毕业设计（论文）-基于S7-200的舞台艺术彩灯控制毕业设计.doc

基于S7-200的舞台艺术彩灯控制毕业设计 杜胜杰 河南工业职业技术学院毕业设计 基于S7-200的舞台艺术彩灯控制毕业设计专业名称：电气自动化技术学生姓名：导师姓名：职 称：河南工业职业技术学院2016年09 月 中图分类号： 密级： UDC： 单位代码：基于S7-200的舞台艺术彩灯控制S7-200 stage art lantern control design 姓 名学制三年专 业电气自动化技术研究方向PLC导 师职称论文提交日期2012.10.20论文答辩日期2012.12.26河南工业职业技术学院电气自动化技术毕业设计 摘要摘 要PLC的应用领域已经拓宽到了各个领域，在日常生活中，智能抢答器广泛的应用于各种竞赛和抢答场合。由于PLC系统的抢答器相对稳定，所以设想可以利用PLC进行抢答器的设计。 开始抢答前，主持人首先通过复位按钮实现电路复位，在提问之后，打开选择开关启动定时器。在抢答限时内，当某一组抢先按下抢答按钮后，对应的辅助继电器接通，同时切断其它抢答回路，实现互锁。抢答成功后，辅助继电器接通，启动音效电路和某分台指示灯，驱动外部数码显示器显示抢答成功组号。抢答成功后，同时启动定时器，当定时器计时结束，启动音效电路和指示灯提示回答时间到。如果在限时内无人抢答，则启动音效电路和总台指示灯。关键词 抢答器；可编程控制器； ABSTRACT PLC application field has been broaden from various fields, in daily life, intelligent vies to answer first device widely used in various competitions and vies to answer first occasion. Due to the PLC system responder relative stability, so imagine can use PLC for the design of the responder. Before start vies to answer first, the first through the reset button realize circuit reset, the questions later, open the selector switch start timer. In vies to answer first time, when a group of preemptive press vies to answer first button, the corresponding auxiliary relay on, at the same time cut off other vies to answer first circuit, realize interlock. Vies to answer first after the success of the auxiliary relay on, start sound circuit and some points table lamp, drive external digital display shows vies to answer first successful group number. After the success of the vies to answer first, and the launch of the timer, when the timer timing over, start sound circuit and light hint time to answer. If the time no contest, will enable audio circuit and desk lamp.Key word: responder； PLC (programmable logic controller);电气自动化技术毕业设计 目录目录1 总设计思路22 S7-200系列PLC基本知识32.1 S7-200系列PLC概述32.2 扩展模块32.3 S7-200的编程软件42.4 S7-200的数据长度和编址方式52.5 编程注意事项62.6 梯形图设计方法63 硬件设计103.1 PLC选型103.2 I/O分配及接线图104 软件设计124.1 顺序功能图124.2 梯形图135 工作原理206 心得体会217 参考资料221电气自动化技术毕业设计 第1章 总体设计思路1 总体设计思路本次PLC课程设计题目为舞台艺术彩灯的PLC控制，控制要求主要围绕七盏灯（Q0.0-Q0.6）进行的，颜色分别为红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、粉色、紫色。花样1中的要求首先红色彩灯点亮；经过2秒后自动熄灭，同时橙色彩灯点亮；经过2秒后自动熄灭，黄色彩灯点亮；紫色彩灯熄灭之后，红色彩灯又继续点亮，如此循环；花样2中要求七盏彩灯同时闪（亮0.5s、灭0.5s）；花样3中要求七盏彩灯依次都亮，间隔时间为1秒；然后反方向依次全灭；如此循环。按下启动按钮SB1后，七盏彩灯首先按花样1点亮，循环3次后按花样2点亮，5秒后再按花样3点亮，循环3次后按花样4点亮，循环3次后按花样1点亮，完成一个大循环。按下停止按钮SB2，彩灯停止工作。乍一看设计题目如此复杂、繁琐。采用传统的设计方法将会为本次设计带来不必要的麻烦，应采用顺序控制法。程序较复杂毫无章法可循。仔细分析实验要求发现四种花样显示是循环完本身的次数后依次进行来完成一个大循环且控制对象为七盏彩灯的亮灭。综合考虑，可采用传送指令和比较指令完成本次设计。实验要求虽然复杂但是却是按照时间顺序的方法走下去，每一步对应着彩灯花样的变化，采用传送指令可满足对彩灯变化要求。本次设计宜采用主程序调用子程序的方法。主程序为七盏彩灯4种花样的得电回路，利用定时器、计数器和比较指令的组合让四种花样限制分别在其对应的时间内得电，各个子程序编写对应花样网络，这样编写的目的是调试程序方便且便于修改。1电气自动化技术毕业设计 第2章 S7-200系列PLC基本知识2 S7-200系列PLC基本知识2.1 S7-200系列PLC概述西门子S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列和CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号，其主要技术规范如表2-1所示。