必修 可编程控制器原理及应用实验指导书

1、可编程控制器原理及应用实验指导书适用专业： 电气、测控、信息 课程代码： 8401620 总学时: 40 总学分: 2.5 编写单位： 测控技术与仪器系 编 写 人: 郑萍 余建华 审 核 人： 审 批 人： 批准时间: 2011 年 5 月 20 日目 录 实验一 十字路口交通灯(带强通控制)单、双流程控制实验（实验代码1） 2实验二 只彩灯的种追灯花样控制实验（实验代码2） 6实验三 基于MCGS的PLC上位监控系统设计实验（实验代码3） 9实验四 创新性、自创性、综合性实验（实验代码4） 14附录1：实验平台介绍 16附录2：成绩考核办法 17附录3:推荐教材、参考书 18附录4：说明

2、18实验一 十字路口交通灯（带强通控制）单、双流程控制实验 一、 实验目的和任务 1、 通过熟悉编程软件及可编程控制器输入模拟装置的面板上各部分的作用，初步掌握可编程控制器从编程到运行的全过程操作。了解和掌握计数器、定时器的使用方法、STL指令编程方法，并通过十字路口交通灯控制（带强通控制）的程序设计、编辑与运行,熟练掌握基于STL指令的顺序控制程序的设计方法，初步掌握模块化的编程思想，并进一步提高运用多种方法进行程序设计、分析和调试的能力。 2、 完成带强制通行的十字路口交通灯控制程序设计及调试。二、 实验内容1、验证性实验内容1） 十字路口交通灯控制的单流程基本编程设计；2） 十字路口交通

3、灯控制的双流程基本编程设计（并行分支与汇合）； 3） 细心体会和掌握STL指令编制顺序控制程序的方法和优越性。2、设计性实验内容1）设计带强制通行的十字路口交通灯控制;2）总结用STL指令编制顺序控制程序的优越性，单流程和双流程编制的特点，理解编程方法的多样性，优化自己的编程思想。三、 实验仪器、设备及材料 提供三菱FX2N 可编程控制器、模拟板、计算机(见附录1). 四、 实验原理根据十字路口交通灯控制系统结构流程分析I/O信号：输入I信号：启动X5，停止X6；输出O信号：南北绿灯Y0，南北黄灯Y1,南北红灯Y2，东西绿灯Y4，东西黄灯Y5，东西红灯Y6，画出PLC的I/O接线图，根据I/O

4、地址就可以进行编程设计。在设计之前画出控制波形图和状态转移图,在此基础上就可有序地编写梯形图。启动X5南北绿灯Y0南北黄灯Y1南北红灯Y2东西绿灯Y4东西黄灯Y5东西红灯Y610S 5S 3S 2S图1.1 十字路口交通灯波形图1）十字路口交通灯波形如图1.1所示：图1.2 基于PLC控制的十字路口交通灯控制模拟接线图LNGND24VRUNCOMX5X6Y0Y1Y2Y4Y5Y6COM1PLC（FX2-32MR）220VRUN/STOP南北绿灯南北黄灯南北红灯东西绿灯东西黄灯东西红灯2)基于PLC控制的十字路口交通灯控制模拟接线图如图1.2所示： S0M8002C0C1Y6S20Y0T0Y6S2

5、1T1T2Y0C0Y6S22Y1T3X5K5K5T0C0T2K3K20T3启动K50东西红灯南北绿灯闪三次后转 移南北红灯东西红灯南北黄灯南北绿灯T2T1T1T1C0Y4S23T4Y2T4K50东西绿灯Y2S24T5T6Y4C1K5K5C1T6K3南北红灯东西绿灯闪三次后转 移T6T5T5T5Y5S25Y2T7K20T7东西黄灯南北红灯C1东西红灯清 零计数器图1.3单流程状态转移图RSTRSTRSTRSTRST3）十字路口交通灯控制的单流程状态转移图如图1。3所示：C0T2M10M10S0M8002M10X6X5S20S21S22S23S24Y0南北绿灯T0K50T1K5Y0南北绿灯闪C0K

