PLC控制跑马灯系统的设计.docx

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PLC控制跑马灯系统的设计

河南工业职业技术学院

2012—2013学年

第一学期

毕业设计

课题名称：

PLC控制跑马灯系统的设计

设计时间：

20012.9.25—20012.10.21

系部：

机电工程系

班级：

机电1003

姓名：

杨杰

指导教师：

朱文琦

PLC控制跑马灯系统的设计

[摘要]本次毕业设计是应用S7-200PLC跑马灯设计的硬件电路，并利用OB1的梯形图控制程序设计。

通过控制S7－200PLC的定时继电器的功能来实现各彩灯按一定的规律点亮和熄灭。

接通延迟定时器SD的特点（如果RLO有正跳沿，则接通延迟定时器启动指令，以设定的时间值启动指令的定时器）。

这种控制电路结构简单，可靠性高，应用性强；软件程序适应范围广，对各彩灯按一定的规律点亮和熄灭的控制，只需要改变相应的定时器的时间接通即可。

[关键词]PLC彩灯梯形图；

前言

随着科技的飞速发展，无论在日常生活中，还是在工农业发展中，PLC具有广泛的应用。

PLC的一般特点：

抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。

PLC总的发展趋势是：

高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。

本次毕业设计是应用S7-200PLC跑马灯设计的硬件电路，并利用OB1的梯形图控制程序设计。

通过控制S7－200PLC的定时继电器的功能来实现各彩灯按一定的规律点亮和熄灭。

接通延迟定时器SD的特点（如果RLO有正跳沿，则接通延迟定时器启动指令，以设定的时间值启动指令的定时器）。

这种控制电路结构简单，可靠性高，应用性强；软件程序适应范围广，对各彩灯按一定的规律点亮和熄灭的控制，只需要改变相应的定时器的时间接通即可。

第1章概论

本篇概述跑马灯系统有关的一些基本知识，为对该彩灯系统的了解做一个基础。

首先要说明彩灯系统的意义、要求及本设计的任务，然后介绍跑马灯系统的基本组成单元及功能原理；接着讲述元器件的选择与参数设置要求，最后讲述软件的调试和硬件的调试。

1.1跑马灯系统的意义、现状及要求

1.1.1课题背景及目的

随着科学技术的的不断提高，社会经济的不断发展，人们对城市的装束有了很大的变化。

在城市的夜晚，大街小巷都布满了五颜六色的彩灯，给原来萧条的城市带来了气息和活力，给人们的视觉很大的冲击，有的地方将彩灯很好的配置安装在城市主要建筑物上，使之绚丽多彩，更加吸引人的眼球，有的则利用彩灯装扮城市，给当地的城市带来了丰富的旅游资源。

