基于可编程控制器PLC的广告牌彩灯的控制

1、摘要随着电子技术的飞速发展，基于可编程控制器（PLC）的控制系统已经广泛应用于工 业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业。课设就是PLC控制系统，在实验中，要实现对 广告牌彩灯的控制，即让广告牌上的彩灯按照指定要求亮和灭。这个实验在软件方面的难点就在与逻辑的分析和实现，还有对同一个输出做不同的控 制。在硬件方面就相对比较容易，只需将分配好的I/O表做相应的连接。本系统工作原理 釆用PLC作为核心。控制系统另外包括通讯接口及组态王软件。关键词：广告牌彩灯；可编程控制器；组态王目录II1绪论11.1、选题的意义11.2、PLC的介绍11.3、组态软件的介绍42、总体设计方案52.1、广告牌彩灯的工作

2、要求52.2、系统设计要点52.2、总体设计流程73、系统的硬件配置83.1、PLC S7-20083.2、编程元件地址分配93.3、输入输出接线图104、系统软件设计104.1、编程软件介绍104.2、系统程序设计方案125、程序调试136、实验结果137、实验体会16参考文献17附录181.1x选题的意义随着社会主义市场经济的不断繁荣和发展，各大中小城市都在进行亮化工程，各企业 为宣传自己企业的形象和产品，均采用广告手法之一：广告牌彩灯来实现这一目的，当我 们夜晚走在大街上，马路两旁各色各样的广告牌均可以见到，也被社会和企业广泛应用。 这些灯的亮灭，闪烁时间及流动方向等均可以通过PLC来达

3、到控制的要求。1.2x PLC的介绍PLC英文全称Programmable Logic Controller,中文全称为可编程逻辑控制器，定 义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程 的存储器，用于其内部存储程序，执行伙计运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面 向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或成产过程。美国的数字设备公司与1969年生产了第一台可编程控制器，简称PLC。它是一种数字 运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。可编程控制器的出现很快引起了各国的注意，中国于1973年开始研制PLC,并于1977 年应用到生

4、产线上。PLC自诞生至今共经历了 4个重要的阶段。从1969年第一台PLC问世到1972年，是 PLC的初创阶段。1969年美国DEC公司研制了第一台PDP-11型PLC。这个阶段的PLC控制 功能比较简单，主要用于逻辑运算和计时、计数和顺序控制等功能。从1973年到1978年, 是PLC的成熟阶段。在控制功能上除了具有位逻辑运算、计时、计数功能外，还具有数值 运算和数据处理、数据传送、监控、记录显示、计算机接口、模拟量控制等功能。从1978 年到1984年，是PLC的大发展阶段。这个时期的PLC采用8位、16位微处理器做为CPU, 还釆用了多微处理器结构。PLC的功能进一步增强，处理速度更快

5、。增加了许多特殊功能。 从1984年至今，是PLC的继续发展阶段。PLC的处理速度进一步提高，使得PLC软、硬件 功能发生了巨大的变化，甚至使PLC已具有接近于工业控制计算机的强有力的软、硬件功 能。PLC的特点如下：1. 可鼎性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC山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。2. 配套齐全，功能完善，适用性强。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。可以用于各 种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

6、种数字控制领域。3. 易学易懂，深受工程技术人员欢迎。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。4. 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。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。5. 体积小、重量轻、能耗低。能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功 耗仅数瓦。山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设备。同时PLC具备

7、一些优点：1. 实时性（1）III于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。（2）基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保 护。（3）更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。2. 高可靠性（1）所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使匸业现场的外电路与控制器内部 电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10、20ms。（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰。（4）采用性能优良的开关电源。(5) 对采用的元器件进行严格的筛选。(6) 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采取

8、有效 措施，以防止故障扩大。(7) 大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，以及实 现电源模块冗余、10模块冗余，使可靠性更进一步提高。3. 系统配置简单灵活4. 丰富的I/O卡件5. 控制系统釆用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型控制器以外，绝大多数控制器均 釆用模块化结构。控制器的各个部件，包括CPU,电源，I/O等均采用模块化设计， 山机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。6. 价格优势安装简单，维修方便7. 控制器实现的功能(1) 逻辑控制(2) 定时控制(3) 计数控制(4) 顺序控制(5) PID控制(6

9、) 数据计算(7) 通讯和联网PLC发展至今，已有30余年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展, 工业控制领域已有翻天复地的变化，PLC亦在不断的发展变化之中，PLC正朝着新的技术 发展。目前，PLC已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工 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。近年来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。6. 封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的 方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（其

10、至不需要编程技术）。7. 通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备 （PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver.开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、 具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。2、总体设计方案2. 1、广告牌彩灯的工作要求1. 按下启动按钮，彩灯控制装置开始工作，按下停止按钮，彩灯控制装置停止工作;2. 当手动/自动开关在手动位置时，彩灯只能按照状态选择开关设定的方式运行；当 手动/自动开关在自动位置时，彩灯按照状态（1）和（2）的顺序循环运行。3. 状态选择开关用于选择

