PLC控制8人表决器课程设计报告Word格式文档下载.docx
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2.3系统工作原理9
3硬件设计10
3.1硬件接线图10
3.2实物连接10
4软件设计11
4.1逻辑功能编程的比较11
4.2主程序的设计12
4.2表决功能实现12
4.3输出显示13
4.4复位功能14
4.5程序清单14
5程序仿真14
5.1程序界面14
5.2仿真过程15
6程序下载和调试16
结论17
谢辞18
参考文献19
附录20
引言
表决器是一种可以使用在多场合的设备，多用于选举，表决场合。
表决是一种人为规定的选择规则，也是一种人性化的设定，最简单的表决行为是少数服从多数，当然，对于表决的规则可以根据不同情况而定。
表决在一般场合人们常使用举手示意并逐个统计，这是最原始的方法。
随着智能技术的发展更新，自动化的表决系统被发明，人们不必通过举手后一一统计，这些操作都由计算机进行处理，所要提供的就是表决人同意或不同意等的输入信息，可以是一个按钮，所有有权表决的表决者确认输入后，根据计算机的程序，瞬间就可以完成对结果的统计，在现代运用广泛。
动化的表决器可以是在个人电脑或网页端上的一个应用程序，也可以是独立作为硬件的设备。
作为独立设备时，表决器多是利用单片机等简单且体积小，操作方便，具有运算功能的芯片设计的，通过芯片内部和外部输出输入设备的连接，可以完成表决功能。
而在PLC中较少应用，因为PLC早期发展不具备有运算功能，称为可编程逻辑控制器，虽然逻辑功能也可以完成表决功能，但当表决者增多时则会带来麻烦（将在本文第4章第1节进行对比和说明）。
而现在运用具有运算功能的PLC也可以简单地完成表决器的设计。
本次设计使用三菱系列PLC，型号FX2N-64MR。
运用实验用开关板和输出用灯泡进行实物连接，下载程序后运行PLC。
20世纪70年代，诞生了两种改变整个世界及商业管理模式的计算机。
产生于1976年的苹果II型，是世界上最早得到广泛使用的微型计算机。
当今价值数十亿美元的个人计算机产业就是从这个当初由两名年轻人在车库里成立的小公司衍生而来的。
另外一类计算机，是由RichardMorley在1972年发明的，如今称之为可编程逻辑控制器（PLC）。
它最初并没有像个人计算机那样得到名称上的广泛认同，但是却给制造业带来了同样意义重大的冲击。
PLC通常被称为工厂级别的个人计算机。
1PLC介绍
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的存储器，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，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
1.1基本结构
可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器
其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
一、电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
二、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
三、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
四、输入输出接口电路
1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
五、功能模块
如计数、定位等功能模块。
六、通信模块
1.2工作原理
当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，可编程逻辑控制器
可编程逻辑控制器
即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
一、输入采样阶段
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
二、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；
或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；
相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
三、输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。
1.3功能特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。
1.使用方便，编程简单
采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。
另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
2.功能强，性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。
它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。
PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。
硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
4.可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
5.系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
6.维修工作量小，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
1.4FX2N-64MR介绍
●控制规模：
64点继电器方式输入32点/输出32点
●内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K
●CPU运算处理速度0.08μS/基本指令
●在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块
●基本单元内置2轴独立最高20kHz定位功能（晶体管输出型）
端子排型高性能标准机型。
以高速、强大的基本性能，适用于一般逻辑控制以及其他广泛用途。
*规格概要：
AC电源型：
AC100V~240VDC电源型：
DC24V
30VA（16M），40VA（32M），50VA（48M），60VA（64M），70VA（80M），100VA（128M）
DC电源型：
25W（32M），30W（48M），35W（64M），40W（80M）
最大40A 5ms以下/AC100V， 最大60A 5ms以下/AC200V AC电源型：
250mA以下（16M,32M） 460mA以下（48M，64M，80M，128M）
DC输入型：
DC24V7mA/5mA无电压触点、或者NPN开集电极晶体管输入AC输入型：
AC100~120VAC电压输入
继电器输出型：
2A/1点、8A/4点COM8A/8点COMAC250V，DC30V以下 晶体管输出型：
0.5A/1点（Y000、Y001为0.3A/1点）、0.8A/4点COMDC5V~DC30V 晶闸管输出：
0.3A/1点，0.8A/4点公共，AC85～242V
程序内存内置8,000步RAM（电池支持）、注释输入、可RUN中写入；
安装有存储盒时最大可扩展到16,000步
时钟功能内置实时时钟（有时间设定指令、时间比较指令，具有闰年修正功能） 指令基本指令27个、步进梯形图指令2个、应用指令132种
运算处理速度基本指令：
0.08&
micro;
s/指令，应用指令：
1.52~数100&
s 高速处理有输入输出刷新指令、输入滤波调整指令、输入中断功能、定时中断功能、计数中断功能、脉冲捕捉功能
最大输入输出点数256点
辅助继电器、定时器辅助继电器：
3,072点、定时器：
256点
计数器一般用16位增计数器：
200点，一般用32位增减计数器：
35点
高速用32位增计数·
减计数器：
[1相]60kHz/2点、10kHz/4点[2相]30kHz/1点、5kHz/1点
数据寄存器一般用8,000点、变址用16点、文件用在程序区域中最多可设定到7,000点
2总体方案设计
通过对题目的分析和现有设备以及工具设计总体方案，为程序和硬件设计做准备。
2.1题目要求及分析
题目要求：
设计一个8人表决的PLC控制电路，在此，设定功能有，供8人使用8个按钮进行投票表决，4盏灯分别表示通过与未通过以及是否为全票通过，通过条件为超过4人投票（即5人以上投票表示通过的灯亮），8人都按下按钮表示满票通过。
设有复位从新开始表决功能。
分析：
根据功能的设计，表决功能可采用逻辑方式表达，即列出8个按键及通过情况时的真值表并列出真值方程，经过计算和简化后得出逻辑简示，根据此式编程。
也可以使用PLC中的指令功能，扫描并读入8人键值，存入辅助继电器中，为了保证8人按键只有1次有效，使用字逻辑或运算指令把继电器值传到寄存器，最后使用比较指令比较寄存器常数4和8，根据结果设计输出。
两种方式相比，后者较为简单，选用后者，将在后文进行分析。
复位功能与启动功能合并，使用自保的如闸刀开关，在复位指令前加入此开关触电的下降沿式启动，可完成拉下开关启动，断开开关复位且停止其他工作的功能。
图2.1系统框架图
2.2方案的确立
2.3系统工作原理
1.表决功能：
在开关板上选用8个按钮开关，1个闸刀开关，分别连入X0~X7和X10，另一端并联至COM端，当表决者按下按钮，输入端子X0~X7中对应的点与COM端接通，键值变化，根据程序，存入。
2.显示功能：
4盏灯（24V）分别于Y0~Y3相接，同样也要接入COM端，根据程序满足相应条件是，对应Y输出端子与COM端接通灯的电路被激活，发亮。
3.复位功能：
闸刀开关（X10）在接通时和其他按钮相同，断开时，产生下降沿，启动一个周期的复位指令（由程序设计）实现复位。
3硬件设计
硬件设计包括画出硬件接线图和实物接线。
3.1硬件接线图
图3.1硬件接线图
硬件接线如上图，需要注意的是，实物的PLC中，输出端的COM端与输入端的COM需连接在一起。
3.2实物连接
PLC实物连接需要合理选择接线口和开关，确保开关都能够工作，与COM端能够接通，且串口数据线正确与PC连接。
1.开关输入接线：
选择数量大于8的实验用开关板，按顺序把开关两头分别接到X0~X7以及COM端，并使用万用表车测量检查是否有短路或者短路情况。
