機電一體化論文

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1、合肥通用職業(yè)技術學院畢業(yè)論文合 肥 通 用 職 業(yè) 技 術 學 院畢 業(yè) 設 計 論 文題 目： 組態(tài)技術與PLC在交通燈控制上的應用 系 別： 機 械 工 程 系 專 業(yè)： 機 電 一 體 化 技 術 學 制： 三 年 姓 名： 陳 飛 學 號： 1 1 0 7 0 3 0 3 指導教師： 張 老 師 二O1 零 年 四 月 十八 日17指導教師評語及成績：指導教師： 20 年 月 日摘要組態(tài)技術是當前工業(yè)中用于監(jiān)控的一項新技術，它是計算機控制技術發(fā)展的結果。以交通燈控制系統(tǒng)為例，運用組態(tài)技術及結合相關的PLC程序，通過軟件仿真和交通燈指示燈的變化，實現交通燈控制系統(tǒng)的監(jiān)控問題，且系統(tǒng)狀況良

2、好,的應用可以節(jié)省大量的人力和物資。關鍵詞：PLC指令 組態(tài)技術 控制系統(tǒng) 監(jiān)控 仿真 交通燈 目錄摘要I目錄II第1章 引言3第2章 概述42.1 PLC的主要特點：42.2目前PLC的應用領域42.3 PLC未來的發(fā)展4第3章可編程控制器簡介63.1 PLC的定義63.2 PLC的結構及各部分的作用63.2.1 主機63.2.2輸入/輸出（I/O）接口63.2.3電源73.2.4編程73.2.5輸入/輸出擴展單元73.2.6外部設備接口73.3 PLC的基本工作原理73.4 PLC的特點83.5梯形圖設計規(guī)則8第4章 交通燈系統(tǒng)控制要求104.1 系統(tǒng)硬件104.2 軟件系統(tǒng)114.2.1

3、 PLC控制程序設計114.2.2kingview組態(tài)實現12第5章PLC與上位計算機組態(tài)王軟件的通訊135.1 對畫面運行系統(tǒng)調試13參考文獻16致謝17第1章 引言當前，組態(tài)控制技術在工業(yè)自動化領域逐漸興起，成為一種新型的軟件開發(fā)技術。只要利用組態(tài)軟件包中的工具，通過硬件組態(tài)、數據組態(tài)、畫面組態(tài)等工作即可完成所需應用軟件的開發(fā)工作，可以實現遠程監(jiān)控、數據采集、數據分析、過程控制等功能。而當前很多自動控制系統(tǒng)中，常常選用可編程序控制器(PLC)作為控制設備，用于數據采集、狀態(tài)判別和輸出控制。在PLC與計算機通訊的基礎上，通過組態(tài)軟件可以對PLC的當前工作狀態(tài)進行全方位的監(jiān)控，進一步通過組態(tài)軟

4、件可以對控制對象的工作過程進行全程模擬仿真，實現遠程控制。因其充分利用了計算機和PLC的特點，實現了優(yōu)勢互補而得到廣泛應用。本文利用計算機作為上位機，利用(kingview7.0)組態(tài)軟件作為程序開發(fā)平臺，下位機采用三菱公司FX-2N系列可編程序控制器，組成一個簡單實用的十字路口交通燈控制系統(tǒng)，以解決路口人行橫道中行人闖紅燈而引起的交通安全問題。第2章 概述PLC的編程語言與一般計算機語言相比，具有明顯的特點，它既不同于高級語言，也不同與一般的匯編語言，它既要滿足易于編寫，又要滿足易于調試的要求。目前，還沒有一種對各廠家產品都能兼容的編程語言。如三菱公司的產品有它自己的編程語言，OMRON公司

5、的產品也有它自己的語言。但不管什么型號的PLC，其編程語言都具有以下特點：2.1 PLC的主要特點：1、圖形式指令結構2、明確的變量常數3、替代中的技術問題4、簡化應用軟件生成過程5、強化調試手段2.2目前PLC的應用領域目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類：（1）開關量控制 如邏輯、定時、計數、順序控制等。（2）模擬量控制 如溫度、壓力、流量、液位、速度、電流和電壓等過程。（3）數據處理 造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。（4）運動控制 廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯

6、等場合。（5）程控制 冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。2.3 PLC未來的發(fā)展21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言；從網絡的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控

