基于PLC的霓虹灯控制系统设计 定稿.docx
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基于PLC的霓虹灯控制系统设计定稿
学校代码：
10904
学士学位论文
基于PLC的霓虹灯控制器设计
姓名：
学号：
指导教师：
学院：
机电工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
完成日期：
2016年5月14日
学士学位论文
基于PLC的霓虹灯控制器设计
姓名：
学号：
指导教师：
学院：
机电工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
完成日期：
2016年5月14日
摘要
随着社会的发展,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,一般都会采用霓虹灯广告屏这种广告手法，可见霓虹灯广告屏这种手法在广告宣传方面起到了越来越重要的作用，如何去快捷、可靠、简单的控制霓虹灯的问题，成为人们考虑的重点。
本次课题主要是以西门子S7-200系列为核心的PLC控制电路，模拟仿真了如何利用PLC控制器去控制霓虹灯的亮灭、闪烁时间及流动方向等控制问题，更好地发挥PLC在工业自动化控制特别是顺序控制方面的优势。
该系统成本低廉，结构简单，具有较高的使用价值。
关键词：
西门子S7-200；霓虹灯；发展潜力
Abstract
Alongwithsociety'sdevelopment,thebigsmallandmedium-sizedtownandcitiesallarecarryingonthebrightproject,theenterpriseforunfoldownimageandtheproduct,canusetheneonlightadvertisementscreenthisadvertisementtechniquegenerally,obviousneonlightadvertisementscreenthistechniqueplayedthemoreandmorevitalroleintheadvertisementspropagandaaspect,howwenttoquickly,reliably,thesimplecontrolneonlightquestion,becomeskeypointwhichthepeopleconsidered.WasthistopicmainlywestofthefamilyhouseholdS7-200seriesforthecorePLCcontrolcircuit,howthesimulationhascontrolledtheneonlightusingthePLCcontrollertoextinguish,controlquestionsbrightlyandsoontwinkletimeandflowdirection,displayedPLCwellintheindustrialautomationcontrolisspeciallythesequentialcontrolaspectsuperiority.Thissystemcostisinexpensive,thestructureissimple,hasthehighusevalue.
Keywords：
SiemensS7-200;Neon;Developmentpotential
目录
第1章绪论
1.1课题研究的意义1
1.2国内外研究现状1
1.3基于PLC的霓虹灯控制器的研究内容2
第2章基于PLC的霓虹灯控制器的总体设计方案
2.1方案论证3
2.2具体方案4
第3章系统硬件的设计
3.1PLC的选择5
3.2霓虹灯的部件选择6
3.3其他元器件的选择7
3.4PLC接线图7
3.5I/O分配表8
3.6电路设计9
第4章系统软件的设计
4.1流程图10
4.2程序编写10
4.3梯形图的设计11
第5章系统的仿真
5.1调试仿真16
5.2程序运行原理说明18
总结20
参考文献21
致谢22
第1章绪论
1.1课题研究的意义
随着在现代生活中，彩灯作为一种装饰，既可以增强人们的感观，起到广告宣传的作用，又可以增添节日气氛，为人们的生活增添亮丽，用在舞台上增强晚会灯光效果。
随着科学技术的发展以及人民生活水平的提高，人们对于彩灯的要求越来越高。
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，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，然而用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［1-3］。
