PLC控制的数字显示电子钟设计最终稿

1、青岛理工大学毕 业 论 文题目： PLC控制的数字显示电子钟设计 学生姓名： 学生学号： 院系名称： 专业班级： 指导教师： 2013年 6 月 15 日毕业设计任务书专业 机电一体化 班级 姓名 下发日期 2013-3-1 题目PLC控制的数字显示电子钟设计专题PLC控制主要内容及要求 1. 该课题基于PLC控制的数字电子显示钟并运用传感器、PLC等电 器元件完成系统要求的控制步骤。要求应具有PLC、数字显示控制等方面的专业知识。 2. 编写程序使电子钟完成数字显示。 3. 设定内部控制节点，外部控制节点，使PLC能和组态软件、硬件部分进行充分配合连接。 4. 调试软件，完成整个控制系统的控

2、制过程。主要技术参数 1.设计出系统模型，实现预期目标。 2.系统布局合理，手动/自动的相互切换。 3.系统能准确、迅速的按程序运行。进度及完成日期 1.2013年4月8日2013年4月19日：网上浏览图片，提高感性认识。 2.2013年4月20日2013年5月5日：查找资料，选择相应组态软件。 3.2013年5月6日2013年5月21日：设计、数字显示控制系统。 4.2013年5月22日2013年6月6日：调试程序与硬件部分，完成初稿。 5.2013年6月7日2013年6月20日：写毕业论文，组织答辩，写出评定意见。教学院长签字日 期教研室主任签字日 期指导教师签字日 期2013-3-1 2

3、013-3-1指 导 教 师 评 语 指导教师: 2013年 6 月 16 日青岛理工大学毕业设计评阅意见表设计题目PLC控制的数字显示电子钟设计评价项目评价标准（A级）满分评 分ABCDE文献资料利用能力能独立地利用多种方式查阅中外文献；能正确翻译外文资料；能正确有效地利用各种规范、设计手册等。10109876综合运用能力研究方案设计合理；设计方法科学；技术线路先进可行；理论分析和计算正确；动手能力强；能独立完成设计；能综合运用所学知识发现和解决实际问题；研究结果客观真实。20192017181516131412设计质量设计结构严谨；逻辑性强；语言文字表准确流畅；格式、图、表规范；有一定的学

4、术水平或实际价值4037-4032-3628-3125-2724创新能力有较强的创新意识；所做工作有较大突破；设计有独到见解151513-1411-12109工作量工作量饱满；圆满完成了任务书所规定的各项任务。151513-1411-12109总分是否同意将该设计提交答辩：是（ ） 否（ )具体评阅及修改意见： 评阅人： 年 月 日注：1.请按照A级标准，评出设计各项目的具体得分，并填写在相应项目的评分栏中；2.计算出总分。若总分<60分，“设计质量”<24分，建议不能提交论文评阅乃至答辩。该设计须限期修改合格后重新申请答辩。 3.评阅意见栏不够可另附页。答 辩 委 员 会 评 语

5、评定成绩指导教师给定成绩(30%)评阅人给定成绩(30%)答辩成绩（40%）总 评答辩委员会主席签字摘 要 数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。可编程控制器（PLC）是以微处理为核心的通用工业控制装置，它将传统的继电器-接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合，集计算机、控制、通信于一体，为工业自动化提供了几乎完美的现代化自动控制装置。近几年，可编程

6、控制器由于其优良的控制性能，极高的可靠性，在各行各业中的应用日益广泛普及。为此，各高校的电器自动化、电气工程、供用电技术、机电一体化等相关专业相继开设了有关可编程控制器原理及应用的课程。 本文是介绍数字显示电子钟，显示器采用七段LED显示器，共接入6位，从左至右分别表示秒、时、分的个、时位。采用BCD码驱动器CD4511把PLC输出的时、分、秒等显示BCD码变换成对应的显示器所要求的7段驱动信号。由于显示位数较多，故显示采用动态显示方式，PLC的输出类型为晶体管源输出（正逻辑），其中输出端子Y0Y3输出第一组显示器的BCD信号，Y10Y13输出第二组显示器的BCD信号，Y4Y7依次为各组显示器

7、的选通信号。关键词：PLC，驱动器, 晶体管ABSTRACTDigital clock has become the people daily life the essential necessities, widely used in personal family and the station, wharf, theater, office and other public places, brings great convenience to people's life, study, work, entertainment. Due to the development of

8、 digital integrated circuit technology and adopts the advanced quartz technology, enables the digital clock is accurate, stable performance, easy to carry, it is also used in various fields of timing, automatic alarm and automatic control etc.Programmable logic controller (PLC) is a universal indust

