基于PLC电子计算器课程设计.doc

《专业综合应用与工程能力实践训练》
项目设计说明书

电子计算器

学生姓名： 舒翅
专 业： 自动化
班 级： 1202
学 号： 1230740228
指导教师：董海兵 职称 讲师
完成时间： 2015年12月

摘 要
LC英文全称为Programmable Logical Controller,即可编程逻辑控制器。顾名思义,它本来的含义是具有柔性的，可编程，主要来完成逻辑控制，针对数字量。工业控制器，它代替了传统的靠硬触点来做的控制系统就象当初的计算机已经演变为电脑一样，现在的PLC也由早期单纯地实现逻辑控制演变为一个可进行数模、模数转换，可进行定位控制等一个功能强大的工业控制器。
电子计算器功能方面只能进行4位数以内的简单的加减乘除基本运算，并且只能显示数字部分，无法显示符号部分，是最大缺陷和遗憾，包括除以0的运算也无法实现。硬件方面连线部分比较简单，这是利用十六键输入和选通输出的优势。总的来说电子计算器设计就是一个简单的PLC设计成果，没有真正计算器的功能那么强大，但是仍然可以体现PLC的强大功能和逻辑性。

关键字：PLC；电子计算器；仿真

目 录
1 引言 1
1.1 设计目的 1
1.2 设计要求 1
2 电子计算器的系统硬件设计 2
2.1 PLC选型 2
2.2 系统硬件配置及组成原理 2
2.2.1 数据输入： 2
2.2.2 数据显示： 3
3 电子计算器控制系统梯形图程序设计 6
3.1 控制程序设计思路 6
3.2 I/O分配 6
3.3 控制程序设计思路 7
3.4 控制程序流程图设计 7
3.5 程序说明 8
4 GX Developer系统仿真 11
4.1 仿真结果 11
4.2 结果分析 13
5 课程设计心得 14
致 谢 15
参考文献 16
附 录 17
附录A 程序梯形图 17
附录B 程序清单 20

I

1 引言
PLC英文全称为Programmable Logical Controller,即可编程逻辑控制器。顾名思义,它本来的含义是具有柔性的，可编程，主要来完成逻辑控制，针对数字量。工业控制器，它代替了传统的靠硬触点来做的控制系统就象当初的计算机已经演变为电脑一样，现在的PLC也由早期单纯地实现逻辑控制演变为一个可进行数模、模数转换，可进行定位控制等一个功能强大的工业控制器。可以说它在现代社会各种需要自动控制的场合发挥了巨大的作用。可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统。专为工业环境下应用而设计。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的指令、并通过数字式、模拟式的输入和输出、控制各种机械或生产过程。
1.1 设计目的
设计一个基于PLC的电子计算器。
1.2 设计要求
控制要求如下：
（1）由按键输入的数值显示在7段数码管上，但只限4位数。
（2）按加、减、乘、除键时，第一次输入的值被存放在缓冲区中，当做被加、减、乘、除数，且加、减、乘、除相对的运算指示灯会亮。
（3）接着输入一个数，之后若是按下“=”键，则此加、减、乘、除数被存放于另一个缓冲区中，与刚才输入的数做运算，且相对应的运算指示灯熄灭。
（4）将运算结果显示在7段数码管上。

2 电子计算器的系统硬件设计
2.1 PLC选型
电子计算器的输入点需要5个，分别为X000，X001，X002,X003，X004；输出点需要16个，其中Y000–Y003为扫描输出点，Y004–Y007为指示灯，还有Y010–Y017为数据输出点。由此选用FX2N-32MR的PLC。
2.2 系统硬件配置及组成原理
数据输入用一个4*4矩阵键盘，加减标示选用LED指示灯，数据显示用七段数码管。
2.2.1 数据输入：
(1)十六键输入指令的助记符、指令代码、操作数及程序如表1所示
指令名称
助记符
指令代码
操作数
程序步
S
D1
D2
D3
十六键输入指令
HKY
FNC71
X(四个连号元件)
Y
T/C/D/V/Z
Y/M/S(8个连号元件)
HKY...9步
DHKY…17步
表1 十六键输入指令
(2)指令梯形图如图1所示

