毕业论文自动打铃装置的设计终稿.docx
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毕业论文自动打铃装置的设计终稿
自动打铃装置的设计
摘要
本文介绍了自动打铃装置的设计，该装置的设计主要采用定时器、计数器、7段显示码作为硬件电路，西门子S7-200作为信号处理芯片，由PLC程序控制，通过直流低电压信号，此信号再通过运放分别是电压变压器以及单相整流稳压电路，然后处理后的信号经过驱动放大回路来控制打铃。
[关键词]显示码计数器驱动放大
Abstract
Thisinstructionofthedesignisaboutabellontheautomaticdevice.Timersandcountersandsevenofthecodearemainlyusedinthedesignofthedevice,whosetimersandcountersfortheinternalcomponentsandsevenofthecodeasahardwareshow.TheS7-224ofSIEMENSasasignalprocessingchips,iscontrolledbythePLC.Thesignalprocessingchipsthroughlow-voltageDC24Vsignal,andfurtherintegratingoperationalamplifiercircuit,voltagetransformersandsingle-phaserectifierregulatorcircuit,whichthenaredrivedbysignalamplificationcircuittocontrolabell.
Keywords:
Showcodecountertimerdriveramplification
前言……………..……………………………………………2
第一章设计思路与原理方框图…………………………..4
1.1PLC工作原理………………………………………4
1.2系统问题的提出…………………………………….9
1.3设计方案与原理方框图……………………………12
第二章系统的硬件设计………………………………….21
2.1电源回路的结构参数与工作原理………………...21
2.2主控制回路的工作原理…………………………...23
2.3响铃驱动回路的工作原理………………………...26
总结…………………..………………………………….30
参考文献…………………………………………………31
致谢………………………………………………………..32
附录1系统整体硬件原理图………………………………33
前言
本教材以培养综合性人才为目标，在注重基础理论教育的同时，突出实践性教学环节。
力图做到深入浅出，便于理解。
可编程序控（ProgrammableLogicController，简称PLC）是随着科学技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要而产生、发展起来的一种新型的工业控制装置。
PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有通用灵活的控制性能、可以适应各种工业环境的可靠性与简单方便的使用性能，在工业自动化个领域取得了广泛的应用。
西门子的S7系列PLC是S5系列的更新换代产品。
S7系列PLC包括S7-200,S7-300,S7-400三大系列。
其中S7-200系列是小型的PLC,本书中主要应用了S7-200来实现自动打铃装置的软件编程。
在学习生活中，自动打铃装置的应用相当广泛，比如，学校、工作单位、酒店等地方，经常需要用到自动打铃装置。
我们利用PLC编程来控制自动打铃装置。
它具有全集成化，智能化，高精度，高性能，高可靠性和低价格等优点，是一个值得推广的一种方法。
第一章设计思路与原理方框图，简单介绍PLC情况，问题的提出，设计思路。
选择机型，对输入输出点进行分析，设计程序。
第二章是系统的硬件原理结构设计。
本书内容全面、具体，由浅入深，实力丰富，面向社会应用，并广泛吸收了先进标准和先进设计思想，突出了先进性、综合性、实用性，可以满足不同要求，不同层次的读者需要。
对电气设计人员，PLC控制系统工程人员有普遍的使用价值。
本书由杜可福，杨俊丽，徐博，王浩名，赵宇洋，杨果，张超，齐悦，张胜雄，武东编写。
本书编写过程中参考了许多技术资料，并得到了老师的大力支持，在此对于他们的帮助表示衷心的感谢！
因时间仓促，编者水平有限，书中难免有错误与不当之处，恳请读者批评指正。
