基于罗克韦尔PLC的霓虹灯控制系统设计

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）辽 宁 工 业 大 学 电气控制与PLC技术 课程设计（论文）题目： 基于罗克韦尔PLC的霓虹灯控制系统设计 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间： 2015.7.6-2015.7.17 本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）： 教研室学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目基于罗克韦尔PLC的霓虹灯控制系统设计课程设计（论文）任务课题完成的功能：6个指示灯，模拟简易的霓虹灯运行过程：按下启动按钮后：(1)在0-10秒期间，各个指示灯按顺序依次点亮，每个点亮的时间为0.5秒；(2)在11-20秒期间，各个指示灯按逆序依次点亮，每个点亮的时间为0.5秒；（3）在21-30秒期间，3个红灯一起点亮0.5秒，熄灭后3个绿灯一起点亮0.5秒；（4）在31-40秒期间，6个灯一起闪烁。以上过程均循环运行。设计任务及要求：1、采用罗克韦尔系列PLC； 2、方案设计，I/O分配表；3、硬件设计和软件开发； 4、运行结果分析；5、撰写课程设计说明书；进度计划 1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2天）；2、设计系统的结构原理图（2天）；3、仪表、控制系统等设备的选型（2天）；4、程序开发及调试（5天）；5、撰写课设论文（2.5天）；6、设计结果考核（0.5天）；指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要霓虹灯广告就是要充分利用霓虹灯的诸多特性, 来实现当代社会对霓虹灯的多样性、趣味性、艺术性和实用性的要求。在当前的都市照明中，对霓虹灯有着更高的要求，在控制上，要求稳定性越来越高，因为楼宇建筑较高，安装和维护越来越困难，如何快捷、可靠、简单的去控制，成为方案考虑的重点。本设计主要阐述了霓虹灯控制系统的设计原理、硬件结构、软件设计及与系统配套的数据和程序，提出一种新的通过罗克韦尔PLC控制霓虹灯的方案，能够使霓虹灯按照预定的顺序进行闪烁，最后指出系统进一步优化的方法，实践证明该设计具有抗干扰性更强、方便灵活和稳定可靠的特点，在成本上也非常有竞争力。关键词：霓虹灯；罗克韦尔；PLC；控制系统目 录第1章 绪论11.1 霓虹灯的发展11.2 罗克韦尔PLC技术1第2章 霓虹灯控制的方案32.1 概述32.2总体设计框图32.3霓虹灯控制顺序4第3章 霓虹灯控制系统硬件设计53.1 PLC ControlLogix系统53.1.1 ControlLogix 控制器.63.1.2 ControlLogix 通信模块.63.1.3 ControlLogix I/O 模块.73.2 I/O分配表73.3 外部接线图8第4章 霓虹灯控制系统软件设计94.1 设计完成的功能94.2 ControlLogix控制器硬件组态94.3 RSLinx Classic Gteway 添加通信驱动114.4 霓虹灯控制系统工作流程图设计124.5 霓虹灯控制系统程序设计12第5章 系统测试与试验结果16第6章 课程设计总结22参考文献23 IV第1章 绪论1.1 霓虹灯的发展霓虹灯一般悬挂在城市建筑物的墙壁上，或者是矗立在建筑物的顶层，霓虹灯是经济发展的标志，应该说城市越发展，霓虹灯就越多彩。霓虹灯是由英文“氖灯”，即“NEON SIGN”得来的，“霓虹”两字实际上是“NEON”的译音，而现在人们已经把“霓虹灯”当作专用词运用了。