可编程控制器原理与及实践课程设计实验报告

可编程控制器原理与及实践
课程设计
实验报告
目录
一、PLC课程设计目的及要求----------------------3
二、PLC的技术特点及应用------------------------3
三、课程设计内容--------------------------------5
3.1智能抢答器系统-----------------------------5
3.1.1控制要求
3.1.2I/O编址，梯形图及运行过程分析
3.1.3 PLC硬件连接图
3.1.4 总结与体会
3.2 自动交通灯系统----------------------------9
3.2.1控制要求
3.2.2I/O编址，梯形图及运行过程分析
3.2.3 PLC硬件连接图
3.2.4 总结与体会
3.3 小球分拣器系统----------------------------15
3.3.1控制要求
3.3.2I/O编址，梯形图及运行过程分析
3.3.3 PLC硬件连接图
3.3.4 总结与体会
3.4 电梯模型----------------------------------19
3.4.1控制要求
3.4.2I/O编址，梯形图及运行过程分析
3.4.3 PLC硬件连接图
3.4.4 总结与体会
一、PLC课程设计目的及要求
课程设计目的：
（1）通过对实际的PLC控制系统的编程训练，提高分析问题、解决问题的能力；
（2）熟悉工业生产中PLC的应用和系统构成，了解PLC控制的电路的设计方法。

（3）通过本次课程设计增进实际动手能力的培养。

（4）用PLC实现工件加工模型，四层电梯模型的运动控制和模拟系统的程序设计，掌握编程的一般方法和技巧。

课程设计要求：
（1）理解实际系统的运动过程，分解动作过程使之容易编程。

（2）列写PLC控制系统的I/O配置。

（3）画出硬件电路图，实现PLC与控制装置的连线。

（4）编写梯形图程序，完成系统的调试。

（5）完成课程设计报告。

二、PLC的技术特点及应用
PLC是一种数字运算的电子系统，转为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程的存储器，用来在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、模拟式的输人和输出。

控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关设备，都是按易与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。

PLC是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。

1. 可靠性高，抗干扰能力强
为了限制故障的发生或者在发生故障时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，各PC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PC具有了很强的抗干扰能力。

2. 通用性强，控制程序可变，使用方便
PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。

用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。

因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。

3. 功能强，适应面广
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。

既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。

4. 编程简单，容易掌握
目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。

既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。

PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内
部增加了解释程序）。

与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。

5. 减少了控制系统的设计及施工的工作量
由于PLC采用了软件来取代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，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。

同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。

并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。

6. 体积小、重量轻、功耗低、维护方便
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。

并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

PLC既可控制简单系统，又可控制复杂系统。

它的应用可大致归纳为如下几类：
1．逻辑控制
PLC在开关逻辑控制方面得到了最广泛的应用。

用PLC可取代传统继电器系统和顺序控制器，实现单机控制、多机控制及生产自动线控制，如各种机床、自动电梯、高炉上料、注塑机械、包装机械、印刷机械、纺织机械、装配生产线、电镀流水线、货物的存取、运输和检测等的控制。

2．运动控制
运动控制是通过配用PLC的单轴或多轴等位置控制模块、高速计数模块等来控制步进电动机或伺服电动机，从而使运动部件能以适当的速度或加速度实现平滑的直线运动或圆弧运动。

可用于精密金属切削机床、成型机械、装配机械、机械手、机器人等设备的控制。

3.过程控制
过程控制是通过配用A／D、D／A转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行单回路或多回路闭环调节控制，使这些物理参数保持在设定值上。

在各种加热炉、锅炉等的控制以及化工、轻工、食品、制药、建材等许多领域的生产过程中有着广泛的应用。

4．数据处理
许多PLC具有数学运算(包括逻辑运算、函数运算、矩阵运算等)、数据的传输、转换、排序、检索和移位以及数制转换、位操作、编码、译码等功能，可以完成数据的采集、分析和处理任务。

这些数据可以与存储在数据存储器中的参考值进行比较，也可传送给其他的智能装置，或者输送给打印机打印制表。

数据处理一般用于大、中型控制系统，如数控机床、柔性制造系统、过程控制系统、机器人控制系统等。

5．多级控制
多级控制是指利用PLC的网络通信功能模块及远程I／O控制模块实现多台PLC之间的链接、PLC与上位计算机的链接，以达到上位计算机与PLC之间及PLC与PLC之间的指令下达、数据交换和数据共享，这种由PLC进行分散控制、计算机进行集中管理的方式，能够完成较大规模的复杂控制，甚至实现整个工厂生产的自动化。

