基于PLC的艺术彩灯的设计.docx

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基于PLC的艺术彩灯的设计

艺术彩灯造型的PLC控制

摘要

随着社会经济的发展，彩灯广泛应用于宾馆、酒楼、商厦、家居、橱窗、俱乐部、音乐会、时装表演、舞厅等场所的圣诞、节日彩灯装饰和夜景灯光装饰。

本次设计的彩灯造型彩灯控制器是其中较简单的，但这是进行复杂设计的基础。

本设计是采用日本三菱公司生产的FX2N-16MR型PLC作为控制器的彩灯造型。

主要运用时间继电器、辅助继电器构成脉冲电路实现时间控制，利用移位指令实现彩灯的轮流点亮，利用区间复位指令实现彩灯的熄灭控制。

本设计给出了系统梯形图、指令表及输入输出接线图。

关键词：

彩灯，FX2N-16MR，脉冲电路，移位指令，区间复位指令

THEPLCcontrolOFartLantern

Abstract

Withthesocialeconomicdevelopment,lanterniswidelyusedinhotels,restaurants,office,home,window,clubs,concerts,fashionshows,dancehallsandotherplacesoftheChristmasdecorationsandfestivelanternsdecorativenightlights.Thedesignofthelanternlanterncontrollerdesignisoneofthemoresimple,butitiscomplicatedtodesign.

ThisdesignisproducedbyJapan'sMitsubishiFX2N-48MR-basedCarnivalPLCasthecontroller.Themainuseoftimerelay,auxiliaryrelaycircuitconstituteapulse-timecontrol,usingshiftinstructionachievetolightthelanternsinturn,zoneresetinstructiontocontroltheExtinguishoflanterns.Thisdesigngivesthesystemladderdiagram,instructionsheetandwiringdiagramofinputandoutput.

Keywords:

Lantern,FX2N-16MR,pulsecircuits,shiftinstructions,zoneresetinstruction

第1章绪论1

1.1课题任务的提出1

1.2PLC的简介3

1.2.1PLC的应用4

1.2.2PLC的系统结构4

1.2.3PLC各部分的作用5

1.2.4现代PLC的发展趋势6

第2章彩灯造型的设计方案8

2.1控制要求8

2.2PLC的选择9

2.2.1系统对PLC的要求9

2.2.2确定PLC的类型10

2.3FX系列PLC的型号及编程元件11

2.3.1FX系列PLC的型号说明11

2.3.2FX系列PLC的编程元件12

2.4FX系列PLC的基本逻辑指令16

2.4.1取指令与输出指令（LD/LDI/LDP/LDF/OUT）16

2.4.2触点串联指令（AND/ANI/ANDP/ANDF）17

2.4.3触点并联指令（OR/ORI/ORP/ORF）18

第3章艺术彩灯造型的PLC设计20

3.1确定PLC的输入输出配置20

3.1.1确定输入输出设备20

3.1.2PLC的外部接线图20

3.2程序设计21

3.2.1系统控制梯形图21

3.2.2系统控制指令语句表24

第4章PLC的现场维护27

4.1PLC的可靠性设计27

4.2故障检测与分析28

4.3备用电源的更换29

结论31

第1章绪论

1.1课题任务的提出

彩灯是一种比较常见的设备，它通过不同颜色彩灯有规律的变化，形成特定的艺术效果。

彩灯控制系统有继电器控制、单片机控制及逻辑电路控制。

继电器控制系统故障率高，不易维修。

另外，继电器元件设备寿命短，更换元件不方便。

单片机和逻辑电路控制系统需要附加配套的集成电路I/O接口，又必须完成大量的硬件设计和制作工作，而且对维修人员技术水平要求太高。

鉴于以上原因我们选择PLC来控制彩灯。

PLC控制系统有上述控制系统所不具有的优点：

1、抗干扰能力强，可靠性好

PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。

I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。

具体措施主要有以下几个方面：

（1）、隔离：

这是抗干扰的主要措施之一。

PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。

这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源1、抗干扰能力强，可靠性好

PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。

I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。

（2）、滤波：

这是抗干扰的另一个主要措施。

在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。

（3）、对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。

另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。

（4）、内部设置了连锁、环境检测与诊断、watchdog（“看门狗”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU可靠运行。

