1、基于PLC的彩灯控制器控制系统设计摘要：随着社会的不断发展，科技的不断进步，人们生活水平的不断提高，人们 不满足于吃饱穿暖，要有更高的精神享受，无论是思想还是视觉，人们都在追求更高的 美。特别是在视觉方面，人们不满足于一种光，对物体的周边装饰越来越看重。大家不 难看到许多高楼大厦的周围都会有彩灯的装饰。许多节假日，例如：元旦、春节、元宵 节等，路边的树、灯柱以及广告的霓虹灯，都会明显的被彩灯装饰上，不仅渲染了节日 的气氛，也可供路人观赏。彩灯的适用范围广，使用方便，实用于家庭、商场、橱窗、 舞厅、咖啡厅、公共广场等场所的摆设、装饰、广告、环境净化与美化。本次设计正是基于此种情况，其目的为了实现
2、彩灯的多种形式变换。首先确定本次 设计的I/O分配，然后应用PLC软件选址进行编程，通过串口通讯编译下载，在实验板 上进行调试，通过开关、选择按钮控制程序，使彩灯按要求运行，实现彩灯的变换控制。 然后在工程组态软件中做出相应视图，将PLC与组态软件相连，最终实现彩灯是实物连 线与组态视图同步。关键词:彩灯；PLC； I/O1引言11.1选题背11. 2控制系统的选择11.3 PLC发展现状21.4 PLC简介及工作原理42系统硬件设计52. 1总体设计52. 2 S7-200PLC及PLC模块的选择62.3 I/O地址分配表：错误！未定义书签。2.4 PLC外部接线错误！未定义书签。2.5控制
3、流程图错误！未定义书签。3程序的编写与调试错误！未定义书签。3.1程序的编写错误！未定义书签。3. 2程序的调试错误！未定义书签。结论错误！未定义书签。致谢错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。附录（程序梯形图）错误！未定义书签。1引言1.1选题背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广告霓虹灯。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经成为一种时尚。但目前市场上各式各样的LED彩灯控制 器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一。这种彩灯控制器结构往往有芯 片过多、电路复杂、功率损耗大等缺
4、点。从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调, 缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。系统要实现对大型演出活动现场的彩灯进行控制。 当前，大型文艺演出灯光控制系统的性能是否良好，直接关系列晚会各节目的灯光效果, 也将直接关乎电视播出的质量。大型演出活动现场的彩灯有长通类、变换类、流水类和 一个LED点阵显示器。根据以上所述，就需要有特殊的工具对彩灯进行控制，长通类直 接由开关控制，而变换类和流水类可通过PLC进行控制。目前，PLC已广泛应用于工业控制中，但是在彩灯控制方面应用方面还不是很广泛。PLC 应用于交通控制还有很大的潜能，PLC以其可方便操作、可方便编程调试等优点，使得 其有逐步取代以往的单片
5、机在彩灯控制中的地位的趋势。1.2控制系统的选择1.单片机实现彩灯控制器系统所需要的外围电路多，工作量相当于PLC较大；虽单 片机体积小、能耗低，但它的可靠性以及抗干扰性明显没有PLC好；单片机它的配套设 施和功能没有PLC的完善，使用起来比较复杂。2. PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，半导体技术，自动控制技术， 数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它具有以下特点：（1）高可靠性，抗干扰能力强C2）配套齐全，功能完善，适用性强C3）程序编制简单，方便易学（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便（5）体积小、质量轻、易于实现机电一体化（6）功能强，扩展能力强通过
6、以上可以了解彩灯控制器的控制系统有许多种，但综合所述，基于PLC的众多优势 结合彩灯控制器的控制系统的选择，西门子S7-200系列的可编程控制器是此次设计的 最佳选择。1.3 PLC发展现状可编程序控制器（programmable controller）是计算机家族的一员，是为工业控制 应用而设计制造的。20世纪末期，PLC已经广泛应用在复杂的自动化生产和控制行业中， 但从目前的实际应用来看，PLC大都只承担最基本的控制功能，如逻辑控制，顺序控制, PID反馈控制等。在PLC组态系统中实现先进控制算法，形成具有人工智能的控制模块及网络系统， 能大大提高系统的控制水平，改善控制质量。从经济角度来
7、看，目前PLC生产商的一些 产品具备某些先进控制模块，如模糊模块。但它们的价格十分昂贵，且封闭性较强，不 适合我国中小型企业的工业改造。因此开发较为通用的先进算法实现技术，对于我国中 小型企业的工业改造具有很大的意义，既可降低生产成本，又可提高经济效益。预测控 制是智能控制中技术较为成熟的分支，同时预测控制对于大滞后系统有良好的控制效 果，实现预测控制嵌入PLC,与常规控制集成运行，让先进控制从教授、专家手中走出 来，实现先进控制的工程化、实用化，转化为社会生产力，对缩短控制系统开发周期， 加快先进控制技术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大的意义。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁
