基于PLC的花样彩灯控制系统设计Word文档格式.docx

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ProgrammableLogicController简称为PLC，即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

2.2PLC的发展历程

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。

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。

PLC的定义有许多种。

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

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30~40%。

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.

2．3PLC的特点

2.3.1高可靠性、抗干扰能力强

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.

（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

（4）采用性能优良的开关电源。

（5）对采用的器件进行严格的筛选。

（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

2.3.2丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：

交流或直流；

开关量或模拟量；

电压或电流；

脉冲或电位；

强电或弱电等。

有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

按钮；

行程开关；

接近开关；

传感器及变送器；

电磁线圈；

控制阀等直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;

为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

2.3.3配套齐全、功能完善、适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

2.3.4易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

2.3.5系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC是面向工矿企业的工控设备。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。

2.3.6体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2．4PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，大致可归纳为如下几类。

1.开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

2.模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3.运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4.过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

5.数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

6.通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

2．5三菱PLC-FX2N系列可编程控制器简介

日本三菱可编程控制器分为F、F1、F2、FX0、FX2、FX0N、FX0S、FX2N、FX2NC等几个系列，其中F系列是早期的产品，现已停产，FX2系列PLC是1991年推出的产品，是加强型的小型机，是整体式和模板式相结合的叠装式结构，有一个16位微处理器和一个专门逻辑处理器，其执行速度为0.00048ms/步，是目前运动速度最快的小型PLC之一。

FX2N是三菱公司的近期产品，按叠装式配置，是日本高性能小型机中的代表作。

三菱公司生产A系列PLC，这是一种中大型模块式机种。

（1）型号命名方式

可编程控制器型号命名的基本格式如图2.1所示

图2.1可编程控制器型号命名的基本格式

特殊品种类别：

D──DC电源，DC输入；

A1─AC电源，AC输入，2A/1点，

输出方式：

R─继电器输出；

S─晶闸管输出；

T─晶体管输出。

单元类别：

M─基本单元；

E─扩展单元。

I/O总点数:

14─256,序号：

020N2C2N,即：

FX0FX2FX0NFX2CFX2N.例如，FX2N──48MR型号的含义为：

FX2N系列；

I/O总点数为48点；

基本单元；

继电器输出型。

（2）FX2N系列PLC的基本构成

FX系列PLC又分为4个大类，即FX0FX2FX2CFX2N系列，PLC是由基本单元，扩展单元及特殊单元构成的。

基本单元包括CPU存储器I/O和电源；

扩展单元是扩展I/O点数的装置，内有电源；

扩展模块用于增加I/O点数和改变I/O点数的比例，内部无电源，由基本单元和扩展单元供给。

扩展单元和扩展模块内无CPU，必须与基本一起使用。

特殊功能单元是一些特殊用途的装置。

3设计任务与要求

某大型晚会现场设有长明灯10组、变幻灯8组、舞台流水灯15组、标语牌底色流水灯15组。

变化规律如下:

