PLC课程设计彩灯广告屏PLC控制器S7200PLC.docx
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PLC课程设计彩灯广告屏PLC控制器S7200PLC
一、绪论
（一）任务来源
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，均采用广告宣传的手法之一--霓虹灯广告屏来实现。
夜幕降临华灯初上时，我们走在大街上，马路两旁各色各样的霓虹灯广告均可以见到,一种是采用霓虹灯管做成的各种形状和多中彩色的灯管,另一种为日光灯管或白炽灯管作为光源,另配大型广告语或宣传画来达到宣传的效果。
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
（一）我们将该整体设计分为两个部分：
首先设计内部的八只彩灯管；再实现
外围的六个彩灯组；最后综合起来实现整个设计。
（二）在该设计中我们主要控制的对象是彩灯。
（三）PLC控制系统要求
（1）广告屏中间部分有8根彩灯管.从左到右排列,编号1到8号
系统启动后,灯管点亮的顺序依次为;1号到2号到3号......8号时间隔为1S,8根彩灯全亮后,持续10S,然后按照8号到7号到6号......1号开始顺序依次熄灭时间为1S,灯管全部熄灭后等待2S,再从8号灯管开始按照1号到2号......8号顺序依次点亮时间隔为1S,全部点亮后持续20S,再按照1号到2号到......8号顺序熄灭,时间为1S,灯管全部熄灭后,等待2S再重新开始上述过程的循环；
（2）广告屏四周安装的24只流水灯4只一组,共分成6组（1-6）系统启动后按照1-6的顺序,依次亮并循环时间隔为1S,18S后,按照6-1的顺序,依次点亮并进行循环,再按照1-6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,并有单步\连续控制；
（4）各个彩灯的工作电压均为220VAC。
三、系统硬件设计
（一）主要选择的设备：
S7-200PLC
我们选取的PLC是西门子生产的S7-200.下面对S7-200做出简要的说明：
S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。
这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，下图展示一台S7-200MicroPLC的CPU22*系列PLC的CPU外型图，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。
图2S7-200CPU外型图
S7-200CPU模块包括一个中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
●CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。
●输入和输出是系统的控制点：
输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。
●电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。
●通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或一些设备连接起来。
●状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机的I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误。
●通过扩展模块可以增加CPU的I/O点数（CPU221不可以扩展）。
●通过扩展模块可以提供其通讯功能。
●一些CPU具有内置实时时钟，其他CPU需要实时时钟卡。
●EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。
●通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。
下图展示了一个基本的S7-200MicroPLC。
它包括一个S7-200CPU模块，一台个人计算机（PC），STEP7-Micro/WIN32（3.1版）编程软件，以及一条通讯电缆。
为了使用个人计算机（PC），你必须以下一种设备：
●一条PC/PPI电缆
●一个通讯处理器（CP）和多点接口（MPI）电缆
●一块MPI卡，随MPI卡提供一根通讯电缆
图3S7-200MicroPLC系统的组成
（二）PLC模块的选择：
采用CPU226的主机
由于实际控制中，总共有4个输入点和14个输出点，而CPU226有24个输入点和16个输出点，所以它完全可以满足条件。
下面简单介绍一下CPU226的主机：
CPU226:
本机集成24输入/16输出，I/O共计40点，与CPU224相比，程序储存容量增大了一倍，数据储存容量增加到10KB，它有两个通信口，通信能力大大增强，它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。
（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
编程元件
I/O端子
电路器件
作用
输入继电器
I0.0
SB1
启动按钮
I0.1
SB2
停止按钮
I0.2
SB3
步进按钮
I0.3
SB4
单步/连续选择开关
输出继电器
Q0.0
HL1
彩灯1
Q0.1
HL2
彩灯2
Q0.2
HL3
彩灯3
Q0.3
HL4
彩灯4
Q0.4
HL5
彩灯5
Q0.5
HL6
彩灯6
Q2.0
HL7
彩灯7
Q2.1
HL8
彩灯8
Q2.2
KM1
流水灯I
Q2.3
KM2
流水灯II
Q2.4
KM3
流水灯III
Q2.5
KM4
流水灯IV
Q2.6
KM5
