可编程控制器 舞台彩灯控制系统设计.doc

目录一、设计方案论证1二、应用软件硬件概述2A.可编程控制器概述21可编程控制器的定义22PLC的特点23PLC的应用领域44控制要求及硬件电路I/O分配5B.组态王概述6三、总体设计方案71舞台彩灯的结构及其工作原理71.1舞台彩灯结构71.2舞台彩灯的工作原理72舞台彩灯整体设计方案82.1控制方式选择82.2整体设计方案83.硬件设计93.1PLC控制系统设计93.2彩灯控制系统实现的功能93.3硬件的选择104.硬件接线11四、.软件部分的设计121 编程软件介绍122 Plc程序设计123 组态软件仿真设计16五、程序的调试191调试192系统实例运行图20六、实验体会21参考文献22附录23一、 设计方案论证本次课程设计，要求使舞台彩灯控制系统操作简单，安装便捷，占用空间小，维护方便和运行安全的。因此本次课设主要选用plc实现彩灯控制，用组态王软件实现仿真监控，和故障报警。选用PLC来实现彩灯控制优点在于实现成本低，PLC由于可以直接的利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少网络投资，降低了成本。而且PLC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，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。Plc体积小很容易安放，所以非常适合舞台彩灯控制这种布局紧凑且控制时间长的控制场合。Plc还拥有完善的监视与诊断功能且控制功能强（与工控机对照分析），非常复符合舞台彩灯的控制要求。选用组态王仿真组要是由于组态王仿真控制直观方便,，功能齐全 （支持双机热备，双网热备，系统可靠性高， 能够实时显示数据，保存历史数据，历史数据查询，显示趋势曲线.， 声光报警功能，可以添加Email报警、短信报警等功能。，支持各个主要厂家的PLC，支持多种通讯方式，选择灵活， 多级用户管理，具有多种事件记录功能，比如登陆记录、操作记录等， 打印报表功能.。）非常符合系统要求可以仿真监视，可以仿真控制的要求。二、 应用软件硬件概述A. 可编程控制器概述1 可编程控制器的定义可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用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，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按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。”2 PLC的特点2.1可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.2硬件配套齐全，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，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，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。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。2.4系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。2.5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，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于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。3 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，使用情况大致可归纳为如下几类。3.1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。3.2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。3.3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。3.4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PLC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。3.5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。3.6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。新近的PLC都具有通信接口，通信非常方便。4 控制要求及硬件电路I/O分配可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱之一。PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的基本装置。由于它是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点：1、可靠性高，抗干扰能力强；2、通用性强、灵活性好、功能齐全；3、编程简单、使用方便；4、模块化结构；5、安装简便，调试方便；6、可以进行网络通信。按PLC的控制规模分类，PLC可分为小型机，中型机，大型机。