大型变光舞台彩灯广告屏控制系统 自动化专业毕业设计 毕业论.doc

武汉科技大学中南分校论文武汉科技大学中南分校本科毕业设计(论文)题目：大型变光舞台彩灯广 告屏控制系统学院： 信息工程学院专业： 自动化学号： 20064224109学生姓名： 许建成指导教师： 杨 可二一 年 5 月23日1大型变光舞台彩灯广告屏控制系统大型变光舞台彩灯广告屏控制系统许建成大型变光舞台彩灯广告屏控制系统I许建成摘要：LED彩灯在我们的日常生活中是随处可见的，无论是美化、亮化工程，还是企业的宣传,都可借助于广告屏的形式，使得各个城市的夜晚光彩夺目。LED彩灯由于其丰 富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用 彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。彩灯在我们的日常生活中是随处可见的，无论是美化、亮化工程，还是企业的广告宣传,都借助于彩灯的形式，使得各个城市的夜晚光彩夺目，滨彩纷呈。这些彩灯可以是用霓虹灯管制成各种形状和各种颜色的灯管，也可以是采用白炽灯或者日光灯作为光源，照亮大幅的或巨幅的宣传画。彩灯控制能达到的渲染效果，是通过控制全部或者部分彩灯的亮和灭、闪烁的频率、灯的亮度和灯光流的方向来实现的。在不太复杂的彩灯控制中，一般可采用单片机或者各种专用的彩灯控制器，本设计采用PLC来完成设计。关键词： LED；PLC；控制器 Large variable light stage lights advertising screens control systemxujiancheng第 1 页 共 36 页Abstract:LED lantern in our daily lives is ubiquitous, whether landscaping, lighting engineering, or business information, can aid in the form of advertising screens, dazzling night to various cities. Lamp light color that LED illumination enriches because of the person, cheap cost of construction waits for a characteristic as well as controlling a simplicity but the decoration neighbourhood and the city building already become one kind of fad coming having got the illumination applying , using broadly. Illumination is to be able to be seen everywhere in our daily life, regardless of be beautify, light spends a project , is still the enterprise advertising, be backed by the illumination form, will do each citiess night is oriency , the shore color appears numerously. These illumination can be to use neon to control the fluorescent tube becoming the various form and various colour , also can be to adopt the incandescent lamp or the daylight lamp to be an illuminant , illuminate the wide or huge picture poster. Illumination is controlled being able to reach exaggerating effect , is is under the control of all pass or is comes come true part illumination light and the direction that go out , evasive