基于plc的音乐喷泉计

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毕业设计说明书（论文）外文摘要

目次

1 引言 (1)

1.1 可编程控制器的发展史 (1)

1.2 可编程控制器的主要原理和组成 (3)

1.3 本人所做毕业设计的效果 (4)

1.4 本人所做毕业设计的设备分布图...................... 错误！未定义书签。

1.5 本人毕业设计所做的内容 (8)

2 S7-300系列PLC的配置及组态 (9)

2.1 S7-300的系统组成简介 (9)

2.2 S7-300的硬件组态 (9)

2.3 本人所做音乐喷泉 (10)

2.4 本人所做的音乐喷泉的PLC控制程序 (15)

3 模拟软件S7-PLCSIM调试程序 (39)

3.1 S7-PLC模拟软件S7-PLCSIM简介 (39)

3.2 本人所做毕业设计的的调试 (41)

4 WINCC视窗控制中心 (47)

4.1 WinCC的综述 (47)

4.2 创建WinCC项目 (48)

4.3 本人所做毕业设计的WinCC激活画面 (50)

结论 (55)

致谢 (56)

参考文献 (57)

1 引言

可编程序控制器(PLC) 是一种新型的通用的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,是功能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。

近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用，仅PLC方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。

1.1 研究的意义

人们对生活品质不断追求的同时对喷泉的要求也在不断提高，不仅希望喷泉能集光、色、音于一身，给人以美感，还希望喷泉能不断改变形式时不用浪费太多人力物力，最大程度的节约成本。而可编程控制器就满足了人们的以上要求。可编程控制器是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。它以处理器为核心，有机的将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体，具有控制能力强可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便易于扩展等优点，是当今及以后工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备。整合以上优势把这种技术应用在喷泉的控制上，将使喷泉的形式更复杂，带给观众的感觉更强烈。

1.2 可编程控制器的发展史

（1）可编程控制器的由来

PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大 . 可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司(DEC )为美国通用公司(GM)研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。

（2）可控制编程器的发展

虽然PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC 也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：

①早期的PLC（60 年代末—70 年代中期）

早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC 多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O 接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此，早期的PLC 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC 特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

②中期的PLC（70 年代中期—80 年代中后期）

在70 年代微处理器的出现使PLC 发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC 的中央处理单元（CPU）。

这样，使PLC 的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC 的应用范围得以扩大。

③近期的PLC（80 年代中后期至今）

进入80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC 所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC 软、硬件功能发生了巨大变化。

（3）可编程控制器的应用

自1969年第一台可控编程控制器问世以来，目前可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。

PLC所以被广泛应用，是由它的突出特点和优点的性能分不开的，为了满足工业生产对工业控制设备安全可靠的要求，PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触电的的半导体电路来完成，PLC选用的电子器件一般是工业机，有的甚至是军用机，平均无故障时间很长。

PLC具有良好的环境适应性，可用于十分恶劣的工业现场。再电源瞬间断电的情

况下仍可以正常工作，具有很强的的抗空间电磁干扰能力，可以抗峰值高达1000V、脉宽10us的矩形波空间电磁干扰，具有良好的抗震能力和抗冲击能力。一般对环境温度要求不高，在环境温度-20—65度、相对湿度为35%-85%情况下仍可正常工作。

1.3 可编程控制器的主要原理和组成

（1）可编程控制器的主要原理

CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描，CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。

PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型的PLC在一个周期中可完成以下5个扫描过程。

①自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性，及时反应所出现的故障，PLC都具有自监视功能。自监视功能主要由时间监视器完成。WDT是一个硬件定时器，每一个扫描周期开始前都被复位。WDT的定时可由用户修改，一般在100～200ms之间。其它的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。

②与网络进行通信的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。

③用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一扫描周期内部包换扫描过程。该过程在机器运行中是可控的，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短，会影响过程所用的时间.

