彩灯广告屏PLC控制器S7200PLC1.docx
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彩灯广告屏PLC控制器S7200PLC1
一、绪论
（一）任务
随着我国经济建设的快速发展，国内各地城镇景观照明也发生了变化，霓虹灯产业发展迅速，据不完全统计，全国霓虹灯企业已逾几千家，年总产值超过30亿元人民币，出口创汇方面也有不错的业绩。
中国社会主义市场经济的不断繁荣和发展，西部大开发、振兴东北经济、长三角、珠三角东西互动、各地旅游、商贸、餐饮及文化娱乐事业日益繁荣，越来越多的城市已将亮化、美化工程列入城市建设发展规划，霓虹灯已成为不可缺少的夜间文化，夜间霓虹灯广告也成为不可缺少的媒体，霓虹灯行业迎来一个新的发展机遇。
各企业为宣传自己企业的形象和产品,树立自己的特色品牌，增强自己在社会的影响力和扩大市场的占有率。
这些灯的亮灭，闪烁时间及流动方向等均可以通过PLC来达到控制的要求。
21世纪的今天中国霓虹灯企业不断地走进国际舞台，产品远销欧美等国际市场，在国际这个大舞台上扮演着越来越重要的角色。
（二）方案对比与选择
1.用单片机实现该方案时有以下缺点和不足：
首先，单片机实现该方案所需要的外围电路多，工作量相当于PLC较大；
其次，它的可靠性以及抗干扰性也显然不如PLC；
再次，它的中断优先级不明确，相对于PLC而言用起来较复杂；
最后，它的配套设施和功能没有可编程控制器PLC完善。
2.用可编程控制器PLC优势是很明显的
（1）可靠性高，抗干扰能力强：
（2）配套齐全，功能完善，适用性强；
（3）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；
（4）体积小，重量轻，能耗低。
综上所述，我选择用PLC控制器制作彩灯广告屏。
（三）PLC简介
1.PLC的产生
20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家熟悉的传统的继电器控制系统。
由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，能满足大部分场合电气顺序逻辑控制的要求，因而在工业控制领域中一直占据主导地位。
但是继电接触器控制系统具有明显的缺点：
设备体积大、可靠性差、动作速度慢、功能弱。
难于实现较复杂的控制；特别是由于它是靠硬连接线逻辑构成的系统，接线复杂烦琐，当生产工艺或对需要改变时，原有的接线和控制柜就要更换，所以通用性和灵活性较差。
到20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求；但由于价格高，输入、输出电路信号及容量不匹配、编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）对新的汽车流水线控制系统提出的具体要求，研制开发出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上应用成功。
这是世界上第一台可编程序控制器，型号为PDP-14。
人们把它称做可编程序控制器（PLC，ProgrammableLogicController）,简称PLC。
随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们将微机技术应用到PLC中，使得它更多地发挥计算机的功能，不仅用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业控制设备。
2.PLC的定义
PLC一直在飞速发展中，因此到现在为止，还未能对其下一个十分确切的定义。
国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁发了可编程序控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。
终稿中对可编程控制器的定义是：
“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或生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。
3.PLC的应用
初期的PLC主要在以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但在20世纪90年代后，PLC也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总线控制系统，PLC更是其中的主角，起应用面越来越广。
PLC被广泛使用，起主要原因是：
（1）价格越来越低由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的本下降；
（2）功能越来越强随着计算机、芯片、软件、控制等技术的飞速发展也使得PLC的功能大大增强。
它不仅能更好地完成原来得心应手的顺序逻辑控制任务，也能处理大量的模拟量，解决复杂的计算和通信联网问。
（3）与时俱进的发展在当前最热的现场总线控制系统中，主站和几乎都有PLC的身影，PLC的通信技术又往前发展了一大步。
现在开放式、标准化的PLC也已走到前台，为适应现在和未来自动化技术的发展要求做好了准备。
目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车、粮食加工、化学/制药、金属/矿山、纸浆/造纸等行业。
PLC的主要应用范围通常可分成以下几种：
