交通灯plc西门子毕业设计

摘要本文介绍了一种基于西门子S7-200系列可编程控制器(PLC)的路灯控制系统。该系统以S7-200为核心，实现了路灯控制器的自动工作，并通过光电和湿度传感器对环境的检测，自动选择在光控、湿控以及时控三种不同的工作模式，以达到对路灯的智能控制。本设计的传感器部分采用光电传感器和湿度传感器，具有功能强、精度高、响应速度快、体积小、微功耗、价格低等特点。光电传感器，可以感应光度的强弱，并据此来调节路灯的点亮；湿度传感器，通过检测环境湿度，来改变电压的大小，从而改变点亮路灯的时间。基于PLC的路灯控制系统具有运行可靠，可操作性强，可连续扩展，节能效果明显，成本和维护费用低等优点，可通过编程来改变控制方案，适用于有不同时差的地区，是路灯设计的发展趋势。关键词：PLC，光电传感器，湿度传感器，路灯 AbstractThispaperpresentsastreet-lampcontrollerbasedonSiemensS7-200seriesprogrammablecontroller(PLC).ThesystemwithS7-200asthecorerealizestheautomaticworkofthestreet-lampcontroller.Whatismore,thesystemcanautomaticallychoosethreeworkmoods-lightcontrol,wetlandscontrolandthetimelycontrolbydetectingtheenvironmentthroughthephotoelectricsensorandhumiditysensor,andthenachievetheintelligentcontrolofthestreetlamp.Thedesignofthesensorusingthephotoelectricsensorandhumiditysensor,withfunctionalandhighaccuracy，fastresponse,smallsize,verylow-power,lowprice.Itcanexaminewhetherthelightisstrongornotthroughthephotoelectricsensorandaccordinglyadjustthetimeoflightingstreetlamps.Thehumiditysensorscanchangethetimeofstreetlightbydetectingtheenvironmentalhumidity,andchangethevoltagesize.ThecontrolsystemofthestreetlampbasedonPLCisofhighcredibility,strongoperability,continuousexpansion,obviouslyefficientenergyconservationandlowcostsandmaintenanceexpenditure.Itiseasytochangethecontrolsystembychangingprogramstoapplytodifferentregionswithtimedifferenceandbecomesthedevelopmenttrendofstreetlampdesign.Keywords:PLC，Photoelectricsensor，Humiditysensor，sreetlap目录摘要 IABSTRACT(英文摘要) II目录 III第一章引言 11.1课题的目的意义 11.2路灯控制技术的研究现状 11.3设计方案的可行性分析与论证 21.3.1设计主要技术指标与参数 2设计方案的可行性论证 3第二章传感器 62.1光电式传感器 62.1.1光电式传感器介绍 62.1.2路灯亮度检测 92.2湿度传感器 102.2.1湿敏传感器介绍 102.2.2集成湿度传感器介绍及选型 10第三章可编程控制器概述 153.1PLC的定义 153.2PLC的发展 153.2.1我国PLC的发展 163.3PLC的系统组成与工作原理 173.3.1PLC的组成结构 173.3.2PLC的扫描工作原理 173.4PLC的发展趋势 18第四章系统的硬件方案与设计 194.1PLC的选型与模块配置 194.1.1PLC的选型原则 194.1.2本系统中可编程序控制器的选取及其特点 20 244.3硬件接线图 25第五章系统的软件设计 27 275.1.1PLC软件设计的主要步骤 27系统主程序 28实时时钟指令 29 29结论 30参考文献 31致谢 32附录 33第一章引言课题的目的意义近年来，我国的电力能源显得十分吃紧，节约电能已经成为社会的共识。在照明领域运用节能方法来节约电能已经为人们所接受。目前，路灯照明的传统节能方法主要有两种，一种是光源节能方法，另一种是控制节能方法。控制节能法主要采用人工控制节能、时控控制节能、光控控制节能和节能器控制节能等方法来进行节能。在控制节能方法中，运用智能控制系统进行节能时可通过多种节能模式的组合，来解决单一控制方法所带来的节能效果不理想的问题。本设计是基于西门子S7-200系列PLC为主要控制元件进行设计的，可编程控制器（PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术的一种新型的、通用的自动控制装置。它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便，易于编程及适应工业环境下应用等一系列优点，近年来的工业自动化、机电一体化、传统产业技术等方面应用越来越广，成为现代工业控制三大支柱之一。