四部分组成。输入 设备用于实验系统的信号采集，接收从各类开关、按钮、传感器等输入的模拟信号； 逻辑控制部分实现继电器接触器硬件线路控制或通过 PLC 对输入信号进行逻辑处理, 基于 PLC 单机实验装置的设计 3 转换之后的控制信号用于控制执行机构，驱动接触器、电磁阀、电机和指示灯等执行 机构，保护装置主要用于在实验中对 PLC 的保护。 本实验装置的逻辑控制部分分成两种: 一种是继电器接触器硬线路控制系统, 其逻 辑控制由硬件组成, 一个继电器接触器线路由主电路和控制电路组成, 此部分为控制电 路; 另一种为 PLC 逻辑控制系统, 其逻辑控制由 PLC 编程器来实现. 可以完成电气控 制的多种实验. 2.2 实验装置系统框图 基于 PLC 单机实验装置的设计 4 2.3 实验装置电气接线图 360v X0 Y0 Y1 X1 Y2 Y3 X2 Y4 Y5 X3 Y6 Y7 X4 Y8 Y9 X5 Y10 Y11 X6 Y12 Y13 X7 Y14 COM 电源+ - - 电机 FX2N-2AD COM VIN IIN - 温度变送器 + 基于 PLC 单机实验装置的设计 5 第三章 各模块功能介绍 3.1 PLC 主机 3.1.1 PLC 的基本结构 可编程逻辑控制器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： 一、电源 可编程逻辑控制器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，可编程逻辑控制器的制造商对电源的 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 二、中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)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。 为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双 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。 三、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。 四、输入输出接口电路 基于 PLC 单机实验装置的设计 6 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，作用是可编程逻辑控 制器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，作用可 编程逻辑控制器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。 五、功能模块 如计数、定位等功能模块。 六、通信模块 3.1.2 PLC 的工作原理 当可编程逻辑控制器投入运行后，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，可编程逻辑控制器的 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，可编程逻辑控制器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 映象区中的相应的单元内。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，可编程逻辑控制器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 基于 PLC 单机实验装置的设计 7 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，可编程逻辑控制器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，才是可编程逻辑控制器的真正输出。 3.1.3 PLC 的功能特点 可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。 1.使用方便，编程简单 采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统 开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 2.功能强，性能价格比高 一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实 现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。 PLC 可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。 3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 PLC 产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户 选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC 的安 装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC 有较强的带负载能力，可以直 接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。 硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。 4.