基于PLC的霓虹灯控制系统设计-电气工程及其自动化毕业论文

学号： 12034470434 毕业设计说明书基于PLC的霓虹灯控制系统设计The Design of Neon lights Control System Base on PLC学院 计算机与电子信息学院专业电气工程及其自动化班级电气12-4班学生 王泽涛 指导教师（职称） 任红卫（讲师） 论文时间 2016 年 3 月 8 日至 2016 年 5 月 27 日 目录目录摘要IAbstractII第一章 绪论11 课题的研究意义12霓虹灯的起源13 霓虹灯的工作原理24 课题的发展状况45课题研究内容4第二章 可编程逻辑控制器介绍62.1 PLC的基本概念与基本结构62.1.1 PLC的基本概念62.1.2 PLC的基本结构72.2 PLC 具有以下特点：82.3 西门子S7-200PLC的主要特点和技术性能92.3.1西门子S7-200PLC的特点102.3.2 西门子S7-200PLC的技术性能112.4 西门子S7-200PLC的基本指令132.5 本章小结15第三章 总体设计方案163.1方案论证163.2系统的设计原则163.3具体方案173.4本章小结17第四章 编程软件STEP7- MICRO WIN的介绍184.1 STEP7-MicroWIN的窗口界面功能184.2用STEP7-MICROWIN编写和运行程序204.3本章小结22第五章 霓虹灯程序的设计235.1 控制要求235.2 PLC控制霓虹灯的输入输出分配表235.3 PLC控制霓虹灯的控制流程图245.4本章小结26第六章 硬件的设计、制作及软硬件联合调试276.1电子变压器的设计276.2显示屏制作316.3 本系统组态设计326.4 软件和硬件的联合调试336.4.1 程序输入PLC336.4.2 说明事项336.5 本章小结34结束语35参考文献36致谢37附录一38附录二43附录三49III摘要摘要随着社会经济的高速发展,各大城市都开始注重改善城市面貌，而霓虹灯作为城市的美容师，每当夜幕降临，华灯初上，色彩斑斓的霓虹灯便把城市装扮得格外美丽。为了闪现本身杰出的形象和优秀的产品，商家们一般都是使用霓虹灯屏幕来对其形象或产品进行宣传，所以在夜晚的街道上,路边随处可见的风景便是五光十色的广告霓虹灯。在这些色彩瑰丽的霓虹灯背后，便涉及到许许多多的控制问题，比如其亮灭该如何去控制，又当如何控制其闪烁的时间与流动的方向，这里我们便需要重点地思考怎样快速地、可靠地、简便地去控制这些因素。我想PLC便是解决以上种种问题的最佳选择，PLC的特点便是：通用性强、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、使用方便、编程简单等等。3在现今的工业自动化控制，尤其是在顺序控制这一的方面当中，PLC突出的优势特别明显，而且在实际当中商家控制霓虹灯的手段也大多是通过PLC来控制的。关键词：PLC；霓虹灯；西门子S7-200；控制系统 AbstractWith the rapid development of social economy，cities are beginning to pay attention to improve the appearance of the city，Neon lights as the citys beautician, when night falls, the colorful neon lights, the city beautifully dressed. In order to show their good image and excellent products, the enterprise or merchants usually by neon screen for advertising，So when we are walking in the street at night, everywhere of the road is all kinds of neon lights advertising. Behind these colorful neon lights, it relates to many control problems, such as its light off to control how, when and how to control it flashes the time and direction of flow, where we need to focus on how to think quickly reliable, easy to control these factors. I would like PLC is the best choice to solve the above