PLC的最终目标是用于实践，提高生产力。如今，应用PLC已经成为世界潮流，PLC将在我国得到更全面的推广应用。本文主要介绍了一种可以对环境的光度和湿度进行感应，并通过来PLC控制路灯的设计方法。此装置不仅可以灵敏感应环境的光湿度，还可以通过编程对时钟如年、月、日、时、分、秒等灵活控制。随着社会的发展和工业化程度的不断提高，人们的节能观念越来越强，因此对路灯实行智能控制，并采取一定的节能措施是非常必要的，有比较大的现实意义。1.2路灯控制技术的研究现状随着经济的蓬勃发展和城市化进程的进一步加快,社会对照明路灯的需求量有了较大的增加，同时对道路的照明质量及节能问题也提出了更高的要求，因而对路灯控制技术的研究已成为国内外研究的热点之一。目前，对路灯的控制技术主要有无线控制和有线控制两种。无线控制由于受外界影响较大，很难投入实用；在有线控制中，采用电力载波技术无需重新布线，因而成本大大降低，因此，该技术成为路灯控制研究的热点，但这需要解决跨变压器传输控制信号的难题。目前路灯的主要节能技术有LED路灯、太阳能LED路灯等。LED照明是一种较新的技术，它具有效率高、使用寿命长等优点。一个LED路灯，如果要达到和普通的高压钠灯和高压水银灯那样的亮度，大约需要消耗的40W以上功耗，只有传统路灯的25%～40%。随着技术的发展，LED已经开始逐渐取代白炽灯，广泛用于各种照明中，目前LED路灯已经在一些大城市开始试用了。但是这种LED路灯只是提高了电能到光能的转换效率，和传统路灯一样，仍然存在整体照明效率不高的问题。目前还有一种太阳能方式的LED路灯，它在白天利用太阳能给蓄电池进行充电，晚上利用电池驱动LED照明。这种方式虽然不需要交流供电，但是它的缺点很多，存在着成本高、功率小（亮度低）、维护量大、电池寿命短、可靠性差等缺点。完全使用太阳能，会造成一些情况下路灯无法使用的问题。所以太阳能路灯目前并没有得到广泛应用[1]-[2]。设计方案的可行性分析与论证本文介绍一种新型路灯控制器设计方案，采用西门子公司S7-200PLC来实现对路灯节电装置的控制,它具有系统体积小，故障率低，抗干扰能力强，使用寿命长等优点，具有一定的应用价值。这种基于PLC控制的路灯控制系统在灯具节能上把握了节能的新方向，克服了光照的不均匀性和降压节能的灯具寿命缩短、不能点亮等问题。该系统具有运行可靠、可操作行强，可通过编程来改变控制方案，适用于有不同时差的地区，是路灯节能的发展趋势。设计主要技术指标与参数1、能够实现不同季节的时钟控制：春天(3.1～)19：00～6：00夏天(～)20：00～5：00秋天(～)19：00～6：00冬天(～)18：00～7：002、晚上23点以后为节能时间，实行隔灯点亮。3、能够感应环境光度强弱，当光的暗度达到阈值时，继电器触发有效，实时点亮路灯。4、能够较精确地感应雾天湿度，当湿度达到阈值时，实时点亮路灯。5、设计出传感器的接线电路，PLC接线图，梯形图以及指令表。设计方案的可行性论证PLC与其他微型计算机相比,更适于在恶劣的工业环境中运行,且数据处理功能大大增强,具有强大的功能指令，编程也极为方便简单编程指令具有模块化功能,能够解决就地编程、监控、通讯等问题。PLC的梯形图语言清晰、直观、可读性强,易于掌握。PLC具有丰富的功能指令，能实现加减乘除四则运算及数据传送比较移位等功能，还具有实时时钟指令，可方便的实现定时及时间和年月日的设置。系统原理框图如图1-1所示。光电传感器光电传感器湿度传感器按钮开关PLC路灯时钟图1-1系统原理框图PLC的主要优点可概括如下：1、高可靠性(1)所有的输入接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。(2)各个输入端口均采用RC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，以防止辐射干扰。(4)采用性能优良的开关电源。(5)对采用的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立即采取有效措施，以防止故障扩大。(7)大型PLC还可以采用双CPU构成冗余系统或用三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。2、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流;脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如:按钮；行程开关；接近开关;传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外，为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。3、采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PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由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。4、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。第二章传感器传感器是本设计的部件之一，它的选取好坏对整个系统而言，非常的重要。本设计采用光电传感器和湿度传感器，通过对环境光度和湿度的检测，把一些模拟信号转化为电信号，经过扩展模块控制PLC，以达到对路灯的实时控制。光电式传感器光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置中获得广泛应用。光电式传感器通常由四部分组成，如图2-1所示。图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式[3]。图2-1光电式传感器的组成光电式传感器介绍一．光电效应 光是电磁波谱中的一员，不同波长光的分布不同。这些光的频率(波长)各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子(光子)流，一种频率ν的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为：

