課程設計（論文）基于PLC的倒計時顯示控制器設計

1、基于plc的倒計時顯示控制器設計緒言 倒計時系統(tǒng)的任務就是對某一設定日期進行倒數(shù)，在顯示屏顯示距設定日期的時間，廣泛應用于重大的節(jié)目或活動，以增強人們的關切程度和緊迫感，如2008年北京奧運會，2010年上海世博會等。一般情況下，倒計時系統(tǒng)具有倒計時和時鐘功能，用途單一，使用周期短，一旦倒計時任務完成，系統(tǒng)也完成了歷史任務。但是因為程序設計簡易，可操作性強，因而倒計時系統(tǒng)以及硬件可以被反復使用。到目前為止，用plc進行倒計時系統(tǒng)的設計比較少，多為使用單片機或是eda行進設計，因此plc在倒計時系統(tǒng)的設計上較為欠缺。本次課題使用plc對百天倒計時系統(tǒng)進行系統(tǒng)的研究與設計，將在某些領域彌補plc的

2、研究缺陷。以2008年北京奧運會百天倒計時為例。該倒計時器可以動態(tài)顯示天、小時、分、秒，開機后顯示初始狀態(tài)（全零態(tài)），然后按當天距開幕的實際天數(shù)進行設置。設置好后按下啟動按鈕，百天倒計時就開始；若按下停止按鈕將停止計時，顯示當前狀態(tài)。天、小時、分、秒各狀態(tài)可隨時調(diào)整和設置，各狀態(tài)顯示采用動態(tài)循環(huán)掃描方式。 第一章 硬件系統(tǒng)介紹1.1 可編程序控制器的概述 可編程序控制器（programmable logic controller,，簡稱plc），它是以微處理器為核心的通用工業(yè)控制裝置，是在繼電器-接觸器控制基礎上發(fā)展起來的。隨著現(xiàn)代社會生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)進步，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化水平的日益提高及微

3、電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，當今的plc已將3c（computer、control、communication）技術(shù)，即微型計算機技術(shù)、控制技術(shù)及通信技術(shù)融為一體，在控制系統(tǒng)中又能起到“3電”控制作用，即電控、電儀、電信這三個不同作用的一種高可靠性控制器，是當代工業(yè)生產(chǎn)自動化的重要支柱。 一般講，plc分為箱體式和模塊式兩種，但它們的組成是相同的。箱體式plc中有cpu板、io板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，所有的電路都裝入一個模塊內(nèi)，構(gòu)成一個整體?？梢园碿pu性能分成若干型號，并按io點數(shù)又有若干規(guī)格。模塊式plc有cpu模塊、io模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，模塊拼裝起來后就成了一個整齊的長方體

4、結(jié)構(gòu)。無論哪種結(jié)構(gòu)類型的plc，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其io能力可按用戶需要進行擴展與組合。plc的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 圖1 plc的基本結(jié)構(gòu)框圖 1.1.1 plc的特點 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程是多種多樣的，它們對控制的要求也各不相同，為了能夠在各種工業(yè)環(huán)境中使用plc，所以生產(chǎn)廠家的plc都有許多共同點。 1）編程方法簡單易學 2）功能強、性能價格比高 3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強 4）可靠性高，抗干擾能力強 5）系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量少 6）維修工作量小，維修方便 7）體積小，能耗低1.1.2 plc的主要功能 plc是采用微電子技術(shù)來完成各種控制功能的自動化設備，可

5、以在現(xiàn)場的輸入信號作用下，按照預先輸入的程序，控制現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)按照一定規(guī)律進行動作。其主要功能如下： 1）順序邏輯控制 2）運動控制 3）定時控制 4）計數(shù)控制 5）步進控制 6）數(shù)據(jù)處理 7）模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換 8）通信及聯(lián)網(wǎng) 1.1.3 plc的性能指標 性能指標是用戶評價和選購機型的依據(jù)。當用戶在進行plc的選型時，可以從以下幾個方面考慮。 1）cpu技術(shù)指標 2）i/o模板技術(shù)指標 3）編程器及編程軟件 4）通信功能 1.2 s7-200 plc的概述 s7-200 plc是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型plc，但其許多功能已經(jīng)達到大、中型plc的水平，而價格卻與小型機一樣，因此，它一

