基于PLC的電子計算器設計論文

西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 畢業(yè) 任務書 一、題目 基于 PLC的電子計算器 二、指導思想和目的要求 PLC 即可編程邏輯控制器 （可編程控制器件 Programmable Logic Controller）是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，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過程。 PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設 計。 可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種機械或生產過程 。 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的 F系列 PLC平均無故障時間高達 30 萬小時。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。從 PLC的機外電 路來說，使用 PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。 三、主要技術指標 1.實現(xiàn)簡單的四則運算，要求完成梯形圖并且運行正常，掌握所涉及到的命令指令，了解各模塊功能。 設計 論文 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 2 2.實現(xiàn)組態(tài)的實時監(jiān)控，要求完成模擬畫面并且能夠進行模擬運算。 四、進度和要求 1.第 1 3 周：布置畢業(yè)設計及英譯漢任務，學習組態(tài)軟件組態(tài)王 V6.53。查閱資料，完成總體設計方案論證，確定控制系統(tǒng)框圖。 2.第 4周：研究普通計算器的控制系統(tǒng)的組成和控制方法。 第 5周：確定控制系統(tǒng)具體詳細的方案。 3.第 6 7周：對 PLC 進行點的分配，用梯形圖編程，組態(tài)王做上位監(jiān)控畫面。 4.第 8 9周：實際調試，并按要求編寫論文初稿，交指導老師審閱修改。 5.第 10 11周：修改論文第二稿。 6.第 12 13周：定最終稿打印，復印，交評閱。 7.第 14 15周：準備答辯，評閱，答辯 五、主要參考書及參考資料 1 王冬青 ,丁峰 . 歐姆龍 CP1 系列 PLC 原理與應用 . 1 版 M. 電子工業(yè)出版社 ， 2011. 2 廖常初主編 .PLC 編程及應用 .3版 M.北京：機械工業(yè)出版社 ,2008. 3 程周主編 .歐姆龍系列 PLC設計實踐 . 1 版 M.北京：中國石油工業(yè)出版社，2007. 4 洪志育主編 .例說 PLC. 1版 M.人民郵電出版社， 2006. 5張鳳珊電氣控制及可編程序控制器 2 版 M北京 : 中國輕工業(yè)出版社，2003 6 史國生電氣控制與可編程控制器技術 . 3版 M北京 : 化學工業(yè)出版社， 2010. 7 吳中俊 ,黃永紅 .可編程序控制器原理及應用 M.北京 :機械工業(yè)出版社 ,2005. 8 王永華 .現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應用技術 M.北京 :航空航天大學出版社 ,2003. 學生 _ 張婉 _ 指導教師 _ 馮超 _ 系主任 _ 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 3 摘 要 在人們日常生活中，買東西、記賬、學習等等，凡是與數(shù)有關的，我們都可以用到計算器，可見計算器真的很重要。計算器一般由運算器、控制器、存儲器、鍵盤、顯示器、電源和一些可選外圍設備及電 子配件通過人工或機器設備組成。從某種角度而言，廣義的“計算機”是包括“電子計算器”的。 基于 PLC設計的電子計算器比傳統(tǒng)計算器更可靠，更方便，性能更好，更容易適應當今高速發(fā)展的社會，大大方便了人們的生活。隨著電子計算器地不斷發(fā)展，以及它的使用范圍越來越廣，未來對電子計算器的需求量會越多，而 PLC作為當代最先進的控制器之一，基于它設計的計算器會比傳統(tǒng)電子計算器有著無法比擬的優(yōu)勢，所以在未來基于 PLC設計的電子計算器這個課題會得到更大的突破。 為了鞏固大學四年所學知識，在本次設計中要實現(xiàn)的功能包括兩點，一是實現(xiàn) 簡單的加減乘除運算，二是利用組態(tài)軟件模擬出計算器的畫面。這就會用到兩個軟件 CX-Programmer 和組態(tài)王，分別用來編寫程序和實現(xiàn)組態(tài)畫面。通過查閱大量的資料，并且在老師的幫助下，完成了梯形圖的設計。在梯形圖中，運用到了 MOV、 FLT 以及浮點型運算等相關指令。再利用組態(tài)王軟件和 PLC 通訊連接，通過組態(tài)王對其進行仿真模擬，實現(xiàn)實時監(jiān)控。 關鍵詞 ： 電子計算器， PLC，梯形圖，組態(tài) 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 4 ABSTRACT In Peoples Daily life, shopping, bookkeeping, learning, etc., all related to the number, we can use the calculator, calculator is really important. Generally calculator made by arithmetic unit, controller, memory, keyboard, display, power supply and some optional peripherals and electronic parts by manual or machine equipment. In some ways, generalized the computer is including the electronic calculator. There