自动化专业方向课程设计.doc

广西科技大学
课程设计说明书

课题名称 基于PLC的舞台装置设计

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专 业
班 级
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姓 名
指导教师

2023年 月 日
摘要

本文介绍的是用FX-TRN-BEG-C仿真PLC控制的舞台装置，通过控制两个电动机的正转和反转实现舞台的上升和下降，台幕的打开和关闭。每个电动机通过两个接触器控制电动机的正反转。对舞台的控制分为自动模式和手动模式。自动模式可以按照一定的环节控制声音、台幕、舞台。手动模式可以按照按下不同的按钮对舞台的升降、台幕的开闭进行控制。

关键字：舞台 PLC 仿真 台幕
第一章 绪言 1
1.1 PLC 1
1.2 FX-TRN 2
第二章 方案设计 3
2.1 设计规定 3
2.2 硬件设计 5
2.2.1 电气元件选型 5
2.2.2 系统I/O分派表 6
2.2.2 系统接线图 7
2.3 软件设计 8
2.3.1 程序流程图 8
2.3.2 程序梯形图 10
第三章 调试结果 12
第四章 结束语 13
参考文献 14

第一章 绪言
1.1 PLC
PLC是“Programmable Logic Controller（可编程序逻辑控制器）”的英文缩写，是采用微电脑技术制造的自动控制设备。它以顺序控制为主，回路调节为辅，能完毕逻辑判断、定期、记忆和算术运算等功能。与传统的继电器控制相比，PLC控制具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、硬件接线简朴、改变工艺方便等优点。
输入信号开关
电源
ROM
RAM
CPU
通信接口

输入接口IN

输出接口OUT
DC24V
X
DC12V
DC5V
Y
输出执行部件
计算机、编程器
图1-1 PLC构成框图
AC220V
PLC的基本构成见图1-1,简要说明如下：
中央解决器CPU 起运算控制作用，指挥协调整机运营。
存储器ROM RAM 存放程序和数据
(1) 系统程序存储器ROM 存放生产厂家写入的系统程序，用户不可更改。
(2) 随机读写存储器RAM 存放随机变化的数据。
(3) 用户程序存储器EPROM或E2PROM 存放用户编写的用户程序。
通信接口 与计算机、编程器等设备通信，实现程序读写、监控、联网等功能。
电源 运用开关电源将AC220V转变成DC5V供应芯片；DC12V供应输出继电器；DC24V供应输入端传感器。另有锂电池做为备份电源。
输入接口IN 将外部开关或传感器的信号传递给PLC。
输出接口OUT 将PLC的控制信号输出到接触器、电磁阀线圈等外部执行部件。
作为一般技术人员，对于上述构成，重要关心的是输入输出接口。输入输出接口的具体情况。
随着PLC技术的发展，其功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强，PLC与PC机联网形成的PLC及其网络技术广泛地应用到工业自动化控制之中，PLC集三电与一体，具有良好的控制精度和高可靠性，使得PLC成为现代工业自动化的支柱。
PLC的生产厂家和型号、种类繁多，不同型号自成体系，有不同的程序语言和使用方法，但是编程指导思想和模式是相同的,其编程和调试环节如下：
设计I/O接线图
根据现场输入条件和程序运营结果等生产工艺规定，设计PLC的外围元件接线图，作为现场接线的依据，也作为PLC程序设计的重要依据。
2. 编制PLC的梯形图和指令语句表
根据生产工艺规定在计算机上运用专用编程软件编制PLC的梯形图，并转换成指令语句表。
3. 程序写出与联机调试
用编程电缆连接计算机和PLC主机，执行“写出”操作，将指令语句表写出到PLC主机。PLC输入端连接信号开关，输出端连接执行部件，暂不连接主回路负载，进行联机调。
PLC的控制方式是由继电器控制方式演化而来，由PLC内部的微电子电路构成的模拟线圈和触点取代了继电器的线圈和触点，用PLC 的程序指令取代继电器控制的连接导线，将各个元件按照一定的逻辑关系连接起来，PLC控制的梯形图在许多方面可以看作是继电器控制的电路图。
可以理解为，PLC内部有大量的由软件程序构成的继电器、计时器和计数器等软元件，用软件程序按照一定的规则将它们连接起来，取代继电控制电路中的控制回路。

