基于PLC的霓虹灯控制系统设计说明书Word文档下载推荐.docx
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霓虹灯电子变压器扫描式霓虹灯控制器和变色霓虹灯等新产品也不断涌现。
而在这些新的电子部中，尤以电子变压器特别引起霓虹灯行业的关注和欢迎。
霓虹灯长期沿用的漏磁变压器，性能稳定可靠，制造也已日趋成熟，但它还存在一些明显的缺点。
如它的体积较大因而显得笨重，一台规格45OVA的漏磁变压器重量达1OKg，功率大，工工率因素低，造价高，耗材多，在安装、使用和维修上不方便。
新型电子变压器的研究正是针对这些缺点，经过科技人员的长期努力，实现了每个可带6—8m长的霓虹灯的电子变压器，其价格仅为30元左右，从而实现电子变压器实际应用于霓虹灯技术中。
节能电子变压器具有重量轻，节电、功率因数高、维修和安装方便等优点，因此目前在美国已大量被推广使用。
我国特别是在广州、北京和上海地区，节能型型电子变压器研制也十分活跃，应用日趋广泛。
但作为一种新型电子器件的发展，它还存在不够成熟的地方，迫切需要进一步完善，例如对灯管负载变化的适应性，电磁干扰的克服，工艺的成熟和性能的稳定等。
正因为这个原因，在欧洲和亚洲大多数国家的霓虹灯都依然使用电感式漏磁变压器。
国内外为了推广和改善节能电子型变压器质量，由国际照明委员会（CIE）,国际电工委员会（ICE）,德国的工业电器质量委员会（TUV）和中国照明学会（CIES）都制定出节能电子变压器质量推荐标准，相信随着研究工作的深入和电子元件加工工业的进步，克服现有不足之处的电子变压器一定会在霓虹灯行业中占主导地位，这一发展趋势己成为霓虹灯科技人员的共识。
另外人们正在不断研究霓虹灯的新用途，艺术家也积极地投入这项工作，让霓虹灯技术与艺术的结合得愈来愈紧密，在建筑业霓虹灯的造型使建筑物在晚间旱现出比白大更美的魅力，它能构划出建筑物新的风格，使建筑物色彩艳丽、栩栩如生，更好地吸引人们的注意力。
购物中心和娱乐场所常常大量使用霓虹灯进行的内部装饰，单独或与其它手段合用，实现功能与艺术的完美结合。
2、霓虹灯变压器的设计
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100一20伏，为正离子加速提供能量。
工作电流依赖于灯管直径、电极种类、气体种类及充气压强，一般在15-60mA，太小使霓虹灯发光暗淡，太人又会进入异常辉光放电，加重阴极溅射而缩短灯的寿命。
相对于霓虹灯管管径，霓虹灯的灯管一般总是比较长，可以使正柱区足够长，使正柱区得到比电极损耗更大的电压降，从而提高光效。
一般漏磁变压器的霓虹灯管启动电压达15000V，工作电压也有7500V，均相当的高。
为提高变压器的使用效率，实际工作时，总是把几支霓虹灯串接起来，共用一台变压器，常见的铁芯变压器可以带动多达十米的霓虹幻灯管，以求合理匹配。
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1作。
典型的冷阴极霓虹灯的结构如图2-1所示。
主要由玻璃灯管、霓虹灯变压器、霓虹灯专用高压线等部分组成。
图2-1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:
Ф6、Ф7、Ф8、Ф9、Ф10、Ф12、Ф15、Ф18、Ф20mm等;
以玻璃材质分:
钠玻璃管（俗称石灰料玻璃管）及铅玻璃管<
又称红丹料玻璃管）。
钠玻璃管稳定性差，受潮后极易变质、泛碱（风化），牢度差易爆裂。
目前国内大部分采用的是石灰料即钠钙玻璃，与国外采用的红丹料玻璃即铅错玻璃质量相差较大，存在问题为:
采用的钠钙玻璃内氧化锰杂质含量过大;
钠钙玻璃的化学稳定性差，玻璃表面长期使用后的透明度降低，使灯的光衰加剧:
玻璃中的纳原子向玻管的内表扩散，溶入荧光粉晶体中，使荧光粉劣化;
如果在弯制过程中加温过甚，玻璃中的纳原子析出与汞化合形成黑色的吸光纳汞齐膜，使荧光粉的光效率大为下降。
铅玻璃管其热性能、机械性能、电性能、化学稳定性能、真空性能和光学性能优于钠玻璃，其耐候性、使用寿命大大超过钠玻璃。
玻璃管可以是透明的（俗称明管），也可以是涂有荧光粉的（俗称粉管），依据所需获得光色而定。
明管所充的工作气体通常为惰性气体，不同的惰性气体有其不一样的发光光谱特性。
实际上，灯管的寿命与电极的性能和结构有着紧密的联系着的。
所有的气体放电灯，除应保持必要的真空度外，更重要的是其电极的发射性能及电极的使用寿命。
以氖气最为常见，发红色光，此时氖气不仅参与放电，而且也参与发光。
粉管内涂各种规格荧光粉，内充氢气及少量金属汞，汞蒸激发辐射2537埃紫外线，被荧光粉吸收而产生荧光，氛气作用提高光效降低着火电压。
在玻璃管两端各置一个金属电极，作为发射电子和收集电荷之用。
常用电解铜或镀镍铁制成圆锥形，有足够的发射面积，保证散热和降低阴极电位。
电极要能经受质量相当大的正离子轰击而不致升温过高，不熔化和减少阴极溅射。
金属电极外有云母片，其作用一是支撑电极，二是隔热，防止在真空除气过程中，电极升温过高导致外玻璃管炸裂。
电极作为霓虹灯管的核心部件，其质量与性能的优劣将直接影响灯管的寿命。
质量好的灯管除了对真空度有较高的技术要求外，更重要的是必须有一对发射性能良好的电极，因为电极壳的表层通过轰击加热的过程中，能形成一层非常有利于电子发射激活层。
若在轰击中，完全丧失了这一激活层，那么真空度再高，其寿命也不会超过1000小时的。
实验也证明了灯管寿命不是跟真空度成正比关系。
霓虹灯的电极发射电子是由正子轰击阴极表面而产生二次电子发射的。
它取决于阴极的材质及阴极的表面状态。
实验证明，当阴极表面被其它单层低逸出功金属原子覆盖时，其二次电子发射系数变大，逸出功降低，发射性能好，溅射少。
霓虹灯电极材料大都使用铜、铁、镀镍铁等金属制作的，这些金属的逸出功较高，电子发射性能相对较差。
如果灯管使用这些纯金属发射电子势必造成其阴极压降大，阴极溅射得快，从而使灯管很快因溅射失效，特别是铜电极溅射得更快。
实验证明，纯金属容易溅散，但在金属表面氧化一层有益的氧化膜或涂一层其它逸出功较低的金属或其氧化物，这样做可以大大降低其逸出功的，提高了电子发射性能，从而减缓了阴极溅散，起到了延长灯管寿命的作用。
