基于PLC的霓虹灯控制系统设计

目 录

第一章．课程设计任务书 ....................................................................

1 课程设计任务 ........................................................................................................ 2 课程设计目的 ........................................................................................................ 3 课程设计要求 ........................................................................................................ 4 课程设计内容 ........................................................................................................ 5 课程设计报告要求………………………………………………………………………. 6 课程设计进度安排……………………………………………………………………….. 7 课程设计考核办法……………………………………………………………………….

第二章．PLC的简介.................................................................................................

2.1 PLC基本概念 ............................................................................................................ 2.2 PLC的基本结构 ........................................................................................................ 2.3 PLC编程语言 ............................................................................................................ 2.4 PLC的工作原理 ........................................................................................................

第三章．总体设计方案 ...........................................................................................

4.1控制要求..................................................................................................................... 4.2设计思路..................................................................................................................... 4.3 PLC外部接线图 ........................................................................................................ 4.4 I/O分配表 ................................................................................................................ 4.5 PLC梯形图 .......................................................................................................

第四章．个人小结 .................................................................................................... 第五章．参考文献 ....................................................................................................

第一章．课程设计任务书

题目：霓虹灯控制系统的设计

一、课程设计任务

本课题要求设计一个霓虹灯控制系统，具体指标是：

使用实验台上的输出接口单元模块（如下图1所示），自行设计3种醒目有趣的霓虹灯显示方式，各种显示方式由转换开关进行切换。显示方式切换时，所有灯全部熄灭，按动启动按钮，就开始按照设计的方式显示，按动停止按钮则全部熄灭。 二、课程设计目的

通过本次课程设计使学生掌握：1）Step7－Micro/Win32编程软件的使用方法和梯形图、SFC图编程语言的运用；2）实际程序的设计及实现方法；3）程序的调试和运行操作技术。从而提高学生对PLC控制系统的设计和调试能力。 三、课程设计要求

1、采用状态转移图SFC图或经验设计法设计PLC控制程序。 2、设计的三种显示方式为：（请自行设计） 方式一：

方式二：

方式三：

图1 输出接口单元模块

四、课程设计内容

1、通过基本简单实验熟悉与本设计相关的实验台模块； 2、霓虹灯控制系统设计； 3、硬件接线图、程序清单。 五、课程设计报告要求

报告应采用统一的报告纸书写，应包括评分表、封面、目录、正文、收获、参考文献。

报告中提供如下内容： 1、目录 2、正文

（1）课程设计任务书； （2）总体设计方案；

（3）I/O分配表，PLC外部接线图，程序中使用的元件及功能表； （4）程序控制的SFC图、梯形图或指令表清单，注释说明； （5）调试、运行及其结果； 3、收获、体会 4、参考文献 六、课程设计进度安排

周次 工作日 1 2 第 一 周 3 4 5 本课题共需一周时间

七、课程设计考核办法

本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、20%、60%。

完成硬件接线，编写程序并调试 编写程序并调试 答辩，完成课程设计报告 工作内容 布置课程设计任务，熟悉实验台，查找相关资料 根据设计任务，完成总体设计方案（硬件选型、分配IO点等） 第二章．PLC的简介

2.1 PLC基本概念

早期的可编程控制器乘坐可编程逻辑控制器（programmable Logic controller PLC）,主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PLC。但是为了避免与个人计算机（personal computer）的简称混淆，所以讲可编程控制器简称PLC，PLC自1969年美国数据设备公司(DEC)研制出现，现行美国，日本，德国的可编程程序控制器质量优良，功能强大。

2.2 PLC的结构组成

PLC结构多种多样。但其组成的—般原理基本相向，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持．实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。

可编程控制器主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源和编程器等几部分组成，其结构框图如图2-1所示

（一）、中央处理单元((CPU)

可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。通用微处理器〔如8080、8086、80286、80385等〕、单片机〔如8031、8096等〕、位片式微处理器(如AM2900、AM 2901、AM2093等)。可编