9、rial control device with microprocessor as the core, it will be the traditional relay - contactor control system and computer control technology closely, computer, control, communication, provides automatic control device almost perfect modern industrial automation. In recent years, the programmable

10、 controller due to its excellent control performance, high reliability, used in all walks of life in the increasingly widespread. Therefore, the electrical automation, electrical engineering, power supply technology, mechatronics have opened the relevant principle and application of programmable log

11、ic controller course.This article is mitsubishi electric clock, the display USES digital display of 7 LED display, two groups of eight access, including the first group (above) is used to indicate the four hours, points, from left to right, said the ten months, 10 days of bits and bytes,. Using the

12、PLC CD4511 BCD driver output month, day, and classification of converting BCD display monitor requested of seven driver signal. Because of that, it shows more digits display mode by using dynamic, PLC output type transistor source output (for), which is logical Y0 output terminals output first group

13、 Y3 Y10 signal monitor BCD Y13 the second group displays output signal, Y4 Y7 BCD in groups of communication, display. Key words: Programmable Logic Controller , Drive , Transistor目 录摘 要IABSTRACTII前 言1第一章 PLC的概要21.1 PLC的由来21.2 PLC的特点及发展31.2.1 PLC的特点31.2.2 PLC的发展趋势41.3 PLC的功能与应用41.3.1 PLC的功能41.3.2 PL

14、C的应用61.4 本章小结6第二章PLC控制系统的概要72.1 PLC控制系统的组成及各部分的功能72.1.1 系统组成72.1.2 PLC控制系统的各部分的功能72.2 PLC控制系统的基本工作原理92.2.1 PLC的工作方式92.2.2 PLC与继电器控制系统、微机区别92.3 PLC的编程92.3.1 PLC的编程方法102.3.2 PLC的编程语言及特点102.4 PLC系统的主要参数及分类102.4.1 PLC的主要参数102.4.2 PLC系统的分类102.5 PLC控制系统的一般步骤112.6 PLC机型的选择方法122.6.1 PLC 机型选择的基本原则122.6.2 PLC

15、机型的选择方法122.7 本章小结15第三章 数字显示电子钟的硬件设计163.1 PLC控制的设计的一般步骤163.2 PLC控制的硬件接口163.3 数字电路CD4511的原理（引脚及功能）173.3.1数字电路CD4511的原理173.3.2 CD4511的引脚18333 锁存功能193.4电子钟的显示基本原理213.4.1 电子钟的显示基本原理213.4.2电子钟的显示控制要求223.4.3电子钟的显示总体设计思想223.4.4 电子钟的显示具体设计过程223.4.5 编程元的地址分配23 3.5 数字电子钟控制系统的方案23 3.5.1方案论证23 3.5.2.控制要求24 3.6 7

16、段数码管的结构与工作原理24 3.7本章小结25第四章 数字显示电子钟软件设计264.1 数字显示电子钟的软件设计264.2 数字显示电子钟的程序284.3 数字显示电子钟主程序设计294.4 数字电子钟软件系统程序流程框图304.5 中断服务程序流程框图314.6 数字显示电子钟梯形图324.7 数字显示电子钟接线图334.8 本章小结33结 论34致 谢35参考文献36附 录37前 言 PLC英文全称Programmable Logic Controller中文全称为可编程逻辑控制器，定义是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发

17、展基础上开发起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。可编程控制器（PLC）是以微处理为核心的通用工业控制装置，它将传统的继电器-接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合，集计算机、控制、通信于一体，为工业自动化提供了几乎完美的现代化自动控制装置。PLC自身具有完善的功能，模块化的结构，以及开发容易、操作方便、性能稳定、可靠性高的特点和较高的性价比，使其在工业生产中的应用前景广阔，而且随着集成电路的发展和网络时代的到来，PLC必将能够有更大的用武之地。数字钟已成为人们日

18、常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。第一章 PLC的概要70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PLC（programmable controller）。 本章作为基础主要介绍PLC的由来及发展，以及它的特点与应用，在学习之前首先明白它

19、的一些基础知识，以便为下面的学习打下基础。1.1 PLC的由来1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国通用汽车公司（GM）的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（programmable logic controller）。 70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmable controller）。但由于PC容易与个人计算机（personal computer）相混淆，

20、故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程序的存储器，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，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算（2）弱电控制强电。PLC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（P

21、LC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。1.2 PLC的特点及发展1.2.1 PLC的特点1可靠性高PLC的MTBF一般在4000050000h以上，西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10万h以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。  2模块化组合灵活可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。I/O从88192点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。  3功能强PLC应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。基本 型式再加上模拟I/O、基本算术运算、通信能力等。复杂型式除了具有基本

