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1、摘要随着工业的发展，自动化已经在日常和生产中占据着重要的地位。自动化不仅可以节省劳动成本，而且还能更大限度地解放劳动力，让人们有更多的空余时间去做更多的工作，这也极大地推动了社会的进步和发展。其中料箱少料报警装置就属于这类范畴，有了这个装置，人们不用一直守在料箱旁边，还能有更多的时间做其他事情。实现料箱少料报警装置系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。其中用标准逻辑器件来实现电路在很大程度上要受到逻辑器件如门电路等的影响，调试工作极为不易，而单片机编程复杂不容易掌握。因此，最终我们选择了用可编程的控制器PLC来实现系统功能的设计。可编程序控制器PLC
2、在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的应用更加突出。料箱少料报警装置采用的可编程制器具有可靠性高、维护方便，用法简单、通用性强等特点，本文用三菱FX2N的可编程控制器控制料箱少料报警装置来说明可编程控制器硬件、软件的设计。 关键词：PLC 料箱 报警装置 程序控制AbstractAlong with the development of the industry, automation has been occupying the important status in daily and p
3、roduction. Automation is not only can save the labor cost, but also can liberate the workforce, more let people have more free time to do more work, which greatly promoted the social progress and development. The container less expected alarm device is belong to the category of this class, with this
4、 device, people dont have to always keep beside the material box, also can have more time to do other things.Realize the container less many alarm system control method, can use the standard logic devices, programmable controller PLC, SCM, etc.Among them using standard logic devices to implement cir
5、cuit in large part to influenced by logic devices such as gate, debugging is very not easy, and single-chip microcomputer programming complex is not easy to learn. So, finally we chose to use PLC programmable controller to realize the system function design.Programmable controller PLC is very import
6、ant in the position in industrial automation, is widely used in various industries. With the development of science and technology, more perfect the function of the programmable controller, combined with miniaturization, low price, high reliability, application in modern industry more outstanding. C
7、ontainer less expected alarm device adopts the system of programmable instruments with high reliability, convenient maintenance, usage simple, strong commonality, etc, this article use mitsubishi FX2N programmable controller control the alarm device of container less to illustrate the design of prog
8、rammable controller hardware, software. Keywords: PLC Container Alarm device Program control目录1 引言72 PLC概述82.1 PLC的产生背景82.2 PLC的定义92.3 PLC发展历史92.4 plc的特点102.5 PLC的结构及其主要技术指标112.6 PLC的应用与发展趋势133 设计简介153.1 设计说明153.2 设计目的153.3 设计要求153.4 设计方法154 系统的软件设计164.1 工作时序图164.2 程序流程图164.3 I/O分配图174.4 梯形图185 设计中遇
9、到的问题与解决方法216 设计心得与体会221 引言随着集成电路和计算机技术的迅猛发展，存储控制程序逐步替代接线程序控制，成为工业控制系统的主流发展方向。所谓程序控制，就是将控制逻辑程序语言的形式存放在存储器中，通过执行存储器中的程序实现系统的控制要求。这样的系统称为存储程序控制系统。在存储程序控制系统中，控制程序的修改不需要改变控制器内部的接线，而只需通过通过编程器中的某些程序语言内容。可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制，也可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外
