毕业设计(论文)-PLC控制天塔之光系统的设计

1、扬州工业职业技术学院 毕业设计 课题名称： PLC控制天塔之光系统的设计 系部: 电子信息工程系 班级: 0603机电技术 目录 前 言 3 第 1 章 概 论. 4 1.1 天塔之光系统的意义、现状及要求 4 1.1.1 课题背景及目的 4 1.1.2 技术现状 5 1.2 彩灯的发展 5 1.2.1 彩灯的最初来源 5 1.2.2 彩灯给城市带来的五彩缤纷 5 1.3 PLC 的发展 6 1.4 PLC 的定义及特点 6 第 2 章 硬件电路的设计. 7 2.1 天塔之光电路的设计 7 2.2 开关电路的设计 8 第 3 章 软件设计 . 10 3.1 软件设计的方案 10 3.2 PLC

2、 结构 10 3.3 工作原理 11 3.4 编程语言 11 3.5 硬件组态 13 3.6 S7-300 的指令系统 14 3.7 天塔之光的工作要求 14 3.8 梯形图 16 第 4 章 调试过程 . 27 4.1 硬件调试 27 4.2 软件调试 27 4.3 联机调试 31 结束语 40 致 谢 34 参考文献 . 34 附 图 35 PLC控制天塔之光系统的设计 金玲玲 0603 机电技术 摘 要本次毕业设计是应用 S7-300 PLC天塔之光设计的硬件电路，并利用 0B1的梯形 图控制程序设计。通过控制 S7- 300 PLC的定时继电器的功能来实现各彩灯按一 定的规律点亮和熄灭

3、。接通延迟定时器SD的特点（如果 RLO有正跳沿，则接通 延迟定时器启动指令，以设定的时间值启动指令的定时器）。这种控制电路结构 简单，可靠性高，应用性强；软件程序适应范围广，对各彩灯按一定的规律点亮 和熄灭的控制，只需要改变相应的定时器的时间接通即可。 关键词 PLC 彩灯 梯形图； 、/. 前言 随着科技的飞速发展，无论在日常生活中，还是在工农业发展中，PLC具 有广泛的应用。PLC的一般特点：抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、 使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。 PLC 总的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通 信组网能力强

4、。 本次毕业设计是应用S7-300 PLC天塔之光设计的硬件电路，并利用0B1的 梯形图控制程序设计。通过控制 S7- 300 PLC的定时继电器的功能来实现各彩 灯按一定的规律点亮和熄灭。接通延迟定时器 SD的特点（如果RLO有正跳沿， 则接通延迟定时器启动指令， 以设定的时间值启动指令的定时器） 。这种控制电 路结构简单，可靠性高，应用性强；软件程序适应范围广，对各彩灯按一定的 规律点亮和熄灭的控制，只需要改变相应的定时器的时间接通即可。 第 1 章 概 论 本篇概述天塔之光系统有关的一些基本知识，为对该彩灯系统的了解做一 个基础。首先要说明彩灯系统的意义、要求及本设计的任务，然后介绍天塔

5、之 光系统的基本组成单元及功能原理；接着讲述元器件的选择与参数设置要求， 最后讲述软件的调试和硬件的调试。 1.1 天塔之光系统的意义、现状及要求 1.1.1 课题背景及目的 随着科学技术的的不断提高，社会经济的不断发展，人们对城市的装束有 了很大的变化。在城市的夜晚，大街小巷都布满了五颜六色的彩灯，给原来萧 条的城市带来了气息和活力，给人们的视觉很大的冲击，有的地方将彩灯很好 的配置安装在城市主要建筑物上，使之绚丽多彩，更加吸引人的眼球，有的则 利用彩灯装扮城市，给当地的城市带来了丰富的旅游资源。 1.1.2 技术现状 本课题与同类相比，优越性更大，不过各有各的特点，市场上大部分是单 片机做