a.中小型单机电气控制系统：
这是PLC应用最广泛的领域，例如塑料机械、印刷机械、包装机械、组合机车、磨床、电镀流水线及电梯控制等。
这些设备对控制系统的要求大都属于逻辑顺序控制，所以这也是最适合PLC的使用领域。
在这里PLC用来取代传统的继电器顺序控制，应用于单机控制、多机群控等。
b.制造业自动化：
制造业是典型的工业类型之一，在该领域主要对物体进行品质处理、形状加工、组装，以位置、形状、力、速度等机械量和逻辑控制为主。
由于PLC性能的提高和通信功能的增强，使得它在制造业领域中的大型控制系统中也占绝对主导的地位
c.运动控制：
为适应高精度的位置控制，现在的PLC制造商为用户提供了功能完善的运动控制功能。
现在工业自动化领域基于PLC的运动控制系统和其他的控制手段相比，功能更强、装置体积更小、价格更低、速度更快、操作更方便。
d.流程工业自动化：
流程工业是工业类型中的重要分支，如电力、石油、化工、造纸等，其特点是对物体（气体、液体为主）进行连续加工。
过程控制系统中以压力、流量、温度、物位等参数进行自动调节为主，大部分场合还有防爆要求。
4.PLC的系统组成
（1）.PLC的结构
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
PLC的硬件系统结构如下图所示：
图1PLC的硬件系统结构图
（2）PLC的各组成元素的构成及功能
a、CPU的构成及功能------CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
b、I/O模块------PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O种类有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等。
c、内存---------内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
不同机型的PLC期内存大小也不尽相同，除主机单元的已有的内存区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。
d、电源模块-------PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
e、底板或机架-------大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
f、PLC系统的其它设备------i）编程设备：
编程器是PLC开发应用、
监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编写程序、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
某些PLC也配有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
ii）人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面也非常普及。
iii）输入输出设备：
用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
g、PLC的通信联网--------依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。
对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。
首先,网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议和机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。
5.PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，
CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或
地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
6.PLC的特点
现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。
PLC专为工业控制应用而设计，一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。
其主要特点有：
（1）抗干扰能力强，可靠性高
在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数
字滤波等抗干扰和故障诊断措施，采用信息保护和恢复技术，实时报警和运行信息显示等。
所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。
PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器来完成，所以PLC控制系统的可靠性大大提高。
（2）控制系统结构简单，通用性强
PLC及扩展模块的品种多，可灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。