10、，陆续出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。用PLC对料箱少料进行自动报警控制，具有结构简单、编程方便、操作灵活、使用安全、工作稳性能可靠和抗干扰能力强的特点，是一种很有效的自动控制方式，是实现自动化、节约化、提高劳动成本发展的主流方向。2 PLC概述 2.1 PLC的产生背景可编程控制器是基于微型计算机技术的通用工业自动控制设备，在其早期主要应用于开关量的逻辑控制。在可编程控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。这种由继电器构成的控制系统存在明显的缺点，尤其是对生产工艺多变
11、的系统适应性较差。1968年，美国通用汽车公司（GM）根据市场形势与生产发展的需要，为了完成“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略，提出了研制新型逻辑顺序控制装置来取代继电器控制装置。第2年，美国数字设备公司（DEC）就研制出了第一台PLC，将其应用于美国通用汽车自动装配生产线上，并取得了极大的成功。此后随着计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的不断进步，PLC也迅速发展起来。早时期的PLC产品的主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、逻辑运算、定时和计数等。它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，在IO接口电路上做了改进以适应工业控制现场的要求，它
12、的控制功能比较简单。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。而通用汽车公司（GM）公司为了适应生产工艺不断更新的需求，从用户角度提出了新一代控制器应具备的10项指标：(1)编程简单方便，可现场修改程序；(2)硬件维修方便，最好是插件式结构 ；(3)可靠性要高于继电器控制装置；(4)体积小于继电器控制组装置；(5)可将数据直接送入管理计算机；(6)成本可与继电器控制系统竞争；(7)输入可为交流115V;(8)输出为115V、2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；(9)易于扩展，扩展时原系统只需做很小的改动；(10)用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。根据这些
13、指标，美国数字设备公司(DEC公司)于1969年研制出了世界上第一台可编程控制器（PDP-14），并在GM公司的汽车生产线上使用成功，可编程控制器自此诞生，此后不久，各个公司便研发出来了众多不同型号的PLC，由此进入了工业控制新时代。2.2 PLC的定义1987年国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准草案中对PLC作了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器
14、及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩展其功能的原则设计”。2.3 PLC发展历史自第一台可编程控制器问世以来，可编程控制器的发展与计算机技术、自动控制技术、半导体技术及通信技术等高新技术的发展是紧密相关的。这些技术的每次革新，都会给可编程控制器带来功能和特性的新变化，使得可编程控制器技术的与飞速发展。目前，可编程控制器以实现从“单片机控制自动化生产线控制自动化全厂生产自动化”的三级解决方案，成为工业自动化的核心控制设备。回顾可编程控制器的发展历程，大致可划分为4个阶段。(1)从1969年到20世纪70年代中期这一阶段可编程控制器主要用于逻辑运算和技术技术运算其中央处理
15、器由中小规模数字集成电路组成存储器为此信存储器，控制功能比较简单。典型产品有莫迪康公司的084、ALLEN-BRADLEY(AB)公司的PDQ2等。由于这些产品主要完成逻辑运算功能，因此，被称为可编程序逻辑控制器（PLC）。(2)20世纪70年代中期到80年代初期这一阶段可编程控制器的CPU采用微车力气，存储器采用半导体存储器，不仅整机的体积减小，而且数据处理能力获得很大提高，增加了数据运算、传送、比较等功能，实现了对模拟量的控制。可编程控制器的名称碎屑为PC，但为了于个人计算机的名称缩写PC相区别，通常还把可编程控制器简称为PLC。(3)20世纪80年代初期到90年代初期这一阶段由于16位，
16、32位微处理器的出现和应用，PLC向大规模、高速度、高性能和网络化方向发展，形成了多种系列化产品，出现了结构紧凑、功能强大、性能价格比搞的新一代产品，并出现多种不同性能的分布式网络系统，在功能上，PLC具有了数学运算、数据采集和处理、运动控制、闭环控制、联网通信等功能，而且随着应用领域的不断迅速扩大，PLC已成为构成生产过程自动控制系统的主要设备。在此期间，国际电工委员会颁布了PLC标准，似的PLC向标准化发展。典型产品有罗克韦尔自动化公司的PLC-2系列、PLC-3系列，西门子公司的SYMATICS5系列等。(4)20世纪90年代至今这一阶段PLC继续得到快速发展，系统在网络通信、热备冗余方
17、面都有了长足的进步，成为了一种功能强大的、成熟的控制系统。同时，通信从各厂家的自称系统逐步向开放的、统一的和通用的标准网络结构发展，如控制层的控制网、设备网和现场总线、管理层的以太网等。产品系列不断丰富，互通功能得到了较大的发展，系统性能日趋可靠、完善。同时，还捉不采用了符合IEC61131-3标准的程序设计语言，增加了高级编程语言等，似的各种生产数据采集和信息系统管理的视线变得容易、直接。这是，PLC已不是单纯意义上的可编程控制器了，而是一种完全的过程系统。典型产品有罗克韦尔自动化公司的PLC-5系列、Control-Logix系列，西门子公司的SYMATICS7系统，莫迪康公司的Quant
