霓虹灯广告屏的PLC控制系统设计.doc

湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 1 摘摘 要要 霓虹灯在个大中小城市都在进行着亮化工程，各企业为了宣传自己的 产品及形象都采用广告的形式来宣传自己，霓虹灯的闪烁不能够用人工来 控制，那样不会呈现给人们美好的视觉，而用电气控制的话，中间使用的 继电器，会有机械磨损，而霓虹灯的闪烁时间间隔是相当的短，几乎是零 点几秒，这样看来使用电气控制是不太可能了，当然随着一种需要必然会 有一种东西的出现。可编程控制器简称 plc 的出现就解决了这个问题，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，它具有独特的优点来控制霓虹灯的闪烁。 霓虹灯的亮和灭，闪烁时间及流动方向等均可以通过 plc 来达到控制 的要求。这其中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 去控制霓虹灯的。 随着社会主义市场经济的不断繁荣和发展,各大中小城市都在进行亮化 工程。各企业为宣传自己企业的形象和产品,均采用广告手法之一：霓虹灯 广告屏来实现这一目的,本文就是介绍如何利用 plc 控制系统来实现这一目 的的。 关键字关键字：可编程控制器 plc 霓虹灯 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 2 目目 录录 摘 要.1 目 录.2 前 言.4 一 霓虹灯的概述.5 1 霓虹灯的起源及其发展史.5 1.1 霓虹灯的起源 5 1.2 霓虹灯的发展史 5 2 霓虹灯的工作原理及特点.6 2.1 霓虹灯的工作原理 6 2.2 霓虹灯的特点 6 3 霓虹灯的主要部件以及制作工艺.7 3.1 霓虹灯的主要部件 7 3.2 霓虹灯的制作工艺 9 4 霓虹灯的现状与发展.10 二 plc 的概述 12 1 plc 的产生与发展12 1.1 plc 的产生.12 1.2 plc 的发展.13 2 plc 的结构与特点14 2.1 plc 的结构.14 2.2 plc 的特点.16 三 plc 常见的编程 21 1 梯形图编程.21 2 指令表编程.21 3 逻辑功能图编程.21 4 顺序功能图编程.21 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 3 四 霓虹灯控制系统及 plc 设计 .22 1 霓虹灯 plc 软件控制流程图22 1.1 用 plc 控制霓虹灯字的明灭，具体要求.22 1.2 根据上述要求做出流程图 22 2 i/o 分配及 plc 硬件控制电路图、原理图24 2.1 i/o 分配表及 plc 类型的选择24 2.2 根据流程图及 i/o 表画出 plc 硬件控制电路图、原理图25 3 霓虹灯 plc 硬件控制电路的分析26 3.1 系统的控制方式 26 3.2 系统的配置 .27 4 霓虹灯 plc 软件控制梯形图与指令表29 4.1 根据流程图和接口线路图画出梯形图 .29 4.2 指令表 34 结束语.38 致 谢.39 参考文献.40 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 4 前前 言言 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,个大中小 城市都在进行亮化工程。各企业为宣传自己企业的形象和产品,均采用广告 手法之一:霓虹灯广告屏来实现这一目的。当我们夜晚走在大街上,马路两 旁各色各样的霓虹灯广告均可以见到,一种是采用霓虹灯管做成的各种形状 和多种色彩的灯管,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。这些灯的亮灭,闪烁时间及流动方向等均可 以通过 plc 控制系统来达到控制的要求。 可编程控制器 plc：英文全称 programmable logic controller ,中文 全称为可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业 环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序， 执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通 过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。作为自动控制 装置的核心,它具有功能强,可靠性高等诸多优点,plc 实验装置采用的是模 块化结构，主要模块有可编程序控制器、编程器模块，九种实验模块，按 钮、开关输入模块和继电器输出模块，以及四层电梯模型。该装置可以完 成各种指令系统训练以及多种控制对象的程序设计训练。 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 5 一一 霓虹灯霓虹灯的概述的概述 1 霓虹灯的起源及其发展史 1.1 霓虹灯的起源 霓虹灯是由英文“氖灯” ，即“neon sign”得来的， “霓虹”两字实际 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。 霓虹灯自 1910 年问世以来，历经百年不衰。它是一种特殊的低气压冷 阴极辉光放电发光的电光源，而不同于其它诸如荧光灯、高压钠灯、金属 卤化物灯、水银灯、白炽灯等弧光灯。霓虹灯是靠充入玻璃管内的低压惰 性气体，在高压电场下冷阴极辉光放电而发光。霓虹灯的光色是由充入惰 性气体的光谱特性决定：光管型霓虹灯充入氖气，霓虹灯发红色光；荧光 型霓虹灯充入氩气及汞，霓虹灯发蓝色、黄色等光，这两大类霓虹灯都是 靠灯管内的工作气体原子受激辐射发光。 1.2 霓虹灯的发展史 霓虹灯的发展可以追溯到英国物理学家和化学家法拉第对气体放电的 研究，电流通过含有少量正负离子的气体时，受紫外线、宇宙射线、微量 放射物质的作用，在足够高的外加电压作用下运动，并与中性气体分子碰 撞后，使中性分子发生电离，因而离子的数目倍增。