变幻灯周期为60s，8路负载接通规律（如表3.1所示）：

表3.1变幻灯通断规律表

时间区间

负载8

负载7

负载6

负载5

负载4

负载3

负载2

负载1

0-10s

1

10-20s

20-30s

30-40s

40-50s

50-60s

舞台流水灯有1s和lms两种流动速率，正、反两种流动方向，有双灯6间隔、3灯5间隔、4灯4间隔三种流动组合方式。

标语牌底色流水灯速率为lms,工作方式为正向，亮至全亮，熄灭2ms后,反向单灯流动1周,熄灭2ms后，从中间向两侧分别点亮至全亮后，熄灭2ms,如此循环。

4花样彩灯方案设计

4．1彩灯常见的工作模式

在彩灯的应用中，装饰灯，广告灯，布景灯的变化多种多样，但就其工作模式，可分为三种主要类型：

长明灯的特点是只要灯投入工作，负载即长期接通，一般在彩灯中用以照明或衬托底色，没有频繁的动态切换过程，因此可用开关直接控制，不需经过PLC控制。

4．2确定输入输出设备，选择PLC类型

该彩灯系统长明灯不需经过PLC控制，变幻灯及流水灯采用PLC控制。

需设置总启动、停止按钮各1个，流水灯流动速率开关l个，流动方向开关l个，流动组合方式开关3个，输入信号共7个；

输出有变幻负载8组，舞台流水灯及标语牌底色灯各15组。

考虑输入信号较少，而输出负载多，选择PLC基本单元FX2N一16MT，可提供8输入8输出，另配置输出扩展模块FX2N一16EYT两台，由PLC基本单元供电。

灯组均通过无触头开关模块控制。

4．3确定I/O分配表

根据控制要求,输入及输出设备端口分配（如表4.1所示）：

表4.1I/O端口分配表

输入

输出

输入设备

输入端口

输出设备

输出端口

启动按钮SB1

X0

变幻灯负载1—8

Y0-Y7

停止按钮SB2

X1

舞台流水灯

Y10-Y17

流水灯速度开关S1

X2

Y20-Y27

流水灯刘翔防线开关S2

X3

标语牌底色流水灯

Y30-Y37

舞台流水灯方式1开关S3

X4

Y40-Y47

舞台流水灯方式2开关S4

X5

舞台流水灯方式3开关S5

X6

5系统硬件设计

自动化系统所使用的各种类型PLC中，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。

PLC控制系统的硬件设计主要是指硬件选型，近十几年来，国内外众多厂家提供了多种系列、功能各异的PLC产品，已有几十个系列、几百种型号。

PLC品种繁多，其结构形式、性能、I/O点数、用户程序内存容量、运算速度、指令系统、编程方法和价格各有不同，使用场合也各有侧重。

因此，PLC的合理选择，，对提高PLC控制系统的技术、经济指针以及对于控制系统都有着重要作用。

要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。

5．1PLC选型

PLC的主要国外生产厂家包括美国的Rock-well公司、德国的西门子公司、日本的三菱公司和欧姆龙公司。

我国有不少厂家研制和生产过PLC，近年来国产PLC有了很大的发展，但我国使用的PLC主要还是国外的品牌的产品。

考虑到国外产品的成熟性好，并且本次课程设计只需属小型系统，故采用三菱公司的FX系列小型PLC。

表5.1FX1N，FX1S与FX2N的基本性能

项目

FX1N

FX1S

FX2N

I/O设置

与用户选择有关，最多128点

与用户选择有关，最多30点

与用户选择有关，最多256点

100ms定时器

T0~T62，63点

T0~T199，200点

通用辅助继电器

M0~M383，384点

M0~M499，500点

指令

MOV

有

ROR

无

ROL

在编程当中需要用到ROR和ROL指令，由表2.1可知只有FX2N系列满足要求，故选用FX2N系列的PLC。

其次在编程当中需要用到MOVHFF00K4Y0指令，所以需要用到16个输出口，综上所述选用FX2N-32MR系列的PLC。

5．2组成原理

PLC彩灯控制编程采用指令控制，采用PLC能充分利用它的优点。

在这里我们采用三菱公司的FX2N-16MT系列的可编程控制器，它吸收了整体式和模块式PLC的优点，安装比较方便，它的基本指令执行时间为0.08µ

s每条指令，内置的用户存储器为8K步，可以扩展到16K步。

FX2N-16MT系列的可编程控制器，输入点数为8，输出点数为8。

编制梯形图，并进行仿真和调试。

综上，得到硬件配置如表5.2所示

表5.2硬件配置表

名称

数量

DC24V电源

PC/PPI编程电缆

FXGP-WIN-C编程软件

PC机

输出显示灯

8

5．3PLC外部接线原理图

根据I/0端口分配表,系统接线图如图1所示：

图1彩灯控制系统接线图

6软件设计

由PLC控制的彩灯有三类：

变幻灯、舞台流水灯及标语牌底色流水灯。

其变化周期1ms、1m分别由PLC内部特殊辅助继电器M8012、M8013控制。

流水变化采用传送指令、移位指令实现。

6．1初始化程序

图2初始化程序

系统运行初始化程序如图2所示，依次为启停控制、变幻灯初始化、舞台流水灯组合方式选择、标语牌底色灯初始化程序。

6．2主控输出程序

系统输出控制采用主控指令编码，如图3所示，依次为：

变换负载输出、舞台流水灯方向及速度控制、标语牌底色控制程序。

图3主控输出程序

6．3系统调试方法

调试是软件开发过程中最艰巨的脑力劳动，调试开始时，软件开发者仅仅面对着错误的征兆，然而在问题的外部现象和内在原因之间往往并没有明显的联系，在组成程序的密密麻麻的元素中，每一个都可能是错误的根源。

