天塔之光毕业设计.docx

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天塔之光毕业设计

河南工业职业技术学院

HenanPolytechnicInstitute

毕业设计（论文）

题目天塔之光PLC控制

专业姓名机电一体化

学生姓名大蠢驴

指导教师周炜明

毕业时间2015

毕业设计任务书

一、设计题目：

“天塔之光”彩灯的PLC控制

二、控制要求

1．“天塔之光”彩灯示意图如下图所示。

2．设计四种不同的彩灯花样。

3．当启动开关I0.0闭合后，彩灯首先按花样1闪亮，循环3次后自动转至花样2，循环3次后自动转至花样3，循环3次后自动转至花样4，循环3次后再自动转至花样1，如此循环。

天塔之光彩灯示意图

4．启动开关断开，彩灯熄灭。

三、设计任务

1．画出四种彩灯花样示意图

2．画出PLC的I/O接线图。

3．画出梯形图

4．说明工作原理。

四、参考资料

1．黄净主编，《电器及PLC控制技术》，机械工业出版社，2002。

2．廖常初主编，《PLC编程及应用》第3版，机械工业出版社，2008。

摘要

天塔之光控制系统主要应用在闪光灯或花样灯饰中，目前我国灯具市场的发展空间十分广阔。

近年来，伴随我国人民生活水平逐年提高，城镇住宅建设以及室内装饰装修热度不减，人均住房面积的扩大，在促使一室一灯为一室多灯、增加局部照明的同时，所用灯具正逐步由低档产品向中高档产品发展，民用照明需求旺盛。

按照城市小康家庭的消费标准，客厅、饭厅、卧室、厨房、浴室都应安装不同类别的灯饰，如台灯、落地灯、壁灯、天花灯、吊灯、壁柜灯、油烟机照明灯、镜前灯、夜间照明灯等等。

从发展趋势上看，今后灯具除了其外观及内在质量要求越来越优秀、时尚、体现个性等，对其功能细化、科技含量、节能环保等方面的要求也越来越高。

作为与人们日常生活密切相关的灯饰市场需求，更是以每年15％左右的幅度增长。

今年我国灯饰市场的需求量已经预期达到6000万台左右，在国际上已经名列前茅。

1总体设计思路

本程序主要采用了S、R指令，调用子程序指令以及比较指令对彩灯进行控制。

闭合启动开关I0.0后，T37开始定时，在0—12.秒内进行花开变换（L1-L2/L3/L4/L5-L6/L7/L8/L9-全灭）并循环三次，即线圈M0.5得电，子程序1接通，执行花开程序；在12-24秒内进行花落变换（L6/L7/L8/L9-L2/L3/L4/L5-L1-全灭）并循环3次即线圈M0.6得电，子程序2接通；在24-36秒内进行顺时针变换（L1/L2/L9-L1/L5/L8-L1/L4/L7-L1/L3/L6–L1/01）

二PLC的基础知识

2.1PLC概述

2.1.1PLC的产生与发展

1．可编程控制器的名称演变

PLC是可编程控制器（ProgrammableController）的简称，是一种在继电接触器控制技术和计算机控制技术的基础上发展起来的一种新型工业自动控制装置。

早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等基本功能，主要用来取代传统的继电器控制，因此，通常将其称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）。

随着微电子技术和计算机技术的发展，微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、通信联网等功能。

但是，为了不与个人计算机（PersonalComputer）的简称PC相混淆，常常还将可编程控制器简称为PLC。

2．PLC产生的背景

①继电器控制系统的特点

优点：

简单易懂，操作方便，价格便宜，容易掌握。

缺点：

设备体积大，耗电多，开关动作慢，功能较少，接线复杂，触点易损坏，寿命短，改接麻烦，可靠性差，灵活性差。

②计算机控制系统的特点

优点：

功能完善，灵活性强，通用性好。

缺点：

计算机技术复杂，编程很不方便，价格十分昂贵，抗干扰能力差。

3．GM10条

1968年，美国通用汽车公司（GM公司）为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制指标要求，即10项招标技术指标。

