倒计时控制系统设计.docx

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倒计时控制系统设计

摘要

PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。

为了增强人们对这种盛典节日的关注度和紧迫感，倒计时牌得以广泛的应用。

虽然倒计时系统用途单一，使用周期短，一旦倒计时任务完成，系统也完成了历史任务。

但是因为程序设计简易，可操作性强，因而倒计时系统以及硬件可以被反复使用。

本次10秒倒计时控制系统设计运用PLC知识进行编程实现10秒倒计时并声光报警然后循环执行。

目的在于进一步巩固理论知识，培养所学理论知识在实际中的应用能力；掌握一般生产电气控制系统的设计方法；培养查阅图书资料、工具书的能力；培养工程绘图、书写技术报告的能力。

由控制任务可以看出，每一段显示是有先后顺序的，当第一段显示完了以后第二段才能显示，中间时间延时1秒，依次往后进行。

所以该程序具有很强的时序性，要用定时器来实现。

本次课题使用西门子S7-200PLC，应用PLC的逻辑运算、定时的功能，采用置位复位的方法，根据实际系统要求，对10秒倒计时系统进行梯形图程序的编制，并搭建相应的显示硬件电路和进行软件程序的调试，运用S7-200编程软件STEP7仿真软件，通过不断的调试修改，终于达到了预定要求，实现了倒计时功能。

关键词：

PLC倒计时电气控制

目  录

第一章绪论……………………………………………………………………………1

第二章PLC的组成与工作原理…………………………………………………2

§2.1概述………………………………………………………………………………2

§2.2PLC的主要特点…………………………………………………………………2

§2.3PLC的功能与应用………………………………………………………………3

§2.4PLC的性能指标………………………………………………………………3

§2.5PLCS7-200的概述………………………………………………………………4

第三章总体设计………………………………………………………………………5

§3.1课程设计内容……………………………………………………………………5

§3.2课程设计要求分析…………………………………………………………………5

§3.3倒计时控制系统设计…………………………………………………………5

§3.3.1总体设计思想………………………………………………………………5

§3.3.2方案论证……………………………………………………………………5

§3.4PLC的选择………………………………………………………………………7

§3.5I/O地址分配………………………………………………………………………7

§3.6PLC的I/O接线图………………………………………………………………7

§3.7PLC控制程序设计…………………………………………………………………7

§3.7.1程序流程图…………………………………………………………………8

§3.7.2程序编译…………………………………………………………………9

§3.8系统调试及分析……………………………………………………………13

第四章设计结论…………………………………………………………………14

参考文献…………………………………………………………………………………15

第一章绪论

“倒计时”这一短语来源于1927年德国的幻想故事片《月球少女》，在这部影片中，导演弗里兹为了增加艺术效果，扣人心弦，在火箭发射的镜头里设计了“9、8、7、……3、2、1”点火的发射程序。

这个程序得到火箭专家们的一致赞许，认为它十分准确清楚科学地突出火箭发射的时间越来越少，使人们产生火箭发射前的紧迫感。

此后“倒计时”被普遍采用，而且超越了使用范围，成为一个适用性极强，适用范围极广的词语。

在没有实现数字化的时候，我们通常是采用手写或者是机械性的数字来进行倒计时，当今，PLC的发明，给我们带来了飞跃性的发展，让我们可以更好的实现数字化的控制，并且可以进行大规模的推广与应用。

随着社会的发展，倒计时在各行各业应用的越来越广泛，工业、技术、机械、医疗、农业等等，PLC的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC把各种信息输入相应的程序，对于不同的要求，我们只要根据需要，修改一些程序，这样就可以实现我们想要的效果。

倒计时的广泛应用，大大提高了我们的效率，对于一些需要通过手动或者是机械性的操作具有明显效果。

用可编程控制器实现倒计时的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，有效，通过分析倒计时在控制与管理带来的方便，结合实际情况阐述了倒计时控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的倒计时控制系统的PLC设计方案。

可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。

随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。

第二章PLC的组成与工作原理

§2.1概述

可编程序控制器（ProgrammableLogicController,，简称PLC），它是以微处理器为核心的通用工业控制装置，是在继电器-接触器控制基础上发展起来的。

随着现代社会生产的发展和技术进步，现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的迅猛发展，当今的PLC已将3C（Computer、Control、Communication）技术，即微型计算机技术、控制技术及通信技术融为一体，在控制系统中又能起到“3电”控制作用，即电控、电仪、电信这三个不同作用的一种高可靠性控制器，是当代工业生产自动化的重要支柱。