图1 十六键输入指令梯形图
(3)指令说明：
①该指令是通过键盘上的数字键和功能键输入的内容来完成出入的复合运算过程。指令中有四个操作数，其中[s]指定四个输入元件，[D1]指定四个扫描输出点，[D2]用于存放从键盘输入的数据，[D3]指定读出位元件。键盘和PLC的连接如图2所示。
②数据输入功能。利用O-9的10个数字键可以输入o～9999的数据以BIN码存于[D2]中，即 DO中，大于9999的数从高位溢出。如用DHKY指令时，可输入0～99999999的数据存于D1、DO中。

图2 4*4矩阵键盘与PLC的连接
③功能键。功能键A～F与M0-M5的关系如图2.1.4所示。按下A键，M0置“1”并保持。按下D键，M0置“O”、M3置“1”并保持，其余类推。同时按下多个键，先按下的有效。

图3 功能键对应的位元件
④按下任一键被扫描到后标志M8029置“1”。功能键A—F的任一个键被按下时，M6置“1”(不保持)。数值键0-9的任一个键按下时，M7置“l”(不保持)。当x4变为OFF时，D0保持不变，M0～M7全部为OFF。
⑤预先将M8167置于ON，由此将O～F的十六进制数据写入[D2]。
⑥扫描全部16个键需要8个扫描周期，为防止键输入的滤波延时所造成的存储错误，使用恒定扫描模式或定时中断处理。
2.2.2 数据显示：
（1）带锁存七段码显示指令的助记符、指令代码、操作数及程序如表2所示：
表2 带锁存七段显示指令功能表
指令名称
助记符
指令代码
操作数
程序步
S(.)
D(.)
n
带锁存七段译码显示指令
SEGL
FNC74
K,H,KnX,KnY,KnM,KnS,T,C,D,Y,Z
Y占用12个连号元件
K,H
n=0-7
SEGL 5步

（2）指令梯形图如图4所示

图4 SEGL指令梯形图
（3）指令说明
①SEGL的意义是将十进制值(源S.)写到一组4路扫描的软元件（D.）中，驱动由4个七段码显示单元组成的显示器中。本指令最多可以带两组显示器。显示器共享选通脉冲输出信号(D.)+4～(D.)+7，图2.1.7中为Y4～Y7. 第一组的数据由Y0～Y3输出，第二组数据由Y10～Y13输出。图5为应用SEGL指令的外接线图。
②当n = 0 ～ 3时，为4位1组，D0为二进制数，经BCD换算，最大范围为0 ～ 9999，由Y0 ～ Y3输出。当n = 4 ～ 7，为4位2组，D0向Y0 ～ Y3输出，D1向Y10 ～ Y13输出。选通脉冲信号Y4 ～ Y7共用，按顺序输出。当完成4位数输出后，完成标志M8029置1。

图5 应用SEGL指令外接线图
③参数n = 0 ～ 7，其选择按PLC的正负逻辑和七段码的正负逻辑来定：
n值的选取与选通逻辑、数据逻辑的关系如表3所示：
表3 n值的选取与选通数据逻辑关系
PLC逻辑
七段码显示逻辑
n值
选通逻辑
数据逻辑
一组显示
二组显示
正
正
正
0
4
负
负
负
正
正
负
1
5
负
负
正
负
正
负
2
6
正
负
正
负
正
正
3
7
正
负
负
系统I/O接线图如图6所示