程控制器的档次越高．CPU的位数也越多、运算进度也越快，功能指今越强。FX2系列可编程控制器使用的微处理器是l 6位的8096单片机。 （二）、存储器

可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统管理程序，用户存储器存放用户编制的控制程序。小型可编程控制器的存储器容量—般在8K字节以下。常用的存储器有CMOS RAM 和EPROM、EEPROM。CMOS RAM是—种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序．生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。CMOS RAM存储器是—种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作备用电源。掉电时，可以有效地保持存储的信息。锂电他的寿命一般为(5—30)年，若经常带负载可维持(2—5)年。EPROM、EEPROM都是只读存储器。往往用这些类型存储器固化系统管理程序和用户程序，EEPROM存储器又可写成E2PROM，它是一种电可擦除可编程的只读存储器．既可按字节进行擦除。又有可整片擦除的功能。 （三）、输入输出单元(I/O单元)

实际生产过程中的信号电平是多种多样的，外部执行机构所需的电平也是干差万别的，而可编程控制器的CPU所处理的信号只能是标准电平。正是通过输入输出单元实现了这些信号电平的转换。I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC上输入接口的输人器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各种输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流型和直流型，高电压型和低电压型、电压型和电流型之分。 (1)、输入接口电路

各种PLC的输入电路大都相同，通常有三种类型：一种是直流(12-24)v输入。另一种是交流(100-120)v、(200-240)V输入，第三种是交直流〔12一24〕V输入。外界输入器件可以是无源触点或者有源传感器的集电极开路的晶体管，这些外部输入器件是通道PLC输人端子与PLC相连的。PLC输人电路中有光耦合器隔离。并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。当输入开关闭合时，一次电路中流过电流，输入指示灯亮．光耦合器被激励．三极管从截止状态变为饱和导通状态，这是一个数据输入过程。

(2)、输出接口电路

PLC的输出有三种形式：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输比。 通常，PLC的制造厂商为用户提供多种用途的I/O单元。从数据类型上看有开关量和模拟量；从电压等级上看有直流和交流；从速度上看有低速和高速，从点数上看有多种类型；从距离上看可分为本地I/O和远程I/O。远程I/O单元通过电缆与CPU单元连接、可放在距CPU单元数百米远的地力。 （四）、电源单元

PLC的供电电源是一般市电、也有用直流24v供电的。PLC对电源稳定度要求不高，一般允许电源电压额定值在+10%--15%的范围内波动。PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电．小型PLC电源往往和CPU单元合为—体，中大型PLC都有专门电源单元，有些PLC电源部分还有以24v DC输出，用于对外部传感器供电，但电流往往是毫安级。 （五）、编程器

编程器是PLC的最重要外围设备，利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。编程器—般分简易型编程器和智能型编程器，小型PLC常用简易型编程器．大中型PLC多用智能型CRT编程器，除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包。即可用个人计算机为PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。

2.3、PLC的编程语言

PLC是一种工业控制计算机。不光有硬件，软件也必不可少，一提到软件就必然和编程语言相联系。不同厂家、甚至不同型号的PLC的编程语言只能适应自己的产品。目前PLC常用的编程语言有四种，梯形图编程语言、指令语句表编程语言、功能图编程语音、高级编程功能语言。梯形图编程语形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图，逻辑关系明

显；指令语句表编程语言虽然不如梯形图编程语言直观，但有键入方便的优点；功能图编程语言和高级编程语言需要比较多的硬件设备。 （一）梯形图编程语言

该语言习惯上叫梯形图。梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，也可以说，梯形图编程语言是在电气控制系统中常用的继电器．接触器逻辑控制基础下简化了符号演变而来的。形象、直观、实用，电气技术人员容易接受，是目前用得最多的一种PLC编程语言。继电器接触器电气控制电路图和PLC梯形图示于图2-4中，由图可见两种控制电路图逻辑含义是—样的，但具体表达方法却有本质区别。PLC梯形图中的继电器、定时器、计数器不是物理继电器、物理定时器、物理计数器，这些器件实际上是存储器中的存储器，因此称为软器件。相应位为“1”状态，表示继电器线圈通电或常开接点闭合或常闭接点断开。

PLC的梯形图是形象化的编程语言，梯形图左右两端的母线是不接任何电源的。梯形图中并没有真实的物理电流流动．而仅仅是概念电流——虚电流或称为假想电流。把PLC梯形图左边路线假想为电源相线．而把右边母线假想为电源地线：假想电流只能从左向右流动．层次改变只能先上后下。假想电流是执行用户程序时满足输出执行条件的形象理解。

