霓虹灯广告屏的PLC控制系统设计.docx
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霓虹灯广告屏的PLC控制系统设计
中南大学
毕业设计（论文）
题目霓虹灯广告屏的PLC控制系统设计
学生姓名
学院中南大学成教学院
专业班级09电气自动化技术
完成时间2010年6月20日
中南大学
毕业设计（论文）任务书
站电气自动化技术专业2009级姓名
毕业设计（论文）题目：
霓虹灯广告屏的PLC控制系统设计
起止日期：
2010.3.5~2010.6.20
指导教师：
毕业设计（论文）要求（包括日程安排和进度）：
一、设计内容：
设计大型霓虹灯的PLC控制系统，包括系统硬件（根据实训室设备）和软件设计；写出设计说明书（论文）。
二、目标和要求：
1、学习霓虹灯的控制系统；
2、选择PLC作为控制器的核心部件，完成系统的硬件设计和PLC控制器的软件设计；
3、在PLC设计中，对梯形图作详细的说明；
4、完成部分调试工作；
5、对PLC控制软件及系统源代码做出必要的说明。
三、设计进度安排：
2010/3/5～2010/3/25下达任务书，收集资料，熟悉控制要求
2010/3/26～2010/04/09系统的硬件设计
2010/4/10～2010/04/24系统的软件设计及调试
2010/04/25～2109/05/31完成毕业设计论文
2010/6/1～2010/06/13对设计及论文进行整改和定稿
2010/6/14～2010/06/20准备毕业答辩
审查意见：
院（站）负责人：
年月日
注：
本任务书由指导教师填写并经审查后，复印一份交学生装订在毕业设计（论文）的封面之后，原件存函授站。
霓虹灯广告屏的PLC控制系统设计
（中南大学成教学院2009电气自动化技术）
指导老师：
[摘 要]
可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，是一种具有实用性强、稳定性高、编程方便等优点的现代化控制器。
霓虹灯是现代城市的一个重要标志，是人类进步的体现，是科学发展的结晶。
本设计采用三菱FX2N－48MR型PLC作为大型霓虹灯的控制系统。
本文简单地对可编程控制器（PLC）系统结构、工作原理及控制原理进行了分析，详细阐述了霓虹灯的外观设计、闪烁过程、硬件设计、软件程序设计的实现过程。
[关键词]PLC大型霓虹灯控制系统
目录
引言1
一、大型霓虹灯的PLC控制系统设计概况2
（一）毕业设计的基本要求与主要内容2
（二）方案论证2
（三）控制系统的组成3
二、霓虹灯的外观设计及闪烁过程4
（一）霓虹灯的外观图4
（二）霓虹灯的闪烁变化过程5
三、霓虹灯的硬件设计7
（一）霓虹灯的特点7
（二）霓虹灯的选型7
（三）霓虹灯管的安装要求7
（四）霓灯的电源选择8
四、可编程控制器的硬件设计10
（一）可编程控制器（PLC）的一般结构和工作原理10
（二）可编程控制器（PLC）的I/O分配及选型14
（三）可编程控制器（PLC）的硬件接线16
五、霓虹灯的软件程序设计18
（一）基本组成单元的电路分析18
（二）控制系统的梯形图19
（三）控制系统的指令29
结束语35
致谢词36
参考文献37
引言
霓虹灯在夜市中虽不能说独领风骚，但也出尽了风头。
每当黄昏之际，各种霓虹灯就迫不及待地闪闪灼灼发出绚丽的颜色，入夜后更是争相辉映，烘染出一派五彩缤纷的都市生活情调。
从商店招牌、广告牌，到装饰灯光，凡是夜间营业的商店都离不开它，为夜晚的城市平添了许多国际大都市的气息。
作为主角——霓虹灯功不可没。
中国的霓虹灯最早出现在1926年的上海，当时在上海的南京东路伊文思图书公司以陈列橱窗的形式为“皇家”牌打字机做广告。
解放后，中国的霓虹灯行业曾一度停止发展。
随着中国的改革开放，霓虹灯行业也随之发展，许多霓虹灯生产、制作的公司像雨后春笋，纷纷建立起来。
