广告牌彩灯闪烁PLC控制程序设计.docx

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广告牌彩灯闪烁PLC控制程序设计

中国矿业大学

本科生毕业设计

姓名：

学号：

学院：

设计题目：

广告牌彩灯闪烁PLC控制程序设计

专题：

指导教师：

职称：

2010年6月

中国矿业大学毕业设计任务书

学院专业学生姓名

任务下达日期：

毕业设计日期：

毕业设计题目：

广告牌彩灯闪烁PLC控制程序设计

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

1.PLC控制程序设计广告牌彩灯

2.翻译3000字英文

院长签字：

指导教师签字：

中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

指导教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解⑦决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解⑦决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩

答辩情况

提出问题

回答问题

正确

基本

正确

有一般性错误

有原则性错误

没有回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：

年月日

学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：

年月日

摘要

彩灯，是人们在喜庆节日寓意吉祥的装饰品，它结构新颖、制做简单、成本低廉、价钱便宜,琳琅满目的彩灯，节日里温暖吉祥的气氛给人们带来了无穷的欢乐和遐想。

这些通过本广告牌彩灯闪烁PLC控制程序就能够实现。

在这里本文重点讲讲述了采用PLC控制广告牌彩灯的模拟控制原理和工作原理以及PLC的外围接线，并重点对几种类型的彩灯控制程序进行了介绍以及设计完毕后的检验方法。

采用PLC控制广告牌彩灯的优势在于抗干扰能力强，可靠性高；控制系统结构简单，通用性强；编程方便，易于使用；功能完善；设计、施工试的周期短；体积小，维护操作方便。

由于PLC具有以上诸多优点，在自动化发展领域将占有重要地位。

关键词：

CPU、EM222、EM235、继电接触器、彩灯、LED、PLC控制等

ABSTRACT

TheLantern,isthatpeopleinthefestivalofpropitiousdecorations,itsnovelstructure,makingsimple,lowcost,cheap,dazzlingarrayoflights,festivals,warmandauspiciousatmospheregaverisetoendlessjoyandreverie.

Keywords:

CPU,EM222,EM235,relaycontactors,lights,LED,PLCcontrol

前言

可编程序控制器简称PLC，是20世纪60年代以来发展极为迅速、应用面极为广泛的工业控制装置，是现代工业自动化的三大支柱之首。

它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能，来控制各种类型的机械设备或生产过程。

当今PLC吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，以单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自动化；从柔性制造系统、工业机器人到大型分散控制系统，PLC均承担着重要角色。

日本松下电工的FP系列PLC是其20世纪90年代开放的第三代产品，代表了当今世界PLC的发展水平。

FP1系列虽然是小型机，但它集CPU、I/O、通信等诸多功能模块为一体，具有体积小、功能强、性能价格比高等特点，适合我国国情，特别适合在中小企业推广应用。

目前LED显示屏制作技术先进，特别是彩灯，它的应用现在极为广泛，是人们在喜庆节日寓意吉祥的装饰品。

在晚上大街小巷都挂着彩灯，在节日里温暖吉祥的气氛给他们带来了无穷的欢乐和遐想。

尤其是各大商场的广告牌给它们带来了很大的利润，再加上它的特点结构新颖、电路简单、制作容易、低能耗、价钱便宜，不仅能美化环境，渲染气氛，还可用于娱乐场所和电子玩具中，形成了一个规模庞大、功能齐全、资源丰富、发展迅速的产品群，所以普遍接受及应用。

我国政府在电子基础产品发展中，坚持树立大市场观念，以国民经济现代化、信息化为目标，实现产品专业化大生产为重点，扩大出口创汇能力，首选光电子器件等五种新型电子元器件作为发展目标，LED产业是光电子器件发展中的重点，在产值、产量、规模效应等占有优势，虽然在世界光电设计中占有很小的份额，但是却有巨大的市场潜力。

限于作者知识有限，本课难免有不妥之处，望领导、老师批评指正。

1广告牌彩灯概述

彩灯，是我国普遍流行的传统的民间的综合性的工艺品精美的外形设计。

而在现代生活中的彩灯是用PLC控制所编的一个程序，它结构新颖、电路简单、制作容易、低能耗、价钱便宜。

彩灯越来越成为人们的装饰品，它不仅能美化环境，渲染气氛，还可用于娱乐场所和电子玩具中。

今天似乎全世界的目光都聚焦在LED这个新型的光源上，被誉为21世纪的绿色照明产品，甚至人们预言未来会大部分取代传统的光源。

因为它具有寿命长、启动时间短、结构牢固、节能、发光体接近电光源（有利于LED的灯具设计）、薄型灯具、灯具材料选择范围大、不需要加发射器、低压、没有紫外辐射、尤其在公共环境中使用更加安全等优点。