其主要内容如下：

①编程简单，可在现场修改程序；

②维护方便，最好是插件式；

③可靠性高于继电器控制柜；

④体积小于继电器控制柜；

⑤可将数据直接送入管理计算机；

⑥在成本上可与继电器控制柜竞争；

⑦输入可以是交流115V；

⑧输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀；

⑨在扩展时，原系统只需很小变更；

⑩用户程序至少能扩展到4K。

4．PLC的诞生

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，型号为PDP-14，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。

5．PLC的发展

第一代：

从第一台可编程控制器诞生到70年代初期。

其特点是：

CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器；

第二代：

70年代初期到70年代末期。

其特点是：

CPU采用微处理器，存储器采用EPROM；

第三代：

70年代末期到80年代中期。

其特点是：

CPU采用8位和16位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等；

第四代：

80年代中期到90年代中期。

PC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到1us/步；

第五代：

90年代中期至今。

PC使用16位和32位的微处理器芯片，有的已使用RISC芯片。

6．PLC的地位

现代的PLC已成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和CAD／CAM）之一。

7．我国PLC的发展

1974年我国开始仿制美国的第二代PLC产品，但因元器件质量和技术问题等原因未能推广。

直到1977年，我国才研制出第一台具有实用价值的PLC，并开始批量生产和应用于工业过程的控制。

由于使用单片1位处理器，因此，应用的规模较小，主要的控制方式是开关量控制。

随着我国改革开放政策的贯彻和落实，从1982年开始，先后有天津、厦门、无锡、大连、上海、北京等地的仪表厂、无线电厂和研究所等单位与美国、德国、日本等PLC的制造企业进行了合资或引进技术、生产流水线等，使我国PLC的应用有了较大的发展。

2.1.2PLC的特点

1．编程方法简单易学

考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯和应用微机的实际水平，PLC配备有他们最容易接受和掌握的梯形图语言。

梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图非常接近。

而且某些仅有开关量逻辑控制功能的PLC只有十几条指令。

通过阅读PLC的使用手册或短期培训，电气技术人员或技术工人只要几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

2．硬件配套齐全，用户使用方便

PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。

用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和外部接线。

PLC的安装接线也很方便。

3．通用性强，适应性强

PLC的生产具有系列化和模块化特点，硬件配置相当灵活，可以很方便地组成能满足各种控制要求的控制系统。

组成系统后，如果工艺变化，可以通过修改用户程序，方便快速地适应变化。

4．可靠性高，抗干扰能力强

绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。

PLC的平均无故障间隔时间高，如日本三菱公司的F1、F2系列PLC的平均无故障间隔时间长达30万小时，这是一般微机所不能比拟的。

5．系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序很容易掌握，设计和调试梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少得多。

6．维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的指示灯或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因。

用更换模块的方法可以迅速地排除PLC的故障。

7．体积小，能耗低

以F1-40M型PLC为例，其外形尺寸为305×ll0×110mm，功耗小于25VA。

由于体积小，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。

2.1.3PLC的应用领域

1．开关量逻辑控制

2．运动控制

3．闭环过程控制

4．数据处理

5．通信联网

2.1.4PLC的常用编程语言

1．梯形图

梯形图是一种图形语言，是目前PLC应用最广、最受电气技术人员欢迎的一种编程语言。

在梯形图中仍沿用了继电器、线圈、常闭触点、常开触点、串并联等术语和图形符号，并增加了一些继电接触器控制中没有的符号，因此梯形图与继电接触器控制原理图相似，具有形象、直观、易懂等特点，如图2-1所示。

图2-1梯形图与语句表图2-2功能块图

2．语句表

语句表语言，就是用表示PLC各种功能的助记符和相应的器件编号组成的程序表达方式。

例如LDI0.1。

像这样的每句助记符编程语言就是一条指令或程序。

助记符语言比微机中使用的汇编语言直观易懂，编程简单。

但不同厂家制造的PLC所使用的助记符和器件编号不尽相同，所以对于同一个梯形图来说，写成对应的语句表也不尽相同。

3．功能块图

这种编程方法基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑图来表达，常用“与”门、“或”门、“非”门等符号，图的左边画输入，右边画输出，如图2-2所示。