problems, the characteristics of the PLC is: versatility, wide adaptation, high reliability, strong anti-interference ability, easy to use, simple to program and so on. In todays industrial automation and control, especially in order to control them in this respect, highlighting the advantages of PLC is particularly evident, but in practice the business controls neon lights are mostly controlled by PLC. Key words: PLC; Neon light; Siemens S7-200; Control system; 第一章 绪论第一章 绪论1 课题的研究意义 霓虹灯具有高效率、低能耗、较长的使用寿命、低发热等特点，其使用不受天气的制约，霓虹灯的制造工艺非常多样化，灯光颜色非常丰富，操控起来尤其简便，带给人们的视觉效果特别强，宣传效果非常突入有效，最重要的是经济实用。因为其明显的优势，各行业对于霓虹灯都非常信任与支持，在现代宣传广告中霓虹灯拥有着不可撼动的牢固地位，伴随着社会经济和霓虹灯的各种控制系统的高速发展，其应用的领域将会越来越宽广，所以未来的世界中霓虹灯的控制系统工程拥有非常巨大的发展空间。在霓虹灯行业持续发展的道路上，霓虹灯发展的趋势便是更加环保、更加耐用、色彩更加多样化，在这一市场竞争非常激烈以及发展趋势不断变化的行业中，基于PLC的霓虹灯控制技术显得特别重要。通过采取PLC控制系统使霓虹工程的质量得以提升，以绚烂迷人的配色方案和节奏感强烈灯光变化以及可靠的PLC控制技术以达到霓虹灯在各种广告中优秀的宣传效果，全面促使霓虹灯行业在当今社会中可持续地和迅速地发展。随着社会经济的腾飞，霓虹灯已经拥有了系列化与国际化的规格和样式，各种用途中的选择一般情况下已经能够满足，其质量也逐步向国际水准靠拢，相信在未来必定能够追上甚至超过国际上先进的水准，而基于PLC控制系统对霓虹灯的影响，也将会更加深远长久。选择这一课题作为研究对象，一来通过这次毕业设计可以复习学过的PLC知识，二来还能提高自己的设计水平，为以后找工作多积累了一些经验，所以我选择了这个课题。2霓虹灯的起源 霓虹灯实际上是一种低气压冷阴极辉光放电灯，其名称是由英文“氖灯”，即 “NEON LIGH”音译而来的，只不过人们已经把“霓虹灯”当作专用词运用罢了。霓虹灯发源于法国，那时的灯体用的是直径为45毫米的玻管，先把玻璃管按照我们的意愿弯制为各种形状，再用约为1wV的变压器对其进行供电，让灯管得以发光。当时，灯管两头使用了石墨作电极，灯体内部充入的是CO2或N2气体，充入CO2气体的发的是白光，充入N2气体的发的是红光。因为这是两种都是较为活泼的气体，在霓虹灯工作时很易于与石墨电极产生化学反应，其阴极上溅出的石墨在玻管的内玻璃壁上迅速凝聚成一层乌黑色薄层，使得装入到灯管内的气体减少，致使玻璃管之内的气压迅速下降，使得灯体使用寿命急剧缩短。为了把这个解决给解决，当时的研究人员还特别地为灯体加装上了1个较为特别的电磁阀门，如此一来，就可以在经过使用一定的时间后再一次地往灯内充进一定容量的气体，不过这一种做法并没能从本质上将以上问题解决。因此，这一种霓虹灯不但寿命非常短，而且其制作工艺很复杂，再加之其高昂的造价，使得其非常难以普及。1907年到1910年这一段期间，林德和克洛德两位科学家发明了一项全新的技术 液态空气分馏，这一发明使得霓虹灯内部能够充入一定容量的惰性气体，这样的话，不但有效地减缓了气体在灯体里边的耗损速率，而且使得其色彩也更加多样，能够得出绿、红、蓝、黄等不同色彩。第二次世界大战之前，科学家们研究发明了光致发光的新型材料，此材料不但可以发出多种色彩的光芒，而且具有很高的发光效率，人们将其称为荧光粉，在霓虹灯的制作中将其应用上了之后，不但灯光变得更加明亮，其灯管色彩也比之前更为鲜艳，也比之前拥有更多变化，同时其制灯工艺变得更加简单，因此，在二战结束之后，霓虹灯的发展势头十分迅猛,普遍被应用到宣传活动以及商业广告中。3 霓虹灯的工作原理 霓虹灯采取正常辉光放电的方法来进行工作，所以，辉光放电的一些特点它都具备，它使用正离子去撞击阴极，致使其能够发射出二次电子以维持放电，而阴极的供电对象主要是正离子。由于这是正常辉光放电的过程，因此在一定的电流范畴之内阴极上电流的密度和阴极上的位降都是不会改变的，其范围大概在100伏到20伏之间，其作用是供给正离子加快速度所需的能量。