通常小型机的控制点数小于256点，用户程序存储器的容量小于8K字。小型机常用于单机控制和小型控制场合，在通信网络中常作从站。例如，西门子公司的S7-200PLC就属于小型机。小型机中，控制点数小于64点的为超小型机或微型PLC。中型机的控制点数一般在256点2048点范围内，用户程序存储器的容量小于50K字。中型机控制点数较多，控制功能强，常用于中型控制场合，在通信网络中可作主站也可作从站。例如，西门子公司的S7-300PLC就属于中型机。大型机的控制点数都在2048点以上，用户程序存储器的容量达50K字以上。大型机控制点数多，功能很强，运算速度很快，常用于大型控制场合，在通信网络中常作主站。例如，西门子的S7-400PLC就属于大型机。而按结构形式可分为整体式、模块式和叠装式三类。PLC设计系统的原则应能满足控制对象的工艺要求，保证能按照工艺流程准确，可靠地工作。系统构成应力求简单，实用，系统易操作，调整，检修方便。设计合理，经济，能发挥PLC控制的特点。PLC编程的基本规则有：输入/输出继电器、内部辅助继电器、定时器、计数器等器件的触点可以重复使用，无需复杂的程序结构来减少触点的使用次数。梯形图每一行都是从左母线开始的，线圈终止于右母线。触点不能放在线圈的右边。除步进程序外，任何线圈、定时器、计数器、高级指令等不能直接与左母线相连。如果需要任何时候都要被执行的程序段，可以通过特殊的内部常闭继电器或一个没有使用的内部继电器的常闭触点来连接。在程序中，不允许编号相同的线圈出现两次，不允许出现桥式电路。程序的编写顺序应按自上而下、从左至右的方式编写，为了减少程序的步数，程序应为左大右小，上大下小。B. 组态王概述组态王软件是北京亚控科技发展有限公司研发的一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。它基于Microsoft Windows XP/NT/2000操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控过程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。它作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等（如：西门子PLC、莫迪康PLC、欧姆龙PLC、三菱PLC、研华模块等等）通过常规通讯接口（如串口方式、USB接口方式、以太网、总线、GPRS等）进行数据通讯。组态王软件与IO设备进行通讯一般是通过调用*.dll动态库来实现的，不同的设备、协议对应不同的动态库。工程开发人员无需关心复杂的动态库代码及设备通讯协议，只须使用组态王提供的设备定义向导，即可定义工程中使用的I/O设备，并通过变量的定义实现与I/O设备的关联，对用户来说既简单又方便。组态王支持通过OPC、DDE等标准传输机制和其他监控软件（如：Intouch、Ifix、Wincc等）或其他应用程序（如：VB、VC等）进行本机或者网络上的数据交互。通常情况下，建立一个应用工程大致可分为以下几个步骤：1、创建新工程；2、定义硬件设备并添加工程变量；3、制作图形画面并定义动画连接；4、编写命令语言；5、进行运行系统的配置；6、保存工程并运行。三、 总体设计方案1舞台彩灯的结构及其工作原理1.1舞台彩灯结构舞台彩灯是一个应用PLC控制的多样彩灯循环系统。1彩灯实际控制系统主要功能是通过西门子S7-200系列PLC来控制彩灯的亮灭及循环。彩灯实际控制系统主要由西门子S7-200系列PLC，多个彩灯灯泡，导线等组成。2组态王仿真控制系统组要是通过组态王6.51实现现场仿真控制，把现场的实际工作状态表现监控室的计算机上，通过计算机控制实际彩灯亮灭循环，并把彩灯的工作故障状态显示出来，从而实现上位机和下位机的通讯。为及时的维护修理提供方便。组态王仿真控制系统主要由监控室计算机和组态王6.51软件组成。1.2舞台彩灯的工作原理主要通西门子S7-200系列PLC来控制多组彩灯按照控制要求循环亮灭，通过组态王的仿真和PLC通讯，来实现监控和上位机控制，通过上位机和下位机的通讯把舞台彩灯的工作情况放映给上位机，便于工作人员的维护和故障的排除。2舞台彩灯整体设计方案2.1控制方式选择舞台彩灯运行是一个复杂的过程。为了安全、方便、美观地运行，除了需要良好的彩灯灯泡支持外还必须有一套完善可靠的控制系统。彩灯的控制方式有：（1）、微机（PC）控制系统（2）、可编程控制器（PLC）控制系统（3）、单片机控制系统等。目前彩灯控制普遍采用以下两种方式。一种是通过单片机控制，完成彩灯信号的采集、运行状态和功能设定，实现彩灯的运行功能.另一种是用可编程控制器（PLC）取单片机实现信号的集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种控制方法没有太多的区别。国内大多的彩灯厂家选用第二种控制方法，其原因在于生产规模小，可靠性高，成本低廉，程序设计方便灵活、使用维护简单、等优点。所以我在实验的时候选择了PLC作为控制方式。2.2整体设计方案如图1图 1整体方案设计图3.硬件设计3.1PLC控制系统设计彩灯PLC的控制系统和其他类型的彩灯控制系统一样主要由信号控制系统组成。图2为彩灯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、彩灯系统、操纵盘等。系统控制核心为PLC主机，彩灯系统，控制数据通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器并由PLC软件运算处理，然后经输出接口分别向各组彩灯。3.2彩灯控制系统实现的功能1） 系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。2）控制彩灯有规律的亮灭。