基于PLC简易自动响铃装置的研究与设计.doc

毕 业 设 计 论 文论文题目：基于PLC简易自动响铃装置的研究与设计 专 业: 供用电技术(企业供电) 班 级: 企业供电3084班 学生姓名: 尚伟 学 号: 080040409 指导教师: 080040409 开题日期： 2011年3 月 1 日 完成日期： 2011年 4 月20日吉 林 铁 道 职 业 技 术 学 院毕业设计（论文）成绩评议专业供用电技术班级企业供电3084班姓名尚伟学号080040409题目基于PLC简易自动响铃装置的研究与设计指导教师评阅意见成绩评定： 指导教师： 2010年 月 日评阅教师意见 评阅教师：年 月 日答辩小组意见答辩小组负责人： 年 月 日毕业设计（论文）任务书毕业论文题目：基于PLC简易自动响铃装置的研究与设计一、毕业设计（论文）内容本论文阐述了PLC的应用与特点,根据其原理设置简易自动响铃装置的电路设计.二、基本要求1.认真搜查实时资料；2.论文中心思想明确、结构完整；3.资料详实、可靠、内容丰富；4.论据充分合理、论证清楚；5.要求独立完成、杜绝抄袭。三、重点研究的问题1. 可编程逻辑器件的应用与特点2. 简易自动响铃装置的电路设计四、主要技术指标五、其他需要说明的问题下达任务日期：2011年3月1 日 要求完成日期：2011年4月20日指导教师: 张辉中文摘要 简易自动响铃装置是生活中常见的报警装置，报警装置在生产和生活中是随处可见的，它虽然并不复杂，但是在日常的生产生活中起着十分重要的作用，比如一些容易发生危险的地方，人多的场合，如果将要发生危险，报警装置可以提前通知人们，达到防患于未然，在小的方面应用也很多，在这就不一一列举，以前报警装置一模拟电路为主，但由可编程器件构成的电路现在明显比模拟电路优点多，可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。所以可编程逻辑器件现在是主流！关键词：响铃 可编程器件 目 录第一章 绪论第一节 可编程逻辑器件的简介1第二节 可编程逻辑器件的应用与特点1第三节 可编程逻辑器件的几大生产厂家5第二章 整体方案的选择第一节 产品现状分析7第二节 方案选择7第三节 PLC与单片机系统做比较7第三章 电路设计第一节 所用控制单元9第二节 I/O分配12第三节 梯形图设计13第四节 运行过程分析13第五节 源程序15第六节 电路安装调试16总结17参考文献18附录19基于PLC简易自动响铃装置的研究与设计第一章 绪论第一节可编程逻辑器件的简介可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。第二节 可编程逻辑器件的应用与特点可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）曾先后于1982.11；1985.1和1987.2发布了可编程序控制器标准草案的第一，二，三稿。在第三稿中，对PLC作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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的外围设备，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。一.定义强调了PLC：1 数字运算操作的电子系统也是一种计算机2 专为在工业环境下应用而设计3 面向用户指令编程方便4 逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作5 数字量或模拟量输入输出控制6 易与控制系统联成一体7 易于扩充二.PLC特点:(1)可靠性高，抗干扰能力强工业生产一般对控制设备要求很高，应具有很强的抗干扰能力和高的可靠性，能在恶劣的环境中可靠地工作，平均故障间隔时间长，故障修复时间短。这是PLC控制优于微机控制的一大特点。例如日本的三菱公司F1、F2系列平均故障间隔时间长达30万h，而A系列的可靠性比F1、F2系列更高。在PLC设计中，可以从硬件和软件两方面采取措施，防止以上故障的发生，以提高其可靠性。主要措施有：硬件措施：屏蔽:对电源变压器、CPU编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。滤波:对供电系统及输入/输出线路采用多种形式的滤波，如LC式型滤波网络，以消除高频干扰和削弱各种模块之间的相互影响。