（2）可编程控制器的组成部分

PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行I/O变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场。

①输入寄存器

输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由输入开关量驱动，并保持一个扫描周期。CPU可以读其值，但不可以写或进行修改。

②输出寄存器

输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真实输出值。在程序执行过程中,CPU 可以读其值,并作为条件参加控制,还可以修改其值,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。

③存储器

存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。

④CPU单元

CPU单元控制着I/O寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中程序的解释执行工作，是PLC的大脑。

⑤其它接口单元

其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。

1.4 本课题要完成的目标和主要任务

（1）白天时，光控开关断开

a控制者按下启动按钮SB0，内置播放器先启动；

b 规定的一段时间后（延迟时间1S）外置播放器启动，同时水泵0，水泵8和水泵11；各水泵所连接喷头喷水，瀑布也同时呈现出来，外圈下水泵1~7按程序指令有序启动停止，形成与音乐曲调一致的效果；

c内圈在声控装置的作用下，在中等音响下即水泵9会启动，水泵10在较大音响才会启动。所呈现出来的效果是在低于中等音响环境时，水泵8启动，喷泉喷到高度H，在音乐声音超过中等音响时，水泵9启动，在8，9的共同工作下，喷泉喷到高度2H，在音乐声音超过较大音响条件下，水泵10启动，在水泵8，9，10的共同工作下，喷泉喷到高度3H。这样就呈现出这五个喷头随着音乐声响的大小，不断改变喷水的高度，达到喷泉随着音乐跳动的效果。

d按下停止按钮SB1，所有内外设备停止工作。

（2）夜晚时，光控开关闭合

a控制者按下启动按钮SB0，内置播放器先启动，同时外圈喷头下（LED1a~7a）

灯亮，中心喷头下白灯（LED0）亮，内圈喷头下白灯（LED组8）亮，瀑布背景白灯（LED组12）亮；

b规定的一段时间后（延迟时间1）外置播放器启动，同时水泵0，水泵8和水泵11；各水泵所连接喷头喷水，瀑布也同时呈现出来，外圈下水泵1~7,中心喷头下彩色(LED1b~7b)灯，瀑布每格的彩色(LED1c~7c)灯按程序指令有序启动停止，形成与音乐曲调一致的效果，与白天不同的是在各色灯光的映衬下，喷泉更加美观动人；

c内圈在声控装置的作用下喷头的喷水效果同白天，灯光所呈现出来的效果是在低于中等音响环境时，内圈喷头下白灯（LED组8）亮，在音乐声音超过中等音响条时，白灯（LED组8）和黄灯（LED组9）亮，在音乐声音超过较大音响条件下，白灯（LED组8）和黄灯（LED组9），红灯（LED组10）都亮。达到灯光随着音乐的声音从静音——中等——较大而呈现出白——很白加黄——白加黄加红的效果。

d按下停止按钮SB1，所有内外设备停止工作。

（3）音乐喷泉的工艺分布图

图1.1设备分布图

图1.2设备分布图

图1.3设备分布图

1.5 本人毕业设计所做的内容

（1）完成输入/输出分析

（2）完成硬件组态，编程元件地址分配

（3）编写控制程序

（4）调试控制程序

（5）用WinCC 监控

2 S7-300系列PLC的配置及组态

2.1 S7-300的系统组成简介

S7-300系列的PLC是中型模板式PLC，各种模板（CPU模板、信号模板SM、功能模板FM、通信模板CP、电源模板PS等）及人机界面（HMI），可以根据控制要求进行广泛的组合和扩展。

CPU314一个机架上最多只能再安装八个信号模块或功能模块，最多可以扩展为四个机架。中央处理单元总是在0机架的2号槽位上，1号槽安装电源模块，3号槽总是安装接口模块，槽号4至11，可自由分配信号模块、功能块。

（1）S7-300的结构特点

①采用集成的背板总线（Back-Plane Bus）

②采用DIN标准导轨，安装和更换模板方便

③硬件组态灵活

④机架扩展方便

（2）S7-300的编程元件：

①输入继电器I

②输出继电器Q

③辅助继电器M（或称为位存储器）

④外部输入寄存器 PI

⑤外部输出寄存器PQ

⑥定时器T(共5种)

⑦计数器C (共3种)