8、、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，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，也可用于多机群控及自动化流水线。 如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(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/
9、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1/0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。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PL
10、C也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合 有非常广泛的应用。(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传送到别的智能 装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系 统;也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(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
11、。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。1.4 PLC简介及工作原理1.PLC简介现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量,多品种，多规格, 低成本和高质量的产品，为了满足这一需求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具 有极高的可靠性和灵活性，可编程序控制器（PLC, Programmable Logic Controller） 也正是顺应这一要求出现的，他是以微处理器为基础的通用工业控制装置。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO, S7-2
12、00, S7-300, S7-400,工业网 络，HMI人机界面，工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网 络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC （如S7-200）, 小规模性能要求的PLC （如S7-300）和中、高性能要求的PLC （如S7-400）等。本次设 计采用S7-200。S7-200 PLC是超小型化的PLC,它适用于各行各业，各种场合中的自动 检测、监测及控制等。S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现 复杂的控制功能。S7-200系列的出色表现在以下几个方面：极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌 握
13、、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。2. PLC的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时， CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或 地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程 序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期包括输入采样、程序执行和输出三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端 子的通断状态或
14、输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。 随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应 的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着 程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶 段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应 输出设备工作。2系统硬件设计2.1总体设计本次设计是运用PLC来实现对彩灯系统的控制，设计的彩灯系统具有结构简单， 变换多样，价格低等点。西门子公司的PLC是现在在市面上利用率较
15、高的PLC。它的指 令丰富，功能强大，可靠性高，适应性好，便于扩展，性价比高，符合要求。因此，本 设计中选用西门子公司的SIMATIC S7-200小型PLC来进行控制。1.我们将该整体设计分为两个部分：首先设计内部的八只彩灯管；如图2.1所 示，最后综合起来实现整个设计。2.在该设计中我们主要控制的对象是彩灯。3. PLC控制系统要求广告屏中间部分有8根彩灯管.从左到右排列,编号1到8号系统启动后，灯管点亮的顺序依次为；1号到2号到3号8号时间隔为1S, 8根彩灯全亮后，持续10S,然后按照8号到7号到6号1号开始顺序依次熄灭时间 为1S,灯管全部熄灭后等待2S,再从8号灯管开始按照8号到号