电源的调整与保护:对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压影响。隔离:在微处理器与输入/输出电路之间，采用光电隔离，有效地隔离输入/输出间电的联系，减少故障和误动作的可能。联锁:所有输出模块都受开门信号控制，而这个信号只在规定的各种条件都满足时才有效，这样就有效地防止了产生不正常输出的可能性。采用模块式结构:这种结构有助于故障情况下短时修复。设置环境检测和诊断电路:这种分电路与软件配合，可以实现灵活保护与故障指示等功能。软件措施：故障检测:软件定期地检测外界环境，对诸如掉电、强干扰信号等情况能及时进行处理。信息保护和恢复:对偶发性故障只要故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息，一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的工作。设置了警戒时钟WDT:如果程序每循环执行时间超过了WDT规定时间，预示了程序进入死循环，立即报警。加强对程序的检查和检验:一旦程序有错，立即报警并停止执行。对程序及动态数据进行电池后备:停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会因此而丢失。这样，PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高。例如美国通用电气公司制成的PC控制模块平均无故障率可达1千万小时之多，组成系统后的平均无故障率可达4至5千万小时。（2）编程简单，使用方便这是PLC优于微机的另一个特点。目前大多数PLC采用继电控制形式的“梯形图编程方式”，即有传统控制线路的清晰直观，又适合电气技术人员的读图习惯和微机应用水平，易于接受，与常用的汇编语言相比，更受欢迎。这了进一步简化编程，当今的PLC还针对具体问题设计了诸如步进梯形指令、功能指令等。PLC是为车间操作人员而设计的，一般只要很短时间的训练即能学会使用。而微电脑控制系统则要求具有一定知识的人员操作。当然，PLC的功能开发，需要有软件专家的帮助。（3）控制程序可变，具有很好的柔性在生产工艺流程改变或生产线设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只要改变程序就可以满足要求。所以PLC取代继电器控制，而且具有继电器所不具备的无可比拟的优点。因此PLC除应用于单机控制外，在柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS），以至工厂自动化（FA）中也被大量采用。（4）功能完善现代PLC具有数字和模拟量输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录和显示功能，使用设备水平大提高。（5）扩充方便，组合灵活PLC产品具有各种扩充单元，可以方便地适应不同工业控制需要的不同输入输出点及不同输入输出方式的系统。（6）减少了控制系统设计及施工的工作量由于PLC采用软件编程来达到控制功能，而不同于继电器控制采用接线来达到控制功能，同时PLC又能率先进行模拟调试，并且操作化功能和监视化功能很强，这些都减少了许多的工作量。（7）体积小、重量轻，是“机电一体化”特有的产品一台收录机大小的PLC具有相当于1.8m高的继电器控制柜的功能，一般节电50以上。由于PLC是工业控制的专用计算机，其结构紧密、坚固、体积小巧，并由于具备很强的抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现“机电一体化”较理想的控制设备。由于PLC具备了以上特点，它把微计算机技术与继电器控制技术很好地融合在一起，最新发展的PLC产品，还把直接数字控制（DDC）技术加进去，并具有监控计算机联网的功能。因而它的应用几乎覆盖了所有的工业企业，既能改造传统机械产品成为机电一体化的新一代产品，又适用于生产过程控制，实现工业生产的优质、高产、节能与降低成本。总之，PLC技术代表了当前电气控制的世界先进水平，PLC与数控技术和工业机器人已成为机械工业自动化的三大支柱。第三节.可编程逻辑器件的几大生产厂家德国西门子公司：它有SS系列的产品。有SS95U、100U、115U、135U及155U。135U、155U为大型机，控制点数可达6000多点，模拟量可达300多路。最近还推出S7系列机，有S7-200（小型）、S7-300（中型）及S7-400机（大型）。性能比S5大有提高。 