1.1.2技术现状

本课题与同类相比，优越性更大，不过各有各的特点，市场上大部分是单片机做的，而本设计是用S7－200PLC做的，是用S7-200PLC的硬件和软件结合起来。

这样的设计可以控制和设定不同的彩灯变化方式，相比之下，实用性和操作性更高一些，易学易懂，深受工程技术人员的欢迎。

1.2彩灯的发展

1.2.1彩灯的最初来源

1879年，美国著名的科学家爱迪生发明了白炽灯，结束了人类“黑暗”的历史。

然而白炽灯只是给人类为以后各种各样彩灯的发展埋下了伏笔。

1902年，黑维特发明了水银灯。

这种水银灯是在真空的灯管中充入水银和少量氩气。

通电后，水银蒸发，受电子激发而发光。

水银灯会辐射出大量紫外线，而紫外线

是对人体有害的，且水银灯光线太亮，太刺眼，因此它不能得到广泛应用。

又经过了很长一段时间的发展，最值得一提的就是美国通用电子公司的研究员伊曼，与其他科学家一样，从霓虹灯的亮光中，看到了光明的前途。

他加快了研究的步伐。

终于在1938年，突破了启动装置的设计与制作大关，制作了与水银等性能截然不同的荧光灯。

这种荧光灯是在一根玻璃管内，充进一定量的水银，管的内壁涂有荧光粉，管的两端各有一个灯丝做电极。

它的工作原理是：

通电后，水银蒸气放电，同时产生紫外线，紫外线激发管内壁的荧光物质而发出可见光。

显然，荧光灯没有水银灯的弊端，它比白炽灯更亮，且电能利用率高，省电。

因此，它一诞生，便很快进入了一般家庭和公司。

1.2.2彩灯给城市带来的五彩缤纷

随着社会经济的发展，越来越多的城市大街小巷都布满了彩灯，这给原来并不怎么好看很单调的城市带来了朝气，随着城市里彩灯的不断增加，光效的不同，给了人们视觉很大的享受和冲击，给原本萧条的城市带来了繁荣的景象。

1.3PLC的发展前景及趋势

PLC发展至今，已有30余年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域已有翻天复地的变化，PLC亦在不断的发展变化之中，PLC正朝着新的技术发展。

向高性能、高速度、大容量发展

大型PLC大多采用多CPU结构，不断向高性能、高速度和大容量方向发展。

三菱的AnA系列PLC使用了世界上第一个在一块芯片上实现PLC全部功能的32位微处理器，即顺序控制专用芯片，其扫描时间为每条基本指令0.15μs。

松下公司的FP10SH系列PLC采用32位5级流水线RISC结构的CPU，可以同时处理5条指令，顺序指令的执行速度高达0.04μs/步，高级功能指令的执行速度也有很大的提高。

在有2个通信接口、256个I/O点的情况下，FP10SH总的扫描时间为0.27～0.42ms。

在模拟量控制方面，除了专门用于模拟量闭环控制的PID指令和智能PID模块，某些PLC还具有模拟量模糊控制、自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。

