PLC课程设计四路拟量采集显示系统.docx

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PLC课程设计四路拟量采集显示系统

PLC设计与调试

课程名称电气控制与PLC应用技术

设计题目四路拟量采集显示系统

专业班级

姓名

学号

指导教师

起止时间

电气与信息学院

课程设计考核和成绩评定办法

1．课程设计的考核由指导教师根据设计表现、设计报告、设计成果、答辩等几个方面，给出各项权重，综合评定。

该设计考核教研室主任审核，主管院长审批备案。

2．成绩评定采用五级分制，即优、良、中、及格、不及格。

3．参加本次设计时间不足三分之二或旷课四天以上者，不得参加本次考核，按不及格处理。

4．课程设计结束一周内，指导教师提交成绩和设计总结。

5．设计过程考核和成绩在教师手册中有记载。

课程设计报告内容

课程设计报告内容、格式各专业根据专业不同统一规范，经教研室主任审核、主管院长审批备案。

注：

1.课程设计任务书和指导书在课程设计前发给学生，设计任务书放置在设计报告封面后和正文目录前。

2.为了节省纸张，保护环境，便于保管实习报告，统一采用A4纸，实习报告建议双面打印（正文采用宋体五号字）或手写。

11/12学年第二学期

PLC应用技术课程设计任务书

指导教师：

班级：

自动化0941、2班地点：

PLC实验室

课程设计题目：

基于PLC的四路拟量采集显示系统

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模拟量采集模快、欧姆龙CPM2A、7段数码管显示四部分组成。

2、四路0-5V模拟量分别取自WD5稳压电源来获得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15周周一

集中讲解课程设计要求，分配设计题目，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，

周四

调整设计方案

周五

上机调试

第16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，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。

任务分配：

摘　要

当今社会计算机技术发展迅速，人工智能技术在社会的发展当中占据了主导地位。

当然，智能设备的发展也满足了科技发展的需求。

其中，可编程逻辑控制器（PLC）就是一个典型的代表。

本设计以“PLC的四路摸拟量采集显示系统”为设计课题，以欧姆龙CPM2A-40CD型PLC为试验台，通过利用欧姆龙PLC编程的传送指令、子程序调用指令和逻辑语指令等应用指令对“MAD02模拟量采集模块及7段数码管显示模块”进行PLC模拟量输入通道的数据采集、处理和显示的操作，其中包括梯形图设计、流程图设计以及硬件连接。

关键词：

PLC人工智能模拟量数据采集数据处理

Abstract

Nowadaystherapiddevelopmentofcomputertechnology，inthedevelopmentofthesocietytheartificialintelligenceisinafavorableposition，ofcourse，thedevelopmentoftheintelligenceequipmentalsomeetthedemandofthedevelopmentofthetechnology.Thisdesignof4waysof"PLCsimulationsignalgatheringdisplaysystem"fordesigntask,takingOmronCPM2A-40CDtypePLCfortestbench,elaborateusethetransferinstructions,subroutinecallinginstructions,logiclanguageinstructionandotherapplicationinstructionsof"MAD02analogacquisitionmoduleand7periodofdigitalpipedisplaymodule"toapplythePLCanalogchanneltothefieldofdatacollection,processanddisplay,itincludinghardwaredesign,workingflowandtheladderprogram.

