扬州大学PLC课程设计

1、扬州大学能源与动力工程学院课程设计报告题目：广告屏控制系统设计课程：电气控制及可编程控制器专业：电气工程及其自动化班级：姓名：学号：指导老师：完成日期：2016年12月第一部分电器控制及可编程控制器课程设计任务书一、课题名称广告屏控制系统设计二、设计目的及要求1、熟悉电气控制系统的一般设计原则、设计内容及设计程序。2、掌握电气设计制图的基本规范，熟练掌握PLC程序设计的方法和步骤。3、学会收集、分析、运用电气设计有关资料及数据。4、培养独立工作和工程设计能力以及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。三、原始资料各大中小城市或企业为了宣传自己企业形象和产品，均采用广告手法之一一一广告屏来实

2、现这一目的，当我们夜晚走在大街上，马路两旁各色各样的霓虹灯广告均可见到，一种是采用霓虹灯管做成的各种形状和多种彩色的灯管，另一种为日光灯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。某广告屏共有8根灯管，24只流水灯，每4只灯为一组，用PLC对广告屏实现控制，其具体要求如下：1、该广告屏中间8个灯管亮灭的时序为第1根亮-第2根亮-第3根亮-，-第8根亮，时间间隔为ls,全亮后，显示10s,再反过来从8-7f,-1顺序熄灭。全灭后，停亮2s,再从第8根灯管开始亮起，顺序点亮87,1,时间间隔为1s,显木20s。再从1-2f,8顺序熄火。全熄火后，停亮2s,再从头开始运行，周而复始

3、。2、广告屏四周的流水灯共24只，4个1组，共分6组，每组灯间隔1s向前移动一次，且IV1每隔一组灯为亮，即从I、出亮fn、IV亮出、V亮fIV、V1亮，移动一段时间后（如30s）,再反过来移动，即从W、W亮fV、出亮fiv、n亮出、I亮，如此循环往复。3、系统有单步/连续控制，有启动和停止按钮。4、系统日光灯管、白炽灯的电压及供电电源均为市电220V。四、课题要求1、设计原则：国家现行有关电气设计规范及主管部门规定等。2、设计范围：控制系统主电路及控制电路设计，电器设备选型。3、设计成果：课程设计报告（设计说明书及计算书等），主电路图、控制电路图、流程图、I/O端子接线图、梯形图及程序。（所

4、有成果均应为打印稿）五、日程安排本次课程设计时间共一周，进度安排如下：1、设计准备，熟悉有关电气设计规范，熟悉课题设计要求及内容。（1天）2、分析控制要求、主电路及控制电路方案设计。（1天）3、绘制控制流程图、I/O端子接线图。（1天）4、梯形图设计、编制程序及程序说明。（1天）5、整理计算书及图纸、写课程设计报告。（1天）六、主要参考书1、电气控制与可编程控制器应用技术郁汉琪主编东南大学出版社2、工厂电气控制技术方承远主编机械工业出版社3、可编程控制器原理应用网络徐世许主编中国科学技术大学出版社4、工厂常用电气设备手册（第2版）上、下册中国电力出版社第二部分课程设计报告目录1课题简介21.1

5、 课题目的与任务21.2 课题要求22可编程控制器（PLQ简介32.1 可编程逻辑制器（PLC）的定义32.2 PLC的组成32.3 PLC控制的优越性43.硬件系统设计53.1 控制器的选择53.2 按钮的选择53.3 霓虹灯与流水灯的选择53.4 霓虹灯的I/O分配表63.5 I/O接线图63.6 主接线图63.7 梯形图64软件编程设计124.1 主程序整体逻辑124.2 时间控制134.3 广告屏中间8个灯管亮灯控制134.4 广告屏四周的流水灯控制134.5 步进控制13实验与结果分析145.1 实验的前期准备145.2 实验的结果145.2.1 广告屏1-8秒状态145.2.2 广

6、告屏18-26秒状态155.2.3 广告屏28-36秒状态155.2.4 广告屏56-64秒状态165.2.5 广告屏复位状态176小结与体会18参考文献19附录（指令助记符）201课题简介1.1 课题目的与任务以欧姆龙CPM1A型PLC为核心设计一个广告屏控制系统。1.2 课题要求1、该广告屏中间8个灯管亮灭的时序为第1根亮-第2根亮-第3根亮-,-第8根亮，时间间隔为ls,全亮后，显示10s,再反过来从8-7f,-1顺序熄灭。全灭后，停亮2s,再从第8根灯管开始亮起，顺序点凫87f,1,时间间隔为1s,显不20so再从lf2f,f8顺序熄火。全熄火后，停凫2s,再从头开始运行，周而复始。2

