《机电一体化应用技术》-项目六PLC灯阵控制器

任务6.1天塔之光控制系统6.1.1天塔之光控制器制作指导1.STEP7一Micro/WIN编程软件的安装与使用

1)编程软件的安装编程软件STEP7一Micro/WIN可以安装在个人电脑及SIMATIC编程设备PG70上。在个人电脑上安装的条件:软件方面，操作系统必须为MicrosoftWindows2000ServicePack3以上;硬件方面，要求硬盘至少有350M空间。

2)建立S7一200CPU的通信

(1)PC/PPI电缆通信。典型的单主机连接如图6一3所示，一台PLC用PC/PPI电缆与个人电脑连接，不需要外加其他的硬件设备。下一页返回任务6.1天塔之光控制系统(2)MPI通信。多点接口卡(MPI)提供了一个RS-485端口，可以用直通电缆和网络相连，在建立MPI通信之后，可以把STEP7一Micro/WIN连接到包括许多其他网络设备的网络上，每个主设备(CPU)都有一个唯一的地址。图6-4所示为使用MPI卡时PLC与个人电脑的连接方法，需要将MPI卡安装在计算机的PCI插槽内，然后启动安装文件，将该配置文件放在Windows目录下，CPU与个人电脑85485接口用电缆连接。

(3)通信参数设置。通信参数设置的内容有CPU地址、PC软件地址和接口(PORT)等设置，如图6一5所示。下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统3)STET7一Micro/WIN软件的使用

2.电路设计

1)PLC外部接线因为实验板主要是采用CPU224，因此实验板的输出端子为10个，输入端子为14个。这里我们要接9盏灯，灯的一端与PLC的输入端子相连，另一端与240VAC的N端(即零线)连接;而在输入端接两个按钮SB1,SB2用于系统的启动和停止，具体电路连接如图6一8所示。2)I/O口分配根据图6一8实际接线图可知，天塔之光控制系统的I/O分配如表6一1所列。下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统3.程序设计根据控制任务和控制要求，结合选择的控制元件和接线端子的分配，编制梯形图程序。参考梯形图程序如图6-9所示。6.1.2扩展要求:舞台艺术灯控制系统参考天塔之光控制系统的设计，设计一个舞台艺术灯控制系统。下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统6.1.3知识点:可编程控制器的原理及应用

1.PLC概述

1)可编程控制器的概述可编程控制器，英文称ProgrammableLogicController，简称PLC。PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行人出信息变换实现控制。PLC需要要考虑信息人出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统2)可编程控制器的基本结构可编程序控制器硬件由六部分构成:

中央处理器(CentralProcessorUnil,CPU):它是可编程序控制器的心脏部分。CPU由微处理器(Microprocessor)存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。电源(PowerSupply)给中央处理器提供必需的工作电源。输入组件(Inputs):输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。输出组件(Oulput):输出组件接收CPU的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。

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输入输出(简称I/0):是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫做系统的“眼睛”和“视觉”。输入信号包括按钮开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。编程器(Programmer):在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统3)可编程控制器的工作原理

PLC虽然以微处理器为核心，具有微型计算机的许多特点，但它的工作方式却与微型计算机有很大的不同，微型计算机一般采用等待命令或中断的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有键按下或I/O动作，则转入相应的子程序或中断服务程序，无键按下，则继续扫描等待。PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描;如此周而复始。实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统4)可编程控制器的功能及特点

(1)PLC的功能:①数据采集与输出。②控制功能。包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。③数据处理功能。包括基本数学运算、比较、对字节的运算,PID运算、滤波等。④输入/输出接口调理功能。具有A/D,D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。⑤通信、联网功能。现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有85232或85485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统⑥支持人机界面功能。提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便做决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。⑦编程、调试等，并且大部分支持在线编程。(2)PLC的特点:①可靠性高。②结构形式多样，模块化组合灵活。③功能强大。④编程方便。控制具有极大灵活性。⑤适应工业环境。适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。⑥安装、维修简单。⑦与DCS相比，价格低。⑧当前PLC产品紧跟现场总线的发展潮流。