6、3T2K5Y1南北黄灯T3K20Y2南北红灯C0S30Y6东西红灯T4K100S31Y4东西绿灯T5K50S32T6K5S33Y4东西绿灯闪C1K3T7K5S34Y5东西黄灯T8K20C1T0T1T4T5T2T6T3T7C1C0C1T7启动图1.4 双流程的状态转移图RSTRST3）十字路口交通灯控制的双流程状态转移图如图1。4所示：同学们可先选择一种进行基于STL指令的编程练习，对所编的梯形图下载到PLC中进行运行，同时在编程平台上监控运行情况，根据运行情况修改程序,最后实现十字路口交通灯控制的全部功能.五、 主要技术重点、难点STL指令的编程需要注意其特色性,要注意掌握设计和调试方法，需要

7、同学在实验前在提供的仿真平台上做好基本准备。六、 实验步骤先做验证性实验，掌握调试技术，再完成设计性实验。1、验证性实验步骤1） 学习用SFC语言编制用户程序的方法：a） 单流程的程序编制方法，见图1。3；b） 双流程（并行分支与汇合)的程序编制方法，见图1.4;2） 编写图3或图4的梯形图;3） 将编好的程序下载到可编程控制器；4） 运行操作：完成对十字路口交通灯控制的程序调试5） 细心体会和掌握STL指令编制顺序控制程序的方法和优越性.2、设计性实验步骤1)设计带强制通行的十字路口交通灯控制:东西、南北强制通行.要求如下:在正常的十字路口交通灯控制运行时，如果东西强制通行开关接通，则进入强

8、制通行状态.此时东西绿灯常亮,而南北红灯常亮；东西强制通行结束后,东西强制通行开关关闭,恢复正常运行。此时应从南北绿灯亮、东西红灯亮开始循环工作.南北强制通行情况与东西强制通行相似,其运行状态相反.2）硬件设计：在图1。2上添加强制通行开关，并标出其输入地址;3）软件设计:仔细思考，尽可能以优化的方式进行编程设计；4）编程操作：将所设计的梯形图程序下载到可编程控制器；5）运行调试：完成对十字路口交通灯控制程序的调试。七、 实验报告要求1、验证性实验报告要求1） 设计图1.3或图1.4的梯形图；2） 写出调试过程及调试方法。2、设计性实验报告要求1）硬件设计：在图1。2上添加强制通行开关，并标出

9、其输入地址；2）软件设计：仔细思考，尽可能以优化的方式进行设计设计。画出所设计的带强制通行的十字路口交通灯控制梯形图；3）说明编程思想及编程过程；4）说明运行调试步骤及调试过程，如何证明所设计的系统可完成十字路口交通灯的强制通行控制。3、总结与思考总结用STL指令编制顺序控制程序的优越性,单流程和双流程编制的特点，理解编程方法的多样性，优化自己的编程思想。八、 实验注意事项注意输出控制灯的闪烁频率为0。5S。九、 思考题 1、 用STL指令编制顺序控制程序有什麽的优越性？2、 单流程和双流程各自的特点是什么？3、 为什么仿真调试与实际连接PLC调试时情况有所不同？实验二 16彩灯的12种追灯花

10、样控制程序设计 一、实验目的和任务 每条功能指令相当于一个子程序，基本逻辑指令与功能指令的结合运用，使所编程序变化无穷，以适应各种场合。本次实验要求掌握MOV、ZRST、ROR、ROL、SFTL、SFTR等功能指令的用法并能灵活运用之，最终初步了解功能指令在程序设计中的作用，并通过16彩灯的12种追灯花样控制程序的编制，提高程序设计能力，牢固掌握编程方法.二、实验内容1、基本实验内容1)采用功能指令实现16彩灯的12种花样手动切换控制，通过以下控制完成: 彩灯的移位位数控制 彩灯的移位速度控制 彩灯的移位方向控制 彩灯的三种初态控制 2)完成其监控与调试；3）细心体会和掌握各功能指令的用法。2

