機電一體化論文

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1、合肥通用職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 合 肥 通 用 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 題 目： 組態(tài)技術(shù)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(shù) 學 制： 三 年 姓 名： 陳 飛 學 號： 1 1

2、 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(shù)是當前工業(yè)中用于監(jiān)控的一項新技術(shù)，它是計算機控制技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。以交通燈控制系統(tǒng)為例，運用組態(tài)技術(shù)及結(jié)合相關(guān)的PLC程序，通過軟件仿真和交通燈指示燈的變化，實現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)的監(jiān)控問題，且系統(tǒng)狀

3、況良好,的應用可以節(jié)省大量的人力和物資。 關(guān)鍵詞：PLC指令 組態(tài)技術(shù) 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 4 2.1 PLC的主要特點： 4 2.2目前PLC的應用領(lǐng)域 4 2.3 PLC未來的發(fā)展 4 第3章可編程控制器簡介 6 3.1 PLC的定義 6 3.2 PLC的結(jié)構(gòu)及各部分的作用 6 3.2.1 主機 6 3.2.2輸入/輸出（I/O）接口 6 3.2.3電源 7 3.2.4編程 7 3.2.5輸入/輸出擴展單元 7 3.2.6外部設(shè)

4、備接口 7 3.3 PLC的基本工作原理 7 3.4 PLC的特點 8 3.5梯形圖設(shè)計規(guī)則 8 第4章 交通燈系統(tǒng)控制要求 10 4.1 系統(tǒng)硬件 10 4.2 軟件系統(tǒng) 11 4.2.1 PLC控制程序設(shè)計 11 4.2.2?kingview組態(tài)實現(xiàn) 12 第5章PLC與上位計算機組態(tài)王軟件的通訊 13 5.1? 對畫面運行系統(tǒng)調(diào)試 13 參考文獻 16 致謝 17 第1章 引言 當前，組態(tài)控制技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域逐漸興起，成為一種新型的軟件開發(fā)技術(shù)。只要利用組態(tài)軟件包中的工具，通過硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)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

5、現(xiàn)遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)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(shè)備，用于數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別和輸出控制。在PLC與計算機通訊的基礎(chǔ)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)軟件可以對控制對象的工作過程進行全程模擬仿真，實現(xiàn)遠程控制。因其充分利用了計算機和PLC的特點，實現(xiàn)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

6、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(diào)試的要求。目前，還沒有一種對各廠家產(chǎn)品都能兼容的編程語言。如三菱公司的產(chǎn)品有它自己的編程語言，OMRON公司的產(chǎn)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(jié)構(gòu) 2、明確的變量常數(shù) 3、替代中的技術(shù)問題 4、簡化應用軟件生成過程 5、強化調(diào)試手段 2.2目前PLC的應用領(lǐng)域 目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、

7、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(guān)量控制 如邏輯、定時、計數(shù)、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(shù)據(jù)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(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地應用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更

8、大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)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(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)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(shè)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(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)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(wǎng)絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡

9、和國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)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(shè)計的數(shù)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(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)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(shè)計。 3.2 PLC的結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)存儲器

10、。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(shù)據(jù)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(jié)果送到輸出端，并響應外部設(shè)備（如電腦、打印機等）的請求以及進行各種內(nèi)部判斷等。PLC的內(nèi)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(shù)據(jù)存儲器，主要存放用戶編制的應用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。[2] 3.2.2輸入/輸出（I/O）接口 I/O接口是PLC與輸入/輸出設(shè)備連接的部件。輸入接口接受輸入設(shè)備（如按鈕、傳感器、觸點、行程開關(guān)等）的控制

11、信號。輸出接口是將主機經(jīng)處理后的結(jié)果通過功放電路去驅(qū)動輸出設(shè)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(shù)即輸入/輸出端子數(shù)是PLC的一項主要技術(shù)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(nèi)部電子電路工作所配置的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，通常也為輸入設(shè)備提供直流電源。 3.2.4編程 編程是PLC利用外部設(shè)備，用戶用來輸入、檢查、修改、調(diào)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(lián)接，并利用專用的軟件進行電腦編程和監(jiān)控。

12、 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(shù)的擴展單元與基本單元（即主機）連接在一起。 3.2.6外部設(shè)備接口 此接口可將打印機、條碼掃描儀,變頻器等外部設(shè)備與主機相聯(lián)，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(shù)為14，輸出點數(shù)為10；CPU226(AC/DC/RELAY)，輸入點數(shù)為26，輸出點數(shù)為14。 3.3 PLC的基本工作原理 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。

13、當輸入端口關(guān)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(nèi)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(shù) 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(xiàn)象，即輸入/輸出響應延遲。[3] 3.4 PLC的特點 （1）體積小?