1.2 FX-TRN
一、FX-TRN可编程逻辑控制器学习软件简介
FX-TRN全称MELSOFT FX-TRAINER，是日本三菱电机公司为FX系列PLC产品而专门设计的仿真模拟训练软件，该软件以其三维造型的实物模型，加上逼真有趣的声、光多媒体效果，能使学习者有如操控各种自动控制设备的感受。例如在它的3D仿真画面里，机械手能抓、传送带能动、模拟人会走、汽车会跑、蜂鸣器会叫；而在它的操作面板和输入输出印象表里，按钮、旋钮、PLC的I/O状态指示灯无一不全，尚有类似游戏般的过关方式能不断激发学习者的积极性，使得学习者在不知不觉中掌握PLC知识。该软件支持梯形图编程模式，支持三菱FX系列PLC产品的所有通用指令和元件，虽然没有指令列表模式和SFC模式，但对初学者而言，这样的功能已经完全足够。该软件还是全中文模拟操作环境，更加大大有助于教师的教和学生的学，有助于该软件在PLC课程教学中的使用和推广。
二、FX-TRN可编程控制软件的特点
FX-TRN除了能提供逼真的3D仿真画面、全中文操作界面、还具有以下优点：
1.有完整的学习流程。从PLC的用途开始介绍，逐步介绍软件的界面、程序编写中梯形图的具体输入方法、基本指令和元件的使用案例，然后慢慢加大难度，提供了3个等、4种难度的挑战案例，以便学习者循序渐进的提高自己的PLC编程水平，并加深对PLC应用的结识。
2.虚拟工作场景。用各种3D模型来虚拟各种现实的设备，比如机械手、传送带等，可以部分解决学校资金局限性、设备不全的困难，同时也免去了项目设计中的接线安装工作，使学习模式更加灵活。
3.生动有趣。FX-TRN是一套兼具声、光与动画的“活”软件，按照使用者编写的程序，能在一定限度上真实反映该程序在实物模型上的运营效果。
4.实例演示、习题答案具体完备。FX-TRN中提供了4个基本操作单元、4个简朴练习单元和19个挑战项目单元，每个单元都提供了标准程序以供学习者参考。
5.兼容性好，实用高效。该软件能对自动控制场景模拟的同时，还可以将所编制的程序保存，其程序格式与其它三菱公司出品的PLC编程软件如GX-Developer、FXGP/WINC等完全兼容，所以当因某些条件所限而无法联机调试的情况下，我们也可以将其他PLC编程软件所编制的程序调入到FX-TRN中来模拟运营。
6.方便具体的索引系统。每个单元的内容，都用十分具体的操作索引，如按照索引来学习，稍有基础的学习者可以几乎不需要任何其他的帮助。
第二章 方案设计
2.1 设计规定
实验面如图2-1所示，通过图2-2所示的控制按钮控制，实现舞台的自动控制和手动控制。
1. 自动控制
1） 当操作面板上的【开始】（x16） 按钮被按下时，蜂鸣器（Y5） 拉响5秒。
仅仅当台幕关闭和舞台降到最低点时，【开始】（x16）可以被置为ON.
2) 当警报器停止后，窗帘打开指令（Y0）被置为ON并且台幕会被拉开到左右端（X2 和X5）。
3) 在台幕被完全拉开后，在舞台上升（Y2）为ON时舞台开始上升 在舞台上限 （X6）为ON时舞台停止上升。
4) 当按下操作面板上的【结束】（x17） 以后，窗帘关闭指令（Y1）被置为ON并且在台幕完全关闭（左右两片台幕的最小距离限制为X2和X5）停止。
2 手动控制规格
1) 手动操作仅在以上自动操作停止时有效。
2) 台幕仅在操作面板上的【《《窗帘开》》】（x10）被按下时拉开。台幕会在他们到达极限 （X2 and X5）时停止打开。
3) 台幕仅在操作面板上的【》》窗帘开《《】（x11）被按下时关闭。台幕会在他们到达极限 （X0 and X3）时停止关闭。
4) 只有按下操作面板上的【▲舞台上升】（X12）以后舞台开始上升。当舞台上升到达上升极限（X6）后停止。
5) 只有按下操作面板上的【▼舞台下降】 （X13）以后舞台开始下降。当舞台到达下降极限（X7）后停止。
6) 根据台幕和舞台的动作，在操作面板上的指示灯点亮或熄灭。