表2-1 S7-200CN CPU主要技术规范特性CPU 221CPU 222CPU 224CPU 224XPCPU 226外形尺寸（mm)908062908062120.5806214080621908062程序存储器： 可在运行模式下编辑不可在运行模式下编辑4096字节4096字节4096字节4096字节8192字节12288字节12288字节16384字节16384字节24576字节数据存储库2048字节2048字节8192字节10240字节10240字节掉电保持时间50小时50小时100小时100小时100小时本机I/O 数字量 模拟量6入/4出8入/6出14入/10出14入/10出2入/1出24入/16出扩展模块数量0个模块2个模块7个模块7个模块7个模块模拟电位器11222通讯口1 RS-4851 RS-4851 RS-4852 RS-4852 RS-4852.2 扩展模块 扩展单元没有CPU，作为基本单元输入/输出点数的扩充，只能与基本单元连接使用，不能单独使用。连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连。 S7-200的扩展模块包括数字量扩展模块，模拟量扩展模块，热电偶、热电阻扩展模块，通信模块，称重模块，位置控制模块等。模拟量、数字量扩展模块分别如表2-2、表2-3所示。表2-2 模拟量扩展模块型号点数EM2314路模拟量输入EM2322路模拟量输入EM2354路模拟量输入，1路模拟量输入表2-3 数字量扩展模块类型型号各组输入点数各组输出点数输入扩展模块EM211EM211 24V DC输入4,4EM211 230V AC输入8点相互独立输出扩展模块EM222EM222 24V DC输入4，4EM222 继电器输出4，4EM222 230V AC双向晶闸管输出8点相互独立输入/输出扩展模块EM223EM223 24V DC输入继电器输出44EM223 24V DC输入24V DC输出4，44，4EM223 24V DC输入24V DC输出8，84，4，8EM223 24V DC输入继电器输出8，84，4，4，44电气自动化技术毕业设计 第3章 硬件电路设计3 硬件电路设计3.1 PLC工作原理PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。 循环扫描过程如图3.1所示：内部处理通信操作输入处理程序执行输出处理停止 图3.1 循环扫描流程图Figure 3.1 Circulation scanning flow chart工作过程：主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。（1）内部处理阶段：在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。（2）通信服务阶段在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容 1输入处理 输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。 2程序执行 根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。 3输出处理 程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 4.PLC的工作状态 PLC 有两种工作状态，即运行(RUN)状态与停止(STOP)状态。运行状态是执行应用程序的状态。停止状态一般用于程序的编制与修改。图2.7给出了运行和停止两种状态下PLC 不同的扫描过程。由图可知，在这两个不同的工作状态中，扫描过程所要完成的任务是不尽相同的。在运行状态，PLC 通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC 的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC 停机或切换到停止(STOP)工作模式。在内部处理阶段，PLC 检查CPU 模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其他内部工作。在通信服务阶段，PLC 与其他带微处理器的智能装置通信以更新编程器的显示内容。当PLC 处于停止模式时，只执行以上两种的操作。PLC 处于运行(RUN)模式时，还要完成另外三个阶段的操作。5.扫描周期和响应时间PLC 在运行状态时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为0.5ms100ms。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：CPU 执行指令的速度，执行每条指令占用的时间；程序中指令条数的多少。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU 执行速度有很大关系，一般说来，一个扫描过程中，输入采样和输出刷新所占时间较少，执行指令的时间占了绝大部分。PLC的响应时间是指从PLC外部输入信号发生变化的时刻起至由它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔，也叫做滞后时间(通常滞后时间为几十毫秒)。它由输入电路的时间常数、输出电路的时间常数、用户语句的安排和指令的使用、PLC 的循环扫描方式以及PLC 对I/O 的刷新方式等部分组成。这种现象称为I/O 延迟响应或滞后现象。由于PLC 的这种周期循环扫描工作方式，决定了响应时间的长短与收到输入信号的时刻有关。响应时间可以分为最短响应时间和最长响应时间。（1）最短响应时间如果在一个扫描周期刚结束之前收到一个输入信号，在下一个扫描周期之前进入输入采样阶段，这个输入信号就被采样，使输入更新，这时响应时间最短。（2）最长响应时间如果收到一个输入信号经输入延迟后，刚好错过I/O 刷新的时间，在该扫描周期内这个输入信号无效，要到下一个扫描周期输入采样阶段才被读入，使输入更新，这时响应时间最长。由于PLC 采用循环扫描的工作方式，即对信息串行处理方式，必定导致输入、输出延迟响应，产生滞后现象。对于一般工业控制要求，这种滞后现象是允许的。但是对那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以使用智能输I/O单元(如快速响应I/O模块)或专门的指令(如立即I/O指令)，通过与扫描周期脱离的方式来解决。3.2 PLC机型选择步骤与原则 PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。 而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。(一) 合理的结构型式PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。