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。
1.2国内外研究现状
近年来随着科技的飞速发展，国外大型霓虹灯控制系统公司如德国的西门子公司等都已采用仿真设计，国内在PLC控制霓虹灯控制器发面的自主研发起步较晚，但是目前也已经取得了较为显著的进步。
其中台湾的台达公司PLC控制器系列产品，其自主研发水平已达到相当高度，并在批量生产中得到检验。
随着现在商家广告宣传力度的增加，基于PLC控制的霓虹灯的发展也日新月异，通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等优点已成为霓虹灯及其控制电路的必然趋势［4-5］。
传统霓虹灯设计中，人们通过纯电路和电气控制方式来控制霓虹灯的闪烁，由于这种控制方式完全依靠电气控制使用的硬件来保证其正常工作，一方面中间使用的继电器，一旦有机械磨损，这样会引发不能及时触发电路电源开关的故障，使霓虹灯不能正常闪烁。
另一方面霓虹灯的闪烁时间间隔是相当的短，几乎是零点几秒，时间间隔很短这种情况下使用电气控制是不可能实现的，这样只有选用更好的硬件系统元件才是避免这类故障发生的更可靠的方法。
目前霓虹灯控制系统有很多，如用单片机实现该方案时有很多缺点，用单片机实现该方案所需的外围电路多，工作量相对于PLC较大，可靠性及抗干扰能力也显然不如PLC，中断优先级不明确，相对于PLC而言用起来较复杂，配套设施和功能没有PLC完善。
所以对基于PLC的霓虹灯控制系统研究就显现出了其重要性。
本次课题主要是以S7-200系列为核心的PLC控制电路，它主要模拟了如何利用PLC控制器去快捷、可靠、简单的操控霓虹灯，更好地发挥PLC在工业自动化控制特别是顺序控制方面的优势［6］。
1.3基于PLC的霓虹灯控制器的研究内容
本次课题的研究目标是设计一个快捷地、可靠地、便宜地、简单地PLC霓虹灯控制器。
更好地发挥PLC在工业自动化控制特别是顺序控制方面的优势，以增强人们的感观，起到广告宣传的作用，又可以增添节日气氛，为人们的生活增添亮丽。
本设计有以下几方面的工作：
1.分析霓虹灯灯在基于不同控制器作用下的可靠性和性价比，提出设计要求。
2.提出设计方案，选择硬件，包括玻璃灯管、霓虹灯变压器、霓虹灯专用高压线、PLC等。
分析各部分的功能要求，设计总体接线图。
3.对软件系统的设计，设计程序框图，选择开发语言编写程序来实现对系统控制。
4.运用仿真软件进行系统仿真，调试系统，进一步优化程序，完善系统，使系统更加智能化。
第2章基于PLC的霓虹灯控制器的总体设计方案
2.1方案论证
霓虹灯控制系统有很多，如单片机、PLC控制系统等用单片机实现该方案时有很多缺点，用单片机实现该方案所需的外围电路多，工作量相对于PLC较大，可靠性及抗干扰能力也显然不如PLC，中断优先级不明确，相对于PLC而言用起来较复杂，配套设施和功能没有PLC完善［7-9］。
本设计之所以采用PLC控制是因为可编程控制器在工业环境下应用及满足用户需要设计时，它具有以下的特点［10-12］：
1.可靠性高，抗干扰能力强。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2.配套齐全，功能完善，适用性强。
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎。
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4.系统的设计和建造工作量小，维护方便，容易改造。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
2.2具体方案
本控制系统主要是用于控制霓虹灯按顺序的闪烁。
输入程序后可以通过硬件配置进行灯的自动闪烁，达到宣传的目的。
如图2-1所示，八个字能按顺序地进行亮灭和闪烁。
图2-1霓虹灯字简图
用PLC对霓虹灯广告屏实现控制,其具体要求如下:
1.该广告屏中间8个霓虹灯字亮灭的时序为“兼”字亮到“爱”字亮到“尚”字亮到……“行”字亮,时间间隔均为2S,8个霓虹灯字全部点亮后,持续亮10S,然后每隔3S闪烁一次，闪烁三次后，8个霓虹灯熄灭，再重复以上过程。
2.系统有启动和停止和按钮。
3.系统霓虹灯字的电压及供电电源均为市电220V。
第3章系统硬件的设计
基于PLC的霓虹灯控制器硬件结构主要包括PLC、霓虹灯的部件等［13-15］。
3.1PLC的选择