6、的，而本设计是用 S7 300 PLC做的，是用S7-300 PLC的硬件和软件结 合起来。这样的设计可以控制和设定不同的彩灯变化方式，相比之下，实用性 和操作性更高一些，易学易懂，深受工程技术人员的欢迎。 1.2 彩灯的发展 1.2.1 彩灯的最初来源 1879 年，美国著名的科学家爱迪生发明了白炽灯，结束了人类“黑暗”的 历史。然而白炽灯只是给人类为以后各种各样彩灯的发展埋下了伏笔。 1902 年， 黑维特发明了水银灯。这种水银灯是在真空的灯管中充入水银和少量氩气。通 电后，水银蒸发，受电子激发而发光。水银灯会辐射出大量紫外线，而紫外线 是对人体有害的，且水银灯光线太亮，太刺眼，因此它不能

7、得到广泛应用。又 经过了很长一段时间的发展，最值得一提的就是美国通用电子公司的研究员伊 曼，与其他科学家一样，从霓虹灯的亮光中，看到了光明的前途。他加快了研 究的步伐。终于在 1938年，突破了启动装置的设计与制作大关， 制作了与水银 等性能截然不同的荧光灯。 这种荧光灯是在一根玻璃管内， 充进一定量的水银， 管的内壁涂有荧光粉，管的两端各有一个灯丝做电极。它的工作原理是：通电 后，水银蒸气放电，同时产生紫外线，紫外线激发管内壁的荧光物质而发出可 见光。显然，荧光灯没有水银灯的弊端，它比白炽灯更亮，且电能利用率高， 省电。因此，它一诞生，便很快进入了一般家庭和公司。 1.2.2 彩灯给城市带来

8、的五彩缤纷 随着社会经济的发展，越来越多的城市大街小巷都布满了彩灯，这给原来 并不怎么好看很单调的城市带来了朝气，随着城市里彩灯的不断增加，光效的 不同，给了人们视觉很大的享受和冲击， 给原本萧条的城市带来了繁荣的景象。 1.3 PLC 的发展 虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集 成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展 过程大致分为三大阶段： (1) 早期的PLC(20世纪60年代末到70年代中期)。早期的PLC般称 为可编程逻辑控制器。这时的 PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义， 其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序

9、控制、定时控制等。 (2) 中期的PLC发展(20世纪70年代中期到80年代中、后期)。在70 年代，微处理器的出现使 PLC发生了巨大的变化。美国、日本、德国等一些厂 家先后开始采用微处理器作为 PLC的中央处理单元(CPU (3) 近期的 PLC(20 世纪 80 年代中、后期至今)。进入 80年代中、后期， 由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使 得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高 PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得 PLC软、硬件功能发生了巨大变化。 1.4 PLC 的定义及特点 (

10、1) 可编程控制器，简称 PLC( Programmable logic Controller), 是指 以计算机技术为基础的新型工业控制装置。“ PLC是一种专门为在工业环境下应 用而设计的数字运算操作的电子装置” 。它采用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，控制各种类型的机械或生产过程。 (2) PLC 的特点： a. 可靠性高，抗干扰能力强； b. 配套齐全，功能完善，适用性强； c. 易学易用，深受工程技术人员欢迎； d. 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造； e. 体积小，

11、重量轻，能耗低。 第2 章 硬件电路的设计 2.1 天塔之光电路的设计 PLC工作的时间基准是由天塔之光电路提供的。在 PLC的输出的端部，接 一只电阻和一个发光二极管或接一只电阻并联两个发光二极管就构成了PLC的 天塔之光电路，如图 2-1 所示。 11 L+ Q4 n 1 3k RES2 Fl LED 输 出 端 Q4 1 15k 12 M Q4.2 13k Ft LED J3 丿/ RES2 LED Q4.3 13k 14 RES2 M LEU 同 13k IS LED 13k R.ES2 Fl Q4.祈 17 /产 4 RES2 Fl LED 图2-1 天塔之光硬件电路的设计图 电路中

