基于PLC彩灯控制系统设计.doc

前言 随着科学技术的发展以及人民生活水平的提高，在现代生活中，彩灯作为一种装饰，既可以增强人们的感观，起到广告宣传的作用，又可以增添节日气氛，为人们的生活增添亮丽，用在舞台上增强晚会灯光效果。随着电子技术的发展，应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻的方向发展，PLC技术的应用引起电子产品及系统开发的巨大变革。梯形图语言作为可编程逻辑器件的标准语言描述能力强，覆盖面广，抽象能力强，在实际应用中越来越广泛。在这个阶段，人们开始追求贯彻整个系统设计的自动化，可以从繁重的设计工作中彻底解脱出来，把精力集中在创造性的方案与概念构思上，从而可以提高设计效率，缩短产品的研制周期。整个过程通过PLC自动完成，大大减轻了设计人员的工作强度，提高了设计质量，减少了出错的机会。目 录摘要前言1 概述11.1 PLC课程设计任务11.2 PLC课程设计要求12 PLC的相关知识12.1 PLC的历史和发展12.2 PLC的定义和特点 3 2.3 PLC的应用领域42.4 PLC的工作原理43控制系统的硬件设计53.1 PLC硬件配置53.2 控制面板设计 63.3 PLC的外部接线图64控制系统的软件设计74.1 I/O分配表74.2 控制系统的顺序功能图84.3 梯形图程序94.4控制系统测试与分析105设计总结116参考文献127 电气设备及其元件明细表131 概述1.1 PLC课程设计任务用PLC设计彩灯控制系统，本题为9灯循环1、实现自动、单周期二种工作方式，用转换开关控制 单周期：彩灯工作一个周期后自动停止，若运行过程中按停止按钮，所有灯全部熄灭。 自动：彩灯工作一个周期后，不停止，而是开始下一个周期，若运行过程中按停止按钮，彩灯运行状态不变，而是要等到本周期结束后，再全部熄灭。2、彩灯有二种闪烁频率1HZ、0.5HZ可用转换开关控制。3、彩灯工作一个周期中要有单灯循环点亮、3灯循环点亮、全灭的过程。1.2 PLC课程设计要求1、设计系统的PLC外部电气接线图2、系统的操作面板3、设计好顺序功能图4、系统的T形图2 PLC的相关知识2.1 PLC的历史和发展在PLC诞生之前，工业控制设备的主流品种是以继电器、接触器为主体的控制装置。继电器、接触器是一些电磁开关。其结构是由励磁线圈、铁心磁路、触点等部件组成。其中触点是接通或断开电路的部件，依励磁线圈通电前的状态又可分为常开和常闭两种类型。线圈通电前呈断开状态的为常开触点，呈接通状态的为常闭触点。通过继电器接触器及其它控制元件的线路连接，可以实现一定的控制逻辑，从而实现生产设备的各种操作控制。人们将由导线连接决定器件间逻辑关系的控制方式称为接线逻辑。随着工业自动化程度的不断提高，使用继电器电路构成工业控制系统的缺陷不断暴露出来。首先是复杂的系统使用成百上千个各种各样的继电器，成千上万根导线连接得密如蛛网。只要有一个继电器、一根导线出现故障，系统就不能正常工作，这就大大降低了这种接线逻辑系统的可靠性。其次是这样的系统维修及改造很不容易，特别是技术改造，而在20世纪60一70年代，社会的进步要求制造业生产出小批量、多品种、多规格、低成本、高质量的产品以满足市场需要，不断地提出改善生产机械功能的要求。加上当时电子技术己经有了一定的发展，于是人们开始寻求一种以存储逻辑代替接线逻辑的新型工业控制设备一一这就是PLC。世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。20世纪70年代中期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术己全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中己获得了广泛的应用。20世纪末期，可编程控制器的特点是更加适应于现代工业控制的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机;从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司系列PLC。 为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。 根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。 在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。2.2 PLC的定义和特点可编程控制器(PROGRAMMOBLECONTROLER)简称PC，个人计算机(PERSONALC舰PUTER)也简称PC，为了避免混淆，人们将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC。在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义:PLC是一种专门为了在工业环境下应用而设计的数字运算操作装置。它采用一可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。PLC及有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。（1） 可靠性高，抗干扰能力强。（2） 通用性强，使用方便。（3） 采用模块化结构，使系统组合灵活方便。（4） 编程语言简单、易学，便于掌握。（5） 系统设计周期短。（6） 对生产工艺改变适应性强。（7） 安装简单、调试方便、维护工作量小2.3 PLC的应用领域目前，PLC在国内己广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类:1、开关量的逻辑控制这是PLC最基本最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控及自动化流水线.2、数据处理PLC可以用于对直线运动或圆周运动的位置速度和加速度的控制。