（5）、利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。

（6）、对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。

（7）、采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。

（8）、以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。

而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。

2、控制系统结构简单，通用性强

PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。

3、编程方便，易于使用

PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。

4、功能完善

PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。

在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。

由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。

5、设计、施工、调试、的周期短

用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。

而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。

6、体积小，维护操作方便

PLC体积小，质量轻，便于安装。

PLC的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。

7、易于实现网络化

PLC可连成功能很强的网络系统。

8、可实现三电一体化

PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。

1.2PLC的简介

1.2.1PLC的应用

由于PLC的以上特点，使其在国民经济的各个领域都得到了广泛的应用，范围不断扩大，主要有以下几个方面的应用：

1、开关量逻辑控制

这是PLC最早也是最基本的应用。

PLC具有与或非等逻辑指令，可以实现触点和电路的串联和并联，代替继电器进行逻辑控制、顺序控制与定时控制，既可实现单机控制，与可用于多机控制及自动化生产线的控制，如组合机床、电梯、电镀流水线、、冶金高炉的上下料、以及港口码头货物的存放与提取控制等。

2、运动控制

由于模拟量输入输出功能的实现，也由于PLC对数据处理功能的提高，制造相应提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴运动控制模块。

把描述目标位置的数据送给模块，当每个轴移动时，运动控制模块能使之保持适当的速度和加速度，确保运动的平滑性。

可编程控制器的运动控制功能可广泛用于各种运动机械，如金属切削机床、机器人及电梯等。

3、过程控制

过程控制对温度、压力、流量、和速度等模拟量的闭环控制。

通过PLC模拟量输入、输出模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的转换（A/D或D/A转换），并利用PID（Proportional-Integral-Detivative）子程序或专用的智能PID模块对模拟量进行闭环控制。

PLC的模拟量PID控制已广泛应用于水处理、锅炉、加热炉、热处理炉、冷冻设备、酿酒以及闭环速度控制等方面。

4、数据处理

现代的PLC不仅能进行数学运算、数据传输，而且能进行数据比较、数据转换和数据通信等。

PLC也能和机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）相结合，实现数值控制。

如日本公司的System10、11、12系列已将CNC功能作为PLC的一部分。

通过窗口软件，用户可以独自编程，实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递。

5、通信联网

PLC的通信包括基本单元与I/O之间的通信、PLC之间的通信、PLC和智能设备（如计算机、变频器、数控设备等）之间的通信。

为了实现近几年兴起的工厂自动化（FA）、柔性制造单元（FMC）柔性制造系统（FMS）发展的需要，近几年开发的PLC都加强了通信功能。

作为实时控制系统，PLC数据通信速率要求提高，并且要考虑出现停电、故障时的对策。

PLC之间、PLC和其他智能设备之间都采用光纤通信多级传递。

I/O模块按各自功能在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成分布式控制系统。

1.2.2PLC的系统结构

目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。

主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。

其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。

如图1-1所示，PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。

由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。

图1-1PLC硬件结构图

1.2.3PLC各部分的作用

1、中央处理器

CPU是由控制器和运算器组成的。

运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。

控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。

他的重要功能如下：

（1）、诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。

（2）、采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。

（3）、按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。

（4）、将存于寄存器中的处理结果送至输出端。

（5）、应各种外部设备的工作请求。

2、存储器

PLC的存储器分为两大部分：

一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。

二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。

3、输入输出接口电路

PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。

输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。

4、电源

PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。

5、输入输出I/O扩展接口

若主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机单元相连接。

1.2.4现代PLC的发展趋势

近年来，随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能正在不断改进，各个生产厂家不断推出PLC新产品，平均3～5年更新换代一次，有些新型中小型PLC的功能甚至达到或超过了过去大型PLC的功能。