课程设计内容
一智能抢答器系统
1．控制要求:
1）抢答器同时供6名选手或6个代表队比赛，分别用6个按钮X0 ~ X5表示。

2）设置一个系统清除和抢答控制开关X9，该开关由主持人控制。

3）抢答器具有锁存功能。

即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示(分别显示灯为Y0-Y5)，同时扬声器发出报警声响(Y6)提示。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

4）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。

当主持人启动"开始"键(X6)后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响(Y9)，声响持续的时间0.5秒左右。

5）参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号，并保持到主持人将系统清除为止。

6）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警（Y11）并禁止抢答.
2.I/O编址，编程并调试。

（1）变量声明表
X2 选手3的抢答键Y1 锁存2号抢答信号X3 选手4的抢答键Y2 锁存3号抢答信号X4 选手5的抢答键Y3 锁存4号抢答信号X5 选手6的抢答键Y4 锁存5号抢答信号
Y5 锁存6号抢答信号（2）I/O配置表
（3）梯形图
(4)运行过程分析：
首先，主持人宣布抢答开始按下host键，抢答开始并开始计时30s，同时begin_alarm得电发出0.5s的警报声响。

抢答开始后，若1~6号选手在30s内按下抢答键X0~X5，抢答有效，定时器停止工作，则对应的Y0~Y5得电显示抢答选手编号并禁止其他人抢答，同时ansget_alarm得电发出0.5s的警报声响。

抢答开始后，如果选手在30s内没有抢答，本次抢答无效，noans_alarm得电发出0.5s的警报声响并禁止抢答。

最后，按下sysclr键清零。

3.PLC硬件电路连接图
4.总结与体会
抢答器的设计较为简单，可通过自锁和互锁来实现简单的抢答选手编号锁存功能。

在基础功能的基础上拓展出一些附加报警功能即可。

开始抢答报警，只需在host 键按下，抢答开始，输出一段持续0.5s 的高电平。

无人抢答报警，如果无人抢答，计时器30秒计时可计时完全不被中断，到30s 后计时器输出高电平，此时输入0.5s 的高电平即可实现无人抢答报警。

有人抢答报警，有人抢答时ans_get 为1，此时再输入0.5s 的高电平即可实现有人抢答报警。

在plc 编程过程中，要注意不要有两个即以上的相同输出，这样会互相影响，导致结果出不来，把具有相同输出的分支并在一起，这样梯形图看起来美观大方。

ansget_alarm
noans_alarm begin_alarm Y5 Y4 Y3 Y2 Y0 Y1
X2 X3 sysclr
host X5 X4 X1 X0 COM COM
PLC
In1 In2 In1
In3 In4 In5 In6 In7 In8 Out5 Out2 Out3 Out4 Out1
Out6 Out7 Out8 Out9
二、自动交通灯系统
1.控制要求
（一）自动交通灯系统示意图
（二）控制要求
1. 上电运行时系统处于停止状态。

2. 按钮start/stop可实现系统启动/停止控制。

方案1 :南北红灯亮 20秒,东西绿灯亮 15秒后闪亮了3 次(3秒)后,东西黄灯亮2秒后转为:东西红灯亮 20秒;南北绿灯亮 15秒后闪亮 3次(3秒)后灭;南北黄灯亮2秒后循环.
方案2:南北红灯亮 10秒,东西绿灯亮 5秒后闪亮了3 次(3秒)后,东西黄灯亮2秒后转为:东西红灯亮 10秒;南北绿灯亮 5秒后闪亮 3次(3秒)后灭;南北黄灯亮2秒后循环.
方案3:南北和东西黄灯同时亮闪亮5秒1次.
2.I/O编址，编程并调试。

（1）变量声明表
输入Remark 输出Remark start 开始键S0 东西红灯stop 结束键S1 东西黄灯X1 方案1键S2 东西绿灯X2 方案2键S3 南北红灯X3 方案3键S4 南北黄灯
S5 南北绿灯（2）I/O配置表
（3）梯形图
(4)运行过程分析
按下start键启动系统，按X1、X2、X3来选择对应的方案1、2或3。

