基于PLC彩灯控制系统设计[1]

中北大学信息商务学院可编程控制器课程设计 第 1 页 共 11 页 1 1 引言引言 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 着科学技术的发展以及人民生活水平的提高 人们对于彩灯的要求越来越高 另一 方面 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 于是 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 减少了出错的机会 并且提高了设计质量 1 11 1 PLCPLC 课程设计任务课程设计任务 按下启动按钮 黄色灯 L1 L2 亮 2s 后灭 接着绿灯 L3 L4 L5 亮 3s 后灭 再接着红色灯 L6 L7 L8 L9 亮 2s 后灭 L1 又亮 如此循环下去 1 21 2 PLCPLC 课程设计要求课程设计要求 1 设计系统的 PLC 外部电气接线图 2 系统的 T 形图 3 指令表 2 PLC 的相关知识 2 12 1 PLCPLC 的历史和发展的历史和发展 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 中北大学信息商务学院可编程控制器课程设计 第 2 页 共 11 页 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 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 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 22 2 PLCPLC 的特点与应用的特点与应用 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 中北大学信息商务学院可编程控制器课程设计 第 3 页 共 11 页 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 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 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 32 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 PLC 的控制功能就是通过运行用户程序来实现的 它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 中北大学信息商务学院可编程控制器课程设计 第 4 页 共 11 页 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 3 控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计 3 13 1 PLCPLC 硬件配置硬件配置 本控制系统采用日本三菱公司生产的FX2N 24MR PLC FX2N系列是一种超小型 叠装式PLC 它由基本单元 扩展单元 扩展模块和特殊功能模块组成 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 23 2 系统动作流程图系统动作流程图 启动 中北大学信息商务学院可编程控制器课程设计 第 5 页 共 11 页 Y Y N N 3 1系统动作流程图 3 33 3 PLCPLC 的外部接线图的外部接线图 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 SB1 是点动开关 彩灯控制系统用 SB1 开启 其中 输入采用的是汇点式 共 接一个 COM 端子 电源由 PLC 内部电源提供 Y1 Y9 表示 9 个 LED 彩灯 通电时其 常开触点闭合 常闭触点断开 Y0 Y3 共用一个 COM 端子 Y4 Y10 共用另一个 启动位移寄存器 L1 L2 亮 L3 L4 L5 亮 L6 L7 L8 L 9 亮 按下 X1 延时两秒 延时三秒 延时两秒 结束 中北大学信息商务学院可编程控制器课程设计 第 6 页 共 11 页 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 3 2 PLC 的外部接线图 3 43 4 I OI O 分配表分配表 本设计中 共有六个输入开关 9个LED输出 根据PLC外部接线图 我们能得出 I O 分配表如表4 1 所示 序号PLC地址电气符号功能说明 1X0SB1 启动 2X1SB2 停止 3Y0L1 黄灯1 4Y1L2 黄灯2 中北大学信息商务学院可编程控制器课程设计 第 7 页 共 11 页 5Y2L3 绿灯3 6Y3L4 绿灯4 7Y4L5 绿灯5 8Y5L6 红灯6 9Y6L7 红灯7 10Y7L8 红灯8 11Y10L9 红灯9 表 3 3 PLC的I O分配 4 4 控制系统的软件设计控制系统的软件设计 由图可知控制系统步序共分 7 步 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 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 4 14 1 梯形图程序梯形图程序 中北大学信息商务学院可编程控制器课程设计 第 8 页 共 11 页 图 4 1 梯形图程序 4 24 2 指令表指令表 中北大学信息商务学院可编程控制器课程设计 第 9 页 共 11 页 4 2 指令表 4 34 3 控制系统控制系统测试与分析测试与分析 控制系统必须进行调试后才投入实际生产之中 在这之前 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 接线图与前面的外部接线类似 可以采用那种接法进行调试 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 5 结论 结论 随着现代科学技术的迅猛发展 PLC 技术几乎完全融入了我们的日常生活之中 所以学习 PLC 对我们今后的发展也是非常重要的 对于初学者的我们 此次课程设 计无疑是一个很好的培养锻炼我们的机会 运用平时所学和图书馆以及网上资源来 设计自己的程序 发现和解决问题弥补知识的欠缺以及锻炼实践的能力 中北大学信息商务学院可编程控制器课程设计 第 10 页 共 11 页 在此次实训中 我们四人一组 大家同心协力 一同泡图书馆查资料 一起研 究梯形图 遇到问题都是自己先讨论尝试着解决 如果确实无法解决才向老师寻求 帮助 让我深深感受到团队协作的力量 也拿出了好的成果 回顾此次 PLC 课程设计 时间虽比较短暂 但是在此次实习中学到很多有用的 东西 当我们刚刚拿到这个课题的时候 有点茫然 不知道该从何下手 切入点在 哪 经过在图书馆 网上搜索相关的资料 逐步了解自己要设计个什么东西 该东西 的工作原理 工作设计是什么 各环节的线索是什么 理清线索后 就确定整体设 计方案 按方案的步骤着手设计各单元电路 庆幸的是各单元电路的设计比较简单 但是实际按图连线就有些困难 及运行当中出现的问题有点让我们止步 不过最后 我们团结互助 不断向老师请教 把一个个难关予以解决 现在 整个设计虽基本完成 也许结果并不是很令人满意 过程中出现的一些 问题 例如延迟时间不是很精确 电路设计得不怎么完善等等 我想我们只有在