1、基于PLC的花样彩灯控制系统设计潍 坊 学 院专业课综合课程设计说明书基于PLC的花样彩灯控制系统设计 系 部： 专 业： 班 级: 学生姓名： 学 号： 2013年10月16日摘 要随着科学技术的飞速发展，在现代生活中，彩灯作为一种景观应用越来越多。针对PLC日益得到广泛应用的现状，文章介绍了PLC对大型演出现场的彩灯进行控制,并给出其PLC控制系统的接线图和梯形图程序设计。该设计具有可编程性、线路简单、可靠性高等特点，提高了系统的灵活性及可扩展性，包括对变换类负载、舞台流水灯、大型标语牌底色流水灯的控制,以营造良好的现场灯光氛围,并且便于起停、控制、检修，节约人力物力。仿真结果验证了该设计
2、的实用性. 关键词：PLC，彩灯控制，设计，仿真1 前言随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。各种装饰彩灯、广告彩灯越来越多地出现在城市中.在大型晚会的现场，彩灯更是成为不可缺少的一道景观。小型的彩灯多采用霓虹灯管做成各种各样和多种色彩的灯管，或是以日光灯、白炽灯作为光源，另配大型广告语、宣传画来达到效果。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已成为一种时尚.这些灯的控制设备大多数用全硬件的数字电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按固定的模式闪亮,不能根据不同场合、不同时间段的需求
3、来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。本文介绍PLC在彩灯控制中的应用,灯的亮灭、闪烁时间及流动方向的控制均通过PLC来达到控制要求。在彩灯的应用中，装饰灯、广告灯、布景灯的变化多种多样，但就其工作模式，可分为三种主要类型：长明灯、流水灯及变幻灯.长明灯的特点是只要灯投入工作，负载即长期接通，一般在彩灯中用以照明或衬托底色，没有频繁的动态切换过程，因此可用开关直接控制,不需经过PLC控制。流水灯负载变化频率高，变换速度快，使人有眼花缭乱之感,分为多灯流动、单灯流动等情形.变幻灯则包括字形变化、色彩变化、位置变化等，其主要特点是在整个工作过程中周期性地花样变化，但频率不高。流水灯及变幻灯均适
4、宜采用PLC控制.2 PLC概述2.1 PLC的定义Programmable Logic Controller 简称为PLC，即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置.2.2 PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集.传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年,美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmab
5、leController（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后,为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点,可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）,现在，仍常常将PLC简称PC.PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功
6、能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期,是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。23 PLC的特点2.3。1 高可靠性、抗干扰能力强 （1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2)各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms.（3）各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。（4)采用性能优良的开关电源.（5）对采用的器件进行严格的筛选.（6）良
7、好的自诊断功能，一旦电源或其他软,硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。（7)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。2。3.2 丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号,如:交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块,等等.2.3.3 配套齐全、功能完善、适用性强 PLC发