16、1号顺序依次点亮 时间隔为1S,全部点亮后持续20S,再按照1号到2号到8号顺序熄灭,时间为1S, 灯管全部熄灭后,等待2S再重新开始上述过程的循环；4.系统用启动按钮和停止按钮操作。图2. 1灯管布局示意图2. 2 S7-200PLC工作原理及PLC模块的选择S7-200 PLC具有两种工作模式，分别是：运行(RUN)模式和停止(STOP)模式。 在运行模式下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能；在停止模式情况下 下，S7-200 CPU不执行用户程序，此时可设置CPU系统的硬件功能，可以将程序、数据 以及硬件信息下载到S7-200 CPUo其中用户程序用编程软件创建和编辑。CPU
17、模块上的模式开关可以用于改变和转换S7-200 PLC的工作方式。开关拨到RUN 时，CPU运行，启动用户程序的运行；当开关拨到STOP时，CPU停止，用户程序运行也 一起停止；开关拨到TERM时，不改变当前操作模式。此外还可以通过Step7-Micro/MIN32 编程软件控制S7-200 CPU的运行和停止。S7-200 CPU前面板上的LED指示灯显示着当 前的工作模式。S7-200 PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使PLC的输出及 时地响应各种输入信号。初始化后，S7-200 CPU按照循环扫描方式，完成包括执行用户 程序在内的个个不同任务。S7-200CPU循环
18、分阶段执行一系列任务。任务执行一次称为一个扫描周期。在一个12 34567g扫描的周期内，CPU执行如图2.2所示。RUN状态STOP状态图2. 2 S7-200 CPU的工作扫描过程示意图(1)读输入在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入和输出信号的状态，它们分别称为 输入寄存器和输出寄存器。CPU以字节为单位来读写输入/输出映像寄存器。在读输入阶 段，S7-200 CPU读取物理输入点上的0N/0FF1/0)状态并复制到输入映像寄存器。(2)执行用户程序用户程序是由若干个指令组成，指令在存储器中按顺序排列，来实现控制逻辑。一 般情况下，用户程序从输入映像寄存器获得外部控制和状态信号，
19、把运算结果写入输出 映像寄存器，或者存入到不同的数据保存区。在执行指令时，从I/O映像寄存器或别 的位元件的映像寄存器读出其。或1状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运 算的结果写入到相应的映像寄存器中。因此，除只读的输入映像寄存器外，各映像寄存 器的内容随着程序的执行而变化。S7-200 CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器的0或1状态传送到输出模块并 锁存起来。(3)处理通讯任务在处理通讯任务阶段，S7-200CPU处理通信口接收到的信息，适当的时候将信息传 递给通信请求方。(4)执行自诊断S7-200 CPU检查整个系统是否工作正常。自诊断测试包括定期检查EEPROM、用户 程
20、序存储器、I/O模块状态以及I/O扩展总线的一致性，将监控定时器复位，以及完成 一些别的内部工作。(5)写输出复制输出过程映像寄存器中的数据状态到物理输出点。过程映像寄存器是S7-200 CPU中的特殊存储区，专门用于存放从物理输入/输出点读取或写到物理输入/输出点的 状态。(6)中断程序的处理如果在程序中使用了中断，中断事件发生时立即执行中断，中断程序可能在扫描周 期在任意点上被执行。PLC模块的选择：采用CPU224模块由于实际控制中，总共有1个输入点和8个输出点，而CPU224有14个输入点和10 个输出点，所以它完全可以满足条件。CPU224:本机集成14输入/10输出,I/O共计24
21、点。2.3 I/O地址分配表根据控制要求,PLC控制霓虹灯广告显示屏的输入输出(10)地址编排如下表所示, 其中SB1为启动停止开关。HL1HL8为8根霓虹管,如表2. 1。编程元件I/O端子电路器件作用输入继电器10. 0SB1启动/停止转换按钮输出继电器Q0. 0HL1霓虹灯1Q0. 1HL2霓虹灯2Q0. 2HL3霓虹灯3Q0. 3HL4霓虹灯4Q0. 4HL5霓虹灯5Q0. 5HL6霓虹灯6Q0. 6HL7霓虹灯7Q0. 7HL8霓虹灯8软元件地址分配表本次霓虹灯PLC控制系统一共需要通电延时计时器32个，具体分配表如表3-2所Zj O编程元件通电延时器Tl(ls)TU(13s)T21
22、(7s)T31(27s)T2(2s)T12(14s)T22(8s)T32(2s)T3(3s)T13(15s)T23(9s)T4(4s)T14(16s)T24(20s)T5(5s)T15(17s)T25(21s)T6(6s)T16(2s)T26(22s)T7(7s)T17(3s)T27(23s)T8(10s)T18(4s)T28(24s)T9(lls)T19(5s)T29(25s)T10(12s)T20(6s)T30(26s)表2. 2软元件的地址分配表2. 4PLC外围接线图本次霓虹灯PLC控制系统采用西门子CPU224模块，具体PLC外围接线图如图3-2 所示。1.输入口(1)启动/停止按钮
23、连10. Oo2.输出口(1) Q0. 0霓虹灯lo(2) Q0. 1霓虹灯2o(3) Q0. 2霓虹灯3。(4) Q0. 3霓虹灯4。(5) Q0.4霓虹灯5o(6) Q0. 5霓虹灯6。(7) QO. 6霓虹灯7。(8) QO. 7霓虹灯8。PLC的外部接线图如图2. 3所示图2.3 PLC外部接线图2. 5控制系统流程图根据对彩灯工作要求，可以设计彩灯控制系统PLC的流程图，如图2. 4所示。SB111QO.0国巳r51-QO.：-PLCQ0.2S7-200Q0. 3名尸2L -CPU 224aq HL5Q0.4Q0.5 理6Q0.6/CBLI3L -Q0.703一工-N,AC 220V