图6 系统I/O接线图
图中，X4为计算器的启动开关，当按下加减乘除运算符号时，其相应的指示灯亮，按下=后，指示灯灭，并将结果显示在四位七段数码管上。

3 电子计算器控制系统梯形图程序设计
3.1 控制程序设计思路
要设计一个简单的基于PLC的电子计算器，可以利用PLC内部的算术运算功能指令，对要计算的数进行加减乘除等运算，现对这些功能指令如下介绍：
（1）加法指令ADD  (D)ADD(P)指令的编号为FNC20。它是将指定的源元件中的二进制数相加结果送到指定的目标元件中往。如图7所示，当X0为ON时，执行（D10）+（D12）→（D14）。
图7 加法指令的使用
（2）减法指令SUB  (D)SUB(P)指令的编号为FNC21。它是将[S1.]指定元件中的内容以二进制形式减往[S2.]指定元件的内容，其结果存进由[D.]指定的元件中。如图8所示，当X0为ON时，执行（D10）—（D12）→（D14）。
图8 减法指令的使用
（3）乘法指令MUL   (D) MUL (P)指令的编号为FNC22。数据均为有符号数。如图9所示，当X0为ON时，将二进制16位数[S1.]、[S2.]相乘，结果送[D.]中。D为32位，即（D0）×（D2）→（D5，D4）（16位乘法）；当X1为ON时，（D1，D0）×（D3，D2）→（D7，D6，D5，D4）（32位乘法）。

图9 乘法指令的使用
（4）除法指令DIV  (D) DIV (P)指令的编号为为FNC23。其功能是将[S1.]指定为被除数，[S2.]指定为除数，将除得的结果送到[D.]指定的目标元件中，余数送到[D.]的下一个元件中。如图10所示，当X0为ON时（D0）÷（D2）→（D4）商，（D5）余数（16位除法）；当X1为ON时（D1，D0）÷（D3，D2）→（D5，D4）商，（D7，D6）余数（32位除法）。

图10 除法指令的使用

3.2 I/O分配
输入编址
输出编址
X000
0，4，8，C（*）
Y000
0，1，2，3
X001
1，5，9，D（/）
Y001
4，5，6，7
X002
2，6，A（+），E（=）
Y002
8，9，A（+），B（-）
X003
3，7，B（-），F（AC）
Y003
C，D，E，F

Y004
LED1

Y005
LED2

Y006
LED3

Y007
LED4
确定电子计算器控制系统的I/O点分配，如表4所示。
表4 I/O点分配
3.3 控制程序设计思路
输入继电器是PLC接收外部输入的开关量信号的窗口，通过光耦合器将外部信号的状态读入并存储在输入映像寄存器中，输入端可以外接常开触点或常闭触点,也可以接多个触点组成的串并联电路或电子传感器。在梯形图中排列PLC可以多次使用输入继电器的常开触点和常闭触点。
输出继电器是PLC向外部负载发送信号的窗口。输出继电器用来将PLC的输出信号传送给输出模块,再由后者驱动外部负载!输出模块中的每一个硬件继电器仅有一对常开触点,但是在梯形图中,每一个输出继电器的常开触点和常闭触点都可以多次使用。
辅助继电器是用软件实现的,它们不能接收外部的输入信号,也不能直接驱动外部负载,是一种内部的状态标志,相当于继电器控制系统中的中间继电器。辅助继电器中有一类保持用继电器,即使在PLC的电源断电时,也能储存ON/OFF状态,其储存的数据和状态由锂电池保护,当电源恢复供电时,能使控制系统继续掉点前的控制。
3.4 控制程序流程图设计
由按键输入的数值显示在7段数码管上，但只限4位数。按加、减、乘、除键时，第一次输入的值被存放在缓冲区中，当做被加、减、乘、除数，且加、减、乘、除相对的运算指示灯会亮。接着输入一个数，之后若是按下“=”键，则此加、减、乘、除数被存放于另一个缓冲区中，与刚才输入的数做运算，且相对应的运算指示灯熄灭。将运算结果显示在7段数码管上。如图11所示：

