基于PLC的彩燈控制系統(tǒng)的設計

基于PLC的彩燈控制系統(tǒng)的設計摘要彩燈在我們的日常生活中是隨處可見的，彩燈控制能夠達到的渲染效果是通過控制全部或者部分彩燈的亮和滅、閃爍的頻率、燈的亮度及燈光流的方向來實現(xiàn)的。在本次設計中采用西門子公司S7-200系列PLC來進行控制。本次設計對彩燈的要求是變幻類負載其控制對象設定為“國慶快樂”字形，且均勻分布在彩燈的中央部位，由紅、黃、藍三色燈箱組成，三色燈箱按照一定的控制閃爍；流水類負載是在燈箱的周圍有32盞顏色不同的流水燈組循環(huán)閃爍。根據(jù)設計的要求，首先進行了硬件系統(tǒng)的設計，選用的是S7-200的CPU226，它的24點輸入/16點輸出可以滿足本次設計的需求，并畫出了輸入和輸出接線圖。在軟件方面，根據(jù)設計的思想進行了實現(xiàn)系統(tǒng)功能的梯形圖的設計，指令采用的是減計數(shù)器指令和移位寄存器指令，并利用S7-200的STEP7-Micro/WIN32編程軟件進行編程。它可以方便地在Windows環(huán)境下對PLC編程，調試，監(jiān)控，且編程方便，快捷。利用PC/PPI電纜將計算機與PLC相連接來驗證程序，在PLC上可以清楚的看到控制效果，從而證明了本次設計的成功。關鍵詞：彩燈控制；S7-200；PLC；STEP7-Micro/WIN32DesignofControlSystemoftheColorLampBasedonPLCAbstractColorlampiseverywhereinourdailylife.Theeffectoflanterncontrolcanbeachievedbycontrollingallorpartofthelanternsbrightandextinguished,blinkingfrequency,thebrightnessoflightsandthedirectionoflightflow.ThecontrolsystemofthecolorlampwascontrolledbySiemensS7-200SeriesPLCinthisdesign.Inthedesign,therequirementswerethatthecontrolledobjectswere“HappyNationalDay”forchangingtypeloadresistanceanduniformlydistributedinthecentralpartofthecolorlamps.Thecontrolledobjectsweremadeupofred,yellow,bluelampboxesandthreecolorslampboxesflickeredaccordingtocertaincontrolrequirements.Aroundthelampboxes,theflowingwaterlightsgroupof32differentcolorscircularlyflickeredforflowingwaterloadresistance.Accordingtotherequestofthisdesign,firstthedesignofthehardwaresystemwasproposed.S7-200CPU226wasselectedanditmetthedemandof24pointsinput/16pointsoutput,andthewiringdiagramoftheinputandoutputwasdesign.Intermsofsoftware,theladderdiagramswhichachievedthefunctionsofthecontrolsystemweredesignbasedonthedesignideas.TheCountDownandShiftRegisterBitinstructionswereadoptedinthedesignandtheprocedureswereprogrammedbyusingSTEP7-Micro/WIN32onS7-200.ItcaneasilyforPLCprogramming,debugging,monitoringandprogrammingconvenienceandfastunderWindows.ByPC/PPIcable,thecomputerandPLCwereconnectedtoverifytheprogram.ThroughPLC,wecanclearlyseetheeffectofthecolorlampscontrolandthusitprovesthisdesignsuccessfully.Keywords：colorlampcontrol;S7-200;PLC;STEP7-Micro/WIN32目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1PLC的背景 