电气课设-PLC十人投票机设计.doc

电气控制技术课程设计说明书

十人投票机设计

院 、 部： 电气与信息工程学院
学生姓名： 夏志勇
指导教师： 陈华容 职称 高级实验师
专 业： 自动化
班 级： 1404班
学 号： 1430740428
完成时间： 2017年6月

湖南工学院电气控制技术课程设计课题任务书
学院：电气与信息工程学院 专业：自动化
指导教师
陈华容
学生姓名
夏志勇
课题名称
十人投票机设计

内容及任务

一、目标
设计一个基于PLC的十人投票机。
二、任务
根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行十人投票机运行原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。主要内容包括：
1. 设计该系统电气控制硬件系统；
2．PLC及其它电器元件选型及PLC的I/O分配。
3．选择电器元件，编制元件目录表。
4．设计该系统PLC控制梯形图。
5．用计算机绘制PLC控制电路图。
6．进行系统仿真测试，实现十人投票机的控制要求。
7. 编写设计说明书。
三、要求
1．运行PLC；
2．当PLC运行时，[X12：计票开关]=OFF，则不执行投票计算。
3．当PLC运行时，再扳X12．[X12：计票开关]=ON，投票开始，并开始计时，此时需在15s内完成投票(赞成与不赞成)，请扳动X0~Xl 1(如赞成：X：ON，若反对X：OFF)。
4．[X12]=ON，15s后立即显示投票结果，若显示指示灯
Y0亮：表示不通过(即反对人数较多)
Y1亮：表示同票(即赞成与反对人数相等)
Y2亮：表示通过(即赞成人数较多)
5．当投票结果显示后，就不再接受任何信息，即使再次投票显示灯仍不会改变其结果。
6．X13为归零按钮．在x13归零后，所有的显示灯熄灭，此时可再次进行投票。

主要参考资料
[1] 史国生.电气控制与可编程控制器技术[M].北京：化学工业出版社，2010.3
[2] 胡学林.可编程控制器原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2005.8
[3] 范永胜,王岷编.电气控制与PLC应用（第二版）[M].北京电力出版社.2007
[4] 林小峰编.可编程序控制器及应用[M].北京:高等教育出社.1991
[5] 方承远编.工厂电气控制技术.第二版[M].北京机械工业出版社.2000
[6] 汪道辉主编.逻辑与可编程控制系统[M].北京: 机械工业出版.2001
[7] 易传禄等编.可编程序控制器应用指南[M].上海:上海科学普及出版社.1993
[8] 杨士元等编.可编程序控制器(PC)编程应用和维修[M].北京:清华大学出版社.1995
[9] 耿文学等编.微机可编程控制器原理[M].北京:电子工业出版社.1993
[10] 田效伍主编.电气控制与PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社.2007
[11] 杨长能.可编程序控制器(PC)基础及应用[M].重庆:重庆大学出版社.1999 [12] 王平,崔纳新.PLC在电梯控制中的应用[M].微计算机信息．1999
[13] 郁汉琪.机床电气及可编程控制器实验[M].课程设计指导书.高等教育出版社.2001
[14] 余雷声.电气控制与PLC应用[M].北京:机械工业出版社.2000
[15] 李江全,三菱PLC通信与控制应用编程实例[M].北京：中国电力出版社，2012
[16] 肖峰，贺哲荣.PLC编程100例[M].北京：中国电力出版社，2009
[17] 高安邦.三菱FX/A/Q系列PLC自学手册[M].北京：中国电力出版社，2013.7

教研室
意见

教研室主任：（签字）
年 月 日

摘 要
该设计是基于可编程控制器（PLC）设计的十人投票机的电气控制系统，设计分为硬件设计和软件设计两部分。
在硬件设计方面，列出I/0分配表，有12个输入点，3个输出点，选用具有16个输入点数、16个输出点数的FX2N-32MR可编程控制器以及指示灯、开关、按钮等元器件，画出PLC外部接线图。
在软件设计方面，画出十人投票机程序设计流程图，并设计出各模块程序梯形图，再整合成总程序梯形图，程序用了十个开关进行投票，用INC语句把投赞同票的加在D30了，通过SUB语句将投不赞同的票数放在D40里，通过比较语句CMP将赞同票数D30与不赞同票数D40进行比较从而得出不通过、同票和通过三个不同的输出结果。最后对所设计的程序进行仿真调试，得出结果，满足设计要求。