7、制計算機組網構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。1第3章可編程控制器簡介3.1 PLC的定義PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關

8、的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。3.2 PLC的結構及各部分的作用3.2.1 主機主機部分包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序及數據存儲器。CPU是PLC的核心，它用以運行用戶程序、監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)、作出邏輯判斷和進行數據處理，即讀取輸入變量、完成用戶指令規(guī)定的各種操作，將結果送到輸出端，并響應外部設備（如電腦、打印機等）的請求以及進行各種內部判斷等。PLC的內部存儲器有兩類，一類是系統(tǒng)程序存儲器，主要存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對用戶程序作編譯處理的程序，系統(tǒng)程序已由廠家固定，用戶不能更改；另一類是用戶程序及數據存儲器，主要存放用

9、戶編制的應用程序及各種暫存數據和中間結果。23.2.2輸入/輸出（I/O）接口I/O接口是PLC與輸入/輸出設備連接的部件。輸入接口接受輸入設備（如按鈕、傳感器、觸點、行程開關等）的控制信號。輸出接口是將主機經處理后的結果通過功放電路去驅動輸出設備（如接觸器、電磁閥、指示燈等）。I/O接口一般采用光電耦合電路，以減少電磁干擾，從而提高了可靠性。I/O點數即輸入/輸出端子數是PLC的一項主要技術指標，通常小型機有幾十個點，中型機有幾百個點，大型機將超過千點。3.2.3電源圖中電源是指為CPU、存儲器、I/O接口等內部電子電路工作所配置的直流開關穩(wěn)壓電源，通常也為輸入設備提供直流電源。3.2.4編

10、程編程是PLC利用外部設備，用戶用來輸入、檢查、修改、調試程序或監(jiān)示PLC的工作情況。通過專用的PC/PPI電纜線將PLC與電腦聯接，并利用專用的軟件進行電腦編程和監(jiān)控。 3.2.5輸入/輸出擴展單元I/O擴展接口用于將擴充外部輸入/輸出端子數的擴展單元與基本單元（即主機）連接在一起。3.2.6外部設備接口此接口可將打印機、條碼掃描儀,變頻器等外部設備與主機相聯，以完成相應的操作。實驗裝置提供的主機型號有西門子S7-200系列的CPU224(AC/DC/RELAY)。輸入點數為14，輸出點數為10；CPU226(AC/DC/RELAY)，輸入點數為26，輸出點數為14。3.3 PLC的基本工作

11、原理PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式1.1每次掃描過程。集中對輸入信號進行采樣。集中對輸出信號進行刷新。1.2輸入刷新過程。當輸入端口關閉時，程序在進行執(zhí)行階段時，輸入端有新 的狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。1.3一個掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。1.4元件映象寄存器的內容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。1.5掃描周期的長短由三條決定。（1）CPU執(zhí)行指令的速度（2）指令本身占有的時間（3）指令條數1.6由于采用集中采樣。集中輸出的方式。存在輸入/輸出滯后的現象，即輸入/輸出響應延遲。33.4 PLC的特點（1）體積小 （2）可靠性高（3

12、）柔性好，可在線更改程序（4）對環(huán)境條件無要求（5）價格低廉具備招標要求的所有功能3.5梯形圖設計規(guī)則（1）每一邏輯行總是起于左母線，然后是觸點的連接，最后終止于線圈或右母線（右母線可以不畫出）。注意：左母線與線圈之間一定要有觸點，而線圈與右母線之間則不能有任何觸點。（2）梯形圖中的觸點可以任意串聯或并聯，但繼電器線圈只能并聯而不能串聯。（3）觸點的使用次數不受限制。（4）一般情況下，在梯形圖中同一線圈只能出現一次。如果在程序中，同一線圈使用了兩次或多次，稱為“雙線圈輸出”。對于“雙線圈輸出”，有些PLC將其視為語法錯誤，絕對不允許；有些PLC則將前面的輸出視為無效，只有最后一次輸出有效；而有

