【文章內(nèi)容簡介】 ......................................................... 71 附 錄 程序清單 .........................................................................................72 36 第 1 章 緒論 系統(tǒng)背 景 學(xué)校、機關(guān)、工廠、車站、碼頭、醫(yī)院、郵電等企事業(yè)單位通常都是以電鈴作 為作息時間信號 ,鈴聲已日益成為人們生活中的一部分 。 鈴聲作為作息時間信號，最 原始的控制方式就是人工控制。按照作息時間表敲鈴，以及后來出現(xiàn)了電鈴但沒有能實現(xiàn)自動控制也是由人工按電鈕開關(guān)來電鈴發(fā)出鈴聲都是人工控制方式。隨著計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新興的技術(shù) 電氣控制與可編程控制技術(shù)，而計算機向微型方向的一個分支發(fā)展，則出現(xiàn)了主要是用于控制領(lǐng)域的單片機。由于這些新興的控制技術(shù)的各種應(yīng)用芯片的發(fā)展，人們用不同的方法實現(xiàn)打鈴的自動化。目前的自動打鈴器，主要包括用單片機控制、用 PLC 控制、用電腦程序控制、用繼電器控制這幾種控制方式。 課題的目的和意義 本次設(shè)計 的 作息時間控制系統(tǒng) 采用的是 可編程控器 控制方式。 可編程 控制器的英文為 Programmable Controller，在二十世紀(jì) 7080年代一直簡稱為 PC。由于到 90 年代，個人計算機發(fā)展起來，也簡稱為 PC； 加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大，所以美國 AB 公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器 (PLCProgrammable Logic Controller)，為了方便，仍簡稱 PLC 為可編程序控制器。 國際電工委員會（ IEC）對 PLC的定義是：“ PLC 是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計。 它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令并通過數(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?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。” 由于 PLC 具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、應(yīng)用靈活方便、操作維護(hù)方便的優(yōu)點 ，所以 PLC 已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、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) ,成為工業(yè)自控設(shè)備之首。 在 PLC 應(yīng)用方面，我國 也 很活躍 ，近年來每年約新投入 10萬臺套 PLC 產(chǎn)品，年銷售額 30 億人民幣，應(yīng)用的行業(yè)也很廣。但是與其它國家相比，在機械加工及生產(chǎn)線方面的應(yīng)用，還需要加大投入。 可以預(yù)計 21 世紀(jì)可編程控制器將會有更大的發(fā)展從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計及制造上，會有運算 37 速度更快、存儲容量更大、智能水平更高的品種出現(xiàn)。從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進(jìn)一步向超小型及超大兩個方向發(fā)展。從產(chǎn)品的配套性能上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格會更齊備。完美的人機界面、完備的通訊設(shè)備會更好地適應(yīng)各種工來控制場合的需求。從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r來看，可編程控制器和其 他工業(yè)控制計算機網(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)展主向。伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)或國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。 PLC對實現(xiàn)我國工 業(yè) 自動化有 重要 的意 義 [1]。 雖然用其它三種控制方式也可以實現(xiàn) 作息時間控制的自動化 ，但是用 PLC 控制方式具可靠性高，抗干擾能力強的特點， PLC 無故障時間高達(dá) 30萬小時，更能適應(yīng)惡劣的環(huán)境。鈴聲的 自動控制系統(tǒng)擺脫人工打鈴、打鐘的繁瑣，鈴聲的單調(diào)乏味 ，以及控制時間的長短不便 ，把人們從繁煩的操作中解放出來，也最大限度 的緩解各企事業(yè)單們的資金負(fù)擔(dān)，真正實現(xiàn)打鈴的無人看守。 本人的主要工作 本課題主要通過 研究 PLC來控制打鈴和時間星期顯示來了 解 PLC 的工作原理及編程方法 。 硬件電路的設(shè)計 ,分析電鈴電路了解電鈴的工作原理 ,了解 各種 顯示器 的型號及工作原理 ， 查 閱資料選擇七段譯碼顯示器芯片，分析系統(tǒng)控制的輸入與輸出點數(shù)， 根據(jù)輸入輸出點數(shù)確定 PLC 的型號，設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)的 I/O 接線圖 ， 根據(jù)系統(tǒng)總體要求編寫梯形圖 ， 最后用 GX Developer 軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，調(diào)試的結(jié)果很成功， 該系統(tǒng) 能根據(jù)作息時間表自動控制電鈴 ,有時間 、星期顯示及周末、假期控制功能。 