11.2PLC的應用領域 11.3PLC的發(fā)展歷程 21.4本設計的主要內容 32PLC概述 42.1PLC的主要功能和特點 42.1.1PLC的主要功能 42.1.2PLC的特點 52.2PLC的發(fā)展趨勢 63PLC的結構與工作原理 83.1PLC的結構 83.2PLC的工作原理 103.2.1PLC的工作方式 103.2.2PLC工作過程中的各環(huán)節(jié) 103.3PLC的編程語言 114基于PLC的彩燈控制系統(tǒng)的具體設計 124.1工作原理與要求 124.2工藝過程 124.3硬件設計 154.3.1S7-200系列PLC性能簡介 154.3.2CPU226技術指標 164.3.3編程元件地址分配 174.3.4輸入輸出接線圖 184.4軟件設計 214.4.1設計思想 214.4.2設計運用指令 214.4.3梯形圖設計 214.4.4STEP7-Micro/WIN編程軟件 26參考文獻 301緒論1.1PLC的背景隨著科學技術的發(fā)展，電氣控制技術在各領域中得到了越來越廣泛的應用。可編程序控制器（PLC）的應用使電氣控制技術發(fā)生了根本的變化。PLC是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術，半導體技術，自動控制技術，數(shù)字技術和網(wǎng)絡通信技術發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。PLC以其可靠性高，靈活性強，使用方便的優(yōu)越性，迅速占領了工業(yè)控制領域。從運動控制到過程控制，從單機自動化到生產線自動化乃至工廠自動化，從工業(yè)機器人，數(shù)控設備到柔性制造系統(tǒng)（FMS），從集中控制系統(tǒng)到大型集散控制系統(tǒng)，PLC均充當著重要角色，并展現(xiàn)出了強勁的態(tài)勢。1.2PLC的應用領域目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類[1]。1．開關量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。2．模擬量控制在工業(yè)生產過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3．運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。4．過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用的較多的調節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。5．數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。

6．通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。1.3PLC的發(fā)展歷程世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）研制的。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。此時的PLC為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產物。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段[2]。目前，我國已可以生產中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產的CF系列、杭州機床電器廠生產的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產的S系列、蘇州電子計算機廠生產的YZ系列等多種產品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產廠家?？梢灶A計，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。1.4本設計的主要內容本次設計是運用PLC來實現(xiàn)對彩燈系統(tǒng)的控制，設計的彩燈系統(tǒng)具有結構簡單，變幻形式多樣，價格低等優(yōu)點。西門子公司的PLC是現(xiàn)在市面上利用率較高的PLC。它指令豐富，功能強大，可靠性高，適應性好，便于擴展，性價比高，符合要求。因此，本設計中選用西門子公司的SIMATICS7-200小型PLC來進行控制。