4．顺序功能图（又称状态转换图）

它将一个完整的控制过程分成若干步，各步具有不同动作，各步之间的转换有一定的条件，条件满足则上一步结束而下一步开始。

它的作用是表达一个完整的顺序控制过程。

5．结构文本（高级编程语言）

随着软件技术的发展，近年来为了增加PLC的运算功能和数据处理能力，完成比较复杂的控制，在许多大型PLC中已采用高级语言来编程，如BASIC语言、C语言等。

2.1.5PLC的流派

1．美国流派

据不完全统计，现在世界上生产PLC及其网络的厂家有200多家，生产大约有400多个品种的PLC产品。

其中美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。

2．日本流派

日本有60~70家PLC厂商，也生产200多个品种的PLC产品；日本的小型PLC最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。

在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。

日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。

3．欧洲流派

德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。

德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。

在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。

西门子PLC主要产品是S5、S7系列。

S7系列是在S5系列PLC基础上近年推出的新产品，其性能价格比高，其中S7-200系列属于微型PLC、S7-300系列属于于中小型PLC、S7-400系列属于于中高性能的大型PLC。

2.2PLC的结构和工作原理

2.2.1PLC的基本结构

图2-3PLC结构示意图

PLC实际上是一种工业控制计算机。

它的硬件结构与一般微机相似，主要由主机、I/O扩展机、外围设备三部分组成，如图2-3所示。

1．主机

主机由CPU（微处理器）、存储器、输入／输出单元、电源等部分组成。

CPU是PLC的核心，其作用类似于人的大脑。

它能够识别用户按特定格式输入的指令，并按照指令完成预定的控制任务。

另外，它还能识别用户所输入的指令序列的格式和语法错误，还具有系统测试与诊断功能。

PLC的存储器有两种：

系统程序存储器和用户程序存储器。

系统程序存储器主要用于存放系统正常工作所必须的程序，如系统诊断程序、键盘输入处理程序、指令解释程序、监控程序等。

这些程序与用户无直接关系，已由厂家直接固化进EPROM中，不能由用户直接存取、修改。

用户程序存储器主要存放用户程序（用户利用PLC的编程语言按不同控制要求所编制的控制程序或数据，这相当于设计继电器控制系统硬接线的控制电路图），可修改。

输入输出（I／O）单元是PLC与输入控制信号和被控制设备连接起来的部件，输入单元接收从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成CPU能接收和处理的数字信号。

输出单元接收经过CPU处理过的输出数字信号，并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。

根据输入信号形式的不同，可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。

电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。

外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（直流5伏、±12伏、24伏），并为外部输入元件（如接近开关、）提供24V直流电源（仅供输入端点使用），而驱动PLC负载的电源由用户提供。

电源组件内还装有备用锂电池，以保证在断电时保存必要的信息。

PLC还有各种外设接口电路，用于连接编程器或其他图形编程器、文本显示器、触摸屏、变频器等并能通过外设接口组成PLC的控制网络。

PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。

2．I/O扩展机

每种PLC都有与主机相配的扩展模块，用来扩展输入、输出点数，以便根据控制要求灵活组合系统。

PLC扩展模块内不设CPU，仅对I/O通道进行扩展，不能脱离主机独立实现系统的控制要求。

3．外部设备

外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、图形监控系统等。

其中编程器是PLC必不可少的重要外围设备，由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成，主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视PLC的工作状态。

编程器有简易型和智能型两类。

简易型编程器只能联机编程，且需将梯形图转化为助记符后才能送入。

智能型编程器又称图形编程器，它既可联机编程，又可脱机编程，具有图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话，但价格较贵。

