自动化毕业论文基于PLC的彩灯控制系统.docx
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自动化毕业论文基于PLC的彩灯控制系统
安徽电气工程职业技术学院
毕
业
设
计
（论文）
（基于PLC的彩灯控制系统的设计）
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摘要
彩灯在我们的日常生活中是随处可见的，彩灯控制能够达到的渲染效果是通过控制全部或者部份彩灯的亮和灭、闪烁的频率、灯的亮度及灯光流的方向来实现的。
在本次设计中采用西门子公司S7-200系列PLC来进行控制。
本次设计对彩灯的要求是变换类负载其控制对象设定为“国庆快乐”字形，且均匀分布在彩灯的中央部位、由红、黄、蓝三色灯箱组成，三色灯箱按照一定的控制闪烁；流水类负载是在灯箱的周围有32盏颜色不同的流水灯组循环闪烁。
根据设计要求，首先进行了硬件系统的设计，选用的是S7-200的cpu226，它的24点输入/16点输出可以满足本次设计的需求，并画出了输入和输出接线图。
在软件方面，根据设计的思想进行了实现系统功能的梯形图的设计，指令采用的是减计数器指令和移位寄存器指令，并利用S7-200的STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。
它可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控，且编程方便，快捷，利用PLC/PPI电缆将计算机与PLC相连接来验证程序，在PLC上可以清楚的看到控制效果，从来证明了本次设计的成功。
关键词：
彩灯控制；S7-200；PLC;STEP7-Micro/WIN32
摘要……………………………………………………………………
第一章绪论
1．1PLC的背景………………………………………………………
1．2设计的主要内容…………………………………………
第二章PLC概述
2．1PLC的主要功能和特点……………………………………………………
2．1．1PLC的主要功能…………………………
2．1．2PLC的特点………………………………
第三章PLC的结构与工作原理
3．1PLC的结构………………………
3．2PLC的工作原理………………………
3．3PLC的编程语言………………………
第四章基于PLC的彩灯控制系统的设计
4．1工作原理与要求………………………
4．2工艺过程………………………
4．3硬件设计………………………
4.3.1S7-200系列PLC性能简介………………………
4.3.2编程元件地址分配………………………
4．4软件设计………………………
4.4.1设计思想………………………
4.4.2梯形图设计………………………
4.4.3STEP-7-Micro/Win编程软件………………………
4.4.4程序的编写与下载………………………
4.4.5程序的验证………………………
致谢…………………………………………………………………
参考文献……………………………………………………………
第一章绪论
1.1PLC的背景
随着科学技术的发展，电气控制技术在各领域中得到了越来越广泛的应用。
可编程序控制器（PLC）的应用使电气控制技术发生了根本的变化。
PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，半导体技术，自动控制技术，数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。
PLC以其可靠性高，灵活性强，使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域。
从运动控制到过程控制，从单机自动化到生产线自动化乃至工厂自动化，从工业机器人，数控设备到柔性制造系统，从几中控制系统到大型集散控制系统，PLC均充当着重要角色，并展现出了强劲的态势。
身为生产过程自动化专业的学生，PLC更是重中之重。
1.2设计的主要内容
本次设计是运用PLC来实现对彩灯系统的控制，设计的彩灯系统具有结构简单，变换形式多样，价格低等有点。
西门子公司的PLC是现在市面上利用率较高的PLC。
它指令丰富，功能强大，可靠性高，适应性好，便于扩展，性价比高，符合要求。
因此，本设计中选用西门子公司的SIMATICS7-200小型PLC来进行控制。
在硬件设计中选择了CPU226，设计除了系统输入和输出的接线图。
根据所要实现的功能，画出了系统功能的梯形图。
S7-200的PLC本身自带STEP-7-Micro/WIN编程软件为编程及调试带来相当大的方便。
第二章PLC概述
2.1PLC的主要功能和特点
2.1.1PLC的主要功能
1.开关量逻辑控制
可实现各种简单和复杂的逻辑控制，常用于取代畅通的继电器控制系统。
2.模拟量控制
PLC中配置了A/D和D/A转换模块，把现场输入模拟量经A/D转换后送CPU处理。
而CPU处理的数字量结果，经D/A转换后，转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。
3.闭环过程控制
配置PID控制模块，对控制过程中某一变量进行PID控制。
、
4.定时控制
为用户提供了若干个定时器。
可以由用户在编写用户程序时设定，也可以用键盘开关外部设定，实现定时或延时的控制。
5.计数控制
为用户提供了若干个计数器。
可以由用户在编写用户程序时设定，也可以用键盘开关外部设定，实现计数控制。
6.顺序（步进）控制
在工业控制中，选用PLC实现顺序（步进）控制，可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言-顺序功能图进行设计。
可以用移位寄存器和顺控指令编写程序。
7.数据处理
不仅能进行数字运算和数据传送，而且还能进行数据比较，数据转换，数据显示，打印以及数据通信等。
8.通信和联网
可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC,PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，实现工厂自动化。
