課程設計論文霓虹燈廣告屏的PLC設計

1、 目 錄 言前摘要1， plc型號的選擇和其介紹41.1 plc機型的選擇41.2 fx系列plc性能比較51.3 fx系列plc的環(huán)境指針61.4 fx系列plc的輸入技術指針61.5 fx系列plc的輸出技術指針71.6 電源模塊111.7 底板或機架111.8 plc系統(tǒng)的其它設備112，i/o分配表及plc型號選擇133，plc端子接線圖144， 控制流程圖145，梯形圖與指令表176， 調試與完善247， 程序運行原理說明25結束語25參考文獻26摘 要本文介紹了關于可編程控制器（plc）在霓虹燈廣告屏中的應用，選用了日本三菱公司fx系列的plc，它是一種高性能小型可編程控制器，相對

2、于其它小型機來說，在容量、速度、特殊功能、網(wǎng)絡功能等方面具有顯著的優(yōu)勢，并具有較高的性能價格比，采用了整體式和模塊式相結合的迭裝式結構。 關鍵字： 可編程控制器 霓虹燈 迭裝式前 言 隨著人類文明的進步，社會的發(fā)展，市場經(jīng)濟的不斷繁榮，各個城市為了更加的美麗，各個企業(yè)為了宣傳自己的企業(yè)形象,霓虹燈廣告屏就在此過程中扮演著十分重要的角色.當我們夜晚走在大街上,馬路兩旁各色各樣的霓虹燈廣告均可以見到,一種是采用霓虹燈管做成的各種形狀和多種彩色的燈管,另一種為日光燈管或白熾燈管作為光源,另配大型廣告語或宣傳畫來達到宣傳的效果。這些燈的閃爍時間及流動方向都可以通過plc（programmable lo

3、gic controller可編程控制器）來達到控制的要求.plc是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的內存，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程.plc是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結合很緊密的語言，在半導體方面有很重要的應用，可以說有半導體的地方就有plc。plc具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。plc在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。1 plc型號的選擇和其介紹 隨著p

4、 lc技術的發(fā)展，plc產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號的plc，其結構形式、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側重。因此，合理選用plc，對于提高plc控制系統(tǒng)的技術經(jīng)濟指針有著重要意義。plc的選擇主要應從plc的機型、容量、i/o模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。1.1 （ plc機型的選擇plc機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點：1.1.1 合理的結構型式plc主要有整體式和模塊式兩種結構型式。整體式plc的每一個io點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小,一般用

5、于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式plc的功能擴展靈活方便,在io點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、io模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復雜的控制系統(tǒng)。1.1.2 安裝方式的選擇 plc系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠程io式以及多臺plc聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式不需要設置驅動遠程io硬件，系統(tǒng)反應快、成本低；遠程io式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠程io可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，聯(lián)機短，但需要增設驅動器和遠程io電源；多臺plc聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型plc，但必須要附加通訊模塊。1.1.3 相應的功能要求一般

6、小型(低檔)plc具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，對于只需要開關量控制的設備都可滿足。對于以開關量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶ad和da轉換單元，具有加減算術運算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強型低檔plc。對于控制較復雜，要求實現(xiàn)pid運算、死循環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復雜程度，選用中檔或高檔plc。但是中、高檔plc價格較貴，一般用于大規(guī)模程控和集散控制系統(tǒng)等場合。1.1.4 響應速度要求plc是為工業(yè)自動化設計的通用控制器，不同檔次plc的響應速度一般都能滿足其應用范圍內的需要。如果要跨范圍使用plc，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應該慎重考慮plc的響應

7、速度，可選用具有高速io處理功能的plc，或選用具有快速響應模塊和中斷輸入模塊的plc等 1.1.5 系統(tǒng)可靠性的要求對于一般系統(tǒng)plc的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。1.1.6 機型盡量統(tǒng)一一個企業(yè)，應盡量做到plc的機型統(tǒng)一。主要考慮到以下三方面問題：)機型統(tǒng)一，其模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理。)機型統(tǒng)一，其功能和使用方法類似，有利于技術力量的培訓和技術水準的提高。)機型統(tǒng)一，其外部設備通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計算機后易于形成一個多級分布式控制系統(tǒng)。 1.2 fx系列plc性能比較盡管fx系列中fxos、fx1s、fx