流水灯V
Q2.7
KM6
流水灯VI
（四）PLC外围接线图
图4外围接线图1
图5外围接线图2
（五）灯管布局示意图
图6灯管布局示意图
四、系统软件设计
（一）编程软件的应用STEP7-MICRO/WINV4.0
STEP7－MICRO/WIN编程软件，是强大的工控编程组态软件，在Windows平台运行的SIMATICS7-200软件简单、易学。
能够解决复杂的自动化任务，可以快速进入，节省编程时间，具有扩展功能。
基于标准的Windows软件（类似于Winword,Outlook等标准应用软件，STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。
1、基本功能：
（1）STEP7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATICS7-200PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。
（2）适用于所有SIMATICS7-200PLC机型软件编程。
（3）支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换。
（4）具有密码保护功能。
STEP7-Micro/WIN提供软件工具帮助您调试和测试您的程序。
这些特征包括：
监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。
指令向导功能：
PID自整定界面；PLC内置脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）指令向导；数据记录向导；配方向导。
支持TD200和TD200C文本显示界面（TD200向导）。
2、其他功能
（1）运动控制
S7-200提供有开环运动控制的三种方式：
脉宽调制（PWM）-内置于S7-200，用于速度、位置或占空比控制；
脉冲串输出（PTO）-内置于S7-200，用于速度和位置控制；
EM253位控模块-用于速度和位置控制的附加模块。
为了简化您应用程序中位控功能的使用，STEP7-Micro/WIN提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。
该向导可以生成位控指令，您可以用这些指令在您的应用程序中对速度和位置进行动态控制。
对于位控模块，STEP7-Micro/WIN还提供了一个控制面板，可以控制、监视和测试您的运动操作。
（2）创建调制解调模块程序
使用EM241调制解调模块可以将S7-200直接连到一个模拟电话线上，并且支持S7-200与STEP7-Micro/WIN的通讯。
该调制解调模块还支持Modbus从站RTU协议，该模块与S7-200之间的通讯通过扩展I/O总线实现。
STEP7-Micro/WIN提供一个调制解调扩展向导，它可以帮助您设置一个远端的调制解调器，或者设置将S7-200连向远端设备的调制解调模块。
（3）USS协议库
STEP7-Micro/WIN指令库，该指令库包括预先组态好的子程序和中断程序，这些子程序和中断程序都是专门为通过USS协议与驱动通讯而设计的。
通过USS指令，您可以控制这个物理驱动，并读/写驱动参数。
可以在STEP7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。
当您选择一个USS指令时，系统会自动增加一个或多个相关的子程序（USS1到USS7）。
西门子库在一张单独的CD上出售，STEP7-Micro/WIN附加件：
指令库，订货号是6ES7830-2BC00-0YX0。
在定购和安装了1.1版本的西门子库后，任何后续STEP7-Micro/WINV3.2x和V4.0升级都会在不需要附加费用的情况下自动升级您的库（当增加或修改库时）。
（4）Modbus从站协议指令
STEP7-Micro/WIN指令库包含有专门为Modbus通讯设计的预先定义的子程序和中断服务程序，使得与Modbus主站的通讯简单易行。
使用Modbus从站协议指令，您可以将S7-200组态作为ModbusRTU从站，与Modbus主站通讯。
可以在STEP7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。
通过这些新指令，可以将S7-200作为Modbus从站。
当选择一个Modbus从站指令时，会有一个或多个相关的子程序自动添加到您的项目中。
西门子库在一张单独的光盘上出售，STEP7-Micro/WIN附加件：
指令库，订货号为6ES7830-2BC00-0YX0。
在定购和安装了1.1版本的西门子库后，任何后续的STEP7-Micro/WINV3.2x和V4.0升级都会在不需要附加费用的情况下自动升级您的库（当增加或修改库时）。
（5）使用配方
STEP7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助您组织配方和定义配方。
配方存在存储卡中，而不是PLC中。
STEP7-Micro/WIN软件和S7-200PLC已经支持配方功能。
STEP7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助您组织配方和定义配方。
所有配方存在存储卡中。
因此，为了使用配方功能，必须要在PLC中插入一块64K或者256K的存储卡。
要查阅关于存储卡的更多信息。
（6）使用数据归档
STEP7-Micro/Win提供数据归档向导，将过程测量数据存入存储卡中。
将过程数据移入存储卡可以节省V存储区的地址空间，否则这些数据将储存在V存储区中。
（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
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