天塔之光课程设计说明书

1、郑州工业应用技术学院课程设计说明书题目： 天塔之光 姓 名： 张帅旗 院（系）： 机电工程学院 专业班级： 13级电气工程及其自动化3班学 号： 1302120307 指导教师： 赵娟萍 吉成芳 成 绩： 时间： 2016 年 12 月 19 日至 2016 年 12 月 30 日第1章 绪论 1.1天塔之光系统的意义、现状及趋势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，

2、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。天塔之光控制系统主要应用在闪光灯或花样灯饰中，目前我国灯具市场的发展空间十分广阔。近年来，伴随我国人民生活水平逐年提高，城镇住宅建设以及室内装饰装修热度不减，人均住房面积的扩大，在促使一室一灯为一室多灯、增加局部照明的同时，所用灯具正逐步由低档产品向中高档产品发展，民用照明需求旺盛。按照城市小康家庭的消费标准，客厅、饭厅、卧室、厨房、浴室都应安装不同类别的灯饰，如台灯、落地灯、壁灯、天花灯、吊灯、壁柜灯、油烟机照明灯、镜前灯、夜间照明灯等等。从发展趋势上看，今后灯具除了其外观及内在质量要求越来越优秀、时尚、体现个性等，

3、对其功能细化、科技含量、节能环保等方面的要求也越来越高。作为与人们日常生活密切相关的灯饰市场需求，更是以每年15左右的幅度增长。今年我国灯饰市场的需求量已经预期达到6000万台左右，在国际上已经名列前茅。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的，而本设计是用s7200plc做的，是用s7-200plc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。1.1.3发展趋势（1）向高效节能方向发展首先是采用节能光源，然后是按照节能光源的尺寸、形状，精心设计灯具的光学系

4、统，真正提高灯光的有效利用率。如在射灯中，选用光色好的高强度气体放电灯，可造成一个光线弥散、均匀柔和的照明环境，且灯具的保护角小、效率高，能较好地显示建筑物结构。又如现在用于商店、博物馆等陈列照明场所的光纤展览照明系统，运用导纤维将光线传送到被照物体，取代了传统的荧光灯。（2）向集成可调化方向发展技术的迅速发展，各种集成化装置和电子计算机控制系统对灯具和照明系统的应用取得了显著的进步，如应用电子镇流器对灯具及照明系统进行调光、遥控、控制光色。（3）向多功能小型化发展随着紧凑型光源的发展，镇流器等灯用电器配件的超小、超薄、各种新技术、新工艺的不断采用，现代灯具正在向小型、实用和多功能方向发展。（

5、4）装配系列化转现代灯具的选型追求简洁明快，淘汰了过去一味追求表面华美的造型及过分装饰的风格。既强调个性，又强调与背景环境的协调，还注重表现灯具材料的质感。为了保证照明条件和视觉的舒适感，灯具大都配有各种系列成套的配件选择，以使用户根据需要自我调整。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

6、，太刺眼，因此它不能得到广泛应用。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彩灯给城市带来的五彩缤

7、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。第2章 可编程控制器的概述2.1 plc概述2.1.1 plc的产生与发展（1）可编程控制器的名称演变plc是可编程控制器（programmablecontroller）的简称，是一种在继电接触器控制技术和计算机控制技术的基础上发展起来的一种新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等基本功能，主要用来取代传统的继电器控制，因此，通常将其称为可编程逻辑控制器（progra

8、mmablelogiccontroller）。随着微电子技术和计算机技术的发展，微处理器技术应用到plc中，使plc不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、通信联网等功能。但是，为了不与个人计算机（personalcomputer）的简称pc相混淆，常常还将可编程控制器简称为plc。（2）plc产生的背景继电器控制系统的特点优点：简单易懂，操作方便，价格便宜，容易掌握。缺点：设备体积大，耗电多，开关动作慢，功能较少，接线复杂，触点易损坏，寿命短，改接麻烦，可靠性差，灵活性差。计算机控制系统的特点优点：功能完善，灵活性强，通用性好。缺点：计算机技术复杂，编程很不方便，价格十分昂贵，抗干扰能力差。

