基于PLC的自动打铃控制器的设计本科毕业设计Word格式文档下载.docx
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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课题的目的和意义
本次设计的作息时间控制系统采用的是可编程控器控制方式。
可编程控制器的英文为ProgrammableController，在二十世纪70-80年代一直简称为PC。
由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；
加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC-ProgrammableLogicController），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
“PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。
它采用了可编程序的存储器，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。
可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
”由于PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，所以PLC已广泛应用于钢铁、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,成为工业自控设备之首。
在PLC应用方面，我国也很活跃，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也很广。
但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。
可以预计21世纪可编程控制器将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及制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能水平更高的品种出现。
从产品规模上看，会进一步向超小型及超大两个方向发展。
从产品的配套性能上看，产品的品种会更丰富、规格会更齐备。
完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种工来控制场合的需求。
从网络的发展状况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展主向。
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或国际通用网络的重要组成部分，将在众多领域发挥越来越大的作用。
PLC对实现我国工业自动化有重要的意义[1]。
虽然用其它三种控制方式也可以实现作息时间控制的自动化，但是用PLC控制方式具可靠性高，抗干扰能力强的特点，PLC无故障时间高达30万小时，更能适应恶劣的环境。
铃声的自动控制系统摆脱人工打铃、打钟的繁琐，铃声的单调乏味，以及控制时间的长短不便，把人们从繁烦的操作中解放出来，也最大限度的缓解各企事业单们的资金负担，真正实现打铃的无人看守。
1.3本人的主要工作
本课题主要通过研究PLC来控制打铃和时间星期显示来了解PLC的工作原理及编程方法。
硬件电路的设计,分析电铃电路了解电铃的工作原理,了解各种显示器的型号及工作原理，查阅资料选择七段译码显示器芯片，分析系统控制的输入与输出点数，
根据输入输出点数确定PLC的型号，设计PLC控制系统的I/O接线图，根据系统总体要求编写梯形图，最后用GXDeveloper软件进行仿真调试，调试的结果很成功，该系统能根据作息时间表自动控制电铃,有时间、星期显示及周末、假期控制功能。
第2章方案的论证
2.1继电器控制
继电器控制的优点是较直观形象，装置结构简单，价格便宜，抗干扰能力强。
但是，这也是随之带来的一些问题。
绝大多数控制继电器在长期磨损和疲劳工作条件下，容易损坏。
而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。
再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。
在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。
并且继电器控制系统要是用大量的硬件控制电路，这在更改方案时，工作量相当大，需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试，有时甚至相当于重新设计一台新的装置。
总的来说这种控制方式只适用于对控制对象要求不高的小型控制系统中[2]。
2.2单片机控制
单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer），简称单片机，就是将微处理器（CPU）、存储器（存放程序或数据的ROM和RAM）、总线、定时器/计数器、输入/输出接口（I/O口）和其他多种功能器件集成在一块芯片上的微型计算机。
单片机的主要特点有：
可靠性高、便于扩展、控制功能强、低电压、低功耗、
片内存储容量较小,除此之外单片机还具有集成度高，体积小，性价比高，应用广泛，易于产品化等特点。
但是，单片机存在不可克服的缺点和弱点，如：
低速 单片机靠执行指令来完成各种功能，不论多高的工作时钟频率或多么好的指令时序，其排队式串行指令执行方式使得工作速度和效率大打折扣。
在高速实时仿真、高速数据采集等方面显得力不从心。
复位工作方式 单片机工作之初，需花一段时间经历复位过程；
工作时，在某种干扰性突变情况下，也会复位，复杂的复位过程很可能就是工作不可靠的根源。
程序跑飞 偶然因素，会引起程序跑飞。
虽然有“看门狗”或其他抗干扰措施，在极复杂的情况下，单片机的程序仍存在跑飞的可能，从而进入“死机”。
在单片机系统中，单片机的芯片通过印制板与系统中由其他集成电路组成的逻辑电路相连。
一旦改变设计，可能重新制版，加长了开发周期。
2.3PLC控制
（1）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，严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
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控制系统相比，电气接线及开关接点已减少到原来的数百甚至数千分之一，故障也将随之大大降低。
此外，PLC具有硬件故障的自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。
在应用软件中，用户还可以编入外围器件的故障自诊断程序，是系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统就具有了极高的可靠性[3]。
（2）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、小各个规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能外，现代PLC大多数具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
（3）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，其编程语言易于为工程技术人员接受。
像梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常接近，只用PLC的少量开关逻辑控制指令就可以方便地实现继电接触器电路的功能。
（4）系统设计周期短，维护方便，改造容易
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计周期大大缩短，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来改变生产过程成为可能。
因此很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，其新近产品的品种底部尺寸小于100
，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设备。
由于作息时间自动控制系统，要求能长期稳定工作，软件可修改性强和设备易于维护，综合上述各控制方式的特点该系统采用PLC来控制。
第3章可编程控制概述
3.1可编程控制器的基本概念
国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作的指令，并能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。
PLC及其有关的外围设备都应安装易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
（1）可编程控制器是“数字运算操作的电子装置”，其中带有“可以编制程序的存储器”，可以进行“逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算”工作，可以认为可编程控制器具有计算机的基本特征。
事实上，可编程控制器无论从内部构造、功能及工作原理上看都不折不扣的是计算机。
（2）可编程控制器是“为工作环境下应用”而设计的计算机。
工业环境和一般办公环境有较大的区别，PLC具有特殊的构造，是它能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。
为了能控制“机械或生产过程”，它又要能“易于与工业控制系统形成一个整体”这些都是个人计算机不可能做到的。
因此可编程控制器不是普通的计算机，它是一种工业现场使用的计算机。
（3）可编程控制器能控制“各种类型”的工业设备及生产过程。