可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不 良，容易出现故障。PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入 和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的 1/10-1/100，因触点接触 不良造成的故障大为减少。 PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障 基于 PLC 单机实验装置的设计 8 时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC 已被广大用 户公认为最可靠的工业控制设备之一。 5.系统的设计、安装、调试工作量少 PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数 器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很 容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电 路图的时间要少得多。 PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过 PLC 上 的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过 程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。 6.维修工作量小，维修方便 PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和执 行机构发生故障时，可以根据 PLC 上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故 障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故 3.1.4 PLC 的应用领域 目前，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，使用情况大致可归纳为如下几 类。 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、 顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、 印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度 等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字 量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模 块，使可编程控制器用于模拟量控制。 基于 PLC 单机实验装置的设计 9 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于 开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如 可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产 品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机， PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统 中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能 模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅 炉控制等场合有非常广泛的应用。 数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、数据 转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可 以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送 到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制 的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控 制系统。 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发 展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出 各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 3.1.5 PLC 的输出类型 PLC 数字量输出类型分为：继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出三种类型。 继电器输出 不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负载电流可达 2A/ 点；但继电器输出方式不适用于高频动作的负载，这是由继电器的寿命决 定的。其寿 命随带负载电流的增加而减少，一般在几十万次至几百万次之间，有的公司产品可达 1000 万次以上，响应时间为 10ms。 基于 PLC 单机实验装置的设计 10 晶体管输出 适应于高频动作，响应时间短，一般为 0.2ms 左右，但它只能带 DC 530V 的负 载，最大输出负载电流为 05A/点，但每 4 点不得大于 0.8A。 