于是人们在制造电极时，大都把电极进行预处理。
使其阴极压降及溅射大大降低，从而提高了霓虹灯管的质量和寿命。
常见的霓虹灯变压器有两种：
漏磁变压器和电子变压器。
漏磁变压器既是变压器，与普通变压器有同样的结构，在铁芯上绕上初级和次级线圈，同样在铁芯窗口的中间部位增加了一个普通变压器所没有的磁分路，这个磁分路用小的硅钢片叠合而成，且与铁芯之间有空气隙，有意让铁芯中的磁通能通过这一分路漏出铁芯。
其作用相当于在变压器上安装了一个安全阀，当次级电流增加时，铁芯中的磁通就会被这磁分路所旁路，只有少数磁通与次级线圈相联系，使次级的感应电动势减小，从而使漏磁变压器获得了霓虹灯变压器所需的保持灯管电流不变的特性。
漏磁变压器通过长期的使用和改进，设计及制作工艺都已达到完善和成熟。
它的性能可靠，工作稳定，被广泛使用。
漏磁式霓虹灯变压器功率高450vA，重量大于10公斤，虽然具有工作稳定可靠，负载能力强（可带1米到12米霓虹管），但是漏磁变压器需耗费大量的铜和钢，笨重且价高，安装困难，而且功率因数仅为0.5左右。
在电力资源日益紧张的今大，传统的漏磁式霓虹灯变压器正被能低、体积小、重量轻的电子式霓虹灯变压器所取代。
电子式霓虹灯变压器一般6米的功耗不大于80W，12米的功耗不大于105W，大型霓虹灯工程中能大幅度节约电力资源，且方便安装维护，但也有缺点，主要是可靠性差、亮度低、恒流性能弱，其中以可靠性问题最为突出。
电子变压器原理并不复杂，所用之电经过整流滤波后得到3OOV左右的直流电压，然后通过逆变电路，将直流电转变为高频交流电，再经升压变压器升压到很高的电压供霓虹灯启辉工作电路通常设置有保护电路，以保证霓虹灯管开路或短路等异常情况时电路的安全。
用电子技术制成的霓虹灯电子变压器，在霓虹灯工程中得到广泛应用，相当大范围内取代了传统的漏磁变压器。
变压器通过霓虹灯专用高压绝缘线、杜美丝与玻璃管内电极相连。
常见的高压线有两种：
一是普通高压线即塑料高压线，这种高压线价格便宜，但塑料容易老化，室外使用不久塑料就要老化易引起拉火等，安全性较差。
另一种是硅橡胶绝缘高压线，是目前较理想的霓虹灯连接线，安全性强，可靠性好。
2.3高可靠性霓虹灯的设计
针对霓虹灯电子变压器可靠性差的问题，本文从性价比及可靠性两方面研究市场上逐渐成为主流的6到8米电子式霓虹灯变压器，主要考虑关键部件设计、器件优选和易损器件的保护，以期提高可靠性和性价比。
电子变压器的线路及工作原理霓虹灯电子变压器电子线路见图2-2。
图2-2霓虹灯电子变压器线路图
工作原理为:
220V交流电经Dl-D4整流、C2和C3滤波后变成直流电，供给后面的振荡线路，C2和C3联接点的电压在15V左右，R1、R2稳定155V电压。
A1是按的保险丝，起短路及大电流保护作用。
R1、C1消除交流电高频干扰。
振荡起振线路由R5、R6、C4、D6和D7构成，220V直流电经R5、R6对C4充电，当C4电压上升到某一个值时，触发二极管D7导通，使得三极管T2基极与发射极得到正向偏置电压而导通，注意R5的功率要有2W。
振荡主线路由T1、T2、L1、L2、L3、R8和R9组成，由于起振线路的触发使得T2导通，一旦T2导通，C3通过B初级、L3和T2放电。
L1、L2和L3绕在同一个高频铁氧体磁芯上，且同名端如图1所示，由于有电流流过L3，L1和L2上感应电压使得T2由导通变为截止，而T1由截止变为导通。
一旦T1导通，C2通过T1、L3和B的初级放电，此时通过L3和B的初级的放电电流的方向与先前正好相反，导致T1由导通变为截止，而T2由截止变为导通，如此周而复始，使电路产生振荡。
R8、R9分别是三极管T1、T2基极限流保护电阻，D6的作用是把触发起振后C4上依旧存在的充电电压释放掉，R10和C6有保护T1、T2三极管和改善波形的作用。
R4、C1、D5、R7、C5、R11及SCR构成过流及开路保护线路，R4是过流电压取样电阻，C1的作用是使得保护电路工作可靠，C5可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导通，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Ф12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2-1不同功率管点亮不同长度霓虹灯灯管比较试验
T1T2型号
负载长度
全亮电压/电流
正常亮度电压/电流
240V电流
BUT11A
6M
120V/230mA
150V/270mA
381mA
7M
150V/315mA
170V/325mA
422mA
8M
180V/354mA
200V/387mA
430mA
D1403
BU508
105V/230mA
150V/276mA
140V/308mA
180V/326mA
180V/346mA
190V/375mA
150V/284mA
190V/338mA
从表2.1可以得到如下结论:
不同的功率管带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、BUT11A都具有带6到8米负载的能力，即使D1403与BU508混合使用，其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3.3Ω/W，8米负载，改变R7的阻值，在确定的R7阻值情况下，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。
当R7阻值确定后，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。
R7阻值越大，起始保护线路电流越大。
R7阻值取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，R7有大的改变。
即使同一型号功率管，不同厂家生产的R7也不同。
表2-2R7阻值与起始保护电流的关系
R7阻值（KΩ）
3
4
5
6