深圳，作为改革开放的前哨，它的霓虹灯行业也紧跟时代步伐，快速地发展起来。
目前，深圳的霓虹灯广告的制作水平在国内还是一流的，加上各种高新技术、高新材料的结合应用，更为城市户外霓虹灯增光添彩。
霓虹灯是漂亮的，为了设计出变化更丰富，控制更容易的霓虹灯,我尝试并设计制作了可编程序控制器（PLC）对大型霓虹灯的控制的系统。
详细阐述了霓虹灯的外观设计、闪烁过程、硬件设计、软件程序设计的实现过程。
一、大型霓虹灯的PLC控制系统设计概况
（一）毕业设计的基本要求与主要内容
（1）温度适应范围：
-20℃～50℃。
（2）完成PLC的外部显示电路的设计与制作。
（3）完成显示电路电源的选择。
（4）完成PLC的软件程序设计。
（二）方案论证
本设计之所以采用PLC控制是因为可编程控制器是在工业环境下应用及满足用户需要而设计，它具有以下的特点：
（1）可靠性高平均无故障工作时间场合故障平均修复时间短，可在恶劣的环境下工作，简单、操作方便而使失误少。
（2）柔性好是指在使用过程中的适应性和灵活性，只需通过程序的编制和更改即可适应生产的要求，模块是结构具有扩展的灵活性。
（3）功能强大可编程控制器不但具有开关量控制、模拟量控制、数据通信、中断控制等完善的功能。
（4）使用方便编程方便，极易被技术人员接受和掌握;操作方便。
（5）体积小、功耗低可编程控制器以其丰富的功能和显著的特点得到了广泛的应用，本文现仅以大型霓虹灯的控制系统为例，介绍PLC的控制系统设计。
（三）控制系统的组成
霓虹灯控制系统结构图如图1-1所示。
图1-1 霓虹灯控制系统结构图
二、霓虹灯的外观设计及闪烁过程
（一）霓虹灯的外观图
如果你生活在城市，夜晚到闹市散步，最常见的就是霓虹灯了，但你还是很难想像霓虹灯是怎样做成的吧，下面就让我来介绍一下吧！
若将惰性气体充入电灯泡里，灯亮时，惰性气体受到激发，便发射出它们的特征谱线，这就是人们常说的霓虹灯。
氩在电场激发下会发射浅蓝的光，也可用来制造霓虹灯。
氦制的霓虹灯发射浅红色的光。
有的灯泡里可以充进水银蒸气，就成了高压水银灯，它射出的光线是绿紫色的，有的人甚至把氦、氖、氩和水银四种气体，或两种或三种混合气体装进灯泡里，就得到了色彩绚丽的霓虹灯。
但是我们仅仅是做一个毕业设计，是一个从理论者转换为一个实践者不可能与那些做霓虹灯的公司一样拥有成熟的技术。
所以我只能用阴极管来做为灯管材料，我在做这个毕业设计时，在力求内容丰富的前题下提下尽量地把外部显示电路做的美观，以达到霓虹灯的效果，虽然这样处理后和现实中的有点出入，但他们的原理是一样的，控制的方法和编制的程序也是一样的。
我设计的外部显示面板如图2－1所示，整个完整的硬件为一长方形加一半圆形，长方体尺寸为750CM×150CM×30CM,扇形半径为325CM，共用冷阴极管41个，其中每个字、每个图案都是用若干个冷阴极管并联而成，组成了一个小的单独体。
图2-1外部显示面板
面板上共由三部分组成，分别是KTV三个字，半圆和长方形三个图案，其中红、绿、蓝三色为冷阴极管。
（二）霓虹灯的闪烁变化过程
本霓虹灯的闪烁变化过程主要由三部分组成：
1．半圆部分：
以下四种输出状态在红绿蓝三种颜色下循环进行。
●第一种输出状态：
在全灭的情况下，从内往外一位紧接着一位连续点亮，直至全部点亮。
●第二种输出状态：
在全亮的情况下，从外往内一位接着一位连续熄灭，直至全部熄灭。
●第三种输出状态：
在全灭的情况下，从内往外一位紧接着一位连续点亮。
●第四种输出状态：
在全亮的情况下，从外往内一位紧接着一位连续熄灭。
2．长方体部分：
以下七种输出状态在红绿蓝三种颜色下循环进行。
●第一种输出状态：
在全灭的情况下，从左往右一位紧接着一位连续点亮，直至全部点亮。
●第二种输出状态：
在全亮的情况下，从左往右一位接着一位连续熄灭，直至全部熄灭。
