王建強

【摘要】隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市美化問題越來越引起人們的關(guān)注。由于流水燈所具有的特有流動感而廣泛應(yīng)用于廣告控制及人們生活中，給人們一種美感，為人們生活帶來樂趣。在現(xiàn)代生活中，大型樓宇的輪廓裝飾或大型晚會的燈光布景，由于其變化多、功率大，數(shù)字電路則不能勝任。

實現(xiàn)流水燈閃爍系統(tǒng)的控制方法很多，可以用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件、可編程序控制器PLC、單片機等方案來實現(xiàn)。

其中用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件來實現(xiàn)電路在很大程度上要受到邏輯器件如門電路等的影響，調(diào)試工作極為不易，而單片機編程復(fù)雜不容易掌握。因此，最終我們選擇了用可編程的控制器PLC來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的設(shè)計。

可編程序控制器在工業(yè)自動化中的地位極為重要，廣泛的應(yīng)用于各個行業(yè)。隨著科技的發(fā)展，可編程控制器的功能日益完善，加上小型化、價格低、可靠性高，在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用更加突出。城市交通燈控制采用的可編程制器具有可靠性高、維護(hù)方便，用法簡單、通用性強等特點，本文用三菱FX2N的可編程控制器控制流水燈閃爍來說明可編程控制器硬件、軟件的設(shè)計。解決好流水燈控制問題將是保障城市美麗、時尚、快節(jié)奏生活的重要環(huán)節(jié)。三菱系列的可編程序控制器技術(shù)來實現(xiàn)對流水燈的信號控制。

【關(guān)鍵詞】PLC;流水燈;程序;控制

引言

隨著改革的不斷深入，社會主義市場經(jīng)濟的不斷繁榮和發(fā)展，各大中小城市都在進(jìn)行亮化工程。企業(yè)為宣傳自己企業(yè)的形象和產(chǎn)品，均采用廣告手法之一：流水燈廣告屏來實現(xiàn)這一目的.當(dāng)我們夜晚走在大街上，馬路兩旁各色各樣的廣告燈均可以見到，一種是采用流水燈管做成的各種形狀和多中彩色的燈管，另一種為日光等管或白熾燈管作為光源，另配大型廣告語或宣傳畫來達(dá)到宣傳的效果。這些燈的亮滅，閃爍時間及流動方向等均可以通過PLC來達(dá)到控制的要求。

可編程控制器PLC：英文全稱Programmab leLogic Controller，中文全稱為可編程邏輯控制器，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在社會環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程.作為自動控制裝置的核心，它具有功能強，可靠性高等諸多優(yōu)點。

1緒論

1.1采用流水燈的意義和目的

隨著社會市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各種裝飾流水燈，廣告流水燈越來越多的出現(xiàn)在城市中。在大型的晚會現(xiàn)場，流水燈更是不可缺少的一道景觀。小型的流水燈多為采用霓虹燈管和各種各樣和多種彩色的燈管，或是以日光燈，白熾燈做為光源。而現(xiàn)代生活中大型樓宇的輪廓裝飾或大型晚會的燈光布景，由于其變化多，

功率大數(shù)字電路則不能勝任。針對PLC日益日益得到廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，本文介紹PLC在不同變化類型的流水燈控制中的應(yīng)用，燈的亮滅，閃爍時間及流動的控制均通過PLC來達(dá)到控制要求。

1.2本次設(shè)計的主要內(nèi)容

本次設(shè)計要求利用在學(xué)校學(xué)的PLC知識，應(yīng)用于流水燈控制系統(tǒng)中?？刂埔螅河?個流水燈依次循環(huán)點亮，每個燈點亮的時間為3秒。

該裝置可以完成各種指令系統(tǒng)訓(xùn)練以及多種控制對象的程序設(shè)計訓(xùn)練。

2流水燈系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備的介紹

2.1可編程控制器的發(fā)展歷史

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，具有大量的開關(guān)量順序控制，要求按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集等。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司公開招標(biāo)，提出研制能夠取代繼電器的控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC），現(xiàn)在，仍常常將PLC簡稱PC。

它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字量、模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。

上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30-40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，而且在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。

現(xiàn)今，PLC已經(jīng)具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。在可預(yù)見的將來，PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的主導(dǎo)地位，是其他控制技術(shù)無法取代的。

