呼叫系统设计

编号:

德州学院

毕业论文(设计)

题目基于PLC的酒店呼叫器设计

指导教师

学生姓名

学号

专业

教学单位（盖章）

二O一二年五月十四日

德州学院毕业论文（设计）开题报告书

2011 年12月25日

德州学院毕业论文（设计）中期检查表

目录

摘要及关键词 (1)

1引言 (1)

1.1选题目的和意义 (1)

1.2国内外的研究现状和发展趋势 (1)

2 PLC概述 (2)

2.1PLC的定义 (2)

2.2PLC的特点与分类 (2)

2.3PLC的性能指标 (4)

2.4PLC的内部结构 (6)

2.5PLC的工作原理 (8)

3 系统硬件设计 (9)

3.1设计要求 (9)

3.2PLC选型 (9)

3.3PLC输入、输出分配表 (10)

3.4PLC的外部接线图 (11)

3.5控制方案设计 (12)

4 系统软件设计 (13)

4.1呼叫系统流程图 (13)

4.2呼叫系统的梯形图设计 (14)

4.3指令语句表 (17)

5 总结 (19)

参考文献 (20)

谢辞 (21)

基于PLC的酒店呼叫器设计

邵腾

（德州学院机电系，山东德州253023）

摘要：设计了基于PLC的酒店呼叫器，利用指示灯来显示八个房间的呼叫，可以实现八个房间同时

呼叫的要求。文中主要包括了PLC概述，PLC的型号选择，外部连接电路，以及控制梯形图和指令语句表。在酒店里应用呼叫器，既提高了酒店的服务质量，同时满足了顾客的要求。

关键词：PLC；呼叫系统；设计

1 引言

1.1选题目的和意义

设计一款用PLC编程控制的酒店呼叫器。程序实现当有顾客按呼叫时，房间的指示灯亮起，同时服务中心的指示灯闪烁。通过对酒店呼叫器的编程设计，熟练掌握PLC程序编程方法及电路的接线，熟悉PLC软件编程的操作方法等知识。通过对系统设计结果的理论分析，加强理论联系实际的工作能力，对加强PLC编程控制电路原理与技术方法的掌握，得到全面的、系统的训练，为今后从事本行业的相关工作奠定坚实的基础。

酒店呼叫器是一个典型的PLC编程控制系统，过去的酒店服务不是很完善，顾客需要服务时，一般是去前台。应用酒店呼叫器，大大方便了顾客的用餐需求。PLC作为一种新型可编程控制器，它具有可靠性高，抗干扰功能强，功能强大，适用性好，维护简单方便，易于扩展等优点。因此，它能够满足酒店呼叫器对电气控制系统的要求。由于PLC具有数学运算，逻辑运算，技术定时以及数据输入输出的功能，在实际应用过程中，各种开关控制与PLC很好的结合，很好的实现了对酒店呼叫系统的控制。

1.2国内外的研究现状和发展趋势

酒店呼叫系统已经成为酒店提高服务质量、提高工作人员工作效率的一种很好的设备。过去的控制系统采用的是大都是继电接触器控制系统。PLC是一种替代继电器-接触器的一种新型的控制设备。PLC在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。

目前，由可编程序控制器控制的酒店呼叫，正以飞快的速度发展着。采用PLC控制的酒店呼叫系统可靠性高、维护方便、开发周期短，这种系统运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。

总之， PLC是专门为工业过程控制而设计制造的控制设备，随着PLC应用范围的不断扩大，它的体积会减小，功能更完善，过程的控制更加平稳、可靠，抗干扰性能显著增强，

机械与电气部件有机地结合在一个设备内，综合了仪表、电子和计算机的功能。因此，在酒店呼叫系统里的应用会更普遍。

2 PLC概述

2.1PLC的定义

在20世纪70年代中期，可编程控制器虽然引入了计算机的优点，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等控制功能，所以当时人们称其为可编程序逻辑控制器，简称为PLC（Programmable Logical Controller）。随着微处理技术的发展，20世纪70年代末至80年代初，可编程序控制器的运算速度大大的提高了，增加了许多特殊的功能，使得可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。1985年1月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的使用而制造，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储程序、执行逻辑运算、次序控制、定时间、计个数和加减运算等操作命令，并通过数字式、模块式输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程序控制器及其外部装置，都可以于与控制系统组成一个整体、易于扩充其功能的原则而设计[1]。

2.2PLC的特点与分类

（1）可靠性高、抗干扰能力强

由PLC的定义可知，PLC是专为工业环境下应用而产生的，因此设计者在设计PLC时，从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。