●第三种输出状态：
在全灭的情况下，从左往右一位紧接着一位连续亮过。
●第四种输出状态：
在全灭的情况下，从右往左一位紧接着一位连续亮过。
●第五种输出状态：
在全灭的情况下，从左往右一位紧接着一位连续闪过。
●第六种输出状态：
在全灭的情况下，从左往右一位紧接着一位连续点亮，直至全部点亮。
●第七种输出状态：
在全亮的情况下，从右往左一位接着一位连续熄灭，直至全部熄灭。
3．KTV三个字：
亮2S灭1S循环进行。
三、霓虹灯的硬件设计
（一）霓虹灯的特点
霓虹灯是一种低气压冷阴极辉光放电发光的光源，气体放电管作为霓虹光源，具有四大优点：
其一，它们是高效的能量转换器，可以把20%～25%的输入电能转换为光能输出。
其二，工作寿命长，可长达2500～3000h（小时）。
其三，具有良好的光输出“保持性”，即使是在寿命终止时它们也能保持初始光通量的60%～80%。
其四，通过适当地选择一些气体充人灯管内并通过放电的方法几乎能得到所有颜色的光。
（二）霓虹灯的选型
１．以规格分：
有6、7、8、9、10、12、15、18、20m/m等粗细，考虑到外观的谐调性本设计采用12mm灯管。
２．这种彩色玻璃管，在拉制玻璃管时已充入染料，生产出的玻璃管已呈彩色玻璃管，而本设计是由三种不同颜色灯管构成的，所以采用彩色玻璃管。
（三）霓虹灯管的安装要求
1．在安装霓虹灯管前，应确定灯管的绝缘支架的固定位置，绝缘支架应均匀分布。
当灯管长度不小于1.2m时，绝缘支架应不少于3只。
绝缘支架的固定螺钉应紧固，不应发生位移松动。
2．霓虹灯管应牢固地安装在绝缘支架上，灯管不应发生位移松动。
3．霓虹灯管排列应与底板字形或图案相符，平行排列时应整齐一致，不应歪斜走样。
4．固定后的灯管与安装面的最小距离应不小于20mm。
为防止产生电弧，用金属丝捆扎固定（灯管）绝缘支架时，与霓虹灯管电极引出端的距离应不小于60mm。
5．室内安装的霓虹灯管的高压配线端与连线必须采用绝缘防护。
6．高压霓虹灯管的安装
对于室内安装的高压霓虹灯管,其附着的安装面和灯管固定部件均应采用耐热、耐火、非可燃绝缘材料，灯管可直接附着在安装面上。
高、低压端的导线、灯管电极的连接部位不应裸露，带电部件如使用金属保护外壳，应设置接零或接地保护装置。
（四）霓灯的电源选择
1．霓虹灯电源的特点
电压高、电流小、功耗低。
2．霓虹灯变压器选择
霓虹灯电源由单相变压器变压提供，而发光冷阴极管的启动电压是15KV，流过的电流应该控制在每根管50mA—60mA之间，而这么高的电压不经过升压是不易得到的，所以需要一个变压设备来提供电源。
电感变压器的规格有：
3KV、6KV、9KV、12KV、15KV、18KV。
因此我采用的电源输入电压是交流220V，高压输出电压为15000伏，容量为450伏安变压器，其变压器特点是：
可靠性好，负载灯管亮度高，光色一致，寿命长，缺点是比较笨重。
目前国外户外霓虹灯大多数采用这种变压器。
四、可编程控制器的硬件设计
（一）可编程控制器（PLC）的一般结构和工作原理
1．PLC的一般结构
（1）中央处理器（CPU）
CPU是可编程控制器系统的控制中枢，主要功能是接收所输入的用户程序并将其存入用户程序存储器，检测系统的工作状态，执行指令规定的任务。
CPU工作的主要过程是，首先以扫描方式接收现场各装置的状态，作为输入信号分别存入输入映像区；然后从用户程序存储器中逐条读取和执行指令，并将运算结果分别送至输出映像区或中间数据寄存器；最后将输出寄存器内的数据作为控制信号输出到相应的被控装置。
（2）存储器
可编程控制器（如图4－1所示）的存储器用于存放系统程序、用户程序和运行的数据。
根据结构和功能可将其分为只读存储器（ROM）和读写（随机）存储器（RAM）两类；根据内容和用途可将其分为系统存储器、用户存储器和数据存储器三类。