(2-1)式中h——普郎克常数，×J·s可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光子轰击这些物体的表面；光子与物体之间的联接体是电子。所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应可分成外光电效应和内光电效应两类。1.外光电效应(Externalphotoelectriceffect)在光的照射下使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电应。根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量ε大于该物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A，因此对某特定材料而言，将有一个频率限(或波长限)，称为“红限”。当入射光的频率低于时(或波长大于)，不论入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。红限波长可用下式求得：

(2-2)式中.c——光速。外光电效应从光开始照射至金属释放电子几乎在瞬间发生，所需时间不超过。基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管。2.内光电效应(Internalphotoelectriceffect)光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子-空穴对，从而使半导体材料产生电效应。光子能量必须大于材料的禁带宽度ΔEg才能产生内光电效应。由此可得内光电效应的临界波长(nm)。通常纯净半导体的禁带宽度为1eV左右。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。(1)光电导效应半导体受到光照时会产生光生电子－空穴对(electron-holepairs)，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管。(2)光生伏特效应（PhotoVoltageEffect）光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N区指向P区，当光照射到结区时，光照产生的电子－空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势，这一现象称为光生伏特效应。由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。二.光电式传感器的类型光电式传感器按其输出量性质可分为两大类：这类传感器将被测量转换成连续变化的光电流，要求光电元件的光照特性为单值线性，而且光源的光照均匀恒定。这类传感器又分为四种：(1)辐射式

(2)吸收式

(3)反射式

(4)投射式这类光电传感器利用光电元件受光照或无光照时“有”“无”电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号。为此，要求光电元件灵敏度高，而对光照特性的线性要求不高。这类传感器主要应用于零件或产品的自动记数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器以及光电报警装置等方面。路灯亮度检测本设计中，为了让路灯在白天关闭，而在光线较暗的时刻开启，需要有一个亮度测装置。它由达林顿光敏三极管和555定时器组成[8]。达林顿管又称复合管。它将二只三极管适当的连接在一起，以组成一只等效的新的三极管。这等效于三极管的放大倍数是二者之积。在电子学电路设计中，达林顿接法常用于功率放大器和稳压电源中。如图2-2所示电路，由于电路采用了达林顿型光敏三极管作敏感元件，所以对弱光较敏感，适用于对反射光信号的检测。电路中当达林顿型光敏管受到光照后，其内阻减小，使2脚电位下降，当降为(1/3)Vcc时，3脚输出高电平，这时继电器释放。当光线较暗时，3脚输出低电平，此时继电器吸合，路灯点亮[4]。图2-2光控开关电路湿度传感器湿敏传感器介绍湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。电压不变，湿度增大时电阻减小。