are integrated circuit in the electronic calculator, but the function of the calculator is simple, cheap price, good for carrying and good stability. Based on PLC design of the electronic calculator than traditional calculators are more reliable, more convenient, better performance, easier to adapt to the rapid development of society, greatly convenient peoples life. With electronic calculator for development, and its use scope is more and more widely, the future will be more demand for electronic calculator, one of the most advanced controller and PLC as a contemporary, based on the design of the calculator has incomparable advantages than traditional electronic calculator, so this subject is based on programmable logic controller (PLC) in the future design of electronic calculators to get a bigger breakthrough. In order to consolidate the knowledge in the four years at college, in the design in order to realize the functions including two points, one is to realize the arithmetic of simple addition, subtraction, multiplication, and division, but using the configuration simulation computer images. CX - this will be used for two software Programmer and kingview, respectively is used to write procedures and implement the configuration screen. Through consulting a large number of data, and with the help of the teacher, completed the design of ladder diagram. In ladder diagram, using the MOV, PLT and floating-point arithmetic and related instructions. Using the kingview software and PLC communication, through kingview carries on the simulation, real-time 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 5 monitoring. KEY WORDS : Electronic calculators, PLC, Ladder,Configuration 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 6 目 錄 摘 要 . 3 ABSTRACT . 4 第一章 前 言 . 8 1.1 課題來源 . 8 1.2 電子計算器的發(fā)展 . 9 1.2.1 電子計算器的起源 . 9 1.2.2 電子計算器的構成 . 9 1.3 課題研究的意義和目的 . 10 1.3.1 課題的意義 . 10 1.3.2 課題研究的目的 . 11 1.4 控制要求 . 11 1.5 設計任務 . 11 第二章 系統(tǒng)程序設計 . 12 2. 1 PLC 的產生和定義 . 12 2.2 PLC 目前的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢 . 12 2.2.1PLC 的發(fā)展現(xiàn)狀 . 12 2.2.2 PLC 的發(fā)展趨勢 . 13 2.3 OMRON 系列 PLC . 14 2.4 方案對比 . 14 2.4.1 基于單片機設計的電子計算器 . 14 2.4.2 基于 PLC 設計的電子計算器 . 15 2.5 控制程序流程圖及分析 . 15 2.6 系統(tǒng)變量定義及分配表 . 16 2.7 命令語言的介紹 . 17 2.8 梯形圖的編寫 . 19 第三章 控制系統(tǒng)人機界面設計 . 23 3.1 人機界面軟件介紹 -組態(tài)王 . 23 3.2 使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下特點 . 24 3.3 人機界面制作過程 . 25 3.3.1 組態(tài)王監(jiān)控畫面的創(chuàng)建 . 25 3.3.2 設置動畫連接 . 28 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 7 第四章 系統(tǒng)調試 . 32 4.1 對梯形圖進行調試 . 32 4.2 組態(tài)的調試 . 33 4.2.1 加法的檢驗 . 33 4.2.1 除法的檢驗 . 34 4.2.3 減法的檢驗 . 35 致 謝 . 37 參考文獻 . 38 畢業(yè)設計小結 . 