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1、基于PLC的霓虹灯控制系统设计描述万关7步4享XI,AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY继续教育学院毕业设计（论文）题目： 基于PLC的霓虹灯控制系统设计院、系（站）： 机电工程系学科专业： 机电一体化学 生： 学 号： 指导教师： 2013年09月基于PLC的霓虹灯控制系统设计摘要随着改革的不断深入，社会主义市场经济的不断繁荣和发展，大中小城市都在进 行亮化工程。企业为展现自己的形象和产品，一般都会采用通过霓虹灯广告屏来 这种广告手法，所以当我们夜晚走在大街上，马路两旁各色各样的霓虹灯广告随 处可见。这就涉及到如何去控制霓虹灯的亮灭、 闪烁时间及流动方向等诸多控制 问题，如

2、何去快捷、可靠、简单的去控制，成为人们考虑的重点，在这我认为 PLC最适合去解决这些问题，因为 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可 靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。并且PLC在工业自动化控制特别是顺 序控制中的方面具有比较突出的优势，在现实中人们也是多通过 PLC去控制霓虹 灯的。关键词：西门子S7-200;霓虹灯；发展潜力目 录 0第一章 、绪论 11.1选题意义 1.1.2霓虹灯的起源 1.1.3霓虹灯的现状与发展 2.第二章、霓虹灯变压器的设计 32.1霓虹灯的工作原理 3.2.2霓虹灯的结构与部件 3.2.3高可靠性霓虹灯的设计 6.第三章、可编程序控制器简介（ PLC

3、） 103.1PLC 简介 1.0.3.2PLC 的结构 1.0.3.3PLC 的工作原理 1.13.4PLC 的应用特点 1.4第四章、霓虹灯控制系统设计 164.1需求分析 1.6.4.2PLC 接线图 1.7.4.3I/O 分配表及 PLC 型号选择 1.84.4控制流程的设计 1.9.4.5梯形图的设计 2.0.第五章、系统测试 245.1调试仿真 2.4.5.2程序运行原理说明 2.5总 结 27致 谢 28参考文献 29第一章、绪论1.1选题意义随着改革的不断深入，社会主义市场经济的不断繁荣和发展，大中小城市都 在进行亮化工程。企业为展现自己的形象和产品，一般都会采用通过霓虹灯广告

4、 屏来这种广告手法，所以当我们夜晚走在大街上，马路两旁各色各样的霓虹灯广 告随处可见，一种是采用霓虹灯管做成的各种形状和多种彩色的灯管 ，另一种为 日光等管或白炽灯管作为光源，另配大型广告语或宣传画来达到宣传的效果，大 部分是采用霓虹灯。这就涉及到如何去控制霓虹灯的亮灭、闪烁时间及流动方 向等诸多控制问题，如何去快捷、可靠、简单的去控制，成为人们考虑的重点， 在这我认为PLC最适合去解决这些问题，因为 PLC具有通用性强、使用方便、 适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。并且 PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的方面具有比较突出的优势，在现实中人们也是多通 过PLC去控制霓虹灯

5、的。以上就是我选择此题目作为毕业设计的重要意义。1.2霓虹灯的起源霓虹灯是由英文 颊灯”，即“NEON SIGN得来的，霓虹则宇实际上是 “NEON的译音，而现在人们已经把 霓虹灯”当作专用词运用了。霓虹灯始源于法国。当时所用的灯体玻管的直径为 45毫米，先将玻璃管弯制 成所需的文字或图案，然后再用1只电压为1万多伏的变压器供电，使之发光。当 时，灯管两端电极采用石墨制成，内部充入氮气或二氧化碳气体，前者会发红光， 后者发白光。由于这两种气体较活泼， 很容易和石墨电极起化学反应，阴极溅散 出的石墨很快在玻璃管内壁形成黑色薄膜层， 并大量吸收充入灯管内的气体，使 灯管的充气压力很快下降，致使霓虹

6、灯的寿命很短。当时为了解决这个问题， 特在霓虹灯管上加1个特殊的电磁阀门，并在霓虹灯使用一段时间以后再往灯内重 新补充一定量的气体，但这样做并未能在根本上克服上述缺陷。因此， 这种灯不 仅寿命短、制作工艺复杂，而且造价昂贵，很难普及。在1907年至1910年期间,科学家克洛德和林德发明了液态空气分储。 利用 这一发明，在霓虹灯内充入一定的惰性气体，这样就明显减缓了气体在灯管内部 的消耗速度，颜色也丰富了，可产生红、绿、蓝、黄等颜色。第二次世界大战前 夕，光致发光的材料被研制出来了。 这种材料不仅能发出各种颜色的光， 而且发 光效率也高，我们称之为荧光粉。 荧光粉被应用在霓虹灯制作中后，霓虹灯的