（1）可編程控制器的定義

PLC即可編程控制器：是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的應(yīng)用。

（2）可編程控制器的特點

1.可靠性

（1）有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。

（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10—20ms。

（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。

（4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。

（5）對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。

（7）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。

（8）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)使可靠性更進(jìn)一步提高。

2.豐富的I/O接口

PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流;開關(guān)量或模擬量;電壓或電流;脈沖或電位;強電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕;行程開關(guān);接近開關(guān);傳感器及變送器;電磁線圈;控制閥等直接連接。

3.采用模塊化結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。

4.編程簡單易學(xué)

PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。

5.安裝簡單維修方便

PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。

（3）PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.PLC的硬件結(jié)構(gòu)

可編程控制器主要由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）、電源和編程器等幾個部分組成。

2.中央控制處理單元（CPU）

可編程控制器中常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機和雙極型位片式微處理器三種類型。

通用微處理器有8080、8086、80286、80386等;單片機有8031、8096等;位片式微處理器有AM2900、AM2903等。FX2N可編程控制器使用的微處理器是16位的8096單片機。

3.存儲器

可編程控制器配有兩種存儲器：系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。

系統(tǒng)存儲器：存放系統(tǒng)管理程序。

用戶存儲器：存放用戶編制的控制程序。

4.輸入接口電路

PLC通過輸入單元可實現(xiàn)將不同輸入電路的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成PLC所需的標(biāo)準(zhǔn)電平供PLC進(jìn)行處理。

接到PLC輸入接口的輸入器件是：各種開關(guān)、按鈕、傳感器等。PLC的輸入電路大都相同，PLC輸入電路中有光耦合器隔離，并設(shè)有RC濾波器，用以消除輸入觸點的抖動和外部噪聲干擾。PLC輸入電路通常有三種類型：直流（12∽24）V輸入、交流（100∽120）V輸入和交直流（12∽24）V輸入。

5.輸出接口電路

PLC的輸出有三種形式，即繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出。輸出端子有兩種接法：一種是輸出各自獨立，無公共點：各輸出端子各自形成獨立回路。一種為每4∽8個輸出點構(gòu)成一組，共有一個公共點：在輸出共用一個公共端子時，必須用同一電壓類型和同一電壓等級，但不同的公共點組可使用不同電壓類型和等級的負(fù)載，且各輸出公共點之間是相互隔離的。

6.電源

PLC的供電電源一般是市電，也有用直流24V電源供電的。

7.編程器

利用編程器可將用戶程序輸入PLC的存儲器，還可以用編程器檢查程序、修改程序;利用編程器還可以監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。編程器一般分簡易型和智能型。

8.PLC工作原理

（1）PLC的工作方式：采用循環(huán)掃描方式。在PLC處于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。

注意：由于PLC是掃描工作過程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映象寄存器的內(nèi)容也不會變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能改變。循環(huán)掃描過程如下：

（2）工作過程：主要分為內(nèi)部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個階段。

①內(nèi)部處理階段

在此階段，PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時器，以及完成一些其它內(nèi)部工作。

②通信服務(wù)階段

在此階段，PLC與一些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等，當(dāng)PLC處于停狀態(tài)時，只進(jìn)行內(nèi)容處理和通信操作等內(nèi)容。

③輸入處理

輸入處理也叫輸入采樣。在此階段順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對應(yīng)的映象寄存器。在此輸入映象寄存器被刷新，接著進(jìn)入程序的執(zhí)行階段。

④程序執(zhí)行

根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。若用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映象寄存器中讀出上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映象寄存器讀出對應(yīng)映象寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運算，運算結(jié)果再存入有關(guān)器件寄存器中。

⑤輸出處理

程序執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器，即元件映象寄存器中的Y寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅(qū)動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅(qū)動外部負(fù)載。

2.2三菱FX系列PLC計數(shù)器（C）

FX2N系列計數(shù)器分為內(nèi)部計數(shù)器和高速計數(shù)器兩類。

（1）內(nèi)部計數(shù)器

內(nèi)部計數(shù)器是在執(zhí)行掃描操作時對內(nèi)部信號（如X、Y、M、S、T等）進(jìn)行計數(shù)。內(nèi)部輸入信號的接通和斷開時間應(yīng)比PLC的掃描周期稍長。

①16位增計數(shù)器（C0～C199）共200點，其中C0～C99為通用型，C100～C199共100點為斷電保持型（斷電保持型即斷電后能保持當(dāng)前值待通電后繼續(xù)計數(shù)）。

②32位增/減計數(shù)器（C200～C234）共有35點32位加/減計數(shù)器，其中C200～C219（共20點）為通用型，C220～C234（共15點）為斷電保持型。這類計數(shù)器與16位增計數(shù)器除位數(shù)不同外，還在于它能通過控制實現(xiàn)加/減雙向計數(shù)。設(shè)定值范圍均為-214783648～-+214783647（32位）。