晶闸管输出 晶闸管（可控硅）带负载能力为 0.2A/点，只能带交流负载，可适应高频动作，响 应时间为 1ms。 3.1.6 PLC 编程器 本装置再用编程器作为实验指令的输入工具，因为它体积小便于携带和操作，功 能简单，易于学习。在一般情况下，编程器是可编程序控制器系统的人机接口，用户 可以利用编程器对可编程序控制器进行程序的输入、编辑、修改和调试。可编程序控 制器可使用的编程器种类大致有：简易编程器、图形编程器和智能编程器，其中简易 编程器是常用的编程设备。 编程器与可编程控制器连接可以通过电缆进行，也可以直接插在 可编程序控制器 面板上方。 基于 PLC 单机实验装置的设计 11 plc 编程器的工作过程 plc 编程器的工作过程一般可分为四个扫描阶段： 1）一般扫描阶段，在此阶段 PLC 复位 WDT，检查 I/O 总线和程序存储器。 2）执行外设命令扫描阶段，在此阶段 PLC 执行编程器、图形编程器等外设输入 的命令。 3）执行用户程序扫描阶段。 4）数据输入/输出扫描阶段。 3.1.7 PLC 的选型 本装置采用三菱 PLC，型号为 FX2N-32MR-001 如上图所示, FX2N-32MR-001 是三 菱 PLC 中 FX1N 系列是一种卡片大小的 PLC，适合在小型环境中进行控制。它有 16 个输入点和 16 个继电器输出，此产品的特点为： 1.系统配置即固定又灵活； 2.编程简单； 3.备有可自由选择，丰富的品种； 4.令人放心的高性能； 5.高速运算； 6.使用于多种特殊用途； 7.外部机器通讯简单化； 8.共同的外部设备。 基于 PLC 单机实验装置的设计 12 3.2 输入模块输入模块 输入模块包括开关，按钮 3.2.1 开关 最简单的开关有二片名叫“触点”的金属，二触点接触时使电流形成回 路，二触点不接触时电流开路。 开关常见类型 延时开关： 是使用电子元件继电器安装于开关之中，延时开关电路的一种开关。延时开关又 分为声控延时开关、光控延时开关、触摸式延时开关等。延时开关的原理就是电磁继 电器的原理，继电器的工作原理是，当继电器线圈通电后，线圈中的铁芯产生强大的 电磁力，吸动衔铁带动簧片，使触点 1、2 断开，1、3 接通。当线圈断电后，弹簧使簧 片复位，使触点 1、2 接通，1、3 断开。我们只要把需要控制的电路接在触点 1、2 间 （1、2 称为常闭触点）或触点 1、3 间（称为常开触点） ，就可以利用继电器达到某种 控制的目的。 轻触开关： 轻触开关，使用时轻轻点按开关按钮就可使开关接通，当松开手时开关即断开， 其内部结构是靠金属弹片受力弹动来实现通断的。如领弈的 IKI 系列轻触开关。 轻触开关由于体积小重量轻在电器方面得到广泛的应用如：影音产品、.数码产品、 遥控器、通讯产品、家用电器、安防产品、玩具、电脑产品、医疗器材、汽车按键等 等。光电开关 光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化 为电流的变化以达到探测目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电 缘绝） ，所以它可以在许多场合得到应用。 接近开关 接近开关又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种 非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲 发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复 定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。 基于 PLC 单机实验装置的设计 13 性能特点： 在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件位移传感器。利用 位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。 当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才 会动作。通常把这个距离叫“检出距离”。不同的接近开关检出距离也不同。 3.2.2 按扭 按钮，是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开控制电路（其中电流很小） ，从而达到控制电动机或其他电气设备运行目的的一种开关。 按钮分为： 1、常开按钮开关触点断开的按钮。 2、常闭按钮开关触点接通的按钮 3、常开常闭按钮开关触点既有接通也有断开的按钮。 4、动作点击按钮鼠标点击按钮。 按钮由按键、动作触头、复位弹簧、按钮盒组成，常见的按钮主要用作急停按钮， 启动按钮，停止按钮，组合按钮，点动按钮，复位按钮。 3.2.3 输入设备的选型 本次实验装置对于输入设备的选型是 3*3 轻触开关，轻触开关结构简单，成本低廉， 质量轻，体积小，完全符合这次设计要求低成本简单的要求。 3.3 AD 模块模块 AD 模块的主要功能在于将模拟信号转换为数字信号，因为 PLC 只能接收和处理 数字信号，比如温度等。把模拟量输入给 PLC 的方法是：采用模拟量输入单元，简称 AD 单元，或 AD 模块。它不仅可以完成从模拟量到数字量的转换，有的还可对信号作 相应处理，如滤波、求平均值、保持峰值、按比例转换等。 AD 模块由滤波、AD 转换器、光耦合和缓冲内存等组成。它可以处理电压信号或 电流信号。 一个 AD 单元一般只有一个 A/D 转换器，但可以通过多路选择器的依次切换，实 现多路模拟输入信号的处理。转换后的数字量数据，经过光耦合器转存到自身的内存 中。在 PLC I/O 刷新时，通过 PLC 的 I/O 总线接口，把该数据读入到 PLC 内部继电器。 