基于PLC彩燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1

1引言在現(xiàn)代生活中，彩燈作為一種裝飾，既可以增強(qiáng)人們的感觀，起到廣告宣傳的作用，又可以增添節(jié)日氣氛，為人們的生活增添亮麗，用在舞臺(tái)上增強(qiáng)晚會(huì)燈光效果。隨著科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展以及人民生活水平的提高，人們對(duì)于彩燈的要求越來(lái)越高，另一方面，隨著電子技術(shù)的開(kāi)展，應(yīng)用系統(tǒng)向著小型化、快速化、大容量、重量輕的方向開(kāi)展，PLC技術(shù)的應(yīng)用引起電子產(chǎn)品及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的巨大變革。梯形圖語(yǔ)言作為可編程邏輯器件的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言描述能力強(qiáng)，覆蓋面廣，抽象能力強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越廣泛。于是，人們開(kāi)始追求貫徹整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，可以從繁重的設(shè)計(jì)工作中徹底解脫出來(lái)，把精力集中在創(chuàng)造性的方案與概念構(gòu)思上，從而可以提高設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品的研制周期。整個(gè)過(guò)程通過(guò)PLC自動(dòng)完成，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，減少了出錯(cuò)的時(shí)機(jī)，并且提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。1.1PLC課程設(shè)計(jì)任務(wù)按下啟動(dòng)按鈕，黃色燈L1、L2亮2s后滅，接著綠燈L3、L4、L5亮，3s后滅，再接著紅色燈L6、L7、L8、L9亮2s后滅，L1又亮，如此循環(huán)下去。1.2PLC課程設(shè)計(jì)要求1、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的PLC外部電氣接線圖2、系統(tǒng)的T形圖3、指令表2PLC的相關(guān)知識(shí)2.1PLC的歷史和開(kāi)展世界上公認(rèn)的第一臺(tái)PLC是1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制的。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器，人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。20世紀(jì)70年代中期，可編程控制器進(jìn)入了實(shí)用化開(kāi)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)己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(yùn)算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中己獲得了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)末期，可編程控制器的特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期開(kāi)展了大型機(jī)及超小型機(jī);從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合;從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元，通訊單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。近年來(lái)不斷開(kāi)發(fā)出許多功能模塊，如高速計(jì)數(shù)模塊、溫度控制模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊、通信和人機(jī)接口模塊等。這些帶CPU和存儲(chǔ)器的智能I/O模塊，既擴(kuò)展了PLC功能，又使用靈活方便，擴(kuò)大了PLC應(yīng)用范圍。加強(qiáng)PLC聯(lián)網(wǎng)通信的能力，是PLC技術(shù)進(jìn)步的潮流。PLC的聯(lián)網(wǎng)通信有兩類：一類是PLC之間聯(lián)網(wǎng)通信，各PLC生產(chǎn)廠家都有自己的專有聯(lián)網(wǎng)手段；另一類是PLC與計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)通信，一般PLC都有專用通信模塊與計(jì)算機(jī)通信。為了加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)通信能力，PLC生產(chǎn)廠家之間也在協(xié)商制訂通用的通信標(biāo)準(zhǔn)，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，PLC已成為集散控制系統(tǒng)〔DCS〕不可缺少的重要組成局部。在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷開(kāi)展的同時(shí)，PLC的編程語(yǔ)言也越來(lái)越豐富，功能也不斷提高。除了大多數(shù)PLC使用的梯形圖語(yǔ)言外，為了適應(yīng)各種控制要求，出現(xiàn)了面向順序控制的步進(jìn)編程語(yǔ)言、面向過(guò)程控制的流程圖語(yǔ)言、與計(jì)算機(jī)兼容的高級(jí)語(yǔ)言〔BASIC、C語(yǔ)言等〕等。多種編程語(yǔ)言的并存、互補(bǔ)與開(kāi)展是PLC進(jìn)步的一種趨勢(shì)。