plc彩灯控制器论文详解.docx

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plc彩灯控制器论文详解

《毕业论文写作》

题目：

基于PLC技术的彩灯控制器

系（院）：

机电与汽车工程系专业：

机电一体化技术

姓名：

卜志康学号：

1009010304

校内指导教师：

周月娥职称：

讲师

2013年2月27日

【摘要】可编程序逻辑控制器最初只具备逻辑控制、定时、计数的功能，主要是用来取代继电接触器控制。

当今的PLC具有可靠性高、控制能力强、组成灵活和操作方便的特点在工业领域广泛运用。

本毕业设计的第一章节主要从PLC的特点、结构和工作原理上进行详细地阐述。

S7-200系统可编程控制器是西门子公司生产的小型可编程序控制器，全部采用整体式结构，有的只能单机运行，有的可以进行输入输出扩展，有的还可以接特殊功能扩展模块。

它结构小巧，可靠性高，运行速度快。

在本次毕业设计中主要运用了S7-200系列PLC对彩灯进行控制，设计中涉及到硬件电路接线、STL指令和梯形图，最终实现彩灯系统全过程的自动化控制。

【关键词】可编程控制器S7-200彩灯控制梯形图STL指令

引言

随着社会市场经济的不断繁荣和发展，各种装饰彩灯、广告彩灯越来越多地出现在城市中。

在大型晚会的现场，彩灯更是成为不可缺少的一道景观。

小型的彩灯多为采用霓虹灯管做成各种各样和多种色彩的灯管，或是以日光灯、白炽灯作为光源，另配大型广告语、宣传画来达到效果。

这些灯的控制设备多为数字电路。

而在现代生活中，大型楼宇的轮廓装饰或大型晚会的灯光布景，由于其变化多、功率大，数字电路则不能胜任。

针对PLC日益得到广泛应用的现状，本文介绍PLC在不同变化类型的彩灯控制中的应用，灯的亮灭、闪烁时间及流动方向的控制均通过PLC来达到控制要求。

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、流水灯及变幻灯。

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。

流水灯负载变化频率高，变换速度快，使人有眼花缭乱之感，分为多灯流动、单灯流动等情形。

变幻灯则包括字形变化、色彩变化、位置变化等，其主要特点是在整个工作过程中周期性地花样变化，但频率不高。

流水灯及变幻灯均适宜采用PLC控制。

本文就是具体的叙述PLC在彩灯控制中的具体应用。

第一章可编程控制器

1.1可编程控制器的概述

20世纪60年代末期，由于市场的需求，迫使工业生产从大批量少品种的生产转变为小批量多品种的生产方式。

就出现了可编程控制器。

在可编程控制器产生之前，是以各种继电器为主要元件的电气控制路线承担着生产过程自动控制的艰巨任务的。

由成百上千只各种继电器所构成的复杂的控制系统需要用成千上万根导线连接起来，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。

当这些继电器运行时，又会产生大量的噪音，消耗大量的电能。

为保证控制系统的正常运行，需安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电器损坏，甚至某个继电器的触点接触不良，都会影响整个系统的正常运行。

如果系统出现故障，要进行检查和排除故障是非常困难的，因为这要依靠电气技术人员长期积累的经验。

尽管如此，这种控制系统的功能也仅仅局限于能实现具有粗略定时、计数功能的顺序逻辑控制。

因此，人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器控制系统，使电器控制系统工作更可靠、更容易、更能适应经常变化的生产工艺要求。

在20世纪60至70年代，电子技术已经有了一定的发展，人们受到计算机的存储器可以反复改写的启发，开始寻求一种以存储逻辑代替接线逻辑的新型工业控制设备。

1969年，美国数据设备公司为美国通用汽车公司的生产流水线研制了世界上公认的第一台可编程控制器。

当时的可编程控制器只能用于执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，所以被称为可编程序逻辑控制器，简称PLC。

进入20世纪70年代后PLC已不再是仅有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID控制和数据通信功能，因此被改称为可编程控制器。