由于电流＝电压/电阻，电流会相应增大。当电流增大到一定值(阈值)，触发信号。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。这方面没有干湿球测湿方法好。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。集成湿度传感器介绍及选型选择集成湿度传感器应考虑以下几点：感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量范围宽，要有较好的一致性、可重复性，线性度要好、湿滞小较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、使用寿命长。目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司(HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型)，Humirel公司(HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型)，Sensiron公司(SHT11、SHT15型)。这些产品可分成以下三种类型：①线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。②线性频率输出集成湿度传感器典型产品为HF3223型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz(型值)，当相对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。③频率/温度输出式集成湿度传感器典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数(NTC)热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。3．常用的集成湿度传感器主要有：①HIH-3610是美国Honeywell公司生产的具有信号处理功能的热固聚酯电容式相对湿度传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常好地抵抗环境的侵蚀，诸如湿气、尘埃、脏物、油、及一些化学品。工作范围：温度-40℃～+85℃，相对湿度0%～100%RH，精度达到±2%RH，激光修正互换性至5%RH，低功耗驱动电流设计为200μA，反应时间为15s②HF3223湿度传感器是法国Humirel公司生产的专利的固态聚合物结构相对湿度传感器，具有线性的频率输出，湿度测量范围10%～95%RH，精度±5%RH，湿度迟滞±1.5%RH，温度工作范围-30℃～+80℃，温度特性好，高可靠性与长时间稳定性，在长时间处于饱和状态后快速脱湿，反应时间10s③HM1500湿度传感器是法国Humirel公司采用Humirel专利湿敏电容HS1101设计制造的相对湿度传感器。带防护棒式封装，5VDC恒压供电，1～4VDC放大线性电压输出，便于用户使用。湿度测试量程为0%～100%RH，精度达±3%RH(10%～95%RH范围)，防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质，非常低的温度依赖性，长期稳定性好，反映时间5s，广泛应用于机房监控，智能楼宇，仓库监控等控制场合，价格实惠，是一款性价比极高的湿度传感器[5]-[7]。4．湿度传感器选择由于HM1500湿度传感器的精度较高，测量范围大，反应时间较快，温度依赖性比较低，长期稳定性能好，用户使用方便，价格实惠，是性价比极高的一款集成湿度传感器，故本方案采用HM1500做为湿度测量的传感器。HM1500是法国Humirel公司于2002年推出的一种基于硬质封装的HS1101湿敏电容的电压输出式集成湿度传感器。它将侧面接触式湿敏电容与湿度信号调理器集成在一个模块中，集成度高，有很小的易于安装的接头，因此不需要外围元件，使用非常方便。其主要特点是采用恒压供电，输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，对温度的依赖性非常低，可靠性与长期稳定性高，互换性好，专利的固态聚合物结构，浸水无影响，长时间处于饱和状态后能快速脱湿，抗污染能力强。一、HM1500的性能特点：①内部包含由湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能输出与相对湿度成线性关系的直流电压信号，输出阻抗为70Ω，适配带ADC的单片机。②HM1500属于通用型湿敏传感器，测量范围是(0%～100%)RH，输出电压范围是+1V～+4V。相对湿度为55%时的标称输出电压为。测量精度为±3%RH，灵敏度为+25mV/RH，温度系数为±0.1%RH/℃，湿度迟滞为±1.5%RH，响应时间为5s。③产品的互换性好，抗腐蚀性强。不受水凝结的影响，长期稳定性指标为0.5%RH/年。④采用+5V电源(允许范围是～)，工作电流为(典型值)，漏电流≤300μA。工作温度范围是-30℃～+60℃二、HM1500的工作原理：HM1500采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快、重复性好、抗污染能力强。HM1500的测湿元件选用湿敏电容HS1101，在一个有机玻璃或玻璃片上首先用扩散法制作两个电极，然后涂上有机膜作为介质，形成一个电容器件。当外界相对湿度变化时，感湿膜能吸附和释放水汽分子，引起其介电常数发生变化，从而使元件电容量改变。利用电容量与相对湿度的函数关系即可测量湿度。内部电路框图如图2-5。HM1500的输出电压与相对湿度的响应曲线如图2-6。运用最小二乘法可以求出其输出电压与相对湿度之间的关系：(2-3)HM1500桥式HM1500桥式振荡电路低通滤波器放大器U。 图2-5HM1500工作原理 图2-6HM1500的输出电压与相对湿度的响应曲线在(10%～95%)RH范围内，时，输出电压与相对湿度的对应关系见表2-1。