基于 PLC 单机实验装置的设计 14 A/D 接口的型号 通用模拟量模块：FX2N-2AD、 FX2N-4AD 、FX2N-8AD、 FX2N-2DA、 FX2N-4DA 特殊模拟量模块： FX2N-4AD PT、 FX2N-4AD TC 等 AD 模块的选型 三菱 FX2N-2AD 是三菱 FX2N 系列 PLC 中的一款模拟量的特殊功能模块， FX2N- 2AD 型模拟输入模块用于将 2 点模拟输入（电压输入和电流输入）转换成 12 位的数字 值，并将这个值输入到可编程控制器中。 FX2N-2AD 二路模拟量输入模块 1、模块简介 FX2N-2AD 型模拟输入模块（以后称之为 FX2N-2AD）用于将 2 点模拟输入（电 压输入和电流输入）转换成 12 位的数字值，并将这个值输入到可编程控制器中。 FX2N-2AD 可连接到 FX0N、FX2N 和 FX2NC 系列的可编程控制器。 1）根据接线方法，模拟输入可在电压输入或电流输入中进行选择。 此时，假定设置为两通道公用模拟输入（电压输入和电流输入） 。 2）两个模拟输入通道可接受的输入为 0 到 10V DC、0 到 5V DC 或 4 到 20MA。 使输入特性与两通道相容。 3）模拟到数字的转换特性可以调节。 4）此模块占用 8 个 I/O 点，它们可被分配为输入或输出。 所以本次实验装置对于 AD 模块的选型为 FX2N-2AD 2.FX2N-2AD 模块的外部接线 基于 PLC 单机实验装置的设计 15 PLC 与 FX2N-2AD 模拟量输入模块用扩展电缆连接；而模拟输入信号采用双绞屏 蔽电缆连接到 FX2N-2AD，当是电压信号输入时，为避免波动和噪声，在电压信号输 入 VIN 端和 COM 端接一个电容当是电流信号输入时，将端子 VIN 和 IIN 短接。 FX2N-2AD 两个输入通道使用相同的偏置值和增益值。两个通道要么都是电压输入， 要么都是电流输入，不能一个为电压，一个为电流输入。工作在直流 24V 电源电压， 消耗 FX2N 主单元或扩展单元 5V 电源槽 20mA，且占用 PLC 8 个 I/O 点，可以被分配 占用输入或输出的点数。 3.AD 模块的读写指令 图中的 FROM 是 FX 系列的读特殊功能模块指令，TO 是写特殊功能模块指令。ml 为特殊工能模块的编号，ml=07；m2 为该特殊功能模块中缓冲寄存器(BFM)的编号， m2=032767；n 是待传送数据的字数，n=l32（16 位操作）或 l16（32 位操作） 。 当图中 X0 为 ON 时，将编号为 m1 的特殊功能模块内编号为 m2 开始的 n 个缓冲 寄存器的数据读入 PLC，并存入D开始的 n 个数据寄存器中。当 X1 为 ON 时，将 基于 PLC 单机实验装置的设计 16 PLC 基本单元中从S指定的元件开始的 n 个字的数据写到编号为 m1 的特殊功能模块 中编号为 m2 开始的 n 个缓冲寄存器中。 通道选择梯形图： 3.4 其他装置其他装置 3.4.1 控制装置控制装置继电器继电器 本设计再用的继电器为中间继电器，选用的型号为 RXM2AB1BD,两个触点，额定 电流 12A，24V 直流供电。 在电机正反转实验中采用的热继电器，型号为 JRS-20/Z。 基于 PLC 单机实验装置的设计 17 中间继电器的特点： 继电器采用线圈电压较低的多个优质密封小型继电器组合而成，防潮、防尘、不 断线，可靠性高，克服了电磁型中间继电器导线过细易断线的缺点；功耗小，温升低， 不需外附大功率电阻，可任意安装及接线方便；继电器触点容量大，工作寿命长；继 电器动作后有发光管指示，便于现场观察；延时只需用面板上的拨码开关整定，延时 精度高，延时范围可在 0.02-5.00S 任意整定。 中间继电器的用途： 中间继电器用于各种保护和自动控制线路中，以增加保护和控制回路的触点数量 和触点容量。 中间继电器原理 线圈通电，动铁芯在电磁力作用下动作吸合，带动动触点动作，使常闭触点分开， 常开触点闭合；线圈断电，动铁芯在弹簧的作用下带动动触点复位，继电器的工作原 理是当某一输入量(如电压、电流、温度、速度、压力等)达到预定数值时，使它动作， 以改变控制电路的工作状态，从而实现既定的控制或保护的目的。在此过程中，继电 器主要起了传递信号的作用 。 中间继电器的作用 一般的电路常分成主电路和控制电路两部分，继电器主要用于控制电路，接触器 主要用于主电路；通过继电器可实现用一路控制信号控制另一路或几路信号的功能， 完成启动、停止、联动等控制，主要控制对象是接触器；接触器的触头比较大，承载 能力强，通过它来实现弱电到强电的控制，控制对象是电器。 基于 PLC 单机实验装置的设计 18 1.代替小型接触器 中间继电器的触点具有一定的带负荷能力，当负载容量比较小时，可以用来替代 小型接触器使用，比如电动卷闸门和一些小家电的控制。这样的优点是不仅可以起到 控制的目的，而且可以节省空间，使电器的控制部分做得比较精致。 2增加接点数量 这是中间继电器最常见的用法，例如，在电路控制系统中一个接触器的接点需要 控制多个接触器或其他元件时而是在线路中增加一个中间继电器。 3增加接点容量 我们知道，中间继电器的接点容量虽然不是很大，但也具有一定的带负载能力， 同时其驱动所需要的电流又很小，因此可以用中间继电器来扩大接点容量。比如一般 不能直接用感应开关、三极管的输出去控制负载比较大的电器元件。而是在控制线路 中使用中间继电器，通过中间继电器来控制其他负载，达到扩大控制容量的目的。 4转换接点类型 在工业控制线路中，常常会出现这样的情况，控制要求需要使用接触器的常闭接 点才能达到控制目的，但是接触器本身所带的常闭接点已经用完，无法完成控制任务。 这时可以将一个中间继电器与原来的接触器线圈并联，用中间继电器的常闭接点去控 制相应的元件，转换一下接点类型，达到所需要的控制目的。 