基于PLC彩灯控制系统设计1

1、目录 引言 2 1 概述 3 1.1 PLC 课程设计任务 3 1.2 PLC 课程设计要求 3 2 PLC 的相关知识 3 2.1 PLC 的历史和发展 4 2.2 PLC 的特点与应用 4 2.3 PLC 的工作原理 6 3 控制系统的硬件设计 6 3.1 PLC 硬件配置 6 3.2 控制面板设计 7 3.3 PLC 的外部接线图 8 3.4 I/O 分配表 9 4 控制系统的软件设计 10 4.1 彩灯控制系统的顺序功能图 10 4.2 梯形图程序 11 4.3 控制系统测试与分析 13 14 5、心得体会 15 16 电气设备及元器件明表 参考文献 引言 在现代生活中， 彩灯作为一种

2、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

3、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 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

4、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 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

5、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。 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、

6、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

7、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

8、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 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

9、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， PI

10、D 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。 2.3 PLC 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。 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

11、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

12、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 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

13、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 根据系统总方框图和设计要求， 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。 图 3-1 操作面板示意图 系统操作面板如图 3-1 所示，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。闪烁开关有 两个 X2 和 X3 ，分别对应 1HZ 和 0.5HZ ，使彩灯得以循环工作。 3

14、.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 。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。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，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。 Y0 Y8 表示 9 个 LED 彩灯。 KM1 KM9 是电磁继电器，通电时其常开触 点闭合，常闭触点断开。 Y0Y3

15、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。 FX2N-48MR 图 3-2 PLC 的外部接线图 3.4 I/O 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。 输入 输出 启动按钮 X0 LED1 Y0 停止按钮 X1 LED2 Y1 闪烁 1.0HZ 开关 X2 LED3 Y2 闪烁 0.5HZ 开关 X3 LED4 Y3 单周期开关 X4 LED5 Y4 自动开关 X5 LED6 Y5 LED7 Y6 LED8 Y7 LE

16、D9 Y8 表 3-1 4 控制系统的软件设计 4.1 彩灯控制系统的顺序功能图 图 4-1 彩灯控制系统顺序功能图 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 M00 M06 代表这 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， 再全部熄灭其 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，

17、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。 4.2 梯形图程序 梯形图程序如图 4-2 所示 SFTL MO YOOO K9K1 K0 CO M2O0J TH rw j T弟 M2d1 TH M2O2J RST 陀舛) K10 TO； T屯 M2P -RST M201J T弟 MSOOJ T苗 M2OJ) M201J MZOZ -屯 Y010 K20 (T1 V011 (SET V011 (SET MO 图 4-2 梯形图程序 4.3 控制系统测试与分析 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

18、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。接线图与前面的图 3-4 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、心得体会 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。 在此

19、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