7、、广告屏四周的流水灯共24只，4个l组，共分6组，每组灯间隔ls向前移动一次，且IV1每隔一组灯为亮，即从I、出亮fn、iv亮fin、V亮fIV、W亮，移动一段时间后（如30s）,再反过来移动，即从VI、W亮fV、出亮fIV、n亮出、I亮，如此循环往复。3、系统有单步/连续控制，有启动和停止按钮。4、系统日光灯管、白炽灯的电压及供电电源均为市电220V。2可编程控制器（PLC）简介2.1 可编程逻辑控制器（PLC）的定义可编程逻辑控制器简称PLC（英文全称：ProgrammableLogicController）。随着科学技术的发展，为适应多品种，小批量生产的需求而产生发展起来的一种新型的工业

8、控制装置。1 .现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。2 .现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

9、按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，（!其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。1987年国际电工委员会（IEC）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种数字运算操作的电子的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入（I）和输出（O）接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。”2.2 PLC的组成1 .中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，是PLC的核心起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个C

10、PU。它按口PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样

11、，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2 .存储器系统程序存储器是存放系统软件的存储器；用户程序存储器是存放PLC用户程序应用；数据存储器用来存储PLC程序执行时的中间状态与信息，它相当于PC的内存。3 .输入输出接口（I/O模块）PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI）,开关

12、量输出（DO）,模拟量输入（AI）,模拟量输出（AO）等模块。4.通信接口通信接口的主要彳用是实现PLC与外部设备之间的数据交换（通信）。通信接口的形式多样，最基本的有UBS,RS-232,RS-422/RS-485等的标准串行接口。可以通过多芯电缆，双绞线，同轴电缆，光缆等进行连接。5 .电源PLC的电源为PLC电路提供工作电源，在整个系统中起着十分重要的作用。一个良好的、可靠的电源系统是PLC的最基本保障。一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC）,直流电源（常用的为24VDC）。

13、6 .3PLC控制的优越性（一）可靠性高，抗干扰能力强PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一

14、，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（二）硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种

15、规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（三）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控

16、制打开了方便之门。（四）容易改造系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。(五)体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm,仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10

17、。它的重量小于150g,功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制器。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制

18、计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。计算机集散控制系统DCS(DistributedControlSystem)中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。3.硬件系统设计3.1 控制器的选择在控制器的选择上，我们可以选择继电器或者可编程控制器达到控制要求，继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联，或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，粗略估计本次课设所需继电器数量很多，其连线多且复杂、体积大、功耗大，由于继电器难以完成移位操

19、作，故只能通过增加系统复杂度来实现，将会导致接线更加复杂，系统可靠性将会大打折扣，且系统构成后，想再改变或增加功能较为困难，而霓虹灯控制电路触点频繁开合，比然会存在机械磨损、电弧烧伤等现象，触点寿命短的问题，另外继电器触点数量有限，所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。在之前的PLC课程和实验中，我们学习和使用过欧姆龙CPM1战可编程控制器，用CPM1A1可编程控制器来控制交流接触器，较继电器控制PLC控制的优点是功能比继电器控制的多，像模拟量的控制，微积分的控制等等，还有就是可以方便的修改程序，改变控制方法和控制对象。继电器控制只能实现一些简单的逻辑控制，所以我们选用欧姆龙CPM

20、1A型可编程控制器作为本次课程设计的控制器。3.2 按钮的选择德力西LAY8系列按钮开关，适用于AC50HZ,额定电压660V及DC440V以下电磁启动器、接触器、继电器，所以设计中所用按钮均为此类型。3.3 霓虹灯与流水灯的选择霓虹灯选型：选用汉朗牌HLNEON-YZ126S1,它是一种低压、柔软的产品，适用于各种字母、图案。它可以弯曲成各种形状去满足不同的设计要求，另外还是一种尺寸小的产品。额定功率：120W,额定电压：220V。流水灯选型：选用型号CY-024型，额定功率：120W,额定电压：220V。3.4霓虹灯的I/O分配表输入点分配输入开关名称输出点分配输出点分配0.00启动按钮1

21、0.00-10.07中间8根灯管对应继电器0.01关闭（清零）按钮11.00-11.05周围6组流水灯继电器0.03单步/连续按钮0.04步进3.5I/O接线图1SB14宅隶SB2停止“星步言CDMl0cH1口CHCOM20000.01je01030204U5皖070304OBosj0910T06IL1CH11CH070031CL00呢0301040?0506o030704OB0905wu0607-3-KM】口-0口KM2-0KJM】3r上ov申可注领盯3申则3中小n中丽5中司二E中青T：甲司中用围tn菱3-n董国灯1Sc图13.6 主接线图ILN11KM1、KM2、QKM3、CKM4S；。K

