基于plc控制的流水灯设计_毕业设计论文.doc

课程设计任务书 题 目: 基于plc控制的流水灯课程设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级: 10级电气工程（1）班 完 成 期 限： 2013年05月25日 指导教师签名： 课程负责人签名： 2013年04月15日课程设计报告撰写格式1、 课程设计说明书用纸一律采用A4幅面，有条件最好打印。打印正文用宋体小四号字；版面页边距：上2.5cm，下2.5cm，左3cm，右2cm；页码用小五号字底端居中；左边装订；行距22磅。2、课程设计报告一般由以下几部分组成：A任务书； B目录； C正文； D参考文献；E.附录。 3、报告正文撰写的题序层次格式：第一种第二种第一章（居中、小二号黑体字）1（居中、小二号黑体字、）第一节（顶格、小三号黑体字）11（顶格、小三号黑体字） 一（顶格、四号黑体字）111 （顶格、四号黑体字）（一）（顶格、小四号黑体字）课程设计说明书题目：基于plc控制的流水灯课程设计院 （系）：机电工程学院 专业班级：10级电气工程一班 成 绩： 时间： 2013 年 05 月 20 日至 2013 年 05 月 25 日摘要随着社会经济的发展，城市美化问题越来越引起人们的关注。由于流水灯所具有的特有流动感而广泛应用于广告控制及人们生活中，给人们一种美感，为人们生活带来乐趣。在现代生活中，大型楼宇的轮廓装饰或大型晚会的灯光布景，由于其变化多、功率大，数字电路则不能胜任。实现流水灯闪烁系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。其中用标准逻辑器件来实现电路在很大程度上要受到逻辑器件如门电路等的影响，调试工作极为不易，而单片机编程复杂不容易掌握。因此，最终我们选择了用可编程的控制器PLC来实现系统功能的设计。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，在现代工业中的应用更加突出。城市交通灯控制采用的可编程制器具有可靠性高、维护方便，用法简单、通用性强等特点，本文用三菱FX2N的可编程控制器控制流水灯闪烁来说明可编程控制器硬件、软件的设计。解决好流水灯控制问题将是保障城市美丽、时尚、快节奏生活的重要环节。三菱系列的可编程序控制器技术来实现对流水灯的信号控制。关键词：PLC 流水灯 程序 控制Abstract With the development of economy and society, city beautification problems caused by more and more peoples attention. , due to water lamp has a unique sense of flow and widely applied in control and the life of people,give people a sense of beauty,to people the life brings fun.In modern life,a large building decorative outline or large Party light background,because of its changes, Big power,digital circuit is not equal to. Realization of road lights flashing system control method a lot of,can use the standard logic devices,programmable logic controller PLC, SCM scheme. The standard logic devices to realize the circuit to a large extent by the logic device such as a gate circuit and so on, debugging is extremely difficult,and the single chip microcomputer programming complex is not easy to grasp,therefore, we chose to use programmable controller PLC to realize the design of system function. The programmable controller in the industrial automation position is extremely important,is widely used in every industry.With the development of science and technology,The function of the programmable controller is increasingly perfect,coupled with the miniaturization, low price, high reliability,Application in modern industry is more outstanding.City traffic light control adopts programmable controller has the advantages of high reliability, convenient maintenance, easy to use,good commonality,the Mitsubishi FX2N programmable controller to control water lightsTo illustrate the programmable controller hardware,software design.Solve good light control problem would be to protect the city beautiful,fashionable,fast paced life important link. Mitsubishi series PLC technology to achieve the water light signal control.Key words: PLC Light water Program Control1.