9、（3）plc的诞生1969年，美国数字设备公司（dec）研制出世界上第一台可编程控制器，型号为pdp-14，并在gm公司汽车生产线上首次应用成功。（4）plc的发展第一代：从第一台可编程控制器诞生到70年代初期。其特点是：cpu由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器；第二代：70年代初期到70年代末期。其特点是：cpu采用微处理器，存储器采用eprom；第三代：70年代末期到80年代中期。其特点是：cpu采用8位和16位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用eprom、earom、cmosram等；第四代：80年代中期到90年代中期。pc全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，

10、处理速度也达到1us/步；第五代：90年代中期至今。pc使用16位和32位的微处理器芯片，有的已使用risc芯片。（5）plc的地位现代的plc已成为现代工业控制的三大支柱（plc，机器人和cadcam）之一。（6）我国plc的发展1974年我国开始仿制美国的第二代plc产品，但因元器件质量和技术问题等原因未能推广。直到1977年，我国才研制出第一台具有实用价值的plc，并开始批量生产和应用于工业过程的控制。由于使用单片1位处理器，因此，应用的规模较小，主要的控制方式是开关量控制。随着我国改革开放政策的贯彻和落实，从1982年开始，先后有天津、厦门、无锡、大连、上海、北京等地的仪表厂、无线电厂

11、和研究所等单位与美国、德国、日本等plc的制造企业进行了合资或引进技术、生产流水线等，使我国plc的应用有了较大的发展。2.1.2 plc的特点（1）编程方法简单易学考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯和应用微机的实际水平，plc配备有他们最容易接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图非常接近。而且某些仅有开关量逻辑控制功能的plc只有十几条指令。通过阅读plc的使用手册或短期培训，电气技术人员或技术工人只要几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。（2）硬件配套齐全，用户使用方便plc配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自

12、己设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定plc的硬件配置和外部接线。plc的安装接线也很方便。（3）通用性强，适应性强plc的生产具有系列化和模块化特点，硬件配置相当灵活，可以很方便地组成能满足各种控制要求的控制系统。组成系统后，如果工艺变化，可以通过修改用户程序，方便快速地适应变化。（4）可靠性高，抗干扰能力强绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。plc采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。plc的平均无故障间隔时间高，如日本三菱公司的f1、f2系列plc的平均无故障间隔时间长达30万小时，这是一般微机所不能比拟的。（5）系统的设计

13、、安装、调试工作量少plc用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。plc的梯形图程序很容易掌握，设计和调试梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少得多。 （6）维修工作量小，维修方便plc的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。plc或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据plc上的指示灯或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因。用更换模块的方法可以迅速地排除plc的故障。（7）体积小，能耗低以f1-40m型plc为例，其外形尺寸为305ll0110mm，功耗小于25va。由于体积小，plc很容易装入机

14、械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。2.1.3 plc的应用领域 （1）开关量逻辑控制 （2）运动控制 （3）闭环过程控制 （4）数据处理 （5）通信联网2.1.4 plc的常用编程语言（1）梯形图梯形图是一种图形语言，是目前plc应用最广、最受电气技术人员欢迎的一种编程语言。在梯形图中仍沿用了继电器、线圈、常闭触点、常开触点、串并联等术语和图形符号，并增加了一些继电接触器控制中没有的符号，因此梯形图与继电接触器控制原理图相似，具有形象、直观、易懂等特点。（2）语句表语句表语言，就是用表示plc各种功能的助记符和相应的器件编号组成的程序表达方式。助记符语言比微机中使用的汇编语言直观易

