1、集 美 大 学机械与能源工程学院课程设计论文（机电方向）专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机制姓名、学号： 指导 教 师： 答辩 日 期： 2014 年 1 月 15 日 集美大学机制专业（机电方向）课程设计任务书姓名： 院（系）： 机械与能源工程学院专业： 机械设计制造及其自动化 班级、学号：1115 级 号任务起至日期：2014 年 月 日 至 年 月 日课程设计题目：基于 FX2N 系列十字路口交通灯控制（带倒计时显示）立题的目的和意义：现代制造业要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具备极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应这一要求出现的。它已经成为当代工业自动化的三大
2、支柱之一。可编程控制器原理及其应用课程是培养学生具有机电一体化设计能力的技术基础课，其专业课程设计是本课程的重要实践环节，是本专业方向第一次较全面的设计训练。专业课程设计要达到的如下主要目的：1） 培养学生综合运用本课程及其它有关先修课程的知识，去分析、解决实际工程问题的能力，深化、扩展本课程的理论知识；2） 能够对原有的继电器接触控制系统进行改造和设计新的控制系统；3） 使学生掌握可编程控制器系统设计的一般方法和步骤，培养学生独立的工程设计能力，树立正确的设计思想，为今后工作打下良好的本专业工程基础。通过绘制完整的电器原理图，端子接线图，控制流程图，编制相应程序，进行系统调试等环节，掌握 P
3、LC 系统软、硬件设计方法，了解这项技术的最新发展动态，熟悉国家标准，培养学生的基本技能，从而为接下来的毕业设计打下良好的基础和知识积累。技术要求与主要内容：PLC 系统课程设计的一般过程是：从初拟设计方案开始，分析设计电路图，控制流程，并编制相应的指令程序，然后进行必要的实践环节对所设计系统进行调试和正确性检验，最后，编制详细、统一格式的技术文件。1） 绘制输入输出端子图，主电路控制图以及程序流程图、控制梯形图、状态转移图等；2） 根据前述控制分析，并绘出过程时序图；3） 按控制系统设计图接线，并进行系统调试及问题分析；4）编写技术文件。 进度安排：1第一周周一：开题阶段，动员、布置任务。根
4、据题目查阅相关的资料（包括：图书资料和网上资料等），初步规划设计内容和步骤。周四：进入方案设计阶段，初步确定设计方案。这一阶段针对课题本身答疑，不检查程序。2第二周周一：1）绘制输入输出端子图，主电路控制图以及程序流程图、控制梯形图、状态转移图等；2）根据上述控制分析，编制相应指令程序。周四：内容同上。这一阶段针对编程中个别问题答疑，不检查程序。3. 第三周周一：去电工实验室调试程序。周四：检查论文电子档，包括内容及格式。周五：收设计报告，进行答辩。第一、二周的某一天进行现场实习，以提高感性认识：到集美大学现代设计与制造技术中心参观、分析柔性制造系统的 PLC 系统运用。参观机械工程学院实验室
5、。答辩前成果检查的教师意见：年 月 日目录1 绪论11.1 PLC 简介 11.2 十字路口交通信号灯控制系统简介21.2.1 任务叙述21.2.2 控制要求21.2.3 十字路口交通信号灯现场示意图31.2.4 十字路口交通灯设计32 硬件设计72.1 PLC 选择 72.2 其他硬件选择 72.3 硬件连接 83 软件设计 93.1 软件的选择 94 调试过程 104.1 程序调试说明 104.2 系统设计、调试遇到的难点 11结束语 13致谢 14参考文献 15附录 1 指令程序 16附录 2 梯形图 1701 绪论1.1 PLC简介 1985 年，国际电工委员会（IEC）的 PLC 标
6、准草案第三稿对 PLC 做出了如下 义：“PLC 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、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、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”多年来，人们用电磁继电器控制顺序型的设备和生产过程。系统很复杂，查找 排除故障往往非常困难，有时可能会花费大量的时间。现代社会要求制造业对市场 需求做出迅速的反应，生产出小批量、品种多、规格高、低成本和高质量的产品，老式的继电器控制系统已经成
7、为实现这一目标的巨大障碍。显然，在这种思想下，PLC 迅速发展，并在工业上得到广泛的应用。 1968 年，美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司（GM）提出了研制 PLC 的基本设想，即：能用于工业现场；能改变其控制“逻辑”，而不需要变动组成它的组件和修改内部接线；出现故障时，容易诊断和维修。 1969 年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台 PLC。我国有不少厂家研制和生产过 PLC，近年来国产 PLC 有了很大的发展，但是目前我国使用的 PLC 主要还是国外的品牌的产品。1、PLC 的基本结构 PLC 主要由 CPU 模块、输入模块、输出模块、和编程模块组成(见图 1-1)。图 1-