现在也可在计算机上填加适当的硬件接口，利用生产厂家提供的编程软件包就可将计算机作为编程器使用，而且还可以在计算机上模拟调试。

PLC与打印机相连可将过程信息，系统参数等输出打印。

当与监视器相连时可将控制过程图象显示出来。

当PLC与PLC相连时，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。

当PLC与计算机相连时，可组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。

2.2.2PLC的工作原理

1．PLC的等效电路

PLC的工作酷似一个继电器系统，其等效电路可分为三部分：

输入部分、内部控制电路和输出部分，如图2-4所示。

图2-4PLC的等效电路

①输入部分----这部分的作用是收集被控设备的信息或操作命令。

输入端子外接行程开关、按钮等的触头，内连输入继电器线圈。

输入继电器由外部信号通过输入端子驱动，可提供无限多对常开、常闭的软触点供内部使用。

②内部控制电路----由用户根据控制要求编制的程序所组成，其作用是按用户程序的控制要求对输入信号进行运算处理，判断哪些信号需要输出，并将得到的结果输出给负载。

③输出部分----这部分的作用是驱动外部负载，所以输出端子是PLC向外部负载输出信号的端子，其内连输出继电器（Q）的一对常开触点。

输出继电器除提供一对常开触点驱动负载以外，还可以提供无数对常开、常闭触点供内部使用。

2．PLC的周期工作方式

PLC是通过一种周期工作方式来完成控制的，每个周期包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

①输入采样阶段----PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的状态读入到输入状态寄存器中存储，这一过程称为采样。

在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，而且将在PLC执行程序时被使用。

②程序执行阶段----PLC按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入状态寄存器和输出状态寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入输出状态寄存器中保存。

但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。

③输出刷新阶段----在所有用户程序执行完毕后，PLC将输出映像寄存器中的内容送入输出锁存器中，通过一定的方式输出，驱动外部负载。

PLC重复执行输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。

PLC的一个扫描周期一般为40～100ms之间。

2.2.3PLC的分类

1．按结构形式分：

整体式：

将电源、CPU、I/O部件都集中在一个机箱内。

模块式：

将PLC各部分分成若干个单独的模块。

2．按I/O点数分：

小型PLC：

I/O点数在256点以下，其中小于64为超小型或微型PLC。

中型PLC：

I/O点数在256~2048点之间。

大型PLC：

I/O点数在2048点以上，其中超过8192点为超大型PLC。

3．按功能分：

低档机：

具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能。

中档机：

比低档机多了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送比较等功能。

高档机：

比中档机多了矩阵运算等特殊功能函数运算、通信联网等功能。

2.2.4PLC的主要技术指标

1．I/O点数

可编程控制器的I/O点数指外部输入、输出端子数量的总和。

它是描述的PLC大小的重要参数。

2．存储容量

在PLC中，用户程序的存储容量有的是用编程的步数来表示，每编一条语句为一步；有的是以字为单位来计算，8位二进制数为一个字节，每1024个字节为1KB。

目前大型PLC的存储容量是几百KB，最高可达几MB。

为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。

3．扫描速度

PLC采用循环扫描方式工作，完成1次扫描所需的时间叫做扫描周期。

影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。

目前大中型PLC的扫描速度可达0．2ms／KB左右。

4.指令系统

指令系统是指PLC所有指令的总和。

一般来讲，指令的种类和数量越多，功能就越强，因而指令多少是衡量PLC能力强弱的指标，决定了PLC的处理能力和控制能力。

5.通信功能

通信有PLC之间的通信和PLC与其他设备之间的通信。

通信主要涉及通信模块，通信接口，通信协议和通信指令等内容。

PLC的组网和通信能力也已成为PLC产品水平的重要衡量指标之一。

三硬件设计

3.1S7-200系列PLC基本知识

3.1.1S7-200系列PLC概述

西门子S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列和CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号，其主要技术规范如表2-1所示。