再加上LED光源的生产可实现无贡化，对环境保护和节约能源更具有重要意义。

综合起来，有以下几大优点：

Ø满足人们对照明的个性化需求

LED的模块化，为照明设计带来了便利，通过设计者充分合理的布局，使LED处于良好的工作状态。

LED的产品在满足个性化照明方面是传统光源相形见绌的，LED产品形制的多样化将达到前所未有的程度。

Ø面发光LED考虑建筑的模数化

面发光LED必须与城市设计和建筑设计相结合，才能满足设计者的需求。

例如：

作为地面铺装的夜间装饰，产品的尺寸与地砖的尺寸相协调，即符合模数的要求：

150ⅹ15；200ⅹ200；200ⅹ100；300ⅹ300；400ⅹ200等。

Ø小功率LED灯具设计

城市夜景照明追求的不是亮度，而是艺术的创意设计，小功率的LED产品应该能够找到他的用武之地。

发光角度小的LED方向性强，可作局部重点照明。

问题是要给设计师提供足够大的选择范围，外观上也应有美观的要求。

可以肯定的说，LED将会在未来引领照明的时尚与潮流。

Ø环保与节能，LED合理利用

绿色照明的概念是全球追随的生态设计目标。

如果将LED与太阳能电池组合，将会扩大LED的应用范围与场所。

Ø大功率、高光效、高显色性的白光LED照明产品研发。

2继电接触器控制和PLC控制的优缺点及其区别

2.1继电接触器控制和PLC控制的优缺点

2.1.1继电接触器控制的优缺点

继电接触器控制系统结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位。

但是有明显的缺点：

设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难以实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象需要改变时，原有的接线和控制盘（柜）就要更换，所以通用性和灵活性较差。

2.1.2PLC控制的优缺点

1）抗干扰能力强，可靠性高

PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施，在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所以这些使PLC具有较高的抗干扰能力。

PLC的平均无鼓掌时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比拟的。

2）控制系统结构简单，通用性强

当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只要输入/输出组件和应用软件的不同，只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可。

PLC的输入/输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连，并有较强的带负载能力。

3）编程方便，易于使用

PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

4）功能完善

由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳动和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换、矩阵运算、闭环控制、函数运算、快速中断以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。

因此PLC具有极强的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。

5）设计、施工试的周期短

PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。

6）体积小，维护操作方便

PLC体积小，质量轻，便于安装。

PLC的输入/输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，还能通过各种方式直接的反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的提示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。

2.2继电接触器控制和PLC控制的区别

Ø继电接触器控制系统随有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。

而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。

Ø在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又复杂的硬接线线路。

ØPLC的梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。

Ø用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电器原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分方便。

而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入/输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。

经上面对继电接触器控制和PLC控制的简介以及对它们的比较可以看出，在当今社会PLC控制的电路应用广泛，因此现用PLC来控制广告牌彩灯闪烁的程序。

3PLC的应用和发展

3.1PLC的发展趋势

PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。

具体表现在以下几个方面。

向小型化、专用化、低成本方向发展

20世纪80年代初，小型PLC在价格上还高于小系统用的继电器控制装置。

随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使PLC结构更为紧凑，相当于一本精装书的大小，操作使用十分简便。

PLC的功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上，如模拟量处理、数据通信和复杂的功能指令等，但价格不断下降，真正成为现代电器控制系统中不可替代的控制装置。

（2）向大容量，告速度方向发展

大型PLC采用多微处理器系统，有的采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。

另外，存储容量大大增加。

（3）智能型I/O模块的发展

智能I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。

它们本身就是一个小的微型计算机系统，有很强的信息处理能力和控制功能，有的模块甚至可以自成系统，单独工作。

它们可以完成PLC的主CPU难以兼顾的功能，简化了某些控制系统的系统设计和编程，提高了PLC的适应性和可靠性。

（4）基于PC的编程软件取代编程器

随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机的编程软件。

编程软件可以对PLC控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数。

在屏幕上可以直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。

（5）PLC编程语言的标准化

与个人计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。

在硬件方便，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用。

PLC的编程语言和指令系统的功能和表达方式也不一致，因此各厂家的可编程序控制器互不兼容。

（6）PLC通信的易用化

PLC的通信联网功能使它能与个人计算机和其它智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中管理。

通过双绞线、同轴电缆或光纤联网，信息可以传送到几十公里远的地方，通过Modem和互联网可以与世界上其他地方的计算机装置通信。

为了尽量减少用户在通信编程方面的负担，PLC厂商做了大量的工作，使设备之间的通信自动地周期性的进行，不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时做一些硬件或软件上的初始化设置。