11、彩灯的闪烁图案，现要求实现以下闪烁状态：状态选择开关在位置1时，按下启动按钮后，要求输出：4号灯亮，延时2秒后，3 号灯亮，再延时2秒后，2号灯壳，乂延时2秒后，1号灯亮，10秒后，全灭。如果为手 动工作方式，则只在本状态内循环。如果为自动工作方式，则进入下一个工作状态；状态选择开关在位置2时，按下启动按钮后，要求输出：1号灯亮，延时2秒后，2 号灯亮，再延时2秒后，3号灯亮，乂延时2秒后，4号灯亮，10秒后，全灭。如果为手 动工作方式，则只在本状态内循环。如果为自动工作方式，则进入下一个工作状态；4. 监控界面实时显示彩灯运行状态，故障报警。2.2、系统设计要点系统设计主要包括硬件和软件两大

12、部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬 件和软件分开设讣。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后 对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总 框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划，然后进行具体设计，包括各模块的流程 图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等。最后是对软件进行调试、测试，达到 所需功能要求。根据PLC应用范圉，程序设讣语言可以组合使用，常用的程序设讣语言有以下儿种：1、梯形图语言。它使用梯形图的图形符号来描述程序的一种设计语言。这种程序设计语言采用因果关 系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系

13、。2、布尔助记符程序设计语言。3、功能表图。功能表图程序设讣语言是用功能表图来描述程序的一种程序设讣语言。它采用功能表 图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，便于设计人员和操作人员设计思 想的沟通及程序的分丄设计和检查调试。功能块图类似于普通逻辑功能图，它沿用了半 导体逻辑电路的逻辑框图的表达方式。一般用一种功能方框表示一种特定的功能，框图内 的符号表达了该功能块图的功能。4、功能模块图。功能模块图程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不 同的功能。它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子, 完成所需的控制运算或控制功能。5、

14、结构化语句。结构化语句描述程序设计语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。它 是一种类似于高级语言的程序设讣语言。在大中型的可编程序控制器系统中，常采用结构 化语句描述程序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。本次课设我们采用梯形图语言，梯形图是与电气控制电路图相呼应的图形语言。它沿用了 继电器、触点、串并联等术语和类似的图形符号，并简化了符号，还增加了一些功能性的 指令。梯形图是融逻辑操作、控制于一体，面向对象的、实时的、图形化的编程语言。该 语言简单易懂，编程时有以下要点：1. 每个梯形图山多个梯级组成。2. 梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结

15、果为“1” 时，有假想的电流通过。3. 继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。4. 输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。在系统设计中设汁方法的选用是系统设计能否成功的关键。硬件是釆用结构化系统设计方法，该方法保证设计的标准化、模块化。硬件的设计最重要的选择用于控制的PLC, 并确定与之配套的外围I/O接口，使所设计的系统既经济乂高性能。硬件的设汁还包括详 细流程图，根据流程图在PLC上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计U的。 软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是釆用Siemens S

16、7-200PLC,因此使用梯形图语言进行开发。本系统软件设计采用模块化系统设计方法， 先编写各个功能模块子程序，然后进行组合和调整，经过调试后，达到设讣功能要求。2.2、总体设计流程图1整体方案设计流程图（图重新画，不标准）3、系统的硬件配置3.1 V PLC S7-200S7-200系列PLC由西门子公司研发生产，是一种叠装式结构的小型PLCo它指令丰富、 功能强大、可鼎性高、结构紧凑、便于扩展、性能价格比高。适用于各行各业，各种场合 中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器 的简单控制到更复朵的自动化控制。应用领域极为广

17、泛，覆盖所有与自动检测，自动化控 制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等 等。如：冲圧机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装内， 从而形成了一个功能强大的微型PLC,当下载程序到PLC后，S7-200就可以按照逻辑关系 监控I/O设备从而实现控制要求。S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的6种CPU供用户使用。本实验采用 CPU224o表1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU2

18、2161S7-200CPU222862个扩展模块78路数 字量I/O点或10路 模拟量I/O点S7-200CPU22414107个扩展模块168路 数字量I/O点或35 路模拟量I/O点S7-200CPU22624162个扩展模块248路 数字量I/O点或35 路模拟量I/O点S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU,只能与基本单元想象接使用, 用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表所示：表2 S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数类型型号输入点输出点数字量扩展模块EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16