11、、设计性实验内容1） 要求设计任意三种彩灯追灯花样的自动循环程序设计,既当启动按钮按下后，三种追灯花样的自动循环程序表演，直至停止信号到来;2） 要求用一个按钮实现整个程序的通、断控制,可参考图2。1;M0M0M10M10X1M10M0PLSM10图2.1 按通按断梯形图3） 将设计的任意三种彩灯追灯花样的自动循环程序在可编程控制器上成功演示。三、实验仪器、设备及材料 提供三菱FX2N 可编程控制器、模拟板、计算机（见附录1）。 四、 实验原理根据16彩灯的控制要求分析I/O信号：输入I信号:启动/停止乒乓开关接入X7；X10为左移控制，X11为右移控制，X15 、X16、 X17为每次移动的

12、灯数目选择开关；输出O信号：16彩灯输出Y0Y17首先画出16彩灯的硬件输入、输出接线图，如图2.2所示：220V RUN/STOPLNGND24VRUNCOMX7X10X11X15X16X17Y0Y1 Y7COM1 Y10Y11Y17COM2PLC（FX2-32MR）图2.2 16彩灯接线图画出PLC的I/O接线图后，根据I/O地址进行编程设计。16彩灯的12种花样手动切换控制如图2。3所示：ENDK5M8002Y17Y0X7ZRSTX7K4Y0K1MOV(P)X15X7K4Y0K3MOV(P)X16X7K4Y0HFMOV(P)X17X7T0T0T0K4Y0K1ROLX10X11T0K4Y0

13、K2ROLX10X11T0K4Y0K1RORX10X11T0K4Y0K2RORX10X11图2.3 16彩灯接线图五、 主要技术重点、难点PLC编程的模块化设计和调试.六、 实验步骤先做验证性实验，掌握调试技术，再完成设计性实验。1、基本实验内容与实验步骤1） 16彩灯的硬件输入、输出接线图如图2.2所示；2） 编程操作：图2.3进行编程练习，文件的编辑、转换、拷贝、传送等操作；3） 运行操作:对图2。3编好的序进行运行操作，完成16彩灯的12种花样手动切换控制；4） 监控与调试:将编好的程序传送到可编程控制器中运行，并利用上位机监控该程序的运行，观察可编程控制器的输出指示灯,与监控情况进行比

14、较，观察彩灯花样变化效果。2、设计性实验步骤1） 在16彩灯的12种花样手动切换控制基础上,设计任意三种彩灯追灯花样的自动循环程序设计，首先设计其控制梯形图；2） 要求用一个按钮实现整个程序的通、断控制，可参考图2.1；3） 要求将编好的程序传送到可编程控制器中运行，并利用上位机监控该程序的运行,通过观察可编程控制器的输入输出指示灯，与监控情况进行比较,进行程序的调试练习并逐步修改;4） 设计的任意三种彩灯追灯花样的自动循环程序在可编程控制器上成功演示，特别注意程序的可扩展性。七、 实验报告要求1、基本实验报告要求1)说明如何实现以下控制： 彩灯的移位位数控制 彩灯的移位速度控制 彩灯的移位方

15、向控制 彩灯的三种初态控制2）说明调试过程.2、设计性实验报告要求1）设计性实验要求实现任意三种彩灯追灯花样的自动循环并可采用单按钮进行启停控制，画出所设计项目的硬件PLC输入输出接线图;2）画出所设计项目的控制梯形图;3)说明调试过程.八、 实验注意事项注意程序的可扩展性。九、 思考题 1、16彩灯的追灯花样自动循环控制的程序编制,它和程序控制的彩色喷泉在控制原理上相同吗？2、如何实现程序的模块化和可扩展性？3、体会编程方法的多样性和工程应用的可实现性。 实验三 基于上位机组态软件的综合性设计实验 一、实验目的和任务 了解和掌握上位机组态软件的基本操作与用法,能根据控制项目要求设计合适的监控