3、运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/0模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。 4、过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制，PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。5、控制网络（通信） 随着计算机控制系统的发展，近年来工厂自动化通信联网发展得很快，各个著名的PLC生产厂商推出了自己网络系统。 2.4 PLC的工作原理PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键入到PLC的用户程序存储器中寄存。PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。PLC扫描工作方式主要分三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。（1） 输入采样 PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输入端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。（2） 程序执行 PLC完成了采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。（3） 输出刷新 在执行到END的命令时，即执行完用户所有的程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。3控制系统的硬件设计3.1 PLC硬件配置根据控制系统的需要，本控制系统采用日本三菱公司生产的FX2N24MR PLC，该种PLC 结构紧凑、可靠性高、通用性强，功能完善、操作方便，在一个PLC 里面集成了输入端、输出端。设计紧凑，所有功能集成在一起，使用简单，十分灵活方便。 基本单元：内置电源（输入模块不需外接电源，它由内置电源供电）、I/O模块及CPU与存贮器，是PLC的核心部分。既可单独使用，又可与扩展单元、扩展模块组合使用。 可以增加基本单元的I/O点数，内置电源。扩展模块：扩展I/O点数，但电源由基本单元或扩展单元供电。每台基本单元或扩展单元最多可联接2台扩展模块。 特殊功能模块：FX2N-16NT，用于通信；FX2N-3A，可提供2路模拟量输入，1路模拟量输出。来选用。3.2 控制面板设计图3-1 操作面板示意图系统操作面板如图3-1所示，闪烁开关有两个X2和X3，分别对应1HZ和0.5HZ，他们使彩灯产生两种不同频率的闪烁;X4和X5分别控制彩灯运行的状态，即单周期状态与自动状态。彩灯开启用X0按钮控制，X1按钮控制彩灯停止运行。如此，使彩灯得以循环工作。3.3 PLC的外部接线图根据系统总方框图和设计要求，基于PLC彩灯循环控制系统的外部接线图如图3-2。彩灯控制系统用X0开启，X2和X3分别表示彩灯闪烁频率1.0HZ和0.5HZ，X4控制彩灯单周期运行，X5控制彩灯自动运行。其中，X0是点动开关，X2、X3是一组单刀双掷开关，X4和X5是一组单刀双掷开关，指针指向那个开关，相应的设置就导通。Y0Y8表示9个LED彩灯。KM1KM9是电磁继电器，通电时其常开触点闭合，常闭触点断开。Y0Y3共用一个COM端子，Y4Y8共用另一个COM端子，而输出共用一个电源，所以将两个COM端子连在一起，实现电源的共用。FR是熔断器，当出现短路或者温度过高时自动切开电路，保护电路。图3-2 PLC的外部接线图4控制系统的软件设计4.1 I/O分配表该系统的I/O 分配表如表4-1 所示。整个系统有六个输入开关，9个LED输出。彩灯控制系统采用并行序列，在闪烁电路下执行彩灯的循环点亮，而点亮方式又分为单灯循环点亮和3灯循环点亮，使彩灯按照不同的频率闪烁。表 4-1 I/O分配表 输入输出启动按钮X0LED1Y0停止按钮X1LED2Y1闪烁1.0HZ开关X2LED3Y2闪烁0.5HZ开关X3LED4Y3单周期开关X4LED5Y4自动开关X5LED6Y5LED7Y6LED8Y7LED9Y84.2 彩灯控制系统的顺序功能图彩灯控制系统顺序功能图如图4-1所示。由图可知控制系统步序共分7步，分别用M00M06代表这7步。其中M201和M204代表产生1.0Hz彩灯闪烁频率，M202和M205代表产生0.5HZ彩灯闪烁频率；M203代表单灯循环步，执行单灯循环点亮程序；M206代表三灯循环步，执行三灯循环点亮程序。X4代表彩灯工作一个周期后自动停止，若运行过程中按停止按钮，所有灯全部熄灭。X5代表彩灯工作一个周期后，不停止，而是开始下一个周期，若运行过程中按停止按钮，彩灯运行状态不变，而是要等到本周期结束后，再全部熄灭。 M200M203M206M201M202Y0K9Y0K9T0T1M204Y10M205Y11C0C1图4-1彩灯控制系统顺序功能图4.3 梯形图程序梯形图程序如图4-2所示。 图4-2 梯形图程序4.4控制系统测试与分析控制系统最终是要投入实际生产之中，在这之前必须进行调试，以便发现问题及时解决。本系统的调试主要是利用电气工程系的实验设备进行模拟。根据前面的分析，限位开关采用点动开关模拟，输出都采用指示灯表示不同的状态，以模拟系统的工作的正确性。从分析结果来看，系统基本是按设计要求进行工作，误差在课程设计容许的范围之内。5 设计总结课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，PLC已经成为当今空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握PLC的开发技术是十分重要的。通过这次对彩灯控制系统的PLC控制，让我了解了PLC梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己处理问题快一些，少走弯路。 回顾起此次PLC课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