增强小型PLC的功能

小型PLC一般指I/O点数小于等于256的PLC，大多采用整体式结构。

小型PLC的价格便宜，性能价格比不断提高，很适合于单机自动化或组成分布式控制系统。

近年来，PLC生产厂商不断推出功能更强的小型PLC，更新换代的周期越来越短。

如三菱公司的小型PLCFX系列先后推出了FX、2FX、FX、FX、FX、FX、FX0SN2CC1S和FX等系列，它们的性能价格比1N越来越高。

除了开关量逻辑控制功能外，现代的小型PLC一般具有以下功能：

（1）多种工作模式的32位高速计数器，当计数值达到预置值时，用中断方式改变PLC的输出。

高速计数功能是用中断方式实现的，因此其计数频率受到限制。

三菱的FX1S和FX的计数频率可达100kHz。

1N

（2）包括脉冲列输出（PTO）和脉宽调制（PWM）的高速输出功能FX、FX的输出脉冲频率可达1S1N100kHz。

（3）中断功能，包括开关量输入中断、定时中断、高速计数输入中断、高速脉冲输出中断和通信中断等。

（4）脉冲捕获功能，可捕获脉宽为数十μs的输入脉冲。

（5）内置的实时钟，或可以选配实时钟模块。

（6）内置的1个或2个模拟量输入电位器，可用于调节控制参数，如修改定时器的设定值。

FX可选配有8个模拟量输入电位器的功能扩展板。

（7）整数运算、浮点数运算和函数运算功能。

（8）用EEPROM代替RAM和锂电池，使PLC成为完全免维护的设备。

（9）用户程序可用密码保护，有的可设多级密码。

（10）将过去许多需要特殊功能模块完成的功能软件化，如用PID指令实现PID控制，用定位控制指令实现位置控制。

有的小型PLC具有超高速的运算速度,如FX执行基本指令的时间仅0.08μs，运算速度远远高于某

些大中型PLC的运算速度。

小型PLC不断增加特殊功能模块的品种，一般有下列特殊模块：

模拟量输入输出模块、热电阻/热电偶温度传感器模块、温度调节模块、高速计数模块、脉冲输出模块、位置控制模块、可编程凸轮开关模块和多种通信模块等。

FX系列PLC的功能扩展板体积小巧，价格便宜，可安装在基本单元内。

FX系列有下述功能扩展板：

4点开关量输入板、2点开关量输出板、2路模拟量输入板、1路模拟量输出板、8点模拟量调整板，RS－232C、RS－485和RS－422通信板。

各PLC厂家近年来推出了一些价格便宜的专用人机接口装置，用来监视PLC的内部变量和修改控制参数。

与西门子S7－200配套的TD200文本显示器可显示两行字符，每行10个汉字或20个字符，可用S7－200的编程软件设置TD200的显示内容。

与三菱公司的FX系列配套的FX－1N－5DM微型显示模块的体积小巧，正面尺寸仅为32mm×40mm，直接安装在三菱FX/FX1S1N系列PLC基本单元的顶部，无需连线；配有带背光的LED，可以监视和修改PLC的内部数据，可与功能扩展板一起使用，网上报价仅300

多元。

2003年初松下电工推出了面板安装型PLC－FP－e，它有2行显示，每行显示5个字符，每行可单独变换3种颜色，同时带有相应的提示符号；有8点输入和5点晶体管、1点继电器输出；面板有6个操作按键，可用于改变设定值和作为操作开关输入，不占用外部I/O点；除编程口外，还有RS－232C通信端口，功能增强型的FP－e可支持日历时钟功能及热电偶输入。

不断提高编程软件的功能编程软件日益普及PLC的手持式编程器编程功能有限，使用不便。

随着计算机的迅速普及、升级以及编程软件性能的不断提高，使用编程软件的人越来越多，笔记本电脑的大幅度降价解决了计算机编程的现场调试问题大多数PLC厂家都向用户提供免费使用的演示版编程软件，正版编程软件的价格也在不断降低。

编程软件可以对PLC控制系统的硬件组态，在屏幕上可以直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。

程序可以下载、存盘和打印，通过网络或电话线，还可以实现远程编程。

现在有的PLC（如西门子的S7－200系列）用基于PC的编程软件来编程，已没有配置手持式编程器。

编程软件的功能不断提高PLC的编程软件升级更新非常快，如三菱先后推出了MEDOC、SWOPC－FXGP/WIN、GPPW编程软件和LLT模拟仿真软件。

大多数厂家的编程软件都有汉化版，方便了英语水平较差的国内用户。

编程语言的标准化PLC的编程语言标准IEC61131－1已公布了多年，欧美的PLC厂家的编程语言基本上符合IEC标准。

某些“软PLC”（即在PC上运行的可实现PLC功能的软件包）几乎都是按IEC标准设计的。

随着时间的推移，IEC标准会得到越来越广的使用。

使用编程向导简化编程过程

S7－200的编程软件STEP7－MicroWIN32配备了大量的编程向导，如PID、网络读写、高速计数器和高速输出指令的编程向导，位置控制模块、文本显示器TD200、调制解调器模块、以太网模块、互联网模块、AS－i通信模块等的编程向导。

使用这些编程向导时，只需要输入要求的数据或确定选项，编程软件就可以自动地生成用户程序。

编程软件配备仿真功能

有的PLC生产厂家提供了在计算机上运行，可以用来代替PLC的硬件调试用户程序的仿真软件，例如西门子公司与STEP7编程软件配套使用的S7－PLCSIM仿真软件、

三菱公司与SW3D5C－GPPW－C编程软件配套的SW3D5C－LLT－C仿真软件，欧姆龙公司与CX－Programmer编程软件配套的仿真软件CX－Simulator等，西门子的“LOGO！

”可编程逻辑模块的编程软件也有仿真功能。

PLC的仿真软件也是初学者学习编程和程序调试方法的很好的学习工具。

通信功能的增强和标准化不断增强通信功能随着计算机网络通信在控制系统中的广泛应用，通信功能受到越来越高的重视，因此小型PLC的通信功能在不断扩展和增强。

以三菱的FX系列为例，它可以接入开放式通信网络，为此提供了CC－Link系统主站模块、CC－Link接口模块、AS－i主站模块、DeviceNet接口模块和Profibus接口模块。