本OMRON公司：它有CPM1A型机，P型机，H型机，CQM1、CVM、CV型机，Ha型、F型机等，大、中、小、微均有，特别在中、小、微方面更具特长，在中国及世界市场，都占有相当的份额。 美国GE公司、日本FANAC合资的GEFANAC的9070机也是很吸引人的。据介绍。它具有25个特点。诸如，用软设定代硬设定，结构化编程，多种编程语言，等等。它有914、781782、771772、731732等多种型号。另外，还有中型机9030系列，其型号有344、331、323、321多种；还有9020系列小型机，型号为211。美国莫迪康公司(施奈德)的984机也是很有名的。其中E984785可安31个远程站点，总控制规模可达63535点。小的为紧凑型的，如984-120，控制点数为256点，在最大与最小之间，共20多个型号。 美国AB（AlienBradley）公司创建于1903年，在世界各地有20多个附属机构，10多个生产基地。可编程控制器也是它的重要产品。它的PLC5系列是很有名的，其下有PLC5/10，PLC5/11，PLC5/250多种型号。另外，它也有微型PLC，SLC500即为其中一种。有三种配置，20、30及40I/O配置选择，I/O点数分别为12/8、18/12及24/16三种。 日本三菱公司的PLC也是较早推到我国来的。其小型机FI前期在国内用得很多，后又推出FXZ机，性能有很大提高。它的中、大型机为A系列。AIS、AZC、A3A等。 日本日立公司也生产PLC，其E系列为箱体式的。基本箱体有E-20、E-28、E40、E64。其I/O点数分别为12/8、16/12、24/16及40/24。另外，还有扩展箱体，规格与主箱体相同其EM系列为模块式的，可在16160之间组合。 日本东芝公司也生产PLC，其EX小型机及EXPLUS小型机在国内也用得很多。它的编程语言是梯形图，其专用的编程器用梯形图语言编程。另外，还有EX100系列模块式PLC，点数较多，也是用梯形图语言编程。 日本松下公司也生产PLC。FPI系列为小型机，结构也是箱体式的，尺寸紧凑。FP3为模块式的，控制规模也较大，工作速度也很快，执行基本指令仅0l微秒。 日本富士公司也有PLC。其NB系列为箱体式的，小型机。NS系列为模块式。美国IPM公司的IP1612系列机，由于自带模拟量控制功能，自带通讯口，集成度又非常之高，虽点数不多，仅16入，12出，但性价比还是高的，很适合于系统不大，但又有模拟量需控制的场合。新出的lP3416机，I/O点数扩大到34入、12出，而且还自带一个简易小编程器，性能又有改进。 国内厂家规模多不大。最有影响的算是无锡的华光。、它也生产多种型号与规格的PLC，如SU、SG等，发展也很快，在价格上很有优势。第二章 整体方案的选择第一节 产品现状分析 声光报警系统在现在的生产生活中应用是非常广泛的，其结构大致分为感应端和反应端，感应电路来检测某些要感应的参数，然后把它们转换成声音和光信号来告知人们，比如火灾报警器，当发生火灾时它会告知人们此处有火灾，需要尽快逃离，虽然只是一个报警器，但往往在应用中起很大的作用，来避免一些不必要的损失，本设计是一个噪音报警器，也就是说当外部噪音超过某个标准时它就会自动报警来提醒人们，现在的报警器大都是由模拟电路构成的，其结构比较复杂，电路繁琐，而且容易出故障，成本比较高，可靠性不高，在应用过程中往往达不到监测的目的，而由PLC构成的报警器结构简单实用，反应速度快，能适应很多环境，是现在报警系统的主流。第二节 方案选择根据设计要求，要设计一个简易自动响铃报警系统，所以我选用欧姆龙公司的CPM1A系列的P型机，外部电路是有一个声光报警器和一个声控开关构成，声控开关来触发PLC电路报警，声光报警器由PLC电路触发，形成一个简易的报警系统。其中电路每5分钟会响一次来提示人们它在工作中，为了节约能源，我们还让它每响三次休息10分钟，电路有两个开关来控制它的启动与停止，声控开关来感应噪音的大小，如果超标，不管电路处在什么状态，都将开始报警。第三节.PLC与单片机系统做比较单片计算机是将电子计算机的基本环节,如:CPU(又称中央处理器,主要由运算器,控制器组成),存储器,总线,输入输出接口等,采用集成电路技术集成在一片硅基片上.由于单片计算机体积很小(仅手指般大小),功能强(具有一个简单计算机的功能),因而广泛用于电子设备中作控制器之用.目前,大到导弹火箭国防尖端武器,小至电视机微波炉等现代家用电器,内中都毫无例外地运用单片计算机作为控制器.因此,从控制的观点,我们也常称它为单片控制器. 单片微控制器的工作离不开软件,即固化在存储器中的已设计好的程序.