1987年2月，国际电工委员会把可编程序控制器定义为：

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。

可编程序控制器及其有关外围设备易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能。

1.2PLC的特点

PLC的特点具有以下几点：

（1）高可靠性，抗干扰能力强。

继电接触器系统中，由于器件的老化，触点的抖动以及触点电弧等现象大大降低了系统的可靠性。

而在PLC系统中，接线减少到继电器控制系统的1／10～1／100，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上PLC充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，因此PLC具有极高的可靠性。

（2）适应性强，应用灵活。

由于PLC产品均为系类化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，因此用户可根据自己的需求灵活选用，以满足系统的大小不同及功能繁简的控制要求。

（3）编程方便，易于使用。

PLC的编程采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受电气技术人员的欢迎。

今年来各生产厂家都加强了通用计算机运行的编程软件的制作，使程序的组织及下载工作更加方便。

（4）功能强，扩展能力强。

PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的类似继电器的软元件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器系统所不能实现的。

PLC可以方便地与各种类型的输入、输出量连接，实现D／A,A／D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。

PLC具有联网通信功能，它不仅可以控制一台单机及一条生产线，还可以控制一个机群及许多条生产线：

不仅可以进行现场控制，还可以用于远程监控。

（5）PLC控制系统设计、安装、调试方便。

PLC中相当于继电接触器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等编程元件，虽然数量巨大，却是用程序代替硬接线，因而安装接线工作量少。

设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试。

而继电器系统的调试则是靠在现场改变接线进行的，十分繁琐复杂。

（6）维修方便，维修工作量小。

PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能，对于其内部工作状态、通行状态、异常状态和I／O点的状态均有显示。

工作人员通过这些显示功能可以查找故障原因，便于迅速处理。

（7）PLCT体积小、质量轻、易于实现机电一体化。

PLC常采用箱体式结构，体积及质量只有通常接触器的大小，易于安装在控制箱中或安装在运动物体中，开关柜的体积缩小到原来的1／2到1／10。

采用PLC的控制系统功能强大，调速、定位等功能都可以通过电气方式完成，可以大大减少机械的结构设计，有利于实现机电一体化。

1.3PLC的结构及工作原理

按照可编程控制器系统的构成原理，可编程控制器系统由传感器、可编程控制器和执行器组成，可编程控制器通过循环扫描输入端口的状态，执行用户程序来实现控制任务。

PLC将内部数据存储器分成若干个寄存器区域，其中过程映像区域又称为I／O映像寄存器区域。

过程映像区域的输入映像寄存器区域（PII）用来存放输入端点的状态，输出映像寄存器区域（PIQ）用来存放用户程序（OBI）运行的结果。

PLC输入模块的输出信号状态与传感器信号相对应，为传感器信号经过隔离和滤波后的有效信号。

开关量输入电路通过传感器的0、1电平变化，识别开关的通、断状态。

CPU在每个扫描周期的开始扫描输入模块信号状态，并将其状态送入输入映像寄存器区域；CPU根据用户程序中的程序指令来处理传感器信号，并将处理结果送到输出映像寄存器区域。

PLC输出模块具有一定的负载驱动能力，在额定负载以内，直接和负载相连，可以驱动相应的执行器。

1.4PLC的应用领域及发展趋势

1..4.1PLC的应用领域

可编程控制器的应用十分广泛，有多种分类方法。

有的从产品角度划分，有从被控制物理量的角度划分。

从被控物理量的角度可将PLC的应用领域概括如下：

（1）顺序控制

顺序控制即逻辑控制，主要指开关量的控制。

这是PLC最基本的应用领域，也是最适合PLC的应用领域。

它可以取代传统的继电接触器控制系统，可应用于单机控制，多机群控制或生产线自动控制。

例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等。

（2）运动控制

运动控制指通过控制电动机的转速或转角实现运动体运动速度及位置的控制。

工厂中最常见的运动控制的例子是数控机床，刀具按照给定的坐标行走。

近年来许多PLC制造商在自己的产品中增加了脉冲串输出指令，使PLC方便地用于定位及调速系统。

更专业的运动控制方案是选用专门的位置控制模块，PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数轴到目标位置。