下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统2.S7-200系列PLC简介

S7-200系列PLC系统由主机(基本单元),I/O扩展单元、功能单元(模块)和外部设备等组成。S7-200PLC主机(基本单元)的结构形式为整体式结构，如图6一10所示。3.CPU224型PLC的结构主机(基本单元)是PLC系统的控制核心，也是一个最简单的PLC控制系统。S7-200系列的主机型号都是以CPU开头的。S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221,CPU222,CPU224和CPU226四种基本型号)下面就CPU224型PLC主例，分析小型整体式PLC的结构特点。下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统1)整体式PLC的结构分析CPU224主机的结构外形如图6一11所示。2)CPU224型PLC的结构特点

(1)基本单元I/O。CPU22X型PLC,具有两种不同的电源供电电压，输出电路分为继电器输出和晶体管DC输出两大类。CPU22X系列PLC可提供4个不同型号的多种基本单元供用户选用，其类型及参数如表6-2所列。

(2)高速反应性。

(3)存储系统。

(4)模拟电位器。

(5)存储卡下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统4.S7-200系列PLC的内部元件

PLC是以微处理器为核心的电子设备。PLC内部设计了编程使用的各种元器件，PLC与继电器控制的根本区别在于PLC采用的是软器件，以程序实现各器件之间的连接。1)内部元件的功能(1)输入/输出映像寄存器(I/Q)。输入/输出映像寄存器包括输入映像寄存器I和输出映像寄存器Q。(2)内部标志位(M)。内部标志位(M)可以按位使用，作为控制继电器(又称中间继电器)，用来存储中间操作数或其他控制信息。也可以按字节、字或双字来存取存储区的数据。编址范围M0.0一M31.7。

(3)顺序控制继电器(S)。顺序控制继电器S又称状态元件，用来组织机器操作或进人等效程序段工步，以实现顺序控制和步进控制。可以按位、字节、字或双字来存取存储区的数据。编址范围50.0一531.7。下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统(4)变量存储器(V)。变量存储器V用以存储运算的中间结果，也可以用来保存工序或任务相关的其他数据，如模拟量控制，数据运算，设置参数等。变量存储器可按位使用，也可按字节、字或双字使用。变量存储器存储空间较大，CPU224和CPU226有VBO.0~VB5119.7共5K字节的存储空间。

(5)局部存储器(L)。局部存储器(L)和变量存储器(V)很相似，主要区别在于局部存储器(L)是局部有效的，变量存储器(V)则是全局有效。

(6)定时器(T)。PLC中定时器相当于时间继电器，用于延时控制。S7-200CPU中的定时器是对内部时钟累计时间增量的设备。

(7)计数器(C)。计数器主要用来累计输入脉冲个数。其结构与定时器相似，其设定值(预置值)在程序中赋予，有1个16位的当前值寄存器和1位状态位。当前值寄存器用以累计脉冲个数，计数器当前值大于或等于预置值时，状态位置1。下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统(8)模拟量输入/输出寄存器(AI/AQ)。S7一200的模拟量输入电路将外部输入的模拟量(如温度、电压)等转换成1个字长(16位)的数字量，存人模拟量输入映像寄存器区域，可以用区域标志符(AI)，数据长度(W)及字节的起始地址来存取这些值。因为模拟量为1个字长，起始地址定义为偶数字节地址，如AIW0,AIW2,……,AIW62，共有32个模拟量输入点。模拟量输入值为只读数据。