使用MELSEC远程I/O链接系统主站模块可组成远程I/O网络。

RS－232C通信接口模块、RS－232C适配器、RS－485通信板适配器、RS－232C/RS－485转换接口等提供了标准的串行通信接口。

在软件方面FX提供了一些专用的通信协议，如并行链接、N：

N链接、计算机链接和I/O链接。

计算机链接协议基本上符合Modbus通信协议中的ASCII传输模式，PLC与PC通信时，PLC一侧不需要用户编程。

其余的几种链接的通信是周期性地自动实现的，用户只需要作一些简单的设置。

GE－Fanuc公司的VersaMax系列PLC可与现场总线DeviceNet、Profibus－DP和Genius链接。

用户

可使用ModbusRTU从站、ASCII读写和SNP等通信协议。

MicroLogix系列PLC可选择对等通信、DeviceNet和SCADA/RTU网络通信。

提高通信的开放程度

早期的PLC基本上采用厂家专用的通信协议，给不同厂家的产品互联互通和用户的使用带来了很大的困难。

现在的发展趋势是尽可能地采用符合国际标准的通信协议，如符合现场总线国际标准IEC61158和IEC62026中的某些总线标准。

值得一提的是Modbus通信协议，该协议包括两种传输模式（ASCII和RTU），它们在PLC的通信中得到了广泛的使用，Modbus协议已经成为事实上的标准。

有的厂家对Modbus协议作了一些改动。

现场总线与PLC紧密结合现场总线与PLC有着天然的联系，因为很多现场总线都是PLC生产厂家开发出来的，如Rockwell的ControlNet和DeviceNet，西门子的Profibus等，现在已经有相当多的PLC有现场总线通信功能。

值得关注的是已进入国际标准的现场总线，在PLC中使用得较多的现场总线有Profibus\DeviceNet和AS－i（执行器、传感器接口）等。

简化通信程序的设计实际中用得较多的是计算机与PLC之间的通信。

有的通信协议只需要编写计算机一侧的通信程序，PLC接收和发送通信帧是自动完成的。

为了减少用户编写计算机通信程序的工作量，不少厂家设计了计算机与PLC通信的接口软件，如Prodave是西门子公司为解决计算机与PLC进行数据交换而设计的动态链接库，使用VB、VC和Delphi等编程语言均可以用其中的函数，计算机可以很方便地读写西门子PLC（S7－200/300/400）的存储区。

在GE－Fanuc公司的RTU协议中，计算机作主站，PLC作从站，只有计算机能主动发送命令帧，PLC收到后返回响应帧。

响应帧（包括其中的CRC校验字）是自动生成的，计算机发出的命令帧则需要用户编程。

西门子最近推出的EM241Mo-dem模块可用STEP7－Micro/WIN编程软件中的调制解调器组态向导来设置程序中需要的参数，完成设置后，向导将为选择的组态生成程序块和数据块。

PLC的软件化与PC化个人计算机（PC）的价格便宜，有很强的数据运算、数据处理、通信和人机交互的功能。

过去个人计算机主要用作PLC的编程器、操作站或人/机接口终端，如果用于工业控制现场，必须使用加固型的工业个人计算机，一般称为工业控制计算机。

目前已有多家厂商推出了在PC机上运行的可实现PLC功能的软件包，如北京同拓公司等的推出的eMbiz低成本开放式控制与自动化方案套装软件，包含通用及嵌入式人机界面、符合IEC1131－3标准的软逻辑控制及Internet功能。

北京俄华通仪表技术有限公司的TRANCEMODE工控组态软件的逻辑控制（即开关量控制）部分、亚控公司的KingPLC、研华公司的基于PC的软逻辑控制器ADAM－5501/P31，均是按IEC1131－3标准设计的软件PLC，后者可在PC上用梯形图、顺序功能图和功能块图这3种IEC1131－3标准的图形语言来编程