12、的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的 参数。电路中，电阻有分压作用，电阻值大概在13KQ, 个及两个并联发光 二极管所承受的电压在3V左右，PLC的工作电压在+24V,这样可以使天塔之光 正常工作。 2.2 开关电路的设计 开关是PLC的信号输入端口。输入端的开关是来控制输出端的运行和关闭 交通灯的运行，启动开关sd1,IO.O 得电（“1”状态），交通灯按照设计好的程 序运行，sd2闭合，10.1断电（“0”状态）系统停止工作，如图2-2所示。 说明：Sd1闭合系统得电运行，Sd2闭合系统停止运行 第3章软件设计 3.1 软件设计的方案 进行应用软件设计时可采用模块化程

13、序设计方法，其优点是： 天塔之光控制采用PLC比传统的采用电子线路和继电器具有可靠性高、维 护方便、使用简单、通用性强等特点，PLC还可以联成网络，根据需要控制城 市里的各个景点的灯光配置和各道路的路灯控制，有效的减轻了人类的体力活 动。 3.2 PLC结构 从可编程控制器的定义可知，PLC也是一种计算机，它有着与通用计算机 相类似的结构，即可编程控制器也是由中央处理器(CPU、存储器、输入/输出 (I/O、接口及电源组成的。只不过它比一般的通用计算机具有更强的工业过程 相连的接口能力和更直接的适应控制要求的编程语言。 PLC的基本结构如图3-1所示。 图3-1 PLC 的基本机构 用可编程控

14、制器作为控制器的自动控制系统，就是工业计算机系统，它即 可进行开关量的控制，也可实现模拟量的控制。 3.3 工作原理 可编程控制器是一种专业的工业控制计算机，因此，其工作原理建立在计 算机控制系统工作原理的基础上。但为了可靠地应用在工业环境下，便于电气 技术人员的使用和维护，它有着大量的接口器件、特定的监控软件、专用的编 辑器件。所以，不但其外观不像计算机，它的操作使用方法、编程语言及工作 过程与计算机控制系统也是有区别的。 PLC的控制系统的等效工作电路分为 3个部分，即输入部分、内部控制电 路和输出部分。输入部分就是采集输入信号，输出部分就是系统的执行部件， 这两部分与继电器控制电路相同。

15、内部控制电路是通过编程方法实现的控制逻 辑，用软件编程代替继电器电路的功能。 （1）输入部分 输入部分由外部输入电路、 PLC 输入接线端子和输入继电器组成。外部输 入信号经PLC输入接线端子去驱动输入继电器的线圈。每个输入端子与其相同 编号的输入继电器有着唯一确定的对应关系，当外部的输入元件处于接通状态 时，对应的输入继电器线圈“得电” 。 （2）内部控制电路 所谓内部控制电路是由用户程序形成的用“软继电器”来代替硬继电器的 控制逻辑。它的作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号的状态进行 检测、判断、运算和处理，然后得到相应的输出。 （3）输出部分 输出部分是由在PLC内部且与内部控制

16、电路隔离的输出继电器的外部常开 点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。 PLC的内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了有为内部 控制提供编程用的任意多个常开、常闭接点外，还为外部输出电路提供了一个 实际的常开接点与输出接线端子相连。 综上所述，可对PLC的等效电路作进一步简化而深刻的理解，即将输入等 效为一个继电器的线圈，将输出等效为继电器的一个常开接点。 3.4 编程语言 可编程控制器的应用软件是指用户根据自己的控制要求编写的用户程序。 由于可编程控制器的应用场合是工业现场，它的主要用户是电气技术人员，所 以其编程语言与通用的计算机编程语言相比，具有明显的特点，它