38 第 2 章 方案的論證 繼電器控制 繼電器控制的優(yōu)點是較直觀形象，裝置結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，抗干擾能力強。 但是，這也是隨之帶來的一些問題。絕大多數(shù)控制繼電器在長期磨損和疲勞工作條件下，容易損壞。而且繼電器的觸點容易產(chǎn)生電弧，甚至?xí)墼谝黄甬a(chǎn)生誤操作，引起嚴(yán)重的后果。再者，對一個具體使用的裝有上百個繼電器的設(shè)備，其控制箱將是龐大而笨重的。在全負(fù)荷運載的情況下，大的繼電器將產(chǎn)生大量的熱及噪聲，同時也消耗了大量的電能。并且繼電器控制系統(tǒng) 要是用大量的 硬件控制電路，這在更改方案時，工作量相當(dāng)大， 需要花費大量時間及人力和物力去改制、安裝和調(diào)試， 有時甚至相當(dāng)于重新設(shè)計一臺新的裝置。 總的來說這種控制方式只適用于對控制對象要求不高的小型控制系統(tǒng)中 [2]。 單片機控制 單片微型計算機 (SingleChip Microputer)， 簡稱單片機 ， 就是將微處理器(CPU)、 存儲器 (存放程序或數(shù)據(jù)的 ROM 和 RAM)、 總線 、 定時器 /計數(shù)器 、 輸入 /輸出接口 (I/O 口 )和其他多種功能器件集成在一塊芯片上的微型計算機 。 單片機的主要特點有 ： 可靠性高 、 便于 擴展 、 控制功能強 、 低電壓 、 低功耗 、 片內(nèi)存儲容量較小 ,除此之外單片機還具有集成度高 ， 體積小 ， 性價比高 ， 應(yīng)用廣泛 ， 易于產(chǎn)品化等特點 。 但是，單片機存在不可克服的缺點和弱點，如： 低速 單片機靠執(zhí)行指令來完成各種功能，不論多高的工作時鐘頻率或多么好的指令時序，其排隊式串行指令執(zhí)行方式使得工作速度和效率大打折扣。在高速實時仿真、高速數(shù)據(jù)采集等方面顯得力不從心。 復(fù)位工作方式 單片機工作之初，需花一段時間經(jīng)歷復(fù)位過程；工作時，在某種干擾性突變情況下，也會復(fù)位，復(fù)雜的復(fù)位過程很可能就是工作不可靠的根源。 程序跑飛 偶 然因素，會引起程序跑飛。雖然有 “ 看門狗 ” 或其他抗干擾措施，在極復(fù)雜的情況下，單片機的程序仍存在跑飛的可能，從而進(jìn)入 “ 死機 ” 。 在單片機系統(tǒng)中，單片機的芯片通過印制板與系統(tǒng)中由其他集成電路組成的邏輯電路相連。一旦改變設(shè)計，可能重新制版，加長了開發(fā)周期。 39 PLC 控制 (1)可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采用了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。從 PLC的機外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接 觸控制系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到原來的數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也將隨之大大降低。此外， PLC 具有硬件故障的自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出報警信息。在應(yīng)用軟件中，用戶還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，是系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個系統(tǒng)就具有了極高的可靠性 [3]。 (2)配套齊全，功能完善，適用性強 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各個規(guī)模的系列化產(chǎn)品，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能外，現(xiàn)代 PLC 大多數(shù)具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù) 字控制領(lǐng)域。 (3)易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備，其編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。像梯形圖語言的圖形符號和表達(dá)方式與繼電器電路圖非常接近，只用PLC 的少量開關(guān)邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電接觸器電路的功能。 (4)系統(tǒng)設(shè)計周期短，維護(hù)方便，改造容易 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大地減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計周期大大縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序來改變生產(chǎn)過程成為可能。因此很適合多品種、小批量的生產(chǎn) 場合。 (5)體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，其新近產(chǎn)品的品種底部尺寸小于 100 2mm ，重量小于 150g，功耗 。 僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。 