所有带单片微控制器的电子设备,它的工作原理当然与具体设备有关.但它的最基本的原理是一样的,即: (1) 从输入接口接收来自外界的信息存入存储器. 这些信息主要包括二部分:来自诸如温度压力等传感器的信息; 来自人工干预的一些手动信息,如开关按钮等操作. (2) 单片微控制器中的CPU根椐程序对输入的数椐进行高速运算处理. (3) 将运算处理的结果通过输出接口送去控制执行机构,如继电器,电机,灯泡等. 当前这个过程不断重复着,即系统中的微电脑不断监视着各种信息,并及时作出不同的处理使系统正常运行单片机就不用太细说了。最简单的输出/输入构成。如输出用LED，输入用开关。并且能实现最基本的运行条件，如应有供电、时钟附属电路等。而PLC出Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器，是工业控制计算机。采用梯形图、助记符、功能图等编程语言，完成逻辑运算、顺序控制、记数、定时、计算及模拟量处理等功能。具有光电隔离的输入输出端子，可代替大量的定时器、记数器、继电器，具有极高的可靠性。通过各种扩展模块，可增加输入/输出点数，增加模拟量功能如可直接接热电偶等，增加通信功能及特殊通信协议等，具有较高的使用灵活性。最主要的差别：PLC包括操作系统及强电的光电隔离的输入/输出，方便应用并具有极高的可靠性与抗干扰能力、扩展能力及使用方便性，所以PLC在这些方面还是优于单片机，而且成本较低。第三章 电路设计第一节.所用控制单元一.LD指令LD指令是逻辑条件类指令，它的作用是把由操作数指定的触点状态（ON或OFF）送到存储器的一个工作单元中。指令格式：LD XXXX操作数XXXX为继电器号。LD指令在梯形图中的符号：二.LD NOT 指令 LD NOT指令也是逻辑条件类指令，他的作用是把由操作数指定的触点状态（ON或OFF）取反后送到结果寄存器。指令格式：LD NOT XXXX操作数XXXX为继电器号。LD NOT指令可使用的继电器号同LD指令。LD NOT在梯形图中的符号：由此可见，LD NOT 指令的功能是将动断触点接到逻辑母线上。三.AND 指令AND 指令也是逻辑条件类指令。它的作用是把由操作数指定的触点状态与结果寄存器的状态进行逻辑与，其结果再送结果寄存器。指令格式：AND XXXX ，操作数XXXX为继电器号。AND指令在梯形图中的符号：由此可见，AND指令的功能是串联一个动合触点。四.AND NOT 指令AND NOT指令也是逻辑条件类指令。它的作用是把由操作数指定的触点状态取反后与结果寄存器的状态进行逻辑与，其结果再送结果寄存器。指令格式：AND NOT XXXX操作数XXXX为继电器号，可使用的继电器同AND指令。AND NOT指令在梯形图中的符号：由此可见，AND NOT 指令的功能是串联一个动断触点。五.OR指令OR指令也是逻辑条件类指令。它的作用是把由操作数指定的触点状态与结果寄存器的状态进行逻辑或，其结果再送结果寄存器。指令格式：OR XXXX操作数XXXX为继电器号，可使用的继电器同AND指令。OR指令在梯形图中的符号：由此可见，OR指令的功能是并联一个动合触点。六.OR NOT 指令OR NOT 指令也是逻辑条件类指令。它的作用是把由操作数指定的触点状态取反后与结果寄存器的状态进行逻辑或，其结果再送结果寄存器。指令格式：OR NOT XXXXOR NOT在梯形图中的符号：由此可见，OR NOT指令的功能是并联一个动断触点。七.OUT 指令OUT 指令是输出指令，它的作用是把结果寄存器的内容写到由操作数制定的继电器中。指令格式：OUT XXXX操作数XXXX为继电器号。OUT指令在梯形图中的符号：由此可见，OUT指令的功能就是接一个继电器的线圈。一般OUT指令出现在每个阶梯的最右端，该指令将结果寄存器中的内容写道指定的继电器。如输出给输出继电器，则可驱动相应的外部负载。注意：OUT指令后的继电器号，一般不能重复使用，否者可能引起逻辑上的混乱。八.TIM 定时器指令指令格式：TIM XX #XXXX定时器指令要求两个操作数:第一个操作XX为定时器号，范围从00 47.第二个操作是#后XXXX,为定时器的设定值，其范围为0000 9999（十进制，单位0.1s），计时范围为0 999.9s。#表示立即数，如无#，则用XX表示通道号，其意义使用该通道的内容作为定时器的设定值。TIM指令在梯形图中的符号：由此可见，定时器指令就是接一个时间继电器的线圈。C系列P型机中，定时器与计数器总共有48个（00 47），一旦你用TIM指令制定某一个作为定时器，就不能再将其作为计数器使用。