frequency , light brightness and lamp light stream. Control middle in not very complicated illumination , may adopt the monolithic machine or the special-purpose various illumination controller in general , design that originally adopt PLC to come to accomplish design.Key words：LED；PLC；controllerII目录第一章 绪论11.1 课题的提出及研究的意义11.2 课题相关的发展前景11.3 课题设计主要要求1第二章 PLC介绍22.1 可编程控制器概况22.2SIMATIC S7-200（PLC）简介32.2.1 产品概述32.2.2 SIMATIC S7-200 CPU32.2.3 S7-200扩展模块42.3 编程软件STEP 7-Micro/WIN介绍72.3.1 计算机配置要求72.3.2 STEP 7-Micro/WIN基本操作7第三章 彩灯广告屏控制系统103.1 彩灯广告屏控制要求103.2 设计相关项目103.2.1 彩灯管的控制时序103.2.2 流水灯的控制时序113.2.3 控制方案123.3程序地址分配143.3.1 编程元件地址分配143.3.2 其他编程元件地址分配153.3.3 输入/输出接线图163.4 彩灯控制程序173.4.1 梯形图功能介绍183.4.2彩灯控制程序19总 结24致 谢25参考文献26附 录27III第一章 绪论1.1 课题的提出及研究的意义彩灯在我们的日常生活中是随处可见的，无论是美化、亮化工程，还是企业的广告宣传,都借助于彩灯的形式，使得各个城市的夜晚光彩夺目，滨彩纷呈。这些彩灯可以是用霓虹灯管制成各种形状和各种颜色的灯管，也可以是采用白炽灯或者日光灯作为光源，照亮大幅的或巨幅的宣传画。彩灯控制能达到的渲染效果，是通过控制全部或者部分彩灯的亮和灭、闪烁的频率、灯的亮度和灯光流的方向来实现的。在不太复杂的彩灯控制中，一般可采用单片机或者各种专用的彩灯控制器，本设计采用PLC来完成设计。1.2 课题相关的发展前景 当前世界经济迅猛发展随着中国与世界各国问的商品流通日益频繁 现代商业企业竞争的特点更趋于明确化、直接化 激烈化 广告在各领域中扮演着越来越举足轻重的角色。各领域为达到宣传效果 均采用广告手法之一霓虹灯广告屏来实现这一目的。PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，这些霓虹灯的亮灭 闪烁时间及流动方向等均可以通过PLC来达到控制的要求。1.3 课题设计主要要求1) 根据控制要求进行PLC选型，设计PLC硬件系统，I/O点分配表。2) 画出相应的电气原理图、系统连接框图、接线图、操作面板图。3) 设计PLC控制软件。4) 设计监控画面，设计监控程序。5) 选择控制系统元器件，列出明细表。6) 编写设计说明书。第二章 PLC介绍2.1 可编程控制器概况可编程控制器简称PLC。是主要为工业环境下使用的工业计算机，但为了区别于个人计算机（PC），现在任然沿用可编程逻辑控制器（PLC）这个名称。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC，International Electrical Committee）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。再加上其体积小，可靠性高，抗干扰能力强，控制功能完善，适应性强，安装接线简单等众多优点，可编程控制器在问世后至今获得了突飞猛进的发展，在工业控制中得到了非常广泛的应用。并且在工业控制领域中，PLC控制技术的应用已成为世界潮流。PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求自行设计。第 29 页 共 35 页2.2SIMATIC S7-200（PLC）简介2.2.1 产品概述S7-200系列是一种可编程序逻辑控制器（Micro PLC）。它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。2.2.2 SIMATIC S7-200 CPU S7-200 CPU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中，从而形成了一个功能强大的微型PLC。