随着我国经济的快速发展，霓虹灯技术也越来越完善，为了满足社会需要，一些科研机构也加大了对霓虹灯的开发。霓虹灯工作原理简单的说，就是利用了气体通过电流时的放电现象，达到使气体发光的目的，自然界中如雷鸣闪电、电焊的电弧光就是这种放电现象。霓虹灯发光原理具体说，在真空密闭的玻璃管里，充入氖气、氩气或者是二者的混合气体后，有的色彩还需加入一定量的汞，在上千伏电压的作用下，经过瞬间的放电过程，即刻发出特定色彩的光波。霓虹灯的发展可以追溯到英国物理学家和化学家法拉第对气体放电的研究，电流通过含有少量正负离子的气体时，受紫外线、宇宙射线、微量放射物质的作用，在足够高的外加电压作用下运动，并与中性气体分子碰撞后，使中性分子发生电离，因而离子的数目倍增。电流通过气体时还伴有发光现象，即所谓的辉光放电。其发光的颜色随所充气体的不同而不同。法拉第的理论及其在实验上的成就，为霓虹灯技术的发展奠定了坚实的基础。霓虹灯的玻璃管是经过火烤灯管，并将其造型后，将惰性气体，密封在真空玻璃管里，导电后可放射出多彩的光线。霓虹灯玻璃管大致有三个品种，透明管、彩色管、荧光粉管。透明的玻璃管简称明管，一般在管内充入氩气，通电后释放大红色的光。彩色管简称彩管，有红、 绿、黄、蓝等颜色，在其管内一般只充氩气，通电后，即刻发出本身具有的颜色。白色的管是涂了荧光粉的管，简称粉管。根据荧光粉的化学性质的不同，使其自身具有多种特定的颜色，用火花检测器就可检测出来每根管是什么颜色的。霓虹灯可发出的颜色多达几十种，这些是最具代表性的颜色。1.2 罗克韦尔PLC技术美国罗克韦尔自动化公司，简称AB公司，是全球最早生产PLC的厂家之一，也是全球PLC技术最为先进的厂家之一它与德国的西门子、日本的三菱、美国的GE等多家公司一起促进了PLC技术的发展，罗克韦尔公司推出的功能更加灵活、方便的Logix 5550，极大地丰富了可编程控制器的类型，能够进行系统的配置（包括处理器及选型）、程序的筹划、程序的编程调试及运行，最后完成整个自动化系统的设计与运行。Rockwell Allen-Bradley自从20世纪70年代开始生产可编程程序控制器以来，经过几十年的发展，形成了很大的生产规模。罗克韦尔自动化产品自20世纪80年代进入中国市场以来，在中国的年销售额以每年30%的速度递增。据统计，其PLC在北美的市场占有率达67%以上，而且在其它地区的占有率也在日益增长。AB公司的PLC与其它公司的产品相比，除了性能好、可靠性高等特点之外，在通信网络、编程软件等方面还具有独特的优势。PLC ControlLogix在简单易于使用的环境下，实现了卓越的性能，堪称业内典范。ControlLogix控制器最大存储容量可达8兆，支持过程密集型的应用和快速运动控制应用。可以根据应用要求，选用不同存储容量的控制器。CompactFlash卡可做程序的移动存储。多种处理器、多种通讯模块和I/O可以混合使用，不受限制。不需要处理器执行I/O的桥接和路由，随着系统的增大，可用网络把控制分布到另外的机架。由罗克韦尔自动化开发的新版罗克韦尔RSLogix 5000可编程软件现在已经被翻译为汉语。韩语和日语三个版本。目前的最新版本包括30多个特快产品，协助用户简化对控制和信息系统的编程、配置、维修以及故障处理。用户定义添加指针设计，用于提高标准化和改善代码重用。集成驱动配置，潜在使得设置更快，提高准确性及驱动系统易于维修。本设计采用罗克韦尔PLC来作为霓虹灯的控制系统，运用梯形图编程，按照霓虹灯的运行过程来设计程序，通过定时器来达到霓虹灯闪烁或切换的目的，并用6个指示灯来模拟这一过程，能够直观的观察现象。 第2章 霓虹灯控制的方案2.1 概述随着中国经济的飞速发展，霓虹灯的品种、规格也已基本系列化，可供各种用途的选择，其质量已逐步向国际水平靠拢，随着中国加入WTO，与国际水平的差距将越来越小，在不久的将来必将赶超国际先进水平。