（2）通用性强、使用方便

PLC的产品已经系列化和模块化，PLC的开发制造商为用户提供了品种齐全的I／O模块和配套部件。用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需根据控制要求进行模块的配置。用户所做的工作只是设计满足控制对象控制要求的应用程序。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需要修改程序，就可改变控制功能。

（3）编程简单易学

PLC是由继电器、接触器控制系统发展而来的一种新型工业自动化控制装置，其主要的使用对象是广大的电气技术人员。PLC的开发商为了便于工程技术人员方便学习和掌握PLC编程，采取了与继电器、接触器控制原理相似的梯形图语言，从而使之易学易懂。（4）对生产工艺改变适应性强

PLC的核心部件是微处理器，它实质上是一种工业控制计算机，其控制功能是通过软

件编程来实现的。当生产工艺发生变化时，不必改变PLC的硬件设备，只需改变PLC中的程序，这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合。

（5）安装简单、调试方便、维护工作量小

PLC控制系统的安装工作量比继电器、接触器控制系统少得多，只需要将现场的各种设备与PLC相应的I／O端连接。PLC软件设计和调试大多在实验室里进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上相应的发光二极管，也可以另接输出模拟实验板。模拟调试好后，再将PLC控制系统安装到现场，进行联机调试，这样既省时间又很方便。由于PLC本身的可靠性高，又有完善的自诊断能力，一旦发生故障，可以根据报警信息，迅速查明原因。如果是PLC本身发生故障，则可以用更换模块的方法排除故障。这样既提高了维护的工作效率，又保证了生产的正常进行[2]。

PLC发展到今天，已经有了多种形式，而且功能也不尽相同，分类时，一般按以下原则来考虑。

1.按I／O点数分类

一般而言，处理I/O点数越多，则控制关系就比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求PLC指令及其他功能比较多，指令执行的过程也比较快。按PLC的输入、输出点数的多少可将PLC分为以下三类。

（1）小型机

小型机PLC的功能以开关量控制为主，这种PLC的输入、输出点数一般在256点以下，用户程序存储容量在4K上下。现在性能好的小型PLC还有一定的通讯能力和少量的处理模拟量的能力。这类的PLC的特点是物美价廉，体积较小，比较适用于控制单个机器和研制机电产品。

（2）中型机

中型PLC的输入、输出总点数在256点--2048点之间，可以存储8K左右的用户程序。中型PLC不仅具有开关（按钮、行程开关等）和模拟信号的控制功能，还具有更强的数学运算能力，通信功能更强大，中型机比小型机更完善，中型机可以实现更复杂的逻辑控制系统。

（3）大型机

大型PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序存储器容量达到16K以上。大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算、控制和调节的功能，还具有强大的网络结构和通信联网能力，一些PLC还具有冗余能力。它的监视系统采用CRT显示，

能够表示过程的动态流程，记录各种曲线，PID调节参数等。它配备多种智能板，构成一台多功能系统。这种系统还可以和其他型号的控制器互联，和上位机相联，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。

2按结构形式

根据PLC结构形式的不同，PLC主要可分为整体式和模块式两类。

（1）整体式结构

整体式结构的特点是将PLC的基本部件，如CPU板、输入、输出板、电源板等合理的布置在一个标准的机壳内，组成一个整体，构成PLC的一个基本单元或扩展单元。基本单元上设有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连接。配有整体式结构的PLC体积小巧，成本低，可快速安装。

（2）模块式结构

模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，这些标准模块如CPU模块、输入、输出模块、电源模块和其他模块等，将这些模块插在框架和基板上即可实现特定功能。各个模块功能是独立的，外型尺寸是统一的，可根据需要灵活配置[3]。

2.3PLC的性能指标

PLC的主要性能指标是衡量和选用PLC的重要依据，它由两大部分组成，即硬件指标和软件指标。

1．硬件指标

硬件指标包括一般指标、输入特性和输出特性。为了能适应现场的恶劣环境，可编程控制器对环境的要求很低，一般的工业现场都满足这些要求。

表 1FX系列可编程控制器的一般技术指标

环境温度0-55℃

环境湿度35%-89%

抗振JISC0911标准10-55Hz

抗冲击JISC0911 10G 3轴方向各3次

抗噪声干扰噪声仿真器产生电压为1000Vp-p，噪声脉冲宽度为1us，频率为30-100Hz的噪声，在此噪声下工作正常

耐压Ac 1500V 1min

绝缘电阻5欧姆以上

接地第3种接地,不能接地是亦可浮空

使用环境严禁尘埃

以上指标都是保守的，实测结果远远高出以上标准。随着元器件水平的提高，这些指

标还在不断提高[4]。

2．软件指标

软件指标包括存储容量、I／O点数、扫描速度、指令类型等。

（1）存储容量

这指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB～2MB。

（2）I/O点数

I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。它是衡量PLC性能的重要指标之一。

（3）扫描速度

扫面速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的稳合程度。从自动控制的观点来看，决定了系统的实时性和稳定性[4]。（4）指令类型