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系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种CPU。
档次最低的是CPU221，其数字量输入点有6点，数字量输出点有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/O248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3-1。
图3-1S7-200PLC结构
由于本设计中需要2个数字量输入点、8个数字量输出点，我选择了S7-200系列中的CPU224，CPU224是S7-200系列中具有较强控制能力的小型控制器。
S7-200系列CPU224集成了14点输入/10点输出，共有24点数字量I/O。
它适合本次设计的要求，并且是具有较强的控制能力的小型控制器，相对于其它系列CPU224能更好的应用于本次设计中的任务，并且具有较高的性价比，应用广泛。
3.2霓虹灯的部件选择
霓虹灯是一种冷阴极辉光放电管，其辐射光谱具有极强的穿透大气的能力，色彩鲜艳绚丽、多姿，发光效率明显优于普通的白炽灯，它的线条结构变现力丰富，可以加工弯制成任何几何形状，满足设计要求，通过程序控制，可以变换文字的效果。
霓虹灯的主要部件由玻璃灯管、霓虹灯变压器、霓虹灯专用高压线等部分组成。
玻璃灯管以直径规格分为:
Ф6、Ф7、Ф8、Ф9、Ф10、Ф12、Ф15、Ф18、Ф20mm等，考虑到外观的协调性本设计采用Ф12mm的灯管，这种彩色玻璃管，在拉制玻璃管时已充入燃料，生产出的玻璃管已呈彩色玻璃管，而本设计为了更好的达到宣传目的，所以采用彩色玻璃管。
常见的霓虹灯变压器有两种：
磁漏变压器和电子变压器。
磁漏式霓虹灯变压器功率高，重量大，虽然具有工作稳定可靠，负载能力强，但磁漏变压器需要耗费大量的铜与钢，笨重且价高，安装困难，而且功率因数仅为0.5左右。
电子式霓虹灯变压器一般6米的功率不大于80W，12米的功率不大于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，在电力资源日益紧张的今天，传统的磁漏式霓虹灯变压器正在被低能、体积小、重量轻的电子式霓虹灯变压器所取代［16］。
霓虹灯电源由单向变压器变压提供，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。
电子变压器的规格有：
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15000V，容量为450伏安变压器，其变压特点是：
可靠性好，负责灯管亮度高，光色一致，寿命长。
目前国内外户外霓虹灯多采用这种电子变压器［17］。
常见的高压线有两种：
一是普通高压线这种高压线虽然价格便宜，但塑料易老化，室外使用不久塑料就要老化易引起拉火等，安全性较差。
另一种硅橡胶绝缘高压线，是目前较理想的霓虹灯连接线，且安全性强，可靠性好［18-20］。
3.3其他元器件的选择
可编所有元器件的选择如表3-1所示。
表3-1元件目录表
元器件
个数
按钮开关
2
连接导线
若干
字型霓虹灯
8
3.4PLC接线图
通过PLC控制八个字型灯和边框流水灯的闪烁，PLC与霓虹灯系统的接线如图3-2所示。
图3-2PLC接线图的设计
3.5I/O分配表
根据控制要求,PLC控制霓虹灯广告显示屏的输入\输出（I\0）地址编排如下表所示,见表3-2。
表3-2I/O分配表
地址
图形符号
注释
I0.0
SB1
启动按钮
I0.1
SB2
停止按钮
Q0.0
HL1
霓虹灯1
Q0.1
HL2
霓虹灯2
Q0.2
HL3
霓虹灯3
Q0.3
HL4
霓虹灯4
Q0.4
HL5
霓虹灯5
Q0.5
HL6
霓虹灯6
Q0.6
HL7
霓虹灯7
Q0.7
HL8
霓虹灯8
3.6电路设计
根据I/O配置，可以画出如图3-3所示的电路图。
图3-3PLC端子接线图
第4章系统软件的设计
4.1流程图
该广告屏中间8个霓虹灯字亮灭的时序为“独”字亮到“善”字亮到“其”字亮……“下”字亮,时间间隔均为2S,8个霓虹灯字全部点亮后,持续亮10S,然后每隔3S闪烁一次，闪烁三次后，8个霓虹灯熄灭，再重复以上过程。
系统的程序框图如图4-1所示。
图4-1程序流程图
4.2程序编写
根据I/O配置，建立程序符号表，如表4-1所示。
其M0.0和M0.1是内部标志位，启动标志M0.0代表已按下启动按钮，闪烁标志M0.1代表彩灯正在闪烁。
Q0.1-Q0.7在符号表中显示“符号未使用”，这7个数字量输出点在程序中被复位指令和移位指令隐含访问到。
