基于PLC的单按钮双路单双通控制
学校名称： 华中农业大学
设 计 人：
指导老师：
二〇一三年一月
1．课题要求
要求：使用一个按钮控制两盏灯，第一次按下时第一盏灯亮，第二盏灯灭；第一次按下时第一盏灯灭，第二盏灯亮；第三次按下时两盏灯都亮；第四次按下时两盏灯都灭。按钮信号X1，第一盏灯信号Y1，第二盏灯信号Y2. 2. PLC
的基本概念与基本结构及工作原理
2.1.1PLC的的基本概念
现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为满足这一要求，生产设备和自动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（Programmable Logic Controller，PLC）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
PLC应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛的应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用已得到了迅速的发展。它不仅是单机自动化中应用最广的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位，PLC应用程度之广、普及程度之高，是其他计算机控制设备无法比拟的。
国际电工委员会（IEC）对PLC作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其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和生产过程，可编程序控制器及其有关设备，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”。由以上定义可以看出，PLC是一种用程序里改变控制功能的工业控制计算机，除了各种各样的控制功能外，还有与其它计算机通和信联网的功能。
此实验是以三菱公司的PLC为基础而进行实验的。 2.1.2 PLC的基本结构
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成（见图1）.PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。
1. CPU模块
CPU主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于认得大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出；存储器用来存储程序和数据。并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，
与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
图1 PLC结构图
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。
CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。
2. I/O模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块，他们相当于人的眼、耳、鼻、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。
PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
3. 编程器
编程器是用来生成用户程序，便用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入好编辑指令表程序，因此又叫做指令编辑器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型的PLC编程，或者用与现场调试和维护。
4. 电源
PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同等级的直流电源。小型的PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC 24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。
5.PLC的通信联网
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，
通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。 当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。
了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。 2.2.1 PLC的特点
（1）．可靠性高，抗干扰强 （2）．功能强大，性价比高 （3）．编程简易，现场可修改 （4）．配套齐全，使用方便 （5）．寿命长，体积小，能耗低
（6）．系统的设计、安装、调试、维修工作量少，维修方便 2.2.2 PLC的应用领域
PLC已经广泛地应用到很多工业部门，随着其性能价格的不断提高，PLC的应用范围不断扩大，主要由一下几个方面： （1）数字量逻辑控制 （2）运动控制 （3）闭环过程控制 （4）数据处理 （5）联网通信 2.3 PLC的工作原理
可编程控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图很相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。这种用计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上也有某些相似之处。继电器在控制系统中有功率放大、电气隔离、逻辑运算的作用。
PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序不实现控制功能。为了使PLC
的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一共有五个阶段（见图2）。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。
在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成别的一些内部工作。