工作的电流则取决于灯体的直径、电极的类型、气体的类型及气体的压强，正常来说都在15mA到60mA之间，电流过小的话会导致霓虹灯所发光线太暗，过大了则导致辉光放电不正常，这使得阴极溅射加重而大幅度缩短了其有效使用时长。对于其他类型的灯来说，霓虹灯拥有更长的灯管管径，这就使得正柱区有充足的长度，所以能获得比电极耗损更高的一个电压降，由此起到提升光效的作用。正常所采用的都是磁漏式变压器的霓虹灯，其起动电压便达到了15000 V，工作电压也达到了 7500V，这样的数值都是非常高的。在现实的工作中总把几支霓虹灯给串连起来，共同使用一台变压器，以最大限度地提升变压器的使用率，一般的铁心变压器便能够满足十来米长的灯管的供电。在工作时霓虹灯的通断频率与有效使用时长无关，非常适于招牌广告灯的制作。一个典型的冷阴极霓虹灯组成部分一般有玻璃灯管 、变压器、霓虹灯专用高压线等。霓虹灯的玻璃管体可以依据客户需求来弯制成为各种各样的字体和图形。霓虹灯的玻管用于充入各种惰性气体，限制放电范围，维持真空状态与透射光亮。霓虹灯的玻璃灯管的直径规格分有 60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、120mm、150mm、180mm、20mm等等，其玻璃材质有多种类型，其中钠玻璃管的在使用中不够稳定，在潮湿之后非常容易变质，不够牢靠所以容易裂开。如今我国使用最多的玻管是石灰料的，这跟国外所使用的红丹料玻管的差别很大，其中的缺陷便是使用的钠钙玻璃内的氧化锰含有过多杂质，钠钙玻管的稳定性非常差，在长时间工作之后其玻管壁面的透明度变得非常低，使灯的光衰非常严重；其中的钠原子进入到了荧光粉当中，使得荧光粉变得劣质；假如在弯制的时中利用的温度过高，玻管中的钠原子便会出现一层与汞化合物凝成的乌黑颜色的吸光膜，这将导致荧光粉的发光率大大的降低。铅玻璃管则在各方面的性能都比钠玻璃优秀，而且其质量与使用寿命都大大地超越了钠玻璃。根据需要的光色，霓虹灯的玻管或为是无色的，也能够将其涂上荧光粉；充入玻管中的工作气体一般都是化学性质较为稳定的气体，不相同的气体发光时都有其独特的光彩。事实上，电极的结构和性能与灯管的使用寿命有着非常密切的联系，所有的气体放电灯中，除了要保持一个必要的真空度之外，更为重要的还是其电极上的发射性能与电极的使用寿命。霓虹灯灯管中的不活泼气体，以N2最为常见，所发光色为红色，这时的氖气不仅仅参加了放电过程，在同时也参加其了发光过程。在粉管中涂上不同的荧光粉，其内充有H2以及少量的金属Hg，在Hg蒸气的激发下发射出的紫外线被荧光粉所吸收之后发出了荧光，而H2则有提升发光效率以及降低其着火电压的作用。在玻管的两头各自安置了金属电极一个以完成电子的发射与电荷的收集任务。常将电解Cu或者镀镍的铁制作成一个锥形，这样便有充足的辐射面积来进行散热以及减小阴极电位。电极必须要能经得住质量很大的正离子的撞击而不致温度上升过高，不会熔掉并且要减弱阴极溅散。金属电极之外的云母片有两个作用，一个是对电极的支持作用，另一个则是隔离热量，能有效预防在真空除气时电极温度上升太高而致使外玻管的爆裂。电极是霓虹灯的重要组成部件，其质量跟性能上的好坏决定了灯管的使用寿命。对于质量优异的灯管来说，不但要求其要有很高的真空度技术，更为需要的还是其一对电极要具有非常优秀的发射性能，因为在由电子轰击而升温过程当中电极壳表层可以产生一个非常利于电子发射的激活层，假如在轰击的过程完完全全地失去了这一层激活层，无论其真空度多高，它的寿命都不可能超过1000小时。研究人员的通过实验验证了霓虹灯的使用寿命与其真空度关系不成正比。在电极上发射的电子主要由制造阴极的材料以及阴极表层的状况所决定。科研人员研究发现，当阴极的表层被别的的单层逸出功很小的金属原子所盖住时，其二次电子发射系数增大，逸出功减小，而其发射性能较好并且溅射少。一般都是使用铁、铜、镀镍铁等金属作为霓虹灯电极的制作材料，相对来说这些金属有较高的逸出功和相对较差的电子发射性能，假如霓虹灯电极采用的是以上的纯金属来发射电子，那么将会使其阴极压降较大且阴极溅射的速度非常快，因此导致电极迅速地因溅射而失效，尤其是Cu电极溅射得非常快。试验结果表明，纯金属非常轻易溅散，但假如在金属的表层形成了氧化膜或者将其涂上一层别的具有较低逸出功的氧化物或金属，如此一来便能够大大地减少其逸出功，电子的发射性能也得到一定程度的提升，从而大幅度地减慢了阴极溅散的速度，使得霓虹灯寿命变长，所以在电极的制造过程中，基本都经过了预处理。 4 课题的发展状况 现今的霓虹灯市场相对比较混乱，制作单位工艺水平参差不齐，其中大概只有30%的单位具有营业执照，这一类制作单位都有其奇特的卖点，不但口碑很好，而且品质优秀，在后期维护方面也很到位，是广大用户首选的单位。其余的便是一些证件不全或者无证经营的单位，这一类小作坊的专业性不强，品质不过关，售后服务也不到位，所以不建议选择这一类作坊的产品。霓虹灯行业中制作的专业性非常强，正规的制作单位产品品质比较好，也能较长时间地正常使用。