19、模拟量扩展模块EM2313无EM232无2EM235313.2. 编程元件地址分配根据广告牌彩灯的控制要求：如果选择自动，则打开启动开关，彩灯按照手动状态1 手动状态2手动状态1手动状态2无限循环，直到按下停止开关。如果选择手 动，则先要按下手动开关，并选择状态1 （状态2）,彩灯按照手动状态1 （手动状态2） 无限循环，直到按下停止按钮。如有故障，则报警灯亮。确定其I/O分配为表3所示。表3 I/O分配输入点名称输入点地址输出点名称输出点地址启动开关SQ110.0报警灯L0Q0.0停止开关SQ210. 1L1灯Q0. 1手动/自动D110. 7L2灯Q0. 2手动方式1D211.0L3灯Q0

20、. 3手动方式2D311. 1L4灯Q0. 4L1故障D411.2L2故障D511. 3L3故障D611.L4故障D711.5+ 24V3.3、输入输出接线图+ 24VcndooCMNs图2硬件接线图4、系统软件设计4.1、编程软件介绍STEP7-Micro/WIN 4. 0是西门子公司专为SIMATIC S7-200系列可编程序控制器研制开 发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，乂可 实时监控用户程疗;的执行状态。STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是协助用户完成 应用软件的开发。利用一根PC/PPK个人讣算机/点对点接口）电缆可建立

21、个人讣算机与PLC之间的通信。 这是一种单主战通信方式，不需要其他硬件，如调制解调器和编程设备等。PC/PPI电缆的 两端分别为RS-232和RS-485接口，RS-232端连接到个人计算机RS-232通信口 C0M1或 COM2接口上，RS-485端接到S7-200CPU通信口上。组态王作为一款通用的工业监控软件，可以将工厂内部的各个生产系统和信息汇 集在一起，实现最优化管理。极大增强工厂生产力，提高产品质量。降低成本以及原 材料的消耗。通常可以把它划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控 层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自 动控制系统中完成

22、上传下达、组态开发的重要作用。尤其要考虑三方面问题：画面、 数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，釆用组态王对监控系统进行设 计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且， 它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控 制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有 丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。开发具有以下儿个特点：（1） 实验全部用软件来实现，只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验， 从而大大减少购置仪器的经费。（2）该系统是中文界面，具有人机界面友好、结

23、果可 视化的优点。对用户而言，操作简单易学且编程简单，参数输入与修改灵活，具有多 次或重复仿真运行的控制能力。可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线，能很 直观地显示控制系统的实时趋势曲线，这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实 验中可以发挥理想的效果。在釆用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面：（1）图形，是 怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。（2）数据，就是创 建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如水位、 流量等。（3）连接，就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎 样让操作者输入控制设备的指令。4.2

24、.系统程序设计方案（结束、）图3开关设计流程图（不标准，重画）图4运行方式流程图（不标准，重画）5、程序调试在进行课题的设计过程中，我通常先编写程序的一个大的框架，然后慢慢考虑细 节的东西。但这次的工作量特别大。因为程序最大的特点就是逻辑多，过程多，如果要一 点点的装的话，很难把所有的过程都涵盖在里面。当我编完第一次之后就发现这个重大的 问题了。所以我立刻调整我的编程思路，用罗列法，即在这一步时就把下一步将要发生的 情况全部都写出来，所有的情况就很明朗了。有时接线完毕后，系统却达不到预期的效果。 我分析原因，大致有儿种，一是接的线很有可能接触不良，导致显示灯无法发亮。二是疏 忽大意没有用线接P

25、LC的输入输出串口。而程序无法下载则可能是因为程疗;本身有错而无 法编译，还有就是PLC的分配地址不对导致下载失败。PLC在与组态王相连接的过程中也 要注意地址的匹配，不然也将是无法通讯的。了解了这些以后，做实验就相对轻松不少。6、实验结果在此次课设中，通过编写各种基本指令，进一步熟练掌握PLC的编程和程序调试，通 过反复的尝试与修改，并在主导老师的帮助下终于完成了对广告牌彩灯进行控制的实验， 完全达到预期的要求。1、自动方式：彩灯按照状态(1)和(2)的顺序循环运行。如图5、图6。状态(1)： 4号灯亮，延时2秒后，3号灯亮，再延时2秒后，2号灯亮，乂延时2秒 后，1号灯亮，10秒后，全灭。状态(2)： 1号灯亮，延时2秒后，2号灯亮，再延时2秒后，3号灯亮，乂延时2秒 后，4号灯亮，10秒后，全灭。图5自动方式下彩灯LI、L2亮广告牌灯展开始停止手动手手2图6自动方式下彩灯L4亮2、手动方式下的状态(1)： 4号灯亮，延时2秒后，3号灯亮，再延时2秒后，2号灯亮，乂延时2秒后，1号灯亮，10秒后，全灭。循环本状态。如图7。控制台賛“*报灯b n 0 b n 开始停止手动手1手2图7手动状态1下彩灯LI、L2、L3亮3、手动方式下的状态(1)： 1号灯亮，延时2秒后，2号灯