（7）组态软件和PLC的软件化

个人计算机（PC）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。

过去个人计算机主要用作PLC、操作站或人机接口终端，工业控制现场一般使用工业控制计算机（IPC），这样相应的出现了应用于工业控制系统的组态软件，利用这些软件可以方便的进行工业控制流程的实时和动态监控，完成报警、历史趋势和各种复杂的控制功能，同时节约控制系统的设计时间，提高系统的可靠性。

（8）PLC与现场总线相结合

现场总线I/O集检测、数据处理、通信为一体，可以代替变送器、调节器、记录仪表模拟仪表。

他不需要框架、机柜，可以直接安装在现场导轨槽上，现场总线I/O的接线极为简单，只需一根电缆，从主机开始，沿数据链从一个现场总线I/O连接到下一个现场总线I/O。

使用现场总线后，自控系统的配线、安装、调试和维护等方面的费用可以节约2/3左右，现场总线I/O与PLC可以组成功能强大的、廉价的DCS系统。

3.2PLC的应用领域

PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。

但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：

一方面由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。

PLC的应用范围通常可分成以下五中类型。

（1）顺序控制

这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域。

它用来取代传统的继电器顺序控制。

PLC应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。

例如：

注塑机械、印刷机械、订书机械、组合机床、装配生产线、电缆流水及电梯控制等。

（2）运动控制

PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。

每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。

相对来说，位置控制模块比CNC装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便。

（3）过程控制

PLC还能控制大量的过程参数，例如：

温度、流量、压力、液位和速度。

PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。

当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。

（4）数据处理

在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据处理工作。

（5）通信网络

PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数据控制）之间的通信。

PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。

4PLC控制广告牌彩灯闪烁程序设计

4.1目的

让我们对步进指令（包括NSTP、NSTL、SSTP、STPE）有进一步的了解。

注意：

（1）NSTP指令和NSTL指令之间的区别。

（2）步进指令的执行时序。

（3）索引寄存器IX的基本使用方法。

（4）一些高级指令的使用方法。

4.2主要内容

彩灯循环以七种状态循环执行。

控制要求如下：

（1）第一状态要求输出：

全亮全灭全亮全灭……2～3次。

（2）第二状态要求输出：

在全部输出ON的情况下，从最低位到最高位顺次OFF2～3次。

（3）第三状态要求输出：

在全部输出ON的情况下，从最高位到最低位顺次OFF2～3次。

（4）第四状态要求输出：

在全部输出OFF的情况下，从最低位到最高位以两位为一单元顺次ON2～3次。

（5）第五状态要求输出：

在全部输出OFF的情况下，从最高位到最低位以两位为一单元顺次ON2～3次。

（6）第六状态要求输出：

在全部输出ON的情况下，从最低位到最高位顺次OFF1位，OFF2位，OFF3位，OFF4位，OFF3位，OFF2位，……直到全OFF。

（7）第七状态要求输出：

全部输出的高8位与低8位分别以ON、OFFOFF、ONON、OFF2～3次。

开机运行，彩灯开始以七种状态循环执行，状态七完成后自动从状态一重新开始循环。

4.3PLC控制的系统选型

要设计PLC控制广告牌彩灯闪烁程序，其它的选型是比较重要的。

此系统中共有开光量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点一个、模拟量输出点1个。

如果选用CPU224PLC，也需要扩展单元；如果选用CPU226PLC，则价格较高，浪费较大。

参照S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU222（8入/6继电器输出）一台，加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），在扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。

这样的配置是最经济的。

PLC系统组成

4.4模拟控制原理图及工作原理

今年的十月一日我们伟大祖国建国五十周年大庆，为了迎接和庆祝这个大喜的日子，许多单位都要利用彩灯进行装饰布置。

现在介绍一种采用常见元器件组成的新颖的节日彩灯控制电路，该电路工作时可自动控制8串彩灯依次全部点亮，然后，又同时熄灭，再依次全部点亮，再同时熄灭……，如此自动循环下去。

若用彩灯串组合成相应的庆祝文字或彩色图案，其依次点亮时的效果如同五颜六色的霓虹灯一般，可为节日增添许多喜庆气氛。

现以用其控制由8个彩灯串组合成的“庆祝建国五十周年”的标语彩灯为例将该电路介绍如下：

图1

工作原理：

这种节日彩灯控制电路如图1所示。

该电路使用了4片COMS数字集成电路芯片和8片光耦双项可控硅芯片，其中IC1是十进制计数/分配器，IC2是六施密特触发器（F1～F6）；IC3和IC4均是二输入端四“与”门（Y1～Y8）。