22、M51,KMS5KM7、。KM0%9SGKM11,7,1,时间间隔为1s,显木20s。再从12,8顺序熄火。全熄火后，停亮2s,再从头开始运行，周而复始。2、广告屏四周的流水灯共24只，4个1组，共分6组，每组灯间隔1s向前移动一次，且IV1每隔一组灯为亮，即从I、出亮fn、IV亮出、V亮fIV、V1亮，移动一段时间后（如30s）,再反过来移动，即从W、W亮fV、出亮fIV、n亮出、I亮，如此循环往复为了使程序逻辑清楚，这里做了如下处理，即让各个定时器独立工作，到达特定时间点完成特定的工作，使每个状态相对独立，使程序条理清晰，更加易读，但也存在问题，就是初始化亮灯总会少亮一个等，原因在于，按下

23、开关前七秒移位寄存器I口状态一直为1,所以等逐个亮起，但到了第八秒，TIM000和TIM001在那个扫描周期同时为1,由于继电器开关信号总是比当前状态慢一个扫描周期，所以到了第八秒后一个扫描周期，I为0,P为1,本因亮起的第八盏灯没有亮起，但如果使用了一个时间继电器控制一个时间继电器的方式就不会发生这种情况，可以说是有利有弊，在这里我的处理方法是每次初始化或者按动开关时补一个脉冲，经调试证实符合预期要求。而步进要求与时间类似，只是将计时器换成了计数器。4.3 广告屏中间8个灯管亮灯控制广告屏中间8个灯管亮灯控制在可编程序控制器中的实现方法是通过移位寄存器，这里使用了SFT作为灯向右亮起或熄灭的

24、移位指令，其中I要求：0-8秒为1其余时候均为0,P要求：0-8秒、56-64秒有秒脉冲，通过相应的时间继电器触点控制，这部分得到的结果为：1-8秒中间灯从1-8逐个亮起，56-64秒从1-8逐个熄灭；使用了ROR作为灯向左亮起或熄灭的移位指令，直接对10口（输出口）进行控制，这里使用直接对10.07置位或清零来实现8灯的亮起与熄灭（因为此条指令所有操作从右往左，故只需控制10.07即可），其中移位（ROR）控制要求：18-26秒、28-36秒有秒脉冲，10.07置位要求：0-8秒不操作、8-18秒置1、18-28秒不操作、28-36秒置1、36秒后不操作，这部分得到的结果为：18-26秒中间

25、灯从8-1逐个熄灭，28-36秒中间灯从8-1逐个亮起。而中间的空挡时间即为常亮与常灭，每66秒即跳回初始，周而复始。4.4 广告屏四周的流水灯控制广告屏四周流水灯的控制较为容易，只要做到两点：1.初值置入2.循环移位，对于1,这里的处理是在初始化时给个短脉冲将11.00、11.02置位；对于2,这里的处理是0-30秒控制SFT、30-60秒控制ROR,但这两者均不能自由控制6位循环，所以又行1SFT:I位11.05的值，对于ROR,11.06作为中间量保存11.00的值（ROR大循环不用，用自建小循环），这两者均可构成六位循环，完成控制要求。4.5 步进控制由于步进控制即为将所有的步骤重演一

26、遍，故大致逻辑不变，仅需将计时器变为计数器控制，原理与前面类似，并在主控制回路中加入切换按钮，实现单步/连续切换动作。13实验与结果分析5.1 实验的前期准备本实验在试验箱上模拟了广告屏控制系统的工作过程，对于控制器输出方面，由于没有相应的霓虹灯组件，故这里使用“舞台灯光的模拟控制”模块的L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9来模拟广告屏中间8个灯管,使用了“喷泉的模拟控制”模块的L1、L2、L3、L4、L5、L6来模拟广告屏四周的流水灯，每一个灯代表一组流水灯，并按照输入接线将SB与SA开关分别接好，检查无误后开始调试。图55.2 实验的结果5.2.1 广告屏1-8秒状态根据梯形图理