电流通过气体时还伴 有发光现象，即所谓的辉光放电。其发光的颜色随所充气体的不同而不同。 法拉第的理论及其在实验上的成就，为霓虹灯技术的发展奠定了坚实的基 础。 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，致使霓虹灯 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 6 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馏。 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。 2 霓虹灯的工作原理及特点 2.1 霓虹灯的工作原理 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。当这一高压加到霓虹灯管两端电极上时，霓虹灯管内的带电粒子在高 压电场中被加速并飞向电极，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。 2.2 霓虹灯的特点 与其他电光源相比，霓虹灯具有以下特点： 2.2.1 高效率 霓虹灯是依靠灯光两端电极头在高压电场下将灯管内的惰性气体击燃， 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 7 它不同于普通光源必须把钨丝烧到高温才能发光，造成大量的电能以热能 的形式被消耗掉，因此，用同样多的电能，霓虹灯具有更高的亮度。 2.2.2 温度低、不受气候限制 霓虹灯因其冷阴极特性，工作时灯管温度在60c以下，所以能置于露 天日晒雨淋或在水中工作。同样因其工作特性，霓虹灯光谱具有很强的穿 透力，在雨天或雾天仍能保持较好的视觉效果。 2.2.3 低能耗 在技术不断创新的时代，霓虹灯的制造技术及相关零部件的技术水平 页在不断进步。新型电极、新型电子变压器的应用，使霓虹灯的耗电量大 大降低，由过去的每米灯管耗电56瓦降到现在的每米灯管耗电12瓦。 2.2.4 寿命长 霓虹灯在连续工作不断电的情况下，寿命达一万小时以上，这一优势 是其他任何电光源都难以达到的。 2.2.5 制作灵活、彩多样 霓虹灯是由玻璃管制成，经过烧制，玻璃管能弯曲成任意形状，具有 极大的灵活性，通过选择不同类型的管子并充入不同的惰性气体，霓虹灯 能得到五彩缤纷、多种颜色的光。 2.2.6 动感强、果佳、实用 霓虹灯画面由常亮的灯管及动态发光的扫描管组成，可设置为跳动式 扫描，渐变式扫描、混色变色七种颜色扫描。扫描管由装有微电脑芯片编 程的扫描机控制，扫描管按编好的程序亮或灭，组成一副副流动的画面， 似天上彩虹、象人间银河、更酷似一个梦幻世界，引人入胜，使人难以忘 怀。因此、霓虹灯是一种投入较少、效果强烈、经济实用的广告形式。 3 霓虹灯的主要部件以及制作工艺 3.1 霓虹灯的主要部件 3.1.1 霓虹灯管： （1）以规格分：有6、7、8、9、10、12、15、18、20毫米等粗细。 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 8 （2）以玻璃材质分： a.钠玻璃管（或称石灰料玻璃管）这种玻璃管稳定性差，受潮后极易 变质、泛碱（风化） ，牢度差易爆裂。目前在我国使用此种材料的约占80% 左右。 b.铅玻璃管（又称红丹料玻璃管）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，目前国际上通用大都是这种铅玻璃管，我国目前使用量已达 2030%左右，凡是追求质量好的制作厂家，用户都选用铅管制作霓虹灯。 铅玻璃又以含铅量多少分为：重铅玻璃、中铅玻璃和轻铅玻璃。 c.彩色玻璃管，这种玻璃管，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。 （3）以霓虹灯管内涂荧光粉材料分： a.目前使用的多数霓虹灯管喷涂的是“普通荧光粉” ，这种粉价格比较 便宜，一般也能满足各种色彩的要求。 b.“三基色”荧光粉， （也称稀土荧光粉）与普通荧光粉比较，其亮度、 色度、鲜度更佳。 （4）喷涂荧光粉的工艺又分水涂和胶涂二种： a.水涂即用醇、酮溶济混合荧光粉喷涂在灯管内壁，让其自然干燥。 b.胶涂即用胶液混合荧光粉喷涂，再用烘箱烘干，其粘度、牢度大大 优于水涂粉管。目前先进国家大都有采用三基色胶涂含铅玻璃管制作霓虹 灯，我国目前已有部分厂商使用这种霓虹灯管。 3.1.2 霓虹灯变压器 ： （1）霓虹灯漏磁变压器， （又称电感变压器、铁芯变压器）其特点是： 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 国外及上海的户外霓虹灯大多数采用这种变压器。电感变压器的规格有： 3kv、6kv、9kv、12kv、15kv、18kv。 （2）电子变压器（也称高频冷启动管形放电灯电子转换器或霓虹灯电 源）其优点是：重量轻、制造方便、节约金属材料，目前国内生产电子变 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 9 压器质量稳定，有一定规模，其中有的企业还批量出口。但有不少单位生 产的电子变压器亮度达不到应有亮度，在室外使用就有点相形见绌。电子 变压器又分直流和交流二种，直流电子变压器由于单向导通往往会产生灯 管一头亮一头暗的情况。又因电子变压器输出频率会受到 负载灯管长度的 影响，在同幅霓虹灯中，由于每笔灯管长短不一也会产生灯色不匀等现象。 有些生产厂家为了降低成本，不愿采用高质量高品质的电器元件，而且加 工工艺简陋，故可靠性差，寿命短。电子变压器的规格有： 40w、60w、80w、100w 等规格，也有称 4 米机、6 米机、8 米机、10 米机、 12 米机等。要真正生产符合霓虹灯使用要求的电子变压器也是可以做到的， 但其价格就会接近电感变压器的价格，为了低价竞销，获取市场份额，一 些厂商牺牲霓虹灯的亮度、可靠性、寿命来获得市场利润。 