霓虹灯广告屏控制器的设计

中文摘要霓虹灯是城市的美容师, 在技术不断创新的时代，霓虹灯的制造技术及相关零部件的技术水平也在不断进步。随着中国经济的飞速发展，霓虹灯的品种、规格也已基本系列化，可供各种用途的选择，其质量已逐步向国际水平靠拢，中国加入WTO与国际水平的差距将越来越小，在不久的将来必将赶超国际先进水平。PLC可编程控制器是以微处理器为基础综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型的工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一。如今PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业三大支柱。PLC不仅在工业生产中有着广泛的应用而且在我们日常生活中应用也非常广泛。在商业行业中，各种门面、招牌、字幕广告、建筑物轮廓等装饰照明场都有霓虹灯闪烁的身影。霓虹灯的光线连续、均匀在商业广告中已得到广泛的应用。关键词：霓虹灯；控制；PLC0目录第1章 引言 11.1 设计内容和要求11.1.1控制要求 1 1.1.2课题要求 11.2 设计总体思路 11.2.1 PLC简介 1 1.2.2 系统的设计思路5第2章 系统硬件设计72.1 硬件设备的选择72.1.1 选择主要的设备72.1.2 PLC模块的选择 82.2 系统硬件连接设计82.2.1 I/O接口地址分配表 82.2.2 PLC外围接线图 8第3章 系统软件设计 103.1 编程软件简介 103.2 系统软件的设计 113.2.1 按照控制要求进行编程 113.2.2 软元件的地址分配表 113.2.3 梯形图（见附录）113.2.4 语句表（见附录）113.2.5 程序调试（见附录）11设计总结 12致谢词13附录14参考文献 2537引言11 设计内容和要求1.1.1控制要求图 1-1 示意图该广告屏中间8个灯管亮灭的时序为第1根亮第2根亮第3根亮第8根亮，时间间隔为1s,全亮后，显示10s,再反过来从871顺序熄灭。全灭后，停亮2s,再从第8根灯管开始亮起，顺序点亮761，时间间隔为1s，显示20s,再从128顺序熄灭。全熄灭后，停亮2s,再从头开始运行，周而复始。1.1.2课题要求1. 采用PLC控制，列出输入输出点分配表；2. 画出PLC的输入输出设备的接线图；3. 利用STEP7-Micro/WIN32软件完成梯形图、指令表的程序设计与调试。1.2 总体设计思路题目要求用PLC控制灯管的动作，下面对PLC做简单介绍。1.2.1 PLC简介1. PLC的产生20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家熟悉的传统的继电器控制系统。由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，能满足大部分场合电气顺序逻辑控制的要求，因而在工业控制领域中一直占据主导地位。但是继电接触器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性差、动作速度慢、功能弱。难于实现较复杂的控制；特别是由于它是靠硬连接线逻辑构成的系统，接线复杂烦琐，当生产工艺或对需要改变时，原有的接线和控制柜就要更换，所以通用性和灵活性较差。到20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求；但由于价格高，输入、输出电路信号及容量不匹配、编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）对新的汽车流水线控制系统提出的具体要求，研制开发出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上应用成功。这是世界上第一台可编程序控制器，型号为PDP-14。人们把它称做可编程序控制器（PLC，Programmable Logic Controller）,简称PLC。随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们将微机技术应用到PLC中，使得它更多地发挥计算机的功能，不仅用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业控制设备。2. PLC的定义PLC一直在飞速发展中，因此到现在为止，还未能对其下一个十分确切的定义。国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁发了可编程序控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。终稿中对可编程控制器的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。3. PLC的应用初期的PLC主要在以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但在20世纪90年代后，PLC也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总线控制系统，PLC更是其中的主角，起应用面越来越广的作用。PLC被广泛使用，起主要原因是：（1）价格越来越低 由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的本下降；（2）功能越来越强 随着计算机、芯片、软件、控制等技术的飞速发展也使得PLC的功能大大增强。它不仅能更好地完成原来得心应手的顺序逻辑控制任务，也能处理大量的模拟量，解决复杂的计算和通信联网问。