校园作息时间控制系统.docx
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校园作息时间控制系统
摘要
本设计介绍一种用PLC控制的作息时间控制系统，详细地阐述了系统组成、系统硬件接线和系统软件设计，并详细介绍了系统工作原理。
校园作息时间控制系统主要用于学校，对一些以24小时为周期的开关量进行自动控制。
如上下课打铃、教学楼照明的定时开与关、学生宿舍灯及校园路灯的定时开关控制等等。
该控制系统是采用三菱FX2N系列的PLC且采用数码显示来实现对上述开关量的控制，该系统具有外设电路配置简单、扩展方便、操作容易、可靠性高、实用性强等特点，集电铃、宿舍灯、教室灯、音乐广播自动控制于一体，并具有周末与假期控制功能，实现了作息时间无人控制的自动化、科学化管理与操作。
该控制系统可广泛用于学校、工厂和机关的自动打铃、电视、室内照明及其他对象控制，也可用于家庭或学生寝室进行时间指示及多点时间提醒。
关键词:
作息时间控制，PLC，校园，三菱FX2N
摘要···········································································1
第一章．校园作息时间控制系统··················································3
1.1校园作息时间控制系统的设计指导··········································3
1.2校园作息时间控制系统的控制要求··········································3
1.2.1校园作息时间控制系统的设计概述·······································4
1.2.2校园作息时间控制系统输入输出分配表···································5
1.2.3校园作息时间控制系统PLC外部接线图···································6
第二章．PLC概述·······························································7
2.1PLC发展·································································7
2.2PLC的组成·······························································7
2.2.1中央处理器···························································7
2.2.2存储器·······························································7
2.2.3输入输出借口·························································8
2.2.4电源模块·····························································9
2.2.5PLC系统的其他设备···················································9
2.3PLC的基本构成···························································9
2.3.1硬件系统·····························································9
2.3.2软件系统····························································11
2.4可编程控制器的工作原理···················································11
2.4.1PLC的逻辑实现原理··················································11
2.4.2PLC的工作方式······················································13
第三章．作息时间控制系统设计···················································15
3.1秒脉冲系统设计··························································15
3.2分显示系统设计··························································15
3.3时显示系统设计··························································16
3.4星期显示系统设计························································17
3.5数码管动态扫描系统设计··················································19
3.6广播控制系统设计························································20
3.7灯的控制系统设计························································20
3.8电铃控制系统设计························································21
3.9双休日控制系统设计······················································21
第四章．系统调试·······························································22
4.1硬件调试································································22
4.2软件调试································································22
结束语········································································23
参考文献······································································24
附录··········································································25
第一章、校园作息时间控制系统
1.1作息时间控制系统的设计指导
校园作息时间控制系统主要用于学校对一些以24小时为周期的开关量进行自动控制。
如上下课打铃、教学楼照明、学生宿舍灯、校园路灯开关量等等的精确控制。
月时间累计误差≤1分钟。
系统设有的键盘电路，方便定期进行时间校准。
用PLC来实现对上述开关量的控制，可体现系统简单、工作稳定可靠、廉价、控制时间精确及系统体积小等优点
1.2作息时间控制系统的控制要求
作息时间控制器的控制要求如下：
（1）开机时初始状态显示为00时00分，显示星期为“星期一”。
按下启动按钮，控制器开始计时工作。
（2）能将时间显示调整到当前的日期及时间。
（3）可按所设置的时间要求打铃。
（4）可根据需要控制其它装置。
（5）设置相应的手动按钮，使控制器使用更加方便。
（7）为了便于广大师生过好双休日，从星期五下午晚餐开始至星期日下午18：
00停止打铃。
PLC校园作息时间控制器作息时间表见表1-1。
表1-1PLC作息时间控制器作息时间表
项目
时间
起床
6:
20～6:
30
早点名
6:
30～6:
40
洗漱，早餐
6:
40～7:
20
早自习
7:
25～7:
40
预备铃
7:
45～7:
50
第一节课
7:
50～8:
35
第二节课
8:
45～9:
30
课间操
9:
30～9:
50
第三节课
9:
50～10:
35
第四节课
10:
45～11:
30
午餐
11:
30～12:
00
午休
12:
00～12:
50
预备铃
12:
55～13:
00
第五节课
13:
00～13:
45
第六节课
13:
55～14:
40
文体活动
14:
40～16:
30
晚餐
16:
30～17:
30
自由活动
17:
30～18:
00
预备铃
18:
25～18:
30
晚自习
18:
30～20：
30
熄灯
21:
30
1.2.1作息时间控制系统的设计概述
作息时间控制器采用三菱FX2N系列的PLC且采用数码显示，能够准确显示分、时、星期，在一定的时间内能够自动打铃，放、关广播，放、关音乐，开、熄学生宿舍灯，且通过改变输入PLC的程序能够灵活改变冬、夏季作息时间。
此外，该PLC作息时间控制器还设置了手动按钮，用于调整分、时、星期。
1.2.2校园作息时间控制系统输入输出分配表
作息时间PLC控制器I/O地址分配表
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点编号
名称
代号
输出点编号
启动按钮
SB1
X0
数码管a段
a
Y0
停止按钮
SB2
X1
数码管b段
b
Y1
手动打铃
SB3
X2
数码管c段
c
Y2
“分”调整按钮
SB4
X3
数码管d段
d
Y3
“时”调整按钮
SB5
X4
数码管e段
e
Y4
“天”调整按钮
SB6
X5
数码管f段
f
Y5
开广播
SB7
X6
数码管g段
g
Y6
关广播
SB8
X7
数码管公共端
D1
Y10
开灯
SB9
X10
数码管公共端
D2
Y11
熄灯
S10
X11
数码管公共端
D3
Y12
数码管公共端
D4
Y13
数码管公共端
D5
Y14
秒闪烁发光二极管
POINT
Y15
广播继电器
KA1
Y20
电铃继电器
KA2
Y21
宿舍继电器
KA3
Y22
1.2.3校园作息时间控制系统PLC外部接线图
校园作息时间控制系统PLC外部接线图
第二章、PLC概述
2.1PLC的发展
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
2.2PLC的组成
PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
2.2.1中央处理器
中央处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。
小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。
CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。
2.2.2存储器
PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。
（1）系统程序存储器
PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。
系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。
系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。
ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。
EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。
（2）用户程序存储器
用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。
通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。
（3）数据存储器
PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。
RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。
2.2.3输入输出接口
输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。
PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。
晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。
现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。
输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。
（1）输入接口
输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。
（2）输出接口
输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。
常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。
输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。
微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。
（3）其它接口
若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带CPU）相接进行扩充。
PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。
2.2.4电源模块
PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。
PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。
2.2.5PLC系统的其它设备
（1）编程设备：
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
（2）人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
（3）输入输出设备：
用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
2.3PLC的基本构成
2.3.1硬件系统
用可编程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。
入出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点。
而入出变换实际上就是信息处理，信息处理当今最常用的是微处理机技术，PLC也是用它，并使其专用化，应用与工业现场。
至于物理实现，正是它与普通微机相区别之点，普通微机多只考虑信息本身，别的不多考虑，而PLC要考虑实际的控制需要。
物理实现要求PLC的输入，应当排除干扰信号适应于工业现场。
输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。
这就要求I/O电路专门设计。
根据PLC实施控制的基本点的分析，PLC采用了典型的计算结构。
主要是由CPU、RAM、ROM和专门设计的输入输出接口电路组成，如图2-1和图2-2。
图2-1PLC的典型结构
图2-2PLC的输入输出接口电路
2.3.2软件系统
（1）．系统程序
它由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，按装在PLC上，随产品提供给用户。
系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。
系统管理程序其主要功能为：
a：
时间分配的运行管理，即实现PLC输入、输出运算，自检及提供通信时序；
b：
存储空间的额分配管理，即生成用户环境，规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理存储地址；
c：
系统的自检程序，即对系统进行出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。
在系统管理程序的控制下，整个PLC能正确、有效地工作。
用户指令解释程序：
它可将用户用各种编程语言（梯形图、语句表等）编制的应用程序翻译成CPU能执行的机器指令。
供系统调用的标准程序模块：
它由许多独立的程序组成，各自完成包括输入、输出、特殊运算等不同的功能。
PLC的各种具体工作都由这部分来完成。
（2）.用户程序
它是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。
用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。
开关量逻辑控制程序：
它是PLC用户程序中最重要的一部分，一般采用梯形图、助记符或功能块图等编程语言编制，不同的PLC制造企业提供的编程语言有不同的形式，至今没有一种能全部兼容的编程语言。
模拟量运算程序及闭环控制程序：
通常，它是在大中型PLC上实施的程序，由用户根据需要按PLC提供的软件和硬件功能进行编制。
编程语言一般采用高级语言或汇编语言。
一些制造企业为了方便用户编程，也提供相应编程软件供用户编制模拟量和PID控制等的程序。
操作站系统程：
它是大型PLC系统经过通信联网后，由用户进行信息交换和管理而编制的程序。
它包括各类画面的操作显示程序，一般采用高级语言实现，一些制造企业也提供了人机界面的有关软件，用户可以根据制造企业提供的外交使用说明进行操作站的系统画面组态和编制相应的应用程序。
2.4可编程控制器的工作原理
2.4.1PLC的控制逻辑实现原理
继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，如图2-3（a）所示，它的三条支路是并行工作的，当按下按钮SB1，中间继电器K得电，K的两个触点闭合，接触器KM1、KM2同时得电并产生动作。
所以继电器控制系统采用的是并行工作方式。
可编程控制器是一种计算机控制系统，它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上的，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，如图2-3（b）所示。
由于CPU是以执行程序来处理各项任务的，所以在每一瞬间只能做一件事，属于串行工作方式。
通过程序的执行按程序顺序依次完成各相应的动作。
2-3（a）
2-3（b）
图2-3PLC控制逻辑实现原理示意图
2.4.2PLC的工作方式
为了满足工业逻辑控制的要求，同时结合计算机控制的特点，PLC的工作方式采用不断循环的顺序扫描工作方式。
每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。
CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。
PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。
PLC工作的全过程可用图2-4所示的运行框图来表示。
整个过程可分为以下几个部分：
第一部分是上电处理。
PLC上电后对系统进行一次初始化，包括硬件初始化和软件初始化，停电保持范围设定及其他初始化处理等。
第二部分是自诊断处理。
PLC每扫描一次，执行—次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常。
如CPU、电池电压、程序存储器、I／O和通讯等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。
当出现致命错误时，CPU被强为STOP方式，所有的扫描便停止。
第三部分是通讯服务。
PLC自诊断处理完成以后进入通讯服务过程。
首先检查有无通讯任务，如有则调用相应进程，完成与其他设备的通讯处理，并对通讯数据作相应处理；然后进行时钟、特殊寄存器更新处理等工作。
第四部分是输入处理。
PLC在执行程序前，将PLC的整个输入端子的ON／OFF状态写入到输入数据存储器中。
在执行程序的过程中，即使输入变化，输入数据存储器的内容也不变，而在下一个周期的输入处理时，写入这种变化。
输入滤波器会造成输入响应滞后（约10ms），如采用数字滤波的输入端子，可以通过程序修改滤波时间。
第五部分是程序处理。
PLC根据程序存储器的指令内容，从输入数据存储器与其他软器件的数据存储器中读出各软
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