参见图1-1。在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。图2-1 S7-200 微型CPUSiemens公司提供多种类型的CPU以适应各种应用。表1-1中对各种CPU的特性作一简单比较。注：蓝色框内所选为本论文设计的控制系统所用的S7-200的CPU。CPU 226接线图如图1-2所示：图2-2 CPU 226布线图2.2.3 S7-200扩展模块S7-200系列提供多种类型的扩展模块。可以利用这些扩展模块完善CPU的功能。表1-1列出了现有的扩展模块。表1-1 S7-200扩展模块1、数字扩展模块数字扩展模块如表2-2所示:表2-2 数字扩展模块 注：蓝色框内所选为本论文设计的控制系统所选用的S7-200的扩展模块。2、EM223扩展模块的接线图 EM223扩展模块的接线图如图2-3所示:图2-3 EM223扩展模块的接线图2.3 编程软件STEP 7-Micro/WIN介绍2.3.1 计算机配置要求计算机配置要求如图2-4所示:图2-4 计算机配置要求2.3.2 STEP 7-Micro/WIN基本操作1、打开STEP 7-Micro/WIN点击STEP 7-Micro/WIN的图标，打开一个新的项目，图2-6所示为一个新项目。注意左侧的操作栏。可以用操作栏中的图标，打开STEP 7-Micro/WIN项目中的组件。点击操作栏中的通讯图标进入通讯对话框。可以用这个对话框为STEP7-Micro/WIN设置通讯参数。 图2-5 新建STEP7-Micro/WIN项目2、为STEP 7-Micro/WIN设置通讯参数在示例项目中使用的是STEP 7-Micro/WIN和RS-232/PPI多主站电缆的缺省设置。按图2-6检查下列设置： PC/PPI电缆的通讯地址设为0。 接口使用COM1。 传输波特率用9.6Kbps。 图2-63、与S7-200建立通讯用通讯对话框与S7-200建立通讯： 在通讯对话框中双击刷新图标。STEP 7-Micro/WIN搜寻并显示所连接的S7-200站的CPU图标。 选择S7-200站并点击OK。如果STEP 7-Micro/WIN未能找到S7-200 CPU，请核对通讯参数设置，并重复以上步骤。建立与S7-200的通讯之后，就可以创建并下载示例程序。4、创建一个例子程序这个例子程序在三个程序段中用6条指令，完成了一个定时器自启动、自复位的简单功能。在本例中，用梯形图编辑器来录入程序。下面给出了完整的梯形图和语句表程序。语句表中的注释，解释了程序的逻辑关系。时序图显示了程序的运行状态。图2-7为该例的程序。图2-7 示例程序5、打开程序编辑器点击程序块图标，打开程序编辑器，见图2-8。注意指令树和程序编辑器。可以用拖拽的方式将梯形图指令插入到程序编辑器中。在工具栏图标中有一些命令的快捷方式。在输入和保存程序之后，可以下载程序到S7-200中。图2-8 程序编辑第三章 彩灯广告屏控制系统3.1控制任务分析 3.1.1 彩灯布局 本设计需要将广告屏四周布以彩灯，广告屏中间跟四周的彩灯在位子上错开。示意图如下图3-1-1 彩灯广告屏示意图3.1.2彩灯广告屏控制要求(1) 广告屏中间部分有8根彩灯管，从左到右排列，编号为1-8。系统启动后，灯管点亮的顺序依次为：1号2号3号7号8号，时间间隔为1s。8根彩灯全亮后，持续10s。然后按照8号7号6号2号1号的顺序依次熄灭，时间间隔为1s。灯管全部熄灭后，等待2s，在从8号灯管开始，按照8号7号6号2号1号的顺序依次点亮，时间间隔为1s。全部点亮后持续20s，再按照1号2号3号7号8号的顺序熄灭，时间间隔仍为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（I-VI）。系统启动后，按照从IVI的顺序，间隔为1s依次点亮并循环。18s后，按照从VII的顺序，依次点亮并进行循环。再按照IVI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220V AC。3.2 设计相关项目本次设计的任务可以看成是两个独立的部分，广告屏中间部分的彩灯管及广告屏四周的流水灯，首先考虑控制时序。3.2.1 彩灯管的控制时序该彩灯广告屏控制器的控制是顺序控制。顺序功能图设计最基本的思想就是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的步(Step) 并用编程元件来代表各步。