基于PLC彩灯控制系统设计

1摘要本系统以FX2N-24MR为主控核心，是基于计数器和PWM调试的，并与按键、拨码开关等较少的辅助硬件电路相结合而实现的，是一种比较新型的PLC彩灯控制系统的设计方法。此设计利用PWM技术控制各基色LED灯泡的亮度，利用系统计数器实现彩灯色彩的循环点亮，利用循环转换实现色彩状态子程序的连续调用（即利用软件实现对基色LED彩灯进行控制）。本系统具有体积小、硬件少、电路结构简单及容易操作等优点。关键词：可编程序控制器；彩灯；彩灯控制器；模块设计。2前言在现代生活中，彩灯作为一种装饰，既可以增强人们的感观，起到广告宣传的作用，又可以增添节日气氛，为人们的生活增添亮丽，用在舞台上增强晚会灯光效果。随着科学技术的发展以及人民生活水平的提高，人们对于彩灯的要求越来越高，另一方面，随着电子技术的发展，应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻的方向发展，PLC技术的应用引起电子产品及系统开发的巨大变革。梯形图语言作为可编程逻辑器件的标准语言描述能力强，覆盖面广，抽象能力强，在实际应用中越来越广泛。于是，人们开始追求贯彻整个系统设计的自动化，可以从繁重的设计工作中彻底解脱出来，把精力集中在创造性的方案与概念构思上，从而可以提高设计效率，缩短产品的研制周期。整个过程通过PLC自动完成，大大减轻了设计人员的工作强度，减少了出错的机会，并且提高了设计质量。3目录摘要……………………………………………………1前言……………………………………………………2目录……………………………………………………31、概述……………………………………………41.1PLC课程设计任务…………………………41.2PLC课程设计要求……………………………42、PLC的相关知识…………………………………52.1PLC的历史和发展……………………………52.2PLC的特点和应用…………………………62.3PLC的工作原理………………………………83、硬件设计……………………………………………93.1PLC硬件配置…………………………………93.2控制面板设计………………………………93.3PLC的外部接线图……………………………103.4I/O分配表……………………………………124、软件设计…………………………………………134.1控制系统的顺序功能图………………………134.2梯形图程序…………………………………144.3控制系统测试与分析…………………………15结束语………………………………………………16元器件明细表………………………………………17参考文献…………………………………………1841概述1.1PLC课程设计任务用PLC设计彩灯控制系统，本题为9灯循环1、实现自动、单周期二种工作方式，用转换开关控制单周期：彩灯工作一个周期后自动停止，若运行过程中按停止按钮，所有灯全部熄灭。自动：彩灯工作一个周期后，不停止，而是开始下一个周期，若运行过程中按停止按钮，彩灯运行状态不变，而是要等到本周期结束后，再全部熄灭。2、彩灯有二种闪烁频率1HZ、0.5HZ可用转换开关控制。3、彩灯工作一个周期中要有单灯循环点亮、3灯循环点亮、全灭的过程。1.2PLC课程设计要求1、设计系统的PLC外部电气接线图2、系统的操作面板3、设计好顺序功能图4、系统的T形图52PLC的相关知识2.1PLC的历史和发展世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。20世纪70年代中期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术己全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中己获得了广泛的应用。20世纪末期，可编程控制器的特点是更加适应于现代工业控制的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机;从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信6能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。2.2PLC的特点与应用PLC是一种专门为了在工业环境下应用而设计的数字运算操作装置。它采用一可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。PLC及有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。（1）可靠性高，抗干扰能力强。（2）通用性强，使用方便。7（3）采用模块化结构，使系统组合灵活方便。（4）编程语言简单、易学，便于掌握。（5）系统设计周期短。（6）对生产工艺改变适应性强。（7）安装简单、调试方便、维护工作量小目前，PLC在国内己广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类:1、开关量的逻辑控制这是PLC最基本最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控及自动化流水线.2、数据处理PLC可以用于对直线运动或圆周运动的位置速度和加速度的控制。3、运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/0模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。