17、既不同于高 级语言，又不同于汇编语言，它要满足易于编写和易于调试的要求，还要考虑 现场电气技术人员的接受水平和应用习惯。因此，可编程控制器通常使用梯形 图语言，又称继电器语言，更有人称之为电工语言。另外，为满足各种不同形 式的编程需要，根据不同的编程器和支持软件，还可以采用指令语句表、逻辑 功能图、顺序功能图、流程图及高级语言进行编程。梯形图是一种图形编程语 言，是面向控制过程的一种“自然语言” ，它沿用继电器的触点（触点在梯形图 中又常称为接点）、线圈、串并联等术语和图形符号， 同时也增加了一些继电器 控制系统中所没有的特殊功能符号。梯形图语言比较形象、直观，对于熟悉继 电器控制线路的电气技

18、术人员来说，很容易被接受，且不需要学习专门的计算 机知识，因此，在PLC应用中，梯形图是使用得最基本、最普遍的编程语言。 但这种编程方式只能用图形编程器直接编程。 PLC的梯形图虽然是从继电器控制线路图发展而来的，但与其又有一些本 质的区别： （1）PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称， 如输入继电器、 输出继电器、保持继电器、中间继电器等。但是，这些继电器并不是真实的物 理继电器，而是“软继电器”。这些继电器中的每一个，都与 PLC用户程序存储 器中的数据存储区中的元件映像寄存器的一个具体基本单元相对应。如果某个 基本单元为“ 1”状态，则表示与这个基本单元相对应的那个继电器的“

19、线圈得 电”。反之，如果某个基本单元为“ 0”状态，则表示与这个基本单元相对应的 那个继电器的“线圈断电” 。这样， 就能根据数据存储区中某个基本单元的状态 是“1”还是“ 0”，判断与之对应的那个继电器的线圈是否“得电” 。 （2）PLC梯形图中仍然保留了常开接点和常闭接点的名称，这些接点的接 通或断开，取决于其线圈是否得电（这对于熟练继电器控制线路的电气技术人 员来说，是最基本的概念） 。 （3）PLC梯形图中的各种继电器接点的串、并联连接，实质上是将对应这 些基本单元的状态依次取出来，进行“逻辑与” 、“逻辑或”等逻辑运算。而计 算机对进行这些逻辑运算的次数是没有限制的，因此，可在编制程

20、序时无限次地使用各种继电器的接点，且可根据需要采用常开（动合）或常闭（动断）的 形式。注意，在梯形图程序中，同一个继电器的线圈一般只能使用一次。 （4）在继电器控制线路图中，左、右两侧的母线为电源线，在电源线中间 的各个支路上都加有电压，当某个或某些支路满足接通条件时，就会有电流流 过接点和线圈。 （5） 在继电器控制线路图中，各个并联电路是同时加电压并行工作的，由 于实际元件动作的机械惯性，可能会发生接点竞争现象。 （6）PLC梯形图中的输出线圈只对应存储器中的输出映像区的相应位，不 能用必须通过指定的输出继电器， 经I/O接口上对应的输出单元（或输出端子） 才能驱动现场执行机构。 3.5

21、硬件组态 （1）S7-300的插槽地址 S7-300的各个模板安装在机架的插上，不同的模板在插槽的安装位置是固 定的，要求如下： a. 如果选择了电源模板PS307必须安装在1号槽位上。 b. CPU模板的安装位置紧挨着电源模板，安装在 2号槽位上。 c. 用于连接扩展机架的接口模板IM，安装在3号槽位上。 d. 各种信号模板SM安装在4号11号槽位上。从4号槽位开始，CPU 为信号模板分配I/O地址，且根据信号模板的类型递增I/O地址。 S7-300的插槽地址如图3-2所示。 5 31M 7SM 3 6 M $ 而而 1 1 图3-2 S7-300的插槽地址 Igrfe一盍 3.6 S7-3

22、00 的指令系统 接通延迟定时器SD,如果RLC有正跳沿，则接通延迟定时器启动，以设定 的时间值启动指定的定时器。 达到设定时间后， 定时器的动合触点闭合并保持， 直到RLO变为0时，定时器被复位。如果定时器运行时间（RLO为1时）少于 定时器时间设定值，则当 RLO由 1变到0时，定时器也被复位。 3.7 天塔之光的工作要求 天塔之光的走势如下： L1 L2L3 L4L5 L6L7 L1 L2、L3、L4 L5、L6、L7L1 L2、L3、 L4 L5、L6、L7 L1L2、L3、L4 L5、L6、L7L1、L2 L1、L3 L1、L4 L1 L1、L7 L1、L6 L1、L5L1、L2、L