39 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 8 第 一章 前 言 1.1 課題來源 人們在日常生活中，算工數(shù)、看時間、量溫度要計數(shù)，清點人數(shù)、記錄成績要計數(shù)，統(tǒng)計產品、了解生產情況要計數(shù)等。人們做任何事情都應心中有數(shù)，廣義的講就是計算，所以計算是十分重要的概念。 我國古代最早采用的一種計算工具叫籌策，又被叫做算籌這種算籌多用竹子制成， 也有用木頭，獸骨充當材料的約二百七十枚一束，放在布袋里可隨身攜帶直到今天仍在使用的珠算盤，是我國古代計算工具領域中的另一項發(fā)明，明代時的珠算盤已經與現(xiàn)代的珠算盤幾乎相同。 17世紀初，西方國家的計算工具有了較大的發(fā)展，英國數(shù)學家納皮爾發(fā)明的 納皮爾算籌 ，英國牧師奧卻德發(fā)明了圓柱型對數(shù)計算尺，這種計算尺不僅能做加減乘除、乘方、開方運算，甚至可以計算三角函數(shù)，指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù)，這些計算工具不僅帶動了計算器的發(fā)展，也為現(xiàn)代計算器發(fā)展奠定了良好的基礎，成為現(xiàn)代社會應用廣泛的計算工具 1642年，年 僅 19歲的法國偉大科學家帕斯卡引用算盤的原理，發(fā)明了第一部機械式計算器，在他的計算器中有一些互相聯(lián)鎖的齒輪，一個轉過十位的齒輪會使另一個齒輪轉過一位，人們可以像撥電話號碼盤那樣，把數(shù)字撥進去，計算結果就會出現(xiàn)在另一個窗口中，但是只能做加減計算。 1694年，萊布尼茲在德國將其改進成可以進行乘除的計算。此后，一直要到 1950年代末才有電子計算器的出現(xiàn)。 計算器是人們日常工作和學習生活中的常用工具，人們利用它代替了許多位數(shù)的復雜計算，包括加減乘除和其他運算。尤其袖珍式液晶顯示電子計算器具有計算迅速、準確、操作 簡單、容易掌握、輕便、耗電省等優(yōu)點，因此，越來越受到人們的歡迎和使用。它的需求廣泛，在計算器的發(fā)展上存在著很大的空間和市場意義，這就給我的設計帶來了意義。我這次設計的電子計算器是基于 PLC西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 9 來制作完成的，該計算器將采用梯形圖編寫來實現(xiàn) 4位數(shù)范圍內的加減乘除基本的四則運算。 PLC是一個可進行數(shù)模、模數(shù)轉換，可進行定位控制等一個功能強大的工業(yè)控制器，具有高可靠性，以它為基礎制作的計算器將具有很高的可靠性。 1.2 電子計算器的發(fā)展 1.2.1 電子計算器的起源 電子計算器是由電子計算機發(fā)展過來的。世界上第一 臺電子計算機 ENIAC在美國賓夕法尼亞大學誕生，由賓州大學莫奇來博士和他的學生愛克特設計。這部機器使用了 18800 個真空管，長 50英尺，寬 30英尺， 占地 1500 平方英尺，重達 30噸（大約是一間半的教室大，六只大象重）。它的計算速度快，每秒可從事 5000次的加法運算，運作了九年之久。由於吃電很兇， 據(jù)傳 ENIAC 每次一開機，整個費城西區(qū)的電燈都為之黯然失色，當時制作它的目的是用來計算炮彈彈道。 隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，為電子計算機提供了一代比一代更有效、更可靠、體積更小的元件。于是便制成了越來越先進的電子 計算機，例如，半導體代替了電子管，集成電路又代替了半導體，大規(guī)模集成電路取代集成電路，并且正向著超大規(guī)模集成電路發(fā)展。 1971年，作為電子計算機的一個分支，世界上第一部袖珍電子計算器由美國加利福尼亞州英特爾公司的年輕工程師小霍夫研制成功 。 此后，美、日、德、英、法等國相竟發(fā)展袖珍計算器，從此電子計算器走上了不斷發(fā)展的康莊大道?，F(xiàn)在的計算器的發(fā)展在其設計上普遍追尋用簡單經濟的技術芯片實現(xiàn)功能齊全的市場產品 ，如日本卡西歐系列科學計算器、佳能 WS，信發(fā) TR 12位數(shù)電子計算器，國外電子計算器正向著智能化 、高精度，小體積方向發(fā)展。中國近年來，電子計算器的發(fā)展也比較迅速，不少廠家推出了與卡西歐科學計算器功能類似的產品，如廣州羅納多計算器、深圳金泰富計算器等，一定程度上實現(xiàn)了計算器芯片的國產化。 1.2.2 電子計算器的構成 計算器一般由運算器、控制器、存儲器、鍵盤、顯示器、電源和一些可選外圍設備及電子配件通過人工或機器設備組成。低檔計算器的運算器、控制器由數(shù)字邏輯電路實現(xiàn)簡單的串行運算，其隨機存儲器只有一、二個單元，供累加存儲西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 10 用。高檔計算器由微處理器和只讀存儲器實現(xiàn)各種復雜的運算程序，有較多的隨機存儲 單元以存放輸入程序和數(shù)據(jù)。鍵盤是計算器的輸入部件，一般采用接觸式或傳感式。為減小計算器的尺寸，一鍵常常有多種功能。顯示器是計算器的輸出部件，有發(fā)光二極管顯示器或液晶顯示器等。除顯示計算結果外，還常有溢出指示、錯誤指示等。計算器電源采用交流轉換器或電池，電池可用交流轉換器或太陽能轉換器再充電。為節(jié)省電能，計算器都采用 CMOS工藝制作的大規(guī)模集成電路，并在內部裝有定時不操作自動斷電電路。計算器可選用的外圍設備有微型打印機、盒式磁帶機和磁卡機等。 計算器這一小小的程序機器實際上是從計算機中割裂出來的衍生品，但因其 方便快捷的操作模式，已經被廣泛應用于商業(yè)等日常生活中，極大的方便了人們對于數(shù)字的整合運算。 1.3 課題研究的意義和目的 1.3.1 課題的意義 在人們日常生活中，買東西、記賬、學習等等，凡是與數(shù)有關的，我們都可以用到計算器，可見計算器真的很重要?；?PLC設計的電子計算器比傳統(tǒng)計算器更可靠，更方便，性能更好，更容易適應當今高速發(fā)展的社會，大大方便了人們的生活。隨著電子計算器地不斷發(fā)展，以及它的使用范圍越來越廣，未來對電子計算器的需求量會越多，而 PLC作為當代最先進的控制器之一，基于它設計的計算器會比傳統(tǒng) 電子計算器有著無法比擬的優(yōu)勢，所以在未來基于 PLC設計的電子計算器這個課題會得到更大的突破。 