(二) 安装方式的选择PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程IO电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。(三)相应的功能要求一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD和DA转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。(四)响应速度要求PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。(五)系统可靠性的要求对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。3.3 PLC的容量包括IO点数和用户存储容量两个方面(一)IO点数的选择PLC平均的IO点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的IO点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的IO点最少，但必须留有一定的裕量。通常IO点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上1015的裕量来确定。(二) 存储容量的选择用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。PLC的IO点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在IO点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加2030的裕量。存储容量（字节）开关量IO点数10 模拟量IO通道数100另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。3.4 控制要求分析当主持人打开启动开关后，在设定时间T1 内，如果某组抢先按下抢答按钮，则驱动音效电路发出声响，并且在8段数码管显示器上显示出抢答成功的组号，此时电路实现互锁，其他组再按下抢答按钮为无效;在抢答成功后，定时器停止工作。显示器显示选手的编号和抢答的时间。主持人打开开关S，系统清零。3.5 抢答电路分析图3.2 系统结构框图Figure 3.2 system structure diagramHR2HR1SB SB1HL1P HL2SB2 SB3HL3 SB4HL4￥ HL5LSB5 HL6SB6 HL7&SB7 SB88HL8 HL9 HL15HL14HL13HL12HL11HL10C HL16 HL21HL20HL19HL18HL17 HL22 HL23 HL29HL28HL27HL26HL25HL24 图3.3 系统外部接线图Figure 3.3 system outside wiring diagram3.6 程序流程图12电气自动化技术毕业设计 第4章 软件设计4 软件设计4.1 I/O分配表输入SI1.0 主持人开关S1I0.0 1号选手按纽S2I0.1 2号选手按纽S3I0.2 3号选手按纽S4I0.3 4号选手按纽S5I0.4 5号选手按纽S6I0.5 6号选手按纽S7I0.6 7号选手按纽S8I0.7 8号选手按纽输出HRQ5.0 蜂鸣器HL1Q4.0 1号选手指示灯HL2Q4.1 2号选手指示灯HL3Q4.2 3号选手指示灯HL4Q4.3 4号选手指示灯HL5Q4.4 5号选手指示灯HL6Q4.5 6号选手指示灯HL7Q4.6 7号选手指示灯HL8Q4.7 8号选手指示灯HL9Q5.1选手编号数码显示HL10Q5.2 HL11Q5.3HL12Q5.4 HL13Q5.5 HL14Q5.6 HL15Q5.7 HL16Q6.0时间倒计时数码显示(十位)HL17Q6.1HL18Q6.2HL19Q6.3HL20Q6.4HL21Q6.5HL22Q6.6HL23Q7.0时间倒计时数码显示(个位)HL24Q7.1HL25Q7.2HL26Q7.3HL27Q7.4HL28Q7.5HL29Q7.64.2根据控制要求进行梯形图设计(一号选手抢答按钮)(二号选手抢答按钮)(三号选手抢答按钮)(四号选手抢答按钮)(五号选手抢答按钮)(六号选手抢答按钮)(七号选手抢答按钮)(八号选手抢答按钮)（主持人闭合抢答开关，即I1.0闭合，抢答开始。8组选手任一选手按其抢答按钮，将其输出自锁。当抢答结束或无人抢答时，主持人打开开关S,即I1.0打开，系统清零）（1号选手指示灯）（2号选手指示灯）（3号选手指示灯）（4号选手指示灯）（5号选手指示灯）（6号选手指示灯）（7号选手指示灯）（8号选手指示灯）（优先抢答的选手对应的指示灯亮。该段梯形图使用互锁。一旦有选手选中，其他选手抢答无效）.（T1为特殊的定时器，其定时为30秒，输出16进制。8位选手一旦其中一位抢答成功，M1.0常闭触电断开，T1以BCD输出）（蜂鸣器）数码管1选手编号（选手编号显示数码管a段）（选手编号显示数码管b段）（选手编号显示数码管c段）（选手编号显示数码管d段）（选手编号显示数码管g段）（选手编号显示数码管f段）（选手编号显示数码管e段）数码管2计时器十位（数码管十位d段）（数码管十位a段）（数码管十位e段）（数码管十位b段）（数码管十位f段）（数码管十位c段）（数码管十位g段）（数码管十位g段）（数码管十位f段）数码管3计时器个位（数码管个位c段）（数码管个位b段）（数码管个位a段）（数码管个位g段）（数码管个位f段）（数码管个位e段）（数码管个位d段）23电气自动化技术毕业设计 第5章 仿真与调试5 仿真与调试5.1 仿真软件GX Developer8.0概要 GX Developer8.0编程软件是FX系统PLC专用的编程软件，其编程界面和帮助文档均已汉化，占用空间小，安装好后仅占用约90MB的空间，功能较强，在Windows98/2000/XP系统下均可运行。GX Developer主要是指能执行以下功能的软件包： 1. 程序的创建 2. 对可编程控制器CPU进行写入、读出 3. 监视(例如：软元件批量监视) 监视有梯形图监视、软元件批量监视、软元件登录监视功能。 4. 调试 将所创建的顺控程序写入到可编程控制器CPU中，对顺控程序能否正常动作进行测试。此外，通过使用新开发的GX Simulator,可以在单台个人计算机中进行调试。5. PLC诊断 由于显示了当前的出错状态以及故障记录等，因此可以在短时间内完成除错。此外，通过系统监视(仅为QCPU(Q模式)可以获取关于特殊功能的详细信息，因此在出错时可以在更短的时间内完成除错。 5.