16、界面，掌握变量的链接、数据的通信与交换方式,通过对MCGS工控组态软件的应用，要求学生了解计算机技术和网络技术为工业自动化开辟的广阔发展空间、当今工控领域内系统的基本构成以及如何组建优质高效的监控系统，提高学生的实际综合动手能力与工程技术水平。本设计要求学生完成“科技之光灯塔"的彩灯控制系统设计。其内容包括PLC的软硬件设计，上位机的监控程序设计，并构成一个完整的监控系统.三、 实验内容1、系统构成：下位机PLC负责“科技之光灯塔”的16彩灯的运行花样控制；上位机负责灯塔控制系统的监控,上位机监控效果图如图4.1所示。图4.1 科技之光效果图启动停止2、PLC系统设计:1）硬件设计：

17、参照实验二；2）软件编程：参照实验二自行设计出彩灯的花样控制程序，并进行运行与调试工作,直至完全满意为止. 3、使用上位机组态软件MCGS进行上位机的监控组态设计；4、进行上/下位机综合调试，通过监控画面中的启动、停止按钮控制PLC的工作，实现16彩灯的上位监控，构成完整的基于工业组态软件MCGS的综合监控系统。四、 实验仪器、设备及材料 供MCGS组态软件的通用版作为实验平台，提供三菱FX2N 可编程控制器、模拟板、计算机（见附录1）. 五、 实验原理1、 MCGS组态软件功能1）MCGS组态软件的整体结构组态环境：组态生成应用系统运行环境：解释执行组态结果组态结果数据库MCGS 5.1软件

18、系统包括组态环境和运行环境两个部分。MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet。exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为。mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程" 。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun。exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。主控窗口设备窗口用户窗口实时数据库运行策略M

19、CGS工控组态软件菜单设计设置工程属性设定存盘结构添加工程设备连接设备变量注册设备驱动创建动画显示设置报警窗口人机交互界面定义数据变量编写控制流程使用功能构件2）MCGS组态软件五大组成部分如下：3）基于MCGS可完成以下工作：Ø 建立一个新工程Ø 设计画面流程Ø 定义数据变量Ø 进行动画连接Ø 添加模拟设备,使整个画面能模拟运行。详细设计原理请参照昆仑通态公司提供的MCGS初级教程.2、 编制“技之光灯塔”的彩灯PLC控制程序，完成对彩灯的花样变换的自动控制:彩灯的移位位数控制 彩灯的移位速度控制彩灯的移位方向控制3、 通过连接MCGS和PL

20、C，完成整体的监视和控制功能。MCGS组态软件的与外部设备的通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB、VC程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中的各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。 本实验需要利于MCGS中FX2N的驱动程序进行设备的通道连接，使组态软件与PLC相联系。六、 主要技术重点、难点MCGS的动画制作，上位机与PL

21、C的综合调试.七、 实验步骤1、PLC系统设计：a) 硬件设计：画出“科技之光灯塔”彩灯的PLC控制系统硬件电路图；b) 软件编程：自行设计出彩灯的三种以上花样自动循环控制：参照实验二画出梯形图（注意：在PLC端X1为启动按钮，在MCGS中的启动按钮与M1连通，X1M1、在PLC端的停止按钮为X2，在MCGS中的停止按钮与M2连通，X2M2）,在PLC编程平台上进行程序编制；c) 进行程序的下载、运行与调试工作，直至完全满意为止。2） 使用上位机组态软件MCGS进行监控系统的设计a) 自行设计“可技之光灯塔”监控画面组态图（如图4.1所示）；b) 定义数据变量：定义数据变量的内容主要包括：指定