在当前的都市照明中，对霓虹灯有着更高的要求，在控制上，要求稳定性越来越高，因为楼宇建筑较高，安装和维护越来越困难，如何快捷、可靠、简单的去控制，成为方案考虑的重点。所以本设计采用PLC来作为霓虹灯的控制系统，而正是PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中有较为突出的优势，也成为霓虹灯控制系统选择PLC控制的主要原因，并且PLC还具有低成本、抗干扰性更强、方便灵活和稳定可靠等特点。2.2总体设计框图霓虹灯控制系统主要由启动按钮、罗克韦尔PLC控制器和指示灯构成。系统结构如图2.1所示。罗克韦尔PLC控制器启动按钮指示灯1指示灯2指示灯3指示灯4指示灯5指示灯6图2.1 系统总体框图控制系统启动后，按下启动按钮，然后运行霓虹灯控制程序，6个指示灯，模拟简易的霓虹灯运行过程。通过定时器的使用，控制指示灯的亮灭，使指示灯按照指定的控制过程闪烁。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，此次设计为霓虹灯控制系统的设计，使用罗克韦尔PLC设计的基本步骤和方法，其主要内容包括课题的设计任务与要求，I/0地址分配表，控制流程图，控制器硬件组态及梯形图编程等。ControlLogix系统封装外形小巧且极具成本优势，不仅可提供离散、驱动、运动、过程和安全控制，还具有通信功能和最先进的 I/O。系统采用模块化结构，因此可以高效地进行设计、构建和修改，从而大幅节省培训和工程设计成本，所以本设计围绕此系统进行设计。2.3霓虹灯控制顺序本设计使用6个指示灯，模拟简易的霓虹灯运行过程，按下启动按钮后：(1)在0-10秒期间，各个指示灯按顺序依次点亮，每个点亮的时间为0.5秒；(2)在11-20秒期间，各个指示灯按逆序依次点亮，每个点亮的时间为0.5秒；（3）在21-30秒期间，3个红灯一起点亮0.5秒，熄灭后3个绿灯一起点亮0.5秒；（4）在31-40秒期间，6个灯一起闪烁。以上过程均循环运行。第3章 霓虹灯控制系统硬件设计3.1 PLC ControlLogix系统本次课程设计中使用的是美国 Rockwell Allen-Bradley (AB) 公司的 PLC ControlLogix系统。ControlLogix 系统包括：ControlLogix控制器、适用于不同组合的用户存储器、RSLogix 5000编程软件、位于1756机架内的1756 ControlLogix I/O模块、用于网络通信的独立通信模块。图3.1 罗克韦尔PLC本产品适合顺序、过程、传动和运动控制的模块化、高性能控制平台，每个ControlLogix处理器可以执行多个控制任务，减少所需要的控制器个数，这样，排错更快，可以分别触发多个周期任务以便达到更高的性能水平。不加限制地混合多个处理器、网络和I/O，ControlLogix平台的高性能，一部分源于作为快速NetLinx网络操作的ControlLogix背板，ControlLogix处理器，I/O和通讯模块就像网络上的智能节点。通用的编程环境和Logix控制引擎，无论选用的平台和网络，通过使用通用的控制模型，都可以降低系统成本，简化集成。组态和编程是一致的，这样，不论开始的程序开发还是长远的系统维护，都可以少花力气。连接到NetLinx开放式网络结构，在全厂范围内，从车间到管理层，从互连网到电子化制造应用，信息全部无缝通讯。I/O模块种类繁多，模拟量、数字量和专用I/O模块满足应用要求。简单的 ControlLogix系统由单个机架中的一个独立控制器和多个 I/O模块组成。如果要实现更全面的系统,则需要在单个机架中使用多个控制器,使用多个跨网络连接的控制器,使用分布在多个位置并通过多个 I/O 链路连接的多个平台中的I/O。3.1.1 ControlLogix 控制器ControlLogix控制器提供了一种可升级的解决方案，能对大数量的输入输出点进行寻址。