6.5
8
起始保护电流（mA）
430
450
465
490
500
515
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。
R7阻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。
所以在保护线路增加正温度系数开关型热感电阻，当功率管温升达到居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。
3、控制系统分析
3.1需求分析
本控制系统主要是用于控制霓虹灯和边框流水灯按顺序的闪烁。
输入程序后可以通过硬件进行灯的自动闪烁，达到宣传的目的。
如图3-1，八个字能按顺序地进行亮灭，并且边框的灯能同时闪烁。
图3-1霓虹灯现实
用PLC对霓虹灯广告屏实现控制,其具体要求如下:
该广告屏中间8个霓虹灯字亮灭的时序为“鼎”字亮到“承”字亮到“大”字亮……“工”字亮,时间间隔均为1S,8个霓虹灯字全亮后,显示10S,再反过来从“工”字到“天”字…“鼎”字顺序熄灭.全灭后,停亮2S,再从头开始运行,周而复始。
广告屏四周的流水灯共24只,一直亮。
系统有单步\连续控制,有启动和停止按钮。
系统霓虹灯字,白帜灯的电压及供电电源均为市电220V。
3.2PLC的性能指标
1.可靠性高，抗干扰能力强。
工业生产对控制设备的可靠性要求：
平均故障间隔时间长，故障修复时间（平均修复时间）短任何电子设备产生的故障，通常为两种：
偶发性故障，由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。
这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。
永久性故障，如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；
如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。
为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还能使PLC具有了很强的抗干扰能力。
2.通用性强，控制程序可变，使用方便。
PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。
用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。
因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。
3.功能强，适应面广。
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。
既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。
4.编程简单，容易掌握。
目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。
既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。
梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。
通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。
同时还提供了功能图、语句表等编程语言。
5.减少了控制系统的设计及施工的工作量。
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。
同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。
并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。
6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便。
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。
并且由于PLC的强抗干扰能力，是实现机电一体化的理想控制设备。
以三菱公司的F1型PLC为例：
其外型尺寸仅为305×
110×
110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；
而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。
现在三菱公司的FX系列PLC与其超小型品种F1系列相比：
面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24～128点。
7.从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。
8.可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。
也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。
这比用PC机作主站方便之处是：
有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。
主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。
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根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，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。
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