基于PLC的自动打铃控制器设计

《电气控制与PLC》课程设计

说明书

基于PLC的自动打铃控制器设计

学生姓名

学生学号

学院名称

专业名称电气工程及其自动化

指导教师

2013年11月29日

摘要

在学校和很多公司单位都能看到电铃，它们被用来作为上下课、上下班等作息时间的信号。随着社会的发展，不仅电铃的需求量多了而且对其的要求也高了。通过不同方式控制的自动打铃系统逐一被设计出来。本文介绍的是三菱PLC控制的作息时间自动打铃控制系统，详细地阐述了系统的组成、系统硬件接线和系统软件设计，并详细介绍了系统工作原理。该系统具有外设电路配置简单、扩展方便、操作容易，可靠性高实用性强等特点。该系统用于学校电铃的自动控制，具有周末和假期控制功能和星期与时间的显示功能，实现了作息时间无人控制的自动化、科学化管理与操作。

关键词 PLC；电铃；控制系统；软件设计

目录

1 绪论 (1)

1.1课题设计的背景 (1)

1.2 课题设计的目的和意义 (1)

2 设计任务 (3)

2.1 设计题目 (3)

2.2 设计要求 (3)

3 系统总体设计 (4)

3.1 系统概述 (4)

3.2 机型的选择 (4)

3.3 设计方案 (5)

3.3.1 控制任务分析 (6)

3.3.2 TD-200的设置 (6)

3.4 电铃电路简单介绍 (7)

3.5 编程元件地址分配 (8)

3.5.1 输入输出继电器地址分配 (8)

3.5.2 其他元件地址分配 (8)

3.5.3 输入输出接线图 (9)

4 软件设计 (10)

4.1 计算机辅助设计编程 (10)

4.2 设计步骤流程图 (10)

4.3 总体程序的设计 (10)

结论 (15)

心得 (16)

参考文献 (17)

1 绪论

1.1 课题设计的背景

电铃作为常用的作息时间信号,铃声已日益成为人们生活中的一部分。铃声作为作息时间信号，最原始的控制方式就是人工控制。按照作息时间表敲铃，以及后来出现了电铃但没有能实现自动控制也是由人工按电钮开关来电铃发出铃声都是人工控制方式。随着计算机技术、自动控制技术和通讯技术的发展，出现了新兴的技术-电气控制与可编程控制技术，而计算机向微型方向的一个分支发展，则出现了主要是用于控制领域的单片机。由于这些新兴的控制技术的各种应用芯片的发展，人们用不同的方法实现打铃的自动化。目前的自动打铃器，主要包括用单片机控制、用PLC控制、用电脑程序控制、用继电器控制这几种控制方式。

1.2 课题设计的目的和意义

可编程逻辑控制器简称PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）。随着科学技术的发展，为适应多品种，小批量生产的需求而产生发展起来的一种新型的工业控制装置。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制器。

21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情

况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

2 设计任务

2.1设计题目

基于PLC的自动打铃控制器设计

2.2 设计要求

某学校的作息时间表如下表所示：

对自动打铃控制器的要求如下：

（1）上课铃与下课铃的铃音不同（铃音响的频率不同，上课铃为短音：响0.5秒，停0.5秒；下课铃为长音：响2秒，停1秒），其他的铃音为连续音。

（2）每次打铃的时间为15秒。

（3）星期六，星期日不打铃。

（4）具有时间显示功能，显示器件TD-200文档显示器。显示内容为：年、月、日、时、分、秒及星期。

（5）具有时间（分，小时，星期）调整的功能。

（6）用MCGS软件模拟系统的实际运行状态。

3 系统总体设计

3.1 系统概述

本次设计是采用 PLC来控制数码管的显示和响铃的输出，分，时，星期均采用7448进行外部七段译码。其中时间显示为动态显示，星期显示为静态显示，该系统能根据作息时间表自动控制电铃，有时间星期显示调节及控制功能，当秒脉冲计数60次之后向分钟进位。当分钟显示数码管显示到59之后又向小时进位，而小时则是用了一个计数器，当计数器计了24次之后向星期进位，同理星期显示也是用了一个计数器，7次之后使程序全部复位。有分钟调节、小时调节和星期调节按钮各一个，计时开始和假期控制按钮各1个，启动和停止按钮各1个，共7个输入口，14个输出口.系统接通电源，通过分钟调节按钮，小时调节按钮，将系统时间和星期调节为当前时间和星期；然后按下计时开始按钮，系统开始计时；系统时间和星期通过数码管显示出来。按下启动按钮，系统进入控制状态，将系统当前时间和星期与作息时间表比较，又输出口端口输出打铃控制信号。上课铃为短音，响0.5秒，停0.5秒，共持续15秒；下课铃为长音，响0.5秒，停0.5秒，共持续15秒；起床，早操等时间的铃声为连续打铃；为了不影响休息周六周日不打铃。

3.2 机型的选择

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。

①按结构形式分类

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

Ⅰ整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC 由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC 一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

Ⅱ模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别做成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC 由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC 其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