6、經(jīng)推廣，即受到了廣泛關注。特別是s7-200 cpu22x系列plc，由于它具有多種功能模塊和人機界面（himi）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，還可以很容易地組成plc網(wǎng)絡，同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設計時更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務。s7-200 cpu將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路集成在一個緊湊的外殼中，從而形成了一個功能強大的micro plc。參見圖2。 圖2 s7-200 cpu外型本次設計是實現(xiàn)較為簡單倒計時控制，對所需硬件的要求并不高，為了盡量滿足倒計時的精確性，故選用掃描時間短，即執(zhí)行一條布爾指令時間較短的西門子小

7、型plc s7-200，根據(jù)端口的需要選擇226型號的cpu。對于設計的仿真調(diào)試也做了相應的簡化，使用面包板和7段數(shù)碼管組成一個仿真電路，結(jié)合程序的需要，選擇8個共陰極的7段數(shù)碼管分別作為時間狀態(tài)位的顯示。第二章 s7-200編程軟件 介紹2.1 step7-micro/win編程軟件 step7-micro/win 32編程軟件是基于windows的應用軟件，由西門子公司專為s7-200系列plc設計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)?，F(xiàn)在加上全中文化程序后，可在全中文的界面下進行操作，用戶使用起來更加方便。圖5 step7-micro/win

8、操作界面2.2 編程軟件的功能 step7-micro/win 32的基本功能是協(xié)助用戶完成開發(fā)應用軟件的任務，例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編程原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單的語法檢查功能。同時它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設置plc的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控等。程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯誤。 軟件功能的實現(xiàn)可以在聯(lián)機工作方式（在線方式）下進行，部分功能的實現(xiàn)也可以在離線工作方式下進行。聯(lián)機方式：有編程軟件的計算機與plc連接，此時允許兩者之間直接通信。離線方式：有編程軟件的計算機與plc斷開連接，此時

9、能完成大部分基本功能，如編程、編譯、調(diào)試程序組和系統(tǒng)組態(tài)等。兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機方式下可直接針對相連的plc進行操作，如上裝和下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等。而離線方式下不直接與plc聯(lián)系，所有程序和參數(shù)都暫時存放在磁盤上，等聯(lián)機后再下載到plc中。2.3 編程計算機與cpu通信 與cpu通信，通常需要下列條件之一： （1）pc/ppi(rs-232/ppi和usb/ppi)電纜，連接pg/pc的串行通信口（rs-232c即com口，或usb口）和cpu通信口。（2）pg/pc上安裝cp（通信處理器）卡，通過mpi電纜連接cpu通信口（cp5611卡配合臺式pc，cp5511/5512卡配合筆記本

10、電腦使用）。 （3）其他用于編程的通信方式。 最簡單的編程通信配置： （1）帶串行通信端口（rs-232c即com口，或usb口）的pg/pc，并已正確安裝了step7-micro/win的有效版本。（2）pc/ppi編程電纜。rs-232c/ppi電纜連接計算機的com口和cpu通信口；usb/ppi電纜連接計算機的usb口和cpu。 2.4 編程語言 iec于1994年5月公布了plc標準（iec 61131），它由以下5部分組成：通用信息、設備與測試要求、編程語言、用戶指南和通信。iec 61131-3詳細地說明了句法、語言和下述5種編程語言（見圖6）： （1）順序功能圖（sfc）。 （