22、型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、远程I/O、多处理器和高速数据处理能力。  4编程方便PLC适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图(SFC)编程，不需要太多 的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。  5适应工业环境PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境 下可靠工作。这是PLC产品的市场生存价值。  6安装、维修简单与计算机系统相比，PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时只要各种器件连

23、接无误，系统便可工作，各个模件上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障，并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。然后再对故障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散热槽，在高温 下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率(RF高频)电磁干扰、防火等。 7运行速度快，随着微处理器的应用，使PLC的运行速度增快，使它更符合处理高速度复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别不是很明显。  8PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低

24、，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各 厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。   PLC系统与工业总线计算机和DCS系统相互渗透，互为借鉴，相互竞争而发展。促进了工业的 进步。PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需要。1.2.2 PLC的发展趋势1.向小型化、专业化、低成本方向发展。2.向大容量,高速度方向发展。3.智能型I/O模块的发展。4.基于PC的编程软件取代编程器。5.PLC编程语言的标准化。6.PLC通信的易用化。7.组态软件与PLC的软件化。8.PLC与现场总线相结

25、合。1.3 PLC的功能与应用1.3.1 PLC的功能1. PLC系统一般由以下基本功能构成：多种控制功能 、 数据采集、存储与处理功能 、通信联网功能 、 输入/输出接口调理功能、 人机界面功能 、 编程、调试功能 、控制功能。2. 继逻辑控制：PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替电器进行开关量控制。   1） 定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定：接通延时、关断延时和定 时脉冲等方式。   2） 计数控制：用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。   3） 顺序控制：在

26、前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。 3. 数据采集、存储与处理功能数学运算功能：   基本算术：加、减、乘、除。   扩展算术：平方根、三角函数和浮点运算。   比较：大于、小于和等于。   数据处理：选择、组织、规格化、移动和先入先出。   模拟数据处理：PID、积分和滤波。  4输入/输出接口调理功能具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用户要求选择。   具有温度

27、测量接口，直接连接各种电阻或电偶。  5通信、联网功能现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。   通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。如西门 子S7-200的Profibus现场总线口，其通信速率可以达到12Mbps。   在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成

28、较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。 6. 人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。  实现人机界面功能的手段：从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的CRT显示与键盘操作和 用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。 7. 编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视 、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。 1.3.2 PLC的应用PLC已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、

29、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围可分成5种类型。（1）顺序控制如印刷机械、包装机械、机床装配生产线及电梯控制等。（2）运动控制PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。（3）过程控制PLC还能控制大量的过程参数，如温度、流量、压力和液位。一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。（4）数据处理在机械加工中,PLC作为主要的控制与管理系统可以完成大量数据处理工作。（5） 通信网络1.4 本章小结本章作为基础主要介绍PLC的由来及发展，以及它的特点与应用。同时PLC自身具有完善的功能，模块化的结构，以及开发容易、操作方便、性能稳定、

30、可靠性高的特点和较高的性价比，使其在工业生产中的应用前景广阔，而且随着集成电路的发展和网络时代的到来。第二章PLC控制系统的概要本章将详细介绍PLC控制系统的硬件和原理，要设计一个PLC控制系统，首先要掌握它的硬件结构和工作原理，然后才能进行程序设计。本章作为控制系统的核心，我们要掌握控制系统的原理和步骤，以便为下面的设计打下基础。2.1 PLC控制系统的组成及各部分的功能2.1.1 系统组成 PLC系统由CPU运算和控制中心，存储器，输入/输出接口，编程器等组成。 PLC控制系统的各部分的功能1. CPU中央处理器cpu起“心脏”作用。当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根

31、据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。2.存储器 具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。 系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。 用户存储器：分为用户程序存

32、储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为35年。3输入/输出接口（1）输入接口光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把

33、外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。（2）输出接口PLC的继电器输出接口电路 。工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。表2-1 三种类型对比 继电器输出 有触点 寿命短 频率低 交直流负载 晶体管输出 无触点 寿命长 直流负载 晶闸管输出 无触点 寿命长 交流负载4编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器

34、。二种是通过PLC的RS232口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。2.2 PLC控制系统的基本工作原理2.2.1 PLC的工作方式PLC采用“顺序扫描，不断循环”的方式。1每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。2输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时

35、间（3）指令条数。6由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。 2.2.2 PLC与继电器控制系统、微机区别1PLC与继电器控制系统区别前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“软件”，后者用“硬件”。2PLC与微机区别前者工作方式是“循环扫描”，后者工作方式是“待命或中断”。2.3 PLC的编程2.3.1 PLC的编程方法 PLC 编程方式PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。2.3.2 PLC的编程语言及特点1. PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言等等。2. 梯形图语言特点：（1

36、）每个梯形图由多个梯级组成。（2）梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。（3）继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。（4）每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。（5）输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。2.4 PLC系统的主要参数及分类 PLC的主要参数用户程序存储容量：是衡量可存储用户应用程序多少的指标。通常以字或K字为单位。16位二进制数为一个字，每1024个字为1K字。PLC以字为单位存储指令和数据。一般的逻辑操作指令每条占1个字。定时/计数，移位指令占2个字。数据操作指令占24个字。2.