23、3、L4 L1、L5、L6、L7 L1、L2、L3、 L4、 L5、 L6、 L7L1。 (1)本设计的系统配置及输入/输出继电器地址分配如下: 编程元件 I/0端子 电路器件 作用 输入继电器 I0.0 I0.1 SD1 SD2 启动 关闭 Q4.0 L1 Q4.1 L2 Q4.2 L3 输出继电器 Q4.3 L4 Q4.4 L5 Q4.5 L6 Q4.6 L7 T0 定时器T0 控制灯的点亮时间 T1 定时器T1 控制灯的点亮时间 T2 定时器T2 控制灯的点亮时间 T3 定时器T3 控制灯的点亮时间 定时器 T4 定时器T4 控制灯的点亮时间 T5 定时器T5 控制灯的点亮时间 T6 定

24、时器T6 控制灯的点亮时间 T7 定时器T7 控制灯的点亮时间 T27 定时器T27 控制灯的点亮时间 (2)本设计的系统硬件组态如下： a. PS 307 5A b. CPU 314C2 DP c. 空的 d. DI16*DC24 e. DO16*DC24V/0.5A，如图 3-4 所示。 JtT Fl 曲松即 旧a肚 密 出4氓 V】址 岭工， 口I一卜一巧固 叭 W| E； 口_堡世 flj Hi V 2iiriSUE-t 翦orwr血 + 商 siknr r * 區| nkuxr 口 i i SJWTI- K 3%wJ L HuJ. S t m 1 MW SC O豊冲91 用割处(9

25、) 1/11 卜 罰丄QELL M1卜 何丄GL 1/11卜 L119U M1卜 PLLEU M1卜 TTlOLL 4)14 SH0C1GSI3S I卜 51 T5 (6) T5得电, L6 (10) 程序段 10； (13) 程序段 13; (16) 程序段 16; T6 14 T10 T13 T16 T22 T25 点亮0.3S熄灭 T10得电, T13得电, T16得电, 711 714 U T17 H4- 723 4/牛 T27 L6 L6 L6 点亮 点亮 点亮 0.3S熄灭 0.3S熄灭 0.3S熄灭 T5 丽_| S5TO300MS 16 (22)程序段22;T26得电,L6点亮

26、0.3S熄灭 (25)程序段25;T25得电,L6点亮0.6S熄灭 T7 4 I S5T#3OOMS TT (1I T7 VI noth j Il/b T13T14 彳I/卜 nsT17 4 Il/F T21122 I1/1 T2 T13得电, L7 点亮 0.3S熄灭 程序段 T16得电, 点亮 0.3S熄灭 (16) 16; L7 (8) T7得电，T8运行0.3S 程序段9 TB 1 I 莎一1 1 1 S5TS3OOMS (9) T8得电，T9运行0.3S T9 程序段10 T1O 伽_| S5T#3OOM5 (10) T9 得电，T10 运行 0.3S 程序段11 T1OT11 1

27、I曲 I SSTSOOMS (11) T10 得电，T11 运行 0.3S I程序段12 TilT12 彳I九一| S5TS3OOMS (12) T11 得电，T12 运行 0.3S T12T19 I I別_| S5T330C1MS (13) T12 得电，T13 运行 0.3S 程序段14 T13T14 I I ssnwoMS (14) T13 得电，T14 运行 0.3S 程序段1$ T14115 一I I盘 I S5TS300NS (15) T14 得电，T15 运行 0.3S 程序段3 5 IT n彳 16D1 T S S5T#3001IS (16) T15 得电，T16 运行 0.3