24、L+ DC 24VLI -Jo3程序的编写与调试3.1程序的编写广告屏中间8个灯管亮灭的时序为第1根亮一第2根亮一一第8根亮，时间间 隔为1s,全亮后，显示10s,再反过来从87 *1顺序熄灭，全灭后，停亮2s,再 从第8根灯管开始亮起，顺序点亮87-6一一 1,时间间隔为1s,显示20s,再从1 一2一一8顺序间隔1s熄灭。全熄灭后，停亮2s,再从头开始运行，周而复始。具体 设计的梯形图见附录。3. 2程序的调试1.硬件调试：接通电源，检查S7-200 PLC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。2.软件调试：按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法
25、的检查，正确后设置 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。3.运行调试：在硬件调试和软件调试正确的基础上，打开S7-200 PLC可编程控制器的“RUN”开关进行调试；观察运行的情况。由于本灯是借用天塔之光的灯运行具体灯的表示如图3.1所示;图3. 1彩灯图图3. 5灯1-灯8熄灭图峻I淘二城天rl1媾灯皆露三 71假梦灭弃&若不想循环运行则按停止按钮，停止运行。根据以上的调试情况，本次霓虹灯广告屏的PLC控制系统设计符合要求。结论本次设计在老师的精心指导和严格的要求下完成了设计。从题目的选定到初步的构 思和大体内容，无不凝聚着老师的心血，在这次的设计中钱老师
26、始终对我耐心的指导关 怀和鼓励，使我受益匪浅。通过这次对彩灯循环点亮的PLC控制，让我了解了 PLC梯形图、指令表、外部接线 图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从 中找出最适合的设计方法。虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇 到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论 问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向， 并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的 讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯
27、路。多改变自己 设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自 己解决问题。希望这次的经历能让我在以后的工作学习中激励我继续进步。本次设计顺利的完 成，也归功于个个任课老师平时上课的认真负责，使我能够很好地掌握和运用所学的知 识来解决设计中所遇到的问题，正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工 作顺利完成。致谢感谢我的老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，循循 善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。这次毕业设计的经历成为我大学阶段最有收获的一次学习过程，使我感受到毕业设 计只要真正用心去做还是能够做好的，对以后做好任何事也是一样
28、。做什么事都需要自 己认真学习和研究，“没有调查就没有发言权”，同样，没有自己的研究，就不会有所突 破，只有自己动手，经过自己大脑思考的东西才会用价值。通过毕业设计，我发现了很 多不足。第一是感觉自己专业知识积累还不够，书本上的知识没有完全掌握，还存在太 多问题。其次是自己对设计的主要方向把握的不够好。在设计的过程中，由于开始的设 计方向有偏差而使我在错的问题上纠结了很久，这说明我还缺乏专业方面实际设计工作 的经验。在论文写作过程中，得到了老师的亲切关怀和耐心的指导。他严肃的科学态度，严 谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的 最终完成钱老师都始终给予我细
29、心的指导和不懈的支持。多少个日日夜夜，钱老师不仅 在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩钱 老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极 影响我今后的学习和工作。在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有 多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!谢谢你 们！参考文献1.艾永乐，数字电子技术基础.北京：中国电力出版社，20082.康光华、邹寿彬、秦臻，电子技术基础（数字部分）M .北京:高等教育出版社， 20093.张万中，可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社，20094.田淑珍，S7200 PLC原理及应用.北京：机械工业出版社，20095.陈建明，电气控制与PLC应用联系与实践.北京：电子工业出版社，20086.计时鸣，机电一体化控制技术与系统.西安：西安电子科技大学出版社，20097.杨素行，模拟电子技术基础简明教程3.北京：高等教育出版社，2010附录（程序梯形图）彩灯控制器控制系统的西门子S7-200系列PLC CPU224的梯形图程序如下所示