3.1.3 程序控制器： （1）普通式电子程序控制器： （2）渐变式电子程序控制器： 3.1.4 霓虹灯高压线： （1）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引起拉火等，安全性较差。 （2）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。 以上介绍的是组成霓虹灯的主要另部件，由此可知，霓虹灯与其他商 品一样，品种、规格、质量优劣区别很大。用户在选择霓虹灯制作单位时， 也要了解他们的制作实力，加工工艺和售后服务是否到位，凡是较大的霓 虹灯工程，都应要制作单位详细报价，进行核实，如有条件，应按行业标 准进行验收，不要只看总价便宜，更要看他们提供给用户的是什么样的质 量和服务。 3.2 霓虹灯的制作工艺 霓虹灯在制作工艺上，不论是明管、粉管还是彩管，其制作工艺基本 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 10 相同，它们都需经过玻管成型、封接电极、轰击去气、充惰性气体、封排 气孔老炼等工艺。 玻管成型即制作人员沿着图案或文字的轮廓经过专用火头，将 直玻璃管烧、烤、弯成图案或文字的过程，制作人员水平的高低可凭肉眼 看的出来，水平低的人员制成的灯管易出现转弯处凹凸不平、太厚或太薄、 内侧皱折、偏歪不成平面等。 封接电极即将弯成型的灯管经过火头接上电极和排气孔的过程， 接口不得太薄或太厚，接口处须完全烧融，否则易出现慢漏气。 轰击去气制作霓虹灯的关键。是通过高压电轰击电极，加热电 极焚烧灯管电极内肉眼看不见的水蒸气、尘土、油质等物质，排掉这些有 害物质，将玻管抽成真空的过程。轰击去气的温度达不到，上述有害物质 会除不彻底，直接影响灯管的质量。轰击去气的温度过高会引起电极过度 氧化，使其表面产生氧化层，引起灯管质量下降。轰击去气彻底的玻管充 入适当隋性气体，经过老练，即完成霓虹灯制作过程。 4 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 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 11 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徕顾客、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。霓虹灯问 世已有近百年的历史，虽然它在原理上仅仅是一种简单的冷阴极辉光放电 管，但在经济繁荣、科学技术发展的进程中，不仅没有被淘汰，反而日益 兴旺。 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 12 二二 plcplc 的概述的概述 1 plc 的产生与发展 1.1 plc 的产生 在 60 年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制 装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设 计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电 器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至 阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在 1969 年 公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标 指标，即： （1）编程方便现场可修改程序； （2）维修方便采用模块化结构； （3）可靠性高于继电器控制装置； （4）体积小于继电器控制装置； （5）数据可直接送入管理计算机； （6）成本可与继电器控制装置竞争； （7）输入可以是交流 115v； （8）输出为交流 115v 2a 以上能直接驱动电磁阀接触器等； （9）在扩展时原系统只要很小变更； （10）用户程序存储器容量至少能扩展到 4k。 1969 年，美国数字设备公司（dec）研制出第一台 plc，在美国通用汽车自 动装配线上试用，获的了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂， 操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很 快地在美国其他工业领域推广应用。到 1971 年，已经成功地应用于食品饮 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 13 料冶金造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国 家的高度重视。1971 日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第 一台 plc。1973 年西欧国家也研制出它们的第一台 plc。我国从 1974 年开 始研制，于 1977 年开始工业应用。 1.2 plc 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 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 14 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 的应用范围的以扩大。 （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，使的各种类型的 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。这样使的 plc 软、硬件功能发生了巨大变化。 