（2）高速計數(shù)器（C235～C255）

高速計數(shù)器與內(nèi)部計數(shù)器相比除允許輸入頻率高之外，應(yīng)用也更為靈活，高速計數(shù)器均有斷電保持功能，通過參數(shù)設(shè)定也可變成非斷電保持。FX2N有C235～C255共21點高速計數(shù)器。適合用來做為高速計數(shù)器輸入的PLC輸入端口有X0～X7。X0～X7不能重復(fù)使用，即某一個輸入端已被某個高速計數(shù)器占用，它就不能再用于其它高速計數(shù)器，也不能用做它用。

高速計數(shù)器可分為四類：

①單相單計數(shù)輸入高速計數(shù)器（C235～C245）? ?其觸點動作與32位增/減計數(shù)器相同，可進(jìn)行增或減計數(shù)（取決于M8235～M8245的狀態(tài)）。

②單相雙計數(shù)輸入高速計數(shù)器（C246～C250）? ?這類高速計數(shù)器具有二個輸入端，一個為增計數(shù)輸入端，另一個為減計數(shù)輸入端。利用M8246～M8250的ON/OFF動作可監(jiān)控C246～C250的增記數(shù)/減計數(shù)動作。

③雙相高速計數(shù)器（C251～C255）? ?A相和B相信號決定計數(shù)器是增計數(shù)還是減計數(shù)。當(dāng)A相為ON時，B相由OFF到ON，則為增計數(shù);當(dāng)A相為ON時，若B相由ON到OFF，則為減計數(shù)。

（3）三菱FX系列PLC定時器（T）

PLC中的定時器（T）相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的通電型時間繼電器。它可以提供無限對常開常閉延時觸點。定時器中有一個設(shè)定值寄存器（一個字長），一個當(dāng)前值寄存器（一個字長）和一個用來存儲其輸出觸點的映象寄存器（一個二進(jìn)制位），這三個量使用同一地址編號。但使用場合不一樣，意義也不同。

FX2N系列中定時器時可分為通用定時器、積算定時器二種。它們是通過對一定周期的時鐘脈沖的進(jìn)行累計而實現(xiàn)定時的，時鐘脈沖有周期為1ms、10ms、100ms三種，當(dāng)所計數(shù)達(dá)到設(shè)定值時觸點動作。設(shè)定值可用常數(shù)K或數(shù)據(jù)寄存器D的內(nèi)容來設(shè)置。

①通用定時器

通用定時器的特點是不具備斷電的保持功能，即當(dāng)輸入電路斷開或停電時定時器復(fù)位。通用定時器有100ms和10ms通用定時器兩種。

100ms通用定時器（T0～T199）共200點，其中T192～T199為子程序和中斷服務(wù)程序?qū)Ｓ枚〞r器。這類定時器是對100ms時鐘累積計數(shù)，設(shè)定值為1～32767，所以其定時范圍為0.1～3276.7s。

②積算定時器

積算定時器具有計數(shù)累積的功能。在定時過程中如果斷電或定時器線圈OFF，積算定時器將保持當(dāng)前的計數(shù)值（當(dāng)前值），通電或定時器線圈ON后繼續(xù)累積，即其當(dāng)前值具有保持功能，只有將積算定時器復(fù)位，當(dāng)前值才變?yōu)?。

（1）1ms積算定時器（T246～T249）共4點，是對1ms時鐘脈沖進(jìn)行累積計數(shù)的，定時的時間范圍為0.001～32.767s。

（2）100ms積算定時器（T250～T255）共6點，是對100ms時鐘脈沖進(jìn)行累積計數(shù)的定時的時間范圍為0.1～3276.7s。

2.3三菱FX系列輔助繼電器（M）

輔助繼電器是PLC中數(shù)量最多的一種繼電器，一般的輔助繼電器與繼電器控制系統(tǒng)中的中間繼電器相似。

輔助繼電器不能直接驅(qū)動外部負(fù)載，負(fù)載只能由輸出繼電器的外部觸點驅(qū)動。輔助繼電器的常開與常閉觸點在PLC內(nèi)部編程時可無限次使用。