现代PLC的几个发展趋势。

1、向高速度、大容量方向发展

为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。

目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。

PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。

在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。

为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。

2、向超大型、超小型两个方向发展

当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。

现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。

小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。

3、PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力

为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。

这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。

加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。

PLC的联网通信有两类：

一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。

为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。

4、增强外部故障的检测与处理能力

根据统计资料表明：

在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。

前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。

因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。

5、编程语言多样化

在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。

除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（C、C++语言等）等。

多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

第2章彩灯造型设计方案

2.1控制要求

艺彩灯演示板如2-1图所示，其控制要求如下：

1、将启动按钮按下。

系统启动按下停止按钮，系统停止工作。

图2-1彩灯演示板

2、彩灯亮灭控制。

系统启动后，8盏灯按以下规律点亮：

图中A、B、C、D、E、F、G、H为八只彩灯呈环形分布。

控制要求如下：

将启动开关S1合上，八只彩灯同时亮1秒，即A、B、C、D、E、F、G、H同时亮一秒；接着

八只彩灯按逆时针方向各亮1秒，

即A亮1S→B亮1S→C亮1S→D亮1S→E亮1S→F亮1S→G亮1S→H亮1S；接下来八只彩灯又同1秒，即ABCDEFGH同时亮1秒；然后八只彩灯按顺时针方向各亮1秒，即H亮1S→G亮1S→F亮1S→E亮1S→D亮1S→C亮1S→B亮1S→A亮1S；之后，此程序重复执行，直到按下停止开关S2后,所有灯熄灭。

3、分析控制要求：

（1）、按下启动按钮系统启动，按下停止按钮系统停止工作，即要求八只彩灯同时熄灭，需使用区间复位指令。

（2）、八只彩灯需要轮流点亮，用移位指令实现。

（3）、移位一次为一个状态，各个状态轮流转换，用辅助继电器连接各个状态。

（4）、移位过程中，每个状态开启时间为一秒，用时间继电器控制。

系统工作流程图如图2-2所示：

图2-2系统工作流程图

2.2PLC的选择

2.2.1系统对PLC的要求

1、确定系统所需输入输出点数

通过对控制要求分析，系统输入设备只有两个按钮开关，PLC至少要有两个输入点，彩灯造型八盏灯，PLC要用八个输出点来驱动它们。

为了指令后期调整和扩充，需再加15%-20%的裕量，因此可编程控制器的输入输出总点数至少要有12个。

2、系统对PLC响应时间的要求

系统输入输出量都是开关量，系统开启后连续工作，PLC的响应时间一般为10ms，因此对于本次设计，任何类型的PLC都能满足要求。

3、内存的估计

用户程序所需内存量要受到内存利用率、开关输入输出点数、模拟量输入输出点数及用户编程水平的影响。

对于本次设计，估算内存量只考虑开关量输入输出点数，用户编程水平。

（1）、一般设计中，根据开关量输入输出点数和的经验公式来估计所需内存

字数。

所需内存字数=开关量总数×10（2-1）

（2）、程序编程质量

给据经验公式可确定存储器字数

总存储字数=开关量总点数×10+模拟量×150（2-2）

考虑到用户编程水平及后期调整，在计算的存储其字数的基础上再加上25%的裕量，所需总字数为150字节

4、输入输出模块选择

可编程控制器的输入模块有直流5、12、24、48、60V交流115V和220V等考虑到驱动负载的额定电压为交流220V，因此输入模块选用交流220V。

PLC输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共段所允许通过的最大值，输出模块的电流值必须大于所有负载的额定电流值。