方案1：
按下X1键时，对南北方向：南北红灯S3得电，计时器开始计时20s；20s 后红灯熄灭，绿灯S5得电，计时器开始计时15s；15s后闪烁电路启动3s使绿
灯闪亮3次；绿灯闪亮3次后黄灯S4得电，计时器开始计时2s，2s后黄灯熄灭红灯得电，由此循环。

按下X1键时，对东西方向：东西绿灯S2得电，计时器开始计时15s；15s 后闪烁电路启动，3s使该绿灯闪亮3次；之后绿灯熄灭，黄灯S1得电，并且计时器开始计时2s；2s后黄灯熄灭东西红灯S0得电，并且计时器开始计时20s,20s 后红灯熄灭绿灯得电，由此循环。

方案2：
按下X2键时，对南北方向：南北红灯S3得电，计时器开始计时10s；10s 绿灯S5得电，计时器开始计时5s；5s后闪烁电路启动3s，使南北绿灯闪亮3次；接着绿灯熄灭黄灯S4得电，计时器开始计时2s，2s后红灯得电，由此循环。

按下X2键时，对东西方向：东西绿灯S2得电，计时器开始计时5s；5s后闪烁电路启动，3s使该绿灯闪亮3次；之后绿灯熄灭，黄灯S1得电，计时器开始计时2s；2s后黄灯熄灭红灯S0得电，计时器开始计时10s,,10s后绿灯得电，由此循环。

方案3：
按下X3键，东西黄灯S1，南北黄灯S4同时得电，闪烁电路启动，5s使黄灯闪亮一次。

3.PLC硬件电路连接图
4.总结与体会
编写红绿灯程序时可以先画出一个周期内的红绿灯的时序图，根据输出来决定如何编写，同时一个难点是使绿灯3秒内闪烁3次，黄灯循环闪烁过程中闪烁功能的实现。

闪烁功能，我们通过构造一个按固定规律0与1之间变化的中间变量H1、H2来实现。

做出方案1东西红绿灯的时序图如下：
S5
S4 S3 S2 S0 S1
X1 X2 X3
stop start COM COM
PLC
In1 In2 In1 In3 In4 In5
Out5 Out2 Out3 Out4 Out1
Out6
开始start
东西红灯S3
东西黄灯S4
东西绿灯S4
0s 20s 35s 38s 40s
由时序图可以很清晰看出我们需要的输出，和整个的循环过程，帮助我们理解整个过程。

三、小球分拣器系统
1、控制要求
（一）小球分拣系统示意图
(二) 控制要求：
（1）机械臂起始位置在机械原点（见图），为左限、上限并有显示。

（2）有起动按钮和停止按钮控制运行，设停止时机械臂必须已回到原点。

（3）起动后，机械臂动作顺序为：下降→吸球→上升（至上限）→右行（至右限）→下降→释放→上升（至上限）→左行返回（至原点）。

（4）机械臂右行时有小球右限（LS4）和大球右限（LS5）之分；下降时，当电磁铁压着大球时，下限开关LS2断开（=“0”）；压着小球时，下限开关LS2接通（=”1”）。

2.I/O编址，编程并调试。

（1）变量声明表
（2）I/O配置表
（3）梯形图
(4)运行过程分析:
系统只有处在原点时，关闭键可以关闭整个系统。

系统开启时，机械臂必定在原点，左限探测器LS1，上限探测器LS3均为1。

（1）原点处，机械臂电磁铁不工作，为无球即电磁铁不工作Yget=0，左限探测器LS1，上限探测器LS3均为1，机械臂下降Ydown=1。

（2）机械臂下降过程中，不再位于上限LS3=0，下降到一定程度，机械臂接近球，接近开关PS0=1，此时运用中间变量LSM记录LS2的状态（LS2=1，为小球，
LS2=0，为大球）。

接近之后电磁铁工作得球Yget=1,得球之后机械臂上升Yup=1 （3）机械臂带球上升过程中，下限探测器LS2=0，左限探测器LS1=1.机械臂上升到LS3=1即原点处，电磁铁工作Yget=1，机械臂右行Yright=1
(4)机械臂右行过程中，首先经过右限LS4，此时LS3=1，LS4=1，若LSM=1（即拿到的是小球）,机械臂带球下降Ydown=1，Yget=1.若LSM=0（即拿到的球为大球），机械臂继续右行，右行到右限LS5时，此时LS3=1，LS5=1，LSM=0，机械臂带球下降，Yget=1，Ydown=1.
（5）机械臂带球下降，下降至LS2=1，即下限时，产生清零信号YM1。