8、1n、fx2n等在外形尺寸上相差不多，但在性能上有較大的差別，其中fx2n和fx2nc子系列，在fx系列plc中功能最強、性能最好。fx系列plc主要產(chǎn)品的性能比較如表1所示。表1 fx系列plc主要產(chǎn)品的性能比較型號i/0點數(shù)基本指令執(zhí)行時間功能指令模擬模塊量通信fx0s10301.63.6s50無無fx0n241281.63.6s55有較強fx1n141280.550.7s177有較強fx2n162560.08s298有強1.3 fx系列plc的環(huán)境指針f x系列的環(huán)境指針要求如表2所示。表2 f x系列plc的環(huán)境指針環(huán)境溫度使用溫度0550c，儲存溫度-20700c環(huán)境濕度使用時35%

9、85%rh（無凝露）防震性能jisc0911標準，1055hz，0.5(最大2g),3軸方向各2次(但用din導軌安裝時為0.5g)抗沖擊性能jisc0912標準,10g,3軸方向各3次抗噪聲能力用噪聲仿真器產(chǎn)生電壓為1000伏(峰峰值)、脈寬1s、30100hz的噪聲絕緣耐壓ac1500v,1min(接地端與其它端子間)絕緣電阻5m以上（dc500v兆歐表測量，接地端與其它端子間）接地電阻第三種接地，如接地有困難，可以不接使用環(huán)境無腐蝕性氣體，無塵埃。1.4 fx系列plc的輸入技術指針fx系列plc對輸入信號的技術要求如表3所示。表3 fx系列plc的輸入技術指針輸入端項目x0x3（fx0

10、s）x4x17（fx0s）x0x7（fx0n、1s、1n、2n）x10（fx0n、1s、1n、2n）x0x3（fx0s）x4x17（fx0s）輸入電壓dc24v10%dc12v10%輸入電流8.5ma7ma5ma9ma10ma輸入阻抗2.7k3.3 k4.3 k1 k1.2 k輸入on電流4.5ma以上4.5ma以上3.5ma以上4.5ma以上4.5ma以上輸入off電流1.5ma以下1.5ma以下1.5ma以下1.5ma以下1.5ma以下輸入響應時間約10ms, 其中：fx0s、fx1n的x0x17和fx0n的x0x7為015ms可變，fx2n的x0x17為060ms可變輸入信號形式無電壓觸

11、點，或npn集電極開路晶體管電路隔離光電耦合器隔離輸入狀態(tài)顯示輸入on時led燈亮1.5 fx系列plc的輸出技術指針fx系列plc對輸出信號的技術要求如表4所示。表4 fx系列plc的輸出技術指針項目繼電器輸入晶閘管輸出晶體管輸出外部電源ac250v或dc30v以下ac85240vdc5v30v最大電阻負載2a/1點、8a/4點、8a/8點0.3a/點、0.8a/4點（1a/1點2a/4點）0.5a/1點、0.8a/4點（0.1a/1點、0.4a/4點）（1a/1點、2a/4點）（0.3a/1點、1.6a/16點）最大感性負載80va15va/ac100v、30va/ac200 v12w/d

12、c24v最大燈負載100w30w1.5w/dc24v開路漏電流1ma/ac100v2ma/ac200v0.1ma以下響應時間約10mson：1ms，off：10mson：0.2ms、off：0.2ms大電流off為0.4ms以下電路隔離繼電器隔離光電晶閘管隔離光電耦合器隔離輸出動作顯示輸出on時led亮通過以上數(shù)據(jù)分析，我選擇了fx2n-48mr-001，雖說fx1n也可以完成此項設計，但fx2n是fx系列最先進的產(chǎn)品，在這我主要考慮到設計的需要，沒有考慮成本問題，fx系列是日本三菱的產(chǎn)品，在這我簡單介紹一下plc的三大主流，即美國、歐洲、和日本，歐美在大型機方面見長，而日本在小型機方面比較占