3.1.2扩展模块

扩展单元没有CPU，作为基本单元输入/输出点数的扩充，只能与基本单元连接使用，不能单独使用。

连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连

S7-200的扩展模块包括数字量扩展模块，模拟量扩展模块，热电偶、热电阻扩展模块，通信模块，称重模块，位置控制模块等。

数字量、模拟量扩展模块分别如表2-2、表2-3所示。

表3-1S7-200CPU主要技术规范

类型

型号

各组输入点数

各组输出点数

输入扩展模块

EM221

EM22124VDC输入

4，4

——

EM221230VAC输入

8点相互独立

——

输出扩展模块

EM222

EM22224VDC输出

——

4，4

EM222继电器输出

——

4，4

EM222230VAC

双向晶闸管输出

——

8点相互独立

输入/输出

扩展模块

EM223

EM22324VDC输入

继电器输出

4

4

EM22324VDC输入

24VDC输出

4，4

4，4

EM22324VDC输入

24VDC输出

8，8

4，4，8

EM22324VDC输入

继电器输出

8，8

4，4，4，4

表3-2数字量扩展模块

表3-3模拟量扩展模块

型号

点数

EM231

4路模拟量输入

EM232

2路模拟量输出

EM235

4路模拟量输入，1路模拟量输出

3.1.3S7-200的编程元件

1.输入过程映像寄存器（输入继电器）I

编号范围：

I0.0--I15.7

功能：

专门用来接收从外部开关发来的信号。

几点说明：

①只能由外部信号所驱动，不能在内部由程序指令来驱动。

②梯形图中只能出现输入继电器的触点，而不能出现输入继电器的线圈。

③可提供无数对常开、常闭触点供内部使用。

2.输出映像寄存器（输出继电器）Q

编号范围：

Q0.0--Q15.7

功能：

专门用来将输出信号传送给外部负载。

几点说明：

①一个输出继电器仅有一对常开触点供外部使用。

②可提供无数对常开、常闭触点供内部使用。

③输出继电器线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动。

3.定时器T

定时器的分类

按分辨率来分，有1ms、10ms、100ms三种定时器。

按工作方式来分，有通电延时定时器（TON）、断电延时型定时器（TOF）和保持型通电延时定时器（TONR）三种。

定时时间：

定时时间=预置值×时基

4.位存储器（中间继电器）M

位存储器用来保存中间操作状态和控制信息，其作用相当于继电器控制电路中的中间继电器。

地址编号范围为M0.0--M31.7共256点。

位存储器在PLC中没有输入/输出端与之对应，其线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动，其触点不能直接驱动外部负载，只能在程序内部驱动输出继电器的线圈，再用输出继电器的触点去驱动外部负载。

5.计数器C

计数器的功能：

用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数。

计数器的编号：

C0--C255。

计数器的分类：

①加计数器②减计数器③加/减计数器

6．累加器AC

累加器是用来暂存数据的寄存器，它可以用来存放运算数据、中间数据和结果。

CPU提供了4个32位的累加器，其地址编号为AC0--AC3。

累加器的可用长度为32位，可采用字节、字、双字的存取方式，按字节、字只能存取累加器的低8位或低16位，双字可以存取累加器全部的32位。

7.几个常用的特殊存储器SM

SM0.0：

运行监视继电器

当PLC运行时，SM0.0自动处于接通状态，当PLC停止运行时，SM0.0处于断开状态。

SM0.1:

初始化脉冲（开机脉冲）。

SM0.4:

周期为1分钟占空比为50%的时钟脉冲。

SM0.5:

周期为1秒钟占空比为50%的时钟脉冲。

8．顺序控制继电器S

顺序控制继电器是专门用于编制顺序控制程序的，通常与顺序控制继电器指令一起使用以实现顺序功能图的编程。

顺序控制继电器的地址编号范围为S0.0--S31.7。

3.1.4S7-200的数据长度和编址方式

1.S7-200的数据长度

S7-200的数据可以按位、字节、字和双字存取。

其中1个二进制数为1位，8个相连的二进制位为1个字节（B），2个字节组成1个字（W），2个字组