基于PLC的电子钟控制系统机电一体化毕业设计.docx
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基于PLC的电子钟控制系统机电一体化毕业设计
毕业设计
设计题目名称：
基于PLC的电子钟控制系统
摘要
时间是人类生活必不可少的重要元素，如果没有时间的概念，社会将不会有所发展和进步。
从古代的水漏、十二天干地支，到后来的机械钟表以及当今的石英钟，都充分显现出了时间的重要，同时也代表着科技的进步。
到了近、现代，由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，电子技术获得了飞速的发展。
在其推动下，电子钟的性能也得到了极大的改善，具有走时准确性能稳定、携带方便等优点。
因此，它广泛应用于计时、自动报时及自动控制等各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来种定时电气的自动启用等。
因此，研究电子钟及扩大其应用范围，有着非常现实的意义。
本系统由七段LED数码管来显示可编程控制器（PLC）所输出的信号。
由于本系统采用的处理器是西门子CPU224,输出端的数量少于需求的数量，因此需要外接一个扩展模块--西门子EM222。
所以，总体设计方案由主体模块和扩展模块两大部分组成。
其中主体模块完成电子钟的显示时位功能,扩展模块完成电子钟的显示分位功能。
关键词：
可编程控制器（PLC），LED数码管，西门子CPU224，西门子EM222。
第1章可编程控制器（PLC）的基础知识
可编程序控制器（ProgrammableLogicControlle,简称PLC），它是以微处理器为核心的通用工业控制装置，是在继电器—接触器控制基础上发展起来的。
随着现代社会生产的发展和技术进步，现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的迅猛发展，当今的PLC已将3C（Computer、Control、Communication）技术，即微型计算机技术、控制技术及通信技术融为一体，在控制系统中又能起到“3电”控制作用，即电控、电仪、电信这三个不同作用的一种可靠性控制器，是当代工业生产自动化的重要支柱。
1.1PLC的产生、定义及分类
1.1.1PLC的产生
PLC产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路承担着生产过程自动控制的艰巨任务。
这些器件组成的控制系统需要大量的导线，大量的控制柜，占据大量的空间。
当这些继电器运行时又产生大量的噪声，消耗大量的电能。
为保证控制系统正常运行，需要安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电器的损坏，甚至某继电器的触点接触不良都会影响整个系统的正常运行。
检查和排除故障又是非常困难的，现场电气技术人员的技术水平也直接影响设备恢复运行的速度。
尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多继电器或继电气控制柜，重新接线或改线的工作量极大，甚至可能需要重新设计控制系统。
面对这种局面，人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电气控制系统，使电气控制系统工作更可靠、更容易维修、更能适应经常变化的生产工艺的要求。
20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈。
各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置。
为此要寻求一种比继电器更可靠、响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器。
GM公司提出了著名的10条技术指标在社会上招标，要求控制设备制造商为其生产线提供一种新型的通用工业控制器，它应具有以下特点：
编程简单，可在现场修改程序；
维修方便，采用插件式结构；
可靠性高于继电器控制装置；
体积小于继电器控制装置；
数据可直接进入管理计算机；
成本可与继电器控制盘竞争；
输入可以是交流115V（美国电压标准）；
输出为交流115V，2A以上；
扩展时原系统改变最小；
用户存储器至少能扩展到4KB。
1969年，美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制开发出世界上第一台可编程序控制器，在美国通用汽车公司的汽车自动装配线上使用，取得了巨大的成功，取得了显著的经济效益。
之后，可编程序控制器很快在世界各国的工业领域推广应用。
1.1.2PLC的定义
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，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，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
”
定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。
这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。
总之，PLC是一台专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有多种类型的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
PLC产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件要根据实际需要进行选用配置，其软件要根据用户的控制要求进行设计。
1.1.3PLC的分类
PLC发展到今天，已经有了多种形式，而且功能也不尽相同。
分类时，一般按以下原则来考虑[1]。
（1）按I/O点数容量分类
一般而言，处理I/O点数越多，控制关系就越复杂，用户要求的程序存储器容量越大，要求PLC指令及其他功能比较多，指令执行的过程也比较快。
按PLC的输入、输出点数的多少可将PLC分为以下三类。
小型机
小型机PLC的功能一般以开关量控制为主，小型PLC输入、输出点数一般在256点以下，用户程序存储器容量在4K左右。
现在的高性能小型PLC还具有一定的通讯能力和少量的模拟量处理能力。
这类的PLC的特点是价格低廉，体积小巧，适合于控制单台设备和开发机电一体化产品。
典型的小型机有SIEMENS公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM2A系列、MITUBISH公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整体式PLC产品。
中型机
中型PLC的输入、输出总点数在256到2048点之间，用户程序存储器容量达到8K字左右。
中型PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，它的通信功能和模拟量处理功能更强大，中型机比小型机更丰富，中型机适用于更复杂的逻辑控制系统以及连续生产线的过程控制系统场合。
典型的中型机有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模块式PLC产品。
大型机
大型机总点数在2048点以上，用户程序储存器容量达到16K以上。
大型PLC的性能已经与大型PLC的输入、输出工业控制计算机相当，它具有计算、控制和调节的能力，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些PLC还具有冗余能力。
它的监视系统采用CRT显示，能够表示过程的动态流程，记录各种曲线，PID调节参数等；它配备多种智能板，构成一台多功能系统。
这种系统还可以和其他型号的控制器互联，和上位机相联，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。