（3）过程控制

过程控制指连续生产场合的控制，如石油、化工生产场合，生产一般是不能间断的。

这些场合的控制参数叫做过程参数，如温度、压力、速度和流量等。

这些参数多为模拟量。

PLC通过模拟量单元、比例﹣积分﹣微分模块或主机自带的PID指令实现闭环过程控制。

（4）数据处理

数据处理是计算机最擅长的工作，也是一个内容十分广泛的概念。

如数据的四则运算、乘方、开方是数据处理，生产实时数据的收集筛选是数据处理，机械加工中的数控机床也是数据处理。

可编程控制器具有大量的功能指令支持这些工作，使PLC在这些应用领域大显身手。

（5）通信和联网

PLC的通信包括主机与远程I／O间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能设备（计算机、变频器、数控装置、智能仪表）之间的通信。

随着工业自动化程度的不断提高，多机间的数据联通、远程的数据传送越来越重要。

近年来PLC的通信功能不断加强，PLC已经在各类工业控制网络中发挥着巨大的作用。

1.4.2PLC的发展趋势

目前，PLC的市场竞争十分激烈，各大公司都看好中国这个巨大的PLC市场。

西门子公司不断推出新的PLC产品，巩固和发展其领先的技术优势和市场份额。

S7—200、S7—300系列可编程控制器在中小型PLC市场中极具竞争力，1996年又推出了高中档的S7—400系列PLC、自带人机界面的C7系列PLC、与AT计算机兼容的M7系列PLC等多种新产品。

随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能也在不断改进。

生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品，如S7—300属中型PLC，有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，用户程序容量达96KB，具有许多过去大型PLC才有的功能，它的扫描速度为0.3ms／1000条指令，超过了许多大型PLC。

总的看来，PLC的发展趋势主要体现在以下几个方面：

（1）网络化。

主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。

网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下将多个PLC、多个I／O框架连接，向上与工业计算机、以太网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。

S7—300PLC可以通过多点接口MPI直接与多个计算机、编程器、操作员面板及其他厂家的PLC相连。

（2）多功能。

为了适应各种特殊功能的需求，各公司陆续推出了多种智能模块。

智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机CPU的时间很少，有利于提高PLC扫描速度和完成特殊的控制要求。

智能模块主要有模拟量I／O、PID回路控制、通信控制、机械运动控制、高数计算等。

由于智能I／O的应用，使过程控制的功能和实时性大为增强。

（3）高可靠性。

由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、容错技术广泛应用到现有产品中。

例如，S7—400即使在恶劣的工业环境下依然可正常工作，在操作运行过程中模版还可热插拔。

（4）兼容性。

现代PLC已不再是单个的，独立的控制装置，而是整个控制系统中的一部分或一个环节，兼容性是PLC深层次应用的重要保证。

例如，SIMATICM7—300采用与SIMATICS7—300相同的结构，可使用SIMATICS7模块，其显著特点是与通用微型计算机兼容，可运行MS—DOS／Windoows程序，适合于处理数据量大、实时性强的工程任务。

（5）小型化，简单易懂。

随着应用范围的扩大和用户投资规模的不同，小型化、低成本、简单易用的PLC将广泛应用于各行各业。

小型PLC由整体结构向小型模块化发展，增加了配置的灵活性。

（6）编程语言向高层次发展。

PLC的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能块语言和指令表语言的基础上，正在不断丰富和向高层次发展。

第二章S7-200可编程控制器

2.1S7-200可编程控制器概述

S7-200系列PLC采用整体式的基本单元（主机）加扩展（模块）的结构，整体式PLC的CPU、电源、输入、输出点安装于一体，结构紧凑，安装简单。

运算速度快，基本逻辑控制指令0.22us／条，可以实现高速控制。

编程指令、编程元件较丰富、性能价格比高。

2.2S7-200的系统组成

SIMATICS7-200系统由硬件和工业软件两大部分组成。

（1）硬件

①基本单元

基本单元又称作CPU模块，也有的称之为主机或本机。

它包括CPU、存储器、基本输入输出点和电源等，是PLC的主要部分。

它实际就是一个完整的控制系统，可以单独实现一定的控制任务。

②扩展单元

扩展单元是用以扩充数字量输入输出的设备，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是由多种因数共同决定的。

