機電一體化課程設計機電0901王益波

1、機電一體化課程設計基于PLC的單按鈕雙路單雙通控制學校名稱： 華中農(nóng)業(yè)大學 設 計 人： 王益波 指導老師： 龍長江 二一三年一月1課題要求要求：使用一個按鈕控制兩盞燈，第一次按下時第一盞燈亮，第二盞燈滅；第一次按下時第一盞燈滅，第二盞燈亮；第三次按下時兩盞燈都亮；第四次按下時兩盞燈都滅。按鈕信號X1，第一盞燈信號Y1，第二盞燈信號Y2.2. PLC的基本概念與基本結構及工作原理2.1.1PLC的的基本概念現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速反應，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，為滿足這一要求，生產(chǎn)設備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具備極高的可靠性和靈活性，可編程控制器（Pro

2、grammable Logic Controller，PLC）正是順應這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎的通用工業(yè)控制裝置。PLC應用面廣、功能強大、使用方便，已經(jīng)廣泛的應用在各種機械設備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中，PLC在其他領域，例如民用和家庭自動化的應用已得到了迅速的發(fā)展。它不僅是單機自動化中應用最廣的控制設備，在大型工業(yè)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中也占有不可動搖的地位，PLC應用程度之廣、普及程度之高，是其他計算機控制設備無法比擬的。國際電工委員會（IEC）對PLC作了如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運

3、算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作指令、并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程，可編程序控制器及其有關設備，都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計”。由以上定義可以看出，PLC是一種用程序里改變控制功能的工業(yè)控制計算機，除了各種各樣的控制功能外，還有與其它計算機通和信聯(lián)網(wǎng)的功能。此實驗是以三菱公司的PLC為基礎而進行實驗的。2.1.2 PLC的基本結構PLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成（見圖1）.PLC的特殊功能模塊用來完成某些特殊的任務。1. CPU模塊CPU主要由微處理器（CPU芯片）和存儲器組成。在PLC控制系統(tǒng)中

4、，CPU模塊相當于認得大腦和心臟，它不斷的采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)輸出；存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)。并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路， 與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，還有外圍芯片、總線接口及有關電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。圖1 PLC結構圖CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令

5、、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。 CPU的運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。 CPU的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。CPU雖然劃分為以上幾個部分，但PLC中的CPU芯片實際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對CPU內(nèi)部的詳細分析已無必要，我們只要弄清它在PLC中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。CPU模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設定或控制開關。一般講，CPU模塊總要有相應的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式PLC的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接I/O模板或底板，有內(nèi)存接口，

6、用于安裝內(nèi)存，有外設口，用于接外部設備，有的還有通訊口，用于進行通訊。CPU模塊上還有許多設定開關，用以對PLC作設定，如設定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。2. I/O模塊輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡稱I/O模塊，他們相當于人的眼、耳、鼻、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場設備和CPU模塊的橋梁。PLC的對外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。3. 編程器編程器是

7、用來生成用戶程序，便用它來編輯、檢查、修改用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入好編輯指令表程序，因此又叫做指令編輯器。它的體積小，價格便宜，一般用來給小型的PLC編程，或者用與現(xiàn)場調(diào)試和維護。4. 電源PLC使用AC 220V電源或DC 24V電源。內(nèi)部的開關電源為各模塊提供不同等級的直流電源。小型的PLC可以為輸入電路和外部的電子傳感器（例如接近開關）提供DC 24V電源，驅(qū)動PLC負載的直流電源一般由用戶提供。5.PLC的通信聯(lián)網(wǎng) PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一

8、的整體，實現(xiàn)分散集中控制?，F(xiàn)在幾乎所有的PLC新產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它和計算機一樣具有RS-232接口，通過雙絞線、同軸電纜或光纜，可以在幾公里甚至幾十公里的范圍內(nèi)交換信息。 當然，PLC之間的通訊網(wǎng)絡是各廠家專用的，PLC與計算機之間的通訊，一些生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標準總線，并向標準通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機型的PLC之間、PLC與計算機之間可以方便地進行通訊與聯(lián)網(wǎng)。了解了PLC的基本結構，我們在購買程控器時就有了一個基本配置的概念，做到既經(jīng)濟又合理，盡可能發(fā)揮PLC所提供的最佳功能。2.2.1 PLC的特點（1）可靠性高，抗干擾強（2）功能強大，性價比高（3）編程簡易，現(xiàn)場可修改（4）配套齊

9、全，使用方便（5）壽命長，體積小，能耗低（6）系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試、維修工作量少，維修方便2.2.2 PLC的應用領域PLC已經(jīng)廣泛地應用到很多工業(yè)部門，隨著其性能價格的不斷提高，PLC的應用范圍不斷擴大，主要由一下幾個方面：（1）數(shù)字量邏輯控制（2）運動控制（3）閉環(huán)過程控制（4）數(shù)據(jù)處理（5）聯(lián)網(wǎng)通信2.3 PLC的工作原理可編程控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖很相似，梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器等等。這種用計算機程序?qū)崿F(xiàn)的“軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中的物理繼電器在功能上也有某些相似之處。繼電器在控制系統(tǒng)中有功

10、率放大、電氣隔離、邏輯運算的作用。PLC有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，PLC通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序不實現(xiàn)控制功能。為了使PLC的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至PLC停機或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，PLC還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，一共有五個階段（見圖2）。PLC的這種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關系來看，處理過程似乎是同時完成的。在內(nèi)部處理階段，PLC檢查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否