7、亮 度不仅有了明显提高，而且灯管的颜色也更加鲜艳夺目，变化多端， 同时也简化了制灯的工艺。故在第二世界大战结束后，霓虹灯得到了迅猛的发展。1.3霓虹灯的现状与发展目前，霓虹灯市场上鱼龙混杂，有营业执照承接工程的单位只占市场的 30% , 这类单位有独自的设计、制作、安装能力，信誉好、产品质量过关，后期维护到 位，是用户的首选单位。第二类，没有营业执照挂靠其它单位，这类 单位”专业性不强，产品质量无 保证，后期维护不到位。第三类，皮包公司，无任何证件、信誉和能力，打一枪换一地，产品质量和 后期维护根本谈不上。霓虹灯是一个专业性比较强的行业， 正规单位的产品质量好，寿命长。 可正 是第二类和第三类

8、公司扰乱霓虹灯市场， 给用户的感觉霓虹灯容易坏。其实霓虹 灯的寿命比日光灯还长，为了您的利益，请选择有执照，有能力，有信誉的单位。以前霓虹灯制造企业几乎全部用普通玻璃管、普通电极，随着人们对产品要 求的提高，高铅玻璃管、陶瓷环电极、三基色粉管，渐变彩虹霓虹灯正越来越广 泛的走向人们的生活，使人们的生活更加精彩、亮丽。 霓虹灯以它斑斓夺目的色 彩、生动逼真的形态、耀眼夺目的照明为夜间城市的购物中心招彳来顾客、 文化娱乐中心吸引游客营造气氛，给夜间城市的购物活动带来方便，给文化娱乐活动增 添情趣。霓虹灯营造了夜间城市的绚丽多姿和繁华，它已成为现代城市商业繁荣 的标志之一。第二章、霓虹灯变压器的设计

9、2.1霓虹灯的工作原理霓虹灯采用正常辉光放电形式工作， 具有辉光放电的基本特征，正离子轰击 阴极使阴极发射二次电子来维持放电， 阴极电流主要由正离子所贡献。由于是正 常辉光放电，所以在一定的电流范围内， 阴极的电流密度不变，阴极位降不变。阴极位降大约为100 20伏，为正离子加速提供能量。当外电源电路接通后，变 压器输出端就会产生几千伏甚至上万伏的高压。能激发产生大量的电子。这些激 发出来的电子，在高电压电场中被加速，并与灯管内的气体原子发生碰撞。 当这些电子碰撞游离气体原子的能量足够大时， 就能使气体原子发生电离而成为正离 子和电子，这就是气体的电离现象。 带电粒子与气体原子之间的碰撞，多余

10、的能 量就以光子的形式发射出来，这就完成了霓虹灯的发光点亮的整个过程。霓虹灯 的开关次数不影响使用寿命，适合制作广告背景扫描。2.2霓虹灯的结构与部件一般的商品用霓虹灯多采用冷阴极辉光放电形式工作。 典型的冷阴极霓虹灯 结构如图2-2所示。由玻璃灯管、霓虹灯变压器、霓虹灯专用高压线等部分组成。图2-2霓虹灯的结构玻璃灯管根据要求弯制加工成直线状或异形曲线状的文字或图案。 玻璃管主要用来填充工作气体，限制放电区域， 保持真空和透射光线。玻璃灯管以直径规 格分为：6、7、8、9、1R12、1518、20mm;以玻璃材质分： 钠玻璃管（俗称石灰料玻璃管）及铅玻璃管 C1、D5 R7、C5 R11及S

11、C构成过流及开路保护线路，R铿过流电 压取样电阻，C1的作用是使得保护电路工作可靠，C河消除干扰信号及开机保护， 一旦出现过流，保护线路工作， 单向可控硅SCR?通，振荡线路停振不工作，保护T1T2保护线路一旦起作用，待故障排除后，重新开机才能恢复正常工作。功率管的选择霓虹灯电子变压器出现故障大多数原因是功率管损坏， 功率管的选择直接关系到霓虹灯电子变压器的可靠性， 用图2-2线路不同T1T2功率管带不同长度霓灯管做比较试验，结果见表2.1。表中负载是中12霓虹灯管，全亮电压/电流是指霓 虹灯电子变压器刚好使整个负载长度都点亮时的输入交流电压 /电流，而正常亮度电压/电流指霓虹灯电子变压器是整

12、个负载长度都达到正常你正常亮度时的输 入交流电压/电流表2-3(1)不同功率管点亮不同长度霓虹灯灯管比较试验T仃理号负载长度全亮电压/电流正常亮度电压/电流240V电流BUT11A6M120V/230mA150V/270mA381mA7M150V/315mA170V/325mA422mA8M180V/354mA200V/387mA430mAD1403BU5086M105V/230mA150V/276mA7M140V/308mA180V/326mA8M180V/346mA190V/375mABU5087M150V/284mA8M190V/338mA从表2-3(1)可以得到如下结论：不同的功率管带