在硬件設計中選擇了CPU226，設計出了系統(tǒng)輸入和輸出的接線圖。根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，畫出了系統(tǒng)功能的梯形圖。S7-200的PLC本身自帶STEP-7-Micro/WIN編程軟件為編程及調試帶來相當大的方便。2PLC概述1987年2月，國際電工委員（IEC）頒布了可編程控制器標準草案第三稿。該草案中對可編程控制器的定義是：“可編程控制器是一種數(shù)字運行操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和識字運算等操作指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產過程?？删幊炭刂破骷捌渫鈬嘘P的設備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則進行設計”。下面就針對PLC的主要功能和特點及發(fā)展趨勢進行介紹[3]。2.1PLC的主要功能和特點2.1.1PLC的主要功能1．開關量邏輯控制可實現(xiàn)各種簡單和復雜的邏輯控制，常用于取代暢通的繼電器控制系統(tǒng)。2．模擬量控制PLC中配置了A/D和D/A轉換模塊，把現(xiàn)場輸入模擬量經A/D轉換后送CPU處理。而CPU處理的數(shù)字量結果，經D/A轉換后，轉換成模擬量去控制被控設備，以完成對連續(xù)量的控制。3．閉環(huán)過程控制配置PID控制模塊，對控制過程中某一變量進行PID控制。4．定時控制為用戶提供了若干個定時器。可以由用戶在編寫用戶程序時設定，也可以用鍵盤開關在外部設定，實現(xiàn)定時或延時的控制。5．計數(shù)控制為用戶提供了若干個計數(shù)器?？梢杂捎脩粼诰帉懹脩舫绦驎r設定，也可以用鍵盤開關在外部設定，實現(xiàn)計數(shù)控制。6．順序（步進）控制在工業(yè)控制中，選用PLC實現(xiàn)順序（步進）控制，可以采用IEC規(guī)定的用于順序控制的標準化語言－順序功能圖進行設計?？梢杂靡莆患拇嫫骱晚樋刂噶罹帉懗绦?。7．數(shù)據(jù)處理不僅能進行數(shù)字運算和數(shù)據(jù)傳送，而且還能進行數(shù)據(jù)比較，數(shù)據(jù)轉換，數(shù)據(jù)顯示，打印以及數(shù)據(jù)通信等。8．通信和聯(lián)網(wǎng)可以對遠程I/O進行控制，又能實現(xiàn)PLC與PLC，PLC與計算機之間的通信，從而構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。PLC還可與其他智能控制設備實現(xiàn)通信。PLC與變頻器組成聯(lián)合控制系統(tǒng)，可提高控制交流電動機的自動化水平。2.1.2PLC的特點1．高可靠性(1)所有的I/O接口電路均采用光電隔離使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內部電路之間電氣上隔離。(2)各輸入端均采用R-C濾波器其濾波時間常數(shù)一般為10～20ms。

(3)各模塊均采用屏蔽措施以防止輻射干擾。

(4)采用性能優(yōu)良的開關電源。

(5)對采用的器件進行嚴格的篩選。

(6)良好的自診斷功能一旦電源或其他軟硬件發(fā)生異常情況CPU立即采用有效措施以防止故障擴大。(7)大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或由三CPU構成表決系統(tǒng)，使可靠性更進一步提高。2．豐富的I/O接口模塊PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號如交流或直流，開關量或模擬量，電壓或電流，脈沖或電位，強電或弱電等由相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備如按鈕，行程開關，接近開關，傳感器及變送器，電磁線圈，控制閥，直接連接。另外為了提高操作性能它還有多種人-機對話的接口模塊。為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。3．采用模塊化結構為了適應各種工業(yè)控制需要除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結構，PLC的各個部件包括CPU電源I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4．編程簡單易學PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。5．