ControlLogix控制器可以插入ControlLogix输入输出机架的任一槽位中，多个控制器能插在同一个机架中，相互之间通过机架背板进行通讯但互相独立工作。ControlLogix控制器通过ControlLogix背板对输入输出进行监控，与同在输入输出链路上一样。ControlLogix控制器能通过RS-232-C(DF1/DH-485协议)、DeviceNet、DH+、ControlNet、EtherNet/IP与计算机或其他处理器进行通讯。如果需要ControlLogix控制器支持某种通讯，只需在机架中插入相应的通讯接口模块即可。ControlLogix控制器多任务操作系统支持32个可配置的任务，这些任务可被设置成不同优先级，只有一个任务作为连续任务运行，其他任务或者由1756-L61周期性运行或由事件来触发。每一个任务最多可有100个程序，每一个程序有它自己的局部数据和处理逻辑，允许在同一个控制器中运行多个虚拟机(Virtual Machine)。1756-L61 ControlLogix 控制器内有1个内置RS-232端口，用户存储器大小为2MB。3.1.2 ControlLogix 通信模块不同的通信模块适用于不同的网络，在ControlLogix背板中安装多个通信模块可在不同的网络间对控制和信息数据进行桥接或路由，最多可在四个机架(八个通信跳转)之间路由消息。EtherNet/IP 网络，该网路应用于工厂管理(物料输送)、单个高速网络上的组态、数据采集及控制、时间要求苛刻的应用、包含商业技术的应用(例如IP视频)、Internet/Intranet连接、集成CIP Motion和CIP Safety等方面。以太网工业(EtherNet/IP)网络协议是一种开放式工业网络标准，既支持实时 I/O消息传递，也支持消息交换。EtherNet/IP网络使用现成的以太网通信芯片和物理介质。1756-ENBT为EtherNet/IP网桥，介质为铜缆，通信速率10/100 Mbps， TCP/IP连接数为64，Logix连接数为128。3.1.3 ControlLogix I/O 模块ControlLogix架构可提供各种输入与输出模块，适用于从高速数字到过程控制等多种应用。ControlLogix 架构使用生产者/消费者模式，因此输入信息和输出状态可在多个控制器之间共享。每个 ControlLogix I/O模块都安装在ControlLogix机架中，需要可拆卸端子块(RTB)或者1492接口模块(IFM)才能连接所有现场接线。利用可拆卸端子块 (RTB)可将工厂接线与1756 I/O模块灵活地交互，RTB插在I/O模块的前面，模块的类型决定了所需的 RTB。罗克韦尔自动化提供了多种可用于ControlLogix系统的ControlLogix I/O 模块。选择I/O模块时，需注意罗克韦尔自动化提供各种数字量、模拟量和专用 I/O模块。这些I/O模块的功能包括：现场诊断、电子熔断、单独隔离的输入/输出。需要可拆卸端子块(RTB)或1492接线系统与I/O模块配合使用。可使用1492 PanelConnect模块和电缆将输入模块连接到传感器。1756-IB16模块的输入/输出点数为16点输入(8个点/组),电压类别为12/24V DC灌入型, 工作电压范围10-31.2V DC，可拆卸端子块1756-TBNH,1756-TBSH。1756-OB32模块的输入/输出点数为32点输出(16个点/组), 电压类别为12/24V DC拉出型, 工作电压范围10-31.2V DC，可拆卸端子块1756-TBCH，1756-TBS6H。