(9)累加器(AC)。累加器是用来暂存数据的寄存器，可以同子程序之间传递参数，以及存储计算结果的中间值。S7-200CPU中提供了4个32位累加器AC0~AC3。累加器支持以字节(B)、字(w)和双字(D)的存取。按字节或字为单位存取时，累加器只使用低8位或低16位，数据存储长度由所用指令决定。下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统(10)高速计数器(HC)。CPU22XPLC提供了6个高速计数器(每个计数器最高频率为30kHz)用来累计比CPU扫描速率更快的事件。高速计数器的当前值为双字长的符号整数，且为只读值。高速计数器的地址由符号HC和编号组成，如HCO，HC1，…HC5。(11)特殊标志位存储器(BM)。BM存储器提供了CPU与用户程序之间信息传递的方法，用户可以使用这些特殊标志位提供的信息，SM控制S7一200CPU的一些特殊功能。)下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统5.S7-200系列PLC的基本指令

(1)基本逻辑指令。基本逻辑指令是指构成基本逻辑运算功能指令的集合，包括基本位操作、置位/复位、边沿触发、定时、计数、比较等逻辑指令。

(2)算术、逻辑运算指令。算术、逻辑运算指令包括算术运算指令和字逻辑运算指令。

(3)数据处理指令。数据处理指令包括数据的传送指令，交换、填充指令以及移位循环指令。

(4)程序控制指令。程序控制类指令用于程序运行状态的控制，S7-200系列PLC的程序控制类指令主要包括系统控制、跳转、循环、子程序调用、顺序控制等指令。下一页返回上一页任务6.1天塔之光控制系统6.1.4任务报告要求报告的格式可参考附录。在本任务的报告中，完成对扩展要求的说明。返回上一页任务6.2交通信号灯控制系统6.2.1交通信号灯控制器制作指导1.电路设计1)PLC外部接图在十字路口上的信号交通灯，每个路口分别设红、黄、绿灯则共有12盏灯。从十字路口的交通信号灯示意图可知，在同一方向上两个路口上的同色信号灯是同时亮灭的，如图6一12所示。因此控制系统的PLC的外部接线可以采用如图6-13所示。2)I/O口分配根据图6一13实际接线图可知，交通灯控制系统的I/O分配如表6一3所列。下一页返回任务6.2交通信号灯控制系统2.程序设计根据控制任务和控制要求，结合选择的控制元件和接线端子的分配，编制梯形图程序如图6一14所示。6.2.2扩展要求:步进指令编程实现交通灯的控制参考图6一14的程序，利用步进指令编程实现十字路口交通灯的控制。6.2.3知识点:S7-200系列PLC的定时器和计数器

1.定时器指令定时器在可编程控制器中的作用相当于一个时间继电器，它有一个设定值寄存器(字)、一个当前寄存器(字)以及无数个触点(位)。对于每一个定时器，这三个量使用同一名称，但使用场合不一样，其所指也不一样。通常在一个可编程控制器中有儿十至数百个定时器，可用于定时操作。下一页返回上一页任务6.2交通信号灯控制系统S7-200系列PLC的定时器为增量型定时器，用于实现时间控制，按照工作方式，定时器可分为通电延时型(TON)、有记忆的通电延时型(保持型)(TONR)、断电延时型(TOF)三种类型;按照时基标准，定时器可分为1ms,10ms,100ms三种类型。

2.计数器指令计数器利用输入脉冲上升沿累计脉冲个数，S7一200系列PLC有递增计数(CTU),增/减计数(CTUD)、递减计数(CTD)等三类计数指令。计数器的结构和使用方法与定时器基本相同，主要由预置值寄存器、当前值寄存器、状态位等组成。计数器的梯形图指令符号为指令盒形式，指令格式见表6-5所列。下一页返回上一页任务6.2交通信号灯控制系统(1)增计数指令(CTU)。增计数指令在CU端输入脉冲上升沿，计数器的当前值增1计数。当前值大于或等于预置值(PV)时，计数器状态位置1。当前值累加的最大值为32767。复位输入(R)有效时，计数器状态位复位(置0)，当前计数值清零。

(2)增/减计数指令(CTUD)。增/减计数器有