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基于可编程控制器PLC的广告牌彩灯的控制
摘要
随着电子技术的飞速发展，基于可编程控制器（PLC）的控制系统已经广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业。
课设就是PLC控制系统，在实验中，要实现对广告牌彩灯的控制，即让广告牌上的彩灯按照指定要求亮和灭。
这个实验在软件方面的难点就在与逻辑的分析和实现，还有对同一个输出做不同的控制。
在硬件方面就相对比较容易，只需将分配好的I/O表做相应的连接。
本系统工作原理采用PLC作为核心。
控制系统另外包括通讯接口及组态王软件。
关键词：
广告牌彩灯；可编程控制器；组态王
目录II
1、绪论1
1.1、选题的意义1
1.2、PLC的介绍1
1.3、组态软件的介绍4
2、总体设计方案5
2.1、广告牌彩灯的工作要求5
2.2、系统设计要点5
2.2、总体设计流程7
3、系统的硬件配置8
3.1、PLCS7-2008
3.2、编程元件地址分配9
3.3、输入输出接线图10
4、系统软件设计10
4.1、编程软件介绍10
4.2、系统程序设计方案12
5、程序调试13
6、实验结果13
7、实验体会16
参考文献17
附录18
1、绪论
1.1、选题的意义
随着社会主义市场经济的不断繁荣和发展，各大中小城市都在进行亮化工程，各企业为宣传自己企业的形象和产品，均采用广告手法之一：
广告牌彩灯来实现这一目的，当我们夜晚走在大街上，马路两旁各色各样的广告牌均可以见到，也被社会和企业广泛应用。
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。
1.2、PLC的介绍
PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行伙计运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或成产过程。
美国的数字设备公司与1969年生产了第一台可编程控制器，简称PLC。
它是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。
可编程控制器的出现很快引起了各国的注意，中国于1973年开始研制PLC,并于1977年应用到生产线上。
PLC自诞生至今共经历了4个重要的阶段。
从1969年第一台PLC问世到1972年，是PLC的初创阶段。
1969年美国DEC公司研制了第一台PDP-14型PLC。
这个阶段的PLC控制功能比较简单，主要用于逻辑运算和计时、计数和顺序控制等功能。
从1973年到1978年，是PLC的成熟阶段。
在控制功能上除了具有位逻辑运算、计时、计数功能外，还具有数值运算和数据处理、数据传送、监控、记录显示、计算机接口、模拟量控制等功能。
从1978年到1984年，是PLC的大发展阶段。
这个时期的PLC采用8位、16位微处理器做为CPU，还采用了多微处理器结构。
PLC的功能进一步增强，处理速度更快。
增加了许多特殊功能。
从1984年至今，是PLC的继续发展阶段。
PLC的处理速度进一步提高，使得PLC软、硬件功能发生了巨大的变化，甚至使PLC已具有接近于工业控制计算机的强有力的软、硬件功能。
PLC的特点如下：
1．可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
2．配套齐全，功能完善，适用性强。
用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
3．易学易懂，深受工程技术人员欢迎。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
4．系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
5．体积小、重量轻、能耗低。
能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
同时PLC具备一些优点：
1．实时性
（1）由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。
（2）基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。
（3）更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。
2．高可靠性
（1）所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器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，以防止噪声干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的元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立即采取有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,以及实现电源模块冗余、IO模块冗余，使可靠性更进一步提高。
3．系统配置简单灵活
4．丰富的I/O卡件
5．控制系统采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型控制器以外，绝大多数控制器均采用模块化结构。
控制器的各个部件，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。
6．价格优势安装简单，维修方便
7．控制器实现的功能
（1）逻辑控制
（2）定时控制
（3）计数控制
（4）顺序控制
（5）PID控制
（6）数据计算
（7）通讯和联网
PLC发展至今，已有30余年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域已有翻天复地的变化，PLC亦在不断的发展变化之中，PLC正朝着新的技术发展。
目前，PLC已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
1.3、组态软件的介绍
组态王软件是北京亚控科技发展有限公司研发的一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。
它基于MicrosoftWindowsXP/NT/2000操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。
采用组态王软件开发工业监控过程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。
它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。
组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。
它作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等（如：
西门子PLC、莫迪康PLC、欧姆龙PLC、三菱PLC、研华模块等等）通过常规通讯接口（如串口方式、USB接口方式、以太网、总线、GPRS等）进行数据通讯。
组态王软件与IO设备进行通讯一般是通过调用*.dll动态库来实现的，不同的设备、协议对应不同的动态库。
