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1、10/11学年第二学期PLC应用技术 课程设计任务书指导教师：蔡长青 张卓 班级：自动化0841、2班 地点：PLC实验室课程设计题目： 基于PLC的四路摸拟量采集显示系统一、 课程设计目的本课程设计的目的在于培养学生运用已学的PLC控制技术的基础知识和基本理论，加以综合运用，进行PLC控制系统设计的初等训练，掌握运用PLC进行系统控制设计的原则、设计内容和设计步骤，为从事PLC相关的毕业设计或今后的工作需要打下良好的基础。二、 课程设计内容（包括技术指标）1、本系统主要由四路0-5V模拟量、MAD02模拟量采集模块、欧姆龙CPM2A、7段数码管显示四部分组成。2、四路-5V模拟量分别取自滑动
2、变阻器，通过调节滑动变阻器的阻值来获得0-5V的可变电压。3、MAD02是与PLC配套的模拟量转换模块，其输出端直接与PLC的输入通道相接，设置字端口与PLC的输出通道相连接。在采集数据时，只需对PLC的输入输出通道进行操作即可，其具体步骤为：PLC通过13通道向MAD02模块写入设置字，启动MAD02进行转换，等待一段时间，从PLC的输入通道（02、03通道）直接读取数据即可。4、将0-5V的模拟量划分为0-1V、1-2V、2-3V、3-4V、4-5V五个范围，将采集到的实际模拟量与每一个范围的上、下限进行比较，以确定在那个电压范围之内。显示时，只显示实际模拟量所属电压范围的上限值。5、设置
3、两个按钮和四个指示灯。按动按键实现四路模拟量轮流显示，指示灯则分别指示当前显示的是哪一路模拟量。6、设置报警系统，当实际模拟量大于5V或小于0V时，系统停止采集并进入报警状态。三、课程设计原则1、尽可能地满足被控对象的控制要求；2、在满足控制的前提下，力求使控制系统简单、经济；3、保证控制系统安全可靠；4、考虑到被控对象的改进，在选择PLC的I/O数量时，应适当留有余量；四、课程设计步骤1、对控制系统任务和要求作深入的调查研究，明确控制任务：2、选择和确定用户I/O设备：根据传统控制线路，确定出PLC改造所需的各种输入/输出设备，即各种按钮、开关、继电器和接触器等。3、确定系统整体设计方案，选
4、择PLC型号确定系统整体设计方案十分重要，要在全面了解控制要求的基础上确定电气控制方案。根据所选用的电器或元件的类型和数量，计算所需PLC的输入/输出点数，选择合适的点数。由于本设计中只涉及到开关量，因此在选择PLC型号时，只需考虑I/O点数，并有一定的余量（10%15%）选择小型PLC。4、控制系统的硬件设计（1）主电路的设计；（2）确定出输入、输出信号，画出PLC的I/O接线图；5、控制系统的软件设计（1）首先分别设计出全自动洗衣机各部分的控制软件梯形图；（2）整体控制软件梯形图设计；6、联机调试；7、撰写设计说明书。五、时间安排时间内容备注第3周 周一集中讲解课程设计要求，分配设计题目，
5、明确任务和具体安排周二调研、查阅资料、给出设计方案 周三检查设计方案，10：30-11：30 周四调整设计方案 周五上机调试第4周 周一上机调试周二上机调试周三上机调试周四写课程设计报告周五答辩六、 基本要求（一）课程设计报告1控制流程图一张（A4）（手绘）2控制系统硬件设计图一张；（A4）（手绘）3控制系统软件梯形图一张；（A4）（手绘）4设计说明书一份，包括以下内容1) 写出设计计划和基本步骤。2) 写出控制要求并画出设计流程图。3) 画出I/O分配表和I/O接线图。4) 画出具体设计的梯形图，并加以注释。5) 写出调试过程和结果。6) 写课程设计小结。（二）成绩评定标准对学生进行全面考核
6、，重点考核设计图纸、说明书质量；独立思考、独立工作能力，综合运用知识的能力；平时的工作态度及表现；答辩情况。最后按平时表现、报告质量、答辩成绩，其权重分别为0.2、0.4、0.4综合评定成绩，分优、良、中、及、不及格五个等级。组长：刘悦组员：何明军、纪成、刘晓峰、王凤琦、车铭、杨云虹任务分配：任务一绘制系统硬件图、结构示意图、数码管显示任务二CPM2A模拟量模块的使用任务三梯形图设计王凤琦、纪成、杨云虹刘晓峰、何明军、车铭刘悦、纪成目录1 绪论01.1 PLC思路模拟量采集显示所需设备01.2 PLC四路摸拟量采集显示设计的总体思路11.3PLC四路摸拟量采集显示系统的原理11.4电压模拟量采