Keywords：

PLCartificialintelligencesimulationsignaldatacollectiondataprocess

1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：

温度、压力、速度、电压、电流等等，他们是连续变化的物理量。

由于计算机的CPU智能处理数字量，因此凡是遇到有模拟量的地方必须进行模数转换和数模转换。

PLC已经为模拟量控制提供了良好的硬件和软件环境。

它提供了4路完全独立的模拟量输入通道和2路完全独立的模拟量输出通道。

并且PLC可以使用梯形图语言来编程控制，更方便、直观，大大缩短了设计调试周期。

1.1PLC四路摸拟量采集显示系统的结构

PLC四路摸拟量采集显示系统由稳压电源、滑动变阻器、欧姆龙CPM2A-40CD型PLC、欧姆龙CPM1A-MAD02模拟量采集模块和7段数码管显示模块组成。

稳压电源及滑动变阻器用来提供0~5V电压，即0~5V可调节电压。

欧姆龙CPM2A-40CD型PLC是为需要每台PC有10~120点I/O的系统控制操作而设计，有着强大的综合性能。

本例使用其模拟量设定功能。

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）。

7段数码管显示模块是由8段发光二极管组成，其中7段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。

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。

1.2PLC四路摸拟量采集显示系统的原理

滑动滑动变阻器，使其和电源装置输出0~5V中任意电压，输入到CPM1A-MAD02模拟量采集模块，使其模块采集电压数据。

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0~5V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，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，并对四路分别进行测量显示。

1.30~5V电压模拟量采集分段显示数值

将采集电压的模拟量划分为0~1V、1~2V、2~3V、3~4V、4~5V这5个范围，0~1V显示1V；1~2V显示2V；2~3V显示3V；3~4V显示4V；4~5V显示5V。

2题目分析

2.17段数码管显示方法

如果想点亮一位LED显示器，需要控制段码线和位选线两部分，段码线控制显示的字型，位选线控制该显示位的亮或暗，如图所示。

图2.1

为使LED显示器显示不同的字母，数字或符号，要给LED显示器提供段码，使LED显示器中相应的发光二极管点亮或熄灭。

提供给LED显示器的段码正好是一个字节，各段与字节中的对应关系为：

表2.1

由于LED显示器有共阴极和共阳极两种，因此段码也分为共阴极段码和共阳极段码两种，部分段码可见表

显示字符

共阴极段码

共阳极段码

显示字符

共阴极段码

共阳极段码

3FH

C0H

39H

C6H

06H

F9H

5EH

A1H

5BH

A4H

79H

86H

4FH

B0H

71H

8EH

66H

99H

73H

8CH

6DH

92H

3EH

C1H

7DH

82H

31H

CEH

07H

F8H

6EH

91H

7FH

80H

76H

89H

6FH

90H

38H

C7H

77FH

88H

“灭”

00H

FFH

7CH

83H

表2-1

LED显示器共有两种工作方式：

静态显示方式和动态显示方式。

LED显示器在静态显示方式下，各位LED显示器的位选线连接在一起，共阴极接地或共阳极接+5V，显示器的每一位可独立显示，只要在该位的段码线上保持相应的段码电平，该位就能保持相应的显示字符。

静态显示方式原理简单，显示亮度高，无闪烁；能稳定地同时显示各自的字符并维持不变，知道显示下一个字符并维持不变，直到显示下一个字符为止，在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，CPU才执行一次显示更新子程序，这样大大节省了CPU的时间，提高了CPU的工作效率，在显示位数不多时采用静态显示方式，而在位数较多时往往采用动态显示方式。

LED显示器在动态显示方式下，各位LED显示器的段码线共同连接在一起共用一个8位I/O口，形成段码线的多路复用，而各位LED显示器的位选线分别由一根相应的I/O口线控制，实现各位的分时选通。

每一个时刻只能选通其中一位LED显示器，同时在段码线上送出该LED显示器的段码。

电路的接法决定了必须采用位动态扫描显示方式。

在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。

动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低，但在控制系统运行过程中，要保证显示器正常显示，CPU必须每隔一段时间执行一次显狮子程序，这占用了CPU的大量时间，降低了CPU工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。

综上所述，并且由于本设计试验台只有一位数码显示器，因此本课程设计采用静态显示。

2.2四路模拟量采集方案

电压模拟量分段法：

本设计将电压模拟量分为5段。

本系统通过滑动变阻器将电源电压控制在0~5V，再通过CPM1A-MAD02模拟量采集模块将电压采集并进行转换，从PLC的输入通道直接读取数据即可，最后通过LED数码管显示。