YM1将Yget清零，机械臂电磁铁不工作小球释放，此时为无球状态Yfree=1.
Yfree=1，LS2=1，LS4或LS5为1，机械臂上升。

（6）机械臂无球上升过程中LS2=0,上升到上限LS3=1。

机械臂上升到上限时LS3=1，LS4或LS5=1,Yfree=1，机械臂左行.
（7）机械臂无球左行到原点后LS1=1，LS3=1，原点显示Yzero=1，可关闭系统，若无关闭信号，机械臂再执行（1）动作.
3.PLC硬件电路连接图
5.总结与体会
小球分拣器的设计基本思想是，机械臂根据它所处的位置及电磁铁工作状态来决定它下一步的动作。

通过一些中间变量可以帮助我们记录一些有用的状态来帮助编程。

例如，LSM 可以记录PS0=1时LS2的状态，即记录电磁铁吸的球是大球还是小球，Mfree 可以来记录机械臂处于无球的一个状态，作为程序的判断条件。

设计自锁时也要根据实际情况设计有效的清零信号，本次设计中，我通过YM1来给Yget 清零，即在放球位置给Yget 一个清零信号，使电磁铁不工作放球。

START LS1 Yzero Yget Yleft Yright Yup Ydown
LS3 LS4 STOP
PS0 LS5 LS2 COM COM
PLC
In1 In2 In1 In3 In4 In5 In6 In7 In8
Out5 Out2 Out3 Out4 Out1
Out6 Yfree
Out7
四、电梯模型
1、控制要求
（一）电梯控制系统示意图
电梯模型
电梯内部
操作面板
（二）控制要求
1.四层电梯按照上与下先请求先响应，以及已经响应向上（或向下）请求必须完成所有的请求后，再响应向下的请求（或向下）的原则设计。

2. 当电梯有内呼和外呼请求信号时必须有记录。

3. 电梯在通电后，先自动关门，再判断升降。

4. 在上升过程中，电梯只响应大于当前楼层的内呼和向上外呼信号。

当到达所呼楼层时电梯停止，定时2秒钟后自动开门，如无干预4秒钟后自动关门，关门后等待2秒钟后再判断运行。

5. 在下降过程中，电梯只响应小于当前楼层的内呼和向下外呼信号。

当到达所呼楼层时电梯停止，定时2秒钟后自动开门，如无干预4秒钟后自动关门，关门后等待2秒钟后再判断运行。

6. 设置上、下限位开关以保护电梯，电梯的上升和下降及开门和关门要软件互
锁。

7. 电梯在上下运动时不能开关门，在自动开关门延时阶段可通过开门和关门按钮进行人工干预开关门。

2.I/O编址，编程并调试。

（1）变量声明表
Xoutup3 3楼向上外呼信号Youtup3 3楼向上外呼信号灯Xoutdown3 3楼向下外呼信号Youtdown3 3楼向下外呼信号灯Xoutdown4 4楼向下外呼信号Youtdown4 4楼向下外呼信号灯Xopen 电梯开门信号
Xshut 电梯关门信号
（2）I/O配置表
（3）梯形图
(4)运行过程分析
电梯有4种工作状态：1、待响应状态-Mzero，2、处理上行任务状态-Mup ,3、处理下行任务状态-Mdown，4、处理平层外呼信号状态-Mopen。

电梯的状态在这四者间互相切换。

乘坐电梯可产生的原信号：
外呼：1上-Youtup1
2上-Youtup2 2下-Youtdown2
3上-Youtup3 3下-Youtdown3
4下-Youtdown4
内呼：1楼位置内呼Xin2-内呼上2楼Xinup2
内呼Xin3-内呼上3楼Xinup3
内呼Xin4-内呼上4楼Xinup4
2楼位置内呼Xin1-内呼下1楼Xindown1
内呼Xin3-内呼上3楼Xinup3
内呼Xin4-内呼上4楼Xinup4
3楼位置内呼Xin1-内呼下1楼Xindown1
内呼Xin2-内呼下2楼Xindown2
内呼Xin4-内呼上4楼Xinup4
4楼位置内呼Xin1-内呼下2楼Xindown1
内呼Xin2-内呼下3楼Xindown2
内呼Xin3-内呼下4楼Xindown3
接收到的原信号归类：
所接收的信号根据电梯的位置可归类为以下状态的信号：
处理上行任务状态-Mup：Mup2-上到2楼 Mup3-上到3楼 Mup4-上到4楼处理下行任务状态-Mdown Mdown1-下1L Mdown2-下2L Mdown3-下3L
处理平层外呼信号状态Mopen-平层外呼
电梯的上升下降动作输出：
（1）当电梯为待响应状态时，给予任意一个外呼信号。