1.4PLC的定义及特点

（1）可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置”。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

（2）PLC的特点：

a.可靠性高，抗干扰能力强；

b.配套齐全，功能完善，适用性强；

c.易学易用，深受工程技术人员欢迎；

d.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；

e.体积小，重量轻，能耗低。

第2章硬件电路的设计

2.1跑马灯电路的设计

PLC工作的时间基准是由跑马灯电路提供的。

在PLC的输出的端部，接一只电阻和一个发光二极管或接一只电阻并联两个发光二极管就构成了PLC的跑马灯电路，如图2-1所示。

图2-1跑马灯硬件电路的设计图

电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数。

电路中，电阻有分压作用，电阻值大概在13KΩ，一个及两个并联发光二极管所承受的电压在3V左右，PLC的工作电压在+24V，这样可以使跑马灯正常工作。

2.2开关电路的设计

开关是PLC的信号输入端口。

输入端的开关是来控制输出端的运行和关闭交通灯的运行，启动开关sd1,I0.0得电（“1”状态），交通灯按照设计好的程序运行，sd2闭合，I0.1断电（“0”状态）系统停止工作，如图2-2所示。

图2-2跑马灯开关电路的设计图

说明：

Sd1闭合系统得电运行，Sd2闭合系统停止运行。

第3章软件设计

3.1软件设计的方案

进行应用软件设计时可采用模块化程序设计方法，其优点是：

跑马灯控制采用PLC比传统的采用电子线路和继电器具有可靠性高、维护方便、使用简单、通用性强等特点，PLC还可以联成网络，根据需要控制城市里的各个景点的灯光配置和各道路的路灯控制，有效的减轻了人类的体力活动。

3.2PLC结构

从可编程控制器的定义可知，PLC也是一种计算机，它有着与通用计算机相类似的结构，即可编程控制器也是由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口及电源组成的。

只不过它比一般的通用计算机具有更强的工业过程相连的接口能力和更直接的适应控制要求的编程语言。

图3-1PLC的基本机构

用可编程控制器作为控制器的自动控制系统，就是工业计算机系统，它即可进行开关量的控制，也可实现模拟量的控制。

3.3工作原理

可编程控制器是一种专业的工业控制计算机，因此，其工作原理建立在计算机控制系统工作原理的基础上。

但为了可靠地应用在工业环境下，便于电气技术人员的使用和维护，它有着大量的接口器件、特定的监控软件、专用的编辑器件。

所以，不但其外观不像计算机，它的操作使用方法、编程语言及工作过程与计算机控制系统也是有区别的。

PLC的控制系统的等效工作电路分为3个部分，即输入部分、内部控制电路和输出部分。

输入部分就是采集输入信号，输出部分就是系统的执行部件，这两部分与继电器控制电路相同。

内部控制电路是通过编程方法实现的控制逻辑，用软件编程代替继电器电路的功能。

（1）输入部分

输入部分由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。

外部输入信号经PLC输入接线端子去驱动输入继电器的线圈。

每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着唯一确定的对应关系，当外部的输入元件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈“得电”。

（2）内部控制电路

所谓内部控制电路是由用户程序形成的用“软继电器”来代替硬继电器的控制逻辑。

它的作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相应的输出。

（3）输出部分

输出部分是由在PLC内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部常开点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。

PLC的内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了有为内部控制提供编程用的任意多个常开、常闭接点外，还为外部输出电路提供了一个实际的常开接点与输出接线端子相连。

综上所述，可对PLC的等效电路作进一步简化而深刻的理解，即将输入等效为一个继电器的线圈，将输出等效为继电器的一个常开接点

3.4编程语言

可编程控制器的应用软件是指用户根据自己的控制要求编写的用户程序。

由于可编程控制器的应用场合是工业现场，它的主要用户是电气技术人员，所以其编程语言与通用的计算机编程语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，又不同于汇编语言，它要满足易于编写和易于调试的要求，还要考虑现场电气技术人员的接受水平和应用习惯。