在通信服务阶段，PLC与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
当PLC处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。PLC处于运行（RUN）状态时，还要完成另外三个阶段的操作。
在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映象寄存器和输出映象寄存器。PLC梯形图中别的编程元件也有对
读取输入 执行用户程序 处理通信请求 自诊断检查 改写输出 读取输入 处理通信请求 自诊断检查 改写输出 RUN模式
图 2 扫描过程
STOP模式
应的映象存储区，它们统称为元件映象寄存器。
PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。在程序执行阶段，当执行指令时，从输入映象寄存器或别的元件映象寄存器中将有关编程元件的“0”/“1”状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的元件映象寄存器中。因此，各编程
元件的映象寄存器（输入映象寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。
在输出处理阶段，CPU将输出映象寄存器的“0”/“1”状态传送到输出锁存器，经输出模块隔离和功率放大后外部的负载。
3.基于三菱公司的PLC控制设计
3.1 三菱公司PLC简介 3.1.1 F1系列指令系统简介
（1） F1系列PLC的指令可分为两大类：
基本逻辑指令：又称为通用逻辑指令，是PLC中最基本的编程语言，用于开关量I/O的控制系统的梯形图程序设计，共二十条。掌握了它们也就初步掌握了PLC的使用方法，基本上就能满足开关量逻辑控制系统的编程了。
特殊功能指令：共87条，可用于编制特殊程序，如高速I/O处理、数据传输、计数器的特殊用法、算术运算和模拟量控制等。
（2） F1系列PLC的基本逻辑指令又分为四大类： 作用于触点的指令：LD/LDI、AND/ANI、OR/ORI等。 作用于线圈的指令：OUT。
数据处理指令：如S/R、RST、SFT、MC/MCR、PLS、SFT、CJP/EJP等。 独立使用的指令：如ANB、ORB、END等。 3.1.2 F1—40MR的编程元件
F1—40MR的编程元件的名称由字母和数字表示，它们分别表示元件的类型和元件号。元件号用八进制数表示，各种编程元件的编号的取值范围有严格的规定，不同的元件编号均不相同，互不重叠，具体安排如下：
输入继电器（X）：400—413，500—513 输出继电器（Y）：430—437，530—537
定时器（T）：50—57，450—457，550—557，650—657 计数器（C）：60—67，460—467，560—567，660—667 辅助继电器（M）：100—377 （其中300—377断电保持） 状态寄存器（S）： 600—647
特殊辅助继电器（M）：70，71，72，73，76，77等16个
3.1.3 某些编程元件使用特性及含义
（1）F1—40MR的12个移位寄存器分别由下列辅助继电器组成： M100—M117 M120—M137 M140—M157 M160—M177 M200—M217 M220—M237 M240—M257 M260—M277 M300—M317 M320—M337 M340—M357 M360—M377 （2）部分特殊辅助继电器的含义：
M70：运行监视，当PLC的运行开关接通时，M70接通。
M71：初始化脉冲，在PLC的运行开关接通之后的第一个扫描周期内接通。 （3） 定时器：
F1系列PLC有24个0.1-999s的定时器，编号为：T50-T57，T450-T457，T550-T557。
F1系列PLC有8个0.01-99.9秒的定时器，编号为：T650-T657。 （4）计数器：
F1系列PLC有32个最大计数值为999的三位减法计数器，编号为：60—67，460—467，560—567，660—667。
F1系列PLC将两个三位计数器C660和C661组成计数器对作为一个6位BCD码加减计数器使用，其中C660是低三位，C661是高三位，其计数及工作方式由特殊辅助继电器M470—M472等的ON/OFF状态控制决定，它既可以对高速脉冲（最高2KHz）计数，也可以作为普通计数器使用。
3.2 方案设计
利用计数器的计数原理，设置从一到四计数，当每计一个数，即按钮每按一次时，分别输出不同的控制状态，当计完一组四个脉冲时，对计数器进行清零，重复上面过程，即可实现单按钮双路单双通控制，实现题目要求。
3.3 I/O分配表 输入地址 X001 输出地址 单按钮脉冲输入Y001 信号 Y002 第一盏灯信号 第二盏灯信号 图3 I/O分配表
3.4 软件梯形图
图4 软件梯形图
3.5 程序指令 0 LD X001
1 OUT C1 K1 4 OUT C2 K2 7 OUT C3 K3 10 OUT C4 K4 13 LD C1 14 ANI C2 15 OR C3 16 OUT Y000 17 NOP 18 NOP 19 NOP 20 LD C2
21 ANI C3 22 OR C3 23 OUT Y002 24 LD C4 25 RST C1 27 RST C2 29 RST C3 31 RST C4 33 NOP
3.6 调试过程 刚接上电源时：
图5 状态一
第一次按按钮之后：
图6 状态二
第二次按按钮之后：
图7 状态三
第三次按按钮之后：
图8 状态四
第四次按按钮之后又回到初始状态。
4.总结
4.1 PLC设计及调试应用中常见问题
PLC在设计前应该熟悉图纸资料，确定系统输入元件和输出元件的型号，根据设备的操作任务和操作方式确定操作面板所需的元件，确定PLC的输入点和输出点，列表统计，然后画出外部接线图。设计出的梯形图进行模拟调试时，设备故障是常见问题，一定要仔细检查好。 4.2 设计体会
通过本次课程设计，使我更好的了解PLC 在日常生活中的应用，特别是在工业现场的应用。同时，这次课程设计让我比较全面的掌握了三菱PLC控制系统，并且一定要勤思考，多动手。在PLC设计中，设计之前在大脑中一定要有清晰的思路，设计中要顾全大局，记得PLC是一个整体，而不是孤立的部分。还有就是要感谢龙老师的在我遇到问题时的指导。
5. 参考文献
1． 魏德仙主编 《可编程控制器原理及应用》 中国水利水电出版社 2． 可编程序控制器应用技术,廖常初 编，（1～4版）,重庆大学出版社
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