安裝簡單維修方便PLC不需要專門的機房可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行，使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接即可投入運行，各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障用戶可以通過更換模塊的方法使系統(tǒng)迅速恢復運行。2.2PLC的發(fā)展趨勢PLC將向著兩個方向發(fā)展：一方面向著大型化的方向發(fā)展，另一方面向著小型化的方向發(fā)展，以適應不同場合和不同要求的控制需要[4]。1．大型化(1)增強網(wǎng)絡通信功能PLC將具有計算機集散控制系統(tǒng)的動能。網(wǎng)絡化和強化通信能力是PLC的一個重要發(fā)展趨勢。PLC采用了計算機信息處理計數(shù)，網(wǎng)絡通信技術和圖形顯示技術，使得PLC系統(tǒng)的生產控制功能和信息管理功能融為一體，滿足現(xiàn)代化大生產的控制與管理的需要。(2)發(fā)展智能模塊智能模塊是以微處理器為基礎的功能部件，它們的CPU與PLC的CPU并行工作，占用主機的CPU時間少，有利于提高PLC的掃描速度和完成特殊的控制要求。(3)外部故障診斷功能PLC廣泛應用了自診斷技術，冗余技術，容錯技術，不斷提高PLC的可靠性。同時，PLC還不斷提高外部診斷功能。(4)編程語言，編程工具標準化，高級化梯形圖以其直觀，形象，簡單等特點為廣大用戶所熟悉和接受。隨著PLC功能的增強，符合IEC1131標準的順序功能的標準化語言，高級語言將更多得到應用。(5)實現(xiàn)軟件，硬件標準化國際電工委員會專設了WGT工作組制定PLC的國際標準。我國與1992年成立了PLC標準委員會負責制定PLC國家標準。(6)編程組態(tài)軟件發(fā)展迅速目前許多廠商推出了個人計算機上運行的可實現(xiàn)PLC功能的軟件包。組態(tài)軟件使編程簡易化且工作量小，大大方便了PLC系統(tǒng)的開發(fā)人員和操作使用人員。2．小型化(1)在設備級采用PLC對一些工業(yè)過程的設備控制，采取化整為零的控制策略，采用配套的PLC，并配備了專用的控制柜，操作臺和監(jiān)視器等。(2)向高性能的整體型發(fā)展為了減小體積，降低成本，PLC的生產企業(yè)在向大型化發(fā)展的同時，也開發(fā)小型，高性能的整體型系列產品，用于滿足工業(yè)生產過程不同控制的需求。(3)向小型化發(fā)展在提高系統(tǒng)可靠性的基礎上，產品的體積越來越小，功能越來越強。3PLC的結構與工作原理3.1PLC的結構PLC實質上是一種工業(yè)控制計算機，比一般的計算機具有更強的與工業(yè)過程相連接的接口，以及更直接的適應于控制要求的編程語言。從硬件結構看，它也有中央處理器（CPU）模塊，輸入/輸出（I/O）模塊，電源等組成，可編程序控制器的基本組成如圖3.1所示[5]。圖3.1可編程序控制器的基本組成1．CPU模塊在可編程序控制器控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當于人的大腦，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。2．存儲器PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。系統(tǒng)程序相當于個人計算機的操作系統(tǒng)，它使可編程控制器具有基本的智能，能夠完成可編程序控制器設計者規(guī)定的各種工作。系統(tǒng)程序由生產廠家設計并固化在ROM中，用戶不能讀取。用戶程序由用戶設計，它使可編程序控制器完成用戶要求的特定功能。存儲器的容量以字為單位?？删幊绦蚩刂破魇褂靡韵录形锢泶鎯ζ鳎?1)隨機存取存儲器（RAM）RAM中一般存放用戶程序和系統(tǒng)參數(shù)。當PLC處于編程工作方式時，用編程器或編程軟件下載程序到PLC的RAM中，在切換到運行方式后，CPU從RAM中取指令并執(zhí)行。用戶程序執(zhí)行過程中產生的中間結果也在RAM中暫時存放。(2)只讀存儲器可以用來存放系統(tǒng)程序，PLC去電后再加電，系統(tǒng)程序內容不變且重新執(zhí)行。只讀存儲器也可用來固化用戶程序和一些重要參數(shù)，以免因偶然操作失誤而造成程序和數(shù)據(jù)的破壞或丟失。3．輸入/輸出模塊輸入電路設有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起錯誤的輸入信號。S7-200可以用CPU模塊輸出的24V直流電源作為輸入回路的電源，它可以為接近開關，光電開關之類的傳感器提供24V直流電源。