一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种，但它们的组成是相同的。

箱体式PLC中有CPU板、I\O板、显示面板、内存块、电源等，所有的电路都装入一个模块内，构成一个整体。

可以按CPU性能分成若干型号，并按I\O点数又有若干规格。

模块式PLC有CPU模块、I\O模块、内存、电源模块、底板或机架，模块拼装起来后就成了一个整齐的长方体结构。

无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I\O能力可按用户需要进行扩展与组合。

PLC的基本结构框图如图1所示。

图1PLC的基本结构框图

§2.2PLC的主要特点

现代工业生产过程是多种多样的，它们对控制的要求也各不相同，为了能够在各种工业环境中使用PLC，所以生产厂家的PLC都有许多共同点。

1）编程方法简单易学

2）功能强、性能价格比高

3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

4）可靠性高，抗干扰能力强

5）系统的设计、安装、调试工作量少

6）维修工作量小，维修方便

7）体积小，能耗低

§2.3PLC的功能与应用

可编程控制器在国内外广泛应用于钢铁、石化、机械制造、汽车装配、电力、轻纺、电子信息产业等各行各业。

目前典型的PLC功能有下面几点。

顺序控制：

这是可编程控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械，切纸机、组合机床、磨床、装配生产线，包装生产线，电镀流水线及电梯控制等。

程控：

在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液体、速度、电流和电压等，称为模拟量。

可编程控制器有A/D和D/A转换模块，这样，可编程控制器可以作模拟控制用于程控。

数据处理：

一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便地对生产过程中的资料进行处理。

用PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理、控制生产过程。

较高档次的可编程控制器都有位置控制模块，用于控制步进电动机，实现对各种机械的位置控制。

通信联网：

某些控制系统需要多台PLC连接起来使用或者由一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统。

可编程控制器的通信模块可以满足这些通信联网要求。

此外，可编程控制器还可以连接显示终端和打印等外围设备，从而实现显示和打印

§2.4PLC的性能指标

性能指标是用户评价和选购机型的依据。

当用户在进行PLC的选型时，可以从以下几个方面考虑。

1）CPU技术指标

2）I/O模板技术指标

3）编程器及编程软件

4）通信功能

§2.5S7-200PLC的概述

S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，但其许多功能已经达到大、中型PLC的水平，而价格却与小型机一样，因此，它一经推广，即受到了广泛关注。

特别是S7-200CPU22X系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面（HIMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，还可以很容易地组成PLC网络，同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。

S7-200CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的MicroPLC。

参见图2。

图2S7-200CPU外型

本次设计是实现较为简单倒计时控制，对所需硬件的要求并不高，为了尽量满足倒计时的精确性，故选用扫描时间短，即执行一条布尔指令时间较短的西门子小型PLCS7-200，根据端口的需要选择226型号的CPU。

对于设计的仿真调试也做了相应的简化，使用面包板和7段数码管组成一个仿真电路，结合程序的需要，选择8个共阴极的7段数码管分别作为时间状态位的显示。

第三章总体设计

§

3.1课程设计内容

参考图1-1LED数码显示控制模型示意图进行倒计时数码显示控制系统设计。

设计课题：

设计倒计时控制系统设计（带显示和闪光报警）；

设计任务及要求:

掌握PLC工作原理、编程及调试方法及应用技术；根据控制要求，制定合理的设计方案；正确选用PLC，确定输入、输出设备；PLC的I\O点分配，并绘制其连接图，及其其他外部硬件图；设计PLC控制程序；绘制有关图纸；编制设计说明书

§3.2课程设计要求分析

有启停按钮，按下启动按钮后，开始10秒倒计时，由8组led发光二极管模拟的数码管开始显示：

显示的次序是0、9、8、7、6、5、4、3、2、1,9秒后声光报警，再返回初始显示，并循环下去。

按下停止按钮，数码管停止。

重新启动时，还从初始显示循环。

由控制任务可以看出，每一段显示是有先后顺序的，当第一段显示完了以后第二段才能显示，中间时间延时1秒，依次往后进行。

所以该程序具有很强的时序性，要用定时器来实现。

而后面的数字显示都是由这7段数码管中的某段组成的。

所以只要在原有的程序上面进行修改就可以实现数字。

以显示0为例，当需要显示0的时候，只要将G段的数码管断开就可以显示0了。

其他也是同样道理。

同时，在显示1时要声光报警，既要连接闪光电路还要连接报警电路。

§3.3倒计时控制系统设计

§3.3.1总体设计思想

分别用S7-200PLC的输入端I0.0,I0.1分别控制系统的启动和停止。

由于要显示的数字用七段数码管就可以完全表示，所以用PLC的输出Q0.0—Q0.6分别控制数码管的A.B.C.D.E.F.G，用定时器设置延迟时间，顺序显示。

§3.3.2设计方案论证

目前常用的数字电子钟控制方法有①单片机控制②PLC控制。

两种方式的控制原理基本相似，都是分别以各自的主控器件来完成门信号的采集、运行状态控制和设定，达到自动调节和控制运行的功能。

本设计采用PLC控制方式，选用西门子S7--200PLC作控制器，继电器输出，时间显示用8组led发光二极管模拟的数码管完成本设计要求的各项指标，实现倒计时的控制。