绪论1.1 引言随着改革的不断深入,社会主义市场经济的不断繁荣和发展,各大中小城市都在进行亮化工程。企业为宣传自己企业的形象和产品,均采用广告手法之一:流水灯广告屏来实现这一目的.当我们夜晚走在大街上,马路两旁各色各样的广告灯均可以见到,一种是采用流水灯管做成的各种形状和多中彩色的灯管,另一种为日光等管或白炽灯管作为光源,另配大型广告语或宣传画来达到宣传的效果。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。可编程控制器PLC：英文全称Programmab leLogic Controller,中文全称为可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在社会环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.作为自动控制装置的核心,它具有功能强,可靠性高等诸多优点。该装置可以完成各种指令系统训练以及多种控制对象的程序设计训练。1.2 采用流水灯的意义和目的随着社会市场经济的不断发展，各种装饰流水灯，广告流水灯越来越多的出现在城市中。在大型的晚会现场，流水灯更是不可缺少的一道景观。小型的流水灯多为采用霓虹灯管和各种各样和多种彩色的灯管，或是以日光灯，白炽灯做为光源。而现代生活中大型楼宇的轮廓装饰或大型晚会的灯光布景，由于其变化多，功率大数字电路则不能胜任。针对PLC日益日益得到广泛应用的现状，本文介绍PLC在不同变化类型的流水灯控制中的应用，灯的亮灭，闪烁时间及流动的控制均通过PLC来达到控制要求。1.3 本次设计的主要内容本次设计要求利用在学校学的PLC知识，应用于流水灯控制系统中。控制要求：有7个流水灯依次循环点亮，每个灯点亮的时间为3秒。2. 流水灯系统的主要硬件设备的介绍2.1可编程控制器的发展历史在工业生产过程中，具有大量的开关量顺序控制，要求按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集等。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司公开招标，提出研制能够取代继电器的控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，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，都应按易于工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30-40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，而且在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。现今，PLC已经具有通用性强、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。在可预见的将来，PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的主导地位，是其他控制技术无法取代的。2.1.1 可编程控制器的定义PLC即可编程控制器：是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用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，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的应用。2.1.2 可编程控制器的特点1.可靠性（1）有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。 （2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。 （3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 （4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。 （7）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。 （8）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统使可靠性更进一步提高。2.丰富的I/O接口PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。3.采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4.编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5.安装简单维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。