（3）与时俱进的发展 在当前最热的现场总线控制系统中，主站和几乎都 有PLC的身影，PLC的通信技术又往前发展了一大步。现在开放式、标准化的PLC也已走到前台，为适应现在和未来自动化技术的发展要求做好了准备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车、粮食加工、化学/制药、金属/矿山、纸浆/造纸等行业。PLC的主要应用范围通常可分成以下几种：一、中小型单机电气控制系统：这是PLC应用最广泛的领域，例如塑料机械、印刷机械、包装机械、组合机车、磨床、电镀流水线及电梯控制等。这些设备对控制系统的要求大都属于逻辑顺序控制，所以这也是最适合PLC的使用领域。在这里PLC用来取代传统的继电器顺序控制，应用于单机控制、多机群控等。二、制造业自动化：制造业是典型的工业类型之一，在该领域主要对物体进行品质处理、形状加工、组装，以位置、形状、力、速度等机械量和逻辑控制为主。由于PLC性能的提高和通信功能的增强，使得它在制造业领域中的大型控制系统中也占绝对主导的地位。三、运动控制：为适应高精度的位置控制，现在的PLC制造商为用户提供了功能完善的运动控制功能。现在工业自动化领域基于PLC的运动控制系统和其他的控制手段相比，功能更强、装置体积更小、价格更低、速度更快、操作更方便。四、流程工业自动化：流程工业是工业类型中的重要分支，如电力、石油、化工、造纸等，其特点是对物体（气体、液体为主）进行连续加工。过程控制系统中以压力、流量、温度、物位等参数进行自动调节为主，大部分场合还有防爆要求。4. PLC的系统组成(1) PLC的结构PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。PLC的硬件系统结构如图1-2所示。 图1-2 PLC的硬件系统结构图(2) PLC的各组成元素的构成及功能一、CPU的构成及功能-CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。二、I/O模块- PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O种类有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等。三、内存-内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。不同机型的PLC期内存大小也不尽相同，除主机单元的已有的内存区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。四、电源模块-PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。 五、底板或机架-大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。5. PLC的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。6. PLC的特点现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。PLC专为工业控制应用而设计，一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。其主要特点有：（1）抗干扰能力强，可靠性高在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施，采用信息保护和恢复技术，实时报警和运行信息显示等。所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器来完成，所以PLC控制系统的可靠性大大提高。（2）控制系统结构简单，通用性强PLC及扩展模块的品种多，可灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。PLC控制系统实质性的好处是当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，只需要对程序进行简单的修改，对硬件部分稍作改动即可，所以说PLC控制系统的通用性强。（3）编程方便，易于使用PLC是面向底层用户的智能控制器，其编程语言采用了和传统控制系统中电气原理类似的梯形图语言，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识语言，只要具有一定的电气和工艺知识的人员都可以在短时间学会。（4）功能强大，成本低现在PLC几乎能满足所有的工业控制领域的需要。在今天的现场总线控制系统中，PLC也发挥着重要作用。PLC控制系统不需要进行专门的抗干扰设计，所以和其他控制系统相比，其成本较低，而且这种趋势还将持续下去。（5）设计、施工、调试的周期短PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业变成语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。（6）维护方便PLC的输入/输出端子能够直观的反映现场信号的变化状态，通过编程工具可以直观地观察控制程序和控制系统的运行状态，极大地方便了维护人员查找故障，缩短了对系统的维护时间。1.2.2 系统的设计思路 根据设计要求，选定一定型号的PLC,利用对PLC的编程，既可以实现控制要求，由于设计内容比较简单，基本思路如下：（1） 选定PLC的型号。（2） 选定CPU型号。（3） 对模块进行编译。（4） 设计外围接线图。（5） 利用仿真软件对设计的程序进行仿真调试。