2.2PLC的特點(diǎn)與應(yīng)用PLC是一種專門為了在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作裝置。它采用一可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)展其功能的原那么而設(shè)計(jì)。PLC是綜合繼電器接觸器控制的優(yōu)點(diǎn)及計(jì)算機(jī)靈活、方便的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)制造和開(kāi)展的，這就使PLC具有許多其他控制器所無(wú)法相比的特點(diǎn)?？煽啃愿撸垢蓴_能力強(qiáng)。通用性強(qiáng)，使用方便。采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)組合靈活方便。編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單、易學(xué)，便于掌握。系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短。對(duì)生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強(qiáng)。安裝簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小目前，PLC在國(guó)內(nèi)己廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類:1、開(kāi)關(guān)量的邏輯控制這是PLC最根本最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，又可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線.2、數(shù)據(jù)處理PLC可以用于對(duì)直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置速度和加速度的控制。3、運(yùn)動(dòng)控制PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō)，早期直接用開(kāi)關(guān)量I/0模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。4、過(guò)程控制過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制，PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。5、控制網(wǎng)絡(luò)〔通信〕隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)展，近年來(lái)工廠自動(dòng)化通信聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展得很快，各個(gè)著名的PLC生產(chǎn)廠商推出了自己網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2.3PLC的工作原理PLC的控制功能就是通過(guò)運(yùn)行用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它是一種存儲(chǔ)程序的控制器，用戶根據(jù)某一對(duì)象的具體控制要求，編制好控制程序后，用編程器將程序鍵入到PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中存放。PLC掃描工作方式主要分三個(gè)階段：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新?！?〕輸入采樣PLC在開(kāi)始執(zhí)行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序?qū)⑺休斎胄盘?hào)，讀入到存放輸入狀態(tài)的輸入映像存放器中，這個(gè)過(guò)程稱為輸入采樣。PLC在運(yùn)行程序時(shí)，所需的輸入信號(hào)不是現(xiàn)時(shí)取輸入端子上的信息，而是取輸入映像存放器中的信息。在本工作周期內(nèi)這個(gè)采樣結(jié)果的內(nèi)容不會(huì)改變，只有到下一個(gè)掃描周期輸入采樣階段才被刷新?！?〕程序執(zhí)行PLC完成了采樣工作后，按順序從0000號(hào)地址開(kāi)始的程序進(jìn)行掃描執(zhí)行，并分別從輸入映像存放器、輸出映像存放器以及輔助繼電器中獲得所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入存放執(zhí)行結(jié)果的輸出映像存放器中保存。但這個(gè)結(jié)果在全部程序未被執(zhí)行完畢之前不會(huì)送到輸出端子上?！?〕輸出刷新在執(zhí)行到END的命令時(shí)，即執(zhí)行完用戶所有的程序后，PLC將輸出映像存放器中的內(nèi)容送到輸出鎖存器中進(jìn)行輸出，驅(qū)動(dòng)用戶設(shè)備。3控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1PLC硬件配置本控制系統(tǒng)采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N—24MRPLC。FX2N系列是一種超小型疊裝式PLC，它由根本單元、擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊和特殊功能模塊組成。根本單元：內(nèi)置電源〔輸入模塊不需外接電源，它由內(nèi)置電源供電〕、I/O模塊及CPU與存貯器，是PLC的核心局部。既可單獨(dú)使用，又可與擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊組合使用?？梢栽黾痈締卧腎/O點(diǎn)數(shù)，內(nèi)置電源。擴(kuò)展模塊：擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)，但電源由根本單元或擴(kuò)展單元供電。每臺(tái)根本單元或擴(kuò)展單元最多可聯(lián)接2臺(tái)擴(kuò)展模塊。