1、 校园作息时间控制系统摘 要介绍一种用 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。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。关键词:作息时间控制；PLC 前 言可编程序控制器：PLC 英文全称 Programmable Logic Controller ,中文全称为微型可编程控制器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或
2、模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。DCS 集散系统: DCS 英文全称 DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM ,中文全称为集散型控制系统。DCS 可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的，尽量将控制所造成的危险性分散,而将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品。DCS 一般由五部份组成：1.控制器 2.I/O 板 3.操作站 4.通讯网络 5.图形及遍程软件。一、 PLC 概述（一）PLC 的发展、构成、和特点1.PLC 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。
3、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 Programmable Controller（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 Programmable Logic Controller（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
4、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.PLC 的构成从结构上分，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或
5、机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 3.CPU 的构成CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程
6、序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析 CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度，IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。4.I/O 模块PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O 模块集成了PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反
7、映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。I/O 分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或 1 和 0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的 I/O 分类如下：开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。除了上述通用 IO
8、外，还有特殊IO 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。5.电源模块PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC 或 110VAC），直流电源（常用的为 24VAC）。6.底板或机架大多数模块式 PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使 CPU 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。7.PLC 系统的其它
9、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。8.PLC 的通信联网依先进的工业网络技术可以迅速有效地收
10、集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显着，甚至有人提出“网络就是控制器“的观点说法。PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数 PLC具有 RS-232 接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC 的通信，还未实现互操作性，IEC 规定了多种现场总线标准，PLC 各厂家均有采用。对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输
11、性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。（二）PLC 的基本构成1. PLC 的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
12、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 1-1 和图 1-2。图 1-1 PLC 的典型结构图 1-2 PLC 的输入输出接口电路2. PLC 的软件系统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
13、其主要功能为：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； 1：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 2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；：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、 3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
14、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
15、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。（三）可编程控制器的工作原理1.PLC 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 1-3（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
16、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 1-3（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。1-3（a）1-3(b)图 1-3 PLC 控制逻辑实现原理示意图2.PLC 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
17、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、IO 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
18、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。 图 1-3 PLC 运行框图二、校园作息时间控制系统（一 ）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) 作息时间表。(6) 设置相应的手动按钮，使控制器使用更
19、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。表 2-1 PLC 作息时间控制器冬季作息时间表项 目 时 间起床 6：206：30早操 6：306：40洗漱 6：407：20早 自习 7：257：40预备铃 7：457：50第一节课 7：508：35第二节课 8:459:30课间操 9:309:50第三节课 9:5010:35第四节课 10:4511:30午餐 11:3012：00午休 12：0012：50预备铃 12：5513：00第五节课 13：0013：45第六节课 13：5514:40文体活动 14:4016:30晚餐 16:3017
20、:30自由活动 17:3018:00预备铃 18:2518:30晚自习 18:3020：30熄灯 21：001. 程序设计（1）作息时间 PLC 控制器输入输出点分配表见表 3-2。表 3-2 作息时间 PLC 控制器输入输出点分配表输入信号 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S
21、B7 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 Y222. 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。3. PLC 外部接线图见附录 2三、作息时间控制系统设计（一）脉冲系统设计秒脉冲程序梯形图如图 3-1 所示。当按下 SB0 时，X0 闭合，发出启动信号，是辅助继电器 M200 线圈得电并自锁。计时器 TO、T1 组成 1s 时钟脉冲程序；Y15 为秒闪烁输出；M0、C0 组成分进位脉冲。