14、 （2）可靠性高? （3）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(shè)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(lián)或并聯(lián)，但繼電器線圈只能并聯(lián)而不能串聯(lián)。 （3）觸點的使用次數(shù)不受限制。 （4）一般情況下，在梯形圖中同一線圈只能出現(xiàn)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

15、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；而有些PLC，在含有跳轉(zhuǎn)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(lián)電路相并聯(lián)時，應將串聯(lián)觸點多的回路放在上方，如圖5-2a所示。在有幾個并聯(lián)電路相串聯(lián)時，應將并聯(lián)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?nèi)祟悂碚f是個必不可少的交通信號工具，它關(guān)系著我們的人身

16、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20S,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

17、進行工作。 　圖1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖? 4.1 系統(tǒng)硬件 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求所設(shè)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(gòu)成。其中PLC選用三菱公司FX2N一48MR系列可編程序控制器，其輸出端可以直接驅(qū)動繼電器、接觸器等負載，構(gòu)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(shè)備如紅綠燈即可投入實際運行，其中用KingView組態(tài)軟件設(shè)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)

18、 4.2.1 PLC控制程序設(shè)計 　　PLC程序設(shè)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)。 4.2.2?kingview組態(tài)實現(xiàn) 　　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

19、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(guān)聯(lián)，進行動畫連接。接著在工程管理器中，選擇＂數(shù)據(jù)庫\數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫變量，實時數(shù)據(jù)庫是工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)庫中的基本單元就是數(shù)據(jù)變量，建立實時數(shù)據(jù)庫的過程也是定義數(shù)據(jù)變量的過程。定義數(shù)據(jù)對象的內(nèi)容主要包括：指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍，確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關(guān)的參數(shù)，如存盤的周期、存盤的時間范圍等。建立的部分實時數(shù)據(jù)庫見表1。由圖形對象構(gòu)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(shè)計，真實地描述外界對象的狀態(tài)變

20、化，達到過程實時監(jiān)控的目的。[4]ingview實現(xiàn)圖形動畫設(shè)計的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關(guān)性連接，并設(shè)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(xiàn)出來，或者由軟件使用者通過圖形對象改變數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)對象的實時采集值驅(qū)動，從而實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫變量表? 變量名稱 類型 變量說明 X0 開關(guān)型 啟動 X1 開關(guān)型 停止 K 開關(guān)型 中間繼電器M0 東西

21、綠燈Y1 開關(guān)型 東西綠燈 東西黃燈Y2 開關(guān)型 東西黃燈 東西紅燈Y3 開關(guān)型 東西紅燈 南北紅燈Y5 開關(guān)型 南北紅燈 南北黃燈Y6 開關(guān)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?qū)鐖D4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(chǎn)的FX2N一48MR型PLC。PC機(上位機)通過RS-232串行接口，利用通信電纜SC一09與PLC連接。[6]PC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。

22、接著實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動的具體方法是在設(shè)備窗口內(nèi)配置不同類型的設(shè)備構(gòu)件，并根據(jù)外部設(shè)備的類型和特征，設(shè)置相關(guān)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(shù)據(jù)的物理通道，KingView組態(tài)把這樣的物理通道稱為設(shè)備通道。設(shè)備通道只是數(shù)據(jù)交換用的通路，而進行數(shù)據(jù)交換的對象，則必須由用戶指定和配置。所有的設(shè)備通道都必須與實時數(shù)據(jù)庫相連接。所謂通道連接，即是由用戶指定設(shè)備通道與數(shù)據(jù)對象之間的對應關(guān)系，這是設(shè)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

23、模擬仿真。[7] 　　　圖4 ?設(shè)備配置向?qū)D?? 5.1? 對畫面運行系統(tǒng)調(diào)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(guān)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(jié)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(jié)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(xiàn)實之間的思維鴻溝。[8] 結(jié)束語 根據(jù)交通燈控制系統(tǒng)的控制要求，利用組態(tài)技術(shù)及PLC構(gòu)成了簡

24、單可靠的交通燈控制系統(tǒng)。設(shè)計的軟件實現(xiàn)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(shè)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(shù)應用中推廣?；赑LC的控制系統(tǒng)在kingview組態(tài)中得到實現(xiàn)，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(jié)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(jīng)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

25、2005 [2] 羅雪蓮． 《可編程控制器原理與應用》．北京 清華大學出版社，2008 [3] 殷洪義．《PLC原理與實踐》．北京 清華大學出版社 2008 [4] 袁秀英.組態(tài)控制技術(shù)[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(shù)的PLC控制應用[J].安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學院學報2009,(3). [6]莊曉龍.組態(tài)技術(shù)在PLC實踐教學中的應用[J].金華職業(yè)技術(shù)學院學報,2008,(8). [7]周美蘭,組態(tài)技術(shù)在PLC實驗教學中的應用[J].自動化技術(shù)與應用,2001,(6). [8]劉小春,基于組態(tài)控制技術(shù)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(nèi)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。