表2-1HM1500的与RH的对应关系()RH/(%)101520253035404550/VRH/(%)556065707580859095/V当时，可按下式对读数值加以修正：(2-4)第三章可编程控制器概述PLC的定义可编程控制器(ProgrammableController，简称PC)是在传统的顺序控制器的基础上，为满足不断发展的大规模工业生产柔性控制的要求而逐步发展起来的。其功能基本限于开关量逻辑控制，仅执行逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能。所以当时称为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController，简称PLC)。由于可编程序控制器仍然处于不断发展之中，因此对它下一个确切的定义是困难的。为了使其生产和发展标准化，美国国际电工委员会(IEC)于1982年颁布了可编程序控制器标准草案，1985年提交了第二版，1987年的第三版对可编程序控制器作了如下的定义“可编程序控制器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。可编程序控制器及其相关的外围设备都应该按照易于与控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”由此可见，可编程控制器是专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。总之，可编程控制器也是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制[9]。PLC的发展提出PLC概念的是美国通用汽车公司。当时，根据汽车制造生产线的需要，希望用电子化的新型控制器替代继电器控制柜，以减少汽车改型时重新设计制造继电器控制柜的成本和时间。通用汽车公司对新型控制器提出了10项指标，概括起来，PLC的基本设计思想有以下4个方面。(1)把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便价格便宜等优点结合起来。(2)控制器的硬件是标淮的、通用的。(3)根据应用对象、将控制内容编成软件写入控制器的用户程序内存里。(4)控制器和被控对象连接方便。随着微处理器和微型计算机技术的发展，70年代中期以后，PLC已广泛地用微处理器作为中央处理器，输入/输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅具有逻辑判断功能，同时还具有数据处理、PID调节和数据通信、联网等功能，总之PLC一直处于快速发展之中。我国PLC的发展我国PLC产品的研制、生产，大体上经历了从顺序控制器到1位处理器为主体的工业控制器，再到8位微处理器为主体的可编程控制器的三个发展阶段。1974年，国内一些高校、科研单位开始研制顺序控制器，大多使用分立元件。随着我国改革开放政策的落实，同时国外PLC人大量进入我国市场，一部分随成套设备进口，一部分直接引进中小型PLC产品(大多为GE公司、西门子公司、三菱公司、立石公司等)，开始进入以8位微处理器为核心的PLC时代。目前，可编程控制器已广泛应用子各个工业领域，并取得了明显的效益。主要表现出以下特点：使用低档机型多，中、高档机型少，使用国外进口机型多，国产机型少；使用在经济发达地区多，在经济落后地区少，用于单个设备或生产线的多、大批量产品配套的少。因此，国产化PLC的前景是令人鼓舞的，我们必须加快PLC国产化步伐，进一步推广PLC应用技术，努力培养相关专业技术人员。PLC的系统组成与工作原理PLC的组成结构PLC本质上是一台用于控制的专用计算机，因此它与一般的控制机在结构上有很大的相似性。PLC的主要特点是能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕着适宜于过程控制的要求来进行设计的。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m[10]-[11]。3.3.2PLC的扫描工作原理与其它计算机系统相同，PLC的CPU采用分时操作原理，每一时刻执行一个操作，随时间顺序执行各个操作。这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。PLC上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。一次循环可归纳为五个工作阶段，各阶段完成的任务如下：公共处理。复位监控定时器(WDT)，进行硬件检查，用户内存检查等。检查正常后，方可进行下面的操作。如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。I/O刷新。输入刷新时，CPU从输入电路中读出各输入点状态，并将此状态写入输入映象寄存器中;输出刷新时，将输出继电器的元件映象寄存器的状态传送到输出锁存电路，再经输出电路隔离和功率放大，驱动外部负载。执行用户程序。在程序执行阶段，CPU按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行解释、执行，CPU从输入映象寄存器和输出映象寄存器中读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入输出映象寄存器中。外设端口服务。完成与外设端口连接的外围设备(如编程器)或通讯适配器的通信处理。PLC的发展趋势目前的可编程控制器有以下几个方面的发展趋势：(1)向小型化、专用化方向发展。当前开发出许多简易、经济、超小型可编程控制器，以使用于单机控制和机电一体化，真正成为继电器的替代品。(2)向大型化、复杂化、高功能、分散型、多层分布式工厂自动化网络方向发展。