4、过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算8PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制，PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。5、控制网络（通信）随着计算机控制系统的发展，近年来工厂自动化通信联网发展得很快，各个著名的PLC生产厂商推出了自己网络系统。2.3PLC的工作原理PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。它是一种存储程序的控制器，用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键入到PLC的用户程序存储器中寄存。PLC扫描工作方式主要分三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。（1）输入采样PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输入端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。（2）程序执行PLC完成了采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电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寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。（3）输出刷新在执行到END的命令时，即执行完用户所9有的程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。3控制系统的硬件设计3.1PLC硬件配置本控制系统采用日本三菱公司生产的FX2N—24MRPLC。FX2N系列是一种超小型叠装式PLC，它由基本单元、扩展单元、扩展模块和特殊功能模块组成。基本单元：内置电源（输入模块不需外接电源，它由内置电源供电）、I/O模块及CPU与存贮器，是PLC的核心部分。既可单独使用，又可与扩展单元、扩展模块组合使用。可以增加基本单元的I/O点数，内置电源。扩展模块：扩展I/O点数，但电源由基本单元或扩展单元供电。每台基本单元或扩展单元最多可联接2台扩展模块。特殊功能模块：FX2N-16NT，用于通信；FX2N-3A，可提供2路模拟量输入，1路模拟量输出，来选用。3.2控制面板设计根据系统总方框图和设计要求，彩灯控制系统采用并行序列，在闪烁电路下执行彩灯的循环点亮，而点亮方式又分为单灯循环点亮和3灯循环点亮，使彩灯按照不同的频率闪烁。10图3-1操作面板示意图系统操作面板如图3-1所示，X4和X5分别控制彩灯运行的状态，即单周期状态与自动状态。彩灯开启用X0按钮控制，X1按钮控制彩灯停止运行。闪烁开关有两个X2和X3，分别对应1HZ和0.5HZ，使彩灯得以循环工作。3.3PLC的外部接线图根据系统总方框图和设计要求，基于PLC彩灯循环控制系统的外部接线图如图3-2。X0是点动开关，X2、X3是一组单刀双掷开关，X4和X5是一组单刀双掷开关，指针指向那个开关，相应的设置就11导通。彩灯控制系统用X0开启，X2和X3分别表示彩灯闪烁频率1.0HZ和0.5HZ，X4控制彩灯单周期运行，X5控制彩灯自动运行。其中，输入采用的是汇点式，共接一个COM端子，电源由PLC内部电源提供。Y0—Y8表示9个LED彩灯。KM1—KM9是电磁继电器，通电时其常开触点闭合，常闭触点断开。Y0—Y3共用一个COM端子，Y4—Y8共用另一个COM端子，而输出共用一个电源，所以将两个COM端子连在一起，实现电源的共用。KM1KM2KM3KM1KM3KM4KM5KM6KM7KM8KM9FX2N-48MRY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8COM1COM0X0X1X2X3X4X5COM220V停止开启闪烁1.0HZ闪烁0.5HZ单周期自动12图3-2PLC的外部接线图3.4I/O分配表本设计中，共有六个输入开关，9个LED输出，根据PLC外部接线图，我们能得出I/O分配表如表4-1所示。表3-1输入输出启动按钮X0LED1Y0停止按钮X1LED2Y1闪烁1.0HZ开关X2LED3Y2闪烁0.5HZ开关X3LED4Y3单周期开关X4LED5Y4自动开关X5LED6Y5LED7Y6LED8Y7LED9Y813电气设备及元器件明表序号符号名称规格型号数量1KM1交流接触器DJX-912KM2交流接触器DJX-913KM3交流接触器DJX-914KM4交流接触器DJX-915KM5交流接触器DJX-916KM6交流接触器DJX-917KM7交流接触器DJX-918KM8交流接触器DJX-919KM9交流接触器DJX-9110SB1动合开关AC0.1-125V111SB2动合开关AC0.1-125V1144控制系统的软件设计4.1彩灯控制系统的顺序功能图图4-1彩灯控制系统顺序功能图彩灯控制系统顺序功能图如图4-1所示。由图可知控制系统步序共分7步，分别用M00—M06代表这7步。彩灯工作一个周期后自动停止，若运行过程中按停止按钮，所有灯全部熄灭。彩灯工作一个周期后，不停止，而是开始下一个周期，若运行过程