8、展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易.2.3。4 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备.它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受.梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电
9、路的功能。2。3。5 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受.梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门.2。3。6 体积小,重量轻,能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g,功耗仅数瓦.由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 24 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，大
10、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，也可用于多机群控及自动化流水线。2.模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 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,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行
11、机构，现在一般使用专用的运动控制模块。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.世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 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。作为工业控制计算机,PLC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.数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理.这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作，也可以利用通信功能
12、传送到别的智能装置，或将它们打印制表。6.通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信.随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。25 三菱PLCFX2N系列可编程控制器简介日本三菱可编程控制器分为F、F1、F2、FX0、FX2、FX0N、FX0S、FX2N、FX2NC等几个系列,其中F系列是早期的产品，现已停产，FX2系列PLC是1991年推出的产品,是加强型的小型机，是整体式和模板式相结合的叠装式结构,有一个16位微处理器和一个专门逻辑处理器，其执行速
13、度为0.00048ms/步，是目前运动速度最快的小型PLC之一。FX2N是三菱公司的近期产品，按叠装式配置,是日本高性能小型机中的代表作.三菱公司生产A系列PLC，这是一种中大型模块式机种。（1）型号命名方式可编程控制器型号命名的基本格式如图2.1所示图2.1 可编程控制器型号命名的基本格式特殊品种类别：DDC电源，DC输入;A1AC电源，AC输入，2A/1点,输出方式：R继电器输出；S晶闸管输出；T晶体管输出。单元类别：M基本单元；E扩展单元。I/O总点数:14256,序号：0 2 0N 2C 2N,即：FX0 FX2 FX0N FX2C FX2N。例如,FX2N48MR型号的含义为：FX2
14、N系列;I/O总点数为48点；基本单元;继电器输出型。（2)FX2N系列PLC的基本构成FX系列PLC又分为4个大类,即FX0 FX2 FX2C FX2N系列,PLC是由基本单元,扩展单元及特殊单元构成的.基本单元包括CPU 存储器 I/O和电源；扩展单元是扩展I/O点数的装置，内有电源；扩展模块用于增加I/O点数和改变I/O点数的比例，内部无电源，由基本单元和扩展单元供给。扩展单元和扩展模块内无CPU，必须与基本一起使用。特殊功能单元是一些特殊用途的装置。3 设计任务与要求某大型晚会现场设有长明灯10组、变幻灯8组、舞台流水灯15组、标语牌底色流水灯15组。变化规律如下： 变幻灯周期为60