15、懂，编程简单。但不同厂家制造的plc所使用的助记符和器件编号不尽相同，所以对于同一个梯形图来说，写成对应的语句表也不尽相同。（3）功能块图这种编程方法基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑图来表达，常用“与”门、“或”门、“非”门等符号，图的左边画输入，右边画输出，如图2-2所示。（4）顺序功能图（又称状态转换图）它将一个完整的控制过程分成若干步，各步具有不同动作，各步之间的转换有一定的条件，条件满足则上一步结束而下一步开始。它的作用是表达一个完整的顺序控制过程。（5）结构文本（高级编程语言）随着软件技术的发展，近年来为了增加plc的运算功能和数据处理能力，完成比较复杂的控制，在许多大型plc中已采

16、用高级语言来编程，如basic语言、c语言等。2.2 plc的结构和工作原理2.2.1 plc的基本结构plc实际上是一种工业控制计算机。它的硬件结构与一般微机相似，主要由主机、i/o扩展机、外围设备三部分组成。（1）主机主机由cpu（微处理器）、存储器、输入输出单元、电源等部分组成。cpu是plc的核心，其作用类似于人的大脑。它能够识别用户按特定格式输入的指令，并按照指令完成预定的控制任务。另外，它还能识别用户所输入的指令序列的格式和语法错误，还具有系统测试与诊断功能。plc的存储器有两种：系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器主要用于存放系统正常工作所必须的程序，如系统诊断程序、键

17、盘输入处理程序、指令解释程序、监控程序等。这些程序与用户无直接关系，已由厂家直接固化进eprom中，不能由用户直接存取、修改。用户程序存储器主要存放用户程序（用户利用plc的编程语言按不同控制要求所编制的控制程序或数据，这相当于设计继电器控制系统硬接线的控制电路图），可修改。输入输出（io）单元是plc与输入控制信号和被控制设备连接起来的部件，输入单元接收从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成cpu能接收和处理的数字信号。输出单元接收经过cpu处理过的输出数字信号，并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。根据

18、输入信号形式的不同，可分为模拟量i/o单元、数字量i/o单元两大类。电源单元的作用是把外部电源（220v的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接的电源，通过plc内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为plc内部电路需要的工作电源（直流5伏、12伏、24伏），并为外部输入元件（如接近开关、）提供24v直流电源（仅供输入端点使用），而驱动plc负载的电源由用户提供。电源组件内还装有备用锂电池，以保证在断电时保存必要的信息。plc还有各种外设接口电路，用于连接编程器或其他图形编程器、文本显示器、触摸屏、变频器等并能通过外设接口组成plc的控制网络。plc通过pc/ppi电缆或使

19、用mpi卡通过rs-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。（2）i/o扩展机每种plc都有与主机相配的扩展模块，用来扩展输入、输出点数，以便根据控制要求灵活组合系统。plc扩展模块内不设cpu，仅对i/o通道进行扩展，不能脱离主机独立实现系统的控制要求。（3）外部设备外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、eprom写入器、图形监控系统等。其中编程器是plc必不可少的重要外围设备，由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成，主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视plc的工作状态。编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且需将梯形

20、图转化为助记符后才能送入。智能型编程器又称图形编程器，它既可联机编程，又可脱机编程，具有图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话，但价格较贵。现在也可在计算机上填加适当的硬件接口，利用生产厂家提供的编程软件包就可将计算机作为编程器使用，而且还可以在计算机上模拟调试。plc与打印机相连可将过程信息，系统参数等输出打印。当与监视器相连时可将控制过程图象显示出来。当plc与plc相连时，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。统的控制要求。（4）外部设备外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、eprom写入器、图形监控系统等。其中编程器是plc必不可少的重要外围设备，由键盘、显示器、工作方式

21、选择开关和外存储器接插口等部件组成，主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视plc的工作状态。编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且需将梯形图转化为助记符后才能送入。智能型编程器又称图形编程器，它既可联机编程，又可脱机编程，具有图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话，但价格较贵。现在也可在计算机上填加适当的硬件接口，利用生产厂家提供的编程软件包就可将计算机作为编程器使用，而且还可以在计算机上模拟调试。plc与打印机相连可将过程信息，系统参数等输出打印。当与监视器相连时可将控制过程图象显示出来。当plc与plc相连时，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模