编著者
第一章设计思路与原理方框图
PLC已越来越广泛地应用与工业控制领域。
目前，PLC产品种类繁多，同一厂家也常常推出好几个系列的产品。
本次设计的自动打铃装置是以PLC为基础，结合计数器，定时器，晶体管显示以及外部驱动放大电路组装而成的。
1.1PLC工作原理
PLC实质上是一类工业控制专用的计算机，它的结构原理与微型计算机相似，皆由软件和硬件系统两大部分组成，只不过它用语比微型计算机更强的与工业过程之间的接口，使用更适合于控制要求的开发工具包和编程语言。
所以它的工作原理也建立在计算机的工作原理基础上，也就是PLC的控制功能也是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。
用户程序是通过编程器预先写入存储器中，由PLC采用循环扫描的工作方法来执行。
1.1.1控制系统
存储式编程的控制系统：
开发PLC的初衷是草用现代计算机技术，用存储式编程的控制装置来替换继电器和半导体逻辑组件固定式连接编程的控制系统。
PLC程序是这种储存式编程的控制器，它根据用户提出的控制要求，编写好用户程序后用变成器键入PLC的用户存储器中，并由中央处理器单元CPU来执行。
1.1.2周期扫描机制
周期扫描机制：
CPU在执行用户程序是与其他计算机系统一样，也采用分时操作原理，一个时刻执行一个操作，随着时间推移，一个操作一个操作地顺序进行。
也称为CPU对程序的“扫描”。
PLC在接通电源后，在进行循环扫描之前，首先检查自身的完好性，这是起始操作的主要任务。
PLC在系统程序管理下进行的循环扫描包括字诊断操作、I/O操作、解读用户程序操作和处理外设请求操作等。
起工作示意图如下图1：
自诊断操作
自诊断操作就是在每次扫描用户程序前进行自检.检查诸如CPU、后备锂电池的电压、程序存储器、I/O通讯是否异常出错，若发现故障，CPU面板上的故障指示亮,并在特殊寄存器中存入出错代码。
还可判断故障性质:
一般性故障,只报警不停机,等待处理;严重故障,CPU就会被强制成STOP方式，停止运行用户程序。
此时，PLC切断一切输出联系。
2.输入/输出操作
输入/输出操作，又称I/O状态刷新，它包括两项操作，一是采样输入信号，即刷新输入映像存储区的内容；二是送出处理结果，即以输出映像存储区的内容刷新输出电路。
为了更清楚地理解I/O状态刷新和在PLC内存中设置输入映像存储区和输出映像存储区，又称I/O状态暂存区的作用。
（图1.PLC工作示意图）
PLC扫描过程示意图：
（1）输入信号采样
我们知道,PLC的中央处理单元是不能直接与外部接线端子打交道的.送入到端子上的输入信号经过调理电路（包括电平转换光电耦合滤波处理等）进入缓冲器等待采样.没有采样允许,外部输入信号是不能进入内存的.在的存储区中,有一个专门存储的数据区,其中对应输入端子的数据,称输入映像存储区.当执行输入/输出操作时,输入信号由缓冲器进入映像区,这就是输入采样.
只有在采样时刻,输入映像存储区暂存的输入信号状态才与输入信号一致,其他时间输入信号变化不会影响输入映像存储区的内容.由于扫描周期一般只有几毫米,所以二次采样间隙很短,对于一般开关量来说,可以认为间断采样不会引起误差,即认为输入信号一旦变化就立即进入输入映像存储区,但对实时性很强的应用,由于循环扫描而造成的输入延迟就必须考虑.
（2）输出刷新
同样道理,不能直接驱动负载.的运算结果也不是直接送到实际输出点，而是存放在输出映像存储区内。
在用户程序扫描结束后，才将输出映像区的内容经锁存器输出到端子上，这步骤操作称作输出状态刷新。
刷新后的状态要保持到下次刷新。
3．解读用户程序操作
在用户执行程序前，先复位WDTT1，当CPU对用户程序扫描时就开始计时。
CPU对用户程序的执行是严格按照用户程序实际结构的逻辑关系,从前向后逐条扫描处理的,使用的输入值是输入映像存储区的值,运算结果存放在输出映像存储区中。
在一个周期内，对整个用户程序只执行一次，控制系统的全部功能都在这一步实现。
4.处理外设请求操作
每次执行完完用户程序后，就进入服务外设的操作，包括操作人员介入和设备中断，与编程器进行信号交换，与网络进行通信等。
如果没有外设请求，系统会自动循环扫描。
CPU重复地执行上述4项操作,每重复一次的时间称为一个工作周期,工作周期长短与每个周期内完成的操作\用户程序长短及扫描速度有关。
典型值为1~100ms，我们把CPU这种周而复反的循环扫描执行系统软件规定的操作称为PLC周期扫描机制。
对这一机制的理解大体可分为6个方面：
1．CPU对外围设备的管理由系统本身完成.应用人员一般不必要再进行处理,只需要关心用户程序。