27、论中需达到的效果：“舞台灯”L2-L7依次亮起，“喷泉”两灯逆时针循环，符合预期要求。14EEL-26图65.2.2 广告屏18-26秒状态根据梯形图理论中需达到的效果：“舞台灯”L7-L2依次熄灭，“喷泉”两灯逆时针循环，符合预期要求。图75.2.3 广告屏28-36秒状态根据梯形图理论中需达到的效果：“舞台灯”L7-L2依次亮起，“喷泉”两灯由逆时针转为顺时针循环，符合预期要求。15乳实验模拟装置图85.2.4 广告屏56-64秒状态根据梯形图理论中需达到的效果：“舞台灯”L2-L7依次熄灭，“喷泉”两灯顺时针循环，符合预期要求。图9165.2.5广告屏复位状态按下SB1,所有输出清零，所

28、有灯不亮，符合预期要求。图10176小结与体会可编程控制器的使用领域已十分广泛，在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业等。所以学好PLC对于我们工科学生来说格外重要，这次PLC课程设计给了我们一个很好的机会去进一步熟悉PLC以及初步了解如何用PLC解决生产生活中的实际问题。说得容易做的难，在这次PLC课程设计中我深深了解到了这一点，课设刚开始的时候我在准备国网面试，同组同学和我说题目的时候我发现是彩灯控制，想到大三单片机实验彩灯已经做太多了，就想当然以为这次差不多应该不花什么时间，结果到我回来开始做了才发现PLC和单片机还是有

29、很大的区别的，而且这次课设使用的是欧姆龙系列PLC,与上课所用的三菱又有区别，所以我来的第一天下午很苦恼，基本上什么都没做，就在看编程手册，当天晚上回宿舍我就试着编出了我的第一个版本程序，使用了可逆移位寄存器SFTR,但第二天我去调试的时候发现我的程序一点结果都没跑出来，我感到非常沮丧，我觉得可能是我不会用SFTR,瞎用导致出不来结果，所以我决定回去重新编写，改用SFT,在重新编写过程中，我发现了我之前的错误：我所用白参考1秒脉冲是定时器TIM000产生的，而我在1秒到的时候没有给这个定时器复位，导致无法产生脉冲信号（后来我才知道25502也可以产生时钟脉冲，不过我感觉需要与计数器配合，所以也

30、就不改了），这次为了要出来结果，我特意只用了一种移位，只用了SFT,右移通过内部控制接线实现（如200.07控制10.00）,再去实验室调试的时候总算是有结果出来了，但跑起来还是有点问题，不得不说这套在线调试的系统效率挺高的，可以很直观的看到问题所在，我把中间彩灯的动作过程在纸上写下来，把完成的步骤依次打勾，没过多久就把中间彩灯的状态全部都调节完毕了，但周围彩灯的循环的问题还是困扰着我，一开始我打算用三秒定时器将前三秒的状态送入，后来仔细研究了手册，才发现其实可以1用直接将0、2位置1,循环初值即可设好，为了自由控制循环位数，我将11.05移出的数据直接送到11.00,实现6位循环移位，右移也

31、一样道理，在后续调试中，我发现启动后8秒末到后总会少一个灯亮，而逻辑上我也没发现哪里有问题，我推断可能最后一秒两个时间继电器可能在配合上有问题，于是我在程序一开始时就补一个脉冲，问题得到了解决，后来结束后我也仔细分析了，原因也在前文中有所介绍，主要与PLC的执行顺序有关，每个周期继电器触点状态只有输出刷新后才会改变，这里就不再赘述了。由于亮灯过程繁琐，所以梯形图又长又乱，于是我对梯形图进行了精简，并且对一些开关进行了备注，整个图看起来清楚多了，然后我又使用了右移替代了之前的方法，使程序进一步精简到了70行，也更加可读，这时候我发现我们还有一个要求还没实现，就是步进功能，当时我使用了计数器重新开

32、始实现了一下，和之前计时器差不多的步骤，使梯形图的复杂程度提示了一个等级，到了120行，不过我现在想来确实没必要，感觉当时存在思维惯性，我其实可以直接用计数器控制，这样只要切换计数器信号来自时钟还是单步即可方便地完成实现所有要求，到课设结束了才想到这点，不得不说很遗憾，下次设计一定要好好构思，不能想到哪编到哪，不仅容易错还会把自己绕晕。总之PLC课设带给我收获很多，这学期由于准备招聘考试，PLC学习得不够扎实，但这次课设以后我感觉我课程要求得PLC知识已经基本掌握了，也激发了我更进一步学习的兴趣，我会继续努力，也会总结这次课设发现的不足，希望自己以后不再出同样的问题。18参考文献1郁汉琪主编，电气控制与可编程序控制器，南京：东南大学出版社,2欧姆龙-CPM1A型编程手册2016.119附录（指令助记符）,运行时间顺序（中间灯管）LD0.00OR200.01ANDNOT0.01AND0.03OUTTR0ANDNOTTIM000TIM000#10LDTR0ANDNO