（3）基本I／O模块
基本I／O模块是可编程控制器与现场工业设备的连接部件，输入模块将现场各种参数如行程开关量、传感器测试量等转换成数字信号送入PLC，输出模块将CPU运算结果转换成控制信号，以驱动现场执行机构如电磁阀、电机等。
由于基本I／O模块与工业现场各种信号直接相连，要求它有信号匹配和抗干扰能力。
所以在基本I／O模块中通常配有模数（A／D）转换、数模（D／A）转换、电子转换、光电隔离、阻容滤波和功率放大等电路。
根据现场输入输出信号的形式要求，PLC产品配置了各种类型的基本I／O模块，如开关量／模拟量I／O模块、模拟量的电压／电流I／O模块等。
（4）外部设备接口
外部设备接口是可编程控制器主机与外部通用设备如计算机、其它PLC、打印机、编程器的连接通道，一般为RS232C串行通信接口或并行接口。
（5）电源部件
电源部件将外部交流电压转换成可编程控制器主机内部正常工作所需的电源。
它由滤波、稳压、掉电保护、逆变器等电路组成，具有输入电压范围宽、抗干扰性强、体积小、效率高的特点。
PLC的电源一般采用开关式电源，可提供的电源大致有：
AC（交流）100V、220V，DC（直流）100V、48V、24V等。
（6）输入输出扩展接口
输入输出扩展接口是可编程控制器主机为插接特殊功能I／O单元而设置的部件。
通常有并行接口和串行接口等形式。
2．可编程控制器（PLC）的工作原理
PLC是以微处理器为核心的数字式电子自动控制装置，是—种专用微机。
和计算机一样，PLC也具有相应的操作系统，也是由硬件和软件两大部分组成的。
PLC的软件部分分为系统软件和应用软件类。
PLC的基本工作方式是在系统软件的控制下，采用周期工作方式，也即扫描工作方式。
PLC是一种实时工业控制计算机系统，它的操作系统是一个小型的实时系统软件，具有自身的结构和特点，PLC在每次扫描期间，除了读入各输入点的状态，用户逻辑输出控制信号以外，还进行故障自诊断和处理与编程器、计算机等的通讯请求。
整个扫描过程如图4－2所示。
（1）自诊断
在自动控制系统中，大多数生产过程可分为一系列不断重复的顺序执行的操作。
如果发生故障必然会影响整个系统的正常运行。
为了防患于未然及有故障时尽快修复，都必须先执行故障自诊断程序。
一般包括输入／输出部分，存储器、CPU等部分的故障诊断，有的还包括对通讯区域，外部设备检查等。
PLC在执行自诊断程序时，一旦发现有异常，即启动关机程序并保留现行工作状态，把所有输出点置成“OFF”状态后停机，并发出报警信号和显示出错信息；如果自诊断正常继续往下扫描。
（2）与编程器、计算机通讯
PLC执行自诊断程序结束后，如果没有发现故障，PLC立即检查是否有编程器、计算机等的通讯请求。
如有故障则进行相应的处理，比如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态，数据、信息（包括出错信息）送给编程器进行显示、并在这段时间完成数据的接收和发送任务。
（3）读入PLC在完成与编程器、计算机通讯后，即开始扫描各读入各点的状态和数据。
如按键、开关各点的通，断状态，A／D转换值，BCD码数据等，并把这些数据按预先排好的顺序和地址写入至存储器的输入状态表中，供解释用户程序时使用。
（4）执行PLC执行用户程序—般是从存储器的最低地址所存放的第一条程序指令开始。
在没有中断或跳转指令控制的情况下，按存储器地址递增的方向依次扫描用户程序。
按照输入状态表中的数据和程序要求解算出相应的结果，并按照该结果更新输出缓冲区的内容，直到执行用户程序结束为止。
在这种方式下，每扫描一次，所有用户程序都被执行一次。
对于某些中，高档PLC，为了增加对某些点响应的实时性，有的还有中断响应功能。
（5）输出
PLC执行用户程序完毕。