工程开发人员无需关心复杂的动态库代码及设备通讯协议，只须使用组态王提供的设备定义向导，即可定义工程中使用的I/O设备，并通过变量的定义实现与I/O设备的关联，对用户来说既简单又方便。
通常情况下，建立一个应用工程大致可分为以下几个步骤：
1、创建新工程；2、定义硬件设备并添加工程变量；3、制作图形画面并定义动画连接；4、编写命令语言；5、进行运行系统的配置；6、保存工程并运行。
组态王的特点如下：
1．组态王对大容量工程具有高度的可靠性和实时性：
2．组态王具有易用性特点：
操作简单、直观、易理解，符合工控行业使用习惯，简单实用。
3．组态王具有扩展性：
易于进行功能扩展。
4．组态王具有良好开放性：
提供完善的api接口，利于与其他系统对kingview系统的整合。
5．延续性和可扩充性。
用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；
6．封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术）。
7．通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。
2、总体设计方案
2.1、广告牌彩灯的工作要求
6．按下启动按钮，彩灯控制装置开始工作，按下停止按钮，彩灯控制装置停止工作；
7．当手动/自动开关在手动位置时，彩灯只能按照状态选择开关设定的方式运行；当手动/自动开关在自动位置时，彩灯按照状态
（1）和
（2）的顺序循环运行。
8．状态选择开关用于选择彩灯的闪烁图案，现要求实现以下闪烁状态：
状态选择开关在位置1时，按下启动按钮后，要求输出：
4号灯亮，延时2秒后，3号灯亮，再延时2秒后，2号灯亮，又延时2秒后，1号灯亮，10秒后，全灭。
如果为手动工作方式，则只在本状态内循环。
如果为自动工作方式，则进入下一个工作状态；
状态选择开关在位置2时，按下启动按钮后，要求输出：
1号灯亮，延时2秒后，2号灯亮，再延时2秒后，3号灯亮，又延时2秒后，4号灯亮，10秒后，全灭。
如果为手动工作方式，则只在本状态内循环。
如果为自动工作方式，则进入下一个工作状态；
9．监控界面实时显示彩灯运行状态，故障报警。
2.2、系统设计要点
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。
硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。
软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划，然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等。
最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。
根据PLC应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言有以下几种：
1、梯形图语言。
它使用梯形图的图形符号来描述程序的一种设计语言。
这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。
2、布尔助记符程序设计语言。
3、功能表图。
功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。
它采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通及程序的分工设计和检查调试。
功能块图类似于普通逻辑功能图，它沿用了半导体逻辑电路的逻辑框图的表达方式。
一般用一种功能方框表示一种特定的功能，框图内的符号表达了该功能块图的功能。
4、功能模块图。
功能模块图程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。
它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子，完成所需的控制运算或控制功能。
5、结构化语句。
结构化语句描述程序设计语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。
它是一种类似于高级语言的程序设计语言。
在大中型的可编程序控制器系统中，常采用结构化语句描述程序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。
本次课设我们采用梯形图语言，梯形图是与电气控制电路图相呼应的图形语言。
它沿用了继电器、触点、串并联等术语和类似的图形符号，并简化了符号，还增加了一些功能性的指令。
梯形图是融逻辑操作、控制于一体，面向对象的、实时的、图形化的编程语言。
该语言简单易懂，编程时有以下要点：
1．每个梯形图由多个梯级组成。
2．梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。
当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。
3．继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。
每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。
4．输入继电器受外部信号控制。
只出现触点，不出现线圈。
在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。
硬件是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计的标准化、模块化。
硬件的设计最重要的选择用于控制的PLC，并确定与之配套的外围I/O接口，使所设计的系统既经济又高性能。
硬件的设计还包括详细流程图，根据流程图在PLC上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。
软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用SiemensS7-200PLC，因此使用梯形图语言进行开发。
本系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合和调整，经过调试后，达到设计功能要求。
2.2、总体设计流程
图1整体方案设计流程图（图重新画，不标准）
3、系统的硬件配置
3.1、PLCS7-200
S7-200系列PLC由西门子公司研发生产，是一种叠装式结构的小型PLC。
它指令丰富、功能强大、可靠性高、结构紧凑、便于扩展、性能价格比高。
适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
S7-200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装内，从而形成了一个功能强大的微型PLC，当下载程序到PLC后，S7-200就可以按照逻辑关系监控I/O设备从而实现控制要求。
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的6种CPU供用户使用。
本实验采用CPU224。
表1S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型号
输入点
输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6
4
—
S7-200CPU222
8
6