完整的顺序功能图如图3-1所示。3.2.2 流水灯的控制时序流水灯的控制时序图 如图3-2所示3.2.3 控制方案1）本设计的plc采用S7-200CPU2262）这是一个典型的顺序控制问题，可以采用顺序控制继电器SCR（图3-3），通过步进指令编程，但是需要是用大量的定时器。在本设计中 ，我们根据彩灯循环顺序的改变，通过移位寄存器的左移或右移就可以实现。图3-3 顺序控制继电器SCR 应用介绍“载入SCR”指令（LSCR）标记SCR段的开始，“SCR结束”指令（SCRE）标记SCR段的结束。“载入SCR”和“SCR结束”指令之间的所有逻辑取决于其执行后S堆栈的值。“SCR结束”和下一个“载入SCR”指令之间的逻辑不取决于S堆栈的数值。我们根据彩灯循环点亮的特点，采用移位寄存器指令编程。这样，彩灯点亮循环顺序的改变，通过移位寄存器的左移或右移就可以实现。移位寄存器位指令“移位寄存器位”指令将数值移入“移位寄存器”。此指令提供用于排序和控制产品流或数据的容易方法。使用此指令移位整个寄存器一位，每个扫描一次。“移位寄存器位”指令将数据的数值移入“移位寄存器”。S_BIT指定移位寄存器的最低位。N指定移位寄存器的长度和移位的方向（移位加= N，移位减= -N）。每个由SHRB指令移出的位放入溢出内存位（SM1.1）。此指令由最低位（S_BIT）和由长度（N）指定的位数定义。设置ENO = 0的错误条件H 0006（间接地址）H 0091（操作数超出范围）H 0092（计数域出错）受影响的SM位：H SM1.1（溢出）输入输出数据类型操作数DATA、S_BitBOOLI、Q、V、M、SM、S、T、C、LNBYTEIB、QB、VB、MB、SMB、SB、LB、AC、*VD、*LD、*AC、常量表3-1 移位寄存器位指令的有效操作数使用下列公式计算移位寄存器（MSB.b）最高位的地址：MSB.b=(S_BIT的字节) + (N - 1 +(S_BIT的位) / 8.除以8的余数例如：如果S_BIT是V33.4，N是14，下列计算显示MSB.b是V35.1。MSB.b = V33 + (14 - 1 +4)/8= V33 + 17/8= V33 + 2带余数1 = V35.1在移位减时，由负的长度（N）数值指示，输入数据移入移位寄存器的最高位，并移出最低位（S_BIT）。移出的数据然后放置在溢出内存位（SM1.1）。在移位加时，由正的长度（N）数值指示，输入数据（数据）移入由S_BIT指定的移位寄存器的最低位，并移出移位寄存器的最高位。移出的数据然后放入溢出内存位（SM1.1）。移位寄存器的最大长度是64位正数或负数。如上图所示显示正和负的N值的移位。3）VI组流水灯，每组流水灯可能有多盏灯，因为PLC得带负载能力有限，考虑通过接触器的触点来接通各组流水灯。3.3程序地址分配 系统软件设计过程中首先根据系统控制要求设计出系统顺序功能图然后根据顺序功能图设计出梯形图。3.3.1 编程元件地址分配 1）输入/输出继电器地址分配 表3-2表3-2 输入/输出继电器地址分配表编程元件I/O端子电路器件作用输入继电器I0.0SB1启动按钮I0.1SB2停止按钮I0.2SB3步进按钮I0.3SA单步/连续选择开关输出继电器Q0.0HL1彩灯1Q0.1HL2彩灯2Q0.2HL3彩灯3Q0.3HL4彩灯4Q0.4HL5彩灯5Q0.5HL6彩灯6Q0.6HL7彩灯7Q0.7HL8彩灯8Q1.0KM1流水灯IQ1.1KM2流水灯IIQ1.2KM3流水灯IIIQ1.3KM4流水灯IVQ1.4KM5流水灯VQ1.5KM6流水灯VI3.3.2 其他编程元件地址分配其他编程元件地址分配如表3-3表3-3 其他编程元件地址分配表编程元件编程地址符号作用辅助继电器M0.0M0启动/停止控制M0.1M1秒脉冲M0.2M2置彩灯左移初值M0.3M3秒脉冲的上升沿M0.4M4置彩灯右移初值M0.5M5置彩灯右移初值M0.6M6置彩灯左移初值计数器C0C0彩灯左移计数，8SC1C1彩灯全亮 10S，累计 18SC2C2彩灯右移计数， 8S，累计 26SC3C3间隔 2S，累计28SC4C4彩灯右移计数， 8S，累计 36SC5C5彩灯全亮 20S，累计 56SC6C6彩灯左移计数， 8S，累计64SC7C7彩灯全灭 2S，累计66SC8C8流水灯移位，18SC9C9流水灯移位，36S3.3.3 输入/输出接线图输入/输出接线图如图3-4所示3.4 彩灯控制程序3.4.1 梯形图功能介绍梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适用于数字量逻辑控制。