CPU即发出信号把输出缓冲区的内容按规定的次序，通过输出模块把内部逻辑信号变换成与执行机构相适应的电信号输出，驱动生产现场的执行机构，完成控制任务。
以上五步操作过程称为PLC的一个扫描周期，PLC结束一个扫描周期后，又从自诊断开始进行下—次扫描。
直到接收到停止操作指令、停电、出错等才停止工作。
（二）可编程控制器（PLC）的I/O分配及选型
1．可编程控制器（PLC）的I/O分配
（1）PLC与霓虹灯的接口示意图如图4-3所示。
图4-3PLC与霓虹灯的接口示意图
（2）霓虹灯的I/O分配，见表4-1。
表4-1 霓虹灯的I/O分配
输入部分
X0
X1
SB1电源接通
SB2电源关断
输出部分
Y0
半圆条
（1）
Y6
半圆条（3）
Y14
长方体（21）
Y22
长方体（11）
Y1
半圆条（4）
Y7
半圆条（8）
Y15
长方体（10）
Y23
长方体（14）
Y2
半圆条（7）
Y10
长方体（9）
Y16
长方体（13）
Y24
长方体（17）
Y3
半圆条
（2）
Y11
长方体（12）
Y17
长方体（16）
Y25
长方体（20）
Y4
半圆条（5）
Y12
长方体（15）
Y20
长方体（19）
Y26
长方体（23）
Y5
半圆条（6）
Y13
长方体（18）
Y21
长方体（22）
Y27
KTV
（24）
注：
表格中括号内的编号均和面板示意图中的编号一致。
2．可编程控制器（PLC）的选型
选择基于PLC的霓虹灯电气控制系统的PLC机型，应从以下几个方面来考虑：
（1）根据PLC的指令功能
考虑到任何一种PLC都可以满足开关量电气控制系统的要求，据此本课题将尽量采用价格便宜的PLC。
（2）根据PLC的输入输出点数
大型霓虹灯可变程控制系统有输入信号2个，输出信号24个，均为开关量。
（3）根据PLC的存储容量
PLC存储器容量的估算方法：
对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统，将所需的输入/输出点数乘以8，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即
（2+24）×8=208bit
（4）根据输出模块的类型
继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，每一点的输出容量较大（可达2A）,在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，符合控制要求。
（5）根据PLC的物理结构
根据物理结构的不同，PLC分为整体式、模块式和叠装式。
整体式的每一I/O点的平均价格比模块式便宜，小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。
此次设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统没有特殊的控制任务，整体式PLC完全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式PLC较模块式和叠装式PLC价格便宜，因此，大型霓虹灯电气控制系统的PLC选用三菱FX2N-48MR型PLC。
（三）可编程控制器（PLC）的硬件接线
可编程控制器（PLC）的硬件接线如图4－4所示。
图4－4可编程控制器（PLC）的硬件接线图
五、霓虹灯的软件程序设计
（一）基本组成单元的电路分析
1．半圆部分：
按下启动按钮（X0）红色灯由Y0到Y2红色灯依次全部点亮又由Y0到Y2依次熄灭停1S后由Y3到Y5绿色灯依次全部点亮又由Y3到Y5依次熄灭停1S后由Y6到Y7蓝色灯依次全部点亮又由Y6到Y7依次熄灭（程序步由起始步到124步）。