PLC梯形图中每个网络由多个梯级组成。每个梯级输出一个或多个支路组成．并出—个输出入件构成，但右边的元件必须是输出元件。例如图2-4b中梯形图由两个梯级组成，梯级1）中有4个编程元件(X1、X2、Y1和Y2)，最右边的Y1是输出元件。

梯形图中每个编程元件应按一定的规则加标字母数字串，不同编程元件常用不同的字母符号和—定的数字串来表示，不同厂家的PLC使用的符号和数字串往往是不一样的。

（二）指令语句表编程语言

这种编程语言是一种与计算机汇编语言相类似的助汇符编程方式，用一系列操作指令组成的语句表将控制流程描述出来，并通过编程器送到PLC中去。需要指出的是，不同厂家的PLC指令语句表使用的助记符并不相同．因此，一个相同功能的梯形图。书写的语句表并不相同。表2-1是三菱电机公司FX型PLC指令语句完成图2—4b功能编写的程序。

指令语句表是由若干条语句组成的程序。语句是程序的最小独立单元。每个操作功能由—条或几条语句来执行。PLC的语句表达形式与微机的语句表达式相类似．也是由操作码和操作数两部分组成。操作码用助记符表不(如L1表示取、OR表示或等)，用来执行要执行的功能，告诉PLC该进行什么操作，例如逻辑运算的与、或、非；算术运算的加、减、乘、除；时间或条件控制中的计时、计数、移位等功能。操作数一般由标识符和参数组成。标识符表示操作数的类别，例如表明是输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等。参数表明操作数的地址或一个预先设定值。 （三）、功能图编程语言

这是一种较新的编程方法。它是用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制过程，目前国际电工协会(IEC)正在实施发展这种新式的编程标准。不同厂家的PLC对这种编程语言所用的符号和名称也不一样。三菱PLC叫功能图编程语言，而西门子PLC叫控制系统流程图编程语言。图2-5是一个先”与”后“或”操作的功能图编程语言图。

（四） 高级语言编程

近几年推出的PLC，尤其是大型PLC，已开始用高级语言进行编程，有的PLC采用类似PASCAL语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言的自动编译程序。采用高级语言编程后，用户可以象使用普通微型计算机一样操作PLC。除了完成逻辑功能外，还可以进行PID调节、数据采集和处理以及与上位机通信等。

2.4、PLC的工作原理

（一）、 PLC的编程器件概述

PLC内部有多具有不同功能的插件，实际上这些器件是由电子电路和存储器组成的。例如输入继电器X是由输人电路和映象输入接点的存储器组成；输出继电器Y是由输出电路和映象输出接点的存储器组成；定时器T，计数器C、辅助继电器M、状态器S、数据寄存器D、变址寄存器V／Z等都是由存储器组成的。为了把它们与通常的硬器件区分开，我们通常把上面的器件称为软器件，是等效概念抽象模拟的器件。并非实际的物理器件。从工作过程看，我们只注重器件的功能．按器件的功能给名称，例如输入继电器x、输出继电器Y等、而且每个器件都有确定的地址编号．这对编程十分重要；

需要特别指出的是，不同厂家、甚至同—厂家的不同型号的PLC编程器件的数量和种类都不一样，下面我们以FX小型PLC为蓝本，介绍编程器件。 （二）、FX 2系列PLC编程器件 1、输入继电器(X0一X177

输入继电器与PLC的输入端相连、是PLC接收外部开关信号的接口。与输

人端子连接的输入继电器是光电隔离的电子继电器，其线圈、常开接点、常间接点与传统硬继电器表示方法一样，如图2-6左边所示。这里常开接点、常闭接点的使用次数不限，这些接点在PLC内可以自由使用，FX2型PLC输入继电器采用八进制地址编号，X0—X177最多可达128点。输入继电器必须有外部信号来驱动．不能用程序驱动。 2、输出继电器Y0—Y177