2.复位开关：
复位开关选用一闸刀开关，接法同上。
3.电源接线：
电源接入交流电源分别于L、N地线连接。
4.数据线接口
使用PLC专用数据线，连接至PC串口。
4软件设计
软件设计即为程序的编写，编写使用梯形图编程语言，利用一款三菱教学辅助软件FX-TRN进行简单仿真，并用GXDeveloper软件进行编译和下载。
4.1逻辑功能编程的比较
在前部分曾经讲到过使用逻辑功能的编程方法，通过计算逻辑表达式直接实现功能。
在此以3人表决为例。
“三人表决器”的逻辑功能是：
表决结果与多数人意见相同。
设X0、X1、X2为三个人（输入逻辑变量），赞成为1，不赞成为0；
Y0为表决结果（输出逻辑变量），多数赞成Y0为1，否则，Y0为0。
其真值表如下表所示。
输入逻辑变量
输出逻辑变量
X0
X1
X2
Y0
1
表4.1三人表决器真值表
由真值表写出逻辑表达式并化简得：
要实现这个逻辑功能，如果用“集成逻辑门”，则可选用三个两输入“与门”和一个三输入“或门”来实现。
这里我们是用PLC“程序”来实现。
程序语句如下：
0LDX05LDX1
1ANDX16ANDX2
2LDX07ORB
3ANDX28OUTY0
4ORB9END
根据上例子我们可以看到，只要知道3人表决的逻辑表达式变可以只用简单的逻辑功能就能实现功能。
但我们可以计算，3人真值表中的可能性有
次，但如果人数变多，为8人时则会有256种，这样对于表达式的计算和化简来说难度较大，相比之下使用具有运算功能的指令就更加优化。
所以当表决器人数较少时，可以使用逻辑表达的方法编程，而当人数增多时，巧妙运用功能指令较为优化。
所以本次设计选用功能指令编写程序。
4.2主程序的设计
通过对比，使用功能指令编程。
主程序使用扫描键位变化并存入辅助继电器的方法实现记录表决信号功能，通过功能指令字逻辑或实现表决单次有效功能，运用比较指令计算和存储结果，使用令一组辅助继电器进行输出。
图4.1主程序流程
4.2表决功能实现
由PLC运行原理，内部自动周期性扫描程序，这时只需在运用字逻辑与功能WOR完成对键值的更新，把X0~X7的键值传送给一组用于保存键值的辅助继电器M0~M7,梯形图指令如下图4.2。
图4.2功能实现指令
其中，K2X000中的k2使用的时8位指令，即指的是X0~X7，其他同理。
在WOR指令下，使用SUM求置位NO指令统计继电器所记下来的键位，即统计表决数，储存至存储器D0中。
最后，运用比较指令CMP比较D0中的数与常数比较，当与4比较时，输出结果为是否通过，存入M20~M22中，当小于，即不通过时，M20接通，当等于时M21接通，同样表示不通过，大于是M22接通。
下面与8作比较为是否全票，原理相同。
根据M20~M22、M30~M32的情况设定输出。
4.3输出显示
由上已经知道了经过比较得到的结果存到了M20与M30等继电器中，只需根据所需显示，连接输出语句，如下图。
图4.2显示用语句
如图可知，当不为全票通过时，Y2点亮，反之Y3点亮。
当不通过，包括持平票数情况时，Y0点亮，超过半数，即通过时，Y1点亮。
4.4复位功能
在复位上，由于选用了闸刀开关，段开始会产生下降沿，根据这个特性，在复位语句前使用一个下降沿的触点，就可以实现启动，复位同时完成的功能，如下图。
图4.3复位语句
当开关X10段开，产生下降沿，运行一个周期的后接指令，包括寄存器D0，所有的辅助继电器和Y输出，其中运用了RST复位指令，和ZRST区间复位指令，它们的功能相似。
4.5程序清单
完整程序见附录：
附图Ⅰ、附图Ⅱ
5程序仿真
使用三菱PLC教学用软件FX-TRN进行仿真，但由于其仿真界面开关有限，在程序上进行了相应的修改，并且把人数减为4人，与8人原理完全相同。
5.1程序界面
图5.1仿真控制面板
如图可看到，仿真系统中，虽然和PLC拥有完全的输入输出指示，但对于输入的操作只有X20~X23，X24和X25为自保开关。
按照仿真需要修改程序后开始仿真。
5.2仿真过程
图5.2启动接通
当X024（即原X10）置ON时，可以看到，相应的Y20（原Y0），Y22（原Y2）点亮表示未通过，且部位满票。
这时通过按下按钮PB1~PB2进行表决的模拟。
图5.3超过3票时状态
超过3票后，根据M30与M20的情况，输出改变。
最后达到4票满票通过如下图
图5.4满票时状态
仿真结束。
6程序下载和调试
使用GXDeveloper把程序写入，并使用远程操作功能，通过串口连接PLC进行程序的下载。
图6.1GXDeveloper程序界面
程序中拥有很多功能，可以完成编程所需的所有操作。
在编程后可以立即转换为指令表。
在菜单中的“在线”选项中就有相关PLC通讯包括程序下载的操作。
在下载后，把PLC置于RUN状态，开始按下X10按钮进行测试，如果与预期结果冲突，则段开电源，再一次检查线路的连接状态，并在软件中检查所编写的程序是否有错，进行修改下载更新后街上PLC的电源再进行测试，反复操作直到但到设计的目标。
7结论
本课程设计主要利用PLC来完成一个8人表决器，能够对8人投票表决结果进行判断，并通过不同的发光二极管进行显示。
该设计的硬件电路主要由三个部分组成：
PLC模块、输入按钮开关及输出发光二级管。
信号处理和转换由PLC模块来完成，其负责把按钮开关传送来的信号经一定的处理，并发出相应的输出信号。
按钮开关进行输入，包括十个投票
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