13、些PLC，在含有跳轉指令或步進指令的梯形圖中允許雙線圈輸出。（5）對于不可編程梯形圖必須難過等效變換，變成可編程梯形圖，例如圖5-1所示。（6）有幾個串聯電路相并聯時，應將串聯觸點多的回路放在上方，如圖5-2a所示。在有幾個并聯電路相串聯時，應將并聯觸點多的回路放在左方，如圖5-2b所示。這樣所編制的程序簡潔明了，語句較少。第4章 交通燈系統(tǒng)控制要求交通燈對我們人類來說是個必不可少的交通信號工具，它關系著我們的人身安全。尤其在大城市里，絕容不得有半點失誤。本文的控制要求如下：按啟動按鈕X0，交通燈開始工作，按停止按鈕X1，交通燈停止工作。系統(tǒng)啟動后，南北方向紅燈亮25S，同時東西方向綠燈亮20

14、S,到20S時東西方向綠燈開始閃亮3S后熄滅，然后過渡到東西方向黃燈亮2S后熄滅；之后東西方向紅燈亮，南北方向紅燈熄滅，南北方向綠燈亮。東西方向紅燈亮30S，在此同時南北方向綠燈亮25S，到25S時南北方向綠燈開始閃亮，閃亮3S后熄滅，然后過渡到南北方向黃燈亮2S后熄滅；之后又回到南北方向紅燈亮，東西方向紅燈熄滅，東西方向綠燈亮的狀態(tài)。兩個方向的綠燈閃亮間歇時間均為0.5S。兩個方向的信號燈，按上面的要求周而復始地進行工作。 圖1 系統(tǒng)結構圖4.1 系統(tǒng)硬件根據系統(tǒng)的控制要求所設計的硬件電路組成見圖1。系統(tǒng)的硬件主要由計算機（PC機）、可編程序控制器（PLC）及交通燈等構成。其中PLC選用三菱

15、公司FX2N一48MR系列可編程序控制器，其輸出端可以直接驅動繼電器、接觸器等負載，構成一個自動化的交通控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)成功完成后，只需安裝相應的機電設備如紅綠燈即可投入實際運行，其中用KingView組態(tài)軟件設計的人機界面則成為系統(tǒng)的監(jiān)控部分，具有較大的實用價值。圖2 流程圖圖3 梯形圖4.2 軟件系統(tǒng)4.2.1 PLC控制程序設計PLC程序設計語言有很多種，它們是梯形圖語言LAD(1adder Diagram)、語句表STL(Statement List)、功能塊圖(FBD)、邏輯方程式等。其中，梯形圖語言形象直觀、容易掌握，是PLC中用得比較多的一種編程語言。按照系統(tǒng)的控制要求，采用三菱

16、公司的梯形圖編程軟件FXGP_WIN-C編寫了系統(tǒng)的控制程序，給出交通燈控制系統(tǒng)的流程圖和部分梯形圖控制程序(如圖2，圖3)。4.2.2kingview組態(tài)實現啟動kingview組態(tài)軟件的組態(tài)環(huán)境以后，在組態(tài)王“畫面”上創(chuàng)建十字路口紅、黃、綠交通信號燈的控制示意圖，建立啟動和停止按鈕，并將各個控制信號燈及啟動和停止按鈕與所建立相應變量關聯，進行動畫連接。接著在工程管理器中，選擇數據庫數據詞典，雙擊新建圖標，彈出變量屬性對話框。定義FX2N-48MR PLC相應寄存器,并建立數據庫變量，實時數據庫是工程的數據交換和數據處理中心，數據庫中的基本單元就是數據變量，建立實時數據庫的過程也是定義數據變

17、量的過程。定義數據對象的內容主要包括：指定數據變量的名稱、類型、初始值和數值范圍，確定與數據變量存盤相關的參數，如存盤的周期、存盤的時間范圍等。建立的部分實時數據庫見表1。由圖形對象構成的圖形畫面是靜止不動的，需要對這些圖形對象進行動畫設計，真實地描述外界對象的狀態(tài)變化，達到過程實時監(jiān)控的目的。4ingview實現圖形動畫設計的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數據庫中的數據對象建立相關性連接，并設置相應的動畫屬性，當變量的值改變時，在畫面上以圖形對象的動畫效果表現出來，或者由軟件使用者通過圖形對象改變數據變量的值。在系統(tǒng)運行過程中，圖形對象的外觀和狀態(tài)特征，由數據對象的實時采集值驅動，從而