15、s，8路负载接通规律（如表3.1所示）：表3.1变幻灯通断规律表时间区间负载8负载7负载6负载5负载4负载3负载2负载10-10s1100110110-20s101100112030s0110111030-40s1000114050s001010150-60s10011010 舞台流水灯有1 s和l ms两种流动速率,正、反两种流动方向，有双灯6间隔、3灯5间隔、4灯4间隔三种流动组合方式。 标语牌底色流水灯速率为l ms，工作方式为正向,亮至全亮，熄灭2 ms后，反向单灯流动1周，熄灭2 ms后，从中间向两侧分别点亮至全亮后，熄灭2 ms,如此循环。4 花样彩灯方案设计41 彩灯常见的工作模
16、式在彩灯的应用中， 装饰灯，广告灯，布景灯的变化多种多样，但就其工作模式，可分为三种主要类型：长明灯、流水灯及变幻灯。长明灯的特点是只要灯投入工作，负载即长期接通，一般在彩灯中用以照明或衬托底色，没有频繁的动态切换过程，因此可用开关直接控制,不需经过 PLC控制。流水灯负载变化频率高,变换速度快,使人有眼花缭乱之感，分为多灯流动、单灯流动等情形。变幻灯则包括字形变化、色彩变化、位置变化等，其主要特点是在整个工作过程中周期性地花样变化，但频率不高。流水灯及变幻灯均适宜采用PLC控制。42 确定输入输出设备，选择PLC类型 该彩灯系统长明灯不需经过PLC控制，变幻灯及流水灯采用PLC控制。需设置总
17、启动、停止按钮各1个，流水灯流动速率开关l个，流动方向开关l个,流动组合方式开关3个，输入信号共7个；输出有变幻负载8组，舞台流水灯及标语牌底色灯各15组。考虑输入信号较少，而输出负载多，选择PLC基本单元FX2N一16MT，可提供8输入8输出，另配置输出扩展模块FX2N一16EYT两台，由PLC基本单元供电.灯组均通过无触头开关模块控制。43 确定I/O分配表根据控制要求,输入及输出设备端口分配(如表4。1所示)：表4。1 I/O端口分配表输入输出输入设备输入端口输出设备输出端口启动按钮SB1X0变幻灯负载18Y0-Y7停止按钮SB2X1舞台流水灯Y10Y17流水灯速度开关S1X2舞台流水灯
18、Y20Y27流水灯刘翔防线开关S2X3标语牌底色流水灯Y30Y37舞台流水灯方式1开关S3X4标语牌底色流水灯Y40Y47舞台流水灯方式2开关S4X5舞台流水灯方式3开关S5X65 系统硬件设计 自动化系统所使用的各种类型PLC中,有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。PLC控制系统的硬件设计主要是指硬件选型，近十几年来，国内外众多厂家提供了多种系列、功能各异的PLC产品，已有几十个系列、几百种型号.PLC品种繁多，其结构形式、性能、I/O点数、用户程序内存容量、运算速度、指令系统、编程方法和价格各有不同，使用场合也各
19、有侧重。因此，PLC的合理选择，对提高PLC控制系统的技术、经济指针以及对于控制系统都有着重要作用.要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。51 PLC选型PLC的主要国外生产厂家包括美国的Rock-well公司、德国的西门子公司、日本的三菱公司和欧姆龙公司。我国有不少厂家研制和生产过PLC，近年来国产PLC有了很大的发展,但我国使用的PLC主要还是国外的品牌的产品。考虑到国外产品的成熟性好,并且本次课程设计只需属小型系统,故采用三菱公司的F
20、X系列小型PLC。表5。1 FX1N ，FX1S与 FX2N的基本性能项目FX1NFX1SFX2NI/O设置与用户选择有关，最多128点与用户选择有关，最多30点与用户选择有关，最多256点100ms定时器T0T62，63点T0T199，200点T0T199，200点通用辅助继电器M0M383,384点M0M383，384点M0M499，500点指令MOV有有有ROR无无有ROL无无有在编程当中需要用到ROR和ROL指令,由表2。1可知只有FX2N系列满足要求,故选用FX2N系列的PLC。其次在编程当中需要用到MOV HFF00 K4Y0指令，所以需要用到16个输出口,综上所述选用FX2N32
21、MR系列的PLC。52 组成原理PLC彩灯控制编程采用指令控制,采用PLC能充分利用它的优点。在这里我们采用三菱公司的FX2N-16MT系列的可编程控制器，它吸收了整体式和模块式PLC的优点，安装比较方便，它的基本指令执行时间为0.08s 每条指令，内置的用户存储器为8K步，可以扩展到16K步。FX2N16MT系列的可编程控制器，输入点数为8,输出点数为8.编制梯形图，并进行仿真和调试。综上，得到硬件配置如表5。2所示表5.2 硬件配置表名 称数 量DC24V电源1PC/PPI编程电缆1FXGPWINC编程软件1PC机1输出显示灯853 PLC外部接线原理图根据I/0端口分配表，系统接线图如图