2个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点
S7-200CPU224
14
10
7个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
S7-200CPU226
24
16
2个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元想象接使用，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表所示：
表2S7—200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数
类型
型号
输入点
输出点
数字量扩展模块
EM221
8
无
EM222
无
8
EM223
4/8/16
4/8/16
模拟量扩展模块
EM231
3
无
EM232
无
2
EM235
3
1
3.2、编程元件地址分配
根据广告牌彩灯的控制要求：
如果选择自动，则打开启动开关，彩灯按照手动状态1—手动状态2—手动状态1—手动状态2—……无限循环，直到按下停止开关。
如果选择手动，则先要按下手动开关，并选择状态1（状态2），彩灯按照手动状态1（手动状态2）无限循环，直到按下停止按钮。
如有故障，则报警灯亮。
确定其I/O分配为表3所示。
输入点名称
输入点地址
输出点名称
输出点地址
启动开关SQ1
I0.0
报警灯L0
Q0.0
停止开关SQ2
I0.1
L1灯
Q0.1
手动/自动D1
I0.7
L2灯
Q0.2
手动方式1D2
I1.0
L3灯
Q0.3
手动方式2D3
I1.1
L4灯
Q0.4
L1故障D4
I1.2
L2故障D5
I1.3
L3故障D6
I1.4
L4故障D7
I1.5
表3I/O分配
3.3、输入输出接线图
图2硬件接线图
4、系统软件设计
4.1、编程软件介绍
STEP7-Micro/WIN4.0是西门子公司专为SIMATICS7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。
STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发。
利用一根PC/PPI（个人计算机/点对点接口）电缆可建立个人计算机与PLC之间的通信。
这是一种单主战通信方式，不需要其他硬件，如调制解调器和编程设备等。
PC/PPI电缆的两端分别为RS-232和RS-485接口，RS-232端连接到个人计算机RS-232通信口COM1或COM2接口上，RS-485端接到S7-200CPU通信口上。
组态王作为一款通用的工业监控软件，可以将工厂内部的各个生产系统和信息汇集在一起，实现最优化管理。
极大增强工厂生产力，提高产品质量。
降低成本以及原材料的消耗。
通常可以把它划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其要考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
开发具有以下几个特点：
（1）实验全部用软件来实现，只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验，从而大大减少购置仪器的经费。
（2）该系统是中文界面，具有人机界面友好、结果可视化的优点。
对用户而言，操作简单易学且编程简单，参数输入与修改灵活，具有多次或重复仿真运行的控制能力。
可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线，能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线，这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。
在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面：
（1）图形，是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。
（2）数据，就是创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如水位、流量等。
（3）连接，就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
4.2、系统程序设计方案
图3开关设计流程图（不标准，重画）
图4运行方式流程图（不标准，重画）
5、程序调试
在进行课题的设计过程中，我通常先编写程序的一个大的框架，然后慢慢考虑细节的东西。
但这次的工作量特别大。
因为程序最大的特点就是逻辑多，过程多，如果要一点点的装的话，很难把所有的过程都涵盖在里面。
当我编完第一次之后就发现这个重大的问题了。
所以我立刻调整我的编程思路，用罗列法，即在这一步时就把下一步将要发生的情况全部都写出来，所有的情况就很明朗了。
有时接线完毕后，系统却达不到预期的效果。
我分析原因，大致有几种，一是接的线很有可能接触不良，导致显示灯无法发亮。
二是疏忽大意没有用线接PLC的输入输出串口。
而程序无法下载则可能是因为程序本身有错而无法编译，还有就是PLC的分配地址不对导致下载失败。
PLC在与组态王相连接的过程中也要注意地址的匹配，不然也将是无法通讯的。
了解了这些以后，做实验就相对轻松不少。
6、实验结果
在此次课设中，通过编写各种基本指令，进一步熟练掌握PLC的编程和程序调试，通过反复的尝试与修改，并在主导老师的帮助下终于完成了对广告牌彩灯进行控制的实验，完全达到预期的要求。
1、自动方式：
彩灯按照状态
（1）和
（2）的顺序循环运行。
如图5、图6。
状态
（1）：
4号灯亮，延时2秒后，3号灯亮，再延时2秒后，2号灯亮，又延时2秒后，1号灯亮，10秒后，全灭。
状态
（2）：
1号灯亮，延时2秒后，2号灯亮，再延时2秒后，3号灯亮，又延时2秒后，4号灯亮，10秒后，全灭。
图5自动方式下彩灯L1、L2亮
图6自动方式下彩灯L4亮
2、手动方式下的状态
（1）：
4号灯亮，延时2秒后，3号灯亮，再延时2秒后，2号灯亮，又延时2秒后，1号灯亮，10秒后，全灭。
循环本状态。
如图7。
图7手动状态1下彩灯L1、L2、L3亮
3、手动方式下的状态
（1）：
1号灯亮，延时2秒后，2号灯亮，再延时2秒后，3号灯亮，又延时2秒后，4号灯亮，10秒后，全灭。
循环本状态。
如图8。
图8手动状态2下彩灯L3、L4亮
4、如果在彩灯运行期间，小灯发生故障，不亮，那么报警灯亮，提示用户广告牌有故障，需要维修。
如图10。
图10彩灯L3有故障，报警灯亮。
7、实验体会
通过这次课程设计，我设计了对广告牌彩灯的控制，采用了PLC技术、编程方法等相关工具。
结合上课时学到的理论知识，在脑海里初步形成了一个简单的框架。
理论联系实际，在试验室里把我设想的思路在控制台前实现出来。
通过收集资料和查阅相关的文献，培养了自己的分析与总结的能力。
并且由原来的被动接受知识转化成主动地寻求知识，对我来说，这是个不小的突破，培养了自己渴望探索新方式新事物的积极性。
这次课程设计，使我重新认识了自己，从中也发现了不少自身问题，有些地方还应该继续改进，这对以后走向社会面临更大的挑战会有积极的作用，我相信通过这些课设的机会，慢慢磨练自己，我将会变得越来越自信。
参考文献
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附录
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