2 plc 的结构与特点 2.1 plc 的结构 从结构上分，plc 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 plc 包 括 cpu 板、i/o 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可 拆卸的整体。模块式 plc 包括 cpu 模块、i/o 模块、内存、电源模块、底板 或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置： 2.1.1 cpu 的构成： cpu 是 plc 的核心，起神经中枢的作用，每套 plc 至少有一个 cpu，它 按 plc 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式 采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时， 诊断电源和 plc 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运 行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务 产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 cpu 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制 及状态总线构成，cpu 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主 要用于存储程序及数据，是 plc 不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析 cpu 的内部电路，但对各部分的工作 机制还是应有足够的理解。cpu 的控制器控制 cpu 工作，由它读取指令、解 释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或 逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 15 果，它也是在控制器指挥下工作。cpu 速度和内存容量是 plc 的重要参数， 它们决定着 plc 的工作速度，io 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 2.1.2 i/o 模块： plc 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（i/o）完成的。i/o 模 块集成了 plc 的 i/o 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映 输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 plc 系统，输出 模块相反。i/o 分为开关量输入（di），开关量输出（do），模拟量输入 （ai），模拟量输出（ao）等模块。 开关量是指只有开和关（或 1 和 0）两种状态的信号，模拟量是指连续 变化的量。常用的 i/o 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220vac、110vac、24vdc，按隔离方式分， 有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20ma,0-20ma）、电压型（0- 10v,0-5v,-10-10v）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 i/o 外，还有特殊 i/o 模块，如热电阻、热电偶、脉冲 等模块。 按 i/o 点数确定模块规格及数量，i/o 模块可多可少，但其最大数受 cpu 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 2.1.3 电源模块： plc 电源用于为 plc 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为 输入电路提供 24v 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220vac 或 110 vac），直流电源（常用的为 24vdc）。 2.1.4 底板或机架： 大多数模块式 plc 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块 间的联系，使 cpu 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连 接，使各模块构成一个整体。 2.1.5 plc 系统的其它设备： 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 16 （1）编程设备：编程器是 plc 开发应用、监测运行、检查维护不可缺 少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控 plc 及 plc 所控制的系统 的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 plc 一般有手持型 编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 （2）人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或 触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软 件）充当人机界面非常普及。 （3）输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如 eprom、eeprom 写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 图 2-1 可编程控制器的硬件简化框图 2.2 plc 的特点 为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，plc 机有以下特点： 2.2.1 可靠性高、干扰能力强 工业生产对控制设备的可靠性要求： （1）平均故障间隔时间长。 （2）故障修复时间（平均修复时间）短。 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 17 任何电子设备产生的故障，通常为两种： （1）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。但对 plc 而言，受 外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。 （2）永久性故障：由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。 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，还使 plc 具有了 很强的抗干扰能力。 硬件措施： 主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点 的电子存储器完成，i/o 系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。 a.屏蔽对电源变压器、cpu、编程器等主要部件，采用导电、导磁 良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。 b.滤波对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如 lc 或 型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。 c.电源调整与保护对微处理器这个核心部件所需的+5v 电源，采用 多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电 压、欠电压的影响。 d.隔离在微处理器与 i/o 电路之间，采用光电隔离措施，有效地 隔离 i/o 接口与 cpu 之间电的联系，减少故障和误动作；各 i/o 口之间亦 彼此隔离。 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 18 e.采用模块式结构这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦 查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助 于加快查找故障原因。 软件措施： 有极强的自检及保护功能。 a.故障检测软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池 电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。 b.信息保护与恢复当偶发性故障条件出现时，不破坏 plc 内部的 信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以， plc 在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器 进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。 c.设置警戒时钟 wdt（看门狗）如果程序每循环执行时间超过了 wdt 规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。 d.加强对程序的检查和校验一旦程序有错，立即报警，并停止执 行。 e.对程序及动态数据进行电池后备停电后，利用后备电池供电， 有关状态及信息就不会丢失。 plc 的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为 1000v，上升时间 1ns，脉冲宽度为 1的干扰脉冲。一般，平均故障间隔s 时间可达几十万上千万小时；制成系统亦可达 45 万小时甚至更长时间。 2.2.2 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。 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 19 2.2.3 功能强、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。 2.2.4 编程简单、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人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。 plc 在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行 （plc 内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比， 执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微 不足道的，完全可以满足控制要求。 2.2.5 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 间继电器、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。 