輔助繼電器采用M與十進(jìn)制數(shù)共同組成編號（只有輸入輸出繼電器才用八進(jìn)制數(shù)）。

（1）通用輔助繼電器（M0～M499）

FX2N系列共有500點通用輔助繼電器。通用輔助繼電器在PLC運行時，如果電源突然斷電，則全部線圈均OFF。當(dāng)電源再次接通時，除了因外部輸入信號而變?yōu)镺N的以外，其余的仍將保持OFF狀態(tài)，它們沒有斷電保護(hù)功能。通用輔助繼電器常在邏輯運算中作為輔助運算、狀態(tài)暫存、移位等。

根據(jù)需要可通過程序設(shè)定，將M0～M499變?yōu)閿嚯姳３州o助繼電器。

（2）斷電保持輔助繼電器（M500～M3071）

FX2N系列有M500～M3071共2572個斷電保持輔助繼電器。它與普通輔助繼電器不同的是具有斷電保護(hù)功能，即能記憶電源中斷瞬時的狀態(tài)，并在重新通電后再現(xiàn)其狀態(tài)。它之所以能在電源斷電時保持其原有的狀態(tài)，是因為電源中斷時用PLC中的鋰電池保持它們映像寄存器中的內(nèi)容。其中M500～M1023可由軟件將其設(shè)定為通用輔助繼電器

（3）特殊輔助繼電器

PLC內(nèi)有大量的特殊輔助繼電器，它們都有各自的特殊功能。FX2N系列中有256個特殊輔助繼電器，可分成觸點型和線圈型兩大類

①觸點型? ?其線圈由PLC自動驅(qū)動，用戶只可使用其觸點。例如：

M8000：運行監(jiān)視器（在PLC運行中接通），M8001與M8000相反邏輯。

M8002：初始脈沖（僅在運行開始時瞬間接通），M8003與M8002相反邏輯。

M8011、M8012、M8013和M8014分別是產(chǎn)生10ms、100ms 、1s和1min時鐘脈沖的特殊輔助繼電器。

②線圈型? ?由用戶程序驅(qū)動線圈后PLC執(zhí)行特定的動作。例如：

M8033：若使其線圈得電，則PLC停止時保持輸出映象存儲器和數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容。

M8034：若使其線圈得電，則將PLC的輸出全部禁止。

M8039：若使其線圈得電，則PLC按D8039中指定的掃描時間工作。

2.4三菱FX系列PLC輸出繼電器（Y）

輸出繼電器是用來將PLC內(nèi)部信號輸出傳送給外部負(fù)載（用戶輸出設(shè)備）。輸出繼電器線圈是由PLC內(nèi)部程序的指令驅(qū)動，其線圈狀態(tài)傳送給輸出單元，再由輸出單元對應(yīng)的硬觸點來驅(qū)動外部負(fù)載。

每個輸出繼電器在輸出單元中都對應(yīng)有維一一個常開硬觸點，但在程序中供編程的輸出繼電器，不管是常開還是常閉觸點，都可以無數(shù)次使用。

FX系列PLC的輸出繼電器也是八進(jìn)制編號其中FX2N編號范圍為Y000～Y267（184點）與輸入繼電器一樣，基本單元的輸出繼電器編號是固定的，擴展單元和擴展模塊的編號也是按與基本單元最靠近開始，順序進(jìn)行編號。

2.5三菱FX系列PLC輸入繼電器（X）

輸入繼電器與輸入端相連，它是專門用來接受PLC外部開關(guān)信號的元件。PLC通過輸入接口將外部輸入信號狀態(tài)（接通時為“1”，斷開時為“0”）讀入并存儲在輸入映象寄存器中。

FX系列PLC的輸入繼電器以八進(jìn)制進(jìn)行編號，F(xiàn)X2N輸入繼電器的編號范圍為X000～X267（184點）。注意，基本單元輸入繼電器的編號是固定的，擴展單元和擴展模塊是按與基本單元最靠近開始，順序進(jìn)行編號。例如：基本單元FX2N-64M的輸入繼電器編號為X000～X037（32點），如果接有擴展單元或擴展模塊，則擴展的輸入繼電器從X040開始編號。

3硬件電路設(shè)計及軟件設(shè)計

3.1控制系統(tǒng)I/O點及地址分配

3.2電氣控制系統(tǒng)原理圖

3.3時序圖

3.4梯形圖

3.5指令表

4系統(tǒng)調(diào)試

第一、將梯形圖程序輸入到計算機，檢查電源正確無誤。

第二、對程序進(jìn)行調(diào)試運行。

第三、將L0，L1，L2，L3，L4，L5，L6一一對應(yīng)的輸出端口Y0--Y6，接入PLC的輸出端口。

第四、接通PLC電源后，將PLC置RUN狀態(tài)，觀察流水燈的變化情況。

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