22、数据变量的名称、类型、初始值和数值范围等; 动画连接：将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。在系统运行过程中,图形对象的外观和状态特征,由数据对象的实时采集值驱动,从而实现了图形的动画效果。c) 进行设备组态：选用串口通讯父设备构件完成对串口的基本操作和参数设置，通讯子设备构件选择FX2的驱动程序：d) 通道连接：设置设备内部属性(将M1、M2设为可读写，Y0Y17为只读），进行通道连接（16个彩灯与Y0Y17对应，两个按钮M1、M2对应)： e) 将所建立的工程存盘，并运行该工程:Ø 上位机监视PLC的运行：按下可编程控制器模拟板的启动按

23、钮X1，观看上位机中的监控画面的彩灯变换与PLC是否同步；按下可编程控制器模拟板的启动按钮X2，观察上位机中的监控画面的彩灯是否停止工作；Ø 上位机控制PLC的运行：通过监控画面中的启动、停止按钮控制PLC的工作，观察PLC是否正常工作。八、 实验报告要求1、 画出“技之光灯塔”彩灯的PLC控制系统硬件电路图；2、 给出“技之光灯塔”的彩灯控制系统梯形图并进行设计说明；3、 给出“可技之光灯塔"监控画面组态图；4、 说明其数据变量、动画连接、设备组态与通道连接;5、 说明调试步骤和运行过程；6、 总结与思考。九、 实验注意事项注意实时数据库中的变量定义、动画连接和通道连接。

24、十、 思考题： 1、MSCG是如何与PLC进行通信的？2、动画连接的本质是什么？3、如何设计其他的PLC监控系统？实验四 创新性、自创性、综合性实验 一、实验目的和任务 实验一至实验三为必做实验即基础实验，在完成基础实验后，同学可在下列实验中选择做任意一个2学时的实验.本实验可包括创新实验、综合演示实验与自创性实验,既保证学生对课程内容的核心知识点的掌握，又激发其开拓精神,进行创新性设计;也可通过综合演示实验开阔眼界，为课程设计和毕业设计打下良好的基础。二、实验内容创新实验Ø 基于PLC、变频器的多段速调速系统Ø 基于RS485通信的PLC、变频器无级速调速系统Ø

25、 基于光电编码器测速的全闭环调速系统Ø 基于B/S模式的远程控制系统Ø 基于RS-485通信的PLC对等网络控制系统Ø 基于RS485通信的PLC N:N网络控制系统Ø 基于RS-485通信的PLC 1:N网络控制系统Ø 基于CCLINK现场总线的PLC网络控制系统Ø 机械手控制系统实验Ø 三维运动控制系统实验Ø 定位系统实验综合演示实验：Ø 综合演示实验：基于PLC的物流系统演示实验Ø 综合演示实验:PLC、单片机、LABVIEW控制系统大综合演示实验Ø 综合演示实验:Q系列PLC多

26、层网络控制系统演示实验 自创性实验：鼓励学生自己设计实验(2学时 )。三、实验仪器、设备及材料 实验室的软硬件平台. 四、实验原理选做后自己提出设计方案，说明实验原理并以书面形式交给老师，与老师讨论后在实验室提供的平台上完成，并认真阅读老师提供的相关资料和说明书。综合性演示性实验相对复杂,涉及面广,主要由教师进行演示和进行相关的说明。五、主要技术重点、难点主要在创新点和综合设计上。六、实验步骤自己提出实验步骤并征得老师的认可，然后实施。综合演示性实验主要由教师进行演示和进行相关的说明。七、实验报告要求根据不同的题目具体由老师给出。八、实验注意事项 由于学生可选择的面大，需要注意难度的把握,并保