它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。

（5）内部寄存器的配置和容量

它直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。

（6）扩展能力

扩展能力主要包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两个方面的内容。

（7）特殊功能单元

特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制联网等功能[5]。

2.4PLC的内部结构

PLC是一种专用于自动化控制的计算机，主要由微处理器、存储器、输入输出接口电路、外接接口、编程装置和电源等组成，它内部结构示意图如下图所示。

图 1 内部结构图

1.CPU

中央处理单元CPU是可编程控制器的控制中心，常用的CPU有通用的微处理器、单片机和位片式计算机等。CPU一般包括控制电路、运算器和辅助寄存器组成，它们被封装在一个集成的小芯片中，通过（地址、数据、控制总线）与存储单元、输入输出接口电路链接[6]。CPU的作用是：

（1）根据PLC系统程序设计的功能接收、储存从计算机或编程器等编程工具下载的用户程序和数据。

（2）通过检查程序能自检查电源、寄存器、输入接口、输出接口的通断状态，并能诊断用户程序中的逻辑错误。

（3）当PLC进入运行状态，它在系统监控程序的控制下工作，通过循环扫描的工作方式，将外部输入信号的通断状态读入输入映像寄存器，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户程序和指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算和算术运算，然后将结果送到输出映像寄存器或数据寄存器内。等执行完用户程序以后，把I/O映像寄存器的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出设备。

2.存储器（存储设备）

可编程控制器的存储器是由只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）和可擦写的存储

器（EEPROM3）大部分组成，主要用于保存系统程序、用户程序及工作数据。系统程序制造PLC厂家编写的控制和完成PLC各种功能的程序，例如PLC接通电源后检查各部件是否正常的检查程序就是系统程序之一，存储系统程序的存储器称为系统程序存储器，在生产PLC的过程中厂家就将系统程序固化在只读存储器ROM中，是用户不可改变的。用户程序是PLC工作人员根据被控对象的控制要求编写的控制程序（梯形图），PLC工作过程中会产生许多运算数据，用户数据和运算数据都存储在随机存储器RAM中。断电保持存储器是用来存储需要长期保存的重要数据。

3.输入输出接口电路输入、输出接口电路是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。

输入接口电路在PLC系统中，各种按钮、行程开关盒传感器等主令电器直接接到PLC 输入接口电路上，操作人员发出的命令或来自生产现场的各种控制信号，通过输入接口电路转化为PLC内部CPU能够接受的信号，由CPU进行逻辑控制。为防止由于触点不稳定或干扰信号引起输入错误的信号，输入接口电路要有很强的抗外界干扰能力。输入接口电路提高抗干扰能力的主要方法有：

（1）光耦电路提高抗干扰能力（2）利用阻容滤波电路提高抗干扰能力

输出接口电路 PLC输出接口电路可以分为三种：继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。继电器输出接口电路交直流均可以接，晶体管输出接口电路只能是直流负载，晶闸管输出接口电路只能使交流负载[7]。

4.外设接口电路

外设接口电路用于连接计算机、手拿式编程器或其他图形编程器，并通过接口组成PLC 的控制网络图。PLC通过SC-09电缆线与PC相连接，可以实现编程、监控、联网等功能。

5.电源

通过PLC内部配有的一个专用弹片稳压电源，可将PLC外部连接电源转化为PLC内部电路工作所需电压（如5V、12V、24V等），并为外部输入元件提供24V直流电源，但要注意PLC负载电源是由用户另外提供的[8]。

6.FX系列编程软元件

输入继电器：X0-X267

输出继电器：Y0-Y267

辅助继电器：M0-M499（通用辅助继电器） M500-M1023（断电保持型） M8000-M8255（特殊辅助继电器）

状态继电器：S0-S9（初始状态） S10-S19（回零）

S20-S499（通用状态继电器）

定时器：T0-T245 100ms

T200-T245 10ms

T246-T255 1ms积算定时器

计数器：C0-C99 16位通用增计数器

C100-C199 16位停电保持增计数器保持型

C200-C219 32位通用双向计数器

寄存器：D V

2.5PLC的工作原理

PLC的工作方式是循环扫描方式，扫描过程图如下所示[9]。

图2 扫描过程

这个工作过程分为内部处理、操作通信、输入处理、程序执行、输出处理四个阶段。全过程扫描一次用的时间是扫描周期。内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位计数定时器等。在通信操作服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于暂停（stop）状态时，内部处理可以正常的工作。在PLC处于执行（run）状态时，由内部处理、通信操作、输入用户程序、执行程序、输出用户程序，一直循环进行这五个阶段的扫描工作。