28、S 程序段M T10T17 I I別一| S5TS300MS 程序段18 T17 T18 Hl 5D | S5T#3OOWS (18) T17 得电，T18 运行 0.3S 程序段19 T18 T19 I I 站一1 1 1 S5TO3001IS (19) T18 得电，T19 运行 0.3S 程序段20 T19 T20 Ml 辺一| SBTifaOOMS (20) T19 得电，T20 运行 0.3S T20 T21 4 | S5Ti3OOJWS (21) T20 得电，T21 运行 0.3S 程序段脱 T21 T22 他_I (22) T21 得电，T22 运行 0.3S 程序段23 T9

29、2 199 II 刘 _| S5TS30OMS (23) T22 得电，T23 运行 0.3S 程序段24 T23 T24 II 曲_| SSTtaOOKS (24) T23 得电，T24 运行 0.3S 程厚啟25 IT24 T25 Hl 沖_| S5TS3)OHS (25) T24 得电，T25 运行 0.3S 程序段虻 T25 r1 T2S 曲_| S5T#9OOHS (26) T25 得电，T26 运行 0.3S T2ST27 一I I別1 SET#300MS (27) T26 得电，T32 运行 0.3S 第 4 章 调试过程 4.1 硬件调试 硬件组装前首先要仔细核对硬件系统设计原

30、理的正确性，包括参数选用的 正确性和原理的正确性，这取决于学识和经验积累。对没有把握的电路可以通 过实验板上直接焊接实际电路来进行调试和验证。在系统通过理论分析后，便 可进行印刷电路设计和加工。 第一步：断电调试 为安全起见，首先必须进行断电调试。断电调试的内容至少包含短路检测 和原理的正确性确认。 （1）短路检测 系统电路焊接完成后，必须进行短路检测。检测的方法很简单，选用合适 的万用表欧姆挡（例如，20K挡或200K,用红黑表笔接电路板的+5V电源的+、 - 极，如果存在充放电现象（即电阻指示从大到小再到大或从小到大） 。最后电 阻稳定的一个适当的位置（一般为几千欧姆） ，基可排除系统短路

31、现象。 如果无 充放电现象或电阻值稳定在很小的位置，则说明系统中可能存在短路故障，不 能通电试验，必须对系统进行彻底检查，直至解决。 （ 2 ）原理正确性确认 关于这个问题，不同的电路有不同的工作原理，因此，必须针对具体电路 进行具体分析。 第二步：通电调试 （ 1 ）复位是否正常 （ 2 ）关键点电压参数是否正常 4.2 软件调试 将所编的软件程序输入到PLC仿真软件中通过相应的编译来调试程序。具 体步骤如下： 启动SIMATIC Manager,新建一个项目文件,文件名为“ hh”并可以从存储 路径里打开，如图4-1所示 图4-1新建项目 打开SIMATIC300新建一个硬件组态。点击右边

32、的“ SIMATIC300”，选择 PS文件，CPU300文件，SM文件（DI文件和DO文件），依次添加项目，结果显 示如图4-2所示 R dd ：l Ml蠹汕 Hl I- RT ?fl；i VQl IUM If 鱼凹gj書创厢口 Iff -r*Ml hi Si3 Vj*jLfUH S Furmw + f fEHIEI U r 再| 3MTK N r ： SDM.1D：迦 L EMU !t I hM La鈕 K n 3 ITIW WE 1 ” q *t 1 f k in n |ITI UI4C * ir fiEH 114也比帼1 匕 * 申 v J?S 1 UMre 胡 J if-凸 科i 備? 1 * J3ff U f-5 來! E =1 j DECftOGfl 断况ITlfflZP则 巾.1 j rafDCMii.i u 足ST叨 r * * 閏血 m IT和CT 承反坯 JfF Pl UH掣 图4-2新建硬件组态 保存硬件组态，关闭硬件组态窗口，依次双击SIMATIC300、CPU314C-2 DR S7程序（2）,点击“块”然后显