图11 控制程序流程图
3.5 程序说明
（1）启动程序
按下X004启动按钮，启动程序，通过HKY指令的数字键部分和功能键部分控制出入。如图12所示：

图12 启动程序
（2） 显示初始化
当辅助继电器M6接通后，使得M9置1从而使SEGL指令中断，当M6断开后，SEGL指令初始化动作开始。如图13所示：

图13 输入初始化
（3） 指示灯程序
通过上述输入确定接通的辅助继电器从而确定使用那种运算，然后通过输出点Y004-Y007各自接的LED灯显示出所输入的算法，当辅助继电器M0接通时，加法指示灯Y004亮；当M1接通时，减法指示灯Y005亮；当M2接通时，乘法指示灯Y006亮；当M3接通时，除法指示灯Y007亮。如图14所示：

图14 指示灯程序
（4） 算法程序
通过上述接通的输出指示灯控制需要执行的算法指令，其中当Y004接通时执行加法指令ADD，将D0+D2的值送给D10；当Y005接通时执行减法指令SUB，将D0+D2的值送给D12；当Y006接通时执行乘法指令MUL，将D0+D2的值送给D14；当Y007接通时执行除法指令DIV，将D0+D2的值送给D16。如图15所示：

图15 算法程序
（5） 复位程序
当HKY指令输入使得M5接通时。对D0，D2，D10，D12，D14，D16，M4进行复位清零处理。如图16所示：

图16 复位程序
4 GX Developer系统仿真
4.1 仿真结果
（1） 加法：Y004接通，M0，M4接通后，输入D0为25，D2为15，则输出D10为40，如图19所示。

图19 加法
（2） 减法：Y005接通，M1，M4接通后，输入D0为25，D2为15，则输出D12为10，如图20所示。

图20 减法
（3）乘法：Y006接通，M2，M4接通后，输入D0为25，D2为15，则输出D14为375，如图21所示。

图21 乘法
（4）除法：Y007接通，M3，M4接通后，输入D0为25，D2为5，则输出D16为5，如图22所示。

图22 除法
（5）复位：当M5接通后，复位清零如图23所示。

图23 复位
4.2 结果分析
由按键输入的数值只限4位数，当做被加、减、乘、除数，且加、减、乘、除相对的运算指示灯会亮，继续输入数字，同样只限4位数，按等于号时，如果结果为负值只能显示数字部分，不会显示符号部分。但是由于是电脑仿真无法看到是否有数码管显示，是这个实验最大的遗憾。

5 课程设计心得
通过老师的讲解、阅读指导书和上网搜集资料，完成了电子计算器课程设计，通过课程设计，深感自己实践能力的欠缺，以后自己应加强培养自己的PLC设计能力。PLC实训是可编程控制器原理及应用课程非常有益的课外实践补充，通过本门课程的学习，使我们获得PLC设计的基础知识，掌握工程设计方法及Office办公软件使用方法，掌握利用计算机来运行和仿真，日后应该加强这方面的学习，多做编程练习。使我们进一步熟悉有关PLC控制的理论知识，PLC的结构、组成、工作原理，掌握根据生产工艺过程和自动控制要求用PLC进行控制的PLC系统及控制程序设计方法和步骤，培养我们的工程意识和工程实践能力。
PLC实训培养了关于PLC控制系统的设计方法，编程技巧以及电气常用元器件的选型；初步具有了控制系统主电路、控制程序的分析和设计能力，为今后走上工作岗位应用PLC控制奠定良好的基础。

致 谢
通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想这样的接法可以行得通，但实际接上电路却未必，因此耗费在这上面的时间很多。 我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多以前并不了解的PLC的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。同时感谢同学和老师的帮助，在老师的悉心帮助下我们才完成了课程设计。

参考文献
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[2] 马志溪．电气工程设计[M]．北京:机械工业出版社，2002．
[3] 刘增良，刘国亭．电气工程CAD[M]．北京:中国水利水电出版社，2002．
[4] 齐占庆，王振臣．电气控制技术[M]．北京:机械工业出版社，2002．
[5] 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，2004.
[6] 王庭友.可编程控制器原理及应用[M].北京：国防工业出版社,2005.

附 录
附录A 程序梯形图

附录B 程序清单

21