2．对信号输入输出统一操作，确定了各个信号在同一个周期内的惟一状态，避免了由同一信号不同状态而引起的逻辑混乱。
3．在同一扫描周期内输出值保留在输出映像存储区内，因此，输出值在用户程序中也可以当作逻辑运算的条件使用。
而且在用户程序中应对输出赋值一次，如果多次赋值，则最后一次有效。
4．由于CPU在每个扫描周期内都有固定进行某些窗口服务，占有一定机器时间，使周期时间不可能无限地缩短。
5．计时器的时间设定值不能小于周期扫描时间。
6．可以通过CPU的设置WDT来监视每次扫描时间，从而避免了由于CPU内部故障使程序执行进入死讯和而造成故障的影响。
所以，对周期扫描机制的理解和应用是能否充分发挥PLC控制功
的关键所在。
1.2系统问题的提出
在日常生活中，PLC自动显示器的应用相当广泛，比如家庭电子式钟表、公共场所的万年历、学校的打铃控制经常需要用到PLC自动打铃装置。
本设计思路是根据PLC工作原理，程序去控制已接好的硬件电路，从而实现一秒为单位对一天时间以及一周星期的显示。
选择机型是使用可编程控制器的第一步，面对众多的机型，繁多的功能参数，怎样才能选择合适自己要求的机型呢？
但前提是在功能上即能满足自己的需要，同时又不浪费机器资源。
1.2.1在选择机型前，拥护首先对控制对象进行估计
1．有多少开关量输入，电压分别为多少；
2．有多少开关量输出，输出功率为多少；
3．有多少模拟量输入输出点；
4．是否有特殊控制功能，如高速计数器等；
5．己方离现场的最远距离为多少；
6．现象行对控制器响应的速度有何要求。
用PLC构成的系统，一般可分为三种类型：
1.单体控制的小系统这种控制中，没有可编程控制器间的通讯问题，但有时要求功能齐全，容两量变化大，有些还要与原系统的其他机型联结，因此，也要从几个方面加以考虑。
2.慢过程大系统这种大系统的特点是，设备对运行速度要求不高或系统中某一部分对运行速度要求不高。
但设备间有连锁关系，所有设备都要统一管理。
这样系统应选用底速网和中小机型。
3.实时控制快速系统构成这样系统就要考虑选用输入容量大，运行速度快，计算功能强的大型机。
但在上述控制系统中，即使选用大机型，一台可编程控制器也难以满足控制要求，这时多太可编程控制器间的信息交换和系统响应就成了一对尖锐的矛盾。
解决办法有两种，一是选用高速网，二是选用低速网。
具体用哪中要根据具体情况而定。
1.2.2输入输出的定义
1.输入输出点的分配问题
选好机型后，我们还应慎重考虑输入输出定义问题。
所谓输入输出定义是指整体输入输出点的分布和单个输入输出点的名称定义两方面。
如果这另部分工作做的合理，会给程序编写、系统调试和文件打印带来很多方便.
2.信号名称
输入输出点分配完后,要为每一点定义一个简短\清晰\合理的名称:
1）信号有效状态
逻辑变量有“0”和“1”两个值,有些信号在"1"状态下有效,有些则在“0”状下有效。
在名称定义上也存在类似问题。
在给这两种信号定义时，所定义的名称应能把有效状态表达出来。
2）信号有效方式
在实际控制中，有些是持续有效，有些则是信号发生变化时有效。
所谓持续状态有效，作为逻辑条件，是指信号状态必须保持，这类信号多为带所定的按钮、扳动开关、极限连锁信号、继电器和接触器的辅助触电等。
在编写程序时，使用的是信号的状态，一般直接作为逻辑条件写入程序中，在名称定义上也不比特别注明。
3.输入输出变量表
在对输入输出进行分配和名称定义后，要把输入输出列成表，以备编程时使用。
本次设计输入输出地址列表如附图1：
4.内存估计
1）内存利用率
内存利用率=输入输出点数/支路占有字的内存*100%
高的内存利用率即可降低内存投资；也可以缩短周期时间，从而提高系统的响应时间。
2）逻辑输入输出的点数
3）模拟量输入输出的点数
4）程序编写者的编程水平
1.3设计方案与原理框图
本次自动打铃控制器设计大体可分为软件和硬件两大部分，本章主要是介绍软件的设计。
系统软件设计大致可分为软件总体设计、程序流程图设计、程序设计和程序的可靠性设计四大部分。
1.3.1软件的总体设计
1．功能定义
输入输出以及辅助地址列表如下图所示：
输入地址
辅助地址列表
I0.0
系统开关
M0.1
CO复位及分钟个位显示位移脉冲
I0.1
分钟个位调整开关
M0.2
CO复位及分钟十位显示位移脉冲
I0.2
分钟十位调整开关
M0.3
CO复位及小时个位显示位移脉冲
I0.3
小时个位调整开关
M0.4
CO复位及小时十位显示位移脉冲
I0.4
小时十位调整开关
M0.5
CO复位及星期显示位移脉冲
输出地址
M1.0
分钟个位显示“0”
Q0.0
秒脉冲输出信号
M1.1