关键词：十人投票机；可编程控制器；程序梯形图

目 录
1 概述 1
1.1 课题的背景及意义 1
1.2 设计的主要内容 1
1.3 可编程控制器的基本构成以及优点 1
2 系统硬件设计 3
2.1 系统设计要求 3
2.2 控制原理 3
2.3 I/O点统计 3
2.4 PLC选型 4
2.5 PLC外部接线图 4
3 系统软件设计 5
3.1 程序设计流程图 5
3.2 程序梯形图 5
3.2.1 开始模块 5
3.2.2 计票模块 6
3.2.3 显示结果模块 8
3.2.4 复位模块 8
3.2.5 总程序梯形图 9
4 调试及仿真 10
4.1 调试步骤 10
4.2 仿真结果 11
4.3 结果分析 16
结束语 17
参考文献 18
致 谢 19
附录A PLC外部接线图 20
附录B 总程序梯形图 21

1 概述
1.1 课题的背景及意义
随着民主意识的不断加强，现今社会很多的场合下会用到投票机，例如：在电视上的很多娱乐性质的节目中，或是会议、竞赛、演讲等等场合。投票机，是投票反馈系统中的终端设备，是一种代替常规会议举手表决，会议举手投票，民主举手选举的一种装置，应用非常普遍。
在现代化的工业生产领域中，采用PLC控制的多人投票器具有系统反应速度快、效率高等优点，大大提高了多人投票时机器的读票效率和控制系统的可靠性，同时进一步提高了工作效率。PLC是专为工业生产环境设计的控制装置，一般不需要采取特殊措施，就可以直接在工业环境中使用，但是，假如现场环境比较恶劣，使用了众多大功率机械设备，而大功率机械设备的启动、负载的变化会引起电网电压的波动，产生低频干扰；另外，使用电焊机和火焰切割机会产生高频火花电流造成干扰；同时，现场的各种动力线路会通过电脑磁耦合产生干扰。这些干扰都会通过与现场设备相连的电缆引入PLC控制系统中，影响系统安全可靠的工作，所以合理地设计系统的可靠性就显得尤为重要。课程设计应用于多人投票场景，应是远离工业环境的。以上提及的大功率机械设备和电焊机和火焰切割机产生的干扰可以忽略。
1.2 设计的主要内容
十人投票机是基于可编程控制器（programmable logic controller 简称PLC）设计的电气控制系统。
设计主要由硬件设计和软件设计组成。硬件设计部分列出I/O分配表，用了11个开关，1个按钮，3个LED灯（红、绿、黄），软件设计部分根据任务书要求分模块用步进指令进行设计，其中软件程序设计总共分为四大模块，开始模块、计票模块、显示结果模块、复位模块。
最后通过使用三菱仿真软件GX Developer对其控制程序进行仿真与调试，仿真结果验证了程序的正确性，证明设计满足系统的控制要求和设计思路。
1.3 可编程控制器的基本构成以及优点
可编程控制器（PLC）是用来取代控制系统中的继电器的一种设备，它通过检测输入端口，并根据输入端口的状态，按照程序控制输出口，可编程控制器的程序一般要使用一定的软件编写，使用人员通过输入预先编写的程序，使可编程控制器按预定的控制方案执行控制任务。
可编程控制器虽然外观各异，但硬件结构大体相同。主要由中央处理器（CPU），输入输出（I/O接口）,电源及编程设备几大部分组成。PLC的硬件结构框图如下图1所示：