输出继电器的外部输出接点连接到PLC的输出端子上，输出继电器是PLC是用来传送信号到外部负载的元件，如图2-6右边所示。每一个输出继电器有一个外部输出的常开接点。而内部的软接点，不管是常开还是常闭．都可以无限次的自由使用。输出继电器的地址编号也是八进制。Y0—Y177，最多可达128点。 3、辅助继电器M

PLC内部有很多辅助继电器，它的常开常闭接点在PLC内部编程时可以无限次的自由使用。但是这些接点不能直接驱动外部负载．外部负载必须由输出继电器的外部接点来驱动。

在逻辑运算中经常需要—些利用继电器作为辅助运算用，这些器件持往用作状态暂存、移位等运算。另外，辅助继电器还具有一些特殊功能。下面是几种常见的辅助继电器。

（1）通用辅助继电器M0—M499

通用辅助继电器按十进制地址编号M0—M499共的500点(在FX型PLC中除输入输出继电器外，其它所有器件都是十进制编号)。

（2）断电保持辅助继电器M500~M1023(524点)

PLC在运行中若发生停电．输出继电器相通用辅助继电器全部成为断开状态。上电后，除了PLC运行时被外部输入信号接通的以外，其它仍断开。不少控制系统要求保持断电瞬间状态。断电保持辅助继电器就是用于此场合，断电保持是由PLC内装锂电池支持的。

（3） 特殊辅助继电器M8000~8255(256点)

PLC内有256个特殊辅助继电器，这些特殊辅助继电器各自具有特定的功能；下面可分两大类：

1） 只能利用其接点的持殊辅助继电器。线圈由PLC自动驱动，用户只可以利用其接口。例如：

M8000为运行监控用．PLC运行时M8000接通。

M8002为仅在运行开始瞬间接通的初始脉冲特殊辅助继电器。 M8012为产生100ms时钟脉冲的特殊辅助继电器。

2） 可驱动线圈型特殊辅助继电器，用户激励线圈后，FLC作特定动，例如：

M8030为锂电池电压指示灯特殊辅助继电器，当锂电池电压跌落时，灯亮，提醒PLC维修人员，需要赶快调换锂电池了。 M8033为PLC停止时输出保持特殊辅助继电器。 M8034为禁止全部输出特殊辅助继电器。 M8039为定时扫描特殊辅助继电器。

需要说明的是未定义的特殊辅助继电器不可在用户程序中使用。 辅助继电器的常开常闭接点在PLC内部可无限次的自由使用。 4、状态器S

状态器S是构成状态转移图的重要软器件．它与后述的步进顺控指令配合使用.通常状态器软器件有下面五种类型：

1）初始状态器S0—S9共10点。 2）回零状态器Sl0—S19共10点。 3）通用状态器S20—S499共480点。 4）保持状态器S500—S899共400点。

5）报警用状态器S900—S999共l00点。这100个状态器器件可用作外部故障诊断输出。

状态器的常开和常闭接点在PLC内可以自由使用，且使用次数不限。不用步进顺控指令时，状态器S可以作为辅助继电器M在程序中使用。 5、定时器T0~T255

定时器在PLC中的作用相当于一个时间继电器，它有一个设定值寄存器(—个字长)，一个当前值寄存器(—个字长)以及无限个接点(一个位)。对于每—个定时器，这三个量使用同—地址编号名称．但使用场合不一样，其所指也不—样。通常在一个PLC中有几十至数百个定时器T。 （1）定时器的动作及地址编号

在PLC内定时器是根据时钟脉冲累积计时的．时钟脉冲有1ms，、10ms、l00ms三档．当所计时间到达设定位时，输出接点动作。定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用后述的数据台存器D的内存作为设定值。这里使用的数据寄存器应有断电功能。定时器的地址编号、设定值是这样规定的： 1)常规定时器T0—T245

100ms定时器T0一T199共200点，每个设定值范围为0.1—3276.7s； 10ms定时器T200—T245共46点，每个设定值范围（0.01—327.67）s。图27是定时器的工作原理图。当驱动输入X0接通时，地址编号为T200的当前值计数器对10ms时钟脉冲进行累积计数，当该值与没定值K123相等时，定时器的输出接点就接通，即输出接点是在驱动线圈后的123×0.01＝1.23s时动作。驱动输入x0断开或发生断电时，计数器就复位、输出接点也复位。