然而一些没有执照的霓虹灯公司一般工艺要求不高，产品也都很不稳定。相比日光灯来说，霓虹灯其实拥有更长的寿命，为了用户的切身利益，在购买霓虹灯时还是选择第一类单位为好。霓虹灯在各种场合的广泛应用中，各种灯饰、广告招牌、背景灯各有千秋，但一般来说其工作模式有三种：流水灯、长明灯及变幻灯。流水灯的负载变换频率高，变化速率快，让人感觉目不暇接，有单灯变动、多灯变动等情景。霓虹灯因其奇特的魅力，在夜晚不仅可以给购物广场招来大量的消费者，而且也能为各种休闲娱乐场所制造派对气氛。霓虹灯在漆黑的夜间为各大城市和小镇披上一件件华丽的衣衫，毫无疑问它已成为一座城市商业发展水平的重要标尺。在2005年经过民政部核准分别成立了“中国广告协会霓虹灯广告委员会”、“中国照明学会霓虹技术专业委员会”和“中国照明电器协会霓虹灯生产专业委员会”，首次出现了三个全国性的行业组织。在现今社会生活中，霓虹灯作为广告装饰的光源，将向更高品质的方向发展，在现今的科技水平下，虽然还未曾出现一种可全面替代的新光源，但霓虹灯仍拥有广阔的生存空间。霓虹灯作为一种艺术品，它更是光的艺术家，将向高品味、高质量产品方面发展。在将来变化多端的社会中，霓虹灯的发展将更加倾向于节约能源和环境保护这一趋势。霓虹灯未来的设计主流将越来越奇特种种创意和新鲜题材。5课题研究内容 （1）无人靠近时,“广石化欢迎您”六个字形灯与边框所有霓虹灯同时亮起，2s后熄灭，2s后再亮起，如此循环地亮灭，同时播放缓慢的音乐。当有人靠近时，播放轻快的音乐，“广”字形灯光与灯光组1亮起，0.3s后熄灭；然后“石”字形灯光与灯光组2亮起，0.3s后熄灭；接着“化”字形灯光与灯光组3亮起，0.3s后熄灭；接着“欢”字形灯光与灯光组4亮起，0.3s后熄灭；接着“迎”字形灯光与灯光组5亮起，0.3s后熄灭；接着“您”字形灯光与灯光组6亮起，0.2s后熄灭；紧跟着所有灯亮起，0.3s后熄灭，0.3s后亮起，再0.3s后熄灭；然后“广”字形灯光与灯光组1亮起，0.3s后熄灭如此循环亮灭，直到人离开，再恢复没人时的循环效果。（2）霓虹灯电子变压器的可靠性的设计。73第二章 可编程逻辑控制器介绍第二章 可编程逻辑控制器介绍 自从上世纪六十年代末出现了世界上第一个可编程逻辑控制器PLC之后，PLC的发展势头便从未减弱，尤其在最近几十年，由于计算机技术水平和电子技术水平的迅速增长，PLC在其工作效率、通讯能力、控制范畴等方面都达到了新的高度。可编程逻辑控制器有机地联系结合起了一般的继电器接触器控制的技术与现代计算机通信处理技术的各种优势，在工业自动化的领域中有着非常重要的地位，也是其运用最广泛的一类控制设备，是当代工业生产中一个重要标杆。2.1 PLC的基本概念与基本结构2.1.1 PLC的基本概念 PLC英文名称全称为Programmable Logic Controller ,中文全称即可编程逻辑控制器5，其定义为专用于工业环境而设计产生的一种使用数字计算来操作的电子系统，它使用的是能够编程的一种储存器，用户程序可以储存在内部，它的功能强大，拥有能够进行顺序地控制、逻辑的计算、计数、定时等等的丰富操作指令，通过数字或者模拟方式来操控各类机械或其工作流程。PLC不但是可编程逻辑控制电路，同时亦是和硬件结合非常密切的一类语言，常常被运用于半导体方面，基本上都是与半导体出现在同一场合之中。对于制造业来说，当今社会的要求是其能对市场上的不同需求及时给出回应，即能及时地进行小批量、多品种、多规格、低成本以及高品质产品生产，应这样一个挑战，各种生产机器以及自动化生产线的操控系统就必需要有很高的一个可靠性以及灵动性，可编程逻辑控制器无疑非常适合这样的场合，其根本上是以微型的处理器作为基础的通用的工业操控装置。 可编程逻辑控制器的运用面非常广，功能非常强，用起来非常简便，一般的即机器生产设备与生产流程中的自动操控系统都能看到它的身影，可编程逻辑控制器在另外的领域中，比如在寻常百姓家的自动化设备的应用率也得到了非常快速的增长。目前可编程逻辑控制器仍然具有非常大的成长空间，其功用在不停地拓展，其运用更为广泛，它不只是单片机自动化中应用中最广泛的操控器件，对许多很大的工业网络控制系统来说其作用也是非常巨大的，可编程逻辑控制器的运用面之广与其普及水平之高，计算机控制设备是没有办法超越的。本设计中采用的是siemens公司的生产的S7-200系列的小型可编程逻辑控制器；它具有非常高的可靠性、丰富的指令集与内置的集成功能、选择多样的扩展模块和优异的通讯能力6；它不但能够单独使用，用来替代继电器的控制系统，而且能够应用到繁杂的自动控制当中，由于它拥有强劲的通信能力，在网络系统的控制当中，同样能够尽可能地发挥其作用；S7-200因其具有的很高的性能价格比，在我国PLC市场中占据了非常高的比例。