本设计中负载为八只彩灯，额定功率为10W额定电压为220V,因此，PLC的输出驱动为交流220V，

2.2.2确定PLC的类型

根据以上计算考虑具体情况，本设计选用三菱FX2N-16MR可编程控制器。

FX2N-16MR主要参数如下：

表2-1FX2N-16MR一般性能

电源

AC110~120V/220~240V单相50/60Hz

电源波动

AC93.5~132V/187~264V，10ms以下瞬时断电，控制无影响

环境温度

0~55度

环境湿度

45%~95%，无凝露

抗振动

10~55Hz，0.5mm，最大2g（重力加速度）

抗冲击

10g，3轴X、Y、Z方向各3次

抗噪声

1000V,1us,30~100Hz（噪声仿真器）

绝缘耐压

AC1500V，1min（各端子与接地端之间）

绝缘电阻

5MΩ,500VDC（各端子与接地端之间）

接地

小于100Ω（如果不可能，也可以不接地）

环境

无腐蚀气体，无导电尘埃

表2-2FX2N-16MR输入性能

输入类型

无电压触点或NPN集电极开路晶体管

绝缘

光-电隔离

输入电压

内部电源DC24V±4V,外部电源DC24V±8V

输入阻抗

近似3.3KΩ

工作电流

OFF-ON

DC4mA（最小）

ON-OFF

DC1.5mA（最大）

响应时间

OFF-ON

近似10ms（有8点可改变从0~60ms）

ON-OFF

近似10ms（有8点可改变从0~60ms）

表2-3FX2N-16MR输出性能

输出类型

继电器输出

绝缘

继电器绝缘

输出负荷

电阻负荷

2A/点

感性负荷

35V/A/300000次接通断开

灯泡负荷

100W

漏电流

0mA

响应时间

OFF-ON

近似10ms

ON-OFF

近似10ms

2.3FX系列PLC型号及编程元件

2.3.1FX系列PLC型号说明

FX系列PLC型号说明如图2-3所示

图2-3FX系列PLC型号说明

序列号：

0.0S.ON.2.2C.2N.2NC

Ｉ/Ｏ数:

10---256

单元类型：

M---基本单元

E---输入输出混合扩展单元

EX—输入专用扩展模块

EY—输出专用扩展模块

输出形式：

R---继电器输出

T---晶体管输出

S---闸管输出

特殊品种区别：

D—DC电源，DC输入

　　　A1――AC电源，AC输入

H—大电流输出扩展模块

V—立式端子排的扩展模块

C—接插口输入输出方式

2.3.2FX系列可编程控制器的编程元件

1、输入继电器和输出继电器

（1）、输入继电器X

输入继电器的作用是接收并存储外部输入的开关量信号，它和对应的输入端子相连，同时提供无数的常开和常闭触点用于编程。

FX2N系列可编程控制器输入继电器都采用八进制编码，基本单元输入继电器最大范围为X0～X77共64点，扩展后可达X0～X267共184点。

（2）、输出继电Y

输出继电器的作用是它具有一常开硬触点用于向外部负载发送信号，每一个输出继电器的常开硬触点与可编程控制器的一个输出点相连直接驱动负载，它也提供了无数的常开和常闭触点用于编程。

FX2N系列可编程控制器输出继电器也采用八进制编码，基本单元输入继电器最大范围为Y0～Y77共64点，扩展后可达Y0～Y267共184点。

（3）、辅助继电器M

辅助继电器M是通过软件来实现的，用于状态暂存、移位辅助运算及赋予特殊功能的一类编程元件，它们既不能接收外部的输入信号，也不能直接驱动外部负载，其作用类似于继电器控制系统中的中间继电器。

它们同样能提供无数常开和常闭触点用于内部编程，除某些特殊继电器线圈由系统程序驱动外，绝大多数继电器线圈由用户程序驱动。

a、通用辅助继电器

通用辅助继电器为M0～M499，共500点，无断电保持功能。

b、断电保持辅助继电器

断电保持辅助继电器为M500～M3071，其中的M500～M1023可以用软件来设定使其变为非断电保持辅助继电器。

c、特殊辅助继电器

PLC内有大量的特殊辅助继电器，它们都有各自的特殊功能。

FX2N系列中有256个特殊辅助继电器，可分成触点型和线圈型两大类

（a）、触点型 其线圈由PLC自动驱动，用户只可使用其触点。

例如：

M8000：

运行监视器（在PLC运行中接通），M8001与M8000相反逻辑。

M8002：

初始脉冲（仅在运行开始时瞬间接通），M8003与M8002相反逻