PLC还可与其他只能控制设备实现通信。
PLC与变频器组成联合控制系统，可提高控制交流电动机的自动化水平。
2.1.2PLC的特点
1.高可靠性
（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构成余系统或由CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。
2.丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场鑫昊如交流或直流，开关量或模拟量，电压或电流，脉冲或点位，强电或弱点等由相应的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，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。
3.采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构，PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4.编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制显露的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5。
安装简单维修方便
PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障提示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
忧郁采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。
第三章PLC的结构与工作原理
3.1PLC的结构
PLC实质上是一种工业控制计算机，比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的结构，以及更直接的适应于控制要求的编程语言。
从硬件结构看，它也有中央处理器（CPU）模块，输入/输出（I/O）模块，电源等组成，可编程序控制器的基本组成如下图3.1所示：
1．CPU模块
在可编程序控制器控制系统中,CPU模块相当于人的大脑，他不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。
2．存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统程序相当于个人计算机的操作系统，它使可编程序控制器具有基本的智能，能够完成可编程序控制器设计者规定的各种工作。
系统程序由生产厂家设计并固化在ROM中，用户不能读取。
用户程序由用户设计，它使可编程序控制器完成用户要求的特定功能。
存储器的容量以字为单位。
可编程序控制器使用以下集中物理存储器：
（1）随机存取存储器（RAM）
RAM中一般存放用户程序和系统参数。
当PLC处于编程工作方式时，用编程器或编程软件下载程序到PLC的RAM中，在切换到运行方式后，CPU从RAM中取指令并执行。
用户程序执行过程中产生的中间结果也在RAM中暂时存放。
（2）只读存储器
可以用来存放系统程序，PLC去电后再加电，系统程序内容不变且重新执行。
只读存储器也可用来固话用户程序和一些重要参数，以免因偶然操作失误而造成程序和数据的破坏或丢失。
3．输入/输出接口
（1）输入接口：
光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二级管：
在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三级管：
在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。
在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程：
当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。
当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。
向内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
（2）输出接口
PLC的继电器输出接口电路
工作过程：
当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。
当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。
也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。
4.电源
PLC电源的输入电压有直流12V，24V，48V和交流110V，220V，使用时间可根据需要进行选择。
电源模块的输出一般为直流5V和24V，它们向PLC的CPU，存储器等提供工作电源。
5.通信接口
一般PLC的CPU模块上至少有一个RS-232通信口活着是RS-485通信口。
PLC通过这些通信接口可以与监视器，打印机，其他的PLC或计算机相连。
PLC上还有通信模块，通过这些模块，PLC可以组成网络或下拉，上位的分散控制系统。
6．编程器
编程器是PLC常用的外部设备，它的作用是供用户进行程序的编制，编辑，调试和监视。
用户通过编程器编写控制程序，并通过通信单元将程序装入PLC。
编程器还可以监控PLC的运行。
3.2PLC的工作原理
PLC有两种工作方式，即RUN（运行）方式或STOP（停止）方式。
在RUN方式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
在CPU模块的面板上用“RUN”LED显示当前的工作方式。
在STOP方式，CPU不执行用户程序，可编程软件创建和编辑用户程序，实现PLC的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到PLC中。