次設計中，將選用 OMRON系列 PLC，通過梯形圖和編程指令兩種手段來實現(xiàn)簡易計算器的加減乘除功能。論文中將對計算器的發(fā)展、計算器的控制及設計要求、PLC的選定及其有關知識、硬件結構的連接及相關模塊設計、軟件流程圖的設計、梯形圖和編程指令的編寫、系統(tǒng)的測試及有關結果進行詳細闡述?；?PLC設計的電子計算器能夠完成簡單的加減乘除功能，并能夠在組態(tài)王軟件上實現(xiàn)實時監(jiān)控。 通過畢業(yè)設計，使我對所學 PLC原理與應用、組態(tài)控制 軟件、自動控制原理、電子技術及模擬電子技術基礎等的基本理論和基本知識加深理解和應用，掌握電子計算器的控制原理和控制方法，明確設計步驟和方法，增強動手能力，使自己所學的理論知識與實踐相結合，為今后的工作打下一定的基礎，掌握工程設計的西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 11 一般程序和方法。 1.3.2 課題研究的目的 通過畢業(yè)設計，使我對所學 PLC原理與應用、組態(tài)控制軟件、自動控制原理、電子技術及模擬電子技術基礎等的基本理論和基本知識加深理解和應用，掌握電子計算器的控制原理和控制方法，明確設計步驟和方法，增強動手能力，使自己所學的理論知識與實踐相結合 ，為今后的工作打下一定的基礎，掌握工程設計的一般程序和方法。 在做畢業(yè)設計的過程中認真將所學理論知識和實際操作結合起來，正確對待每一個環(huán)節(jié)，遇到問題及時查找資料或者詢問老師，能夠按照計劃認真完成畢業(yè)設計及論文。 1.4 控制要求 1由模擬按鍵輸入的數(shù)值顯示在組態(tài)王實時監(jiān)控畫面上； 2按加、減、乘、除鍵時，第一次輸入的值被存放在緩沖區(qū)中，當輸入加、減、乘、除運算符號時，對應的加、減、乘、除運算指示燈會亮； 3接著輸入一個數(shù)，之后若是按下“ =”鍵，則此加、減、乘、除數(shù)被存放于另一個緩沖區(qū)中，與剛才輸入的數(shù) 做運算，且相對應的運算指示燈熄滅； 4用上位計算機做組態(tài)監(jiān)控畫面。 1.5 設計任務 1.根據(jù)要求完成電子計算器的程序設計，實現(xiàn)簡單的加減乘除運算。 2.根據(jù)程序設計用組態(tài)軟件完成電子計算器的實時監(jiān)控。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 12 第二章 系統(tǒng)程序設計 2. 1 PLC 的產生和定義 1969年，美國數(shù)字設備公司（ DEC）研制出了世界上第一臺可編程序控制器，并應用于通用汽車公司的生產線上。當時叫可編程邏輯控制器 PLC（ Programmable Logic Controller），目的是用來取代繼電器 ，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。緊接著，美國 MODICON公司也開發(fā)出同名的控制器， 1971年，日本從美國引進了這項新技術，很快研制成了日本第一臺可編程控制器。 1973年，西歐國家也研制出他們的第一臺可編程控制器。 隨著半導體技術，尤其是微處理器和微型計算機技術的發(fā)展，到 70年代中期以后，特別是進入 80年代以來， PLC已廣泛地使用 16位甚至 32位微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，使 PLC在概念、設計、性能價格比以及應用方面都有了新的突破 。這時的PLC已不僅僅是邏輯判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、 PID調節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能，稱之為可編程序控制器（ Programmable Controller）更為合適，簡稱為 PC，但為了與個人計算機（ Persona1 Computer）的簡稱 PC相區(qū)別，一般仍將它簡稱為PLC（ Programmable Logic Controller）。 “可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲和執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作命令 ，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外圍設備，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計?！?可編程序控制器是應用面最廣、功能強大、使用方便的通用工業(yè)控制裝置，自研制成功開始使用以來，它已經成為了當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。 2.2 PLC 目前的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢 2.2.1PLC 的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術的發(fā)展， PLC已由最西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 13 初一位機發(fā)展到現(xiàn)在的以 16位和 32位微處理器構成的微機化 PC，而且實現(xiàn) 了多處理器的多通道處理。如今， PLC技術已非常成熟，不僅控制功能增強，功耗和體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠程I/O和通信網絡、數(shù)據(jù)處理以及圖象顯示的發(fā)展，使 PLC向用于連續(xù)生產過程控制的方向發(fā)展，成為實現(xiàn)工業(yè)生產自動化的一大支柱。 現(xiàn)在，世界上有 200多家 PLC生產廠家， 400多品種的 PLC產品，按地域可分成美國、歐洲、和日本等三個流派產品，各流派 PLC產品都各具特色。