外呼信号和电梯的位置决定电梯处于何种状态。

1、若外呼和电梯位置处于同一层，则处于平层外呼状态，无干预电梯门2s 后开启Yopen=1，4s后关闭Yshut=1。

2、若外呼和电梯位置不处于同一层，则电梯先处于处理上行Mup或下行Mdown任务状态，电梯关门后电梯上升Yup=1或下降Ydown=1，到达外呼楼层后再处于平层外呼状态。

（2）当电梯已处于运行状态时，给予多个内呼，外呼响应。

1、电梯处于处理上行任务状态Mup时，电梯每次关门后，电梯位置和向上响应决定有效的向上响应。

电梯只响应有效的上行响应上升Yup=1，直到所有的有效上行响应结束，处理上行任务状态结束，进入其他状态。

2、电梯处于处理下行任务状态Mdown时，电梯每次关门后，电梯位置和向下响应决定有效的向下响应。

电梯只响应有效的下行响应下降Ydown=1，直到所有的有效下行响应结束，处理下行任务状态结束，进入其他状态。

（3）当所有任务处理完毕，电梯进入待响应状态。

电梯的开关门输出：
当电梯到达某一楼层，且该楼层有有效的内呼或外呼响应，到达状态Yget=1，且一直持续到电梯下一次上升或下降或进入待响应状态。

当Yget=1时，电梯到达响应楼层，2s后电梯开门，如无干预4s后关门。

开门信号Xopen可使电梯门开启后保持开启状态，关门信号Xshut可使电梯开门后提前关门。

信号的清零：当电梯到达拥有有效响应的楼层，先产生Moff中断信号，中断上升或下降动作。

电梯2s后开门时会产生清零信号，清除到达该层的有效信号，该层的无效信号则会保留待处理。

3.PLC硬件电路连接图
Ysut
X1
4.总结与体会
在编写电梯的PLC 梯形图程序时，由于输入和输出太多，开始不知道从何入手。

后来通过把输入的原信号进行归类，把输入原信号根据电梯的位置归类到数
Xshut
Xopen Youtdown4
Youtdown3 Youtup3 Youtdown2 Youtup2 Youtup1 Yin4 Yin3 Yin2 Yin1 Yup Ydown Yopen Xoutdown4 Xoutdown3 Xoutup3 Xoutdown2 Xoutup2 Xoutup1Xin4 Xin3 Xin2 Xin1 X4 X3 X2 COM COM
PLC
In2 In3 In1 In4 In5 In6 In7 In8 In9 In10 In11 In12 In13 In14 In15 In16
Out1 Out2
Out3 Out4 Out5 Out6 Out7 Out8 Out9 Out10 Out11 Out12 Out13 Out14
量有限、方便操作的信号中间变量中。

变量数量变少之后方便编程。

通过自锁来保存输入的原信号即信号中间变量，当电梯到达某一层时，产生清零信号清除到达该层的有效信号。

通过互锁来避免两个相对的输出同时导通输出。

本次实验中，选取好的中间变量及清零信号是完成梯形图设计的有效保障，如果清零信号选取不好，或中间变量设计混乱，都可能导致程序的错误。

在设计时，要考虑多种情况，完成基础功能过后再完善拓展功能。

通过四次实验的学习，我更加深入地了解了PLC的结构特点，熟悉了PLC 梯形图的编程方法，提高了自己分析问题，解决问题的能力。

我在编写梯形图时也学会利用自锁和清零信号来完成信号的保存和清零，利用互锁来保证相对输出不会同时导通，学会选取合适的中间变量来帮助编程。

在四次实验中，也非常感谢老师对我们小组提供的指点和帮助，今后我也会努力学习基础的知识，掌握到扎实的编程技术。