7、集分段显示数值22. PLC控制器功能介绍22.1 PLC 的基本结构33. 欧姆龙CPM1A-MAD02模拟量采集模块功能介绍43.1配线方案及控制字设置43.2产品规格43.3外部端子分布图53.5 数据转换64. 七段译码显示65. 硬件连接76. 软件编程96.1结构框图96.2 I/O端子表106.3 CPM1A-MAD02控制字的分析与写入106.4程序设计117. 程序调试117.1 调试环境117.2 CX-P 的使用117.3 调试步骤137.4程序时序图137.5 调试结果14总结151 绪论在工业控制系统中，除了遇到开关量信号外，还会遇到另一类物理量，即，模拟量，例如：温
8、度、压力、速度、电压、电流等，他们都是连续变化的物理量。由于计算机CPU只能处理数字量，因此凡是遇到有模拟量的地方，可以运用应用指令对外接模块进行PLC模拟量输入通道进行数据采集、处理和显示。1.1 PLC思路模拟量采集显示所需设备欧姆龙CPM1A-MAD02模拟量采集模块 一块；欧姆龙CPM2A-40CD型PLC模块 一块；WD5稳压电源 一台；滑动变阻器一台；7段数码管显示模块 一块；LED显示灯 五盏；按钮式开关四枚；导线 若干。1.2 PLC四路摸拟量采集显示设计的总体思路WD5稳压电源及滑动变阻器用来提供05电压，其中WD5稳压电源能提供010V电压，连接滑动变阻器并调节滑动变阻器将
9、电压控制在05V，即05V可调节电压。欧姆龙CPM1A-MAD02模拟量采集模块是与欧姆龙CPM2A-40CD型PLC配套的模拟量采集模块，其输出端直接与PLC的输入通道相接，设置字端口与PLC的输出通道相连接。它的输入信号范围:0-10V/1-5V/4-20mA，输出信号范围:0-10V/-10-10V/4-20mA，分辨率:1/256，精度:1.0%(满量程)。欧姆龙CPM2A-40CD型PLC是一种紧凑的，高速可编程序控制器（PC），是为需要每台PC有10120点I/O的系统控制操作而设计，将各种性能综合于一身。本例使用其模拟量设定功能。7段数码管显示模块是由8段发光二极管组成，其中7段
10、发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。可进行动态显示与静态显示，本例采用静态显示。最终由以上设备组成四路摸拟量采集显示系统，并通过应用指令实现其模拟量采集显示功能。1.3PLC四路摸拟量采集显示系统的原理控制滑动变阻器，使其有05V中任意电压输入，启动CPM1A-MAD02模拟量采集模块对其电压进行采集，然后通过MOV指令将转换的数据读入PLC中，最后，通过逻辑转换指令数据的高8位与低8位进行分离，并将分离后的数据送入DM区。数据处理时，我们将05电压模拟量划分为0-1V、1-2V、2-3V、3-4V、4-5V五个范围，将采集到的实际模拟量与每一个范围的上、下限进行比较，
11、以确定在那个电压范围之内。显示时，应用MOV指令将要显示的上限数值的段码送给7段数码管显示模块进行显示即可。1.4电压模拟量采集分段显示数值电压模拟量分段范围0-1V1-2V2-3V3-4V4-5V电压分段显示上限值1V2V3V4V5V1、本系统主要由四路0-5V模拟量、MAD02模拟量采集模块、欧姆龙CPM2A、7段数码管显示四部分组成。2、四路-5V模拟量分别取自滑动变阻器，通过调节滑动变阻器的阻值来获得0-5V的可变电压。3、MAD02是与PLC配套的模拟量转换模块，其输出端直接与PLC的输入通道相接，设置字端口与PLC的输出通道相连接。在采集数据时，只需对PLC的输入输出通道进行操作即
12、可，其具体步骤为：PLC通过13通道向MAD02模块写入设置字，启动MAD02进行转换，等待一段时间，从PLC的输入通道（02、03通道）直接读取数据即可。4、将0-5V的模拟量划分为0-1V、1-2V、2-3V、3-4V、4-5V五个范围，将采集到的实际模拟量与每一个范围的上、下限进行比较，以确定在那个电压范围之内。显示时，只显示实际模拟量所属电压范围的上限值。5、设置4个按钮和四个指示灯。按动按键实现四路模拟量轮流显示，指示灯则分别指示当前显示的是哪一路模拟量。6、设置报警系统，当实际模拟量大于5V或小于0V时，系统停止采集并进入报警状态。2. PLC控制器功能介绍可编程控制器(Progr