8、1 PLC 组成模块示意图12、PLC 的工作原理PLC 有两种工作模式，即运行模式和停止模式。在运行模式，PLC 通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使 PLC 的输出及时的响应可能随时变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到 PLC 停机或切换到 STOP 模式。除了读取外部输入信息，执行用户程序和将程序执行的结果送到输出模块之外，在每次循环过程中， PLC 还要完成内部处理，通信服务等工作，一次循环分为 5 个阶段。PLC 的这些周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 五个阶段：内部处理阶段;通信服务阶段;输入处理阶段;程序执行阶段; 输出处理
9、阶段。1.2系统简介1.2.1 题目与任务描述题目：十字路口交通灯控制（带倒计时显示）。信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮，东西和南北的 LED 数码管由 25 秒开始倒计时，当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭，LED 管复位显示 25。1.2.2 控制要求（1）南北红灯亮维持 25 秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持 20 秒；东西和南北的 LED 管也开始有 25 秒开始倒计时，到 20 秒时，东西绿灯闪亮，闪亮 3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持 2 秒。到 2 秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄
10、灭，绿灯亮，东西和南北的 LED 数码管又由 25 秒开始倒计时。（2）东西红灯亮维持 25 秒。南北绿灯亮维持 20 秒，然后闪亮 3 秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持 2 秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。（3）依照上述时序，周而复始21.2.3 十字路口交通信号灯现场示意图图 1-2-1 交通灯现场示意图1.2.4 十字路口交通灯的设计（1）整体工作流程图如图 2-2 所示图 1-2-2 交通信号灯流程图3（2） 十字路口交通灯时序图图 1-2-3 交通灯时序图4（3） 十字路口交通灯 I/O 分配表（如表 1、表 2）表 1 I/O 分配表表 2 数码管 O 口分配表（4）I/O 接
11、线图输入 输出文字符号 信号地址 说明 文字符号 信号地址 说明SB X0 交通灯启动开关 H1 Y0 南北红灯亮H2 Y1 南北黄灯亮H3 Y2 南北绿灯亮H4 Y3 东西绿灯亮H5 Y4 东西黄灯亮H6 Y5 东西红灯亮数码管 1 A Y10 数码管 1B Y20B Y11 B Y21C Y12 C Y22D Y13 D Y23E Y14 E Y24F Y15 F Y25G Y16 G Y265图 1-2-4 I/O 接线图62 硬件设计2.1 PLC选择本控制系统选用了三菱的 FX2N-48MR 这一型号的小型 PLC. FX2N-64MR 是小型化、高速度、高性能装置，有 48 个输入
12、和输出点，而我们只需要 1 个输入点和 20 个输出点，所以相当充足。除此之外，这一型号的 PLC 还适用于在多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,而且系统配置既固定又灵活是一套可以满足多样化广泛需要的 PLC。因此本系统选择了这一型号的 PLC。2.2 其他硬件选用型号为 DZ47-60 C10 的低压断路器和型号为 RT14-32 32A-380V 的熔断器组合使用来保护电路，并且使用了上海明纬电子有限公司的 220VAC24DC 的转换电源给电路供电。因为这些低压电器都是现有的东西，我们当然要充分利用了。用发光二级管（串接相应电阻保证 24V 压降）来代替交通信号灯。二极管
13、在电流约 5-30mA 都可以正常工作；取电流 11mA，计算得出的串联的电阻为2000。硬件名称 型号 数量可编程控制器 三菱 FX2N-64MR 1 台中间继电器 220V,5A 12 个低压断路器 DZ47-60 C10 1 个熔断器 RT14-32 32A-380 1 个转换电源 220VAC24DC 1 个电阻 2000 20 个导线 0.5mm 若干发光二极管 2V 12 个表 3 其他硬件选用72.3 硬件连接硬件连接需要根据附录中的各图进行相应的连接，首先要根据布置图进行大体的硬件布置规划，将相应的器件安装到相应的地方。然后，根据 PLC 的输入输出端接线图进行相应的连接，并根
14、据转换电源图把转换电源和 PLC 相连接，最后再根据控制电路电气原理图把控制电路和其他部分相连接。同时我们尽量做到线路敷设平直，固定点位置正确，导线剖削规范，线路安装正确，导线压接规范，元件安装整齐、紧固。83 软件设计3.1 软件的选择至于编写程序的软件，本系统的设计使用了三菱电机的 SWOPC-FXGP/WIN-C 编程软件，它是专为 FX 系列 PLC 设计的中文编程软件，可在 Windows9x、Windows3.1以上操作系统运行。此软件可用梯形图、指令表、顺序功能图符号来创建 PLC 的程序，并可将程序储存为文件，用打印机打印出来。可给编程元件、程序块建立注释、设置寄存器数据。通过