（6） 修改后再次调试直至成功。第2章 系统硬件设计2.1 硬件系统设备的选择2.1.1 选择主要的设备：S7-200PLC 按要求选择西门子生产的S7-200。下面对S7-200做出简要的说明：S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（Micro PLC）。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，图2-1展示一台S7-200 Micro PLC的 CPU22*系列PLC的CPU外型图，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。S7-200 CPU模块包括一个中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。图2-1 S7-200 CPU外型图l CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。l 输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。l 电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。l 通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或一些设备连接起来。l 状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机的I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误。l 通过扩展模块可以增加CPU的I/O点数（CPU221不可以扩展）。l 通过扩展模块可以提供其通讯功能。l 一些CPU具有内置实时时钟，其他CPU需要实时时钟卡。l EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。l 通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。2.1.2 PLC 模块的选择根据初步设计,需要有1个输入,8个输出,而CPU224有14个输入和10个输出,虽然它可以满足条件，但是因为有13个输入是空着的，比较浪费，因此用CPU222加EM222扩展来满足设计要求会更为合理。2.2系统硬件连接分配设计2.2.1 I/O地址分配表：输入/输出的地址分配表如下 根据设计的程序为PLC模块分配地址，因为电路中没有用到继电器，所以使用晶体管输出，现分配地址如表2-1所示。表2-1 输入/输出的地址编程元件I/O端子电路器件作用输入继电器I0.0SB1启动/停止按钮输出继电器Q0.0HL1彩灯1Q0.1HL2彩灯2Q0.2HL3彩灯3Q0.3HL4彩灯4Q0.4HL5彩灯5Q1.0HL6彩灯6Q1.1HL7彩灯7Q1.2HL8彩灯82.2.2 PLC 外围接线图在CAD作图软件中绘制，图2-1为CAD截图。图2-1 PLC外围接线图第3章 系统软件设计3.1 编程软件简介因为设计中要用到STEP7-MICRO/WIN V4.0，而且在此次设计中起到重要作用，下面对该软件进行简单介绍。1.编程软件的应用STEP7-MICRO/WIN V4.0STEP7MICRO/WIN 编程软件，是强大的工控编程组态软件，在Windows平台运行的SIMATIC S7-200软件简单、易学 。能够解决复杂的自动化任务， 可以快速进入，节省编程时间， 具有扩展功能。 基于标准的Windows软件(类似于word, Outlook等标准应用软件，STEP 7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。 1）基本功能： （1）STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATIC S7-200 PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。 （2）适用于所有SIMATIC S7-200 PLC机型软件编程。 （3）支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换。 （4）具有密码保护功能。 STEP 7-Micro/WIN提供软件工具帮助您调试和测试您的程序。这些特征包括：监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。 指令向导功能：PID自整定界面；PLC内置脉冲串输出(PTO)和脉宽调制(PWM)指令向导；数据记录向导；配方向导。 支持TD 200和TD 200C 文本显示界面 (TD 200向导)。 2）其他功能 （1）运动控制 S7-200提供有开环运动控制的三种方式：脉宽调制（PWM）-内置于S7-200，用于速度、位置或占空比控制；脉冲串输出（PTO）-内置于S7-200，用于速度和位置控制；EM253位控模块-用于速度和位置控制的附加模块。 为了简化您应用程序中位控功能的使用，STEP7-Micro/WIN提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。该向导可以生成位控指令，您可以用这些指令在您的应用程序中对速度和位置进行动态控制。对于位控模块，STEP 7-Micro/WIN还提供了一个控制面板，可以控制、监视和测试您的运动操作。（2）创建调制解调模块程序 使用EM241调制解调模块可以将S7-200直接连到一个模拟电话线上，并且支持S7-200与STEP 7-Micro/WIN的通讯。