图2-1 舞台示意图

图2-2 舞台控制面板

2.2 硬件设计
2.2.1 电气元件选型
1. 电动机M选择：假设电动机转动的加速度为0.5m/s，1s后稳定匀速转动；舞台半径为1m，舞台和人的质量为100kg。则有：
Pwmax=mgv+(1/2mv²)/t=100*10*0.5+(1/2*100*0.5)/1=0.512kw
Nmax=6*104*v/（πD）=6*104*0.5/（3.14*200）=47.7rad/s

电动机各个参数如表2-1所示。

表2-1
型号
额定功率kw
额定电压V
额定电流A
额定转速r/min
启动电流A
启动转矩Ｎ／ｍ
最大转矩
Ｎ／ｍ
J02-21-8
0.6
220/380
3.55/21.05
670
5.5
1.5
1.8

由电动机各个参数可以得出其他元器件的选择规定：
（1） 接触器选型：主触头电流ＩＮ＝3.55/21.05A 取值20A UＮ=380V 型号为NC6-06。
（2） 熔断器选型：ＩＮ＝1.5*Imax＝1.5*5.5＝8.25A　取9A型号为aM-6。
2. 其他元器件参数如表2-2所示。
表2-2
序号
名称
型号
数量
备注
１
限位开关
DF225-8DN
10
4A/25A
２
带灯按钮
LB-15CGG4
6

３
蜂鸣器
K16－BZ24
1

４
接触器
NC6-06
2
380V、20A
５
热继电器
NR2-11.5-Z1D
1
6A　
６
电源开关

７
指示灯

8

７
熔断器
aM-6
1
9A
８
ＰＬＣ
三菱FX2N-32MR
1

９
导线

若干

2.2.2 系统I/O分派表
系统输入分派表如表2-3所示。
表2-3
输入地址
名称
用途
备注
X0
左窗帘位置内
左窗帘内限位
常开
X1
左窗帘位置中
左窗帘中限位
常开
X2
左窗帘位置外
左窗帘外限位
常开
X3
右窗帘位置内
右窗帘内限位
常开
X4
右窗帘位置中
右窗帘中限位
常开
X5
右窗帘位置外
右窗帘外限位
常开
X6
舞台上限
舞台上限位
常开
X7
舞台下限
舞台下限位
常开
X10
窗帘开
窗帘打开按钮
常开
X11
窗帘关
窗帘关闭按钮
常开
X12
舞台上升
舞台上升按钮
常开
X13
舞台下降
舞台下降按钮
常开
X16
开始
自动开始按钮
常开
X17
结束
自动结束按钮
常开

系统输出分派表如表2-4所示。

表2-4
输出地址
名称
用途
Y0
接触器
打开窗帘
Y1
接触器
关闭窗帘
Y2
接触器
舞台上升
Y3
接触器
舞台下降
Y5
蜂鸣器
提醒

续表2-4
输出地址
名称
用途
Y10
指示灯
提醒窗帘开动作
Y11
指示灯
提醒窗帘开完毕
Y12
指示灯
提醒窗帘关动作
Y13
指示灯
提醒窗帘关完毕
Y14
指示灯
提醒舞台上升动作
Y15
指示灯
提醒舞台上升完毕
Y16
指示灯
提醒舞台下降动作
Y17
指示灯
提醒舞台下降完毕
2.2.2 系统接线图
根据系统I/O分派表画出PLC系统外部接线图，如图2-3所示。