由F1、RP1、C1组成了一个频率可调的超低频震荡器，其输出信号作为IC1的计数时钟。

震荡器的震荡频率可由RP1进行调节。

F3～P6的输入、输出端分别并联在一起，用做LED1的驱动电路。

LED1为超低频震荡器的输出指示。

在IC1的Q1～Q8输出端分别经隔离二极管VD1～VD8接至Y1～Y8的b输入端上，而IC1的Q0输出端被接至F2的输入端，F2的输出端则接至Y1～Y8的a输入端上，这样便可由F2的输出端电位控制Y1～Y8适时“复位”。

Y1～Y8的输出端分别经过限流电阻接至相对应的GK1～GK8的①脚（内部的发光二极管的正极）上，GK1～GK8的②脚（内部的发光二极管的负极）均被接至电源负端。

这样便可由Y1～Y8的输出端电位分别控制相对应的GK1～GK8导通或截止，GK1～GK8则直接控制着8串用数十个小灯泡串成的彩灯（H1～H8）组成的“庆祝建国五十周年”文字的亮灭。

在每个“与”门的输出端还分别经过一只电阻接至本“与”门的输入端，这样，就使Y1～Y8“与”门均变成了一经触发即可被锁定在输出为高电位的触发器。

电路加电的瞬间，由于C2和R2的作用，IC1被自动复位，其Q1～Q8输出端均为低电位，Q0输出端为高电位，经F2反相后为低电位加在Y1～Y8的a输入端，使Y1～Y8输出均为低电位，故此时GK1～GK8均不工作，H1～H8彩灯串均不亮。

当F1组成的超低频震荡器输出的第1个记数脉冲到来时，IC1的Q0输出端变为低电位，经F2反相后变为高电位加在Y1～Y8的a输入端，为Y1～Y8受控输出高电位做好准备。

此时IC1的Q1输出端变为高电位，则Y1满足“与”的条件，输出端变为高电位，通过R20驱动GK1中的发光二极管发光，使其内部的可控硅导通，则由H1串灯组成的“庆”字发光。

与此同时，Y1输出的高电位还经R12反馈至b输入端，使Y1进入“自保”状态。

当F1输出的第2个记数脉冲到来时，IC1的Q1输出端变为低电位，由于Y1已经“自保”故GK1中的可控硅仍处于导通状态，H1仍然点亮。

此时IC1的Q2输出端变为高电位，使Y2满足“与”的条件，输出高电位并经过R13“自保”，同时通过R21驱动GK2中的发光二极管发光并使可控硅导通，使由H2串灯组成的“祝”字发光……。

如上所述，当F1输出的第8个计数脉冲到来时，IC1的Q8输出端变为高电位，使Y8满足“与”的条件，输出高电位并经过R19“自保”，同时经过R27驱动GK8中的发光二极管发光并使可控硅导通，使由H8串灯组成的“年”字发光。

此时，“庆祝建国五十周年”的8个灯串字已全部被点亮，电路完成依次点亮由灯串组成的8个文字的功能。

当F1输出的第9个计数脉冲到来时，IC1的Q9输出端变为高电位，但因该输出端悬空未用，故此时电路不发生任何变化，仍维持8个灯串同时点亮的状态不变。

当F1输出的第10个计数脉冲到来时，IC1的Q0输出端变为高电位，经F2反相后为低电位加至Y1～Y8的a输入端，使Y1～Y8同时“复位”，各输出端均变为低电位，导致GK1～GK8中的可控硅也因此同时截止，使H1～H8串灯全部熄灭，至此，电路完成一个周期的循环。

当F1输出的计数脉冲再次到来时，电路将依上述原理开始新的周期并将一直照此循环下去……。

各灯串的循环点亮速度可通过调节RP1来改变。

4.5PLC外围接线图

如下几个图，图2为PLC广告牌彩灯闪烁部分外接线图，图3为直流输入，图四为晶闸管输出

图3

图5PLC控制广告牌彩灯闪烁部分外接线图

本例在实际使用时还必须考虑许多其他因素，这些因素主要包括：

（1）直流电源的容量；

（2）电源方面的抗干扰措施；

（3）输出方面的保护措施；

（4）系统保护措施；

4.6各环节程序设计

（1）第一状态：

全亮全灭全亮全灭……2～3次。

程序分析：

当R0开通时，激活了当前的过程，并将前一个过程复位。

这个时候步进过程开始。

当T0关断的时候，则定时器设置为5S，这时如果触发信号接