13、负载的能力是不一样的，随 着负载长度的增加霓虹灯电子变压器的全亮电压 /电流及正常亮度电压/电流均 增加，D1403 BU508 BUT11都具有带6至U8米负载的能力，即使D1403f BU508 混合使用，具全亮及正常亮度电压/电流也没有多大改变， 输入电压高达220V时电子变压器也能正常工作。保护线路的设计保护线路的设计直接影响霓虹灯电子变压器可靠性。 霓虹灯在使用过程中难免会出现灯管破裂、灯头线脱落、潮湿天气高压对地打火等异常现象，导致电子 变压器电流剧增，功率管发热烧毁。所以保护线路必须在电流大于某阀值时及时 工作，保护功率管。试验中用增加工作电压的方法模拟增加的异常电流。 依然用图

14、2.2线路，输出变压器匝数为100/2875,选择L1L2匝数均为5匝，L3匝数为8匝, R8R9阻值均为3.3QAV 8米负载，改变R7勺阻值，在确定的R和值情况下，输入 交流电电压逐渐增加，观察记录起始保护线路工作时的电流，结果见表 2.4 o当R7值确定后，起始保护动作仅与工作电流有关， 与工作电压及负载管长没有关 系。R和值越大，起始保护线路电流越大。R和值取6.5K,此时8米负载输入电压大于240V,起始保护电流500MA, 5分钟后起保。试验中发现不同功率管对 R7 取值很不相同，表2.2是BU508的结果，改用BUT11A, R7t大的改变。即使同 一型号功率管，不同厂家生产的

15、R池不同。表2-3 （2） R7阻值与起始保护电流的关系R和值（KQ）34566.58起始保护电流（MA430450465490500515使用情况根据以上讨论设计的霓虹灯电子变压器使用后发现可靠性明显增加， 即使全天候使用的情况下返修率已达到能接受的程度， 特别是下雨使用时电子变压器能可靠动作，第二天不下雨又能正常工作， 客户对此也能接收。同时发现气温升高 和电子变压器使用环境散热差使得电子变压器损坏率明显增加。 仔细分析原因是工作电流长时间超过正常值，但又没有达到起始保护电流，使得功率管温升过高 烧毁。R和值的下降调整可以降低起始保护电流， 但会使电子变压器保护线路过 于敏感，影响正常使用

16、。所以在保护线路增加正温度系数开关型热感电阻， 当功率管温升达到店里点时触发保护线路工作，从而达到保护功率管的目的。 当然还可以进一步保护功率管，在功率管 CE间反向并联FR107二极管，防止CE反向 击穿。C2c3耐压要到275V,防止C2c3击穿损坏。第三章、可编程序控制器简介（ PLC）3.1PLC简介可编程序控制器PC （Programmable Controller ）又称可编程序控制器PLC （Programmable Logic Controller ）,是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器， 是一种以微处理器为核心用

17、作数字控制的专用计算机。它不仅充分利用微处理器的优点 来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技 能和习惯，挨弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式， 独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构， 使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。 PLC已成为现代工业控制三大支柱（PLC CAD/CAMROBOT之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线 修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控 制、具备告诉计数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、 时间继电器、计数继电器等组成的

18、传统继电一接触控制系统在机械、 化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、等行业得到广泛应用。 PLC勺应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。3.2PLC的结构PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分 组成的。PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器（EPROM, ROM）、输入 输出（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部 分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。其结构简 图如下图3-2 PLC硬件结构图PLC的软件系统是指 PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用

19、户程 序两大部分。系统程序是每一个 PLC成品必须包括的部分，由 PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在 EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。3.3PLC 的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在 PLC运行时，CPU艮据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或 地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执 行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。 在每次扫描过程中，还要完成对输入

20、信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中 的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器 中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令， 经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中 所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新 阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，

21、 驱动相应输出设备工作S7-200 系列 PLC:S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中 的检测、监测及控制的自动化。 S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能因此。 S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用 范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。 应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测， 自动化控制有关的工业及民用领域， 包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。目前 S7-200 系歹U PLC主要有 CPU221 CPU222 CPU2

22、24和 CPU226四种CPU档次最低的是 CPU221,其数字量4入点有 6点，数字量输出点书 有4点，是控制规模最小的。 PLC档次最高的应属 CPU226 CPU226集成了24点输入16点输出，共有40点数字量I/O ,可连接7个扩展模块，最大 扩展数字量I/O 248点或模拟量I/O35路。S7-200系列PLC四种CPU的外部结构大体相同，见图 3-3。图 3-3 S7-200 PLC 结构 CPU221本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K 字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有 PPI通讯协议、MPI通讯协 议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。 CPU222本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。并且可连接 2个扩展 模块。6K字节程序和数据存储空间。 4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，