22、控制。2.2.2 plc的工作原理（1）plc的等效电路plc的工作酷似一个继电器系统，其等效电路可分为三部分：输入部分、内部控制电路和输出部分。输入部分-这部分的作用是收集被控设备的信息或操作命令。输入端子外接行程开关、按钮等的触头，内连输入继电器线圈。输入继电器由外部信号通过输入端子驱动，可提供无限多对常开、常闭的软触点供内部使用。内部控制电路-由用户根据控制要求编制的程序所组成，其作用是按用户程序的控制要求对输入信号进行运算处理，判断哪些信号需要输出，并将得到的结果输出给负载。输出部分-这部分的作用是驱动外部负载，所以输出端子是plc向外部负载输出信号的端子，其内连输出继电器（q）的一对

23、常开触点。输出继电器除提供一对常开触点驱动负载以外，还可以提供无数对常开、常闭触点供内部使用。（2）plc的周期工作方式plc是通过一种周期工作方式来完成控制的，每个周期包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。输入采样阶段-plc以扫描方式按顺序将所有输入端的状态读入到输入状态寄存器中存储，这一过程称为采样。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，而且将在plc执行程序时被使用。程序执行阶段-plc按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入状态寄存器和输出状态寄存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输出状态寄存器中保存。但这个结果在全部程序未

24、执行完毕之前不会送到输出端口上。输出刷新阶段-在所有用户程序执行完毕后，plc将输出映像寄存器中的内容送入输出锁存器中，通过一定的方式输出，驱动外部负载。plc重复执行输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。plc的一个扫描周期一般为40100ms之间。2.2.3 plc的分类（1）按结构形式分：整体式：将电源、cpu、i/o部件都集中在一个机箱内。模块式：将plc各部分分成若干个单独的模块。（2）按i/o点数分：小型plc：i/o点数在256点以下，其中小于64为超小型或微型plc。中型plc：i/o点数在2562048点之间。大型plc：i/o点数在2048

25、点以上，其中超过8192点为超大型plc。（3）按功能分：低档机：具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能。中档机：比低档机多了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送比较等功能。高档机：比中档机多了矩阵运算等特殊功能函数运算、通信联网等功能。2.2.4 plc的主要技术指标（1）i/o点数可编程控制器的i/o点数指外部输入、输出端子数量的总和。它是描述的plc大小的重要参数。（2）存储容量在plc中，用户程序的存储容量有的是用编程的步数来表示，每编一条语句为一步；有的是以字为单位来计算，8位二进制数为一个字节，每1024个字节为1kb。目前大型plc的存储容量是几百kb，最高可达

26、几mb。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。（3）扫描速度plc采用循环扫描方式工作，完成1次扫描所需的时间叫做扫描周期。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和plc产品的类型。目前大中型plc的扫描速度可达02mskb左右。（4）指令系统指令系统是指plc所有指令的总和。一般来讲，指令的种类和数量越多，功能就越强，因而指令多少是衡量plc能力强弱的指标，决定了plc的处理能力和控制能力。（5）通信功能通信有plc之间的通信和plc与其他设备之间的通信。通信主要涉及通信模块，通信接口，通信协议和通信指令等内容。plc的组网和通信能力也已成为plc产品水平的重要衡量指标之一。2

27、.2.5plc的主要应用（1）开关量逻辑控制。这是plc最基本的控制，可以取代传统的继电器控制系统。（2）模拟量控制。除了开关量控制以外，plc还可以接收、处理和控制连续变化的模拟量，如温度、压力、速度、电压、电流等。（3）运动控制。plc可以控制步进电动机和伺服电动机，从而控制机件的运动方向、速度和位置。 （4）多级控制。plc可以实现与其他plc，上位计算机、单片机互相交换信息，组成自动化控制网络。 第3章 硬件设计3.1plc的选型3.1.1日本三菱fx2nfx2n系列plc的主机成为基本单元，包括cpu、存储器、输入输出口及电源，是plc的主要部分。fx2n系列plc输入继电器及输出继