如何能在浩如烟海的程序元素中找到有错误的那个（或几个）元素，这是调试过程中最关键的技术问题。

本设计中调试的方法主要是设置断点跟踪。

使用断点跟踪可以找到程序的出错位置，缩小查找错误的范围，提高调试的效率。

调试的任务是及时改正测试过程中发现的软件错误。

具体地说，调试过程由两个步骤组成，它从表示程序中存在错误的某迹象开始，首先确定错误的准确位置，也就是找出哪个模块或哪个语句引起的错误。

然后仔细研究推断代码以确定问题的原因，并设法改正。

当然更重要的还是调试的策略。

调试的策略主要有以下几种方法：

1.试探法

调试人员分析错误征兆，猜想故障的大致位置，然后使用调试的技术获取程序中被怀疑的地方附近的信息。

这种策略通常是缓慢而低效的。

一般不被采用。

2.回溯法

回溯法是调试人员检查错误征兆，确定最先发现“症状”的地方，然后人工沿程序的控制流往回追踪源程序代码，直到找出错误根源或确定故障范围为止。

回溯法对小程序而言是一种比较好的调试策略，但是对于一些大规模的程序来说，就不适合用此方法了。

3.对分查找法

如果知道每个变量在程序内若干个关键点的正确值，则可以用赋值语句或输入语句在程序中点附近“注入”这些变量的正确值，然后检查程序的输出。

如果输出结果是正确的，则故障在程序的前半部分；

反之，在后半部分。

对于程序中有故障的那部分再重复使用这个方法，直到把故障范围缩小到容易诊断的程度为止。

4.归纳法

所谓归纳法就是从个别推断一般的方法，这种方法从线索出发，通过分析这些线索之间的关系而找到故障。

5.演绎法

是从一般原理或前提出发，经过删除和精化的过程推导出结论。

用演绎法调试开始时先列出可能成立的原因或假设，然后依次地排除列举出的原因。

最后，证明剩下的原因是错误的根源。

6．4系统调试及结果分析

硬件调试：

接通电源，检查三菱FX2N-16MT（如图6.1所示）可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。

软件调试：

按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM中，进行下一步的调试。

运行调试：

在硬件调试和软件调试正确的基础上，打开三菱FX2N-16MT可编程控制器的“RUN”按钮。

进行调试；

按下启动按钮，观察运行的情况，看是否是随时按下停止按钮可以停止系统运行。

系统停止运行后，按下启动按钮，看是否可以重新运行。

根据以上的调试情况，本彩灯循环点亮的PLC控制系统设计符合要求。

图6.1FX2N-16MT外观图

7小结

通过不懈的努力，我们终于利用PLC对大型演出现场的彩灯进行控制，包括对变换类负载、舞台流水灯、大型标语牌底色流水灯的控制，以营造良好的现场灯光氛围，并且便于起停、控制、检修，节约人力物力。

经调试运行，该设计应用PLC输出信号去控制彩灯工作，使得产品性能稳定，安装方便、操作简单易行。

如果用户需要更改系统的亮灯模式，无须改变系统硬件电路，只需修改其中程序就可以实现不同控制要求。

随着科学技术发展的日新月异，PLC技术已经成为了我们生活中的一部分，几乎可以说是无处不在。

对于学习PLC知识的我们，此次课程设计很好的培养了我们学生综合运用所学知识，发现和解决问题以及锻炼实践的能力。

只有在实践中多去操作，不言弃、不急躁，迎难而上，多总结经验，多尝试，才能将专业知识学得更好，才能学以致用，才能达到学习的真正目的。

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专业课综合课程设计成绩评定表

学生姓名

院/系部

信息与控制工程学院

专业

年级

级班

指导教师意见：

成绩：

签名：

年月日