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1、基于 PLC 的倒计时显示控制器设计绪言 倒计时系统的任务就是对某一设定日期进行倒数，在显示屏显示距设定日期的时间，广泛应用于重大的节目或活动，以增强人们的关切程度和紧迫感，如2008年北京奥运会，2010年上海世博会等。一般情况下，倒计时系统具有倒计时和时钟功能，用途单一，使用周期短，一旦倒计时任务完成，系统也完成了历史任务。但是因为程序设计简易，可操作性强，因而倒计时系统以及硬件可以被反复使用。到目前为止，用PLC进行倒计时系统的设计比较少，多为使用单片机或是EDA行进设计，因此PLC在倒计时系统的设计上较为欠缺。本次课题使用PLC对百天倒计时系统进行系统的研究与设计，将在某些领域弥补PL
2、C的研究缺陷。以 2008 年北京奥运会百天倒计时为例。该倒计时器可以动态显示天、小时、分、秒，开机后显示初始状态（全零态），然后按当天距开幕的实际天数进行设置。设置好后按下启动按钮，百天倒计时就开始；若按下停止按钮将停止计时，显示当前状态。天、小时、分、秒各状态可随时调整和设置，各状态显示采用动态循环扫描方式。 第一章 硬件系统介绍1.1 可编程序控制器的概述 可编程序控制器（Programmable Logic Controller,，简称PLC），它是以微处理器为核心的通用工业控制装置，是在继电器-接触器控制基础上发展起来的。随着现代社会生产的发展和技术进步，现代工业生产自动化水平的日益
3、提高及微电子技术的迅猛发展，当今的PLC已将3C（Computer、Control、Communication）技术，即微型计算机技术、控制技术及通信技术融为一体，在控制系统中又能起到“3电”控制作用，即电控、电仪、电信这三个不同作用的一种高可靠性控制器，是当代工业生产自动化的重要支柱。 一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种，但它们的组成是相同的。箱体式PLC中有CPU板、IO板、显示面板、内存块、电源等，所有的电路都装入一个模块内，构成一个整体。可以按CPU性能分成若干型号，并按IO点数又有若干规格。模块式PLC有CPU模块、IO模块、内存、电源模块、底板或机架，模块拼装起来后就成了一个整齐
4、的长方体结构。无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其IO能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如图1所示。 图1 PLC的基本结构框图 1.1.1 PLC的特点 现代工业生产过程是多种多样的，它们对控制的要求也各不相同，为了能够在各种工业环境中使用PLC，所以生产厂家的PLC都有许多共同点。 1）编程方法简单易学 2）功能强、性能价格比高 3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 4）可靠性高，抗干扰能力强 5）系统的设计、安装、调试工作量少 6）维修工作量小，维修方便 7）体积小，能耗低1.1.2 PLC的主要功能 PLC是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化
5、设备，可以在现场的输入信号作用下，按照预先输入的程序，控制现场的执行机构按照一定规律进行动作。其主要功能如下： 1）顺序逻辑控制 2）运动控制 3）定时控制 4）计数控制 5）步进控制 6）数据处理 7）模/数和数/模转换 8）通信及联网 1.1.3 PLC的性能指标 性能指标是用户评价和选购机型的依据。当用户在进行PLC的选型时，可以从以下几个方面考虑。 1）CPU技术指标 2）I/O模板技术指标 3）编程器及编程软件 4）通信功能 1.2 S7-200 PLC的概述 S7-200 PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，但其许多功能已经达到大、中型PLC的水平，而价格却与小型机一样，因
6、此，它一经推广，即受到了广泛关注。特别是S7-200 CPU22X系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面（HIMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，还可以很容易地组成PLC网络，同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。S7-200 CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的Micro PLC。参见图2。 图2 S7-200 CPU外型本次设计是实现较为简单倒计时控制，对所需硬件的要求并不高，为了尽量满足倒计时的精确性，故选用扫描时间短，即执行一条布尔指令时间较短的
7、西门子小型PLC S7-200，根据端口的需要选择226型号的CPU。对于设计的仿真调试也做了相应的简化，使用面包板和7段数码管组成一个仿真电路，结合程序的需要，选择8个共阴极的7段数码管分别作为时间状态位的显示。第二章 S7-200编程软件 介绍2.1 STEP7-Micro/WIN编程软件 STEP7-Micro/WIN 32编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列PLC设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可实时监控用户程序的执行状态。现在加上全中文化程序后，可在全中文的界面下进行操作，用户使用起来更加方便。图5 STEP7-Micro/
8、WIN 操作界面2.2 编程软件的功能 STEP7-Micro/WIN 32的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用户程序、修改和编程原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单的语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。 软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。联机方式：有编程软件的计算机与PLC连接，此时允许两者之间直接通信。离线方式：有编程软件的计算机与PLC断开连