28、电器的序号为8进制，其余器件的序号为十进制。从元件的最大序号可以了解可编程序控制器可能具有某类器件的最大数量。3.1.2德国西门子7ss7-200系列属于整体式小型plc，用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。整体式plc将cpu模块、i/o模块和电源装在一个箱型机壳内。s7-200系列plc提供多种具有不同i/o点数的cpu模块和数字量、模拟量i/o扩展模块供用户选用，cpu模块和扩展模块用扁平电缆连接。由于各类plc的工作原理、控制方法及编程程序语言的差别不太大，所以选择日本三菱系列plc。3.2灯泡选择3.2.1白炽灯白炽灯又叫做电灯泡，它的工作原理是电流通过灯丝

29、时产生热量，螺旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000摄氏度以上，灯丝在处于白炽状态时，就象烧红的铁能发光一样而发出光来。灯丝的温度越高，发出的光就越亮。故称为白炽灯。白炽灯发光时，大量的电能转化为热能，只有极少部分转化为光能。3.2.2节能灯节能灯又叫紧凑型荧光灯(简称cfl灯)具有光效高(是普通灯泡的5倍)，节能效果明显，寿命长(是普通灯泡的8倍)体积小，使用方便等优点。它的工作原理和日光灯基本相同。3.2.3 led灯led灯又叫发光二极管，它是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。led灯具有体积小、耗电低、寿命长、无毒环保等优点，led灯具从室外装饰，工程照明，逐渐发

30、展到家用照明。综合以上所述选择led3.3外部接线图 plc外围接线图如下图所示：图3-1外部接线图3.3.1实验步骤：（1）在plc扩展实验模块区插入记件实验模块，把扁平电缆线连接到模块。上电后，模块上的电源指示灯应点亮，如果不亮，先分别检查原因后在做实验.（2）按要求确定输入、输出端口。做出plc的输入、输出原理图。（3）根据原理图，将plc的数字量输入端子的相应公共端（y1、y2）、输出端子的相应公共端（1l、2l）连接至扩展区上的gnd端子。（4）下载实验程序，使plc处于运行状态，run指示灯亮；（5）按动作要求逐步进行实验，仔细观察实验现象，认真记录实验中发现的问题、错误、故障及解

31、决方法。（6）按下启动按钮，l1l7等7个灯按着设计的顺序来依次循环。（7）当按下停止按钮后，停止天塔之光实验。（8）在软件上进行模拟仿真，可以实时显示出天塔之光运行状态。第4章软件设计4.1可编程控制器i/o口分配表 表4.1 i/o分配表错误！未找到目录项。输入输出元件代号功能输入点元件代号功能输出点sb1启动x0l1产生天塔之光y1sb2停止x1l2y2l3y3l4y4l5y5l6y6l7y74.2控制要求：要求设计1组霓虹灯，有7个灯管，要求7个灯管按一下规律显示：l1l1、l2 l1、l3l1、l4l1、l2l1、l2、l3、l4l1、l6l1、l7l1、l6l1、l5l1、l6l1

32、、l5、l6、l7、l1、l2、l3、l4l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l1如此循环。 4.3模拟调试 按下启动按钮，l1灯亮图4-2 l1灯亮 l1亮1秒后熄灭，l1、l2灯同时亮图4-3 l1、l2灯同时亮 l1、l2灯亮1秒后熄灭，li、l3灯同时亮图3-3 li、l3灯亮 l1、l2灯亮1秒后熄灭，l1、l4灯同时亮图4-4 l1、l4灯同时亮l1、l4灯亮1秒之后，l、l2灯亮，l、l2灯亮1秒之后，l1、l2、l3、l4同时亮图4-5 l1、l2、l3、l4同时亮 l1、l2、l3、l4同时亮1秒之后熄灭，l1、l6灯同时亮图4-6 l1、l6灯同时亮 l1、l6灯亮1秒之后熄灭，l1、l7灯同时亮图4-7 l1、l7同时亮l1、l7灯同时亮1秒后消灭