3)控制规律时序图如图2：图 2控制规律时序图4)能够实现上位机的监控报警，并且指出故障点便于维修。3.3硬件的选择首先确定PLC所需的CPU224，它由14个输入点和10个输出点，我选用了8个输出点和9个输入点由分析得I/O分配表：如表1输入名称输入地址输出名称输出地址总开关I0.0一组彩灯Q0.0故障开关1I0.1二组彩灯Q0.1故障开关2I0.2三组彩灯Q0.2故障开关3I0.3四组彩灯Q0.3故障开关4I0.4五组彩灯Q0.4故障开关5I0.5六组彩灯Q0.5故障开关6I0.6七组彩灯Q0.6故障开关7I0.7八组彩灯Q0.7故障开关8I1.0表 3I/O分配表由分析得其内部继电器分配表。如表2M0.初始化M1.1一组灯信号1M2.1一组灯信号2M3.1一组灯信号3M1.2二组灯信号1M2.2二组灯信号2M1.3三组灯信号1M2.3三组灯信号2M1.4四组灯信号1M2.4四组灯信号2M1.5五组灯信号1M2.5五组灯信号2M1.6六组灯信号1M2.6六组灯信号2M1.7七组灯信号1M2.7七组灯信号2M1.0八组灯信号1M2.0八组灯信号2表2内部继电器分配表4.硬件接线硬件接线实例图硬件接线实例图PLC外部接线图图 4PLC外部接线图四、 .软件部分的设计1 编程软件介绍STEP7-Micro/WIN 4.0是西门子公司专为SIMATIC S7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能：1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。在脱机方式时，计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的PLC直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。3）在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。5）设置PLC的工作方式、参数和运行监控等2 Plc程序设计由于本实验选择的是西门子公司的S7-200的PLC，所以其编程软件也是相对应的。其编程语言分为三种，分别是梯形图、指令表和SFC图。因为梯形图比较直观，容易掌握，所以一般都选择它作为与仪器交流的手段。综合上面所有的准备工作，整个程序的编写已变成了如信手拈来般容易，只需将所分配的输入输出口，按所需的逻辑一步一步完善，其部分的plc程序图如图所示（图5-图9）图5内部继电器控制1-3组灯亮灭程序图6内部继电器控制4组5组灯亮灭程序图7内部继电器控制6组7组灯亮灭程序图8内部继电器控制第8组灯亮灭程序图9初始化程序3 组态软件仿真设计由于本次课程设计要求实现上位机的监控和对故障的显示和排除，说以我选择了组态王6.51软件来实现。组态王6.51软件应用比较直观方便，变成时应注意仿真变量的定义和关联。组态软件变量定义图如图10图10组态王变量定义定义好变量就可以编写组态画面，编写画面时应注意美观大方。组态王未运行时画面如图11-图12图11进入界面图12组态王未运行界面组态王工作界面图如图13-14图13正常工作图图14有部分灯故障图五、 程序的调试1调试 我编程序的习惯就是先编一个大致的框架，然后往里面慢慢装东西。但这次的程序工作量特别大。因为我的程序最大的特点就是逻辑多，过程多，如果要一点点的装的话，很难把所有的过程都涵盖在里面。当我编完第一次之后就发现这个重大的问题了。所以我立刻调整我的编程思路，用罗列法，即在这一部时就把他下一步将要发生的情况全部都写出来，当我列完一个周期时，所有的情况就很明朗了。不过很快我又发现了一个忽略的问题，而且很大的问题我的程序初始化存在问题，后来通过定时器T53使所有定时器重新定时的方法问题便迎刃而解了。为了使系统的工作状态更加明显，我设计了8个故障点来检验舞台彩灯故障时组态软件是否能正常显示，后经实验发现组态王软件能够正常显示舞台彩灯故障，便于了故障的及时排除。编写组态软件画面时应注意变量的分配，通讯口德选择，我第一次编写时就由于没有注意通讯口德选择而使程序无法实现，后经及时调整才运行正常。编写完组态软件后程序老实出现重启现象后经老师帮助及时解决了问题。2系统实例运行图系统实例运行图1系统实例运行图2六、 实验体会本次课程设计，前两周老师让我们自由练习，通过练习和老师的讲解让我更加深入的了解了PLC的编程方法及组态王软件设计的方法和注意事项，极大的提高了我的编程速度，为以后的编程打下了良好的基础。通过本次课程设计，我还更深一步的学习PLC编程方法，并学会了使用S7200编程软件。本次课程设计实现了通过开关控制舞台彩灯，通过组态网软件实现了上位机的见监视和控制。在设计之初，曾经走入误区，也曾将茫然过，可是在老师与同组成员的帮助下，我顺利的解决了遇到的问题，并达到了预想的效果。在此，要特别感谢我的课程设计指导老师，还要特别感谢与我同组刘志鹏同学课设结束了，但是我深知，我所学习的知道还是远远不够的，通过课程设计也让我增强了学习PLC的兴趣。在以后的学习生活中，我会把这种专研精神继续发扬下去，争取学到更多有用的知识，不断丰富自己。参考文献1. 赵相宾.可编程控制器技术与应用系统设计.机械工业出版社，2002，72. 廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社，2005，33. 胡学林.可编程控制器原理及应用.电子工业出版社，2007,14. 钟肇新，范建东.可编程控制器原理及应用.华南理工大学出版社，20035. 陈金华.可编程序控制器(PC)应用技术.北京电子工业出版社,19956. 陈在平,赵相宾.可编程序控制器技术与应用系统.北京机械出版社,20027. 何衍庆.可编程序控制器原理及应用技巧.北京化学工业出版社,2000附录PLC梯形图程序