基于PLC彩灯控制系统设计[1]

淮南师范彩灯可编程控制器课程设计第1页共11页1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。1.1PLC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。1.2PLC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2PLC的相关知识2.1PLC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设计、模拟淮南师范彩灯可编程控制器课程设计第2页共11页量运算、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。2.2PLC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。（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。淮南师范彩灯可编程控制器课程设计第3页共11页（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。2.3PLC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，这个过程称为输入采样。PLC淮南师范彩灯可编程控制器课程设计第4页共11页在运行程序时，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控制系统的硬件设计3.1PLC硬件配置本控制系统采用日本三菱公司生产的FX2N—24MRPLC。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。3.2系统动作流程图启动启动位移寄存器淮南师范彩灯可编程控制器课程设计第5页共11页YN3.1系统动作流程图3.3PLC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。L1、L2亮L3、L4、L5亮L6、L7、L8、L9亮按下X1延时两秒延时三秒延时两秒结束？淮南师范彩灯可编程控制器课程设计第6页共11页3.2PLC的外部接线图3.4I/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。序号PLC地址电气符号功能说明1X0SB1启动2X1SB2停止3Y0L1黄灯14Y1L2黄灯25Y2L3绿灯3淮南师范彩灯可编程控制器课程设计第7页共11页6Y3L4绿灯47Y4L5绿灯58Y5L6红灯69Y6L7红灯710Y7L8红灯811Y10L9红灯9表3.3PLC的I/O分配4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。4.1梯形图程序淮南师范彩灯可编程控制器课程设计第8页共11页图4.1梯形图程序4.2指令表淮南师范彩灯可编程控制器课程设计第9页共11页4.2指令表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、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。淮南师范彩灯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。我想我们只有在实践中多去操作，不言放弃、不急躁，迎难而上，多总结经验，多尝试，才能将专业知识学得更好，才能学以致用，才能达到学习的真正目的。为以后的工作生活积累更多的经验，让自己走得更远，更好。淮南师范彩灯可编程控制器课程设计第11页共11页参考文献[1]王阿根.电气可编程序控制原理与应用.清华大学出版社.2010[2]何有华.可编程序控制器及常用控制电路.冶金工业出版社.2002[3]郭纯生.可编程序控制器编程实战与提高.电子工业出版社.2006[4]谢克明夏路易.可编程控制器.电子工业出版社.2003