9、接，此时能完成大部分基本功能，如编程、编译、调试程序组和系统组态等。两者的主要区别是：联机方式下可直接针对相连的PLC进行操作，如上装和下载用户程序和组态数据等。而离线方式下不直接与PLC联系，所有程序和参数都暂时存放在磁盘上，等联机后再下载到PLC中。2.3 编程计算机与CPU通信 与CPU通信，通常需要下列条件之一： （1）PC/PPI(RS-232/PPI和USB/PPI)电缆，连接PG/PC的串行通信口（RS-232C即COM口，或USB口）和CPU通信口。（2）PG/PC上安装CP（通信处理器）卡，通过MPI电缆连接CPU通信口（CP5611卡配合台式PC，CP5511/5512卡配
10、合笔记本电脑使用）。 （3）其他用于编程的通信方式。 最简单的编程通信配置： （1）带串行通信端口（RS-232C即COM口，或USB口）的PG/PC，并已正确安装了STEP7-Micro/WIN的有效版本。（2）PC/PPI编程电缆。RS-232C/PPI电缆连接计算机的COM口和CPU通信口；USB/PPI电缆连接计算机的USB口和CPU。 2.4 编程语言 IEC于1994年5月公布了PLC标准（IEC 61131），它由以下5部分组成：通用信息、设备与测试要求、编程语言、用户指南和通信。IEC 61131-3详细地说明了句法、语言和下述5种编程语言（见图6）： （1）顺序功能图（SFC
11、）。 （2）梯形图（LD）。 （3）功能块图（FBD）。 （4）指令表（IL）。 （5）结构文本（ST）。图6 PLC的编程语言2.4.1 顺序功能图 这是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元件。2.4.2 梯形图 梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的技术人员掌握，特别适用于数字量逻辑控制。有时把梯形图称为电路或程序。梯形图由触点、线圈和用方框表示的功能块组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内
12、部条件等。线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。功能块用来表示定时器、计数器或者数学运算等指令。使用编程软件可以直接生成和编辑梯形图。 2.4.3 功能块图 这是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握。该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号从左向右流动。2.4.4 语句表 S7系列PLC将指令表称为语句表。PLC的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式，由指令组成指令表程序或语言表程序。语句表
13、比较适合熟悉PLC和程序设计的经验丰富的程序员使用。2.4.5 结构文本 结构文本是为IEC 61131-3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。第三章 倒计时程序设计3.1本课题的系统要求 （1）开机时初始状态显示为00天00时00分00秒； （2）按下启动按钮，倒计时开始，1秒后显示为99天23时59分59秒； （3）可根据当时的时间调整至距开幕的实际时间，按住停止按钮，2秒以后，及转为调整期，显示天数的数码闪烁，这时可进行天数的调整，调整好天数按一次停止按钮即转为小时的调整，显示小时的数码闪烁，调整好小时按下停止按钮即转为分钟的
14、调整，以此类推直至秒调整完，调整过程结束。按下启动按钮即可重新计时。（4）时间的调整可进行上调或下调，在调整期按上调按钮，按一次升1个数；按下调按钮，按一次降1个数。（5）可任意停止于任意时间状态，在停止状态可任意调整时间。（6）各时间状态采用动态循环扫描。3.2 程序设计 3.2.1 PLC I/O端口设置 首先为了实现设计要求，PLC的I/O要满足输入和输出信号的要求。 输入信号： 开关信号：启动开关（SB1）、停止开关（SB2）、上调按钮（SB3）、下调按钮（SB4）。 输出信号： 输出信号包括每片7段数码管的段选信号和每片7段数码管的导通信号共15个。 表3 输入信号分配 输入地址 功
15、能I0.0 启动I0.1 停止I0.2 上调I0.3 下调表 4：输出信号分配输出地址 功能Q0.0 7 段数码管 a 段导通Q0.1 7 段数码管 b 段导通Q0.2 7 段数码管 c 段导通Q0.3 7 段数码管 d 段导通Q0.4 7 段数码管 e 段导通Q0.5 7 段数码管 f 段导通Q0.6 7 段数码管 g 段导通Q0.7 7 段数码管 h 段导通Q1.0 秒的个位导通Q1.1 秒的十位导通Q1.2 分的个位导通Q1.3 分的十位导通Q1.4 时的个位导通Q1.5 时的十位导通Q1.6 天的个位导通Q1.7 天的十位导通3.2.2 程序流程图 根据程序的设计思想，画出程序流程图，
16、如图 8 所示。图 8 程序流程图3.2.3 程序编译 根据设计要求，使用梯形图编译程序。此段程序是将 8 个数码管置位，并且在初次扫描清零及继电器复位和 QB1 置初值此段程序为正常启动与调整设置段。当程序刚开始运行，进行开机初始化时，数码管显示 00 天 00 时 00 分 00 秒；闭合 I0.0 时，2s 后可以在满足条件的前提下进行倒计时牌的时间调整，调整完毕后，闭合 I0.0 便可进入正常倒计时此段程序是位选位循环及循环扫描 此段程序控制的是输出及闪烁的实现此段程序为正常启动与调整设置段。当程序刚开始运行，进行开机初始化时，数码管显示00天00时00分00秒；闭合I0.1时，2s 后可以在满足条件的前提下进行倒计时牌的时间调整，调整完毕后，闭合I0.0便可进入正常倒计时。此程序段为调整设置程序段控制修改值时的位选此段程序及相似的 M1.7- M1.0 是控制倒计时时，调整条件和正常运行条件。