大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。
典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列。
（2）按结构形式分类
根据PLC结构形式的不同，PLC主要可分为整体式和模块式以及分散式三类。
整体式结构
整体式结构的特点是将PLC的基本部件，如CUP板、输入板、输出板、电源板等紧凑的安装在一个标准的机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。
基本单元上设有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连，配有许多专用的特殊功能的模块，如模拟量输入/输出模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等，以构成PLC不同的配置。
整体式结构的PLC体积小，成本底，安装方便。
微型和小型PLC一般为整体式结构。
如西门子的S7-200
模块式结构
模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，这些标准模块如CUP模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在框架上和基板上即可。
各个模块功能是独立的，外型尺寸是统一的，可根据需要灵活配置。
目前大、中型PLC都采用这种方式。
如西门子的S7-300和S7-400系列。
分散式结构
所谓分散式的结构就是将PLC的电源、CPU、存储器集中放置在控制室，而将各I/O模板分散放置在各个工作站，由通信接口进行通信连接，由CPU集中指挥。
（3）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。
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。
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。
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。
1.2PLC的构成与性能指标
1.2.1PLC的硬件结构
PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图图1-2-1PLC的基本组成图
1-2-1[2]。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
（1）中央处理器
中央处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。
小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。
CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。
（2）存储器
PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。
1）系统程序存储器
PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。
系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。
系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。
ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。
EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。
2）用户程序存储器
用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。
通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。
3）数据存储器
PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。
RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。
（3）接口
输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。
PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。
晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。
现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。
输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。
1）输入接口
输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。
以图1-2-2所示的直流输入接口电路为例，R1是限流与分压电阻，R2与C构成滤波电路。
图1-2-2直流输入接口电路图
电路滤波后的输入信号经光耦合器T与内部电路耦合。
当输入端的按钮SB接通时，光耦合器T导通，直流输入信号被转换成PLC能处理的5V标准信号电平（简称TTL），同时LED输入指示灯亮，表示信号接通。
微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。
滤波电路用以消除输入触头的抖动，光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入PLC。
由于输入电信号与PLC内部电路之间采用光信号耦合，所以两者在电气上完全隔离，使输入接口具有抗干扰能力。
现场的输入信号通过光电耦合后转换为5V的TTL送入输入数据寄存器，再经数据总线传送给CPU。
2）输出接口
输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。
常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。
输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。
微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。
3）其它接口
若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带CPU）相接进行扩充。
PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。
（4）编程器
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。
编程器有简易编程器和图形编程器两种。
简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。
图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。
目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。
（5）电源
PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。
PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。
1.2.2PLC的性能指标
性能指标是用户评价和选购机型的依据。
如何评价一台PLC的档次高低、规模大小、适用场所，至今还没有一个统一的衡量标准。