③特殊功能模块

特殊功能模块是可与主机相连的为完成某种特殊的控制任务而制的装置。

④相关设备

相关设备是为充分和方便地利用SIMATICS7-200系统硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。

（2）工业软件

工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成

2.3S7-200的扫描周期

S7-200系列PLCCPU连续执行用户任务的循环序列称为扫描。

可编程控制器的一个机器扫描周期是指用户程序运行一次所经过的时间，分为输入处理、执行程序、处理信号请求、执行CPU自诊断和输出刷新五个阶段。

（1）输入处理

对于数字量输入和模拟量输入，CPU处理的方式不同。

①处理数字量输入

每个扫描周期的开始，先进行输入扫描，将数字输入点的当前值写入映像存储器中。

②处理模拟量输入

模拟量输入有的采用数字滤波，有的直接输入。

模拟量的数字滤波多用于输入信号变化缓慢的场合，如果是高速信号，一般内不用数字滤波。

高成本的模拟量模块，通常支持模块内部滤波；对于低成本的模拟量模块，模块不支持内部滤波，其输入可以使用数字滤波器功能进行设置。

（2）执行程序

在这一阶段,CPU从用户程序第一条指令开始执行，直到最后一条指令结束。

（3）处理通信请求

在CPU扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测屏除里从各通信端口接受到的任何信息。

（4）执行CPU自诊断

在这一阶段，CPU检测主机硬件，同时也检查所有的I/O模块的状态。

在RUN模式下，还检测用户程序存储器。

当CPU的工作方式从RUN转换到STOP时，由输出状态可通过对CPU组态中的输出设置来选择以下几种：

①数字量输出保持当前值,或设置为输出表中的值

②模拟量的输出保持方式转换前最后写的值

③默认设置是关闭数字输出

（5）输出刷新

每个扫描周期的结尾，CPU把存放在输出映像寄存器中的数据输出给数字量输出端点，更新输出状态。

2.4S7-200系列CPU的工作方式

S7-200系列PLCCPU的工作方式有：

STOP方式和RUN方式。

当CPU处于STOP方式时，对于扫描周期，这两种方式的主要类别是在STOP方式下不运行用户程序，此时可以向CPU装载拥护程序或者进行CPU配置。

当CUP工作在RUN方式下的每个扫描周期中执行用户程序。

改变CPU工作方式的方法有：

（1）用PLC上的方式开关来手动切换，方式开关有3个档次：

STOP、RUN和TERM方式；

（2）用STEP7-Micro/win32编程软件，应首先把主机的方式开关置于TERM或RUN位置，然后在此软件平台用鼠标单击STOP和RUN方式按钮即可；（3）在用户程序中用指令由RUN方式转换到STOP方式，前提是程序逻辑允许中断程序的执行。

第三章基于PLC的彩灯控制设计

3.1总体结构框图

彩灯控制电路由三个模块构成，分别是显示电路、秒脉冲电路和彩灯维持电路组成。

其总体框图如图3-1所示：

图3-1设计总体框图

秒脉冲电路全程为电路提供矩形波信号使彩灯定时发亮，显示电路为维持电路提供电源；彩灯维持电路在显示电路部分提供电源的情况下为电路提供一段较长的高电平，使彩灯在全部变亮后保持一段时间。

同时结合显示电路部分所带元件（主要是74LS194）的性质，使彩灯从左（右）往右（左）依次由暗变亮，亮后维持一段时间，然后熄灭，并且不断重复此过程。

3.2硬件电路设计

（1）实验设备

1）THSMS-A型，THSMS-B型实验装置一台

2）安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机一台

3）PC/PPI编程电缆一根

4）锁紧导线若干

（2）S7-200系列PLC外部结构如图3-2所示

图3-2S7-200系列PLC外部结构

（3）彩灯控制实验面板如图3-3所示

图3-3彩灯控制模拟实验控制面板

（4）电路接线

在图3-2中，将计算机的I／O接口通过PPI电缆接到S7-200系列PLC的外部通讯接口，把计算机中的STEP7-Micro/WIN32编程软件里面的PLC梯形图传送到S7-200PLC的CPU中。