分钟个位显示“1”
Q0.1
5个LED的a段
M1.2
分钟个位显示“2”
Q0.2
5个LED的b段
M1.3
分钟个位显示“3”
Q0.3
5个LED的c段
M1.4
分钟个位显示“4”
Q0.4
5个LED的d段
M1.5
分钟个位显示“5”
Q0.5
5个LED的e段
M1.6
分钟个位显示“6”
Q0.6
5个LED的f段
M1.7
分钟个位显示“7”
Q0.7
5个LED的g段
M2.0
分钟个位显示“8”
Q1.0
铃音驱动
M2.1
分钟个位显示“9”
Q1.1
个位分钟显示公共端
M2.2
10分钟到信号
Q1.2
十位分钟显示公共端
M3.0
分钟十位显示“0”
Q1.3
个位小时显示公共端
M3.1
分钟十位显示“1”
Q1.4
十位小时显示公共端
M3.2
分钟十位显示“2”
Q1.5
星期显示公共端
M3.3
分钟十位显示“3”
定时器
M3.4
分钟十位显示“4”
T101
其他铃15S
M3.5
分钟十位显示“5”
T102
上课铃15S
M3.6
1小时到信号
T103
下课铃响2S
M3.7
24小时到信号
T104
下课铃停1S
M4.0
小时个位显示“0”
T105
下课铃15S
M4.1
小时个位显示“1”
计数器
M4.2
小时个位显示“2”
C0
60S计数
M4.3
小时个位显示“3”
C1
24小时计数
M4.4
小时个位显示“4”
C2
星期6
M4.5
小时个位显示“5”
C3
星期日
M4.6
小时个位显示“6”
C4
一个星期
M4.7
小时个位显示“7”
M5.0
小时个位显示“8”
M5.1
小时个位显示“9”
M5.2
10小时到信号
2．结构设计
在PLC实施控制时，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予实际实现并用于工业控制现场。
PLC设计采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成，PLC的结构框图如下：
1.3.2程序流程图的设计
程序流程图是一种将程序所完成的功能按照一定的规律和方法表示在一系列框图中，并按照一定的顺序将这些框图用箭头线连接起来所构成的框图。
在开始绘制系统软件之前，应该先绘制系统软件的程序流程图，他能以简明直观的方式对系统任务进行描述，使程序员能够很清晰地了解系统的软件结构及系统功能，使得编程效率大大提高，同时有效地减低了错误率。
如下图即此次自动打铃装置设计的程序流程图，从图中可看出，这次程序编写主要以计数器和定时器为主要指令，以秒为单位计数。
分别以60秒、60分和24小时为近制数去进位，从而实现分钟，小时，星期的显示和自动更新。
当显示时间与预设打铃时间一致时，输出端发出触发信号，此信号作为驱动打铃回路的输入信号，使打铃回路接通，最后打铃装置响应（继电器动作）——打铃。
1.3.3程序设计
PLC控制系统软件设计中的程序设计是指用程序语言来设计实现控制与控制内容。
在PLC中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等.本次设计主要用梯形图语言来编写功能控制程序。
梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。
采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。
这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。
每个梯级是一个因果关系。
梯形图的程序设计语言有一下特点：
1．与电气操作原理图像对应，具有直观性和对应性。
2．与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于掌握和学习。
3．与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待。
4．与布尔助记符号语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。
例如，下图就是此次设计的部分程序：
1.3.4软件的可靠性设计
PLC控制系统的稳定性不但与硬件有关，还与软件有关，因此在提高硬件性能和可靠性的基础上，还需要提高软件的可靠性，以使整个PLC控制系统稳定运行于工作环境中。
PLC控制系统软件可靠性设计的主要任务是保证在系统运行过程中，英勇程序按照给定的顺序，良好的完成指定任务，其方法主要有软件抗干扰设计和容错设计两类。
1、软件抗干扰设计
