电气控制与PLC课程设计-交通信号灯和物料混合加热.doc

某某大学职业技术学院电气控制与plc课程设计题 目： 交通信号灯和物料混合加热 指 导 教 师： 123 姓 名： 2010 年 12 月专 业电气自动化班 级船舶专门化姓 名学 号教研室主任指导教师 指导教师评语： 签字： 年 月 日 设计成绩： 签字： 年 月 日课程设计成绩评定前 言 随着科学的迅速发展，电气控制已由继电器-接触器硬接线的常规控制转向以计算机为核心的软件控制。plc以其可靠性高、灵活性强以及使用方便等优势，逐渐成为电气控制的核心。可编程控制器（plc）自上个世纪诞生以来，经过近四十年的发展，产品及技术日益成熟，已经广泛应用于各个领域。上世纪80年代至90年代中期，是plc发展最快的时期，年增长率一直保持在30%-40%.plc以微处理器为核心，将微型计算机技术、自动控制技术和通信技术融为一体的一种工业控制装置，与cad/cam、机器人技术共同称为工业自动化的三个重要支柱。作为一种先进而又成熟的技术，目前plc被广泛的应用到机械、冶金、化工、电力、轻纺等各个领域这次课程设计服从于电气控制与plc课程设计指导书及任务书的要求，编写时力求结合编程及调试实际过程、突出plc应用及特点。其中可编程控制器为松下fp1系列，包括plc硬件组成、工作原理、基本指令，plc实例两项，并通过在网上和图书馆查阅相关文献以及对老师进行咨询，并且亲自进行编程调试达到控制的要求和目的。由于现代化工行业的发展都离不开物料的混合和加热处理，且严格要求精度和时间；交通等的出现不仅减少了交通事故，使人们的出行安全有了一定的保障，而且现代化社会建设也已经少不了交通等的的支持，因此这次课程设计以这两项为主题进行编写。第一项为三种物料自动混合后加热控制，通过控制三种物料流入的高度，一次将三种物料注入，然后启动搅拌机在规定时间内进行搅拌，然后进行加热，当加热到一定温度后放出混合物。第二项为交通信号灯控制，使东西、南北的红绿黄灯按预定时间顺序点亮，并可循环进行控制，具体内容在第三章中进行详细介绍。设计的第二章主要对plc的定义与产生、特点及应用、工作原理、结构组成、主要性能和指标技术、编程语言进行简要介绍。目 录第一章 plc的基本知识.41.1plc的概述.51.2.plc的产生与定义.51.3.plc的特点及应用.51.4.plc的工作原理. .61.5.plc的结构组成.71.6.plc的主要性能和指标技术.91.7.plc的编程语言.9第二章 交通信号灯控制. 102.1.设计目的.102.2.设计要求. 102.3.i/o分配表. 102.4.梯形图.112.5.时序图.122.6.i/o硬件连接图.122.7.指令表.13第三章 三种物料自动混合后加热的控制.143.1.设计目的.143.2.设计要求.143.3.i/o分配表.143.4.程序说明.143.5.梯形图.153.6.指令表.163.7.i/o硬件连接图.17第四章 总 结.18参考文献.19第一章 plc的基本知识1.1plc的概述 可编程控制器（programmable logical controller）是一种将计算机技术用于自动控制领域的新型工业控制装置。它以微处理器为核心，通过数字量或模拟量的输入、输出来控制机械设备和生产过程。它把计算机的编程灵活、功能齐全的优点与继电器系统的控制简单、使用方便、价格便宜等优点结合起来，已成为21世纪工业自动化的主流控制系统。1.2.plc的产生与定义 早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器控制系统，但这种系统体积大、耗电多、可靠性差。随着20世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，为了改变这一现状，在1968年美国通用汽车公司（gm公司）为适应生茶需要，提出要用新型控制装置取代继电器-接触器控制，要求新一代控制系统应具备10项技术指标，即： 1、编程方便，现场可修改程序；2、维修方便，采用模块化结构；3、可靠性高于继电器控制装置；4、体积小于继电器控制装置；5、数据可直接送入管理计算机；6、成本可与继电器控制装置竞争；7、输入可以是交流115v；8、输出为交流115v，2a以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9、在扩展时，原系统只要很小变更；10、用户程序存储器容量至少能扩展到4kb。 根据这些需要，美国设备公司（dec公司）于1969年研制成了第一名可编程序控制器，型号为pdp-14，并成功地应用于gm公司的汽车生产线控制，取得满意得效果。随后，日本、德国等也相继研发出自己的plc。从此开创了plc开发和应用的新纪元。plc自问世以来，发展迅速，在工业控制领域得到十分广泛的应用。为了规范plc的 生产和发展，统一plc的标准，国际电工委员会（iec）在1987年2月颁布的第三稿中给plc做了如下定义：“plc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。它采用可编程的存储器，用来其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算操作等面向用户的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。plc及其有关设备都应该按易于与工业控制系统联成一体、易于扩充其功能的原则设计。 