13、ammable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：a、电源PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一
14、个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC 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。b. 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢。它按照PLC 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PLC 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
15、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PLC 的可靠性，近年来对大型PLC 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。c、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。d、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PLC 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
16、电路集成，作用PLC 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。e、功能模块：如计数、定位等功能模块f、通信模块 ：如以太网、RS485、Profibus-DP 通讯模块等。3. 欧姆龙CPM1A-MAD02模拟量采集模块功能介绍国际电工委员会给PLC 的定义中指出，PLC 可以通过数字式或模拟式的输入、输出，控制各种类型的生产机械或生产过程。而实际上，小型PLC 主控单元一般不提供模拟量处理功能，只能实现简单的开关量控制任务，性能较高的PLC其特殊功能指令较为丰富，但在工厂自动化应用实践中，常常需要对温度、压力、流量等物理量进行处理，对于这种需要模拟量输入、输出处理的场合，小型
17、PLC 既要充分利用其内部功能模块和扩展模块，还需要外接模拟量单元，如果处理的模拟量信号较少，MAD02 模拟量输入输出单元可满足其控制要求（对于OMRON 小型PLC）。3.1配线方案及控制字设置MAD02 模拟量单元经数据线与主控单元连接到一起，该模拟量单元有四组输入信号，一组输出信号，使用屏蔽导线与现场传感器或执行元件连接，每组信号由三个端子组成，实际应用时每组使用两个端子，其输入、输出的信号性质可通过范围代码设置，信号之间的性质可以不同，例如输入1 选择电压信号，输入2 选择电流信号。输入、输出端子模拟量单元预先已经分组，使用时编号不能修改。为便于配线，端子前后排按顺序交错。3.2产品
18、规格只要总电流小于或等于21mA，电压输出和电流输出可以同时使用。启动电压或电流输出时，写入输出通道的数据有效。启动电压或电流输入时，从输入通道读数据有效。不用的输入回路，将其电压输入端子短接。3.3外部端子分布图未使用1413未使用公共输入41211电流输入4电压输入4109公共输入3电流输入387电压输入3公共输入265电流输入2电压输入243公共输入1电流输入121电压输入1未使用1413未使用未使用1211未使用未使用109未使用未使用87未使用未使用65未使用未使用43公共输出1电流输出121电压输出1 输入端子表 3.4输入/输出范围设置MAD02 模拟量单元每组输入或输出占八位二
19、进制字符，因此一个标准的十六位通道可为模拟量单元分配两组输入或输出，输入/输出通道分配及输入/ 输出通道的IR（主控单元OMRONCPM2AH-40）。根据所选用主控单元的输出通道情况来分配模拟量单元的通道号，CPM2AH40有两个输入通道，000、010，两个输出通道010、011，由于OMRON PLC 具有自动分配通道的功能，因此MAD02 单元所占用的输入通道为002，003，标准通道是16 位存储单元，因此可接受两组模拟量信号；MAD02单元所占用的输出通道为013（MAD02模拟量单元是四输入、一输出的集成单元）。MAD02模拟量输入输出单元的范围代码的设置是关键问题，按该产品的说