2.1.2 PLC的基本结构 通用型PLC硬件的基本构造如下图2-1所示，PLC主要由中央处理器单元（CPU） 、Memory（存储器）、I/O模块（输入/输出模块） 、Power（电源）以及Programmer（编程器）构成9。图2-1各器件具体功能如以下表2-1所示表2-1表2-1图-2-1 通用型PLC的硬件基本结构2.2 PLC 具有以下特点： （1） PLC的可信赖度很高 ，抗干扰能力强高可靠性是电气设备能否稳定运行的有力保障，也是电气设备好坏的一个重要指标，使用当代大规模电路集成工艺的可编程逻辑控制器，生产过程非常严谨，它里边的线路使用了是前卫的抗干扰技术，拥有相当高的可信赖度。比如由mitsubishi公司制造的F系列可编程逻辑控制器，其MTBF便高达300kh。另外，一些使用冗余中央控制器MTBF可编程逻辑控制器的工作时长更久。就可编程逻辑控制器的机外线路来讲 ，运用可编程逻辑控制器组成的Control system（控制系统）的电气连线及开关接点与同样大小的Relay contactor（继电接触器）系统相对比，能够缩减至其很小的一个百分比，从而Failure rate（即故障率）便能大幅度降低。另外，可编程逻辑控制器具有硬件好坏的STF（Self test function，即自我检测）功能，在发现障碍的时候可以马上报警。在其运用的软件中，操作者还可以加入其它器件的错误自检程序，使其系统中除了可编程逻辑控制器之外的线路及机器同样得到故障自检保护。如此一来，整个系统便显得非常可信赖了。（2） PLC的配套齐全， 功能强大， 适用范围广由可编程逻辑控制器开始出现、发展到了今天，已经形成了有大型到小型的多种规模的系列化产品，能够运用到种种规模的产业生产当中。现代PLC除了具备逻辑处理的能力之外，大部分都拥有完善的数据运算能力，在各种数字操控的设备中都能见到其身影。连年来不断出现新型的PLC单元，使其在坐标控制、冷热控制以及数控机床等多种的工业控制中有了更深层次的应用，还有就是可编程逻辑控制器通信能力的增长以及HMI技术的迅速成长，使得现今使用可编程逻辑控制器构造各种控制系统特别方便12。（3） 容易学习，容易使用可编程逻辑控制器作为通用的工业控制器，许多的重工业都选择使用，其接线口简洁明了，程序语句简单易学，为广大工程技术操作员所喜爱；LAD的标记符与表述方式和继电器电路图的非常相似，只用可编程逻辑控制器少部分的开关量STL就能够简单地达到继电器电路的一些用处，这为不熟习EC(electronic circuits,即电子电路)、不了解电脑原理以及不明白汇编语句的通过电脑从事工业控制的人们打开了一条捷径13。 （4）PLC设计简便，很好维护可编程逻辑控制器用的是储存逻辑来替代传统的连线逻辑，这使得操控的机械外面的连线大幅减小，也大大地缩减了操控系统设计及制作的时间，这样一来，它的维护工作也变得非常简单。更难得的是这使得同样一个设备仅通过变换其程序便可变换生产的过程变成现实，这非常适于多种类、小批次的生产中使用。（5）PLC的体型小，质量轻，能耗低 在很多的生产场合中，我们需要的机器零件往往是越小、越轻、能耗越低便越是方便和实用，而PLC发展至今，也基本符合了我们这一愿望。比如说，最近的一款微型PLC底部长度仅100毫米，质量也不到150克，功耗更仅有数瓦。由于小型的体型很容易装入到生产设备的里边，因此PLC无疑是我们达到机电一体化的理想化的控制器件。2.3 西门子S7-200PLC的主要特点和技术性能2.3.1西门子S7-200PLC的特点 S7-200系列的PLC是西门子公司所推出的整体式小型可编程控制器（Micro PLC），最开始的产品命名为CPU21，之后改进的型命名为CPU22，21以及22，各有4、5个型号4，由于其体积小巧，功能强大，并且具有非常高的性能价格比，使得其在中小规模的控制系统中得到非常广泛的应用。如图2-2所示，一个基本S7-200 Micro PLC的系统组成包括一个单独的S7-200CPU、一台个人电脑（PC）、STEP7-Micro/WIN 32（3.1版）编程软件以及一条通讯电缆，为了使用PC，还必须具备以下设备的一种：一条PC/PPI电缆、一个通讯处理器（CP）和多点接口（MPI）电缆或者一块MPI卡以及随MPI卡提供的一根通讯电缆15。一台S7-200 Micro PLC（其外观如图2-3）主要组成的部分包括了一个单独的S7-200CPU(如图2-4)，另外还可以选择性地扩展一个单独的S7-200CPU，也可以带上各种各样的可选择的扩展模块（如图2-5所示）。 图2-2 S7-200 Micro PLC系统组成图2-3 S7-200系列PLC外观图 图2-4 S7-200CPU图2-5 带有拓展模块的CPU Siemens S7-200 系列可编程逻辑控制器在各行业与各场合检查、监视以及自动控制中表现出强大的适应性。S7-200如此强劲的能力使其不论是在单独使用之中还是连接成网络都能够解决繁杂的控制功能14。