2.2.6 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，易于装入设备内部， 是实现机电一体化的理想控制设备。 plc 产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对 plc 的分类，通常根 据其结构形式的不同、功能的差异和 i/o 点数的多少等进行大致分类。 3 plc 的应用 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 20 目前，在国内外 plc 已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、 电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着 plc 性能价格比的 不断提高，其应用领域不断扩大。从应用类型看，plc 的应用大致可归纳为 以下几个方面： （1）开关量逻辑控制： 利用 plc 最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以 取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等， 例如：机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制 等。这是 plc 最基本的应用，也是 plc 最广泛的应用领域。 （2）运动控制： 大多数 plc 都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。 这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进 行运动控制。 （3）过程控制： 大、中型 plc 都具有多路模拟量 i/o 模块和 pid 控制功能，有的小型 plc 也具有模拟量输入输出。所以 plc 可实现模拟量控制，而且具有 pid 控 制功能的 plc 可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、 反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。 （4）数据处理： 现代的 plc 都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能， 可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给 其它智能装置，如计算机数值控制（cnc）设备，进行处理。 （5）通信联网： plc 的通信包括 plc 与 plc、plc 与上位计算机、plc 与其它智能设备 之间的通信，plc 系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换 单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制” 的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（fa）系统发展的需要。 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 21 三三 plcplc 常见的编程常见的编程 plc 的编程语言主要有梯形图、指令表、逻辑功能图、功能块图、顺 序功能图（sfc,也称为步进梯形图） 、结构化文本等。 1 梯形图编程 梯形图（ladder diagram，简称 lad）是一种沿用了继电器、线圈、 连线等图形与符号的图形编程语言，他在 plc 编程中最为常用。 采用梯形图编程时，plc 程序中的“与” 、 “或”逻辑运算利用触点的 串、并连表示；“非”逻辑运算利用“常闭”触点表示；逻辑运算的结果 利用“线圈”的形式输出。 2 指令表编程 指令表（statement list，简称 stl 或 list）是一种使用助记符的 plc 编程语言。 指令表程序由大量的指令组成。指令表的每一条指令通常由“指令代 码”与“操作数”俩部分组成，为了实现“跳转”的需要，指令前面还可 能增加“跳转”标记。 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 22 3 逻辑功能图编程 逻辑功能图（control system flowchart，简称 csf，也称控制系统 流程图）是一种沿用了数字电子线路的逻辑门电路、触发器、连线等图形 与符号的图形编程语言。 4 顺序功能图编程 顺序功能图（sequential function chart，简称 sfc）是一种新颖 的、按照工艺流程图进行编程的图形编程语言。 四四 霓虹灯控制系统及霓虹灯控制系统及 plcplc 设计设计 1 霓虹灯 plc 软件控制流程图 1.1 用 plc 控制霓虹灯字的明灭，具体要求 如下： 1、广告字 1 亮，1 秒后熄灭； 2、广告字 2 亮，1 秒后熄灭； 3、广告字 3 亮，1 秒后熄灭； 4、广告字 4 亮，1 秒后熄灭； 5、广告字 5 亮，1 秒后熄灭； 6、广告字 1 亮，等待 1 秒； 7、广告字 2 亮，同时保持前字亮，等待 1 秒； 8、广告字 3 亮，同时保持前字亮，等待 1 秒； 9、广告字 4 亮，同时保持前字亮，等待 1 秒； 10、广告字 5 亮，同时保持前字亮，等待 2 秒； 11、五个广告字全部熄灭，等待 3 秒； 12、五个广告字全亮，等待 3 秒； 13、五个广告字全部熄灭，等待 3 秒； 14、五个广告字全亮，等待 5 秒； 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 23 15、五个广告字全部熄灭，等待 3 秒。 16、重复过程 115。 