点亮延时定时器T37计算彩灯点亮间隔时间，全亮延时定时器T38计算全部彩灯点亮后的持续时间。
闪烁延时定时器T39计算彩灯的闪烁时间。
闪烁计数器C1计算彩灯闪烁的次数。
表4-1程序符号表
符号
地址
注释
启动按钮
I0.0
点亮广告彩灯
停止按钮
I0.1
熄灭广告彩灯
彩灯1
Q0.0
控制彩灯1
彩灯2
Q0.1
控制彩灯2
彩灯3
Q0.2
控制彩灯3
彩灯4
Q0.3
控制彩灯4
彩灯5
Q0.4
控制彩灯5
彩灯6
Q0.5
控制彩灯6
彩灯7
Q0.6
控制彩灯7
彩灯8
Q0.7
控制彩灯8
启动标志
M0.0
已按下启动按钮
闪烁标志
M0.1
彩灯进入闪烁阶段
点亮延时
T37
逐个点亮彩灯延时
全亮延时
T38
灯全部点亮后持续时间
闪烁延时
T39
彩灯闪烁时间
闪烁计数
C1
计算彩灯闪烁次数
4.3梯形图的设计
程序启动。
当按下启动按钮I0.0，设置启动标志位，熄灭所有彩灯，如图4-2所示。
图4-2启动程序梯形图
逐个点亮彩灯程序。
当点亮延时T37计时到时，并且彩灯没有全亮，点亮下一个彩灯，如图4-3所示。
图4-3逐个彩灯点亮程序梯形图
点亮延时程序。
彩灯没有在闪烁阶段，点亮彩灯1，启动点亮延时T37，如图4-4所示。
图4-4点亮延时程序梯形图
彩灯全亮、设置闪烁标志程序。
彩灯全亮时，启动全亮延时T38，全亮延时计时到时，设置闪烁标志M0.1，如图4-5所示。
图4-5彩灯全亮和设置闪烁标志程序梯形图
闪烁延时程序。
设置闪烁标志M0.1后，启动闪烁延时T39，如图4-6所示。
图4-6闪烁延时程序梯形图
彩灯闪烁程序。
闪烁延时计时到时，控制彩灯闪烁，如图4-7所示。
图4-7彩灯闪烁程序梯形图
跳转标号、闪烁计数程序。
闪烁延时到，并且全部彩灯熄灭时，闪烁计数加1，如图4-8所示。
图4-8跳转标号和闪烁计数程序梯形图
闪烁完成程序。
闪烁计数到，清除闪烁计数和闪烁标志，熄灭所有彩灯，如图4-9所示。
图4-9闪烁完成程序梯形图
停止程序。
按下停止按钮，熄灭所有彩灯，清除启动标志和闪烁标志，如图4-10所示。
图4-10停止程序梯形图
第5章系统的仿真
5.1调试仿真
由于程序在调试的时候是出现了很大的问题的，第一个就是程序的步数太多，存在误差太大，后来在老师和同学的指导下，我把程序简化了一下，但是大体的思路还是一样的，仿真图如下：
霓虹灯正序每隔2S亮一个如图5-1所示。
图5-1系统仿真图一
霓虹灯正序全亮10S如图5-2所示。
图5-2系统仿真图二
霓虹灯每隔3S闪烁一次，闪烁三次如图5-3所示。
图5-3系统仿真图三
霓虹灯全灭如图5-4所示。
图5-4系统仿真图四
5.2程序运行原理说明
本程序是用STEP7Micro/WIN编程软件编写，用仿真软件S7-200进行系统仿真，在启动按钮按下以后，程序开始运行，霓虹灯字的开始亮灭，在按下启动按钮以后，八个字会按要求亮灭，主要是定时器控制的，开始时是灯的依次亮，全亮后持续亮一段时间，然后是灯的闪烁。
霓虹灯的亮灭，状态比较多，把每一种情况都纳入一个状态的，最后，全部霓虹灯熄灭，再重复以上过程。
第6章总结
经过这次的毕业设计培养了我的设计能力以及全面的考虑问题能力，使得我对PLC的掌握进一步的增强，加深了对PLC的理解，并对PLC产生了浓厚的兴趣，但是我也深深的知道自己的不足之处，比如说对应用指令的不熟悉，复杂的程序不能很好理解。
许多在学习过程中不能想通的问题，在PLC调试过程中，终于得以解决，可以看出它对理论教学起到了必要的补充和拓展作用，对培养既具有扎实理论功底又具有相当实践能力的人才是必不可少的。
在这次的课程中，充分发现了PLC在工业控制中的作用很大，它能使人的控制转变成电脑的控制，大大地降低了产品的成本，很大地提高生产效率。
PLC在未来很有发展潜力，我们必须要很好的掌握这门技术。
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致谢
时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。
离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。
从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!
这次毕业设计说明书的完成，首先要感谢学院提供一个让我自我总结的机会，也要感谢带领我的指导教师缑亚楠老师，在毕业设计修改过程中，给予了精心的指导，并讲解了各项专业要领，提出了宝贵的专业意见，程序编制过程中，也给了我很大帮助，是他的精心指导才使我的毕业
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