西门子S7-200系列PLC的优异表现在如下的几个方面： 1、可信赖度很高； 2、丰富的操作指令； 3、非常容易学习； 4、操作非常简单； 5、复杂的内嵌集成能力； 6、实时性； 7、通信能力尤其强大；8、多种类的拓展块。 本系列的可编程逻辑控制器强劲的能力使其在集散自动化中能有抢眼的表现，运用范畴覆盖了继电器的控制到设备自动化，应用领域更是无处不在，非常宽广。2.3.2 西门子S7-200PLC的技术性能1、CPU 模块本系列可编程逻辑控制器有5种CPU，其各自的关键指标如下表。表3-1 S7-200系列PLC CPU的关键技术指标 本次设计使用的是CPU224集成的14输入/10输出共24个数字量的I/O点，它能够连接7个扩展模块，能够拓展到168路数字I/O点或是35路模拟I/O点，其程序储存空间有13kb，有六个独立的3万Hz高速计数器，两路2万Hz的高速脉冲输出，它有1个RS-485 Communication / Programming接口，具有MPI及PPI两种通讯协议以及独立自主的通讯能力。对其输入/输出端子排能够非常简单地对其拆卸，因此其操控的能耐无需置疑1。2.4 西门子S7-200PLC的基本指令1、逻辑指令取、取反与线圈的驱动指令LD （LOAD）是西门子PLC中的指令“取”，用途是将网络块常开触点与母线给联接起来。 LDN （LOAD NOT）是西门子PLC中的指令“取反”，用途是将网络块常闭触点与母线给联接起来。 =（OUT）是西门子PLC中指令表的驱动线圈指令。使用说明： （1）“取”或“取反”LDLDN可取I、Q、M、SM、T、C、V、S的触点。（2）“”能够驱动的线圈类型有Q、M、C、V、SM、T、S，不过没法驱动输入映像寄存器，在可编程逻辑控制器的O端子没有负载时，尽可能采用M线圈或者别的控制线圈。 （3）“”可以并联使用任意次，但不能串联。2、接触串联指令A（AND）是西门子PLC中指令表的操作指令“与”，它的用途是可以在LAD中串接一个常开的触点。 AN（AND NOT）是西门子PLC中指令表的操作指令“与非”，它的用途是可以在LAD中串接一个常闭的触点。 （1）和AN指令是单个触点串联连接指令，可连续使用，但是同一支路串联触点最多可使用11个。 （2）A、AN指令可对、SM、V、S的触点进行逻辑“与”操作，和“=”指令组成纵向输出。3、触点并联指令 O（Or）：“或”操作指令，在梯形图中表示并联一个常开触点。 ON（Or Not）:“或非”操作指令，在梯形图中表示并联一个常闭触点。使用说明： （1）OON指令可以并联一个触点指令，紧接在LDLDN指令之后，可连接使用。 （2）OON指令可对、V、S的触点进行逻辑“或”操作，和将“=”操作指令组成纵向输出8。4、定时器指令S7-200系列可编程逻辑控制器中用“T” 表示定时器，其作用是在内部时钟计时时累计增量，这种类型的计时器总共有二百五十六个（T0T255），在它们内部都有一个当量值寄存器，它有16位，是用来储存当前值的；一个预置值寄存器，同样有16位，作用是储存时间的设定数值；一个用作反映触点状态的状态位。 接通延时继电器（TON）：接通延时继电器用于单一间隔的定时，在梯形图中由标志位TON、使能输入端IN、时间设定输入端PT及定时器编号Tn构成；语句表中由定时器标志TON、时间设定值输入端PT和定时器编号Tn构成。当使能端IN为低电平无效时，定时器不运行，此时当前值与Tn的状态都是0；在使能端IN数值为高电平状态1时，定时器运行起来，每度过一定的时间，其当前值就+1，假如计时器的当前值=其设定值PT，便达到了定时器的延时时间，此时输出点有效，其输出的状态变化是0到1，在其输出状态变化之后依旧继续计时，直至其当前值到达峰值32767才得以停止11。2.5 本章小结 本章主要讲的是介绍的是PLC的基本概念及基本组成结构，说明了各组成部分的具体功能与PLC的种种特点，尤其是本次设计使用的西门子S7-200PLC的特点、技术性能与其本次设计中的相关操作指令。第三章 总体设计方案第三章 总体设计方案3.1方案论证霓虹灯的操控系统有许多种类型，比如SCM（即单片机），当使用SCM来完成该方案时会出现许多的缺陷，用SCM完成该设计时，外面所需的线路繁杂，工作量相对于可编程逻辑控制器较大，在其可靠度与抵抗外围干扰的方面明显比不上可编程逻辑控制器，其通断的高低等级不明确，与可编程逻辑控制器相对比，使用过程较为繁杂，再者，其配套与功能都远不如可编程逻辑控制器的完善。所以选择PLC对本课题进行研究。3.2系统的设计原则本次设计的控制系统旨在利用PLC对霓虹灯亮灭和音乐播放系统进行循环控制，所以要在现有的相关设备的基础上，尽量实现控制系统的基本功能。（1） 实用性原则 本次课题设计的出发点不仅仅在于对PLC知识的深入学习和掌握，也在于把所学知识投入到现实生活的生产当中，不再拘泥于书本里的各种条条框框，要对实际的各种因素经进行考虑，比如要考虑到生活当中的霓虹灯的各种样式，了解霓虹灯市场需求的情况和成本问题等诸多因素。