22、1所示:图1 彩灯控制系统接线图6 软件设计由PLC控制的彩灯有三类：变幻灯、舞台流水灯及标语牌底色流水灯。其变化周期1 ms、1 m分别由PLC内部特殊辅助继电器M8012、M8013控制.流水变化采用传送指令、移位指令实现。61 初始化程序图2 初始化程序系统运行初始化程序如图2所示,依次为启停控制、变幻灯初始化、舞台流水灯组合方式选择、标语牌底色灯初始化程序.62 主控输出程序系统输出控制采用主控指令编码，如图3所示，依次为：变换负载输出、舞台流水灯方向及速度控制、标语牌底色控制程序。图3 主控输出程序63 系统调试方法调试是软件开发过程中最艰巨的脑力劳动，调试开始时,软件开发者仅仅面对
23、着错误的征兆，然而在问题的外部现象和内在原因之间往往并没有明显的联系，在组成程序的密密麻麻的元素中，每一个都可能是错误的根源。如何能在浩如烟海的程序元素中找到有错误的那个（或几个)元素，这是调试过程中最关键的技术问题.本设计中调试的方法主要是设置断点跟踪.使用断点跟踪可以找到程序的出错位置，缩小查找错误的范围，提高调试的效率。调试的任务是及时改正测试过程中发现的软件错误。具体地说，调试过程由两个步骤组成，它从表示程序中存在错误的某迹象开始，首先确定错误的准确位置，也就是找出哪个模块或哪个语句引起的错误。然后仔细研究推断代码以确定问题的原因，并设法改正。当然更重要的还是调试的策略。调试的策略主要
24、有以下几种方法：1。试探法调试人员分析错误征兆，猜想故障的大致位置，然后使用调试的技术获取程序中被怀疑的地方附近的信息.这种策略通常是缓慢而低效的。一般不被采用。2.回溯法回溯法是调试人员检查错误征兆,确定最先发现“症状”的地方,然后人工沿程序的控制流往回追踪源程序代码，直到找出错误根源或确定故障范围为止。回溯法对小程序而言是一种比较好的调试策略，但是对于一些大规模的程序来说，就不适合用此方法了.3.对分查找法如果知道每个变量在程序内若干个关键点的正确值,则可以用赋值语句或输入语句在程序中点附近“注入”这些变量的正确值，然后检查程序的输出。如果输出结果是正确的，则故障在程序的前半部分；反之，在
25、后半部分。对于程序中有故障的那部分再重复使用这个方法，直到把故障范围缩小到容易诊断的程度为止。4。 归纳法所谓归纳法就是从个别推断一般的方法，这种方法从线索出发，通过分析这些线索之间的关系而找到故障。5。演绎法是从一般原理或前提出发，经过删除和精化的过程推导出结论。用演绎法调试开始时先列出可能成立的原因或假设，然后依次地排除列举出的原因。最后，证明剩下的原因是错误的根源。64 系统调试及结果分析硬件调试：接通电源，检查三菱FX2N16MT（如图6.1所示）可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好,然后把其与电脑的通信口连接。 软件调试:按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正
26、确后设置正确的通信口,将指令读入到指定的可编程控制器ROM中，进行下一步的调试。 运行调试：在硬件调试和软件调试正确的基础上，打开三菱FX2N16MT可编程控制器的“RUN按钮。进行调试；按下启动按钮，观察运行的情况，看是否是随时按下停止按钮可以停止系统运行。系统停止运行后，按下启动按钮,看是否可以重新运行。 根据以上的调试情况,本彩灯循环点亮的PLC控制系统设计符合要求。图6。1 FX2N16MT外观图7 小结通过不懈的努力,我们终于利用PLC对大型演出现场的彩灯进行控制，包括对变换类负载、舞台流水灯、大型标语牌底色流水灯的控制，以营造良好的现场灯光氛围，并且便于起停、控制、检修，节约人力物
27、力。经调试运行，该设计应用PLC输出信号去控制彩灯工作，使得产品性能稳定,安装方便、操作简单易行。 如果用户需要更改系统的亮灯模式，无须改变系统硬件电路,只需修改其中程序就可以实现不同控制要求。随着科学技术发展的日新月异，PLC技术已经成为了我们生活中的一部分，几乎可以说是无处不在。对于学习PLC知识的我们，此次课程设计很好的培养了我们学生综合运用所学知识,发现和解决问题以及锻炼实践的能力。只有在实践中多去操作，不言弃、不急躁，迎难而上，多总结经验,多尝试，才能将专业知识学得更好，才能学以致用,才能达到学习的真正目的。参考文献1 童师白。华成英.模拟电子技术基础，第三版。 北京：高等教育版社，
28、2001 2 阎石.数字电子技术基础,第四版.北京:高等教育版社，19983 郁汉琪.电气控制与可编程控制器应用技术M.南京：东南大学出版社，2004。1。4 程子华.PLC原理与编程实例分析M。北京:国防工业出版社，2007。1.5 钟肇新，范建东,冯太合.可编程控制器原理及应用，第四版。广州：华南理工大学出版社，2008.2.6 唐进。PLC在彩灯控制中的应用J.电子技术，2009（6）.7 陈立定.电气控制与可编程控制器.广州：华南理工大学出版社,200l.8 魏志精. 可编程控制器应用基础,电子工业出版社.,20069 华满香。电气控制及PLC应用（三菱系列）M.北京:北京大学出版社。2009.10肖峰。 贺哲荣. PLC编程100例M. 北京：中国电力出版社,2009。专业课综合课程设计成绩评定表学生姓名院/系部信息与控制工程学院专业年级级 班指导教师意见： 成绩： 签名： 年 月 日