在图3-3中，右框中1、2、3、4、5、6、7、8、9、10分别接主机的输出点Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1。

启动按钮接主机的输入点I0.0。

3.3彩灯STL控制指令

表3-1彩灯控制指令表

步序

STL指令

步序

STL指令

1

LDI0.0启动

30

LDM10.2

2

ANM0.0

31

OM11.0

3

TONT37，+20延时2S

32

OM11.2

4

LDT37

33

OM11.3

5

=M0.0

34

OM11.4

6

LDI0.0

35

OM11.5

7

TONT38，+30延时3S

36

OM12.4

8

ANT38

37

OM12.6

9

=M1.0

38

OM13.0

10

LDM1.0

39

OT47

11

OM0.2

40

=Q0.12号灯

12

=M10.0

41

LDM10.3

13

LDM13.5

42

OM10.7

14

TONT39，+20延时2S

43

OM11.3

15

ANT39

44

OM11.4

16

=M0.2

45

OM11.5

17

LDM0.0移位输入

46

OM11.6

18

SHRBM10.0，M10.1，+29

47

OM12.3

19

LDM10.1

48

OM12.5

20

OM11.1

49

OM12.7

21

OM11.2

50

OT47

22

OM11.3

51

=Q0.23号灯

23

OM11.4

52

LDM10.4

24

OM11.5

53

OM10.6

25

OM12.1

54

OM11.3

26

OM12.5

55

OM11.4

27

OM12.7

56

OM11.5

28

OT47

57

OM11.6

29

=Q0.01号灯

58

OM12.2

步序

STL指令

步序

STL指令

59

OM12.6

90

OM12.3

60

OM13.0

91

OM12.5

61

OT47

92

OM12.7

62

=Q0.34号灯

93

OT47

63

LDM10.5

94

=Q0.67号灯

64

OM11.4

95

LDM10.2

65

OM11.5

96

OM11.0

66

OM11.6

97

OM11.5

67

OM11.7

98

OM11.6

68

OM12.1

99

OM11.7

69

OM12.5

100

OM12.0

70

OM12.7

101

OM12.2

71

OT47

102

OM12.6

72

=Q0.45号灯

103

OM13.0

73

LDM10.4

104

OT47

74

OM10.6

105

=Q0.78号灯

75

OM11.4

106

LDM13.4

76

OM11.5

107

OT47

77

OM11.6

108

=Q1.09号灯

78

OM11.7

109

LDM13.5

79

OM12.4

110

OT47

80

OM12.6

111

=Q1.110号灯

81

OM13.0

112

LDM13.3

82

OT47

113

OM13.4

83

=Q0.56号灯

114

OM13.5

84

LDM10.3

115

ANT48

85

OM10.7

116

TONT47，+10延时1S

86

OM11.5

117

LDT47

87

OM11.6

118

TONT48，+10延时1S

88

OM11.7

119

END

89

OM12.0

3.4彩灯控制梯形图

图3-4彩灯控制梯形图

3.5调试

在实验室的彩灯控制的模拟实验台前，按彩灯的控制要求接好“CPU226”与“基本指令面板”之间的线。

在计算机上打开STEP-Micro／WIN32的软件，编写好彩灯控制的梯形图。

接通试验台的电源，在STEP-Micro／WIN32编程中清除并载入新的程序，开始运行。

调试现象：

按下启动按钮I／O，彩灯显示：

1→2、8→3、7→4、6→5→4、6→3、7→2、8→1→1、2→1、2、3、4→1、2、3、4、5、6→1、2、3、4、5、6、7、8→3、4、5、6、7、8、→5、6、7、8→7、8→1、5→4、8→3、7→2、6→1、3、5、7→2、4、6、8→1、3、5、7→2、4、6、8→全部闪烁3次→9→10→1……往复循环。

第四章毕业设计总结

通过对PLC彩灯控制系统的毕业设计过程中我学会了很多东西，同时可以巩固以前所学的专业知识。

通过这次的毕业设计让我懂得了理论与实践结合的重要性。

光有理论知识是远远不够的，只有把所学到的知识与实践相结合，才能最大限度的发挥它的光和热，也真正能服务于社会。

本次主要介绍的是，第一单元组要