11、正常，將監(jiān)控定時器復位，以及完成別的一些內(nèi)部工作。在通信服務階段，PLC與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當PLC處于停止（STOP）狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作。PLC處于運行（RUN）狀態(tài)時，還要完成另外三個階段的操作。讀取輸入執(zhí)行用戶程序處理通信請求自診斷檢查改寫輸出讀取輸入處理通信請求自診斷檢查改寫輸出RUN模式STOP模式圖 2 掃描過程在PLC的存儲器中，設置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映象寄存器和輸出映象寄存器。PLC梯形圖中別的編程元件也有對應的映象存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映象寄存器。PLC的用戶程序由若干條指

12、令組成，指令在存儲器中按步序號順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結束之處。在程序執(zhí)行階段，當執(zhí)行指令時，從輸入映象寄存器或別的元件映象寄存器中將有關編程元件的“0”/“1”狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應的邏輯運算，運算的結果寫入到對應的元件映象寄存器中。因此，各編程元件的映象寄存器（輸入映象寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段，CPU將輸出映象寄存器的“0”/“1”狀態(tài)傳送到輸出鎖存器，經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后外部的負載。3.基于三菱公司的PLC控制設計3.1 三菱公司PLC簡介3.1.1 F1系列指令系統(tǒng)簡介（1

13、） F1系列PLC的指令可分為兩大類：基本邏輯指令：又稱為通用邏輯指令，是PLC中最基本的編程語言，用于開關量I/O的控制系統(tǒng)的梯形圖程序設計，共二十條。掌握了它們也就初步掌握了PLC的使用方法，基本上就能滿足開關量邏輯控制系統(tǒng)的編程了。特殊功能指令：共87條，可用于編制特殊程序，如高速I/O處理、數(shù)據(jù)傳輸、計數(shù)器的特殊用法、算術運算和模擬量控制等。（2） F1系列PLC的基本邏輯指令又分為四大類：作用于觸點的指令：LD/LDI、AND/ANI、OR/ORI等。作用于線圈的指令：OUT。數(shù)據(jù)處理指令：如S/R、RST、SFT、MC/MCR、PLS、SFT、CJP/EJP等。獨立使用的指令：如A

14、NB、ORB、END等。3.1.2 F140MR的編程元件F140MR的編程元件的名稱由字母和數(shù)字表示，它們分別表示元件的類型和元件號。元件號用八進制數(shù)表示，各種編程元件的編號的取值范圍有嚴格的規(guī)定，不同的元件編號均不相同，互不重疊，具體安排如下：輸入繼電器（X）：400413，500513輸出繼電器（Y）：430437，530537定時器（T）：5057，450457，550557，650657計數(shù)器（C）：6067，460467，560567，660667輔助繼電器（M）：100377 （其中300377斷電保持）狀態(tài)寄存器（S）： 600647特殊輔助繼電器（M）：70，71，72，73

15、，76，77等16個3.1.3 某些編程元件使用特性及含義（1）F140MR的12個移位寄存器分別由下列輔助繼電器組成：M100M117 M120M137 M140M157 M160M177M200M217 M220M237 M240M257 M260M277M300M317 M320M337 M340M357 M360M377（2）部分特殊輔助繼電器的含義：M70：運行監(jiān)視，當PLC的運行開關接通時，M70接通。M71：初始化脈沖，在PLC的運行開關接通之后的第一個掃描周期內(nèi)接通。（3） 定時器：F1系列PLC有24個0.1-999s的定時器，編號為：T50-T57，T450-T457，T5

16、50-T557。F1系列PLC有8個秒的定時器，編號為：T650-T657。（4）計數(shù)器：F1系列PLC有32個最大計數(shù)值為999的三位減法計數(shù)器，編號為：6067，460467，560567，660667。F1系列PLC將兩個三位計數(shù)器C660和C661組成計數(shù)器對作為一個6位BCD碼加減計數(shù)器使用，其中C660是低三位，C661是高三位，其計數(shù)及工作方式由特殊輔助繼電器M470M472等的ON/OFF狀態(tài)控制決定，它既可以對高速脈沖（最高2KHz）計數(shù)，也可以作為普通計數(shù)器使用。3.2 方案設計利用計數(shù)器的計數(shù)原理，設置從一到四計數(shù)，當每計一個數(shù)，即按鈕每按一次時，分別輸出不同的控制狀態(tài)，

17、當計完一組四個脈沖時，對計數(shù)器進行清零，重復上面過程，即可實現(xiàn)單按鈕雙路單雙通控制，實現(xiàn)題目要求。3.3 I/O分配表輸入地址輸出地址X001單按鈕脈沖輸入信號Y001第一盞燈信號Y002第二盞燈信號圖3 I/O分配表3.4 軟件梯形圖圖4 軟件梯形圖3.5 程序指令0 LD X0011 OUT C1 K14 OUT C2 K27 OUT C3 K310 OUT C4 K413 LD C114 ANI C215 OR C316 OUT Y00017 NOP18 NOP19 NOP20 LD C221 ANI C322 OR C323 OUT Y00224 LD C425 RST C127 RST C229 RST C331 RST C433 NOP3.6 調(diào)試過程剛接上電源時：圖5 狀態(tài)一第一次按按鈕之后：圖6 狀態(tài)二第二次按按鈕之后：圖7 狀態(tài)三第三次按按鈕之后：圖8 狀態(tài)四第四次按按鈕之后又回到初始狀態(tài)。4.總結4.1 PLC設計及調(diào)試應用中常見問題 PLC在設計前應該熟悉圖紙資料，確定系統(tǒng)輸入元件和輸出元件的型號，根據(jù)設備的操作任務和操作方式確定操作面板所需的元件，確定PLC的輸入點和輸出點，列表統(tǒng)計，然后畫出