輸出模塊的功率放大元件有驅動直流負載的大功率晶體管和場效應管，驅動交流負載的雙向晶閘管，以及既可以驅動交流負載又可以驅動直流負載的小型繼電器。輸出電流的典型值為0.5～2A，負載電源由外部現(xiàn)場提供。輸出電流的額定值與負載的性質有關。繼電器的輸出模塊的使用電壓范圍廣，導通壓降小，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，但是動作速度較慢，壽命有一定的限制。晶體管型與雙向晶閘管型模塊分別用于直流負載和交流負載，它們的可靠性高，反映速度快，壽命長，但是過載能力稍差。4．電源PLC電源的輸入電壓有直流12V，24V，48V和交流110V，220V，使用時可根據(jù)需要進行選擇。電源模塊的輸出一般為直流5V和24V，它們向PLC的CPU，存儲器等提供工作電源。5．通信接口一般PLC的CPU模塊上至少有一個RS-232通信口或者是RS-485通信口。PLC通過這些通信接口可以與監(jiān)視器，打印機，其他的PLC或計算機相連。PLC上還有通信模塊，通過這些模塊，PLC可以組成網(wǎng)絡或下位，上位的分散控制系統(tǒng)。6．編程器編程器是PLC常用的外部設備，它的作用是供用戶進行程序的編制，編輯，調試和監(jiān)視。用戶通過編程器編寫控制程序，并通過通信單元將程序裝入PLC。編程器還可以監(jiān)控PLC的運行。3.2PLC的工作原理3.2.1PLC的工作方式PLC有兩種工作方式，即RUN（運行）方式或STOP（停止）方式。在RUN方式，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。在CPU模塊的面板上用“RUN”LED顯示當前的工作方式。在STOP方式，CPU不執(zhí)行用戶程序，可編程軟件創(chuàng)建和編輯用戶程序，實現(xiàn)PLC的硬件功能，并將用戶程序和硬件設置信息下載到PLC中。如果有致命錯誤，在消除它之前不允許從停止方式進入運行方式?？删幊绦蚩刂破鞑僮飨到y(tǒng)儲存非致命錯誤供用戶檢查，但不會從運行方式自動進入停止方式。3.2.2PLC工作過程中的各環(huán)節(jié)1．內部處理在這一階段，CPU檢測主機硬件，同時也檢查所有的I/O模塊的狀態(tài)。在RUN模式下，還檢測用戶程序存儲器。如果發(fā)現(xiàn)異常，則停機并顯示出錯；若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。2．處理通信請求在CPU掃描周期的信息處理階段，CPU自動檢測并處理各通信端口接收到的任何信息，即檢查是否有編程器，計算機等的通信請求，若有則進行相應處理，在這一階段完成數(shù)據(jù)通信任務。3．輸入采樣處理對各數(shù)字量輸入點的當前狀態(tài)進行輸入掃描，并將各掃描結果別寫入對應的映像寄存器中。4．執(zhí)行用戶程序在PLC中，用戶程序按先后順序存放。在這一階段，CPU從第一條指令開始順序取指令并執(zhí)行，直到最后一條指令結束。5．輸出刷新處理CPU將輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)集中轉存到輸出鎖存寄存器，通過輸出部件，轉換成被控設備所能接受的電壓或電流信號，以驅動被控設備。3.3PLC的編程語言根據(jù)系統(tǒng)配置和控制要求編制用戶程序，是PLC應用于工業(yè)控制的一個重要環(huán)節(jié)。為使廣大電氣技術人員很快掌握PLC的編程方法，通常PLC不采用微機的編程語言，PLC的系統(tǒng)軟件為用戶創(chuàng)立了一套易學易懂、應用簡便的編程語言，它是PLC能夠推廣應用的一個重要因素?，F(xiàn)代PLC常用的編程語言有以下幾種：1.梯形圖編程語言是目前應用最廣、最受電氣技術人員歡迎的一種編程語言。2.指令表編程語言它是一種類似匯編語言，但更簡單的編程語言。3.順序功能圖編程語言簡稱編程語言，順序功能圖又稱功能表圖或狀態(tài)轉移圖。4.級式編程語言它是類似功能圖的圖形編程語言。5.邏輯圖編程語言它是一種圖形編程語言，采用邏輯電路規(guī)定的“與”、“或”、“非”等邏輯符號，依控制順序組合而成。6．高級編程語言隨著軟件技術的發(fā)展，為增加PLC的運行功能和數(shù)據(jù)處理能力并方便用戶使用，許多中、大型PLC已采用如類似BASIC、FORTRAN、PASCAL、C語言等高級語言的PLC專用編程語言。4基于PLC的彩燈控制系統(tǒng)的具體設計4.1工作原理與要求利用PLC實現(xiàn)對彩燈的控制，使彩燈系統(tǒng)結構簡單，變幻形式多樣，可用較低的造價達到較好的效果。彩燈變幻三種：長通類負載、變幻類負載及流水類負載。長通類負載是指彩燈中用以照明或起襯托底色作用之類的負載，其特點是只要彩燈投入工作，則這類負載長期接通。