可编程控制器输入输出容量已超过32K，扫描速度小于1mS/千步。(3)编程语言和编程工具朝着标准化和高级化方向发展。可编程控制器问世时间虽然不长，但已步入成熟阶段。这种工业专用微机系统是高精技术普及化的典范，使计算机进入工业各行业，使机械设备和生产线控制更新换代。可编程控制器将成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备第四章系统的硬件方案与设计任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：1.最大限度地满足被控对象的控制要求2.保证PLC控制系统安全可靠3.力求简单、经济、使用及维修方便4.1PLC的选型与模块配置选择合适的机型是PLC控制系统的硬件配置的关键问题，目前，国内外生产PLC的厂家很多，如西门子、三菱、松下、欧姆龙、LG、ABB公司等，不同的厂家的PLC产品虽然基本功能相似，但有些特殊功能、价格、服务及使用的编程指令和编程软件都不相同。而同一个厂家生产的PLC产品又有不同的系列，同一系列又有不同的CPU型号，不同系列、不同型号的产品在功能上有较大的差别。因此如何学用合适的机型至关重要。PLC的选型原则在满足控制要求的前提下选型时应选最佳的性价比，一般可以从以下几个方面考虑：I/O点数估算I/O点数是PLC的一项重要指标。合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求有可使系统总投资最低。PLC的输入输出点总数和种类应根据被控对象的模拟量、开关量、输入/输出设备状况（包括模拟量、开关量、输出类型）来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的扩充，一般应估计的总点数再加上15%～20%的备用量。本设计所占用的I/O点数计算：输入信号：开始按钮，停止按钮，以及手动检测按钮；以上共需3个输入信号点，考虑以后对系统的调整与扩充留有20%的备用点，即用3×20%=0.6，取1个点，这样共用4个输入点。输出信号：路灯点亮，路灯节能点亮以及路灯检测维修共需要三个输出点；对系统的调整与扩充留有20%的备用点，即3，取4个点，这样共用4个输出点[13]。本系统中可编程序控制器的选取及其特点目前PLC使用性能较好的SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB公司，根据性价比的选择，根据被控对象的I/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，本设计采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC。SIMATICS7-200系列是西门子公司小型可编程序控制器，可以单机运行，由于它具有多种功能模块和人机界面(HMI)可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务，同时具有可靠性高，运行速度快的特点，继承了和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性能价格比高，所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备。一.SiemensS7-200系列PLC特性S7-200系列PLC介绍S7-200系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，具有模块化、紧凑的结构。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括电力设施、民用设施、机械、机床等领域。S7-200系列具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置丰富的集成功能、实时特性，良好的通信能力，丰富的扩展模块。S7-200系列的强大功能使其无论是在独立运行中，或相连成网络都能实现复杂控制功能。所以它具有极高的性价比。S7-200系列可以根据对象的不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。二、SiemensS7-200主要功能模块介绍(1)CPU模块S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。从CPU模块的功能来看，CPU模块为CPU22*，它具有如下五种不同的结构配置的CPU单元。①CPU221它有6输入/4输出，I/O共计10点。无扩展能力，程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数处理能力，非常适合于少点数的控制系统。②CPU222它有8输入/6输出，I/O共计14点。和CPU221相比，它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展，因此是应用更广泛的全功能控制器。③CPU224它有14输入/10输出，I/O共计24点。和前两者相比，存储容量扩大了一倍，它可以有7个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用得最多S7-200产品。④CPU226它有24输入/16输出，I/O共计40点，和CPU224相比，增加了通信口的数量，通信能力大大增强。它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。