我们知道定时器主要用来控制各个数码管显示的时间。

在每个数字显示的输入使能端串联一个带有不同预定值定时器开关，等到定时器的当前值等于该预定值时，该开关就会闭合，输出高电压，这样，也能满足实验要求。

倒计时是一个将“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。

它的计时周期为10秒，PLC控制数字电子钟采用数码管显示。

设计框图如下

图3设计框图

§3.4PLC的选择

本倒计时显示器共有输入2点，输出8点，根据实际情况，选择西门子S7-200系列的CPU224PLC作为控制器。

§3.5I/O地址分配

图4I/O地址分配如下：

输出信号

输出信号

名称

输入点编号

名称

输出点编号

启动按钮

I0.0

A段

Q0.0

停止按钮

I0.1

B段

Q0.1

C段

Q0.2

D段

Q0.3

E段

Q0.4

F段

Q0.5

G段

Q0.6

灯泡

Q1.0

蜂鸣器

Q1.1

§3.6PLC接线图

图5Plc接线图

§3.7PLC控制程序设计

§3.7.1程序流程图

根据程序的设计思想，画出程序流程图，如下

图6程序流程图

§3.7.2程序编译

根据题目要求，使用梯形图编译程序

网络1用于设置启动，停止按钮，按下启动按钮，开始倒计时，在按下停止按钮时，会瞬间断开进程，回到初始状态。

同时设置定时器，用于循环倒计时。

网络2为数码输出0程序，并且延迟一秒，一秒后进入下一个网络

此段程序为从9到2的倒计时程序。

每隔一秒数码显示输出一个数字，分别为9，8，7，6，5，4，3，2，且每个数码显示数字显示一秒。

此段程序为最后数码输出1的程序，在输出1的同时，灯泡点亮并且蜂鸣器报警，完成最后一秒闪光报警的要求。

此段程序是为了循环执行，在执行完最后一个数字并闪光报警后，又重新回到初始值，继续循环执行10秒倒计时。

§3.8程序调试及分析

经过设计，想一次性把程序完成是非常难的，在调试中就出现了不少的错误：

1、最开始用的是多个定时器分段控制显示程序，每隔一秒导通一个定时器进行数码输出，但是只执行两次就开始乱码了，多次调试后问题依旧存在，最后查找资料了解到是同一个程序用多个定时器易造成错误，所以开始重新研究用一个定时器实现程序，最后得以成功。

2、刚开始的时候把程序写进去，然后运行却发现有些数字显示不出来而且在完成了一个周期后就循环不起来了。

那时真的不知道从哪里入手，只好一条一条地检查才发现了一条指令把常闭写成了输出，真正的输出口就没有收到信号了。

总的说来遇到的问题还是很多，出现的错误有的比较难，确实是不知道如何下手，但是有的比较简单，完全是粗心大意，不认真造成的。

虽然找错误是一个枯燥无味的工作，但只要你耐心的去做的话，你肯定能学到有用的东西.

第四章设计结论

历时将近两个星期的课程设计结束时，回首这课设一路的坎坷和困难重重，不禁感慨万千。

原以为此次的课题比较简单，但是在慢慢接触之后，从硬件原理图，到软件程序的编写，再到最后的程序调试，都使我深刻地体会到这个貌似简单的问题背后的不简单。

本次设计是一个非常贴近生活的应用型课题。

不断地将自己的所学应用到实际中。

同时也加深了对plc的认识和掌握。

在这种用小型PLC研究的10秒倒计时系统的基础上，研究出更为经济、设计和操作更为简便的倒计时系统。

通过这次课程设计实践，我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法有了更深刻的理解，在对理论的应用中，提高了我们的工程素质，在没有做课程设计以前，我们对知道的掌握都是思想上的，对一些细节不加重视，但当我们把自己想出来的程序运用到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。

能够解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC的理解得到加强，看到了时间与理论的差距。

同时我也发现，PLC的使用大同小异，其实要做工程，首先要了解被控对象，然后才能确定控制策略，画出功能框图，最后才是程序编译调试。

同时还要熟悉电气线路，绘制电气回路及接线图。

以上这些是工程成功的基础。

我觉得如果有了以上的基础，随便哪种PLC只要有编程手册，最终都能编出程序，无非在程序组织上熟练程度不同。

这次课题是每人一个题目，各自不同，这就需要我们认真仔细的专研与研究，在设计的过程中我得到了高老师的帮助与意见，在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教是一个很好的方法，感谢老师的耐心指导，在老师的指导下，我不段的完善自己程序，最终完成设计的要求。

参考文献

1.黄永红，《电气控制与PLC应用技术》，北京：

机械工业出版社，2011.

2.王建华，《电气工程师手册》，北京:

机械工业出版社，2006.

3.吴晓君，《电子控制课程设计指导》，北京：

中国建材工业出版社，2007.

4.史国生主编，《电气控制与可编程控制器技术》，北京:

化学工业出版社，2004.

5.王永华.《现代电气及可编程控制技术》，北京:

北京航空航天大学出版社，2002.