PLC控制系统实质性的好处是当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，只需要对程序进行简单的修改，对硬件部分稍作改动即可，所以说PLC控制系统的通用性强。
（3）编程方便，易于使用
PLC是面向底层用户的智能控制器，其编程语言采用了和传统控制系统中电气原理类似的梯形图语言，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识语言，只要具有一定的电气和工艺知识的人员都可以在短时间学会。
（4）功能强大，成本低
现在PLC几乎能满足所有的工业控制领域的需要。
在今天的现场总线控
制系统中，PLC也发挥着重要作用。
PLC控制系统不需要进行专门的抗干扰设计，所以和其他控制系统相比，其成本较低，而且这种趋势还将持续下去。
（5）设计、施工、调试的周期短
PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业变成语言，且都具有强制和防真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。
（6）维护方便
PLC的输入/输出端子能够直观的反映现场信号的变化状态，通过编程工具可以直观地观察控制程序和控制系统的运行状态，极大地方便了维护人员查找故障，缩短了对系统的维护时间。
二、总体设计
我们将舞台彩灯分为两个部分：
首先设计八组彩灯的位置；在去实现八组彩灯的花色设计；最后综合各种花色就实现了整个设计
在设计中我们主要控制对象是彩灯组,首先我们先按下启动按钮，然后开始选择花色从四种花色中任选其一。
再切换花色时，先按下花色停止按钮，然后选择新的花色进行运行。
在花色运行结束后，按下停止按钮。
花色设计
1.花色一：
花色一是针对舞台上演员马上就要登台而专门设计的，以灯光闪烁的形式把观众的眼光放到演员入口处。
首先如图所示，第一排和第五排灯泡先亮，亮完之后熄灭，0.6秒之后第二排和第六排灯泡亮，，亮完之后熄灭;在0.6秒之后，第三排和第七排灯泡亮，亮完之后熄灭;最后，再经0.6秒后，第四排和第八排灯泡亮,，亮完之后熄灭.再经0.6秒之后，第一排第五排亮，就这样一直循环下去。
直至花色要求结束。
2.花色二：
花色二是针对演员将要出场的一刹那而设计的。
演员出场时灯只在入口闪烁来吸引大家注意
首先如图所示，外面两排灯开始先亮，而里面两排灯先是一二排灯亮，0.6秒之后五六排灯亮
3.花色三：
花色三是针对演员出场后的设计。
首先如图所示，第五六七八排灯亮，然后就这样一直保持着亮下去。
然后经过0.6秒之后，灯泡第一排亮；经过0.6秒后，灯泡第二排亮第一排熄灭；经过0.6秒后，第三排灯泡亮第二排熄灭；经过0.6秒后，第四排灯泡亮第三排熄灭；经过0.6秒后，第一排又开始亮，第四排灯泡熄灭；就这样一直循环下去。
直至花色结束。
4.花色四：
花色四是针对演员出场而设计；在演员出场时演员踩那层阶梯那层阶梯亮。
首先如图所示，演员出场后演员从台阶上下来当演员踩到第一排灯的位置时，第一排灯亮；踩到第二排的位置灯时，第二排灯亮；踩到第三排灯的位置时第三排灯亮；踩到第四排灯的位置时，第四排灯开始亮；第四排后亮从第一排到第四排依次熄灭。
PLC控制系统要求
设计中有八组彩灯从上到下分别是四个拱形四个梯形，编号如图所示
系统启动后，选择花色后，系统会跟据所选花色动作当选择花色1后
系统用启动按钮和停止按钮操作，并有选择花色按钮控制
各个彩灯的工作电压均为220AC
三、系统硬件设计
（一）主要选择的设备：
欧姆龙CJ1M
CJ1M内置脉冲输入输出功能CPU单元
小型且极具潜力的SYSMACCJ1M上，搭载脉冲输入输出功能的高精度PLC。
备有2轴脉冲输入输出，使机器实现更高精度化。
•内置100kHz2轴的脉冲输出，梯形图加减速定位、加减速不同定位、三角形控制等，各种定位可通过专用指令方便地实现。
通过定位专用指令的组合
（二）PLC模块的选择：
CJ1MCPU单元
更小的体积，有利于减小整个控制设备的体积；
即使CPU单元的宽度只有31mm，它不仅内置RS232C和外设口还能安装内存卡；
内存地址、指令和I/O单元都能与CJ1G/H通用；
•SYSMACCS1
SYSMACCS1可编程控制器具有最高的I/O响应性和数据处理功能，可以更精确地大幅度降低过程时间，控制设备运作。
具备友好的开发环境，能简单地开发复杂的程序，除了与Windows环境兼容外，更搭载了各种适合应用的指令语言。
同时，结构化编程功能的强化使得程序能够被最有效地进行再利用，从面缩短了开发工时，使得整体成本得以降低
•
（三）I/O地址分配表：
输入/输出的地址分配表如下
表1输入/输出的地址
（1）输入
作用
电路器件
I/O端子
编程元件
启动
SB1
00000
输入继电器
停止
SB2
00001
花色一
SB3
00002
花色二
SB4
00003
花色三
SB5
00004
花色四
SB6
00005
花色四
（1）
SB7
00006
花色四
（2）
SB8
00007
花色四（3）
SB9
00008
花色四（4）
SB10
00009
花色停止
SB11
00010
（2）输出
I/O端子
电路器件
作用
编程元件
10000
HL1
彩灯1排
输出继电器
10001
HL2
彩灯2排
10002
HL3
彩灯3排
10003
HL4
彩灯4排
10004
HL5
彩灯5排
10005
HL6
彩灯6排
10006
HL7
彩灯7排
10007
HL8
彩灯8排
（4）PLC外围接线图
图4外围接线图1
（五）灯管布局示意图
图6灯泡布局示意
外部设计
四、系统软件设计
CPM1A的性能规格
性能规格
控制方式