變幻類負載則指某些在整個工作過程中定時進行花樣變換的負載，如字形的變換，色彩的變幻或位置的變幻之類，其特點是定時通斷，但頻率不高。流水類負載則指變幻速度快，其特點雖也是定時通斷，但頻率較高。對于長通類負載，其控制十分簡單，只需一次接通。而對變幻類及流水類負載的控制，實際只在不同的時間段中通斷對應支路，便可實現(xiàn)花樣的變幻。本次設計對彩燈的要求是變幻類負載其控制對象設定為“國慶快樂”字形，且均勻分布在彩燈的中央部位，由紅、黃、藍三色燈箱組成，三色燈箱紅、黃、藍按照一定的控制閃爍。流水類負載是在它們的周圍由32盞顏色不同的流水燈組循環(huán)閃爍。4.2工藝過程1．變幻類負載點亮順序如下：前6秒按下表所示順序點亮，全亮5秒；表4.1控制變幻表秒國慶快樂紅黃藍紅黃藍1亮2亮亮3亮亮亮4亮亮亮亮5亮亮亮亮亮6亮亮亮亮亮亮然后按倒序熄滅，全滅2秒；如下表所示：表4.2控制變幻表秒國慶快樂紅黃藍紅黃藍12亮亮亮亮亮亮13亮亮亮亮14亮亮亮15亮亮16亮17按下表順序點亮，全亮5秒；表4.3控制變幻表秒國慶快樂紅黃藍紅黃藍20亮21亮亮22亮亮亮23亮亮亮亮24亮亮亮亮亮25亮亮亮亮亮亮按倒序熄滅，全滅2秒如下表所示，后從表4.1循環(huán)亮起。表4.4控制變幻表秒國慶快樂紅黃藍紅黃藍36亮亮亮亮亮37亮亮亮亮38亮亮亮39亮亮40亮412．流水類負載在八個燈箱的周圍有8組32只顏色為赤，橙，黃，綠，藍，靛，紫，白依次排開的流水燈。系統(tǒng)啟動后，按照從18的順序，間隔1s依次點亮并循環(huán)。24s后，按照從81的順序，依次點亮并進行循環(huán)。再按照18的順序循環(huán)往復，直至系統(tǒng)停止工作。圖4.1流水燈組的控制時序圖3．系統(tǒng)用啟動按鈕和停止按鈕操作。4．各個彩燈的工作電壓均為220VAC。彩燈系統(tǒng)效果圖如下：圖4.2彩燈系統(tǒng)效果圖4.3硬件設計4.3.1S7-200系列PLC性能簡介西門子公司的SIMATICS7-200系列屬于小型可編程序控制器，可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可以用于復雜的自動化控制系統(tǒng)。S7-200的可靠性高，可用梯形圖，語句表和功能塊圖3種語言來編程。內置有高速計數(shù)器，高速輸出，PID控制器，RS-485通信/編程接口，PPI通信協(xié)議，MPI通信協(xié)議和自由方式通信功能，I/O端子排可以很容易地拆卸。最大可擴展到248點數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O，最多有26KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間。1．CPU模塊S7-200有5種CPU模塊，CPU221，CPU222，CPU224，CPU226和CPU226XM。CPU221無擴展功能，適于用做小點數(shù)的微型控制器。CPU222有擴展功能，CPU224是具有較強控制功能的控制器，CPU226和CPU226XM適用于復雜的中小型控制系統(tǒng)。2．數(shù)字量擴展模塊用戶選用具有不同I/O點數(shù)的數(shù)字量擴展模塊，可以滿足不同的擴展需要，節(jié)約投資費用。系統(tǒng)規(guī)模擴大后，增加I/O點數(shù)也很方便。3．模擬量輸入輸出擴展模塊S7-200有3種模擬量擴展模塊EM231，EM232和EM235。模塊中A/D，D/A轉換器的位數(shù)均為12位。4．熱電偶，熱電阻擴展模塊EM231熱電偶，熱電阻模塊具有冷端補償電路。如果環(huán)境溫度迅速變化，則會產生額外的誤差，建議將熱電偶和熱電阻模塊安裝在環(huán)境溫度穩(wěn)定的地方。4.3.2CPU226技術指標本次設計選用CPU226，它集成了24點輸入/16點輸出，共有40點數(shù)字量I/O，可連接7個擴展模塊，最大擴展至數(shù)字量I/O248點或模擬量I/O35路。下表是CPU226技術指標[6]。表4.5CPU226計數(shù)指標特性指標外型尺寸196mm*80mm*62mm程序存儲器4096字用戶數(shù)據(jù)存儲器2560字存儲器類型EEPROM存儲卡EEPROM數(shù)據(jù)后備（超級電容）190h編程語言LAD,FBD和STL程序組織一個組織塊本機I/O24點/輸入16點輸出擴展模塊數(shù)量7個模塊數(shù)字量I/O映像區(qū)256點(128點輸入/128點輸出)數(shù)字量I/O物理區(qū)248點(128點輸入/120點輸出)模擬量I/O映像區(qū)32路輸入/32路輸出內置高速計數(shù)器6個(30kHz)內置模擬電位器2個(8位分辨率)脈沖輸出2個高速輸出(20kHz)通信中斷1發(fā)送器/2接受器定時中斷2個(1～255ms)輸入中斷4個定時時鐘內置時鐘口令保護3級口令保護通信2個RS-485通信接口可用作PPI接口，MPI從站接口和自由口4.3.3編程元件地址分配1．