⑧数据块寄存器DB

⑨本地数据寄存器L

2.2 S7-300的硬件组态

（1）S7-300的插槽地址

S7-300的各个模板安装在机架的插槽上，不同的模板在插槽的安装位置是固定的。

①如果选择了电源模板PS307，必须安装在1号槽位上。

②CPU模板的安装位置紧挨着电源模板，安装在2号槽位上。

③用于连接扩展机架的接口模板IM，安装在3号槽位上。

④各种信号模板SM，安装在4号～11号槽位上。从4号槽位开始，CPU为信号模板分配I／O地址，且根据信号模板的类型递增I／O地址。如图2-1所示：

图2.1 各插槽地址分配

（2）S7-300数字量I／O地址组态

（3）S7-300模拟量I／O地址组态

（4）S7-300的机架组态

①电源模板PS307，必须安装在1号槽位上。

②CPU模板的安装位置紧挨着电源模板，安装在2号槽位上。

③用于连接扩展机架的接口模板IM，安装在3号槽位上。

④各种信号模板SM，安装在4号～11号槽位上。

2.3 本人所做音乐喷泉

（1）输入/输出分析

①输入部分：启动按钮 SB0

声控开关1 SA1

停止按钮 SB1

声控开关1 SA2

声控开关1 SA3

②输出部分：水泵0和水泵1及瀑布示意箭头

水泵1

水泵2

水泵3

水泵4

水泵5

水泵6

水泵7

水泵8

水泵9

水泵10

内圈白灯组

内圈黄灯组

内圈红灯组

中心白灯及瀑布背景灯

内置音乐播放器

外置音乐播放器

中心红灯瀑布1

中心橙色灯瀑布2

中心黄色灯瀑布3

中心绿色灯瀑布4

中心青色灯瀑布5

中心蓝色灯瀑布6

中心紫色灯瀑布7

（2）音乐喷泉的硬件组态

由于本课题输入为5个，输出为23个，所以本课题的硬件组态如图2-2所示。

图2.2 硬件组态图

（3）本人所做毕业设计的I/O地址分配

由于本课题输入为5个，输出为23个，根据喷泉的硬件组态，I/O的分配表如表2-1所示。

表2.1 I/O分配表

2.4 S7-300的指令系统及编程

在STEP 7中，根据采用的程序编辑器（LAD／STL／FBD）不同，有梯形逻辑指令LAD，语句指令STL和功能块图指令FBD，位逻辑指令包含位逻辑运算指令、定时器指令、计数器指令和位测试指令等。可以使用位逻辑指令扫描布尔（BOOL）操作数的状态，通过“与（AND）”、“或（OR）”、“异或（XOR）”及其组合操作实现逻辑操作。逻辑操作结果（RLO）用于赋值、置位/复位布尔操作数，也控制定时器和计数器的运行。

（1）位逻辑运算指令

位逻辑运算指令是对“0”或“1”的操作数进行扫描，经过相应的位逻辑运算，将逻辑运算结果“0”或“1”送到状态字的RLO位。

①标准触点指令

标准触点指令是指“与”及“与非”指令、“或”及“或非”指令、“异或”及“异或非” 指令。

标准触点：动合（常开）：

常闭（动断）：

②输出指令：逻辑串输出指令（输出线圈）：

中间输出指令：

③跳变沿检测指令

RLO 跳变沿检测指令：RLO正跳沿检测

RLO负跳沿检测

（2）定时器指令

接通延时定时器SD

（3）时钟存储器（Clock Memory）

在S7系列PLC的CPU的位存储器M中，可以任意指定一个字节，如MB100，作为时钟脉冲存储器，当PLC运行时，MB100的各个位，能周期性地改变二进制值，即产生不同频率（或周期）的时钟脉冲。

（4）计数器指令

在S7-300的CPU的存储器中留有一块区域用于存储计数器的计数值，每个计数器需要2 byte，不同的CPU模板，用于计数器的存储区域也不同，最多允许使用64～512个计数器。在S7-300中有3种计数器可供选择：如图2-3所示

图2.3计数器

（5）比较指令

比较指令用于对累加器2与累加器1中的数据进行比较。数据类型可以是整数、长整数或实数，但是要确保进行比较的两个数据的类型相同。

应用比较指令的比较类型有：等于＝＝、不等于＜＞、大于＞、小于＜、大于等于＞＝、小于等于＜＝。

如果比较的结果为真，则RLO为1，否则为0。

2.4 本人所做的音乐喷泉的PLC控制程序

下面为本课题的PLC程序