输
出
接
口
部件

输入接口部件

中央处理单元
CPU板
接受 驱动
现场信号 受控元件

电 源 部 件

图1 PLC硬件结构图
CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部论断等。
I/O接口是PLC与输入/输出设备联接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。
图中电源部件是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。
编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或者监示PLC的工作情况。除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。
可编程控制器（PLC）的优点显而易见：
①可靠性高，抗干扰能力强；
②编程直观、简单、易学、易懂；
③采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；
④功能完善，接口功能强；
⑤安装简便，调试方便，维护工作量小。
2 系统硬件设计
2.1 系统设计要求
本次设计基于PLC设计一个十人投票机，有十个投票开关，ON表示赞同，OFF表示反对，投票时间为15秒，15秒之后结束投票并输出投票的结果，按下复位按钮后可以重新开始投票。
2.2 控制原理
(1) 运行PLC；
(2) 当PLC运行时，[X12：计票开关]=OFF，则不执行投票计算；
(3) 当PLC运行时，再扳X12，[X12：计票开关]=ON，开始计时，此时需在15s内完成投票(赞成与不赞成)，请扳动X0~Xl1(如赞成：X：ON，若反对X：OFF)。
(4) [X12]=ON，15s后立即显示投票结果，若显示灯：
Y0亮：表示不通过(即反对人数较多)；
Y1亮：表示同票(即赞成与反对人数相等)；
Y2亮：表示通过(即赞成人数较多)。
(5) 当投票结果显示后，就不再接受任何信息，即使再次投票显示灯仍不会改变其结果；
(6) X13为归零按钮，在X13归零后，所有的显示灯熄灭，此时可再次进行投票。
2.3 I/O点统计
根据设计要求设计的输入点有10个投票开关，1个启动开关，1个复位按钮，共 12个。输出点为投票结果显示灯，红灯（不通过），黄灯（同票），绿灯（通过）共3个。具体统计见表1。
表1 I/O点分配表
序号
名称
I/O
输入点功能
序号
名称
I/0
输出点功能
1
SA1
X000
1号投票开关
1
LED0
Y000
红灯（不通过）
2
SA2
X001
2号投票开关
2
LED1
Y001
黄灯（同票）
3
SA3
X002
3号投票开关
3
LED2
Y002
绿灯（通过）
4
SA4
X003
4号投票开关

5
SA5
X004
5号投票开关

6
SA6
X005
6号投票开关

续表1
7
SA7
X006
7号投票开关

8
SA8
X007
8号投票开关
9
SA9
X010
9 号投票开关

10
SA10
X011
10号投票开关
11
SA11
X012
计票启动开关
12
SB1
X013
复位归零按钮
2.4 PLC选型
在对PLC进行选型时，主要依据系统所用到的输入/输出接口数量、PLC的负载类型特点及负载使用电源、工作频率等来进行PLC的型号选择。在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。
FX2N系列是三菱PLCFX家族中最先进的系列。有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块，灵活性和控制能力强，可扩展到256点。且具有如下特点：
系统配置即固定又灵活；编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。
由于课程设计仅用到12个输入，3个输出点。比较FX2N系列，可知采用FX2N-32MR比较合适，利用率较高。
FX2N-32MR继电器型PLC的输入和输出点数都是16个，使用时为0~55摄氏度；一般以不结露时为准，使用时在35%~89%；用噪声仿真器产生电压为1000Vp-p、周期为30~100Hz的噪声，在此噪声干扰下PLC能够正常工作；PLC一般在无腐蚀性气体和无尘埃的环境下使用；电源电压一般为AC100~240V和50/60Hz；输入电压为DC24V，输入电流为7mA；输入输出方式为批处理方式，但有输入输出刷新指令；程序语言为继电器符号加步进梯形图方式。
由于PLC输出端采用24V直流电LED指示灯的额定电压24VDC，额定电流15mA，功率为0.36W，颜色红、黄、绿各一个。
2.5 PLC外部接线图
PLC外部接线图见附录A。
3 系统软件设计
3.1 程序设计流程图
根据系统设计要求，对系统软件进行设计其主体流程图如图2所示。

图2 程序主体流程图
3.2 程序梯形图
3.2.1 开始模块
PLC上电，M8002使D30和D40复位清零。按下起动按钮SB12时，M3得电，并自锁保持稳定输出。同时，T0定时器15S计时开始。开始模块程序梯形图如图3所示。