但是，当用户在进行PLC的选型时，可以参照生产厂商提供的技术指标，从以下几个方面考虑[3]：
（1）存储容量
存储容量是指用户程序存储器的容量。
用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。
一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字。
（2）I/O点数
输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。
I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。
（3）扫描速度
扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。
一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。
PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。
（4）指令的功能与数量
指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。
编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。
（5）内部元件的种类与数量
在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、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。
这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。
（6）特殊功能单元
特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。
近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大
（7）可扩展能力
PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。
在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。
1.3PLC的工作原理
1.3.1PLC内外部电路
（1）外部电路接线
a）主电路b）控制线路
图1-3-1电动机全压起动电气控制线路图
图1-3-1是电动机全压起动控制的接触器电气控制线路，控制逻辑由交流接触器KM线圈、指示灯HL1、HL2、热继电器常闭触头FR、停止按钮SB2、起动按钮SB1及接触器常开辅助触头KM通过导线连接实现。
合上QS后按下起动按钮SB1，则线圈KM通电并自锁，接通指示灯HL1所在支路的辅助触头KM及主电路中的主触头，HL1亮、电动机M起动；按下停止按钮SB2，则线圈KM断电，指示灯HL1灭，M停转。
a）主电路b）I/O实际接线图
图1-3-2电动机全压起动PLC控制接线图
图1-3-2是采用西门子的一款S7系列PLC实现电动机全压起动控制的外部接线图。
主电路保持不变，热继电器常闭触头FR、停止按钮SB2、起动按钮SB1等作为PLC的输入设备接在PLC的输入接口上，而交流接触器KM线圈、指示灯HL1、HL2等作为PLC的输出设备接在PLC的输出接口上。
按制逻辑通过执行按照电动机全压控制要求编写并存入程序存储器内的用户程序实现。
2）建立内部I/O映像区
在PLC存储器内开辟了I/O映像存储区，用于存放I/O信号的状态，分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，此外PLC其它编程元件也有相对应的映像存储器，称为元件映像寄存器。
I/O映像区的大小由PLC的系统程序确定，对于系统的每一个输入点总有一个输入映像区的某一位与之相对应，对于系统的每一个输出点也都有输出映像区的某一位与之相对应，且系统的输入输出点的编址号与I/O映像区的映像寄存器地址号也对应。
PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，运算结果存放到输出映像区对应的位上，PLC在执行用户程序时所需描述输入继电器的等效触头或输出继电器的等效触头、等效线圈状态的数据取用于I/O映像区，而不直接与外部设备发生关系。
I/O映像区的建立使PLC工作时只和内存有关地址单元内所存的状态数据发生关系，而系统输出也只是给内存某一地址单元设定一个状态数据。
这样不仅加快了程序执行速度，而且使控制系统与外界隔开，提高了系统的抗干扰能力。
3）内部等效电路
图1-3-3PLC内部等效电路图
图1-3-3是PLC的内部等效电路，以其中的起动按钮SB1为例，其接入接口I0.0与输入映像区的一个触发器I0.0相连接，当SB1接通时，触发器I0.0就被触发为“1”状态，而这个“1”状态可被用户程序直接引用为I0.0触头的状态，此时I0.0触头与SB1的通断状态相同，则SB1接通，I0.0触头状态为“1”，反之SB1断开，I0.0触头状态为“0”，由于I0.0触发器功能与继电器线圈相同且不用硬连接线，所以I0.0触发器等效为PLC内部的一个I0.0软继电器线圈，直接引用I0.0线圈状态的I0.0触头就等效为一个受I0.0线圈控制的常开触头（或称为动合触头）。
同理，停止按钮SB2与PLC内部的一个软继电器线圈I0.1相连接，SB2闭合，I0.1线圈的状态为“1”，反之为“0”，而继电器线圈I0.1的状态被用户程序取反后引用为I0.1触头的状态，所以I0.1等效为一个受I0.1线圈控制的常闭触头（或称动断触头）。
而输出触头Q0.0、Q0.1则是PLC内部继电器的物理常开触头，一旦闭合，外部相应的KM线圈、指示灯HL1就会接通。
PLC输出端有输出电源用的公共接口COM。
1.3.2PLC的控制系统
用PLC实现电动机全压起动电气控制系统，其主电路基本保持不变，而用PLC替代电气控制线路[4]。
（1）PLC控制系统构成
电动机全压起动的PLC控制系统可分成输入电路、输出电路和内部控制电路三个部分。
a、输入电路部分
输入电路的作用是将输入控制信号送入PLC，输入设备为按钮SB1、SB2及FR常闭触头。
外部输入的控制信号经PLC输入到对应的一个输入继电器，输入继电器可提供任意多个常开触头和常闭触头，供PLC内容控制电路编程使用。
b、输出电路
输出电路的作用是将PLC的输出控制信号转换为能够驱动KM线圈和HL1指示灯的信号。
PLC内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了PLC内部控制电路提供编程用的常开触头和常闭触头外，还为输出电路提供一个常开触头与输出端口相连，该触头称为内部硬触头，是一个内部物理常开触头。
通过该触头驱动外部的KM线圈和HL1指示灯等负载，而KM线圈再通过主电路中KM主触头去控制电动机M的起动与停止。
驱动负载的电源由外电部电源提供，PLC的输出端口中还有输出电源用的COM公共端。
C、内部控制电路
内部控制电路由按照被控电动机实际控制要求编写的用户程序形成，其作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入、输出信号的状态进行计算、处理和判断，然后得到相应的输出控制信号，通过控制信号驱动输出设备：
电动机M、指示灯HL1等。
用户程序通过个人计算机通信或编程器输入等方式，把程序语句全部写到PLC的用户程序存储器中。
用户程序的修改只需通过编程器等设备改变存储器中的某些语句，不会改变控制器内部接线，实现了控制的灵活性。
（2）PLC控制梯形图
梯形图是一种将PLC内部等效成由许多内部继电器的线圈、常开触头、常闭触头或功能程序块等组成的等效控制线路。
a、梯形图中继电器元件物理结构不同于电气元件
PLC梯形图中的线圈、触头只是功能上与电气元件的线圈、触头等效。
梯形图中的线圈、触头在物理意义上只是输
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