如果有致命错误，在消除它之前不允许从停止方式进入运行方式。
可编程序控制器操作系统存储非致命错误供用户检查，但不会从运行方式自动进入停止方式。
3.3PLC的编程语言
根据系统配置和控制要求编制用户程序，是PLC应用于工业控制的一个重要环节。
通常PLC不采用微机的编程语言，PLC的系统软件为用户创立了一套易学易懂、应用简便的编程语言。
现代PLC常用的编程语言有以下几种：
1.梯形图编程语言
是目前应用最广、最受电气技术人员欢迎的一种编程语言。
2.指令表编程语言
它是一种类似汇编语言，但更简单的编程语言。
3.顺序功能图编程语言
简称编程语言，顺序功能图又称功能表图或状态转移图
4.级式编程语言
它是类似功能图的图形编程语言。
5.逻辑图编程语言
它是一种图形编程语言，采用逻辑电路规定的“与”、“或”、“非”等逻辑符号，依控制顺序组合而成。
6.高级编程语言
随着软件技术的发展，许多中、大型PLC采用如类似BASIC、FORTRAN、C语言等高级语言的PLC专用编程语言。
第四章基于PLC的彩灯控制系统的具体设计
4.1工作原理与要求
利用PLC实现对彩灯的控制，使彩灯系统结构简单，变换形式多样，可用较低的造价达到较好的效果。
本次设计的彩灯变换分为三种：
常亮类负载、变换类负载及流水类负载。
常亮类负载是指彩灯中用来照明或起衬托作用的负载，其特点是只要彩灯投入工作，则这类负载长期接通。
变换类负载是指某些在整个工作过程中定时进行花样变换的负载，如字形变换，色彩的变换或位置的变换之类。
其特点是定时通断，但频率不高。
流水类负载则指变换速度快，其特点虽然也是定时通断，但频率较高。
对于常亮类负载，其控制十分简单，只需一次接通。
而对于变换类及流水类负载的控制，事迹只有在不同的时间段中通断对应之路，便可实现花样的变换。
这次我设计对彩灯的要求是变换类负载其控制对象设定为“电气工程学院”字样，且均匀分布在彩灯的中央部位，由红黄蓝三色灯箱组成，三色灯箱按照一定的控制闪烁。
流水类负载是在它们的周围由32盏不同颜色的流水灯组循环闪烁。
4.2工艺过程。
1.变换类负载
点亮顺序如下：
前六秒按下表所示顺序点亮，全亮5秒：
然后按倒序熄灭，全灭2秒，如下图所示：
按下表顺序点亮，全亮5秒：
按倒序熄灭，全灭2秒如下表所示，后从表4.1循环亮起。
2.流水类负载
在八个灯箱的周围有8组32只颜色为赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白依次排开的流水灯。
系统启动后，按照1—8的顺序，间隔1s一次点亮并循环。
24s后，按照从8—1的顺序，依次点亮并进行循环。
再按照1—8的顺序循环往复，直至系统停止工作。
3.系统用启动按钮和停止按钮操作。
4.各个彩灯的工作电压均为220v.
彩灯系统效果图如下：
4.3硬件设计
4.3.1S7-200系列PLC性能简介
西门子公司的SIMATICS7-200系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。
S7-200的可靠性高。
内置有高速计算器，告诉输出，PID控制器，RS-485通信/编程接口，PPI通信协议，MPI通信协议和自由方式通信功能，I/O端子排可以很容易地拆卸。
最大可扩展到248点数字量I/O，最多有26KB程序和数据存储空间。
4.3.2编程元件地址分配
1.输入/输出继电器地址分配
输入/输出继电器地址分配如表4.6所示：
2.其他编程元件地址分配
其他编程元件地址分配如表4.7所示：
4.4软件设计
4.4.1设计思想
在设计中，可以采用顺序控制继电器SCR，通过步进指令编程，但是需要使用大量的定时器。
这里根据彩灯循环点亮的特点，采用移位寄存器指令编程，是非常方便的。
这样，彩灯点亮循环顺序的改变，通过移位寄存器的左移或右移就可以实现。
8组流水灯，每组流水灯可能有多盏灯，因为PLC的带负载能力有限，考虑通过接触器的触点来接通各组流水灯。
4.4.2梯形图设计
根据上述设计的要求，彩灯控制梯形图如图4.4所示：
图4.4彩灯控制梯形图
4.4.3STEP7-Micro/WIN编程软件
STEP7-Micro/WIN是专门为S7-200设计的在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便。
CPU通过PC/PPI电缆或插在计算机中的CP5511的通信卡与计算机通信。
通过PC/PPI电缆，可以在Windows系统实现多主站通信方式。
4.4.4程序的编写与下载
1、双击STEP7--Micro/WIN的快捷方式，启动程序。
2、从文件菜单中点击新建命令，输入程序，并保存为“彩灯控制系统.MWP”的项目文件。
3、在菜单下选择<编译>，检查程序语法正确与否，直至0错误。
4、点击<文件>菜单下<下载>。
（在做这步工作之前，请先用编程电缆将电脑的串口和PLC主机的通讯口1连接起来，并打开设备电源。
），将程序下载至PLC主机内的存储器中。
程序只有在编译正确后才能下载到计算机中。
下载前，PLC必须处于“STOP”状态。
如果不在STOP状态，可单击工具条中“停止（STOP）”按钮，或选择“PLC”菜单中的“停止（STOP）”命令。
为了使下载的程序能正确执行，下载前应将PLC中存储的原程序清楚。
单击“PLC”菜单项中的“清除（Clear）”命令，在出现的对话框中选择“清除全部（ClearAll）”即可。
5、监控：
可使用“工具（Tools）”菜单中的“选项（Options）”命令打开选项对话框，选择“LAD状态（LADstatus）”项，然后再选择一种梯形图样式，在打开梯形图窗口后，单机工具条中“程序状态（Programstatus）”按钮。
4.4.5程序的验证
在PLC硬件上有输出指示灯，可以清楚的看出所有输出是按预先设置闪烁。
由此可以清楚的验证所编程序的正确性。
致谢
参考文献
【1】廖常初。
可编程序控制器应用技术[M].重庆大学出版社
【2】程蓓。
PLC实验指导书
【3】张万忠，刘明芹。
[M].化学工业出版社
【4】王伟。
可编程序控制器的使用和维护[M].化学工业出版社
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