存储程序方式
输入输出控制方式
循环扫描方式和即时刷新方式并用
编程语言
梯形图方式
指令长度
1步/1指令、1~5步/1指令
指令种类
基本指令
14种
应用指令
79种139条
处理速度
基本指令（LD）
1．72ｕｓ~17.2μ
应用指令
MOV指令16.3μｓ
程序容量
2048字
最大I/O点数
10点、20点、30点、40点
输入继电器
00000~00915
输出继电器
01000~01915
内部辅助继电器
512点：
20000~23115（200CH~231CH）
特殊辅助继电器
384点：
23200~25515（232CH~255CH）
暂存继电器TR
8点：
TR0~8
保持继电器HR
320点：
HR0000~1915（HR00~HR19CH）
辅助记忆继电器AR
256点：
AR0000~1515（AR00~15CH）
链接继电器LR
256点：
LR0000~1515（LR00~15CH）
定时器/计数器TIM/CNT
128点：
TIM/CNT000~127
100mｓ型：
TIM000~127（号数与10mｓ型共用）
10mｓ型（高速定时器）：
TIM000~127
减法计数器、可逆计数器
数据存储器DM
可读/写
1002字（DM0000~0999、1022~1023）
故障履历存入区
22字（DM1000~1021）
只读
456字（DM6144~6599）
PC系统设定区
56字（DM6600~6655）
输入中断
2点（10点）4点（20点及以上型）
间隔定时中断
1点（0.5~319968mｓ、单触发模式或定时中断模式）
停电保持功能
保持继电器HR、、辅助记忆继电器AR、计数器CNT、
数据内存（DM）的内容保持
内存后备
快闪内存：
用户程序、只读数据内存（无电池保持）
超级电容：
读/写数据内存、保持继电器、辅助记忆继电器、计数器（保持20天/环境温度25°C）
自诊断功能
CPU异常（WDT）、内存检查、I/O总线检查
程序检查
无END指令、程序异常（运行时一直检查）
高速计数器
1点单相5KHZAK或两相2.5KHZ（线性计数器方式）当前值248（L）、249（H）CH递增模式:
0~65535（16位）、增减模式：
-32767~32767（16位）
脉冲输出
1点20HZ~2KHZ（单相输出：
占空比50%）
快速响应输入
与外部中断输入共用（最小输入脉冲宽度0.2mｓ）（不经滤波）
输入时间常数
可设定1mｓ/2mｓ/4mｓ/8mｓ16/16mｓ/32mｓ/64mｓ/128mｓ中的一个（输入滤波时间常数设定）
模拟电位器
2点（0~200）
①输入单元000~009CH
输入阻抗：
IN00000~00002为2KΩ，其它为4.7KΩ
输入电压：
DC24V+10%、-15%
ON电压：
最小DC14.4V
OFF电压:
最大DC5.0V
ON及OFF响应时间（IN00000~00002作为高速计数器使用时除外）:
1~128mｓ以
下可选,缺省为8mｓ
IN00000~00002作为高速计数器使用时响应时间：
200μｓ左右（可满足高速计数频率单相5KHZ、两相2.5KHZ）的要求
IN00003~00006作为中断输入时响应时间为0.3mｓ以下（从输入ON开始到执行中断处理子程序为止的时间）
输入单元是可以把外部输入设备的信号直接取到PLC内部的继电器，当CPU及输入
单元装入时，方有输入继电器的动作。
输入继电器可以作为程序中的接点或通道数据使用。
在程序中继电器号的顺序及常开/常闭接点的使用次数是没有限制的，但要注意：
请
不要对输入继电器的号数使用输出命令。
②输出单元010~019CH
断电器输出型：
最大开关能力AC250V/2ADC24V/2A公共端4A
最小开关能力DC5V、10mA继电器寿命：
电气寿命：
阻性负载30万次
感性负载10万次，机械寿命：
2000万次ON响应时间：
15mS以下
OFF响应时间：
15mS以下
晶体管输出型：
最大开关能力：
24VDC+10%-15%300mA
最小开关能力：
10mA，ON响应时间：
0.1mS以下，OFF响应时间：
1mS以下
输出单元可以把PLC内部程序执行结果送到外部。
输出点在程序中，可以作为继电器线圈接点及通道数据使用：
在程序中输出继电器的号数使用顺序、常开/常闭接点的使用次数均没有限制在编程过程中注意不要对同一个输出继电器重复使用两次输出命令。
（二）程序流程图（把图修改整齐）\
图7程序流程图
（三）其他软元件的地址分配表
表2软元件的地址分配表
编程元件
编程地址
作用
辅助继电器
20000
起动
20001
花色一起动
20002
花色二起动
20003
花色三起动
20004
花色四起动
20005
花色四第一组灯点亮
20006
花色四第二组灯点亮
20007
花色四第三组灯点亮
20008
花色四第四组灯点亮
计时器
TIM000
启动第二组第六组灯
TIM001
启动第三组第七组灯
TIM002
启动第四组第八组灯
TIM003
启动第一组第五组灯并启动TIM000
TIM004
启动第一第二组灯
TIM005
启动第五组第六组灯
TIM006
启动第一组第二组灯并启动TIM005
TIM007
启动第一组
TIM008
启动第二组
TIM009
启动第三组
TIM010
启动第四组
TIM011
启动第一组并启动TIM008
TIM012
启动TIM012
TIM013
启动TIM013关闭10000和10004
TIM0
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