2.1.3 PLC的基本结构和工作原理1. PLC的硬件结构可编程控制器主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源和编程器等几个部分组成。PLC硬件结构如图2-1所示。2.中央控制处理单元(CPU)可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。通用微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096等；位片式微处理器有AM2900、AM2903等。FX2N可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。3.存储器可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器：存放系统管理程序。用户存储器：存放用户编制的控制程序。4. 输入接口电路PLC通过输入单元可实现将不同输入电路的电平进行转换，转换成PLC所需的标准电平供PLC进行处理。接到PLC输入接口的输入器件是：各种开关、按钮、传感器等。PLC的输入电路大都相同，PLC输入电路中有光耦合器隔离，并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。PLC输入电路通常有三种类型：直流(1224)V输入、交流(100120)V输入和交直流(1224)V输入。5. 输出接口电路PLC的输出有三种形式，即继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。输出端子有两种接法：一种是输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路。一种为每48个输出点构成一组，共有一个公共点：在输出共用一个公共端子时，必须用同一电压类型和同一电压等级，但不同的公共点组可使用不同电压类型和等级的负载，且各输出公共点之间是相互隔离的。用 户 程 序 系 统 程 序存储器外 设 接 口扩 展 接 口 扩 展 单 元其他外设微处理器 CPU电源部件输 出 部 件输 入 部 件I/OI/O编程器驱动受控软件件图2-1 PLC硬件结构接收现场信号6电源PLC的供电电源一般是市电，也有用直流24V电源供电的。7.编程器利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。编程器一般分简易型和智能型。8 .PLC工作原理（1）PLC的工作方式：采用循环扫描方式。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。注意：由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。循环扫描过程如下：运行）内部处理通信操作输入处理程序执行输出处理停止图2-2 PLC循环扫描（2）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。3）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断状态，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，接着进入程序的执行阶段。4）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。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。若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的当前状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。5）输出处理程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即元件映象寄存器中的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。2.2三菱FX系列PLC计数器（C）FX2N系列计数器分为内部计数器和高速计数器两类。2.2.1内部计数器内部计数器是在执行扫描操作时对内部信号（如X、Y、M、S、T等）进行计数。内部输入信号的接通和断开时间应比PLC的扫描周期稍长。（1）16位增计数器（C0C199）共200点，其中C0C99为通用型，C100C199共100点为断电保持型（断电保持型即断电后能保持当前值待通电后继续计数）。（2）32位增/减计数器（C200C234）共有35点32位加/减计数器，其中C200C219（共20点）为通用型，C220C234（共15点）为断电保持型。这类计数器与16位增计数器除位数不同外，还在于它能通过控制实现加/减双向计数。设定值范围均为-214783648-+214783647（32位）。2.2.2高速计数器（C235C255）高速计数器与内部计数器相比除允许输入频率高之外，应用也更为灵活，高速计数器均有断电保持功能，通过参数设定也可变成非断电保持。FX2N有C235C255共21点高速计数器。适合用来做为高速计数器输入的PLC输入端口有X0X7。X0X7不能重复使用，即某一个输入端已被某个高速计数器占用，它就不能再用于其它高速计数器，也不能用做它用。各高速计数器对应的输入端如表1所示。高速计数器可分为四类：（1）单相单计数输入高速计数器（C235C245） 其触点动作与32位增/减计数器相同，可进行增或减计数（取决于M8235M8245的状态）。（2）单相双计数输入高速计数器（C246C250） 这类高速计数器具有二个输入端，一个为增计数输入端，另一个为减计数输入端。利用M8246M8250的ON/OFF动作可监控C246C250的增记数/减计数动作。