輸入/輸出繼電器地址分配輸入/輸出繼電器地址分配如表4.6所示。表4.6輸入/輸出繼電器地址分配表編程元件I/O端子電路器件作用輸入繼電器輸出繼電器I0.0SB1啟動按鈕I0.1SB2停止按鈕I0.2SB3步進按鈕Q0.0HL1國慶(紅)Q0.1HL2快樂(紅)Q0.2HL3國慶(黃)Q0.3HL4快樂(黃)Q0.4HL5國慶(藍)Q0.5HL6快樂(藍)Q1.0KM1流水燈組1Q1.1KM2流水燈組2Q1.2KM3流水燈組3Q1.3KM4流水燈組4Q1.4KM5流水燈組5Q1.5KM6流水燈組6Q1.6KM7流水燈組7Q1.7KM8流水燈組82．其他編程元件地址分配其他編程元件地址分配如表4.7所示。表4.7其他編程元件地址分配表編程元件編程地址符號作用輔助繼電器M0.0M0啟動/停止控制M0.1M1秒脈沖M0.2M2置彩燈左移初值M0.3M3秒脈沖的上升沿M0.4M4置彩燈右移初值M0.5M5置彩燈左移初值M0.6M6置彩燈右移初值M0.7M7置彩燈左移初值計數(shù)器C0C0彩燈左移計數(shù)，6sC1C1彩燈全亮5s，累計11sC2C2彩燈右移計數(shù)6s，累計17sC3C3間隔2s，累計19sC4C4彩燈左移計數(shù)6s，累計25sC5C5彩燈全亮10s，累計35sC6C6彩燈右移計數(shù)6s，累計41sC7C7彩燈全滅2s，累計43sC8C8流水燈組移位，24sC9C9流水燈組移位，48s4.3.4輸入輸出接線圖輸入/輸出接線圖如圖4.3所示。

圖4.3輸入/輸出接線圖4.4軟件設計4.4.1設計思想在設計中，可以采用順序控制繼電器SCR，通過步進指令編程，但是需要使用大量的定時器。這里根據(jù)彩燈循環(huán)點亮的特點，采用移位寄存器指令編程，是非常方便的。這樣，彩燈點亮循環(huán)順序的改變，通過移位寄存器的左移或右移就可以實現(xiàn)。8組流水燈，每組流水燈可能有多盞燈，因為PLC的帶負載能力有限，考慮通過接觸器的觸點來接通各組流水燈。4.4.2設計運用指令1．SM0.5該位提供了一個周期為1s，占空比為0.5的時鐘。2．減計數(shù)器指令在減計數(shù)脈沖輸入CD的上升沿從OFF到ON，從設定值開始，計數(shù)器的當前值減一，減至0時，停止計數(shù)，計數(shù)器位被置1。裝載輸入為ON時，計數(shù)器位被復位，并把設定值裝入當前值。3．移位寄存器指令移位寄存器指令SHRB將DATA端輸入的數(shù)值移入到移位寄存器中。S_BIT指定移位寄存器的最低位，N指定移位寄存器的長度和移位方向，正向移位時N為正，反向移位是N為負。字節(jié)型變量N=-64～+64。SHRB指令移出的位放在溢出位(SM1.1)。N為正時，在數(shù)字量輸入的上升沿時，寄存器中的各位由低位向高位移一位，DATA輸入的二進制數(shù)從最低位移入，最高位被移到溢出位.；N為負時，從最高位移入，最低位移出。DATA和S_BIT為BOOL變量[7]。4.4.3梯形圖設計根據(jù)上述設計的要求，彩燈控制梯形圖如圖4.4所示。圖4.4彩燈控制梯形圖4.4.4STEP7-Micro/WIN編程軟件STEP7-Micro/WIN是專門為S7-200設計的在個人計算機Windows操作系統(tǒng)下運行的編程軟件，它的功能強大，使用方便，簡單易學。CPU通過PC/PPI電纜或插在計算機中的CP5511的通信卡與計算機通信。通過PC/PPI電纜，可以在Windows系實現(xiàn)多主站通信方式[8]。圖4.5PLC與計算機間的連接1．項目的組成(1)程序塊程序塊由可執(zhí)行的代碼和注釋組成，可執(zhí)行的代碼由主程序，可選的子程序和中斷程序組成。(2)數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊由數(shù)據(jù)和注釋組成。(3)系統(tǒng)塊系統(tǒng)塊用來設置系統(tǒng)的參數(shù)，如存儲器的斷電保持范圍，密碼，STOP工作方式時可編程序控制器的輸出狀態(tài)，模擬量與數(shù)字量輸入濾波值，脈沖捕捉位參數(shù)和后臺通信時間等，系統(tǒng)塊信息需要下載到可編程序控制器。(4)符號表符號表允許程序員用符號來代替存儲器的地址，符號地址便于記憶，使程序更容易理解。程序編譯后下載到可編程序控制器時，所有的符號地址被轉換為絕對地址，符號表中的信息下載到可編程序控制器。(5)狀態(tài)表狀態(tài)表用來觀察程序執(zhí)行時指定的內部變量的狀態(tài)，狀態(tài)表并不下載到可編程序控制器