13、優(yōu)勢。日本的小型plc最具特色，在小型機領域中頗具盛名，某些用歐美的中型機或大型機才能實現(xiàn)的控制，日本的小型機就可以解決。在開發(fā)較復雜的控制系統(tǒng)方面明顯優(yōu)于歐美的小型機，所以格外受用戶歡迎。日本有許多plc制造商，如三菱、奧姆龍、松下、富士、日立、東芝等，在世界小型plc市場上，日本產(chǎn)品約占有70的份額。 三菱公司的plc是較早進入中國市場的產(chǎn)品。其小型機f1/f2系列是f系列的升級產(chǎn)品，早期在我國的銷量也不小。f1/f2系列加強了指令系統(tǒng)，增加了特殊功能單元和通信功能，比f系列有了更強的控制能力。繼f1/f2系列之后，20世紀80年代末三菱公司又推出fx系列，在容量、速度、特殊功能、網(wǎng)絡功能

14、等方面都有了全面的加強。fx2系列是在90年代開發(fā)的整體式高功能小型機，它配有各種通信適配器和特殊功能單元。fx2n幾年推出的高功能整體式小型機，它是fx2的換代產(chǎn)品，各種功能都有了全面的提升。近年來還不斷推出滿足不同要求的微型plc，如fxos、fx1s、fx0n、fx1n及系列等產(chǎn)品。fx系列plc是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，以逐步替代三菱公司原f、f1、f2系列plc產(chǎn)品。其中fx2是1991年推出的產(chǎn)品，fx0是在fx2之后推出的超小型plc，近幾年來又連續(xù)推出了將眾多功能凝集在超小型機殼內的fx0s、fx1s、fx0n、fx1n、fx2n、fx2nc等系列plc，

15、具有較高的性能價格比，應用廣泛。它們采用整體式和模塊式相結合的迭裝式結構。 下面我介紹一下plc的主要組成部分：從結構上分，plc分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式plc包括cpu板、i/o板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式plc包括cpu模塊、i/o模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。四大部件： 中央處理單元（cpu板）控制器的核心 輸入部件 （i/o部件）連接現(xiàn)場設備與cpu之間的接口電路 輸出部件 電源部件為plc內部電路提供能源整體結構的plc四部分裝在同一機殼內模塊式結構的plc各部件獨立封裝，稱為模塊，通過機

16、架和總線連接而成i/o的能力可按用戶的需要進行擴展和組合另外，還必須有編程器將用戶程序寫進規(guī)定的內存內 plc的基本組成框圖：中央處理單元cpu（版）輸 入 接 口 部 件輸 出 接 口 部 件電源部件cpu的構成：cpu是plc的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套plc至少有一個cpu，它按plc的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和plc內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。cpu主要由

17、運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，cpu單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是plc不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細分析cpu的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。cpu的控制器控制cpu工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。cpu速度和內存容量是plc的重要參數(shù)，它們決定著plc的工作速度，io數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。i/o模塊plc與電氣回路的接

18、口，是通過輸入輸出部分（i/o）完成的。i/o模塊集成了plc的i/o電路，其輸入緩存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入plc系統(tǒng)，輸出模塊相反。i/o分為開關量輸入（di），開關量輸出（do），模擬量輸入（ai），模擬量輸出（ao）等模塊。開關量是指只有開和關（或1和0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指連續(xù)變化的量。常用的i/o分類如下：開關量：按電壓水平分，有220vac、110vac、24vdc，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20ma,0-20ma）、電壓型（0-10v,0-5v,-10-10v）等，按

19、精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用io外，還有特殊io模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按i/o點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，i/o模塊可多可少，但其最大數(shù)受cpu所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。1.6 電源模塊plc電源用于為plc各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24v的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220vac或110vac），直流電源（常用的為24vac）。1.7 底板或機架大多數(shù)模塊式plc使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使cpu能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊

20、構成一個整體。1.8 plc系統(tǒng)的其它設備1、編程設備：編程器是plc開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控plc及plc所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器plc一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。2、人機界面：最簡單的人機接口是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機接口非常普及。 3、輸入輸出設備：用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，如eprom、eeprom寫入器、條形碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。 本控制系統(tǒng)主要是用于控制霓虹燈和邊

21、框流水燈按順序的閃爍。輸入程序后可以通過硬件進行燈的自動閃爍，達到宣傳的目的。如圖1，八個字能按順序地進行亮滅，并且邊框的燈能同時地隔位閃爍。圖1 霓虹燈用plc對霓虹燈廣告屏實現(xiàn)控制,其具體要求如下:(1)該廣告屏中間8個霓虹燈字亮滅的時序為“正”字亮到“德”字亮到“厚”字亮“行”字亮,時間間隔均為1s,8個霓虹燈字全亮后,顯示10s,再反過來從“行”字到“敏”字“正”字順序熄滅.全亮后,停亮2s,再從“行”字開始亮起,順序點亮“行” “正”,時間間隔為1s,全亮后顯示20s.再從“正” “行”順序熄滅.全熄滅后,停亮2s,再從頭開始運行,周而復始。(2)廣告屏四周的流水燈共24只,4個1組

22、,共分6組,每組燈間隔1s向前移動一次,且ivi每隔一組的燈點亮,即從i,iii亮;后ii,iv亮;后iii,v亮;后iv,vi亮,移動一段時間后(如30s),再反過來移動,即從vi,iv亮;后v,iii亮;后iv,ii亮;后iii,i亮,如此循環(huán)往復。(3)系統(tǒng)有單步連續(xù)控制,有啟動和停止按鈕。(4)系統(tǒng)霓虹燈字,白幟燈的電壓及供電電源均為市電220v。2、i/o分配表及plc型號選擇輸入點分配輸出點分配輸入接點輸入開關名稱輸出接口驅動設備x000啟動按鈕sb1y000 y007控制8個霓虹燈字x001停止按鈕sb2y010y015控制6組流水燈泡x002單步/連續(xù)開關sb3x003步進按紐

23、開關sb4根據(jù)控制要求,plc控制霓虹燈廣告顯示屏的輸入輸出(i0)地址編排如下表所示,其中sa1(x0)為啟動開關,sa2(x1)為停止開關,saa(x2)為單步連續(xù)選擇開關,sb(x3)為步進按鈕開關。y0y7控制8根霓虹燈字,用發(fā)光管led1led8模擬顯示,y10y15控制6組流水燈泡,這里用發(fā)光管ledqled,模擬顯示。如表1表1 i/o分配表plc型號的選擇：由于共有14個埠輸出，并且用是用交流電的，所以我選擇用fx2n-48mr-001。fx2n-48mr-001的主要的技術參數(shù)：輸入繼電器有24點，輸出繼電器有24點。電源電壓為ac100240v 50/60hz3、plc端子接線圖圖2 端子接線圖4、控制流程圖 控制流程圖如下圖3：圖3 狀態(tài)流程圖5、梯形圖與指令表圖4 梯形圖 圖5 指令表程序說明：第20個狀態(tài)：霓虹燈的正序亮和反序滅。第21個狀態(tài)：霓虹燈的反序亮和正序滅。第6065個狀態(tài)：是流水燈的正序的隔位亮第7075個狀態(tài)：是流水燈的反序的隔位亮。6、調試與完善我的程序在調試的時候是出現(xiàn)了很大的問題的，后來在老師的指導下，我把程序簡化了一下，把很的多的狀態(tài)都合并了起來，并用定時器來控制燈的亮滅，但是大體的思路還是一樣的7、程序運行原理說明本程序是用stl圖所寫的，在啟動按鈕按下以后，有兩步程序同時運行，一個是霓虹燈字的亮滅，一個是四周邊框流水燈的