该调制解调模块还支持Modbus从站RTU协议，该模块与S7-200之间的通讯通过扩展I/O总线实现。STEP 7-Micro/WIN提供一个调制解调扩展向导，它可以帮助您设置一个远端的调制解调器，或者设置将S7-200连向远端设备的调制解调模块。3.2 系统软件的设计3.2.1 按照控制要求进行编程在S7-200软件中进行编程，根据要求只需要若干定时器即可实现，顺序开始只要把每个定时器的设定值调到相应的数值即可实现。如要实现逆序熄灭，也只需把定时器设置到相应的数值即可。3.2.2 软元件的地址分配表表3-1 软元件的地址分配表编程元件通电延时器T101(1s)T111(13s)T121(7s)T131(27s)T102(2s)T112(14s)T122(8s)T32(2s)T103(3s)T113(15s)T123(9s)T104(4s)T114(16s)T124(20s)T105(5s)T115(17s)T125(21s)T106(6s)T116(2s)T126(22s)T107(7s)T117(3s)T127(23s)T108(10s)T118(4s)T128(24s)T109(11s)T119(5s)T129(25s)T110(12s)T120(6s)T130(26s)3.2.3 梯形图（见附录）3.2.4 语句表（见附录）3.2.5调试程序（见附录）经过多次的调试，反复的查找原因，最终程序得以顺利运行。其截图在附录中呈现。设计总结通过这次霓虹灯的PLC控制，让我了解了PLC梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。 虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。致谢词感谢我的指导老师王老师，他严谨细致、一丝不苟的作风是我今后工作、学习中的榜样,他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 附录附录一 梯形图(软件截图)附录二 语句表TITLE=霓虹灯控制器的设计Network 1 / 顺序启动/ I0.0为启动按钮LD I0.0AN T32TON T101, 10TON T102, 20TON T103, 30TON T104, 40TON T105, 50TON T106, 60TON T107, 70Network 2 / 逆序熄灭/ 四个开关控制第1个灯LD I0.0AN T115LD T123AN T124OLD= Q0.0Network 3 / 四个开关控制第2个灯LD T101AN T114LD T122AN T125OLD= Q0.1Network 4 / 四个开关控制第3个灯LD T102AN T113LD T121AN T126OLD= Q0.2Network 5 / 四个开关控制第4个灯LD T103AN T112LD T120AN T127OLD= Q0.3Network 6 / 四个开关控制第5个灯LD T104AN T111LD T119AN T128OLD= Q0.4Network 7 / 四个开关控制第6个灯LD T105AN T110LD T118AN T129OLD= Q1.0Network 8 / 四个开关控制第6个灯LD T106AN T109LD T117AN T130OLD= Q1.1Network 9 / 四个开关控制第7个灯LD T107AN T108LD T116AN T131OLD= Q1.2Network 10 / 逆序熄灭/ T107为逆序熄灭触发开关LD T107TON T108, 100TON T109, 110TON T110, 120TON T111, 130TON T112, 140TON T113, 150TON T114, 160TON T115, 170Network 11 / 逆序启动/ T115为逆序启动的触发按钮LD T115TON T116, 20TON T117, 30TON T118, 40TON T119, 50TON T120, 60TON T121, 70TON T122, 80TON T123, 90Network 12 / 循序熄灭/ T123为循序熄灭的触发按钮LD T123TON T124, 200TON T125, 210TON T126, 220TON T127, 230TON T128, 240TON T129, 250TON T130, 260TON T131, 270Network 13 / 循环控制/ T131为循环触发按钮LD T131TON T32, 2000附录三 运行调试(软件截图)参考文献1 西门子公司.SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册.2004.2 方承远.工厂电气控制技术.北京机械工业出版社，2004.3 廖常初. PLC基础及应用.北京机械工业出版社，2004.4 史国生. 电气控制与可编程控制器技术.北京化学工业出版社，2003 .5 张贤达.现代信号处理M.2版.北京:清华大学出版社,1996.6 许小峰.电机与电力拖动M.北京:高等教育出版社.2000.7 童小东.模拟电子及其损伤模型试验D.杭州：浙江大学,1999:24-69.8 丁文祥.数字革命与竞争国际化N.中国青年报，2001-11-20(15).9 谭浩强编著.C程序设计（第三版）M.北京：清华大学出版社，2005.10 林小茶编著.C语言程序设计（第二版）M.北京:中国铁道出版社,2007.12 刘子林.电机与电气控制M.北京:电子工业出版社,2003.红了么，网红 http:/hongle.me/ c1m1mX5iUCa7