TIM定时器为减1定时，即当满足定时工作条件时，启动定时器工作，定时器的当前值每隔0.1秒减1，直到当前值减到0000时，定时器动作，产生条件时，则定时器复位，从当前值返回到设定值。注意：定时器不能直接对外输出，需要时可借助输出继电器。九.CNT 计数器指令指令格式： CNT XX #XXXXCNT 指令在梯形图中的符号：CNT指令也要求两个操作：第一个操作数XX为计数器号，范围从00 47（不能与已使用的定时器或计数器号相同）；第二个操作是#后XXXX，为计数设定值，设定为0 9999，计数范围为0 9999次。#表示立即数，如无#，则用XX表示通道号，其意义是用该通道的内容作为计数器的设定值。由此可见，CNT指令就是接入一个计数器的线圈。在计数器中，CP端为计数输入端。CP端每次由OFF到ON时，该计数器的当前值减一，当计数器的当前值减到0000时，计数器动作。R端为复位输入端，当R端由OFF到ON时，计数器的计数值由当前值复位为设定值。若CP与R信号同时出现，复位优先。计数器还有一个特点，当电源停电时，其计数值保存在存储器中不丢失，电源恢复送电时，若满足计数条件，则在停电前的计数值基础上继续计数。这一点和定时器不同，定时器在电源停电时被复位，在恢复送电后，若满足定时器工作条件，则定时器重新开始定时工作。第二节.I/O分配0000为电路总开关，当按下0000后，整个电路开始工作。0001为关断开关，按下0001后，除了在异常报警状态下外，电路都将停止工作。0002为异常报警开关，因为此电路为噪音报警电路，所以当外界噪音超标以后，0002就会闭合，整个电路当时无论处于什么状态，都将转为报警状态。TIM00,TIM01,TIM02 为定时器，为电路提供定时开关。CNT03 为计数器，在本设计中其设定值为3.0010，0020 为辅助继电器，提供辅助触点。0500 为输出继电器，用来控制报警灯和铃，本设计中报警灯和铃是并联的第三节.梯形图设计 第四节.运行过程分析一.当按下开关0000时，辅助继电器0010开始工作，其常闭触点断开，常开触点闭合，此时0010自锁，而且TIM00得电开始计时，其余电路暂时不工作。二.TIM00在工作5分钟后TIM00触点动作，其常闭触点断开，常开触点闭合，继而使TIM02与0500开始工作。TIM02开始计时，同时0500工作，是报警灯亮并且响铃。三.两秒钟后TIM02触点动作，其常闭触点断开，常开触点闭合，继而会使0500和TIM00与电源断开，使其停止工作。四.TIM00被断开后失电，其触点再次动作，其常闭触点闭合，常开触点断开，继而使TIM02断电，TIM02所有触点再次动作，其常闭触点闭合，常开触点断开，计数器CNT03计数一次。五.TIM02断电后，其常闭触点闭合，常开触点断开，使TIM00重新得电工作，TIM00重新计时，电路完成一个局部循环。六.上述循环每进行一次都会使TIM02触点断开闭合一次，每一次都会使CNT03计数，因为CNT03的设定值为3，所以当上述循环进行3次后CNT03的触点将会动作。七.计数器CNT03触点动作后，其常闭触点断开，常开触点闭合，辅助继电器0010被断开，其常闭触点闭合，常开触点断开，而辅助继电器0020此时得电工作并自锁，同时CNT03被复位。八.辅助继电器0020工作后，其触点动作，其常闭触点断开，常开触点闭合，使TIM01开始工作，此时其余电路暂时不工作。九.TIM01在工作5分钟后其触点动作，其常闭触点断开，常开触点闭合，使辅助继电器0020停止工作，辅助继电器0010重新得电工作，整个电路又回到初始状态，完成整个循环。十.当外界噪音超标后，开关0002动作，此时无论电路处于什么状态，0500都会得电使报警灯亮，并且响铃。经过以上分析可知：电路正常工作时，每五分钟响铃一次，时常为2秒，循环3次后电路停止工作5分钟，然后电路重新开始工作，当电路再次响铃时和上轮刚好相差10分钟，满足设计要求。第五节.源程序LD0000OR0010ORTIM01AND NOTCNT00OUT0010LDCNT03OR0020AND NOT0001AND NOTTIM01OUT0020LD0010AND NOTtim02TIM0000#3000LD0020TIM020020LDTIM02LDCNT03CNT03#0003LDTIM00AND NOTTIM02OR0002OUT0500第六节.电路安装调试本电路为简易响铃报警电路，相对简单一些，电路主要调试的参数有声开关感应值，响铃电路，安装好后如发现问题，应当从梯形图上逐步分析。再与电路对