将0~5V的模拟量划分为0~0.5V、0.5~1V、1~1.5V、1.5~2V、2~2.5V、2.5~3V、3~3.5V、3.5~4V、4~4.5V、4.5~5V这10个范围，将采集到实际模拟量与每一个范围的上、下限进行比较，确定其电压范围。

显示时，显示实际模拟量所属电压范围上限值，即0~0.5V显示0.5V；0.5~1V显示1V；1~1.5V显示1.5V；1.5~2V显示2V；2~2.5V显示2.5V；2.5~3V显示3V；3~3.5V显示3.5V；3.5~4V显示4V；4~4.5V显示4.5V；4.5~5V显示5V。

2.3PLC的选择

PLC可编程逻辑控制器以存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和运算等操作指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各种机器或生产过程。

用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。

运行时按存储程序的内容逐条执行，已完成工艺流程的操作。

可编程序控制器随着其功能和外围接口模块的不断增加，在工业控制场合的应用越来越广泛，将逐渐取代工业控制中的某些专用设备，从而使控制系统的成本降低、体积缩小、控制方式易于改变。

PLC的功能很强，除逻辑运算外还可以完成复杂的数学运算和完善的通信能力，用PLC超强的功能实现模拟量采集装换，可以减少系统的复杂性，提高系统的性价比。

根据设计的试验台使用环境，对于四路模拟量采集系统这样，选择使用欧姆龙CPM2A-40CD型PLC。

3系统硬件设计

3.1控制系统组成

系统组成框图:

图3-1系统组成框图

如上图所示，将滑动变阻器与WD5稳压电源相连接，然后连接至有欧姆龙CPM1A-MAD02模拟量采集模块和7段数码管显示模块的欧姆龙CPM2A-40CD型PLC上。

操作时，启动CPM1A-MAD02模拟量采集模块，然后操作滑动变阻器，使WD5稳压电源提供0~10V电压被控制在0~5V，并使任意0~5V电压输入，再对输入电压进行采集，然后通过编程应用指令将转换的数据读入PLC中，最后通过7段数码管显示模块进行测量数值显示。

硬件设备选择

本课程设计所使用设备：

WD5稳压电源、滑动变阻器、欧姆龙CPM2A-40CD型PLC、欧姆龙CPM1A-MAD02模拟量采集模块、7段数码管显示模块组成。

PLC四路模拟量采集显示所需设备：

设备名称

数量规格

欧姆龙CPM2A-40CD型PLC

1台

欧姆龙CPM1A-MAD02模拟量采集模块

1块

7段数码管显示模块

1块

滑动变阻器

1台

WD5稳压电源

1台

四路转换开关

1组

导线

若干

3.2WD5稳压电源

稳压电源（stabilizedvoltagesupply）是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置。

包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类。

本次课程设计我们用的是直流可调稳压电源。

直流稳压电源是一种将220V交流电转换成稳定输出直流电的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

一般有电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。

工频交流电源经过变压器降压、整流、滤波后成为一稳定的直流电。

图中其余部分是起电压调节，实现稳压作稳压电源工作原理图用的控制部分。

电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压和基准电压进行比较。

如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到和基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小。

可调直流稳压电源是采用当前国际先进的高频调制技术，其工作原理是将开关电源的电压和电流展宽，实现了电压和电流的大范围调节，同时扩大了目前直流电源供应器的应用与传统电源相比高频直流电源就较具有体积小、重量轻、效率高等优点，同时也为大功率直流电源减小体积创造了条件，此电源又称高频可调式开关电源。

可调直流稳压电源保护功能齐全，过压、过流点可连续设置并可预视，输出电压可通过触控开关控制。

3.3硬件原理

3.3.1欧姆龙CPM2A-40CD型PLC

CPM2A在一小巧的单元内综合有各种性能，高速计数器能方便地测量高速运动的加工件、同步脉冲控制提供方便的脉冲比例调整、带高速扫描和高速中断的高速处理、可方便的与OMRON的可编程控制终端（PT）相连接、通过脉冲输出可实现各种基本的位置控制、可进行分散控制和模拟量控、模拟量设定、间隔计时器中断和时钟功能，以及完善的通信能力等。