⑤CPU226XM它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。(2)开关量I/O扩展模块当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O扩展，I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。通常开关量I/O模块产品分3种类型:输入模块、输出模块以及输入/输出模块。为了保证PLC的工作可靠性，在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。如光电隔离、输入保护(浪涌吸收器、旁路二极管、限流电阻)、高频滤波、输入数据缓冲器等。由于PLC要控制的对象有多种，因此输出模块也应根据负载进行选择，有直流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块。按照输出开关器件种类不同又分为3种:继电器输出型、晶体管输出型和双向晶闸管输出型。这三种输出方式中，从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中;若从与外部电路安全隔离角度看，继电器输出型最好。在实际使用时，亦应仔细查看开关量I/O模块的技术特性，按照实际情况进行选择。典型的数字量I/O扩展模块有:输入扩展模块EM221有两种：8点DC、8点AC输入；输出扩展模块EM222有三种：8点DC晶体管输出，8点AC输出、8点继电器输出。输入/输出混合扩展模块EM223有六种：分别为4点(8点、16点)DC输入/4点(8点、16点)DC输出、4点(8点、16点)DC输入/4点(8点、16点)继电器输出。(3)功能扩展模块当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU主机可以扩展特殊功能模块.如要求进行PROFIBUS-DP现场总线连接时，就需要EM277PROFIBUS-DP模块[14]，在这里主要介绍模拟量输入模块EM231和数字量输出模块DEA300。①EM231模拟量输入扩展模块提供了4×12位模拟量输入的功能。其内部集成了A/D转换器、放大器等多种功能的电路，有很强的抗干扰性，可用于复杂的控制场合，它能够不用放大器而与传感器直接相连，有4输入模拟量通道，具有12位的分辨率，且具有多种输入、输出信号范围[15]-[16]。②DEA300数字量输出模块，数字量输出模块将内部电平转换为外部处理过程中所需的信号。LED以绿色显示输出状态，输出点数：16；隔离（背板总线）：允许；分组：8；输入电压：额定电压：DC24V；波动电压Vpp：；范围（包括波动值）：20～30V；t<10ms时，电压值：50V；输出电流：正常电流：；短路保护：电子；电路中断引起的电压值限制于：-48V；电缆长度：非屏蔽：600m；屏蔽：1000m；电流消耗：内部（背板总线）：45mA；外部（+24V）：110mA；功能（额定状态）：5W；环境温度：工作状态：0℃～60℃；运输及存储：-25℃～75℃；16点输出（DC24V2.本设计PLC的配置本设计选用S7-200系列PLC的CPU的型号为CPU224(14输入/10输出，I/0共计24点)和模拟量输入模块EM231。EM231配置表4-1所示为如何使用DIP开关设置EM231模块。开关1、2和3可选择模拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。下表中，ON为接通，OFF为断开。表4-1EM231选择模拟量输入范围的开关表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10VONOFF0到5V0到20mA5uA双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON-5V到+5VONOFFEM231输入数据格式模拟量输入模块的分辨率通常以A/D转换后的二进制数数字量的位数来表示，模拟量输入模块的输入信号经A/D转换后的数字量数据值是12位二进制数。数据值的12位在CPU中的存放格式为最高有效位为符号位：0表示正值数据字，1表示负值数据字[12]。单极性数据格式：对于单极性数据，其2个字节的存储单元的低3位均为0，数据值12位是放在第3～14位区域，如图4-1所示。这12位数据字的最大值应为–8=32760。EM231模拟量输入模块A/D转换单极性数据格式的全量程范围设置为0～32000。差值32760–32000=760则用于偏置/增益，由系统完成。由于第15位为0，表示正值数据字。双极性数据字格式：对于双极性数据，存储单元(2个字节)的低4位均为0，数据值12位是存放在第4～15位区域。最高有效位为符号位，如图4-1所示。双极性数据字格式的全量程范围设置为-32000～+32000。MSBLSBMSBLSB15210数据值12位单极性数据MSBLSB153210数据值12位双极性数据 图4-1EM231输入数据字格式编程元件的I/O地址分配1.输入/输出继电器地址分配如表4-2所示。表4-2输入/输出继电器地址分配表编程元件I/O端子作用输入继电器启动按钮停止按钮手动检测按钮模拟量输入AIW0湿度传感器输出继电器路灯点亮路灯节能点亮路灯检测2.其他编程元件的地址分配如表4-3所示。表4-3其他编程元件的地址分配表编程元件编程地址作用辅助继电器春天开始，冬天结束时间春天结束，夏天开始时间夏天结束，秋天开始时间秋天结束，冬天开始时间节能点亮时刻春天正常亮夏天正常亮秋天正常亮冬天正常亮春天节能点亮夏天节能点亮秋天节能点亮冬天节能点亮光控触发有效雾天亮4.3硬件接线图根据设计要求，画出PLC硬