11、2）梯形圖（ld）。 （3）功能塊圖（fbd）。 （4）指令表（il）。 （5）結(jié)構(gòu)文本（st）。圖6 plc的編程語言2.4.1 順序功能圖 這是一種位于其他編程語言之上的圖形語言，用來編制順序控制程序。順序功能圖提供了一種組織程序的圖形方法，步、轉(zhuǎn)換和動作是順序功能圖中的三種主要元件。2.4.2 梯形圖 梯形圖是使用得最多的plc圖形編程語言。梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)的電路圖相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠熟悉繼電器控制的技術(shù)人員掌握，特別適用于數(shù)字量邏輯控制。有時把梯形圖稱為電路或程序。梯形圖由觸點、線圈和用方框表示的功能塊組成。觸點代表邏輯輸入條件，例如外部的開關、按鈕和內(nèi)部條件等

12、。線圈通常代表邏輯輸出結(jié)果，用來控制外部的指示燈、交流接觸器和內(nèi)部的標志位等。功能塊用來表示定時器、計數(shù)器或者數(shù)學運算等指令。使用編程軟件可以直接生成和編輯梯形圖。 2.4.3 功能塊圖 這是一種類似于數(shù)字邏輯電路的編程語言，有數(shù)字電路基礎的人很容易掌握。該編程語言用類似與門、或門的方框來表示邏輯運算關系，方框的左側(cè)為邏輯運算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運算，方框被“導線”連接在一起，信號從左向右流動。2.4.4 語句表 s7系列plc將指令表稱為語句表。plc的指令是一種與微機的匯編語言中的指令相似的助記符表達式，由指令組成指令表程序或語言表程序。語句表比較適合

13、熟悉plc和程序設計的經(jīng)驗豐富的程序員使用。2.4.5 結(jié)構(gòu)文本 結(jié)構(gòu)文本是為iec 61131-3標準創(chuàng)建的一種專用的高級編程語言。與梯形圖相比，它能實現(xiàn)復雜的數(shù)學運算，編寫的程序非常簡潔和緊湊。第三章 倒計時程序設計3.1本課題的系統(tǒng)要求 （1）開機時初始狀態(tài)顯示為00天00時00分00秒； （2）按下啟動按鈕，倒計時開始，1秒后顯示為99天23時59分59秒； （3）可根據(jù)當時的時間調(diào)整至距開幕的實際時間，按住停止按鈕，2秒以后，及轉(zhuǎn)為調(diào)整期，顯示天數(shù)的數(shù)碼閃爍，這時可進行天數(shù)的調(diào)整，調(diào)整好天數(shù)按一次停止按鈕即轉(zhuǎn)為小時的調(diào)整，顯示小時的數(shù)碼閃爍，調(diào)整好小時按下停止按鈕即轉(zhuǎn)為分鐘的調(diào)整，以

14、此類推直至秒調(diào)整完，調(diào)整過程結(jié)束。按下啟動按鈕即可重新計時。（4）時間的調(diào)整可進行上調(diào)或下調(diào)，在調(diào)整期按上調(diào)按鈕，按一次升1個數(shù)；按下調(diào)按鈕，按一次降1個數(shù)。（5）可任意停止于任意時間狀態(tài)，在停止狀態(tài)可任意調(diào)整時間。（6）各時間狀態(tài)采用動態(tài)循環(huán)掃描。3.2 程序設計 3.2.1 plc i/o端口設置 首先為了實現(xiàn)設計要求，plc的i/o要滿足輸入和輸出信號的要求。 輸入信號： 開關信號：啟動開關（sb1）、停止開關（sb2）、上調(diào)按鈕（sb3）、下調(diào)按鈕（sb4）。 輸出信號： 輸出信號包括每片7段數(shù)碼管的段選信號和每片7段數(shù)碼管的導通信號共15個。 表3 輸入信號分配 輸入地址功能i0.0