有时把梯形图称为电路或程序，把梯形图的设计又叫编程。梯形图由触点、线圈和用方框表示的功能块组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的输出条件等。功能块用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。在分析梯形图中的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧垂直“电源线”之间有一个左正右负的直流电源电压，当左侧触点接通时，可以假想的能流流往右边。触点和线圈等组成的独立电路称为网络（Network），用编程软件生成的梯形图和语句表程序中有网络编号，允许以网络以单位，给梯形图加注释。在网络中，程序的逻辑运算按从左到右的方向执行，与能流的方向一致。各网络按从上到下的顺序执行，执行完所有的网络后，返回最上面的网络重新执行。顺序功能图梯形图功能块图结构文本指令表图3-5 梯形图关系图3.4.2 彩灯控制程序彩灯控制程序梯形图如下列图3-6图3-14图3-6 彩灯控制程序梯形图图3-7 彩灯控制程序梯形图图3-8 彩灯控制程序梯形图图3-9 彩灯控制程序梯形图图3-10 彩灯控制程序梯形图图3-11 彩灯控制程序梯形图图3-12 彩灯控制程序梯形图图3-13 彩灯控制程序梯形图图3-14 彩灯控制程序梯形图总 结本次毕业设计的课题涉及的知识面非常广，其中有许多以前疏忽的地方,因此，刚开始时觉得无从下手，摸不着头绪。但是，经过一周多地大量查阅参考资料和相关的杂志以后，基本了解了彩灯广告屏控制的工作原理和结构也对要设计的内容有了较深的认识和大致的了解，也有了大致的设计思路,也了解了设计时应注意的各种问题。在做了大量的准备工作后,我基本确定了一套设计方案，应用所学知识进行控制电路图设计和梯形图的绘制。我认为毕业设计的整个过程就是一个发现问题、分析问题、解决问题的过程，整个毕业设计是在不断解决问题的过程中一步一步向前推进。每个问题的解决都是在知识和心理上对我的一次洗礼。同时我也认识到搞好设计工作，不仅需要充足的知识准备，而且更需要心理上的准备。设计时不但要认真仔细，还必须有极强的耐性和较好的自我调节能力。虽然我的毕业设计论文不是很成熟，还有很多不足之处，但我可以自豪的说，这里面有我的辛勤劳动。毕业设计很大地提高了我对知识的运用能力及解决问题的能力，也进一步加深了我对专业知识的理解，巩固了许多的薄弱环节。这为四年的大学生活画上了圆满的句号。本次设计的成功，离不开老师的热情帮助和不厌其烦的指导。在此表示由衷的感谢！毕业设计，也许是我大学生涯交上的最后一次作业了。想借此机会感谢四年以来给我帮助的所有老师、同学，你们的友谊是我人生的财富，是我生命中不可或缺的一部分。大学生活即将过去，但我却能无悔地说：“我拥有过。”大学给我的影响不能用时间来衡量。四年以来，经历过的所有事、所有人，都将是我以后生活回味的一部分，是我为人处事的指南针。就要离开学校，走上工作的岗位，步入社会的轨道，这将是我人生历程的又一个新的起点，在这里我要祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们一路顺风。致 谢本次毕业设计历时2个多星期，所以时间比较紧，但是在指导老师的带领下，同学们的帮助下制定了设计方案，按时完成了指定的设计任务，在设计过程中，老师对我进行悉心的指导，同学对我热心帮助，并为我提供了大量的相关资料，及时指导我的设计思想，这对我的设计帮助很大，设计的最终完成和指导老师的帮助是密不可分的，赵老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我受益匪浅。这对于我以后的工作和学习都将产生一种巨大的影响，在此感谢他耐心的辅导。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位老师和同学的认真的帮助，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向武汉科技大学中南分校信工院的全体老师表示由衷的谢意。感谢他们四年来的辛勤栽培。在这次毕业设计中，我也非常感谢我的同学，感谢他们在我的这次设计中给我提供很多宝贵的经验和资料，感谢他们对我的方法的赞同和修改。 参考文献1 胡学林.可编程控制器教程（基础篇）.北京：电子工业出版社，2007 2 胡学林.