18、實現圖形的動畫效果。系統(tǒng)組態(tài)完成后，在確認沒有錯誤的情況下即可進入kingview的運行環(huán)境方針。5表1 數據庫變量表變量名稱類型變量說明X0開關型啟動X1開關型停止K開關型中間繼電器M0東西綠燈Y1開關型東西綠燈東西黃燈Y2開關型東西黃燈東西紅燈Y3開關型東西紅燈南北紅燈Y5開關型南北紅燈南北黃燈Y6開關型南北黃燈第5章PLC與上位計算機組態(tài)王軟件的通訊本文組態(tài)王KingView的控制系統(tǒng)向導如圖4所示，先在上位機系統(tǒng)中需要安裝組態(tài)王KingView7.0軟件和三菱PLC編程軟件FXGP_WIN-C，下位機采用三菱公司生產的FX2N一48MR型PLC。PC機(上位機)通過RS-232串行接口

19、，利用通信電纜SC一09與PLC連接。6PC機中通過PLC編程軟件把已編譯的控制程序下載到下位機PLC。接著實現設備驅動的具體方法是在設備窗口內配置不同類型的設備構件，并根據外部設備的類型和特征，設置相關的屬性。在KingView組態(tài)中一般都包含有一個或多個用來讀取或者輸出數據的物理通道，KingView組態(tài)把這樣的物理通道稱為設備通道。設備通道只是數據交換用的通路，而進行數據交換的對象，則必須由用戶指定和配置。所有的設備通道都必須與實時數據庫相連接。所謂通道連接，即是由用戶指定設備通道與數據對象之間的對應關系，這是設備組態(tài)的一項重要工作。最后，在上位計算機已安裝組態(tài)KingView環(huán)境下運行

20、已開發(fā)的實驗項目，同時使PLC下位機進入運行狀態(tài)，通過鼠標和鍵盤操作界面上的圖形對象就可以進行控制系統(tǒng)的模擬仿真。7圖4 設備配置向導圖5.1 對畫面運行系統(tǒng)調試啟動kingview組態(tài)王運行系統(tǒng)TOUCHVIEW，運行交通燈組態(tài)界面的控制。將PLC開關指向“RUN”狀態(tài)，按下啟動按鈕，觀察交通信號燈系統(tǒng)的控制結果。分別觀察軟件界面和交通燈控制實驗板指示燈的變化，如下圖5所示： 圖5 軟件界面與交通燈控制實驗板實驗結果表明，軟件界面和交通燈控制實驗板指示燈的變化是同步的，系統(tǒng)運行正常，動畫效果良好, 也就是說組態(tài)軟件系統(tǒng)能有效的填平抽象與現實之間的思維鴻溝。8結束語根據交通燈控制系統(tǒng)的控制要求

21、，利用組態(tài)技術及PLC構成了簡單可靠的交通燈控制系統(tǒng)。設計的軟件實現了下述功能：可在計算機上對系統(tǒng)進行啟動或停止控制；系統(tǒng)控制過程進行動畫顯示，在計算機屏幕上可直觀地觀察到各路口紅綠燈的變化，系統(tǒng)可按設定的控制規(guī)律自動運行，系統(tǒng)工作正?？煽?。系統(tǒng)控制方案還具有較強的通用性，可在PLC技術應用中推廣?；赑LC的控制系統(tǒng)在kingview組態(tài)中得到實現，能以仿真動畫的形式直觀地看到被控對象的運行情況及程序的執(zhí)行結果，它的應用可以節(jié)省大量的人力和物資，促進社會的進步和提高社會的經濟效益。參考文獻1 王兆義可編程序控制器教程北京機械工業(yè)出版社 20052 羅雪蓮 可編程控制器原理與應用北京 清華大學

22、出版社，20083 殷洪義PLC原理與實踐北京 清華大學出版社 20084 袁秀英.組態(tài)控制技術M. 北京:電子工業(yè)出版社,2003. 5何強,石惠.基于監(jiān)控組態(tài)技術的PLC控制應用J.安徽水利水電職業(yè)技術學院學報2009,(3).6莊曉龍.組態(tài)技術在PLC實踐教學中的應用J.金華職業(yè)技術學院學報,2008,(8).7周美蘭,組態(tài)技術在PLC實驗教學中的應用J.自動化技術與應用,2001,(6).8劉小春,基于組態(tài)控制技術的PLC實驗開發(fā)J.機械制造與自動化,2006,(3).致謝感謝張老師在我寫論文前后給予的幫助，督促我把論文及時完成，內心的激動實在難以表達。在此祝老師身體健康，工作順利！在此同時感謝同學陳慶亮及單慶儒的督促。