由于作息時間自動控制系統(tǒng)，要求能長期穩(wěn)定工作， 軟件可修改性 強和設(shè)備易于維護(hù)，綜合上述各控制方式的特點該系統(tǒng)采用 PLC 來控制 。 40 第 3 章 可編程控制概述 可編程控制器的基本概念 國際電工委員會（ International Electrical Committee）在 1987 年頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC作了如下定義：“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)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、定時、記數(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(yīng)安裝易于與工業(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?！? (1)可編程控制器是“數(shù)字運算操作的電子裝置”，其中帶有“可以編制程序的存儲器”，可以進(jìn)行“邏輯運算、順 序運算、定時、記數(shù)和算術(shù)運算”工作，可以認(rèn)為可編程控制器具有計算機的基本特征。事實上，可編程控制器無論從內(nèi)部構(gòu)造、功能及工作原理上看都不折不扣的是計算機。 (2) 可編程控制器是“為工作環(huán)境下應(yīng)用”而設(shè)計的計算機。工業(yè)環(huán)境和一般辦公環(huán)境有較大的區(qū)別， PLC 具有特殊的構(gòu)造，是它能在高粉塵、高噪聲、強電磁干擾和溫度變化劇烈的環(huán)境下正常工作。為了能控制“機械或生產(chǎn)過程”，它又要能“易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體”這些都是個人計算機不可能做到的。因此可編程控制器不是普通的計算機，它是一種工業(yè)現(xiàn)場使用的計算機。 (3)可編程控制器能控制“各種類型”的工業(yè)設(shè)備及生產(chǎn)過程。它“易于擴展其功能”，它的程序能根據(jù)控制對象的不同要求，讓使用者“可以編制程序”。也就是說，可編程控制器較其以前的工業(yè)控制計算機，如單片機工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，它可以方便地應(yīng)用在各個場合，是一種通用的工業(yè)控制計算機。 相對一般意義上的計算機，可編程控制器并不僅僅具有計算機的內(nèi)核，它還配置了許多使其適用于工業(yè)控制的器件。它實質(zhì)上是經(jīng)過一次開發(fā)的工業(yè)控制用計算機。但是，從另一個方面來說，它是 一種通用機，不經(jīng)過二次開發(fā)，它就不能在任何具體的工業(yè)設(shè)備上 使用 [4]。 可編程控制器的 發(fā)展歷史 1968 年美國 GM(通用汽車 )公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿足了 GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技 41 術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有第五代 PLC 產(chǎn)品了。 20世紀(jì) 80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中獲得了廣泛的應(yīng)用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制 器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世界。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機及超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各種控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通訊單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)置的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了長足的發(fā)展。 PLC 經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，在美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一。世 界總銷售額不斷上升、生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)、品種不斷翻新。產(chǎn)量產(chǎn)值大幅度上升而價格則不斷下降。 世界上 PLC 產(chǎn)品可按地域分成三大流派：一個流派是美國產(chǎn)品，一個流派是歐洲產(chǎn)品，一個流派是日本產(chǎn)品。美國和歐洲的 PLC 技術(shù)是在相互隔離情況下獨立研究開發(fā)的，因此美國和歐洲的 PLC產(chǎn)品有明顯的差異性。而日本的 PLC 技術(shù)是由美國引進(jìn)的，對美國的 PLC 產(chǎn)品有一定的繼承性，但日本的主推產(chǎn)品定位在小型 PLC 上。美國和歐洲以大中型 PLC而聞名，而日本則以小型 PLC 著稱。目前，世界上有 200 多個廠家生產(chǎn) PLC，較有名的： 美國： AB 通 用電氣、莫迪康公司； 日本：三菱、富士、歐姆龍、松下電工等； 德國：西門子公司； 法國： TE 施耐德公司； 韓國：三星、 LG 公司等。 PLC 的發(fā)展方向及前景 目前，國外 PLC 制造商不斷推出新產(chǎn)品。西門子最初推出 S5 系列，然后推出 S7系列；三菱開始是 F系列， FX系列，現(xiàn)在是 A系列（ A A A2X）。大趨勢是功能越來越多，集成度越來越高，網(wǎng)絡(luò)功能越來越強。特別是