1.3.plc的特点及应用 1.3.1.plc的特点1.可靠性高、抗干扰能力强2.功能完善、扩展方便、组合灵活、实用性强3.编程简单、使用方便4.体积小、质量轻，是实现“机电一体化“的理想产品5.性价比高1.3.2.plc的应用根据plc在工业控制中的特点，可将其应用形式归纳为以下几个类型：1. 开关量逻辑控制2. 机械运动控制3. 过程控制及构成集散控制系统（dcs）4. 数据处理5. 通信和联网1.4.plc的工作原理plc采用循环扫描的工作方式。从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序，直至遇到结束符，完成一次扫描，然后再返回第一条指令，开始心意乱扫描，这样周而复始地反复进行。在plc的一个扫描周期中主要有输入采样、程序执行和输出处理三个阶段：1. 输入采样阶段（输入刷新阶段）plc在系统程序控制下以扫描方式顺序读取输入端口的状态（如开关的接通或断开），并写入输入状态寄存器（输入映像寄存器）内，此时输入状态寄存器被刷新。然后转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，只能等到下一扫描周期输入采样到来时，才能从新读入。2. 程序执行阶段plc按照“先左后右，先上后下“的顺序扫描执行每一条用户程序。执行程序时所用的输入输出变量，从相应的输入输出状态寄存器中取用，并将运算结果写入输出状态寄存器（输出映像寄存器）。3. 输出处理阶段（输出刷新阶段）cpu在执行完所有的指令后，把输出状态寄存器中的内容转存到输出锁存器中，并通过输出接口电路将其输出，来驱动plc的外部负载，控制设备的相应动作，形成plc的实际输出。1.5.plc的结构组成plc的结构主要包括中央处理器（cpu）、存储器、i/o接口电路、电源、i/o扩展接口、外部设备接口等。其内部采用总结线结构进行数据和指令的传输。外部的各种信号送入plc的输入接口，在plc内部进行逻辑运算或数据处理，最后以输出变量的形式经输出接口，驱动输出设备进行各种控制。1. 中央处理器（cpu） 中央处理器cpu(centre processing unit)，主要由控制电路、运算器和寄存器等部分组成，是plc的运算和控制中心。2. 存储器存储器的功能是存放程序和数据，可分为系统程序存储器和用户程序存储器两大类。（1）.系统程序存储器：用来存放管理程序、监控程序以及内部数据，由plc生产厂家设计提供，用户不能更改。（2）.用户程序存储器：主要存放用户已编制好或正在调试的应用程序。存放在ram中的用户程序可方便的修改。3. 输入输出接口电路输入输出接口电路的作用是将信号转换为cpu能够接收和处理的信号，并将cpu输出的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号，而且能有效地抑制干扰，起到与外部电路的隔离作用。（1）.输入接口电路：输入接口有光电耦合、输入电路和微处理器输入接口电路组成。光电耦合输入电路的作用是隔离输入信号，防止现场的强电干扰进入微机，对交流输入信号还采用变压器或继电器隔离，有的还用滤波环节来增强干扰性能。各种plc的输入电路大都相同，通常有直流输入、交流输入两种基本类型。直流输入接口电源有外部直流电源和plc内部电源。当直流输入电源为plc内部的直流电源时，又称为干接触式，交流输入必须外加交流电源。（2）.输出接口电路：输出接口电路有继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种。其中继电器输出为有触点输出，可用直流或低频交流负载；晶体管输出型和晶闸管输出型都是无触点输出，前者适用于高速、小功率直流负载；后者适用于高速、大功率交流负载。4. 电源在plc中，为避免电源间干扰，输入与输出电路的电源彼此相互独立。小型plc电源往往和cpu单元合为一体，中大型plc都有专门的电源单元。直流电源常采用开关稳压电源，稳压性能好、抗干扰能力强，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准电源。5. i/o扩展接口当主机（基本单元）的i/o点数不能满足输入输出设备点数的需要时，可通过此接口用扁平电缆将i/o扩展单元与主机相连，以增加i/o点数。a/d、d/a单元也通过该接口与主机相接。6. 编程器编程器是plc的重要外围设备。利用编程器将用户程序送入plc的存储器，还可以检查、修改程序和监视plc的工作的状态。编程器一般分简易型和智能型两类。小型plc常用简易型，大中型plc多用智能型。现在普通采用微机作用编程器。在微机内添加专用软件包，既可以对plc直接编程控制程序并显示梯形图或语句指令，非常方便，因此得到了广泛应用。7. 外部设备接口外部设备接口是指在主机外壳上与外部设备配接的插座。通过电缆可配接编程器、计算机、打印机、eprom写入器、条码判读器等。1.6.plc的主要性能和指标技术由于各公司产品技术性能指标不同，且各有特色。一般可按cpu档次、i/o点数、存储容量、扫描速度、网络功能等方面5来衡量plc的性能，plc性能指标是控制系统设计选型的重要依据。1. i/o点数2. 内存容量3. 扫描速度4. 指令种类和数量5. 内部寄存器种类和数量6. 扩展能力7. 智能模块8. 编程语言和编程工具1.7.plc的编程语言1.梯形图语言2.指令语句表3.逻辑符号图4.功能表图5.高级语言第二章 交通信号灯控制2.1.