软件抗干扰设计是党系统受到干扰后使系统恢复正常运行或者是输入信号受到干扰后派出干扰信号的一种软件方法，它作为硬件抗干扰技术的辅助方法，可以在保证系统稳定运行的基础上，进一步提高系统处理的准确性。
通常软件抗干扰设计可以用来处理两类可靠性问题，一类是采用软件的方法一致叠加在信号通路上的噪声影响，如数字滤波技术；另一类是采用软件的方法处理程序运行混乱、跑飞及死循环问题，使程序重新正常运行，如指令冗余技术等。
2、容错设计
一般的程序，都给定了唯一正常的运行状态和路径，当系统运行在各种复杂的环境中时，由于硬件出错、操作失误、噪声干扰等因素的影响，会改变程序正常运行的条件，从而造成系统的错误运行。
软件容错设计的目的就是为了保证在系统出现非正常运行条件时，不破坏程序的正常运行，或者降低非正常运行条件带来的损害。
PLC控制系统软件的容错设计有很多种方法和措施，如超时管理的容错设计、超界管理的容错设计及有序化的容错设计等。
根据不同的系统，可以采用不同的容错设计方法，但是不论采用哪一种方法，都要遵守软件容错设计的原则：
尽量对非正常运行条件进行屏蔽，对无法屏蔽的非正常条件要使其形成有序化响应，使程序回归到正常的运行路径或者回到起始点。
第二章PLC控制系统的硬件设计
2.1硬件设计的重要性
PLC控制系统的设计包括了硬件与软件两方面的内容。
在控制系统的总体规划（方案设计）完成，并且选定了对应的PLC型号与规格后，从工程设计的角度，应进入控制系统的技术设计阶段，进行系统的硬件与软件设计。
PLC控制系统的硬件设计，并非像部分人主观想象的那样，因为PLC具有灵活、通用的特点，全部控制要求均可以通过软件解决，因此设计时只要进行PLC与输入/输出信号间的简单连接即可。
而是直接关系到控制系统的安全性、可靠性与生产制造成本等诸多重要问题。
而且，硬件设计一旦完成，它不可以像软件设计那样可以随时随地进行修改，因此，它是决定控制系统设计成败的关键问题，必须引起我们的高度重视。
虽然，PLC是专门为工业环境设计的控制装置，其本身的安全性、可靠性、已经得到了良好的保证，但如果外部条件不能满足PLC的基本要求，同样可能影响系统的正常运行，造成设备运行的不稳定，甚至危及设备与人身安全。
因此，在系统硬件设计阶段，就必须考虑到系统的安全性与可靠性，并始终将其放在最为重要的位置。
硬件设计是对系统进行的原理、安装、施工、调试、维修等方面的具体技术设计，设计必须认真、仔细；确保全部图样与技术文件的完整、准确、齐全、系统、统一，并贯彻国际，国内有关标准。
1.硬件设计的基本内容
一般来说，PLC系统硬件应包括如下内容：
①控制系统主回路设计、控制回路设计、安全电路、PLC输入/输出回路等方面的设计；
②控制柜、操作台的机械结构设计；
③控制柜、操作台的电器元件安装设计；
④电气连接设计等。
以上内容中的主回路、控制回路、PLC输入/输出的设计是硬件的主要内容，属于电气控制原理设计的范畴，统一以“电气原理图”的形式体现设计思想与要求。
电气原理图是系统软件设计、安装与连接设计、系统调试与维修的基础，它完整地体现了系统的设计思想与要求，系统中所使用的任何电器元件以及它们之间的连接要求、主要规格参数等，均在电气原理图上得到了全面、准确、系统的反映，因此，它是电气控制系统最为重要的技术资料。
电气原理图设计应遵循国际、国家或行业的标准与规范。
在国外，一般来说，除涉及安全性、可靠性的准则决不可违背外，对其他方面的要求（如图形符号、元器件代号等的表示方法）通常较灵活，因此，在阅读进口设备图纸时应注意。
此外，电气原理图的具体绘制要求、读图方法等虽然是PLC系统设计中需要掌握的内容，需要时应参考有关标准与其他参考资料。
在PLC电气原理图设计中，PLC的I/O连接设计相对来说是系统中最为简单的部分，只需要根据PLC输入/输出的类型，按照PLC的连续要求进行连接即可。
然而，控制系统的PLC外围电路设计，往往是影响系统工程运行安全性、可靠性、决定系统成败的关键，尤其应引起设计者的重视。
控制柜、操作台的机械结构设计，控制柜、操纵台的电器元件安装设计，电气连接设计等属于安装与连接设计的范畴。
高驻地的目的是用于指导、规范现场生产与施工，为系统安装、调试、维修提供帮助，并提高系统的可靠性与标准化程度。
2.2电源回路的设计
1．PLC电源设计
一般而言，PLC的基本电源一般有使用AC100V/240V与DC24V两种类型。
当PLC采用AC100V/240V供电时，通常驻允许的变化范围为AC200～AC264V。
PLC对外部交流电源的频率要求较低，允许的
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