1.2 根据上述要求做出流程图 （见图 4-1） 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 24 图 4-1 流程图 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 25 2 i/o 分配及 plc 硬件控制电路图、原理图 2.1 i/o 分配表及 plc 类型的选择 plc 类型的选择： 首先考虑，i/o 点数的多少； 准确把统计出被控设备的输入，输出点数的总需要量是 plc 选形的基 础。将输入点和输出点详细列出。然后再实际统计出 i/o 点总数的基础上 再 15%-20%的备用量，以便今后调整和扩充。 多数小型 plc 是整体式结构，除了按点数分成一些档次如 32 点，48 点， 64 点，80 点外，还有其他多种模块扩展单元。 这里选用最常用的欧姆龙 c 系列 p 型机，为了以后的进一步改造以及 及时替换损坏的端口，故选用 c28p-cdr-a 的 plc。它的基本特点如下： 单元名称：c28p cpu 电源电压：ac100-240v 输入：dc24v,16 点 输出：继电器 2a,12 点 i/o 分配表 4-1 输入输入口 输出输出口 启动开关0001广告字 1 灯的中间继电器 ka10500 停止开关0000广告字 2 灯的中间继电器 ka20501 广告字 3 灯的中间继电器 ka30502 广告字 4 灯的中间继电器 ka40503 广告字 5 灯的中间继电器 ka50504 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 26 2.2 根据流程图及 i/o 表画出 plc 硬件控制电路图、原理图 电路图（见图 4-2）原理图（见图 4-3） 图 4-2 plc 硬件控制电路图 由接口图可知： 输入端：24v 直流电；启动按钮、停止按钮； 外部 220v 电源； 输出端：五个发光字的中间继电器 ka1、ka2、ka3、ka4 及 ka5； plc 电源可以为 110v 或 220v 等等。 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 27 图 4-3 原理图 由原理图可知：五个中间继电器分别和五个发光字“湖、铁、科、职、 院”相连接。一旦闭合启动按钮，五个中间继电器通电吸合，则与继电器 相对应的五个发光字按设定的流程开始工作。 3 霓虹灯 plc 硬件控制电路的分析 plc 的硬件主要是由中央处理器（cpu） 、存储器、输入单元、输出单元， 通信接口、扩展接口电源等部分组成。 3.1 系统的控制方式 系统控制具有自动、半自动和手动检修 3 种工作方式：自动时，由 plc 自动完成每个灯得运行，不需要人工参与，半自动工作方式时，有工 作人员选择那几个小灯，plc 自动完成每个小灯亮灭，手动为故障检修和 最终的停止，当某个小灯及其附属设备发生故障时，该小灯将会自动退出 运行，不影响其他小灯运行。plc 柜上有该小灯的禁止启动安扭，启动时 禁止其他人员靠近，以保证系统正常运行和安全可靠。 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 28 3.2 系统的配置 plc 的硬件主要是由中央处理器（cpu）、存储器、输入单元、输出 单元，通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，cpu 是 plc 的核心， 输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与 cpu 之间的接口电路，通 信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。典型 plc 组成框图如图 4- 4 所示。 图 4-4 plc 组成框图 采用工控机作为上位机、plc 系统作为下位机的两级控制模式。plc 控制系统是该程控系统的核心，工控机作为监控机械手的运行状态使用。 3.2.1 上位机 计算机作为上位机，用于完成状态显示、打印输出、向 plc 发送分类 控制信号等功能，从而实现对控制系统的实时监控。同时，计算机还是图 象处理的核心。 3.2.2 下位机 湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）说明书 29 plc 作为下位机，用来完成状态判别、输出控制等工作。它直接控制 继电器，从而实现对各执行元件的控制。本系统采用价格适中、可靠性高、 维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器欧姆龙 c28p-cdr-a 型 plc 来实现 霓虹灯工艺的控制要求的。欧姆龙 plc 是由电源、中央处理器和 i/o 元件 组成的严密高速的程序控制器，配有丰富的指令系统，易于用户编程，具 有丰富的特殊模块和通信能力，可以满足生产自动化的多级要求。本系统 采用 c28p-cdr-a 是一种功能完善的紧凑型 plc，大程序容量和存储单位。 另外 cpu 单元带 rs-232c 接口，具有 ppi、mpi 等通信协议可实现程序传 送，数据通信等功能。 3.2.3 通信方式 c28p-cdr-a cpu 支持多样的通信协议：点到点（point-to-point）接口 （ppi）、多点接口（multi-point）（mpi）。这些都基于系统内通信结构 模型，都是异步、基于字符的协议。其中 ppi 方式是非常简单方便的通信 协议，只需要一根 rs-232c 线进行数据信号的传递，不需要额外再配置模 块或软件。因此，本系统选择 ppi 方式，简单且能满足通信要求。c28p- cdr-a 型 plc 上配有 rs-232c 的通信接口，因此在不增加任何硬件的情况 下，可以很方便地将 plc 和计算机互联。 上位机与下位机之间通过 rs-232 连接构成 host link 协议进行通信。 rs-232 又称为 eia-232c 或 rs-232c，是最通用的一种串行通讯标准。它 是一种点到点的通信方式，只能连接两个通信设备。19200 波特率时，最大 距离为 75 米；9600 波特率时，最大距离为 90