18、um系列等。2.4 plc的特点可靠性高，抗干扰能力强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。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以
19、外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎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
20、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。接线简单，维护方便，通用性强PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。定时准确，定时范围宽PLC内部提供了许多定时器和计数器元件，通过不同的赋值，可以实现任意范围内的时间定时，且定时准确。而继电器控制系统中的定时器是靠硬件设备来实现的，
21、其定时范围和定时的准确性均受到很多的限制。 编程和接线可同步进行PLC控制系统采用软件编程取代继电器硬接线实现控制功能，可以事先进行模拟调试，极大地减轻了繁重的现场安装接线的工作。另外，由于PLC控制系统的硬件可按控制系统的性能、输入/输出点数和内存容量的大小等来选配，使系统的设计、编程和现场接线可同时进行，因而极大地缩短了开发周期，提高了工作效率。2.5 PLC的结构及其主要技术指标（1） PLC的结构从结构上分，PLC有整体式和模块式两种。对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。虽然整体式PLC和模块式PL
22、C的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的。它们的主要组成部分有：1）CPU模块；2）存储器；3）I/O模块；4）电源模块；5）智能接口模块；6）编程器；7）其他外部设备。PLC的基本结构框图输出接口部件输入接口部件中央处理单元CPU板 接受驱动 现场信号受控元件 电 源 部 件（2）PLC的性能指标较多，主要介绍与组成PLC控制系统关系较直接的几个：1）编程语言及指令功能梯形图语言、助记符语言在PLC中较为常见，梯形图语言一般在计算机屏幕上编辑，使用起来简单方便。助记符语言与计算机编程序相似，如果对有编制程序基础的工程技术人员来说，学习助记符会容易一些，只要理解各个指令的含义，就可以像做计
23、算机程序一样写PLC的控制程序。如果两种语言都会使用更好，因为它们之间可以相互转换。PLC实际上只认识助记符语言，梯形图语言是需要转换成助记符语言后，存入PLC的存储器中。现在功能图语言的使用有上升趋势。编程语言中还有一个内容是指令功能。衡量指令功能强弱可看两个方面：一是指令条数多少；二是指令中有多少综合性指令。一条综合性指令一般就能完成一项专门操作。用户编制的程序完成的控制任务，取决于PLC指令的多少，指令功能越多，编程越简单和方便，完成一定的控制任务越容易。2）输入输出点数输入输出点数是PLC可以接受的输入开关信号和输出开关信号的最大数量，值得注意的是输入点数往往的大于输出点数的，且二者不
24、能相互替代。3）扫描速度数是指PLC扫描1k（1k=1024）字用户程序所需的时间，通常以ms/k字为单位，扫描速度越快越好。4）存储容量存储容量是存放用户程序的存储器的容量。通常用k来表示。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。在编制PLC程序时，需要用到大量的寄存器来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些寄存器的多少，直接关系到程序的编制，该存储器的容量越大，就可以编制出更复杂的程序。5）可扩展性在现代工业生产中PLC的可扩展性也显的非常重要。主要包括：1）输入输出点数的扩展；2）存储容量的扩展；3）联网功能的扩展；4）可扩展的模块数；另外，可编程序控制
25、器的可靠性、易操作性及经济性等功能指示也受用户的关注。2.6 PLC的应用与发展趋势（1）可编程控制器的应用领域PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛，主要可以归纳为以下几类：1）开关量的逻辑控制可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制，也可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。2）模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。3）运动控制PLC可以
26、用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。4）闭环过程控制过程控制是指对连续变化的量进行控制。如对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。目前已广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。5）数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能。可以完成数据的采集、监测、分析和处理。这些数据可以与参考值比较，完成一定的控制操作。