接着由左往右依次点亮红色灯当亮到Y2时停1S后往回亮当Y0亮后停1S后绿色灯由左往右依次点亮当亮到Y5时停1S后往回亮当Y3亮后停1S后蓝色灯由左往右依次点亮当亮到Y7时停1S后往回亮当Y6亮后停1S熄灭，一个循环结束（程序步由125步到304步）。
2．长方形部分：
按下启动按钮（X0）红色灯由Y10到Y14红色灯依次全部点亮又由Y10到Y14依次熄灭停1S后由Y15到Y21绿色灯依次全部点亮又由Y15到Y21依次熄灭停1S后由Y22到Y26蓝色灯依次全部点亮又由Y22到Y26依次熄灭（程序步由305步到469步）。
接着由左往右从Y10依次亮过当亮到Y14时停1S后往回亮当Y10亮后停1S后绿色灯由左往右从Y15依次亮过当亮到Y21时停1S后往回亮当Y15亮后停1S后蓝色灯由左往右从Y22依次亮过当亮到Y26时停1S后往回亮当Y22亮1S后熄灭，（程序步由470步到619步）。
接着又由Y10到Y26依次闪过（间隔为0.5S），此效果为先由红再到绿最后到蓝依次亮过。
（程序步由620步到654步）。
最后由Y10到Y14红色灯依次全部点亮又由Y14到Y10依次熄灭停0.5S后由Y15到Y21绿色灯依次全部点亮又由Y21到Y15依次熄灭停0.5S后由Y22到Y26蓝色灯依次全部点亮又由Y26到Y22依次熄灭（程序步由655步到837步）。
3．KTV三个字：
按X0启动，X1停止，Y27亮2S灭1S不间断的闪烁。
（程序步由838步到853步）。
（二）控制系统的梯形图
这里为位左移指令
这里为位左移指令并置0
这里为位左移指令
X0为启动X1为停止
并为位左移指令置1
这里为位左移指令
这里为位左移指令
为位左移指令置1
循环右移指令
T4得电给Y0置1
循环左移指令
经T18给Y0置1
循环右移指令
循环左移指令
给Y3置0
给Y3置1
循环右移指令
循环左移指令
给Y6置1
接通T7，Y6置0并把中间继电器复位
位左移指令
给M102置0
位左移指令
这里是长方形部分的控制启动和停止按钮并给M20置1
给M22置1
给M103置0
位左移指令
位左移指令
位左移指令
给M104置0
位左移指令
循环右移指令
循环左移指令
T44得电给Y10置0
T37得电给Y10置1
T46得电给Y15置0
右移指令
左移指令
T45得电给Y15置1
循环右移指令
循环左移指令
T48得电给Y22置1
接通T47给中间继电器复位并给Y22置0
循环左移指令
T51得电给Y26置0
给Y10置1
位右移指令
给M106置0
位左移指令
T51得电接通M42，并给M42置1
位右移指令
给M107置0
位左移指令
T61得电给M44置1
给中间继电器复位
位右移指令
给M108置0
位左移指令
给M47置1
T65和T64循环得电
按X0启动X1停止
（三）控制系统的指令
结束语
经过这次毕业设计，使可编程控制器在大型霓虹灯控制中得到了应用并能实现各种复杂变化，起到了霓虹灯应有的效果。
使我对自学能力有了进一步的提高，巩固了以前所学的知识并能够掌握现代技术的应用。
同时也让我体会到了做一个毕业设计不仅仅是具有一个专业知识所能完成的，还应具有一定的通用能力。
本设计让我学到了很多与专业相关的知识，使我以后考虑问题会更加地全面，也为今后在可编程控制器方面的发展奠定了基础。
致谢词
转瞬间几个月的毕业设计即将结束，在这段日子里不但使我度过了最后一段大学生活的美好时光，还使我受益匪浅。
在进行这次课题研究设计的时候，指导老师黄清锋给了我细致耐心的帮助及指导。
在此向黄老师耐心细致的指导和无微不至的关怀以及学校的栽培表示衷心的感谢！
参考文献
[１]袁任光.可编程控制器选用手册.北京.机械工业出版社.2002.8
[２]路而红.可编程器应用开发指南.北京.人民邮电出版社.2004.5
[３]朱明程.可编程逻辑器件原理
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