20、明，其设置字是“输出通道N”+1，那么这个设置字（通道）的编号应该是013，也就是013 通道决定该模拟量单元每组输入和输出的信号性质和范围，其中第0 位- 第7 位负责四组输入信号的启动及量程设置，若启动为设置1，则该组输入有效；量程位可选择0 或1，若为0 即采用0-10V 电压信号，若为1，即采用1-5V 电压信号或4-20MA电流信号。由于输出只有一组信号，系统规定第8 位和第9 位负责设置输出信号的性质和范围。范围代码设置完成后要转换成十六进制数，以便编程时使用。位的设定，量程设定值。设置通道只能用于启动位和量程设定，不能作它用，这一点编程一定要注意。3.5 数据转换输入：当现场传感
21、器检测的电压或电流信号在规定的范围内变化时，数据经转换后的数值在002CH 或003CHD 的高八位或低八位范围内变化，变化值为00FF。输出：输出信号选取电压时，因其范围是-10-+10，其转换值最小为80FF-8080-0000-00FF。4. 七段译码显示发光二极管(LED)由特殊的半导体材料砷化镓、 磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件(半导体显示器)。 分段式显示器(LED数码管)由7条线段围成8型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光，有红、黄、绿等色。只要按规律控制各发光段的亮、灭，就可以显示各种字形或符号。使用时，公
22、共阴极接地，7个阳极ag由相应的BCD七段译码器来驱动(控制)。 BCD七段译码器的输入是一位BCD码(以D、C、B、A表示)，输出是数码管各段的驱动信号(以FaFg表示)，也称47译码器。若用它驱动共阴LED数码管，则输出应为高有效，即输出为高(1)时，相应显示段发光。例如，当输入8421码DCBA=0100时，应显示， 即要求同时点亮b、c、f、g段， 熄灭a、d、e段，故译码器的输出应为FaFg=0110011，这也是一组代码，常称为段码。同理，根据组成09这10个字形的要求可以列出8421BCD七段译码器的真值表(未用码组省略)。 MSI BCD七段译码器就是根据上述原理组成的， 只是
23、为了使用方便，增加了一些辅助控制电路。这类集成译码器产品很多，类型各异，它们的输出结构也各不相同，因而使用时要予以注意。图4-17(c)是BCD七段译码器驱动LED数码管(共阴)的接法。图中，电阻是上拉电阻，也称限流电阻，当译码器内部带有上拉电阻时，则可省去。数字显示译码器的种类很多，现已有将计数器、锁存器、译码驱动电路集于一体的集成器件，还有连同数码显示器也集成在一起的电路可供选用。5. 硬件连接 由WD5稳压电源选用5V档，引出接线连于滑动变阻器两端，再由滑动变阻器向欧姆龙CPM1A-MAD02模拟量采集模块提供05V可变直流电压也就是我们所要采集的模拟量。将四路直流5V可变电压正极分别接
24、在MAD02的四个电压输入端负极接在COM口处。CPM1A-MAD02于plc采用内部链接，MAD02将数字华后的信号经过内部总线送到plc中。plc经过数据处理将采集来的不同数字依照程序指令分别驱动输出COM口点亮7段数码管显示器，输出COM口10.0010.06分别接在7段数码管显示的ag输入口。此外还有四路模拟量控制装置和报警信号灯分别与PLC相连，具体硬件接线图如下图所示。_+_CPM1A-MAD02-CH250E10K0VV+电压输入I+COM250E10K0VV+电流输入I+COMFG屏蔽电缆CPM1A-MAD02-CHV+COMI+屏蔽电缆电压输出电流输出+-0VFG输出接线图
25、输入接线图6. 软件编程6.1结构框图6.2 I/O端子表输入0.01SB1输出10.0a10.1b10.2c0.02SB210.3d10.4e10.5f0.03SB310.6g10.7dp11.0LED10.04SB411.1LED211.2LED311.3LED46.3 CPM1A-MAD02控制字的分析与写入在设计程序过程中首先要有PLC向MAD02中传送控制字，由CPM1A-MAD02的控制字是由PLC的第13口送到MAD02中。下表为MAD02的控制字的确定方法位76543210输入4输入3输入2输入1启动量程启动量程启动量程启动量程位15141312111098不使用输入4入3输输