图3 开始模块程序梯形图
3.2.2 计票模块
按下投票按钮进行投票，将投票通过的数累加到D30里，通过减法用10减去通过的数即为不通过的数，存到D40里。开始后，投票员可以进行投票，赞成的扳到ON，反对的扳到OFF。在15S内，投票是可以反悔的。因此，T0没有闭合，线路并未通电。所以投票是可以反悔，方便误投改正过来，但15S之后是不能再改过来的。累加完后，在这个扫描周期内，T0还是闭合的。执行D40=10-D30。
计票模块程序梯形图如图4、图5所示。

图4 计票模块程序梯形图（1）

图5 计票模块程序梯形图（2）
3.2.3 显示结果模块
比较D40与D30的值。若D40>D30，M0闭合，Y0得电，红灯Y0亮，表示不通过；若D40=D30，M1闭合，Y1得电，黄灯Y1亮，表示同票；若D40<D30，M2闭合，Y2得电，绿灯Y2亮，表示通过。到下一个扫描周期，因为M0、M1、M2其中一个已得电，对应的常闭触点M0、M1、M2断开。所以15秒过后投票或反悔，是无效的。显示结果模块程序梯形图如图6所示。

图6 显示结果模块程序梯形图
3.2.4 复位模块
当投票完成后，按下归零按钮SB13。常开触点X013闭合，D30、D40清零，M0、M1、M2复位。常闭触点X013断开，X012失电，T0复位，M3失电自锁取消。常闭触点X013断开，Y000、Y001、Y002失电，所有灯熄灭。程序还原为开始状态，此时可再次进行投票。复位模块程序梯形图如图7所示。

图7复位模块程序梯形图
3.2.5 总程序梯形图
总程序梯形图见附录B。
4 调试及仿真
4.1 调试步骤
（1）将PLC与对应输入输出的设备连接起来。
（2）用软件编制图的梯形图程序，将编制无误的程序分别下载到PLC中，并将模式选择开关拨至RUN状态。如图8，图9所示。

图8 操作步骤1

图9 操作步骤2
（3）调试运行。
（4）监控运行。
4.2 仿真结果
按FX2N-32MR外部接线图（附录A）连接电路，打开计票开关X12,根据X0~X11所接投票开关进行投票，15秒后投票结束，观察投票结果，分析仿真结果是否正确。根据设计要求，现分已下3种情况进行仿真测试。
(1) 投赞同票小于5票（不通过）
计票仿真调试图如图10所示。

图10 投票仿真测试图（不通过）
由图10可知，启动开关X012之后，M3自锁以保持稳定输出，开始投票，T0开始计时，等定时器T0的15秒完毕后，1号投票开关和3号投票开关投赞同票，其余投反对票，用INC语句将赞同票数D30加得2，此时赞同票数D30=2。
显示结果仿真调试图如图11所示。

图11 显示结果仿真调测图（不通过）
由图11可知，定时器T0的15秒完毕后，用SUB语句用10减去赞同票数D30得到反对票数D40，D40=10-D30=8，再用CMP语句把反对票数D40和赞同票数D30进行比较，D30=2<8=D40，即赞同人数小于反对人数，M0闭合，红灯Y0亮，表示不通过。此时的M0已经闭合，图10中的M0常闭就断开，再进行投票就无效。
(2)投赞同票等于5票 （同票）
计票仿真调试图如图12所示。

图12 投票仿真测试图（同票）
由图12可知，启动开关X012之后，M3自锁以保持稳定输出，开始投票，T0开始计时，等定时器T0的15秒完毕后，1号、2号、3号、5号、6号投票开关投赞同票，其余投反对票，用INC语句将赞同票数D30加得5，此时赞同票数D30=5。
显示结果仿真调试图如图13所示。

图13 显示结果仿真调测图（同票）
由图13可知，定时器T0的15秒完毕后，用SUB语句用10减去赞同票数D30得到反对票数D40，D40=10-D30=5，再用CMP语句把反对票数D40和赞同票数D30进行比较，D30=5=D40，即赞同人数等于反对人数，M1闭合，黄灯Y1亮，表示同票。此时的M1已经闭合，图12中的M1常闭就断开，再进行投票就无效。
(3)投赞票大于5票（通过）
计票仿真调试图如图14所示。