27、也可以利用通讯功能传送到其他的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型过程控制系统，如冶金、造纸、食品工业中的一些大型控制系统。6）通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着现代社会计算机技术的提高，网络通讯技术的不断发展，它也将和其他的工业控制计算机组网构成大型的控制系统，在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。（2)PLC的发展趋势许多年前就有人预言，PLC将要被PC-BASED控制系统取代。但PLC的销售仍以十分稳定的增长率逐年上升。目前的PLC已经与十年前大不相同，十年后的PLC与如今的PLC也势必不同；但有两个方面是不变的：其一，PLC会提
28、供稳定的控制响应；其二，高度的可靠性。可以预见的PLC发展趋势如下：1) 向高速度、大容量方向发展为提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。2)向超大型、超小型两个方向发展当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器。最小配置的I/O点数为816点，以适应单机
29、及小型自动控制的需要。3)PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力PLC厂商不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。4)增强外部故障的检测与处理能力。根据统计资料表明，在PLC控制系统的故障中，其中80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂商都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，以期进一步提高系统的可靠性。5)编程语言多样化。在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯
30、形图语言外，陆续出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。3 设计简介3.1 设计说明 本次设计是运用三菱FX系列PLC进行料箱过少报警控制系统，可用于畜牧养殖和工业生产中，所实现的功能是当料箱中所剩的余量达到设定的限位时，报警装置便会触发，从而发出警报声作为提示，以便可以及时添加。3.2 设计目的 电气控制与PLC课程设计是电气自动化技术专业一个重要的实践性教学环节，而本次设计的目的就是旨在对所学PLC课程进行一次小综合性地实践学习，消化、吸收理论知识，并将之加以运用，掌握PLC程序设计的基本方
31、法，并能达到熟练使用可编程控制器实现简单控制系统的控制要求，尤其是对于控制指令的使用，基本可以熟练地进行系统外围电路设计、接线、编程、调试等工作。3.3 设计要求（1） 自动方式（X2=OFF)当底限开关X1变为ON后，蜂鸣器Y0开始鸣叫，同时报警器Y1连续闪烁10次（亮1.5S,灭2.5S）。此后，蜂鸣器停止鸣叫报警灯也熄灭，此外，RST（复位）按钮X3可以使二者中止。（2） 手动方式（X2=ON)当底限开关X1变为ON后，蜂鸣器Y0开始鸣叫，同时报警灯Y1也开始闪烁,RST（复位）按钮X3可二者中止。3.4 设计方法 本次设计利用经验设计法，由设计的结果得到开始启动的方法，先让其满足自动方
32、式，然后再让其满足手动方式，由结果推出发生条件！即由蜂鸣器Y1开始鸣叫，同时报警灯Y2也开始闪烁推出咋样使其能实现两种控制！4 系统的软件设计4.1 工作时序图X1为ON时的时序图如下：4.2 程序流程图总开关x2 料 触发开关x1 蜂鸣器报警系统4.3 I/O分配图输入装置输入口地址输出装置输出口地址限位开关SQX1蜂鸣器HAY0选择开关SAX2报警灯HLY1复位按钮SBX34.4 梯形图 下图为用指示灯y0代表蜂鸣器的蜂鸣的指示： 下图为y0代表蜂鸣器响，同时y1代表报警器闪的一瞬间的图示： 下图为程序指令表： 下图为不能复位的错误的梯形图： 下图为经过思考改进后的，但仍不能复位的梯形图：
33、 经过改进后正确的图：5 设计中遇到的问题与解决方法1、遇到问题：在最开始的设计阶段，由于只是看到了课程设计任务书而没有看到指导书中的设计方案提示，而对四种喷水方式的的开关设计有些困惑，不知使用四个独立开关还是可以用有四个档位的总开关，它的开关模式不是普通的0或1，而是0、1、2、3。这个样在选取输入信息和I/O地址分配的过程中都遇到困难。解决方法：仔细研究了任务书和指导书后确立了四种喷水方式的输入问题2、遇到问题：在画顺序功能图过程中，四种工作方式最终都要经历判断是否有停止按钮按下、是否处于连续工作状态下，在这一步有些困惑。解决方法：参考6.3.4跳转和循环中的功能图举例（a）。在执行完其中
34、一个工作方式后，只要有停止按钮按下就停止，无论是否处于连续工作状态；而无停止按钮按下但处于单步运行状态时也要停止运行。于是可将四个分支汇总后分为两个方向，一个是有停止按钮按下，一个是无停止按钮按下切处于连续工作状态下，则循环运行。3、遇到问题：在录入梯形图过程结束后进行编译，在进入工作方式网络处，发现错误：网络复杂解决方式：经检查发现是由于将Q0.0置零与判断4个喷水方式中选择的哪个并联造成的网络复杂，将其拆分成五个网络及解决了问题。4、遇到问题：在下载结束后出现非致命性错误，不影响编译但无法下载进行实验台上的模拟。解决方法：多次检查T形图，终于发现最后一条指令少了结束语句。6 设计心得与体会
35、1、 这次课程设计我们完成了10项PLC程序设计，盛料过少报警的程序相对较简单，我们组同学事先按照自己的构思，各自设计出自己的程序，然后我们又分别讲解我们的程序并依照自己设计的梯形图，互相分享他人的成果，并互相指出同伴的不足之处，相互学习，共同探讨存在的问题，和可能出现的问题，虽然我们的程序比较简单，但我认为我们学到的东西，一点也不别人少。2、 PLC可编程器操作起来比较简单，而且它的编程语言比较简单，相对于单片机的编程语言简单，所以这些语言比较好操作。3、 通过这次实验我们深刻的认识到，实践的重要性，也看到我们眼高手低的缺点，通过实践我们对理论知识有进一步的强化。4、 通过不断的实践，我们深刻了解到“书到用时方很少”，所以我们要不断的学习了解更多的知识。26