（1）输入处理阶段

输入处理也称作输入采样。在这个阶段，顺序读入输入端的状态，并把读入的信息存入内存对应的映像寄存器，此时刷新了输入映像寄存器，进入执行用户程序阶段。在执行当前程序时，输入映像寄存器与外部是断开的，即使有新的输入信号，其映像寄存器的内容也不会变化，只有在下一扫描周期才被读入。

（2）程序执行阶段

根据PLC梯形图程序扫描的基本原则，按先左后右、由上至下的顺序，逐句扫描并执行程序。但若遇到程序跳转指令，则根据是否满足条件来决定程序的跳转位置。若用户程序包括输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一段采入的与之对应输入端子的状态，从输出映像寄存器读出与之对应映像寄存器的当前状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关元件寄存器。对每个元件而言，映像寄存器中所保存数据，随着程序的不断扫描执行而变化[10]。

（3）输出刷新阶段

执行完程序，将输出映像寄存器，即元件映像寄存器中的Y寄存器的状态，在输出刷新阶段存入输出锁存器，经隔离电路驱动功率放大电路，使输出端子向外界发送驱动外部负载的控制信号[11]。

3 系统硬件设计

3.1 设计要求

当顾客按下呼叫按钮时，房间门口的指示灯亮，同时服务中心的指示灯亮起，酒店服务人员根据这些信息去房间给顾客提供服务，满足顾客的点菜等服务需要。假定酒店有八个房间，每个房间有呼叫按钮。满足顾客的服务需求后，服务人员应按下复位按钮，以便顾客下次呼叫服务。

3.2 PLC选型

根据控制的要求，根据PLC型号的选择原则进行选择。房间数是八个，房间的呼叫与复位按钮共19个，输入输出口比较少，选择比较简单的PLC。

输入输出总点数=19×（1＋10％）＝20.9

所以输入输出口总数确定为26个，以便以后扩展。

根据房间呼叫信号的距离，输入模块选择交流220V的工作电压。输出方式选择继电器输出。综合以上的考虑，再加上自己的学习经验选择三菱系列的PLC。型号为FX2N-26MRA1。

3.3 PLC输入、输出分配表

表2 输入输出分配表

模块号输入变

量

输出变

量

内存变

量

信号名称

有效状

态

说明

CPU224 X0 系统总启动1有效弹片式开关CPU224 X1 1号房间呼叫开关1有效弹片式开关

CPU224

X2 2号房间呼叫开关1有效弹片式开关X3 3号房间呼叫开关1有效弹片式开关X4 4号房间呼叫开关1有效弹片式开关X5 5号房间呼叫开关1有效弹片式开关X6 6号房间呼叫开关1有效弹片式开关X7 7号房间呼叫开关1有效弹片式开关X10 8号房间呼叫开关1有效弹片式开关X11 系统总停止0有效弹片式开关X12 系统暂停0有效弹片式开关Y1 1号房门指示灯,服务台指示灯1有效弹片式开关

Y2 2号房门指示灯,服务台指示灯1有效24V信号灯

Y3 3号房门指示灯,服务台指示灯1有效24V信号灯

Y4 4号房门指示灯,服务台指示灯1有效24V信号灯

Y5 5号房门指示灯,服务台指示灯1有效24V信号灯

Y6 6号房门指示灯,服务台指示灯1有效24V信号灯

Y7 7号房门指示灯,服务台指示灯1有效24V信号灯

Y10 8号房门指示灯,服务台指示灯1有效24V信号灯M1 1号房间按呼叫1有效寄存器

M2 2号房间按呼叫1有效寄存器

M3 3号房间按呼叫1有效寄存器

M4 4号房间按呼叫1有效寄存器

M5 5号房间按呼叫1有效寄存器

M6 6号房间按呼叫1有效寄存器

M7 7号房间按呼叫1有效寄存器

M8 8号房间按呼叫1有效寄存器3.4 PLC的外部接线图

com

1号房间灯2

号房间灯3

号房间灯4

5

6号房间灯7

房间灯8

房间灯启动

停止7房间灯复位

220V∽L 8号房间灯

N

图3 PLC的外部接线图

3.5控制方案设计

图4 控制方案图

4 系统软件设计

4.1 呼叫系统流程图

图5 呼叫流程图

4.2呼叫系统的梯形图设计