（3）双相高速计数器（C251C255） A相和B相信号决定计数器是增计数还是减计数。当A相为ON时，B相由OFF到ON，则为增计数；当A相为ON时，若B相由ON到OFF，则为减计数。2.3三菱FX系列PLC定时器（T）PLC中的定时器（T）相当于继电器控制系统中的通电型时间继电器。它可以提供无限对常开常闭延时触点。定时器中有一个设定值寄存器（一个字长），一个当前值寄存器（一个字长）和一个用来存储其输出触点的映象寄存器（一个二进制位），这三个量使用同一地址编号。但使用场合不一样，意义也不同。FX2N系列中定时器时可分为通用定时器、积算定时器二种。它们是通过对一定周期的时钟脉冲的进行累计而实现定时的，时钟脉冲有周期为1ms、10ms、100ms三种，当所计数达到设定值时触点动作。设定值可用常数K或数据寄存器D的内容来设置。2.3.1 通用定时器通用定时器的特点是不具备断电的保持功能，即当输入电路断开或停电时定时器复位。通用定时器有100ms和10ms通用定时器两种。（1）100ms通用定时器（T0T199）共200点，其中T192T199为子程序和中断服务程序专用定时器。这类定时器是对100ms时钟累积计数，设定值为132767，所以其定时范围为0.13276.7s。2.3.2 积算定时器积算定时器具有计数累积的功能。在定时过程中如果断电或定时器线圈OFF，积算定时器将保持当前的计数值（当前值），通电或定时器线圈ON后继续累积，即其当前值具有保持功能,只有将积算定时器复位,当前值才变为0。（1）1ms积算定时器（T246T249）共4点,是对1ms时钟脉冲进行累积计数的，定时的时间范围为0.00132.767s。（2）100ms积算定时器（T250T255）共6点,是对100ms时钟脉冲进行累积计数的定时的时间范围为0.13276.7s。2.4三菱FX系列辅助继电器（M）辅助继电器是PLC中数量最多的一种继电器，一般的辅助继电器与继电器控制系统中的中间继电器相似。辅助继电器不能直接驱动外部负载，负载只能由输出继电器的外部触点驱动。辅助继电器的常开与常闭触点在PLC内部编程时可无限次使用。辅助继电器采用M与十进制数共同组成编号（只有输入输出继电器才用八进制数）。2.4.1通用辅助继电器（M0M499）FX2N系列共有500点通用辅助继电器。通用辅助继电器在PLC运行时，如果电源突然断电，则全部线圈均OFF。当电源再次接通时，除了因外部输入信号而变为ON的以外，其余的仍将保持OFF状态，它们没有断电保护功能。通用辅助继电器常在逻辑运算中作为辅助运算、状态暂存、移位等。根据需要可通过程序设定，将M0M499变为断电保持辅助继电器。2.4.2断电保持辅助继电器（M500M3071）FX2N系列有M500M3071共2572个断电保持辅助继电器。它与普通辅助继电器不同的是具有断电保护功能，即能记忆电源中断瞬时的状态，并在重新通电后再现其状态。它之所以能在电源断电时保持其原有的状态，是因为电源中断时用PLC中的锂电池保持它们映像寄存器中的内容。其中M500M1023可由软件将其设定为通用辅助继电器2.4.3特殊辅助继电器PLC内有大量的特殊辅助继电器，它们都有各自的特殊功能。FX2N系列中有256个特殊辅助继电器，可分成触点型和线圈型两大类（1）触点型 其线圈由PLC自动驱动，用户只可使用其触点。例如：M8000：运行监视器（在PLC运行中接通），M8001与M8000相反逻辑。M8002：初始脉冲（仅在运行开始时瞬间接通），M8003与M8002相反逻辑。M8011、M8012、M8013和M8014分别是产生10ms、100ms 、1s和1min时钟脉冲的特殊辅助继电器。（2）线圈型 由用户程序驱动线圈后PLC执行特定的动作。例如：M8033：若使其线圈得电，则PLC停止时保持输出映象存储器和数据寄存器内容。M8034：若使其线圈得电，则将PLC的输出全部禁止。M8039：若使其线圈得电，则PLC按D8039中指定的扫描时间工作。2.5三菱FX系列PLC输出继电器（Y）输出继电器是用来将PLC内部信号输出传送给外部负载（用户输出设备）。输出继电器线圈是由PLC内部程序的指令驱动，其线圈状态传送给输出单元，再由输出单元对应的硬触点来驱动外部负载。 每个输出继电器在输出单元中都对应有维一一个常开硬触点，但在程序中供编程的输出继电器，不管是常开还是常闭触点，都可以无数次使用。FX系列PLC的输出继电器也是八进制编号其中FX2N编号范围为Y000Y267（184点）与输入继电器一样，基本单元的输出继电器编号是固定的，扩展单元和扩展模块的编号也是按与基本单元最靠近开始，顺序进行编号。2.6三菱FX系列PLC输入继电器（X）输入继电器与输入端相连，它是专门用来接受PLC外部开关信号的元件。PLC通过输入接口将外部输入信号状态（接通时为“1”，断开时为“0”）读入并存储在输入映象寄存器中。FX系列PLC的输入继电器以八进制进行编号，FX2N输入继电器的编号范围为X000X267（184点）。注意，基本单元输入继电器的编号是固定的，扩展单元和扩展模块是按与基本单元最靠近开始，顺序进行编号。例如：基本单元FX2N-64M的输入继电器编号为X000X037（32点），如果接有扩展单元或扩展模块，则扩展的输入继电器从X040开始编号。3. 硬件电路设计及软件设计3.1控制系统I/O点及地址分配输入(I)输出(O)元件功能信号地址元件功能信号地址按钮SB1程序启动X0灯L1L7组成流水灯效果Y0Y7按钮SB2程序停止X13.2电气控制系统原理图3. 时序图3.4梯形图3.5指令表0 LD X0001 OR M02 ANI X0013 ANI X0024 OUT M05 LD M06 ANI T67 OUT T0 K308 LD T09 OUT T1 K3010 LD T111 OUT T2 K3012 LD T213 OUT T3 K3014 LD T315 OUT T4 K3016 L