它“易于扩展其功能”，它的程序能根据控制对象的不同要求，让使用者“可以编制程序”。
也就是说，可编程控制器较其以前的工业控制计算机，如单片机工业控制系统，具有更大的灵活性，它可以方便地应用在各个场合，是一种通用的工业控制计算机。
相对一般意义上的计算机，可编程控制器并不仅仅具有计算机的内核，它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。
它实质上是经过一次开发的工业控制用计算机。
但是，从另一个方面来说，它是一种通用机，不经过二次开发，它就不能在任何具体的工业设备上使用[4]。
3.2可编程控制器的发展历史
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。
随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中获得了广泛的应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；
从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各种控制场合；
从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设置的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用得到了长足的发展。
PLC经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。
世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。
产量产值大幅度上升而价格则不断下降。
世界上PLC产品可按地域分成三大流派：
一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。
美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。
而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。
美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。
目前，世界上有200多个厂家生产PLC，较有名的：
美国：
AB通用电气、莫迪康公司；
日本：
三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；
德国：
西门子公司；
法国：
TE施耐德公司；
韩国：
三星、LG公司等。
3.3PLC的发展方向及前景
目前，国外PLC制造商不断推出新产品。
西门子最初推出S5系列，然后推出S7系列；
三菱开始是F系列，FX系列，现在是A系列（A1、A2、A2X）。
大趋势是功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强。
特别是网络，因为联网是一个大潮流。
（1）产品规模向大、小两个方向发展
大：
I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。
小：
由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。
（2）PLC在闭环过程控制中应用日益广泛
（3）不断加强通讯功能
（4）新器件和模块不断推出
高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。
（5）编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化
有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统。
（6）发展容错技术
采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
（7）追求软硬件的标准化。
预计21世纪可编程控制器将会有更大的发展目前的积散控制系统（DistributedControlSystem）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或国际通用网络的重要组成部分，将在众多领域发挥越来越大的作用[5]。
3.4PLC的应用领域
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既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能处理模拟量信号，PLC厂家生产有配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器可用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配制来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在可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）过程控制
过程控制是指对温度、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。
PID控制是一般闭环控制系统中常用的控制方法。
目前不仅大中型PLC都有PID模块，而且许多小型PLC也具有PID功能。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
（5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、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、分析及处理。
这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作。
（6）通信及联网
PLC通信包含PLC之间的通信以及PLC与其他智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展将会加快，各PLC厂商都十分重视PLC的通讯功能，纷纷推出各自的网络系统。
最新生产的PLC都具有通讯接口，实现通讯非常方便。
3.5PLC的主要技术指标
1.存储器容量
存储器用来存储程序和系统参数等，其容量是由用户程序存储器组成的。
程序存储器容量大小决定了用户所能编写程序的最大长度，一般中小型的PLC的存储器容量在16KB以下，大型的PLC可达到2MB左右。
2.输入/输出（I/O）点数
输入/输出点数是指根据工业系统控制所得到的对应PLC的输入/输出端的个数。
I/O点数越多，说明需要控制的器件和设备就越多。
3.扫描时间
扫描时间是指CPU内部根据用户程序，按逻辑顺序，从开始到结束扫描一次所需的时间。
PLC用户手册一般给出执行指令所用的时间。
4.指令种类和数量
指令的种类和数量决定用户编制程序的方式和PLC的处理能力和控制能力。
5.内部寄存器的种类的数量
内部寄存器主要包括定时器、计数器、中间继电器、数据寄存器和特殊寄存器等。
它们主要用来完成计时、技术、中间数据存储、数据存储还有其他一些功能。
种类和数量越多，PLC的功能就越强大。
6.扩展能力
PLC扩展能力是指PLC是否具有I/O扩展、联网等一些功能。
7.智能模块的种类的数量
智能模块是指能完成模拟量控制、远程控制以及通信等功能的模块。
智能模块种类和数量越多。
说明PLC功能越强大。
8.编程工具
可以使用编程器或者使用专用的编程软件。
一般编程只能使用助记符语言，而用编程软件则可使用梯形图和助记符等语言来进行编程[6]。
3.6PLC的选型
1、输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展。
2、存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
3、控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
（1）运算功能
简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；
普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；
较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；
大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。
随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。
设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。
大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。
要显示数据时需要译码和编码等运算。
（2）控制功能
控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。
（3）通信功能
大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。
通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。
PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；
大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：
1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求
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