设计目的十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行,实现红绿灯的自动指挥能使交通管理工作得到改善,也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一。可编程序控制器(plc) 是一种新型的通用的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,是专能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。所以作为一名电气工程系的学生应熟练掌握plc的基本知识和尝试，能熟练编程和运行调试。 2.2.设计要求 （1）.系统工作后，首先南北红灯亮并维持30s；与此同时，东西绿灯亮并维持28s，到25s时，东西绿灯闪烁三次，3s后熄灭。（2）.在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持2s，然后东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。 （3）.东西红灯亮并维持30s；与此同时，南北绿灯亮并维持28s，到25s时南北绿灯闪烁三次，3s后熄灭。 （4）.南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮维持2s后熄灭；同时南北红灯亮，东西绿灯亮。至此，结束一个工作循环。2.3.i/o分配表输入 ： 输出： x0:启动按钮 y0: 东西绿灯y0 x1:停止按钮 y1: 东西黄灯y1 y2: 东西红灯y2 y3: 南北绿灯y3 y4: 南北黄灯y4 y5: 南北红灯y52.4.梯形图图3-1.交通信号灯控制梯形图25时序图图3-2.交通信号灯控制时序图2.6.i/o硬件连接图frfr图3-3.交通信号灯控制i/o硬件连接图x1x2comsb1sb2dc24vy0y1y2y3y4y5comac220vkm0km1km2km3km4km3km5plcfu2.7.指令表图3-4.交通信号灯控制指令表图第三章 三种物料自动混合后加热的控制3.1.设计目的为了进一步了解plc的应用，充分掌握plc的编程语言和工具的使用方法，通过进行物料混合设计是我对plc的知识掌握个透彻，能够更好运用plc知识解决一些控制问题，在上机操作运行和调试中获得更多的收获和知识。 3.2.设计要求 1.初始状态 容器时空的，电磁阀yv1、yv2、yv3、yv4和搅拌电动机m及液面传感器l1、l2、l3加热器h和温度传感器t均为off。 2.按下启动按钮，开始下列操作： （1）.电磁阀yv1开启，开始注入液体a，至高度l3（此时l3为on）时，关闭yv1，同时开启电磁阀yv2，注入液体b，当液面上升至l2时，关闭yv2，同时开启电磁阀yv3，注入液体c，当液面上升至l1时，关闭yv3。 （2）.停止液体c注入后，启动搅拌电动机m，使a、b、c三种液体混合10s。 （3）.10s后停止搅拌，同时开启加热器h开始加热，当物料温度达到设定值t时，停止加热。 （4）.当t为on时，开启电磁阀yv4，放出混合物料，当液面高度降至l3后，再经5s关闭电磁阀yv4. 3.停止操作3.3.i/o分配表输入 ： 输出： x0:启动按钮 y0: 搅拌电动机m x1:l1 y1: 电磁阀y1 x2:l2 y2: 电磁阀y2 x3:l3 y3: 电磁阀y3 x4: t y4: 电磁阀y4 x5:停止按钮 y5: 加热器h3.4.程序说明启动按钮x0触发后，线圈y1通电，当输入触点x3有信号时，线圈y1失电，线圈y2得电，此时电磁阀y1断开，电磁阀y2闭合。当输入触点x2有信号时，线圈y2失电，线圈y3得电，此时电磁阀y2断开，电磁阀y3闭合。当输入触点x1有信号时，线圈y3失电，线圈y0得电，此时电磁阀y3断开，搅拌机开始工作，同时定时器t0得电，其定时时间为10s (拌动作的时间，经过10s后定时器的常闭触点断开，线圈y0失电，定时器的常开触点闭合，线圈y5得电，加热器加热。当输入触点x4有信号时，线圈y5失电，线圈y4得电，此时，加热器停止加热，电磁阀y4闭合，当输入触点x3再次有信号时，定时器t1得电，经过5s后将将电磁阀y4断开。3.5.梯形图图2-1.三种物料自动混合后加热控制梯形图 3.6.指令表图2-2.三种物料自动混合后加热控制指令表图 3.7.i/o硬件连接图x0x1x2x3x4x5y0y1y2y3y4comcomsb1sb2sb3sb4sb5plcdc24vsb6ac220v图2-3.三种物料自动混合后加热控制i/o硬件连接图km0km1km2km3km4km3fr第四章 总结通过一周的plc课程设计，体会到了plc在生活中的广泛用途，通过本次设计我对plc也有了更深层次的了解，在本次设计中有些知识很难理解，我通过网上的查询，老师的指点学到了很多知识，也了解到了plc的功能之多，作用之大，上课时学习plc感觉它很难，但通过本次设计觉得plc并不是很难，也对plc产生了一些兴趣，也可以在生活中体会到plc的兴趣，我认为学好plc要从细节做起，做到熟能生巧，多动脑、多实验，使自己的知识量增加，另外还要有一定的创新能力，拿出自己的东西、想法。我认为本次课程设计非常成功，达到了其目的，为以后的学习打下了坚定的基础。松下fp1系列plc具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。plc还具有功能强，适应面广的特点。今天的plc已经开始用于闭环控制，不仅如此，随着其扩展能力和通信