其中，美國是 PLC生產大國，有 100多家 PLC廠商，著名的有 A-B公司、通用電氣（ GE）公司、莫迪康 （ MODICON）公司。歐洲 PLC產品主要制造商有德國的西門子（ SIEMENS）公司、 AEG公司、法國的 TE公司。日本有許多 PLC制造商，如三菱、歐姆龍、松下、富士等，韓國的三星（ SAMSUNG）、 LG等，這些生產廠家的產品占有 80%以上的 PLC市場份額。 經過多年的發(fā)展，國內 PLC生產廠家約有三十家，國內 PLC應用市場仍然以國外產品為主。國內公司在開展 PLC業(yè)務時有較大的競爭優(yōu)勢，如：需求優(yōu)勢、產品定制優(yōu)勢、成本優(yōu)勢、服務優(yōu)勢、響應速度優(yōu)勢。 2.2.2 PLC 的發(fā)展趨勢 隨著 PLC應用領域日益擴大， PLC技術及其產品結構都在不斷改進，功能日益強大，性價比越來越高。 1在產品規(guī)模方面，向兩極發(fā)展。一方面，大力發(fā)展速度更快、性價比更高的小型和超小型 PLC。以適應單機及小型自動控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技術完善的大型 PLC方向發(fā)展。隨著復雜系統(tǒng)控制的要求越來越高和微處理器與計算機技術的不斷發(fā)展，人們對 PLC的信息處理速度要求也越來越高，要求用戶存儲器容量也越來越大。 2.向通信網絡化發(fā)展。 PLC網絡控制是當前控制系統(tǒng)和 PLC技術發(fā)展的潮流。PLC與 PLC之間的聯(lián)網通信、 PLC與上位計算機的聯(lián) 網通信已得到廣泛應用。目前，PLC制造商都在發(fā)展自己專用的通信模塊和通信軟件以加強 PLC的聯(lián)網能力。各PLC制造商之間也在協(xié)商指定通用的通信標準，以構成更大的網絡系統(tǒng)。 PLC已成為集散控制系統(tǒng)（ DCS）不可缺少的組成部分。 3.向模塊化、智能化發(fā)展。 為滿足工業(yè)自動化各種控制系統(tǒng)的需要，近年西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 14 來， PLC廠家先后開發(fā)了不少新器件和模塊，如智能 I/O模塊、溫度控制模塊和專門用于檢測 PLC外部故障的專用智能模塊等，這些模塊的開發(fā)和應用不僅增強了功能，擴展了 PLC的應用范圍，還提高了系統(tǒng)的可靠性。 4.編程語言和編程 工具的多樣化和標準化。 多種編程語言的并存、互補與發(fā)展是 PLC軟件進步的一種趨勢。 PLC廠家在使硬件及編程工具換代頻繁、豐富多樣、功能提高的同時，日益向 MAP(制造自動化協(xié)議 )靠攏，使 PLC的基本部件，包括輸入輸出模塊、通信協(xié)議、編程語言和編程工具等方面的技術規(guī)范化和標準化。 2.3 OMRON 系列 PLC 在全世界上百個 PLC制造廠中，有幾家舉足輕重的公司，它們分別為德國的西門子公司，美國羅克韋爾自動化公司所屬的 A-B公司， GE-Fanuc公司，法國的施耐德公司，日本的三菱公司，以及日本歐姆龍公司，由此可 以知道， OMRON系列 PLC在全世界也占有一定的地位。 歐姆龍系列 PLC根據(jù) I/O點數(shù)量主要分為：微型系列： CPM1A、 CPM2A、 CP1H、CP1L；小型系列： CPM2C、 CQM1H、 CJ1M；中型系列： C200H、 CJ1、 CS1；大型系列： CV、 CS1D。 其特點主要表現(xiàn)在： (1)、應用簡單； (2)、可靠性高； (3)、抗電磁干擾性能好，環(huán)境適應性強； (4)、功能完善； (5)、成熟的工控網絡體系，通信便捷，易于遠程實時監(jiān)控 10。在本次設計中，我將用到數(shù)據(jù)傳送指令 MOV(021)，四則運算類指令 +F（ 456）、 -F（ 456）、 *F（ 456）、 /F(456),這幾個運算指令是+BC(406)， -BC(416)， *B(424)， /B(434)演變過來的，而了使運算結果出現(xiàn)小數(shù)和負數(shù)，我使用了浮點數(shù)運算。 2.4 方案對比 2.4.1 基于單片機設計的電子計算器 在一片半導體硅片上集成了中央處理器、存儲器和各種 I/O接口，這樣一塊集成電路芯片具有一臺微型計算器的屬性，因而被稱為單片微型計算機，簡稱單片機。單片機自 20世紀 70年代問世以來，已廣泛應用在工業(yè)自動化、自動檢測與控制、智能儀器儀表、家用電器 、機電一體化設備、汽車電子等各個方面?；趩纹瑱C設計的電子計算器，在性能方面比傳統(tǒng)計算器有了很大的改進，同時，單片機經濟實惠，成本相對較低。然而，用單片機制作的主控板受制版工藝、布局西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 15 結構、器件質量等因素的影響導致抗干擾能力差，故障率高，不易擴展，對環(huán)境依賴性強 ,開發(fā)周期長。在當今科技日新月異，突飛猛進的時代，要求產品改朝換代的周期非常短，同時也需要產品有很高的可靠性。這對單片機來說可謂是一個致命的缺點。 2.4.2 基于 PLC 設計的電子計算器 PLC采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路 采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。此外， PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出報警信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障及診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路設備也獲得故障自診斷保護。其次，它易于設備的擴展、便于維護、開發(fā)周期短。 PLC的這些優(yōu)點注定了它將得到廣泛的發(fā)展。基于 PLC設計的電子計算器，能夠充分發(fā)揮 PLC 的這些優(yōu)點，也使得計算器擁有很高的性能。 