5用作开关 在一些控制线路中，一些电器元件的通断常常使用中间继电器，用其接点的开闭 来控制，例如如彩电或显示器中常见的自动消磁电路，三极管控制中间继电器的通断， 从而达到控制消磁线圈通断的作用。 3.4.2 接触器接触器 接触器的工作原理是：当接触器线圈通电后，线圈电流会产生磁场， 产生的磁场使静铁心产生电磁吸力吸引动铁心，并带动交流接触器点动作，常闭触点 断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹 簧的作用下释放，使触点复原，常开触点断开，常闭触点闭合。直流接触器的工作原 理跟温度开关的原理有点相似。 按主触点连接回路的形式分为：直流接触器、交流接触器。 交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来导通控制回路。 基于 PLC 单机实验装置的设计 19 主接点一般是常开接点，而辅助接点常有两对常开接点和常闭接点，小型的接触 器也经常作为中间继电器配合主电路使用。 交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。 交流接触器动作的动力源于交流通过带铁芯线圈产生的磁场，电磁铁芯由两个 山字形的幼硅钢片叠成，其中一个固定铁芯，套有线圈，工作电压可多种选择。 为了使磁力稳定，铁芯的吸合面加上短路环。交流接触器在失电后，依靠弹簧复位。 另一半是活动铁芯，构造和固定铁芯一样，用以带动主接点和辅助接点的闭合断 开。 20 安培以上的接触器加有灭弧罩，利用电路断开时产生的电磁力，快速拉断电弧， 保护接点。 接触器具可高频率操作，做为电源开启与切断控制时最高操作频率可达每小时 1200 次。 接触器的使用寿命很高，机械寿命通常为数百万次至一千万次，电寿命一般则为 数十万次至数百万次。 3.4.3 保护装置保护装置熔断器熔断器 熔断器是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一 种电器。熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化， 从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配 电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保 护器件之一。 工作原理：利用金属导体作为熔体串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时， 因其自身发热而熔断，从而分断电路的一种电器。熔断器结构简单，使用方便，广泛 用于电力系统、各种电工设备和家用电器中作为保护器件。 常见种类： 插入式熔断器：它常用于 380V 及以下电压等级的线路末端，作为配电支线或电气 设备的短路保护用。 螺旋式熔断器：熔体上的上端盖有一熔断指示器，一旦熔体熔断，指示器马上弹 基于 PLC 单机实验装置的设计 20 出，可透过瓷帽上的玻璃孔观察到，它常用于机床电气控制设备中。螺旋式熔断器。 分断电流较大，可用于电压等级 500V 及其以下、电流等级 200A 以下的电路中，作短 路保护。 封闭式熔断器：封闭式熔断器分有填料熔断器和无填料熔断器两种，如图 3 和图 4 所示。有填料熔断器一般用方形瓷管，内装石英砂及熔体，分断能力强，用于电压等 级 500V 以下、电流等级 1KA 以下的电路中。无填料密闭式熔断器将熔体装入密闭式 圆筒中，分断能力稍小，用于 500V 以下，600A 以下电力网或配电设备中。 快速熔断器：快速熔断器主要用于半导体整流元件或 整流装置的短路保护。由于半导体元件的过载能力很低。只能在极短时间内承受较大 的过载电流，因此要求短路保护具有快速熔断的能力。快速熔断器的结构和有填料封 闭式熔断器基本相同，但熔体材料和形状不同，它是以银片冲制的有 V 形深槽的变截 面熔体。 自复熔断器：采用金属钠作熔体，在常温下具有高电导率。当电路发生短路故障 时，短路电流产生高温使钠迅速汽化，汽态钠呈现高阻态，从而限制了短路电流。当 短路电流消失后，温度下降，金属钠恢复原来的良好导电性能。自复熔断器只能限制 短路电流，不能真正分断电路。其优点是不必更换熔体，能重复使用。 3.5 输出模块输出模块 本设计采用 FX2N-32MR-001，即为继电器输出类型。继电器输出电路，这是 PLC 输出电路常见的一种形式，其电路形式如下图所示。该种输出电路形式外接电源既可 以是直流，也可以是交流。 PLC 继电器输出电路形式允许负载一般是 AC250V/50V 以 下，负载电流可达 2A，容量可达 80100VA（电压电流） ，因此，PLC 的输出一般 不宜直接驱动大电流负载（一般通过一个小负载来驱动大负载，如 PLC 的输出可以接 一个电流比较小的中间继电器，再由中间继电器触点驱动大负载，如接触器线圈等） 。 PLC 继电器输出电路的形式继电器触点的使用寿命也有限制（一般数十万次左右，根 据负载而定，如连接感性负载时的寿命要小于阻性负载） 。此外，继电器输出的响应时 间也比较慢（10ms）左右，因此，在要求快速响应的场合不适合使用此种类型的电路 输出形式（可以根据场合使用下面介绍的两种输出形式） 。当连接感性负载时，为了延 长继电器触点的使用寿命，对于外接直流电源时的情况，通常应在负载两端加过电压 基于 PLC 单机实验装置的设计 21 抑制二极管（如上图中并在外接继电器线圈上的二极管） ；对于交流负载，应在负载两 端加 RC 抑制器。 继电器输出 3.6 其他实验模块其他实验模块 实验模块包括实验板，实验模拟灯泡，电阻等。 实验模拟灯泡的选用的型号为：2.5V/0.3A 小灯泡，直径 1cm。 选用的电阻为：71.5R 实验模块中包含许多模拟实验，如运料小车控制实验，水塔水位控制模拟实验， 电动机正反转模拟实验, 简单交通灯的模拟控制实验，定时器与计数器的模拟验证实验， 传送带的模拟实验，循环彩灯模拟控制实验。