15、串行口，可将用户程序与 PLC 进行通讯、文件传送，可实现各种监控和测试功能。所以，我们利用里面的梯形图和指令表进行编程。而且，我们一直学的就是这个软件，我们比较熟悉，使用起来也比较方便。至于画图软件本系统当然也选用了我们所熟悉且能够熟练使用的 AutoCAD 2004。94 调试过程4.1 程序调试1 系统所需的所有定时器设置2 南北红灯亮 25s，东西绿灯亮 20s 后，闪烁 3s，利用 M8013 产生 1s 的脉冲信号控制东西绿灯的闪烁。3 东西绿灯后，东西黄灯亮 2s 熄灭。4 东西红灯亮 25s，南北绿灯亮 20s 后，闪烁 3s，利用 M8013 产生 1s 脉冲信号控制南北绿灯
16、的闪烁。105 南北绿灯熄灭后，南北黄灯亮 2s。6 通过 7 段数码管 25s 倒计时显示，启动开关关闭时数码管 25s 复位，启动时，数码管 25s 开始倒计时。4.2系统设计、调试遇到的难点1 绿灯闪烁（1）利用程序构成一个闪光信号灯，改变输入口的置数开关可以改变闪光频率（即信号灯亮 ts，熄 ts）。（2）利用三菱 FX2N PLC 中特殊继电器 M8013 是 1s 时间脉冲。112 数码管倒计时显示当启动开关启动时，将 25 值给寄存器 D0，并将 D0 除以 10，得到的余数给 D2,整数给D1,并利用七段码译码指令 SEGD 功能驱动数码管显示；再利用 M8013 每秒给一个脉
17、冲对寄存器 D0 进行减 1 处理。12结束语通过对本课题的编程设计，不但进一步巩固和加深我们对自己所学的可编程控制器、电工基础、电子技术、维修电工等基础理论知识、基本技能的掌握，使之更系统化，而且增强我们通过所学的基础理论知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，同时培养自己的自学能力。而另一方面，我们通过对自己的 PLC 应用能力的训练，使自己能够进行 PLC 系统设计和实施。并且掌握了一般自动控制系统的工作原理和设计思路。通过对十字路口交通灯的 PLC 控制系统的设计也使我们对国情和工业生产实际有所认识，并且摆正了自己设计思想，使我们设计出的程序更符合实际生产中的应用（虽然我们只是模拟
18、真正的十字路口交通灯控制系统）。了解了 PLC 在自动控制中的运用，可编程序控制器（简称 PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动化控制装置，它专门为工业控制而设计，具有功能强，编程简单，使用方便等优点，在现代工业自动控制中使用越来越广泛。 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
19、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 PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。 在设计的过程中，对于自己设计参数是一个很让人头疼的问题，所以通过本次论文，我也感到自己在这些方面还有很多的不足，要在这方面加强练习，程序的套路是很多种的，我们要学会在其中找到最优的方案，这样不仅可以提高自己的编程水平，还可以让我们编写的程序达到最佳的运行状态，为程序节约运行时间是非常重要的，这也让我明白了时间的重要性。 13致谢转眼三星期的课程设计结束了，从开题前的期待，到开题时的激动，再到开题后的迷茫。可谓是一波三折，这期间多亏了弓老师、雷老师以及王老师悉心指导和解疑，才让我拨开
20、云层见日月，顺利的完成我的课程设计。这也让我明白了，理论与实际应用中间存在着我们自身的这个桥梁，只有当我们这座桥梁搭好了，实际才能正比于理论。虽然只有仅仅三周的时间，但这是我自己用自己所学所思实践出来的成果；时间看是短暂，所学的东西确是非凡，如果说课堂上学的是基础，那么这段时间的实践那就是提升。大学四年也悄悄地临近结束，如果问我到现在学到什么东西，之前我估计会不知所答，不过这学期结束后，我会毫不犹豫的说 PLC 课程设计。感谢弓老师一学期的辛苦教学，引领我们进入 PLC 的学习；感谢雷老师和王大镇老师在课程设计过程中的悉心指导；同时也感谢同学们热心帮助。14参考文献1 史国生.电气控制与可编程
21、控制器技术,化学工业出版社，20102 贾德胜PLC 应用开发使用子程序人民邮电出版社，2006 3 余国亮PLC 原理与应用：三菱 FX 系列清华大学出版社，2005 4 钱锐PLC 应用技术科学出版社，2006 5 李建厚PLC 原理与应用设计化学工业出版社，2005 6 廖常初PLC 基础及应用机械工业出版社，2003 7 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，2004 8 张进秋，陈永利，张中民可编程控制器原理应用实例机械工业出版社，2004 9 赵家礼图解维修电工操作技能机械工业出版社，2006 10孙振强可编程控制器原理及应用教程清华大学出版社，2005 11方承远工厂电气控制技术机械工业出版社，2000 12吕景泉可编程序控制器及其应用机械工业出版社，2005 13闫坤电器与可编程序控制器应用技术清华大学出版社，2007 15附录 1 指令程序程序梯形图如下图程序指令梯形图16附录 2 指令程序程序指令表1718