2.5 控制程序流程圖及分析 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 16 圖 2-1 系統(tǒng)程序圖 首先，如圖 2-1所示，啟動計算器；按下被加減乘除數(shù)；然 后按下加減乘除符號中的任意一個，此時相應的運算指示燈亮，與此同時，被加減乘除數(shù)放入緩存中；接著，按下等號鍵后運算指示燈滅，且加減乘除數(shù)放入另一個緩存區(qū)內，利用 CX-Programmer 畫出相應的梯形圖，并運用該軟件中給出的函數(shù)模塊進行運算。 2.6 系統(tǒng)變量定義及分配表 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 17 表 2-1 I/O分配表 類型 地址 說明 地址 說明 輸入 0.00 數(shù)字 0 0.08 數(shù)字 8 0.01 數(shù)字 1 0.09 數(shù)字 9 0.02 數(shù)字 2 0.10 開機 0.03 數(shù)字 3 0.11 等于 0.04 數(shù)字 4 1.00 加 0.05 數(shù)字 5 1.01 減 0.06 數(shù)字 6 1.02 乘 0.07 數(shù)字 7 1.03 除 輸出 100.00 中間繼電器 100.03 乘法指示燈 100.01 加法指示燈 100.04 除法指示燈 100.02 減法指示燈 100.05 預算指示燈 2.7 命令語言的介紹 考慮到運算的過程中因為有減法和除法的運算，所以在編寫程序的時候使用的方法是首先將數(shù)字的格式轉換為浮點數(shù)，然后再進行浮點數(shù)的運算， 如圖2-2、 2-3所示 。將存放在 D0、 D5里 面的數(shù)字利用指令 FLT以浮點形式存到 D30、D35中。以便于進行浮點型運算。 圖 2-2 將第一個數(shù)字轉換為浮點數(shù) 圖 2-3 將第二個數(shù)字轉換為浮點數(shù) 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 18 圖 2-4 浮點加法運算 在如圖 2-4 中所示，將 S1 所指定的數(shù)據(jù)和 S2 所指定的數(shù)據(jù)作為單精度浮點數(shù)據(jù)（ 32位： IEEE754）進行加法運算，結果輸出到 D。 圖 2-5 浮點減法運算 在如圖 2-5 中所示，作為單精度浮點數(shù)據(jù)（ 32 位： IEEE754），從 S1 所指定的數(shù)據(jù)中減去 S2 所指定的數(shù)據(jù)， 將結果輸出到 D+1， D。 圖 2-6 浮點乘法運算 在如圖 2-6 中所示，將 S1 所指定的數(shù)據(jù)和 S2 所指定的數(shù)據(jù)作為單精度浮點數(shù)據(jù)（ 32位： IEEE754）進行乘法運算，將結果輸出到 D+1， D。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 19 圖 2-7 浮點除法運算 在如圖 2-7 中所示，將 S1 所指定的數(shù)據(jù)和 S2 所指定的數(shù)據(jù)作為單精度浮點數(shù)據(jù)（ 32位： IEEE754）進行除法運算，將結果輸出到 D+1， D。 2.8 梯形圖的編寫 根據(jù)設計任務的要求，以及前面對輸入、輸出點的分配可以編寫下面的梯形圖。如圖 2-8所示，該梯形圖中涉及到 MOV(021)、 FLT(452)、 +F（ 454）、 -F（ 455）、*F（ 456）、 /F（ 457）等指令。同時，也用到了一些中間繼電器，輸入繼電器等。 開機，如圖 2-8所示。 圖 2-8 開機 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 20 輸入運算符號，在普通輸入的基礎上，加入自鎖功能，使其保持輸出，如圖 2-9所示。 圖 2-9 給運算部分加入自鎖功能 將第一個數(shù)字存入 D0，利用 FLT指令將其轉為浮點型數(shù)字存入 D30，如圖2-10、 2-11所示。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 21 圖 2-10 輸入第一個數(shù)字 圖 2-11 將第一個數(shù)字轉為浮點 型數(shù)字 按下加、減、乘、除中任意一鍵，相對應的指示燈燈亮，中間繼電器 100.05輸出亮，將第二個數(shù)字存入 D5，同樣轉為浮點型數(shù)字存入 D35，如圖 2-12所示。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 22 圖 2-12 輸入第二個數(shù)字 當?shù)扔谔栞斎牒?，進行相應的浮點型四則運算，同時運算指示燈滅，輸出結果后可進行下一次運算。如圖 2-13所示。 圖 2-13 輸出結果 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 23 第三章 控制系統(tǒng)人機界面設計 3.1 人機界面軟件介紹 -組態(tài)王 組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集 成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。 組態(tài)王 kingview6.55 是亞控科技根據(jù)當前的自動化技術的發(fā)展趨勢，面向低端自動化市場及應用，以實現(xiàn)企業(yè)一體化為目標開發(fā)的一套產品。該產品以搭建戰(zhàn)略性工業(yè)應用服務平臺為目標，集成了對亞控科技自主研發(fā)的工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫（ KingHistorian）的支持，可以為企業(yè)提供一個對整個生產流程進行數(shù)據(jù)匯總、分析及管理的有效平臺，使企業(yè)能夠及時有效地獲取信息，及時地做出反應，以獲得最優(yōu)化的結果。 組態(tài)王保持了其早期版本功能強大、運行穩(wěn)定且使用方便的特點，并根據(jù)國內眾多用戶的反饋及意見， 對一些功能進行了完善和擴充。