15、啟動i0.1停止i0.2上調(diào)i0.3下調(diào)表4：輸出信號分配輸出地址功能q0.07段數(shù)碼管a段導通q0.17段數(shù)碼管b段導通q0.27段數(shù)碼管c段導通q0.37段數(shù)碼管d段導通q0.47段數(shù)碼管e段導通q0.57段數(shù)碼管f段導通q0.67段數(shù)碼管g段導通q0.77段數(shù)碼管h段導通q1.0秒的個位導通q1.1秒的十位導通q1.2分的個位導通q1.3分的十位導通q1.4時的個位導通q1.5時的十位導通q1.6天的個位導通q1.7天的十位導通3.2.2 程序流程圖 根據(jù)程序的設計思想，畫出程序流程圖，如圖8所示。圖8程序流程圖3.2.3 程序編譯 根據(jù)設計要求，使用梯形圖編譯程序。此段程序是將8個數(shù)碼

16、管置位，并且在初次掃描清零及繼電器復位和qb1置初值此段程序為正常啟動與調(diào)整設置段。當程序剛開始運行，進行開機初始化時，數(shù)碼管顯示00天00時00分00秒；閉合i0.0時，2s后可以在滿足條件的前提下進行倒計時牌的時間調(diào)整，調(diào)整完畢后，閉合i0.0便可進入正常倒計時此段程序是位選位循環(huán)及循環(huán)掃描 此段程序控制的是輸出及閃爍的實現(xiàn) 此段程序為正常啟動與調(diào)整設置段。當程序剛開始運行，進行開機初始化時，數(shù)碼管顯示00天00時00分00秒；閉合i0.1時，2s后可以在滿足條件的前提下進行倒計時牌的時間調(diào)整，調(diào)整完畢后，閉合i0.0便可進入正常倒計時。此程序段為調(diào)整設置程序段控制修改值時的位選此段程序及

17、相似的m1.7- m1.0是控制倒計時時，調(diào)整條件和正常運行條件。此段程序及相似的m2.0- m2.7和m3.0- m3.7是控制倒計時時，正常運行條件。此程序段依次是分個位、分十、時個、時十、天個、天時到指定條件后自減1。網(wǎng)絡20到網(wǎng)絡27為設定程序段，i0.2為上調(diào)，i0.3為下調(diào)。3.2.4 程序調(diào)試程序調(diào)試結(jié)果：程序編寫完成，寫入plc，通訊成功后，進行實際調(diào)試。經(jīng)過調(diào)試和檢測，系統(tǒng)可以正常運行，到達設計要求程序調(diào)試過程中遇到的問題：1） 程序掃描時間的問題，如果用定時器設置程序的掃描刷新，結(jié)果是顯示有間斷不能達到視覺的要求，經(jīng)過查找書本，選用sm0.6，功能是本次掃描為1，下次掃描為

18、0，我的設計就是讓低電平高電平都觸發(fā)。讓它的掃描周期與系統(tǒng)的相同。2） q0.0輸出的問題，我的思想就是把每個7段碼的輸出內(nèi)容分別存到vb0到vb8中，開始用的指針尋址的方法但是指針是十六位，而vb0是八位可能是地址取值的問題，第一個燈總是顯示0不變，其他的正常。經(jīng)過調(diào)試未能解決，后采用現(xiàn)在的方法當q1的哪一位為高電平時直接將對應的vb中的值譯給q0.0。3） 倒計時的問題，我選擇的是一位一位的設計，這位對下位有的影響，然后設計邏輯關系。主要在23就是時位的設計，在十位數(shù)為2和低于2時不同進行設計。分別用比較語句實現(xiàn)。4） 在修改時間時存在的問題，選擇位的問題，我選著的是增計數(shù)器，當它等于相應的值時調(diào)用這一位的加或減得程序。實現(xiàn)的是一位一位的改，后來看要求是要兩位兩位的改，后改為加法器增2,在加上一些兩位之間的邏輯關系。5） 修改時間時，顯示管閃爍的問題，我加的是一個sm0.5，想的是一秒鐘閃一次，但是出現(xiàn)的問題是當sm0.5為低