[方案]基于PLC彩灯控制系统设计

[]基于PLC彩灯控制系统设计 摘 要 本系统以FX2N-24MR为主控核心，是基于计数器和PWM调试的，并与按键、拨码开关等较少的辅助硬件电路相结合而实现的，是一种比较新型的PLC彩灯控制系统的设计方法。此设计利用PWM技术控制各基色LED灯泡的亮度，利用系统计数器实现彩灯色彩的循环点亮，利用循环转换实现色彩状态子程序的连续调用(即利用软件实现对基色LED彩灯进行控制)。本系统具有体积小、硬件少、电路结构简单及容易操作等优点。 关键词:可编程序控制器;彩灯;彩灯控制器;模块设计。 前言 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。 目 录 摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 目录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1、概述„„„„„„„„„„„„ „„„„„4 1.1 PLC课程设计任务„„„„„„„„„„4 1.2 PLC课程设计要求„„„„„„„„„„„4 2 、PLC的相关知识„„„„„„„„ „„„„„5 2.1 PLC的历史和发展„„„„„„„„„„„5 2.2 PLC的特点和应用 „„ „„„„„„„„6 2.3 PLC的工作原理„„„ „„„„„„„„„8 3、硬件设计„„„„„„„„„„„„„„„„„9 3.1 PLC硬件配置„„„„„„„„„„„„„9 3.2 控制面板设计 „„„„„„„„„„„„9 3.3 PLC的外部接线图„„„„„„„„„„„10 3.4 I/O分配„„„„„„„„„„„„„„12 4、软件设计„„„„„„„„„„„„„„„„13 4.1控制系统的顺序功能图„„„„„„„„„13 4.2 梯形图程序„„„„„„„„„„„„„14 4.3控制系统测试与„„„„„„„„„„15 结束语„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 元器件明细表„„„„„„„„„„„„„„„17 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„18 1 概述 1.1 PLC课程设计任务 用PLC设计彩灯控制系统，本为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、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。 2.2 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。 2.3 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。 3.3 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。Y0—Y3共用一个COM端子，Y4—Y8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。 开启 FX2N-48MR KM1X0Y0停止 KM1KM2X1Y1闪烁1.0HZ KM3KM3Y2 闪烁0.5HZX2 KM4Y3单周期 X3KM5Y4 X4自动KM6Y5 X5KM7Y6 KM8Y7 KM9Y8COM1 COMCOM0 220V 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。 表 3-1 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 LED9 Y8 电气设备及元器件明表 序号 符号 名称 规格型号 数量 1 KM1 交流接触器 DJX-9 1 2 KM2 交流接触器 DJX-9 1 3 KM3 交流接触器 DJX-9 1 4 KM4 交流接触器 DJX-9 1 5 KM5 交流接触器 DJX-9 1 6 KM6 交流接触器 DJX-9 1 7 KM7 交流接触器 DJX-9 1 8 KM8 交流接触器 DJX-9 1 9 KM9 交流接触器 DJX-9 1 10 SB1 动合开关 AC0.1-125V 1 11 SB2 动合开关 AC0.1-125V 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 M200 M203 Y0K9 C0 M202 M201 T0 T1 M206 Y0K9 C1 M204 M205 Y10 Y11 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，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 M8002SETM200 X0M200 SETM203 X2 SETM201 X3SETM202 RSTM200 M201Y10 T0K10T0 SETM204 RSTM201 M204C1X4 SETM200M205 X5M206 SETM203 X2 M204SETM201SETY10 X3 SETM202M202Y11 T1K20T1 SETM205 M205 SETY11 M203Y10 SETX0 Y11 SFTLX0Y0K9K1 C0K9 C0 SETM206 RSTM203 RSTY0K9 M206Y10 SETX0K3 Y11 SFTLX0Y0K9K3 C0K3 RST Y0 K9 RST Y0 K9 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。 结束语 随着科学技术发展的日新月异，PLC技术已经成为了我们生活中的一部分，几乎可以说是无处不在。对于学习PLC知识的我们，此次课程设计很好的培养了我们学生综合运用所学知识，发现和解决问题以及锻炼实践的能力。 团队的“团”方框外面包个才字，说明团队工作是智慧和人才的集合。团队工作时我们要学会充分利用这个资源，达到物尽其用。同时作为团队的负责和组织人要合理分配任务，充分信任组员，是顺利完成任务的关键。 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。我的课题是基于PLC彩灯控制系统设计，当拿到课题时，有点茫然，不知道从何下手，切入点在哪?经过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，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。 参考文献 [1]魏志精. 可编程控制器应用基础，电子工业出版社.，2006 [2]潘月琴. 全自动洗衣机的维修.北京科学技术出版社.2005 [3]田瑞庭主编.可编程控制器应用技术.北京机械工业出版社 [4]王兆义编著.小型可编程控制实用技术.北京机械工业出版社， [5]徐志军.大规模可编程逻辑器件及其应用.成都:电子科技大学 出版社，2004 [6]黄正瑾.在系统编程技术及其应用.南京:东南大学出版社，2005 [7]阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社，2002