基于PLC的花样彩灯控制系统设计.docx
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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
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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宜采用PLC控制。
2PLC概述
2.1PLC的定义
ProgrammableLogicController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。
2.2PLC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Programmable Controller（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Programmable Logic Controller（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30~40%。
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.
2．3PLC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10~20ms.
（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。
2．4PLC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。
2．5三菱PLC-FX2N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：
D──DC电源，DC输入；A1─AC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:
14─256,序号：
020N2C2N,即：
FX0FX2FX0NFX2CFX2N.例如，FX2N──48MR型号的含义为：
FX2N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FX0FX2FX2CFX2N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60s，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1
0-10s
1
1
0
0
1
1
0
1
10-20s
1
0
1
1
0
0
1
1
20-30s
0
1
1
0
1
1
1
0
30-40s
1
0
0
0
1
1
40-50s
0
0
1
0
1
0
1
50-60s
1
0
0
1
1
0
1
0
舞台流水灯有1s和lms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lms,工作方式为正向，亮至全亮，熄灭2ms后,反向单灯流动1周,熄灭2ms后，从中间向两侧分别点亮至全亮后，熄灭2ms,如此循环。
4花样彩灯方案设计
4．1彩灯常见的工作模式
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。
4．2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。
4．3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4.1I/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SB1
X0
变幻灯负载1—8
Y0-Y7
停止按钮SB2
X1
舞台流水灯
Y10-Y17
流水灯速度开关S1
X2
舞台流水灯
Y20-Y27
流水灯刘翔防线开关S2
X3
标语牌底色流水灯
Y30-Y37
舞台流水灯方式1开关S3
X4
标语牌底色流水灯
Y40-Y47
舞台流水灯方式2开关S4
X5
舞台流水灯方式3开关S5
X6
5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。
5．1PLC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FX系列小型PLC。
表5.1FX1N，FX1S与FX2N的基本性能
项目
FX1N
FX1S
FX2N
I/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
T0~T62，63点
T0~T199，200点
T0~T199，200点
通用辅助继电器
M0~M383，384点
M0~M383，384点
M0~M499，500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MOVHFF00K4Y0指令，所以需要用到16个输出口，综上所述选用FX2N-32MR系列的PLC。
5．2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0.08µs每条指令，内置的用户存储器为8K步，可以扩展到16K步。
FX2N-16MT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
1
PC/PPI编程电缆
1
FXGP-WIN-C编程软件
1
PC机
1
输出显示灯
8
5．3PLC外部接线原理图
根据I/0端口分配表,系统接线图如图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1ms、1m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。
6．1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。
6．2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
6．3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。
6．4系统调试及结果分析
硬件调试：
接通电源，检查三菱FX2N-16MT（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FX2N-16MT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6.1FX2N-16MT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。
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