26、入2输入1输出 111平均值启动量程项目内容输出量程0:010V/420mA 1:-10+10V/420mA启动位0:不使用 1:使用 项目内容输入量程0:010V 1:15V/420mA启动位0:不使用 1:使用平均值0:不使用 1:使用 我们输入的量程选取为05V所以输入量程均为1启动量程也设置1，出入通道为010V同样，平均值不适用均为0两个高位始终是1，由此可以写出MAD02的控制字二进制代码为1100001011111111B转换为十六进制是C2FFH。6.4程序设计首先启动PLC于MAD02模块并且设置系统初始状态显示为0，然后由MAD02采集05V模拟量，当PLC得到信号后启动转
27、换程序，经过一段延时后转换完成。转换完成的数字值和预定范围比较去，确定数值区域后调用显示子程序将该区域应显数字信号送出，最后再经过片刻延时会，继续循环采集。在程序设计中主要采用了转移指令、比较指令、调用指令、逻辑与指令，具体程序梯形图见附图。7. 程序调试7.1 调试环境本次课程设计用到的软件是CX-Programmer。CX-Programmer 是一个用于对Omron CS1 系列 PLC、CV 系列 PLC、以及C 系列 PLC 建立、测试和维护程序的工具。它是一个支持PLC 设备和地址信息、 OMRON PLC 和这些PLC 支持的网络设备进行通信的方便工具。7.2 CX-P 的使用
28、启动 CX-P 后，窗口显示如下图： 单击“文件”菜单中的“新建”或快捷按钮空白页，出现如下图所示 “改变 PLC”对话框。把设备类型改成CPM2*。（3）点击确定就能进入如下图所示进行编程了7.3 调试步骤1）编辑PLC的四路摸拟量采集显示的梯形图；2）把所有硬件正确连接；3）点击工具栏中的“PLC”，再点击“在线工作”；4）把程序传送到PLC 中；5）点击“运行”按钮，就可以根据程序进行调试了；6）根据输入输出端子口来实现自动扶梯的正转反转，加速减速等功能。7.4程序时序图7.5 调试结果在整个调试的过程中，我们遇到了不少问题和困难，在设置CPM1A-MAD02的控制字时，遇到了一些麻烦，
29、困扰了很长时间，不过后来查看了MAD02使用手册，经过仔细阅读终于得到解决。诸如此类的问题还有不少，但是后来都能一一解决。这也提醒了我们，在碰到问题而不知道怎么解决的时候，可以多参考一下书上的内容，然后再结合实际，会有很多进步的。总结通过 PLC 课程设计，我们了解到自动扶梯的运行原理及改造方法，同时也明白PLC控制的重要性，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。和学别的学科一样，在学完PLC 理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。我们做的基于PLC 的自动扶梯多
30、功能变频节能控制系统设计。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我们基本学会了PLC 设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。通过这次设计实践。我学会了PLC 的基本编程方法，对PLC 的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC 中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对
31、PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表过能力。通过此次课设，让我了解了PLC 梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC 设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方
32、法。虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。做事要学思结合。参考文献：1 韩顺杰，吕树清，蔡长青. 电气控制技术.北京大学出版社.2张万忠，等。可编程序控制器入门及应用中国电力出版社，2009.3金德华，基于小型PLC 的模拟量接口位置伺服系统研究与实践电气传动杂志，2009 , 9.4高钦和，可编程控制器应用技术与设计实例人民邮电出版社2005.