2）积算定时器T 246一T255

1ms积算定时器T246一T 249共4点．每点设定值范围为(0.001一32.767)s；100ms积算定时器T250一T255共6点．每点设定值范围(0.1—3276.7)s。图2.8是积算定时器工作原理图。当定时器线圈250的驱动输入X1接通时，T250的当前值计数器开始累积100ms的时钟脉冲的个数．当该值与设定值K345对相等时，定时器的输出接点接通。当计数中间驱动输入Xl断开或停电时、当前值可保持。输入X1再接通或复电时．计数继续进行，当累积时间为(0.1×345)s＝34.5s时。输出接点动作。当复位输入X 2接通时，计数器就复位，接点也复位。

（2） 接点的动作时序

接点动作次序如图2-9所示、定时器在其线圈被驱动后开始计时，到达设定值后，在执行第—个线圈指令时、其输出接点动作。从驱动定时器线圈到其接点动作称为定时器接点动作精度时间t，t＝T+T0。式中，T为定时器设定时间．单位为s；T0为扫描周期。单位为s；a为定时器的时钟周期，1ms、10ms、l 00ms的定时器对应为0.001，0.01，0.1。单位为s。

第三章．总体设计方案

4.1控制要求

使用实验台上的输出接口单元模块（LO-L7，L10-L17,L20-L27）,自行设计3种醒目有趣的霓虹灯显示方式，各种显示方式由转换开关进行切换。显示方式切换时，所有灯全部熄灭，按启动按钮就开始按照设计的方式贤惠，按停止则全部熄灭。

4.2设计思路

显示方式一：转换开关“0”档

用霓虹灯显示：“+”；“—”；“*”；“=”。如此循环。

显示方式二：转换开关“1”档

用霓虹灯显示：从L0开始依次亮，每过0.2秒点亮下一盏灯，直到L27灯点 等到L27点亮后又重复上述循环。

显示方式三：转换开关“2”档

用霓虹灯显示：最下面三排霓虹灯点亮，再最上面三排霓虹灯点亮，最后所有灯都点亮。如此循环。

4.3 PLC外部接线图

4.4 I/O分配表

SA0 1 0 0 SA1 0 1 0 SA2 0 0 1 工作方式 显示方式一 显示方式二 显示方式三

(1)转换开关控制功能

序号 1 名称 启动按钮 元件文字符号 输出地址 SB1 X003 输入设备 2 3 4 5 停止按钮 显示方式一 显示方式二 显示方式二 霓虹灯显示灯 SB2 SA0 SA1 SA2 L0 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L10 L11 L12 L13 L14 L15 L16 L17 L20 L21 L22 L23 L24 L25 L26 L27 X004 X000 X001 X002 Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y007 Y010 Y011 Y012 Y013 Y014 Y015 Y016 Y017 Y020 Y021 Y022 Y023 Y024 Y025 Y026 Y027 输出设备 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 （2）I/O地址分配及控制功能

4.5 PLC梯

第四章．个人小结

和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行。我们做的是霓虹灯控制系统的设计。由于平时大家都是学理 论，没有过实际开发设计的经验，拿到题目时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习，我们基本学会了PLC 设计的步骤和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。

通过这次设计实践。我学会了 PLC 的基本编程方法，对 PLC 的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序写到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。 通过过解决一个个在调试中出现的问题，我们对 PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人负责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出最好的方案。 在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决， 向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法， 不是有句话叫做思而不学者殆。做事要学思结合。

本次的霓虹灯控制系统的设计，我们组想出了很多种醒目，有趣的霓虹灯显示方式，有的非常具有创意。同学们相互交流了自己的想法，增进了各自的学习与创作能力。

在我看来，PLC 技术是一门实践性非常强的技术，如果你想学好，那么你就必须去实践它。本次的课程设计就充分证明了这一点。因此进行实际应用，逐一攻破，这样，你的 PLC 知识不但会学得牢固，而且在学习的过程中你掌握了实际使用。此次课程设计培养了我们的设计能力以及全面考虑问题的能力，学习过程是枯燥但却收到了成功的喜悦，相信通过这次课程设计它对我的学习及工作

都会产生积极的影响。

第五章．参考文献

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