特殊功能模塊：FX2N-16NT，用于通信；FX2N-3A，可提供2路模擬量輸入，1路模擬量輸出，來(lái)選用。3.2系統(tǒng)動(dòng)作流程圖啟動(dòng)啟動(dòng)啟動(dòng)位移存放器啟動(dòng)位移存放器L1、L2亮L1、L2亮延時(shí)兩秒延時(shí)兩秒L3L3、L4、L5亮延時(shí)三秒延時(shí)三秒L6L6、L7、L8、L9亮延時(shí)兩秒延時(shí)兩秒結(jié)束？Y結(jié)束？按下X1N按下X13.1系統(tǒng)動(dòng)作流程圖3.3PLC的外部接線圖根據(jù)系統(tǒng)總方框圖和設(shè)計(jì)要求，基于PLC彩燈循環(huán)控制系統(tǒng)的外部接線圖如圖3-2。SB1是點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)。彩燈控制系統(tǒng)用SB1開(kāi)啟。其中，輸入采用的是匯點(diǎn)式，共接一個(gè)COM端子，電源由PLC內(nèi)部電源提供。Y1-Y9表示9個(gè)LED彩燈。通電時(shí)其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。Y0—Y3共用一個(gè)COM端子，Y4—Y10共用另一個(gè)COM端子，而輸出共用一個(gè)電源，所以將兩個(gè)COM端子連在一起，實(shí)現(xiàn)電源的共用。3.2PLC的外部接線圖3.4I/O分配表本設(shè)計(jì)中，共有六個(gè)輸入開(kāi)關(guān)，9個(gè)LED輸出，根據(jù)PLC外部接線圖，我們能得出I/O分配表如表4-1所示。序號(hào)PLC地址電氣符號(hào)功能說(shuō)明1X0SB1啟動(dòng)2X1SB2停止3Y0L1黃燈14Y1L2黃燈25Y2L3綠燈36Y3L4綠燈47Y4L5綠燈58Y5L6紅燈69Y6L7紅燈710Y7L8紅燈811Y10L9紅燈9表3.3PLC的I/O分配4控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由圖可知控制系統(tǒng)步序共分7步。彩燈工作一個(gè)周期后自動(dòng)停止，假設(shè)運(yùn)行過(guò)程中按停止按鈕，所有燈全部熄滅。彩燈工作一個(gè)周期后，不停止，而是開(kāi)始下一個(gè)周期，假設(shè)運(yùn)行過(guò)程中按停止按鈕，彩燈運(yùn)行狀態(tài)不變，而是要等到本周期結(jié)束后。4.1梯形圖程序圖4.1梯形圖程序4.2指令表4.2指令表4.3控制系統(tǒng)測(cè)試與分析控制系統(tǒng)必須進(jìn)行調(diào)試后才投入實(shí)際生產(chǎn)之中，在這之前，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決。本系統(tǒng)的調(diào)試主要是利用電氣工程系的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行模擬。根據(jù)前面的分析，限位開(kāi)關(guān)采用點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)模擬，輸出都采用指示燈表示不同的狀態(tài)，以模擬系統(tǒng)的工作的正確性。接線圖與前面的外部接線類似，可以采用那種接法進(jìn)行調(diào)試。從分析結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)根本是按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工作，誤差在課程設(shè)計(jì)容許的范圍之內(nèi)。5、結(jié)論隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛開(kāi)展，PLC技術(shù)幾乎完全融入了我們的日常生活之中，所以學(xué)習(xí)PLC對(duì)我們今后的開(kāi)展也是非常重要的。對(duì)于初學(xué)者的我們，此次課程設(shè)計(jì)無(wú)疑是一個(gè)很好的培養(yǎng)鍛煉我們的時(shí)機(jī)，運(yùn)用平時(shí)所學(xué)和圖書館以及網(wǎng)上資源來(lái)設(shè)計(jì)自己的程序，發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題彌補(bǔ)知識(shí)的欠缺以及鍛煉實(shí)踐的能力。在此次實(shí)訓(xùn)中，我們四人一組，大家同心協(xié)力，一同泡圖書館查資料，一起研究梯形圖，遇到問(wèn)題都是自己先討論嘗試著解決，如果確實(shí)無(wú)法解決才向老師尋求幫助，讓我深深感受到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的力量，也拿出了好的成果?；貞洿舜蜳LC課程設(shè)計(jì)，時(shí)間雖比擬短暫，但是在此次實(shí)習(xí)中學(xué)到很多有用的東西。當(dāng)我們剛剛拿到這個(gè)課題的時(shí)候，有點(diǎn)茫然，不知道該從何下手，切入點(diǎn)在哪?經(jīng)過(guò)在圖書館、網(wǎng)上搜索相關(guān)的資料，逐步了解自己要設(shè)計(jì)個(gè)什么東西，該東西的工作原理，工作設(shè)計(jì)是什么，各環(huán)節(jié)的線索是什么？理清線索后，就確定整體設(shè)計(jì)方案，按方案的步驟著手設(shè)計(jì)各單元電路，慶幸的是各單元電路的設(shè)計(jì)比擬簡(jiǎn)單，但是實(shí)際按圖連線就有些困難，及運(yùn)行當(dāng)中出現(xiàn)的問(wèn)題有點(diǎn)讓我們止步，不過(guò)最后我們團(tuán)結(jié)互助，不斷向老師請(qǐng)教，把一個(gè)個(gè)難關(guān)予以解決?，F(xiàn)在，整個(gè)設(shè)計(jì)雖根本完成，也許結(jié)果并不是很令人滿意，過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，例如延遲時(shí)間不是很精確，電路設(shè)計(jì)得不怎么完善等等。我想我們只有在實(shí)踐中多去操作，不言放