②按功能分类

根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。

Ⅰ低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

Ⅱ中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。

Ⅲ高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

③按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。

Ⅰ小型PLC——I/O点数< 256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K 字以下。

Ⅱ中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K

Ⅲ大型PLC——I/O点数> 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K

④按输出形式分类

按输出形式分可分为:

R-继电器输出(有触点，可带交直流负载)；

S-双向晶闸管输出（无触点，带交流负载）；

T-晶体管输出（无触点，带直流负载）。

5、经济性的考虑

选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。

输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

3.3 设计方案

3.3.1 控制任务分析

在本次设计中，主要任务有两项：

1、置TD-200，用文本显示器显示当前的时间。

2、根据作息时间表自动打铃。要使电子钟在预先设定的时刻，如8：00，自动启动上课铃的控制程序，可对这一时刻的特征进行编程，当文本显示器显示8：00时，自动启动驱动铃音电路和15s的延时程序。

3.3.2 TD-200的设置

VB0 'TD' //

VB2 16#60 //设置‘语言’为中文，设置‘更新速率’为尽可能快

VB3 16#B1 //设置显示为 40 字符模式； ENTER 键V3.1；‘向上’键 V3.2；‘向下’键 V3.3；

VB4 8 //设置信息条数

VB5 16#00 //设置功能键对应位为 M0.0 - M0.7，F 键已配置为置位 M 位

VW6 40 //将信息起始地址设为 VB40

VW8 14 //将信息使能位起始地址设为VW14

VW10 65535 //全局密码（如使能）

VW12 256 //字符集 = 简体中文

//MESSAGE 1

//信息使能位 V14.7

VB40 ' 年月日：：星期 ' //

//MESSAGE 2

//信息使能位 V14.6

VB80 '起床 ' //

//MESSAGE 3

//信息使能位 V14.5

VB120 '上课预备铃 ' //

//MESSAGE 4

//信息使能位 V14.4

VB160 '上课铃 ' //

//MESSAGE 5

//信息使能位 V14.3

VB200 '下课铃 ' //

//MESSAGE 6

//信息使能位 V14.2

VB240 '晚自修开始 ' //

//MESSAGE 7

//信息使能位 V14.1

VB280 '晚自修结束 ' //

//MESSAGE 8

//信息使能位 V14.0

VB320 '熄灯 ' //

//END TD200_BLOCK ------------------------------

//

//数据页注释

//

3.4电铃电路简单介绍

4N25为光电耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成。SCR-100是双向晶闸管可以认为是一对反并联连接的普通晶闸管的组成，它有两个主电极T1和T2，以及一个门极G。门极使器件在主电极的正反两个方面均可触发导通，因此在50HZ的电压下，由于每0.01s 内都有一个触发电压，使得有一个主电极触发导通，由于接的是交流，所以每个主电极总会在下一个半波时由于电压反向而自动关断，但在这个半波内另一个主电极却因为触发脉冲的到来而导通。所以整个周期中不管是哪个半周期只要有触发脉冲就会使晶闸管导通。总体电路工作原理当输入端Y15为低电平时，4N25输入端电流为0，输出相当于开路。当Y15为高电平时，输出电铃回路导通。其电路图如下图3-1所示:

图3-1 电铃控制电路

3.5编程元件地址分配

3.5.1 输入输出继电器地址分

3.5.2 其他元件地址分配

表3-2 其他元件地址的分配

续表3-2

3.5.3 输入输出接线图

图2 输入／输出接线图

4 软件设计及调试

4.1计算机辅助设计编程

STEP 7- Micro/WIN SMART：是专门为S7-200 SMART 开发的编程软件，能在Windows XP SP3/Windows 7 上运行，支持LAD、FBD、STL语言。

计算机辅助设计编程是通过专用的PLC编程软件，在计算机上进行程序设计，可以进行在线编程或者离线编程，也可以进行离线仿真或者在线调试。通过专用的PLC编程软件，还可以方便地实现程序存取、加密或生成EXE类型的应用程序。

4.2设计步骤流程图

图4-1 用PLC进行控制系统设计的一般步骤

4.3总体程序的设计

通过本次课程设计，我们学习了使用PLC控制器对学校自动打铃控制器的实际应用，也明白了自动打铃控制器的原理。对于课上所学知识更产生了进一步的认识，通过分组合作的形式不仅增进了我们的团队协作能力，更增强了我们的实践能力，培养了我们自主分析问题，解决问题的能力。通过本次课程设计，我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法有了更深刻的理解。

在此次课程设计的过程中，通过解决一个个在调试过程中出现的问题，我们对PLC的理解与认识得到就加强；看到了理论与实践的差距；意识到没有理论的知识的支持，实践是无从下手的，理论与实践相结合，可以使我们的整体素质得到提高。我们同样遇到了很多问题与难题，但是因为得到了老师和同学们的帮助，使得许多问题得以迎刃而解，为此非常感谢老师和同学们！

参考文献

[1] 王永华. 现代电气控制及PLC应用技术（第二版），北京航空航天大学出版社

[2] 廖常初. PLC编程及应用，机械工业出版社

[3] MCGS组态软件教程，北京昆仑通态软件公司

[4] 陈建明. 电气控制与PLC应用（第二版），电子工业出版社