以上实验都可通过发光灯泡实现模拟实 验，设计的实验装置的特点在于各个模块和整个实验装置虽然密切相关，但又是相对 独立的个体，如需要做什么实验只需将所要进行的实验模块连接到实验装置的控制端， 这样既可以避免因为 PLC 输出点不足而添加扩展模块，还可以锻炼学生的动手能力， 着手去连接一些简单的接线，增强了实验的目的性，下面简单介绍： 基于 PLC 单机实验装置的设计 22 运料小车控制实验模块： 基本控制要求：如图所示小车可在 A 地开始。小车启动后自动检测 A 地是否有料， 若 A 处有物料，电动机正转，小车自动向 B 地运行。到达 B 地后，停止 20 秒等待卸 料，然后在自动返回 A 地，如此往复。若 A 处物料已空，则小车返回 A 点后停止运行。 小车在运行过程中，模拟实验显示小车的位置和小车运行的方向。 运料小车运行示意图 简单交通灯的模拟控制实验模块： 如图所示，本实验通过 12 个发光二极管模拟交通灯实验，需要一个模块分别安装 四个红灯，四个绿灯，四个黄灯模拟实验。 交通灯模拟图 如上所示，实验结果都可以通过发光灯泡的明灭显示验证结果，虽然这样效果不 基于 PLC 单机实验装置的设计 23 是很直观，但是在经济的基础上，用于教学实验中是足够的。 3.7 电源模块电源模块 电源模块能提供可编程序控制器所需的电源，而且提供实验系统用到的电源。在 生活中电网提供的电压一般是 220V 和 380V 的电压源，但是在控制电路和部分置电路 中选用 24V 直流电压，所以需要对已有电压进行处理，从而得到符合实验要求的电压。 电压的处理包括变压，滤波，整流。过程图如下： 变压器：是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、 次级线圈和铁芯（磁芯） 。变压器在电器设备和无线电路中，变压器常用作升降电压、 匹配阻抗，安全隔离等。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定 线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁 通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压， 电流和阻抗的器件。变压器的最基本形式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电 感方式称合一起。 整流器： 整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流转化为直流的装置。它有 两个主要功能：第一，将交流电变成直流电，经滤波后供给负载，或者供给逆变器； 第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。 滤波器：滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路，一种无源双向网络，它 的一端是电源，另一端是负载。电源滤波器的原理就是一种阻抗适配网络：电源 滤波器输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗适配越大，对电磁干扰的衰减就越有效 。 所以通过以上过程可以得到 24 V 的直流电压。 再电动机正反转实验中，控制系统的主电路采用三相 380V，50HZ 交流电源，三 相四线制供电。本实验用的是型号为（Y4001-4）的三相交流电机 ，所需的电压源是 380V 的三相交流电压，一般实验室都配有这个电源，所以在实验装置上只需要接上相 应的插座即可。 变压整流滤波 220V 交流 电压 20V 直流 电压 基于 PLC 单机实验装置的设计 24 第四章 实验案例 4.14.1 ADAD 转换转换温度检测实验温度检测实验 1. 实验目的 用 PLC 控制 AD 模块进行数模转换实验，熟悉 PLC 编程。 2. 实验设备 （1）主机模块； （2）电源模板； （3）AD 转换实验板 （4）开关、按钮板； （5）连接导线一套。 3. 实验内容 温度检测实验，由温度变送器与主机连接通过温度传感器将温度传到 AD 模块， AD 模块将模拟量转换位数字量，在传到 PLC 主机。其传送过程主要通过 PLC 的指令， 指令的控制部分是接收各种模拟控制信号，并且完成对于各种新号的处理及完成对外 部设备的控制，PLC 与外部设备的连接主要通过 I/O 端口，其功能是接收输入信号， 传出输出信号。 温度试验原理图： 基于 PLC 单机实验装置的设计 25 温度传感器与 PLC 扩展模块的连接： 实验控制要求： 拨动输入端开关 X0，AD 模块将温度变送器的电流值转换为数字信号后传给 FX2N-40MR,由主机运算后，如果温度大于 35 度，点亮 Y0，如果温度大于 45 度，点 亮 Y0，Y1。 I/O 分布表： 输入输入变量名输出输出变量名 X0开始Y0温度大于 35 度 X1 关闭Y1温度大于 45 度 控制流程图： 基于 PLC 单机实验装置的设计 26 4.24.2 运料小车控制实验运料小车控制实验 1.实验目的： 用 PLC 控制灯光闪烁完成运料小车模拟控制实验，熟悉 PLC 编程。 2实验设备 （1）主机模块； （2）电源模板； （3）运料小车实验板，如图所示； （4）开关、按钮板； （5）连接导线一套。 3 控制要求 基本控制要求：如图所示小车可在 A 地开始。小车启动后自动检测 A 地是否有料， 若 A 处有物料，电动机正转，小车自动向 B 地运行。到达 B 地后，停止 20 秒等待卸 料，然后在自动返回 A 地，如此往复。若 A 处物料已空，则小车返回 A 点后停止运行。 小车在运行过程中，模拟实验显示小车的位置和小车运行的方向。 I/O 分布表： 基于 PLC 单机实验装置