图14 投票仿真测试图（通过）
由图14可知，启动开关X012之后，M3自锁以保持稳定输出，开始投票，T0开始计时，等定时器T0的15秒完毕后，2号投票开关投反对票，其余投赞同票，同INC语句把赞同票数D30加得9，此时赞同票数D30=9。
显示结果仿真调试图如图15所示。

图15 显示结果仿真调测图（通过）
由图15可知，定时器T0的15秒完毕后，用SUB语句用10减去赞同票数D30得到反对票数D40，D40=10-D30=1，再用CMP语句把反对票数D40和赞同票数D30进行比较，D30=9>1=D40，赞同人数大于反对人数，M2闭合，红灯Y2亮，表示通过。此时的M2已经闭合，图14中的M2常闭就断开，再进行投票就无效。
4.3 结果分析
由仿真结果可知，系统硬件软件均能正常工作，在启动投票开关SB12后进行投票，就可以开始投票，按开关SA1～SA10进行投票，ON代表投赞同票，OFF代表投反对票，15S后停止投票，并且显示结果。当赞同票数小于反对票数红灯Y0亮，表示不通过；当赞同票数等于反对票数黄灯Y1亮，表示同票；当赞同票数大于反对票数绿灯Y2亮，表示通过；投票结束后再投票就无效，按下复位按钮SB1，系统重置，可再次进行投票。经过仿真调试，设计显然符合课程设计的设计要求，设计成功。

结束语
通过不断努力，终于完成了此次综合应用设计，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，通过同学们的互相帮助以及老师的教导，这些问题都一一得以解决。
我进一步巩固了所学的专业基础知识，同时，也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等能力，收获颇多。
此次的PLC投票设计，让我深刻的了解了PLC程序的设计方法，让我对PLC程序设计有了一个全新的认识，为日后学习和灵活运用PLC进行编程打下坚实基础。

参考文献
[1] 史国生.电气控制与可编程控制器技术[M].北京：化学工业出版社，2010.3 [2] 胡学林.可编程控制器原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2005.8
[3] 范永胜,王岷编.电气控制与PLC应用（第二版）[M].北京电力出版社.2007
[4] 林小峰编.可编程序控制器及应用[M].北京:高等教育出社.1991
[5] 方承远编.工厂电气控制技术.第二版[M].北京机械工业出版社.2000
[6] 汪道辉主编.逻辑与可编程控制系统[M].北京: 机械工业出版.2001
[7] 易传禄等编.可编程序控制器应用指南[M].上海:上海科学普及出版社.1993
[8] 杨士元等编.可编程序控制器(PC)编程应用和维修[M].北京:清华大学出版社.1995
[9] 耿文学等编.微机可编程控制器原理[M].北京:电子工业出版社.1993
[10] 田效伍主编.电气控制与PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社.2007
[11] 杨长能.可编程序控制器(PC)基础及应用[M].重庆:重庆大学出版社.1999 [12] 王平,崔纳新.PLC在电梯控制中的应用[M].微计算机信息．1999
[13] 郁汉琪.机床电气及可编程控制器实验[M].课程设计指导书.高等教育出版社.2001
[14] 余雷声.电气控制与PLC应用[M].北京:机械工业出版社.2000
[15] 李江全,三菱PLC通信与控制应用编程实例[M].北京：中国电力出版社，2012
[16] 肖峰，贺哲荣.PLC编程100例[M].北京：中国电力出版社，2009
[17] 高安邦.三菱FX/A/Q系列PLC自学手册[M].北京：中国电力出版社，2013.7

致 谢
经过不断努力，课程设计终于完成了，感谢我的同学们，在我遇到问题的时候，我们互相帮助，一起解决问题，遇到我们都不会的问题，我们就去问指导老师。在此，我要特别感谢我的指导老师陈华容老师，感谢陈老师一直以来对我们的辛勤教导。如果没有陈老师如此认真负责的教导，我无法学到这么多的知识，也不可能完成这个设计。我相信这次设计会对我今后的学习工作生活有非常重要的影响。虽然这个设计还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次设计的最大收获和财富，使我终身受益。
22

附录A PLC外部接线图

附录B 总程序梯形图