組態(tài)王kingview6.55 提供了豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，同時也為用戶創(chuàng)建圖庫精靈提供了簡單易用的接口；該款產品的歷史曲線、報表及 web 發(fā)布功能進行了大幅提升與改進，軟件的功能性和可用性有了很大的提高。 組態(tài)王在保留了原報表所有功能的基礎上新增了報表向導功能，能夠以組態(tài)王的歷史庫或 KingHistorian 為數(shù)據(jù)源，快速建立所需的班報表、日報表、周報表、月報表、季報表和年報表。此外，還可以實現(xiàn)值的行列統(tǒng)計功能。 組態(tài)王在 web 發(fā)布方面取得新的 突破，全新版的 Web 發(fā)布可以實現(xiàn)畫面發(fā)布，數(shù)據(jù)發(fā)布和 OCX 控件發(fā)布，同時保留了組態(tài)王 Web 的所有功能： IE 瀏覽客戶端可以獲得與組態(tài)王運行系統(tǒng)相同的監(jiān)控畫面， IE 客戶端與 Web 服務器保持高效的數(shù)據(jù)同步，通過網絡您可以在任何地方獲得與 Web 服務器上相同的畫面和數(shù)據(jù)顯示、報表顯示、報警顯示等，同時可以方便快捷的向工業(yè)現(xiàn)場發(fā)布控西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 24 制命令，實現(xiàn)實時控制的功能。 組態(tài)王集成了對 KingHistorian 的支持，且支持數(shù)據(jù)同時存儲到組態(tài)王歷史庫和工業(yè)庫，極大地提高了組態(tài)王的數(shù)據(jù)存儲能力，能夠更好地滿足大點數(shù)用戶對存儲容量和 存儲速度的要求。 KingHistorian 是亞控新近推出的獨立開發(fā)的工業(yè)數(shù)據(jù)庫。具有單個服務器支持高達 100萬點、 256個并發(fā)客戶同時存儲和檢索數(shù)據(jù)、每秒檢索單個變量超過 20,000 條記錄的強大功能。能夠更好地滿足高端客戶對存儲速度和存儲容量的要求，完全滿足了客戶實時查看和檢索歷史運行數(shù)據(jù)的要求。 它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制 系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用 Windows 的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能 3.2 使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下特點 (1)實驗全部用軟件來實現(xiàn) ,只需利用現(xiàn)有的計算機就可完 成自動控制系統(tǒng)課程的實驗 ,從而大大減少購置儀器的經費。 (2)該系統(tǒng)是中文界面 ,具有人機界面友好、結果可視化的優(yōu)點。對用戶而言 ,操作簡單易學且編程簡單 ,參數(shù)輸入與修改靈活 ,具有多次或重復仿真運行的控制能力 ,可以實時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線 ,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實時趨勢曲線 ,這些很強的交互能力使其在自動控制系統(tǒng)的實驗中可以發(fā)揮理想的效果。 在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制應用程序過程中要考慮以下三個方面 : (1)圖形 ,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應的工控設備。 (2)數(shù)據(jù) ,就是創(chuàng)建一個具體的 數(shù)據(jù)庫 ,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 25 的各種屬性 ,比如水位、流量等。 (3)連接 ,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設備的運行 ,以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令 3.3 人機界面制作過程 3.3.1 組態(tài)王監(jiān)控畫面的創(chuàng)建 1.創(chuàng)建新工程 圖 3-1 新建工程 2.設置配置向導 要用組態(tài)軟件進行實時監(jiān)控首先要完成通訊連接，由于本系統(tǒng)采用的是 PLC與組態(tài)王之間的通訊，因此將 PLC的生產廠家、設備名稱、通訊方式等填入相應的對話框即可。與組態(tài)王連接的 I/O設備的通訊參數(shù)如下 圖。 一定要注意組 態(tài)軟件的各個通訊 端口要與 PLC的各個通訊端口保持一致 。如圖 3-2所示。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 26 圖 3-2 通訊設備設置 3.選擇串 COM1 圖 3-3 選擇串口 4.編輯數(shù)據(jù)詞典：建立輸入輸出 編輯數(shù)據(jù)詞典的時候，輸入和輸出均選擇“ I/O 實型”，指示燈選擇“內存離散”。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 27 圖 3-4 數(shù)據(jù)詞典 5.畫靜態(tài)圖 圖 3-5 靜態(tài)圖 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 28 3.3.2 設置動畫連接 1.設置運算指示燈的動畫設置 選擇四個指示燈 ，以此作為加減乘除的運算指示燈，給每一個指示燈做動畫設置。 圖 3-6 加法指示燈的設置 在設置指示燈的時候，還需 要設置命令語言，如圖 3-7，選擇命令語言，新建。點擊進入后。編輯指示燈的命令語言中，需要注意的是在本身輸出上加 1.