就是说以前的理论知识都是特定的理想条件下得出的，而本次课题则是在有着诸多因素影响的现实当中进行的，那么就不得不考虑其功用的问题，从而使本次设计更具实用性。（2） 操作性原则本次设计提出的另一个要求便是要有良好的操作性。本产品追求的是简单、精准、方便的操作性，而非复杂繁琐的操作过程，所以产品本身应该是能尽量给控制人员提供方便的操作。还有就是在霓虹灯的显示方面，要有一个合理的字体布局，使其出入线缆的走线方式和布局方法更加清晰明了，最终要达到集良好观赏性的外观和集成化的控制平台一身的工艺水平。（3） 可行性原则 可行性原则可以说是本次设计最重要的一个原则。对于要实现某一功能的元件，要拟订多种方案来制作这一元件，再经过多次的筛选，最后拿出可行性最强的一个方案。系统可行性的强弱决定了系统能否按照正常预期的计划进行工作以及其工作的稳定性强弱。很多时候往往原理上的正确并不意味着系统可以毫无阻碍的进行工作，所以设计的同时要考虑到很多实际中的问题。比如在本设计中就要拟定霓虹灯显示屏的显示的方案，各电路之间的连接方案，其运行程序的设计，这些问题都要考虑到其可行性，有了可行性，才可以对方案进行优化，并在最后实施它。 3.3具体方案霓虹灯分布效果如图3.1所示，霓虹灯开始工作,无人靠近时,“广石化欢迎您”六个字形灯与边框所有霓虹灯同时亮起，2s后熄灭，2s后再亮起，如此循环地亮灭，同时播放缓慢的音乐。当有人靠近时，播放轻快的音乐，“广”字形灯光与灯光组1亮起，0.3s后熄灭；然后“石”字形灯光与灯光组2亮起，0.3s后熄灭；接着“化”字形灯光与灯光组3亮起，0.3s后熄灭；接着“欢”字形灯光与灯光组4亮起，0.3s后熄灭；接着“迎”字形灯光与灯光组5亮起，0.3s后熄灭；接着“您”字形灯光与灯光组6亮起，0.2s后熄灭；紧跟着所有灯亮起，0.3s后熄灭，0.3s后亮起，再0.3s后熄灭；然后“广”字形灯光与灯光组1亮起，0.3s后熄灭如此循环亮灭，直到人离开，再恢复没人时的循环效果。图3.1霓虹灯分布效果图3.4本章小结本章经过对单片机控制系统与PLC控制系统的对比论证，确定了使用PLC控制系统，根据控制系统的设计原则，提出了本次设计的具体方案。第四章 编程软件STEP7-MICRO/WIN的介绍第四章 编程软件STEP7- MICRO WIN的介绍 STEP7-MICROWIN西门子公司专门为了S7-200系列可编程逻辑控制器研发的一种编程软件，其研发的平台是基于Windows操控系统的编程与配置软件的，其特点是功能强劲、操作面板简洁，能简便地编制不同的程序，同时也能够对用户程序的运行状态进行实时监控。4.1 STEP7-MicroWIN的窗口界面功能 STEP7-MICROWIN 的操作面板有许多的组成部分：局部变量表、浏览条、指令树、程序编辑、菜单栏、工具栏、状态栏、输出窗口区等部分组成，如图4.1所示。 图4.1 STEP7-MICROWIN 编程软件主界面(1)浏览条 浏览条为编程提供按钮控制，可以实现窗口的快速切换。在STEP7-MicroWIN主界面上“查看”，可实现符号表、程序块、交叉引用、数据块、状态图、系统块、通信及设置PGPC接口窗口切换；选择“工具”，可实现以太网向导、AS-i向导、因特网向导、配方向导、数据记录、PID调节控制面板、S7-200 Explorer、TD Keypad Designer 窗口的却换。(2)指令树指令书是一个包括全部项目对象和当前LAD、FBD或者STL提供的全部指令的树形图，在鼠标的右按键点击树中“项目”的文件夹，能够把附加的POU（程序组织单元）插入其中，也能够用鼠标右按键点击单个程序组织单元，打开、编辑删除、其属性表，将子程序重命名或用密码来保护以及将例行程序中断。能够使用鼠标右按键点击树中的“指令”部分的某个文件夹或某个指令以便将整个树隐藏。只要把存放指令的文件夹打开，便能够双击或是拖动某个指令，根据所需自动地所选指令在程序编辑器窗口中的光标位置插入，能够将指令拖动到自己选择的文件夹之中，将经常使用的指令进行排列。(3)菜单栏 STEP7-MICROWIN编程软件中有有菜单栏8个，分别是编辑（E）、帮助（H）、查看（V）、文件（F）、工具（T）、PLC（P）、调试（D）、窗口（W），允许使用鼠标或者对应的热键对以上菜单进行操作。(4)工具条在STEP7-MICROWIN 编程软件中工具条为最为常用的一些操作提供了方便的的鼠标操作访问，常用的工具条分为调试工具条、标准工具条、LAD指令工具条和公用工具条。要显示或隐藏这一些常用的工具条，可以通过“查看”菜单栏中的“工具栏”选项来进行操作。(5)局部变量表用户要定义局部变量就要用局部变量表用来进行定义，每一个局部变量表对应的是一个程序块，包括了用户对局部变量所赋的值（即子程序和中断例行程序使用的变量），使用暂时内存存储局部变量表中建立的变量，由系统解决地址赋值的问题，变量仅限于建立这一变量的程序组织单元之中使用。 (6)状态栏 状态栏的另一个叫法为任务栏，在STEP7-MICROWIN编程软件中操作时的操作状态信息都由它为用户提供。(7)输出窗口STEP7-MICROWIN编程软件程序编译的结果便是由输出窗口显示，例如编译结果有没有差错，编码正不正确的与位置等。在输出窗口输出的程序语句出现错误时，用鼠标左按键连续点击两次错误的信息，便能在程序地编辑区域中显示恰当的网络。 (8)程序编辑区用户可以使用功能块图、梯形图、或助记符在程序编辑区进行编程，在在线的状态下，从可编程逻辑控制器上在用户程序进行修改或者编辑。4.2用STEP7-MICROWIN编写和运行程序 用启停三相异步电动机的程序作为一个例子，熟习如何使用STEP7-MICROWIN。梯形图4.2： 图4.2 三相异步电动机启停程序1. 打开新的项目 鼠标连续两次点击STEP7-MICROWIN编程软件的图标，或在start菜单里找到SIMATICSTEP7-MICROWIN编程软件，启动这一程序，便能打开一个新的STEP7-MICROWIN的项目。2. 打开现有项目在STEP7-MICROWIN编程软件中通过“文件”，可以选择以下一个项目： （1）使用“打开”对话框，然后再浏览并选择一个现有的项目，将其打开。（2）在“文件名称”里边，假如用户近期在这一项目中工作过，那么此项目在“文件”的菜单之下可以看到，便无需使用“打开”的对话框。3. 来到到编程状态鼠标左键单击“ 查看” 中的 “程序块”，便可以来到编程状态；4.编程语言的选择在菜单栏中的 查看 LAD（梯形图语言）或者STL（语句表）、FBD（功能块） （1） 点击“MAIN主程序”，在网络_中输入所需的程序。 （2） 单击网络_中的“ ”从菜单栏或在指令树中挑选相关的符号。假如要在 “指令” 树中进行选择，可以在有以下操作：“指令”双击“位逻辑” 双击选择的“常开触点” 符号“ ” 双击选择的 “常闭触点” 符号双击选择的“输出线圈”符号将光标移到 “常开触点”下面，单击菜单栏中的“ ” 选择“ ”，左移光标，单击“常开触”点完成梯形图。 （3）给各梯形图的符号添加元器件的地址：鼠标光标移动到所要添加的符号上，逐个选择“？”，输入对应的元器件号。 （4）完成编程的程序保存：选择菜单栏中“文件”，在“保存”中输入或选择文件名称再点击“保存”。 （5）程序的编译：在菜单中“PLC”项目中选择“编译”或者在“PLC”项目中选择“全部编译”的命令，亦或使用工具栏中的按钮“”或“”来执行编译的功能。在“编译”完成之后，在信息窗口会出现相关编译的结果，根据其可对程序进行修改5、 建立电脑端与可编程逻辑控制器的通信连接线路，并设置其参数（1）联接电脑端：把PC/PPI电缆一端接上电脑的“COM”端口，另一端接到S7-200可编程逻辑控制器的“PORT0”或“PORT1”端口；（2）参数的设置：将PC/PPI电缆小盒中的DIP的开关通讯的波特率设为9.6K将PLC的运行开关置于STOP位置再上电打开STEP7-MICROWIN软件“PLC” “类型”，弹出“PLC类型”窗口单击“读取PLC”，检测是否成功，或者从下拉菜单中选择CPU226单击“通信”按钮，系统弹出“通信”窗口双击 “PC/PPI”电缆的图标，检测通信成功与否。6、下装程序： 假如在运行STEP7-MICROWIN的PC与PLC之间已经成功地建立了通讯，便能够把程序下载至该可编程逻辑控制器，此时要遵守以下几点： （1）在把程序下载到可编程逻辑控制器前，必须确定可编程逻辑控制器运行模式位于停止。检查可编程逻辑控制器上的模式指示灯。假如其未被设置为停止模式，在工具条中找到停止按钮，点击使其停止。（2）点击 “文件”菜单找到里的“下载”，点击选择，便有下载的对话框。或在工具条中选择“下载”按钮下载程序。（3）依据默认值，在第一次发出下载的命令时，“数据块”、 “CPU配置”（系统块）以及“程序代码块”复选框都将被选择。假如某一特定的块不需要下载，可以将该复选框清除。 （4）光标移动到确定按钮并点击选择，程序开始下载。（5）假如程序成功地下载，会出现显示一个信息的确认框，框内内容显示内容：下载成功。（6）如果实际使用的可编程逻辑控制器所需的数值与STEP7-MICROWIN中用于可编程逻辑控制器类型的数值不匹配，则会出现一个内容为“为项目所选的PLC类型与远程PLC类型不匹配。继续下载吗？”的警告信息 （7）想要纠正PLC类型选项便选择否，程序的下载就会终止。 （8）在菜单条中选择“PLC”的“类型”，调出PLC类型的对话框，在其下拉列表方框选择要纠正的类型，或单击读取PLC按钮，由STEP7-MICROWIN自动读取正确的数值。点击确定按钮，确认PLC类型，并清除对话框。 （9）点击工具条中的下载 按钮，重新进行程序下载，或从菜