图2-3
根据控制规定画出系统主电路接线图，如图2-4所示。接触器KM1控制电动机M1正转使窗帘打开；接触器KM2控制电动机M1反转使窗帘关闭。接触器KM3控制电动机M2正转使舞台上升；接触器KM4使电动机M2反转使舞台下降。

图2-4

2.3 软件设计
2.3.1 程序流程图
根据控制规定画出程序流程图，如图2-5到2-10所示。

图2-5 开始按钮按下流程图 图2-6 结束按钮按下流程图 图2-7 窗帘关按钮按下流程图

图2-8 窗帘开按钮按下流程图 图2-9 舞台下降按钮按下流程图 图2-10 开始按钮按下流程图
2.3.2 程序梯形图
根据程序流程图，画出控制PLC的梯形图，如图2-11所示。其中M0为定期器0启动标志，M1为自动开始标志，M2为自动结束标志，M3为Y0置位标志，M4为Y1置位标志，M5为Y2置位标志，M6为Y3置位标志。

图 2-11 程序梯形图
第三章 调试结果
点击如图3-1所示的“梯形图编辑”按钮，在如图3-2所示的梯形图编辑界面输入程序，输入完毕后点击“转换”按钮，再点击“文献”菜单下的“保存”保存工程。然后点击图3-1的“PLC写入”按钮使程序写入PLC，完毕后仿真自动启动。

图 3-1

图 3-2 梯形图编辑窗口
点击“开始”按钮后，蜂鸣器发出声音，5秒后停止，台幕打开，待台幕完全打开后，舞台上升，上升到舞台上限后停止上升，完毕自动开始过程。点击“结束”按钮后，台幕关闭，待台幕完全关闭后，台幕停止关闭，完毕自动结束过程。
点击“窗帘开”按钮后，窗帘打开，松开按钮或窗帘完全打开后窗帘停止打开。点击“窗帘关”按钮后，窗帘关闭，松开按钮或窗帘完全关闭后窗帘停止关闭。点击“舞台上升”按钮后，舞台上升，松开按钮或舞台上升到舞台上限后舞台停止上升。点击“舞台上降”按钮后，舞台下降，松开按钮或舞台下降到舞台下限后舞台停止下降。
在台幕打开时“窗帘开动作”指示灯亮，台幕完全打开后“窗帘开完毕”指示灯亮。在台幕关闭时“窗帘关动作”指示灯亮，台幕完全关闭后“窗帘关完毕”指示灯亮。在舞台上升时“平台上升动作”指示灯亮，舞台上升到舞台上限后“平台上升完毕”指示灯亮。舞台在下降时“平台下降动作”指示灯亮，舞台下降到舞台下限后“平台下降完毕”指示灯亮。
通过测试，程序符合设计规定。
第四章 结束语
这次课程设计，跟以往的课程有很大的不同，灵活性很强，同时又注重动手编程与分析能力，是对以往所学知识的巩固与提高，是一次综合性的实践。
在实际编程中所碰到的问题都是在以往死学理论知识的时候所碰不到的，一旦转换出现问题或者所编程序完毕的动作达不到设计规定，就规定我们全身心的投入从头分析问题出在哪里。可以说，这次的课程设计同时还提高了我们的分析问题解决问题的能力，使我们的综合能力有了一定的提高。当然，通过这次实习，对我的影响远不只以上这些，它对我在以后的学习和生活中将会起到不可估量的作用。
总之，这次课程设计给予了我不同的学习方法和体验，让我深切的结识到实践的重要性。在以后的学习过程中，我会更加注重自己的操作能力和应变能力，

参考文献
[1] 张振国. 方承远.工厂电气与PLC控制技术.机械工业出版社，2023
[2] 顾绳谷. 电机及拖动基础. 机械工业出版社，2023
[3] 刘介才. 工厂供电. 机械工业出版社，2023