因此，可编程控制器通常使用梯形图语言，又称继电器语言，更有人称之为电工语言。

另外，为满足各种不同形式的编程需要，根据不同的编程器和支持软件，还可以采用指令语句表、逻辑功能图、顺序功能图、流程图及高级语言进行编程。

梯形图是一种图形编程语言，是面向控制过程的一种“自然语言”，它沿用继电器的触点（触点在梯形图中又常称为接点）、线圈、串并联等术语和图形符号，同时也增加了一些继电器控制系统中所没有的特殊功能符号。

梯形图语言比较形象、直观，对于熟悉继电器控制线路的电气技术人员来说，很容易被接受，且不需要学习专门的计算机知识，因此，在PLC应用中，梯形图是使用得最基本、最普遍的编程语言。

但这种编程方式只能用图形编程器直接编程。

PLC的梯形图虽然是从继电器控制线路图发展而来的，但与其又有一些本质的区别：

（1）PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、保持继电器、中间继电器等。

但是，这些继电器并不是真实的物理继电器，而是“软继电器”。

这些继电器中的每一个，都与PLC用户程序存储器中的数据存储区中的元件映像寄存器的一个具体基本单元相对应。

如果某个基本单元为“1”状态，则表示与这个基本单元相对应的那个继电器的“线圈得电”。

反之，如果某个基本单元为“0”状态，则表示与这个基本单元相对应的那个继电器的“线圈断电”。

这样，就能根据数据存储区中某个基本单元的状态是“1”还是“0”，判断与之对应的那个继电器的线圈是否“得电”。

（2）PLC梯形图中仍然保留了常开接点和常闭接点的名称，这些接点的接通或断开，取决于其线圈是否得电（这对于熟练继电器控制线路的电气技术人员来说，是最基本的概念）。

（3）PLC梯形图中的各种继电器接点的串、并联连接，实质上是将对应这些基本单元的状态依次取出来，进行“逻辑与”、“逻辑或”等逻辑运算。

而计算机对进行这些逻辑运算的次数是没有限制的，因此，可在编制程序时无限次地使用各种继电器的接点，且可根据需要采用常开（动合）或常闭（动断）的形式。

注意，在梯形图程序中，同一个继电器的线圈一般只能使用一次。

（4）在继电器控制线路图中，左、右两侧的母线为电源线，在电源线中间的各个支路上都加有电压，当某个或某些支路满足接通条件时，就会有电流流过接点和线圈。

（5）在继电器控制线路图中，各个并联电路是同时加电压并行工作的，由于实际元件动作的机械惯性，可能会发生接点竞争现象。

（6）PLC梯形图中的输出线圈只对应存储器中的输出映像区的相应位，不能用必须通过指定的输出继电器，经I/O接口上对应的输出单元（或输出端子）才能驱动现场执行机构。

d.各种信号模板SM，安装在4号～11号槽位上。

从4号槽位开始，CPU为信号模板分配I/O地址，且根据信号模板的类型递增I/O地址。

3.5S7-200的指令系统

接通延迟定时器SD，如果RLO有正跳沿，则接通延迟定时器启动，以设定的时间值启动指定的定时器。

达到设定时间后，定时器的动合触点闭合并保持，直到RLO变为0时，定时器被复位。

如果定时器运行时间（RLO为1时）少于定时器时间设定值，则当RLO由1变到0时，定时器也被复位。

3.6跑马灯的工作要求

跑马灯的走势如下：

当按下启动按钮时，L0、L1、L2、L3先亮；0.5s后，L0、L3、L4、L5亮；0.5s后，L0、L5、L6、L7亮；0.5s后L0、L1、L7、L8亮，0.5s后L0、L1、L2、L3亮，如此循环50次后自动停止；如需急停可按下停止按钮。

（1）本设计的系统配置及输入/输出继电器地址分配如下：