37、4.2 PLC系统的分类 1整体式：是把PLC各组成部分安装在一起或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在机壳内形成一个单一的整体，称之为主机或基本单元、小型、超小型PLC采用这种结构。 2模块式：是把PLC各基本组成做成独立的模块。中型、大型PLC采用这种方式。便于维修。2.5 PLC控制系统的一般步骤1）根据生产的工艺过程分析控制要求：需要完成动作、操作方式。2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。3）选择PLC（考虑性价比等）。4）分配PLC的I/O点，设计I/O电气接口连接图（也可结合第2步进行）。5）进行PLC的程序设计，同时可进行控制台（柜）的设

38、计和现场施工，在设计传统的继电器控制系统时，必须在控制线路（接线等）设计完成后，才能进行控制台（柜）的设计和现场施工。由此可见，可减少整个工程的施工量并大大缩短施工周期。6)对于较复杂的控制系统，需绘制系统流程图，明确给出动作的顺序和条件。7)设计梯形图（并程序清单）。这是比较困难的但也是关键的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的基础及实践经验。8)程序输入PLC并检查输入是否正确。9)调试和修改直至满足要求。10）控制台（柜）及现场施工完成后，即可进行联机调试，直至满足生产要求。11）编制技术文件。12）交付使用。2.6 PLC机型的选择方法2.6.1 P

39、LC 机型选择的基本原则PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系

40、统以及整个工厂的自动化等。在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照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选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、

41、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 2.6.2 PLC机型的选择方法 1.输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 2.存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能

42、对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。 3.控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 (1) 运算功能 简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，

43、目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。 (2) 控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成

44、所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。 (3) 通信功能大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。 (4) 编程功能 离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和

45、编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 (5) 诊断功能 PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的

46、故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。 PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 (6) 处理速度 PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。 处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器

47、扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。 2.7 本章小结 本章作为控制系统的核心，我们要掌握控制系统的原理和步骤。了解PLC系统由CPU运算和控制中心，存储器，输入/输出接口，编程器等组成。知道PLC包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等。第三章 数字显示电子钟的硬件设计 本章重点 熟悉集成电路的引脚安排，掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。了解数字钟的组成及工作原理。3.1 PLC控制的设计的一般步骤1设计指标时间以24小时为一个周期，显示时、分、秒，有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标

48、准时间，计时过程具有报时功能，当时间到达整点前5秒进行蜂鸣报时，为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。 2设计要求 画出电路原理图（或仿真电路图）。 元器件及参数选择。 电路仿真与调试。 3制作要求 自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。 4编写设计报告 写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。 3.2 PLC控制的硬件接口用PLC实现电子钟的硬件接口，显示器采用七段LED显示器，共接入两组共8位，其中第一组（上面）4位用来表示小时、分,从左至右分别表示月的十位、月的个位、日的十位、日的个位。采用BCD码驱动器CD4511把PLC输出的月、日、

49、时、分等显示BCD码变换成对应的显示器所要求的7段驱动信号。由于显示位数较多，故显示采用动态显示方式，PLC的输出类型为晶体管源输出（正逻辑），其中输出端子Y0Y3输出第一组显示器的BCD信号，Y10Y13输出第二组显示器的BCD信号，Y4Y7依次为各组显示器的选通信号。图中秒信号输出为1Hz方波，可作秒点闪动信号，与电子手表中的秒点闪动相同，表示在走时图中的时信号输出为一脉冲，表示整点小时时刻到的定时脉冲信号，可作控制用，如每小时放一次音乐控制。3.3 数字电路CD4511的原理（引脚及功能）331数字电路CD4511的原理 CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BC

50、D 码七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。 CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图 3-1 所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时

51、锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观 图3是 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300的限流电阻。 图3-1 CD4511引脚排列其功能介绍如下 BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管

52、均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。     LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。      LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。     A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。      a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。3.3.2 CD4511的引脚 CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管） 显示器的 BCD 码七段码译码器，具有锁存、