27、证实验的安全性，因此学生的自创性实验必须得到老师的认可方可实施。九、思考题 1、可编程控制器在工业中为何应用如此广泛?2、可编程控制器如何组网？3、现场总线在可编程控制器控制系统中起什么作用？附录1：可编程控制器实验平台介绍可编程控制器是一门实践性很强的课程，实践环节至关重要.本实验设备选取在我国应用广泛的日本三菱新型 FX2 可编程控制器，旨在让同学们了解和熟悉当前工程中正使用的新技术、新方法，缩短理论教学与工程实践环节的距离。1、实验设备硬件系统组成微机转换器PLCRS-232CRS-422图1.1 实验系统结构图模拟输入装置本实验设备由微机、通讯转换器JH04或SC-08与可编程控制器构

28、成，如图11所示。各部分的作用如下：1） 微机在系统首先作为PLC的编程平台，所有的用户程序在微机上编制完成后下载到PLC中运行；其次微机作为PLC的上位机,对PLC进行运行监控；另外,微机通过组态软件组态后可作为PLC控制系统的监控界面。2） 通讯转换器JH-04或SC08将微机的RS-232C串行通讯口和PLC的RS422串行通讯口进行转换，使PLC与微机相连并可进行相关通信。该通信转换器我们一般称之为编程电缆，也可通过FX系列PLC的通信接口FX-232AW进行连接,但价格昂贵.3） PLC为日本三菱公司的FX2或FX2N系列可编程控制器，我们自行设计了输入模拟板来模拟现场的输入信号.P

29、LC的输出效果可根据其输出指示灯的显示情况进行判别。PLC面板图如图1。2所示。输入 X输入指示灯PLCRS-422输出 Y输入开关输出指示灯电源开关输入模拟装置向上RUN图1.2 PLC面板指示图4）PLC电路连接图如图1。3所示，各元件说明如下：X1X6：按钮开关(不带锁）； X7:按钮开关(带锁）； X0、X10X14：乒乓开关; X15X17：转换开关,三选一；RUN/STOP：可编程控制器的运行停止开关；LNGND24VRUNCOMX1X2X3X4X5X6X0X7X10X11X12X13X14X15X16X17PLC（FX2-32MR）图1.3 PLC模拟装置连接图POWER:可编程

30、控制器的电源开关，PLC的控制电源为220VAC。2、编程软件： 编程软件包可在个人计算机上用梯形图语言和语句表语言对可编程序控制器编程，可将程序存盘、打印，编制文档，通过专用接口与可编程序控制器联接后能与可编程序控制器交换信息，实现联机调试、监控、修改PLC程序.软件包不仅功能强，而且人机界面十分良好，采用菜单驱动,使用方便。在使用过程中随时可得到联机帮助系统提供的详细帮助信息。本实验可提供以下编程软件:MEDOC基于DOC平台；FXGPWIN基于WINDOWS平台;GXDEVELOPER基于WINDOWS平台且带GX-Simulator仿真运行功能。同学们可选用，建议使用GX-DEVELO

31、PER（使用手册可在课程网站下载）.3、上位机组态软件为了方便快捷地组建优质高效的监控系统，出现了多种工业组态软件，用于编辑、组态功能。图形编辑器可以完成所有画面的编辑,并且能够进行几乎所有的动态连接。报表编辑器可以将记录数据按用户定义的格式输出文件、在屏幕上显示或进行打印输出。报警编辑器可以设置标签的位报警和模拟量报警，当标签指定位和模拟量不符合程序设定时，即产生报警提示或强行终止程序运行。将报警信息存储在计算机的报警档案中，或以操作规程的形式建档，以便能够根据报警信息快速、准确地找出事故原因，并及时进行故障处理.目前组态软件的发展迅猛，已经扩展到企业信息管理系统，管理和控制一体化,远程诊断和维护以及在互联网上的一系列的数据整合。MCGS全中文工业自动化控制组态软件是一套32位工控组态软件,可稳定运行于Windows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备.本实验提供该软件的通用版，供同学们进行PLC控制系统的上位机监控练习。4、工作顺序）微机启动，进入PLC的软件编程平台。2)PLC型号的设置3）保存的文件名为：自己姓名的拼音首字母+实验序号+所编的版本号。如王易平，第一个实验