CPM2ACPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品，完整的通信功能保证了与个人计算机，其它OMRONPC和OMRON可编程终端的通信。

这些通信能力使用户能设计一个经济的分布生产系统。

基本构成：

电源、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、功能模块：

如计数、定位等功能模块、通信模块

主要功能：

中断、高速计数器、脉冲输出、同步脉冲控制、快速响应输入、模拟量设定、输入时间常数、日历/时钟、扩展单元功能（模拟量I/O单元功能、CompoBUS/S从站单元功能）。

外部端子分布图:

1、输入端子

启动后,必须设定范围,设置可以通过在输出通道写入

FF0X（见下表）

设置代码

输出

输入1

输入2

FF00

0to10V

4to20mA

0to10V

FF01

-10to10V

4to20mA

0to10V

FF02

0to10V

4to20mA

1to5V

4to20mA

0to10V

FF03

-10to10V

4to20mA

1to5V

4to20mA

0to10V

FF04

0to10V

4to20mA

0to10V

FF05

-10to10V

4to20mA

0to10V

FF06

0to10V

4to20mA

1to5V

4to20mA

1to5V

4to20mA

FF07

-10to10V

4to20mA

1to5V

4to20mA

1to5V

4to20mA

通道分配

CPU

输出

输入2

输入1

30CDR

12CH

03CH

02CH

40CDR

12CH

03CH

02CH

通道的IR位分配

不使用（0）

输出1数据位

S/b

不使用（0）

输出1数据位

S：

符号位

0：

正电压输出

1：

负电压输出

b：

断线位

0：

没断线

1：

断线

注：

1.只有当使用±10V量程时，符号位才有用。

2.断线位在设置为1-5V/4-20mA,电压/电流输入低于1V/4mA.

输出接线图：

输入接线图

数据转换

输出

输入

可编程控制器CPM2A系列系统结构

可编程控制器CPM2A系列系统构成

3.3.2滑动变阻器

滑动变阻器由电阻材料制成的、阻值可根据需要而改变的电器元件。

变阻器能在不断开电路的条件下，有级地或无级地改变电阻值，以调节电路的电压或电流。

变阻器的主要技术参数与电阻器相同。

变阻器根据材料分为金属变阻器、液体变阻器、碳变阻器和频敏变阻器，常用的是频敏电阻器和液体变阻器。

滑动变阻器电阻丝的材料一般为康铜丝或镍铬合金丝，将康铜丝或镍铬合金丝绕制在绝缘筒上，两端用引线引出，变阻器的滑片接触电阻丝并可调节到两端的距离，从而改变金属杆到电阻丝两端的电阻，这就组成了滑动变阻器。

还有就是用电阻材料（比如碳质材料）“镀”在绝缘基板上，由中间的滑片来调节电阻的滑动变阻器。

滑动变阻器是电学中常用器件之一，它的工作原理是通过改变接入电路部分电阻线的长度来改变电阻的。

滑动变阻器在电路中的作用是：

（1）保护电路，即连接好电路，开关闭合前，应调节滑动变阻器的滑片P，使滑动变阻器接入电路部分的电阻最大。

（2）通过改变接入电路部分的电阻来改变电路中的电流，从而改变与之串联的导体（用电器）两端的电压。

在连接滑动变阻器时，要求：

一上一下，各用一个接线柱；实际连接应根据要求选择下面的接线柱。

图3.3.2

4系统软件设计

4.1总体设计思路

在本次课程设计课题的软件编程中，整体的设计思路是采用模块化，也就是采用主程序调用子程序编程思想。

分为初始化、主程序、显示子程序、数据处理子程序、按键和指示灯子程序五部分。

初始化：

在上电的第一个周期对欧姆龙CPM1A-MAD02模拟量采集模块的量程进行设置，采用MOV指令向其写入控制字并且启动转换，初始化时数码管显示“0”。

主程序

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