在編輯框內輸入 “ 本站點 加法指示燈 =Bit（ 本站點 輸出 100通道， 2）； 本站點 加法指示燈 =Bit（ 本站點 輸出 100通道， 3）； 本站點 加法指示燈 =Bit（ 本站點 輸出 100通道， 4）； 本站點 加法指示燈 =Bit（ 本站點 輸出 100通道 ， 5）；” 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 29 圖 3-7 新建命令語言 圖 3-8 輸入命令語言 2.按鍵的動畫設置 本次設計中需要倆次的數(shù)據(jù)輸入，對數(shù)據(jù)進行設置。以數(shù)字 1 為例，雙擊按鈕，出現(xiàn)設置對話框，選擇“按下時”輸入“ BitSet（ 本站點 輸入 10通道， 2,1）”，選擇“彈起時”輸入“ BitSet（ 本站點 輸入 10通道， 2,0）”。選擇全部函數(shù)中的 Bitset，插入本站點，選擇輸入 0通道，系統(tǒng)默認 0位 1，故要設定數(shù)字 1,需輸入 2，后面 1代表常開， 0代表常閉。數(shù)字 2、 3、 4 以及運算符號的設置以此類推。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 30 圖 3-9 設置數(shù)字按鈕 3.輸出設置 在設置輸出時，選擇“模擬值輸出”，如圖 3-10，繼續(xù)編寫本站點加存放繼電器位置。需要注意的是，在輸出格式中選擇小數(shù)點后后面的位數(shù)，在此次設計中，我選擇了 2位數(shù)。 圖 3-10 輸出設置 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 31 圖 3-11 輸入表達式 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 32 第四章 系統(tǒng)調試 4.1 對梯形圖進行調試 將實驗箱與電腦相連，在此圖標下 使梯形圖在線工作，然后編譯。再點擊【 PLC】下的【傳送到 PLC】 ,出現(xiàn)顯示框圖 3-7所示。 圖 4-1下載、傳送到 PLC 將下載的程序全部傳送到 PLC，如圖 4-2所示 圖 4-2 執(zhí)行框圖 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 33 編譯完成后，首先看整個程序是否暢通（綠色為通，紅色則不通），在此基礎上檢查程序是否正確，若是有部分不妥之處，可采用“在線編輯”的方法。，點擊這個圖形 ，便可以打開梯形圖的監(jiān)控畫面，在監(jiān)視模式下可進行小規(guī)模的修改，如修改某條指令，可點擊在線編輯，無需再次點擊 【傳送到 PLC】，可節(jié)省時間，修改完成，后點擊發(fā)送修改即可，如圖 3-9所示。 圖 4-3 監(jiān)視模式下修改框圖 4.2 組態(tài)的調試 因為我在外地實習，在實驗室的時間有限，所以我就先做了一個簡易版本進行調試，后期在自己的電腦上進行補充。首先在 【文件】下選擇“全部存”，然后再選擇“轉換到 vier” 。 4.2.1 加法的檢驗 加法運算和乘法運算相對而言是比較簡單的，因為它的運算結果不存在小數(shù)點和負值，所以為了初步檢驗程序是否可以進行組態(tài)監(jiān)控，首先檢驗比較簡單的西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 34 8+7，輸入第一個數(shù)字 8，顯示到 D30，加法 運算符輸入后，運算指示燈亮，輸入第二個數(shù)字后，顯示到 D35，按下等于鍵后，加法指示燈滅，輸出結果。如圖4-4 所示。 圖 4-4 8+7 的運算結果 4.2.1 除法的檢驗 在檢驗除法的時候應該盡量挑選有小數(shù)位的除法。檢驗 2/5，輸入第一個數(shù)字 2，顯示到 D30，除法運算符輸入后，運算指示燈亮，輸入第二個數(shù)字后，顯示到 D35，按下等于鍵后，除法指示燈滅，輸出結果。如圖 4-5所示。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 35 圖 4-5 2/5 的運算結果 4.2.3 減法的檢驗 檢驗減法的時候應該挑選結果是負值的運算。檢驗 5-8，輸入 第一個數(shù)字 5，顯示到 D30，減法運算符輸入后，運算指示燈亮，輸入第二個數(shù)字后，顯示到 D35，按下等于鍵后，減法指示燈滅，輸出結果。如圖 4-6所示。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 36 圖 4-6 5-8 的運算結果 在老師的幫助下，分別將梯形圖和組態(tài)的仿真模擬調試成功，電子計算器可以實現(xiàn)一位數(shù)的四則運算，完成了任務書的要求。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 37 致 謝 歷時將近兩個月的時間終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學和老師的幫助下度過了。尤 其要強烈感謝我的論文指導老師，他對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。另外，在校圖書館查找資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫助和指導過我的各位老師表示最中心的感謝！感謝這篇論文所涉及到的各位學者。本文引用了數(shù)位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。感謝我的同學和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多素材，還在論文的撰寫和排版燈過程中提供熱情的幫助。 在明德學院四年的學習生活就要結束了，我要感謝我所有的老師和 同學，沒有你們就不會有今天的我，我要感謝你們和我們的母校，是它讓我們聚在一起共同進步。 最后，感謝評閱老師的辛勤勞動。由于我的學術水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位老師和學友批評和指正！ 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 38 參考文獻 1 王冬青 ,丁峰