3.2 I/O分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输入信号启动信号按钮startLocal：5：I.Date.0输出信号light1点亮信号指示灯light1Local：9：0.Date.0light2点亮信号指示灯light2Local：9：0.Date.1light3点亮信号指示灯light3Local：9：0.Date.2light4点亮信号指示灯light4Local：9：0.Date.3light5点亮信号指示灯light5Local：9：0.Date.4light6点亮信号指示灯light6Local：9：0.Date.53.3 外部接线图霓虹灯控制系统外部接线图如图3.2所示。图3.2 PLC外部接线图第4章 霓虹灯控制系统软件设计4.1 设计完成的功能 霓虹灯的操作简单明了，可循环重复点亮，引人注目，且光亮艳丽，宣传效果较好，有利于突出企业的名称、厂牌和商标特点。本设计使用6个指示灯，模拟简易的霓虹灯运行过程：按下启动按钮后：(1)在0-10秒期间，各个指示灯按顺序依次点亮，每个点亮的时间为0.5秒；(2)在11-20秒期间，各个指示灯按逆序依次点亮，每个点亮的时间为0.5秒；（3）在21-30秒期间，3个红灯一起点亮0.5秒，熄灭后3个绿灯一起点亮0.5秒；（4）在31-40秒期间，6个灯一起闪烁。以上过程均循环运行。4.2 ControlLogix控制器硬件组态创建一个新的控制器文件如图4.1所示。图4.1 创建控制器组态网络通信模块如图4.2所示。图4.2 组态网络通信模块组态输入模块如图4.3所示。图4.3 组态输入模块组态输出模块如图4.4所示。图4.4 组态输出模块4.3 RSLinx Classic Gteway 添加通信驱动添加Ethernet/IP通信驱动如图4.5所示图4.5 RSLinx的主界面4.4 霓虹灯控制系统工作流程图设计根据本设计的要求，对霓虹灯的闪烁过程进行了设计，流程图如图4.6所示。由定时器控制，灯从1-6依次亮起，时间间隔0.5秒由定时器控制，灯从6-1依次点亮，时间间隔0.5秒由定时器控制，灯1,3,5先亮，然后灯2,4,6再亮，时间间隔为0.5秒按下启动按钮由定时器控制，6个灯一起闪烁,时间间隔0.5秒图4.6 霓虹灯工作流程图4.5 霓虹灯控制系统程序设计霓虹灯控制系统使用梯形图编程，程序如图4.5所示。图4.5 霓虹灯梯形图程序第5章 系统测试与试验结果本设计完成硬件组态和梯形图编程后，进行了程序的调试与运行，程序能够成功运行，指示灯能够按照预期的设定点亮。(1)在0-10秒期间，各个指示灯按顺序依次点亮，每个点亮的时间为0.5秒，试验结果如图5.1所示。图5.1 指示灯顺序点亮(2)在11-20秒期间，各个指示灯按逆序依次点亮，每个点亮的时间为0.5秒，试验结果如图5.2所示。图5.2 指示灯逆序点亮（3）在21-30秒期间，3个红灯一起点亮0.5秒，熄灭后3个绿灯一起点亮0.5秒，试验结果如图5.3所示。 图5.3 红绿指示灯交替点亮（4）在31-40秒期间，6个灯一起闪烁，试验结果如图5.4所示。 图5.4 全部指示灯闪烁第6章 课程设计总结本课题的目的主要是控制霓虹灯的闪烁，输入程序后可以使霓虹灯按照预定的顺序进行自动闪烁，达到宣传的目的。本设计使用了6个指示灯，来模拟简易的霓虹灯运行过程，使其能按顺序进行亮灭。本次设计采用了较多的定时器，通过对定时器的控制达到霓虹灯闪烁的目的。程序涉及到很多定时器的复位问题，要时刻注意定时器定时的选择。再者本次设计采用顺序循环点亮霓虹灯的方法，此法实现较为困难。本次设计首先分析课题要求，决定使用罗克韦尔PLC来控制霓虹灯，一步一步通过定时器的定时实现，中间用到了复位指令，使用了多个定时器，定时器控制的霓虹灯闪烁的时间间隔为0.5秒，同时采用按钮达到启动霓虹灯的目的。本设计使用梯形图编写程序，方便调用和调试。此种方法的优点是程序编写比较简单，运行过程直观方便，且由于本课对定时精确度要求并不高，适宜采用。若是在对定时精度