基于PLC的霓虹燈控制系統(tǒng)設(shè)計

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繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目： 基于PLC的霓虹燈控制系統(tǒng)設(shè)計 院、系(站)： 機電工程系 學(xué)科專業(yè)： 機電一體化 學(xué) 生： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2013年 09月 Ⅱ Ⅱ 基于PLC的霓虹燈控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 隨著改革的不斷深入,社會主義市場經(jīng)濟的不斷繁榮和發(fā)展,大中小城市都在進行亮化工程。企業(yè)為展現(xiàn)自己的形象和產(chǎn)品,一般都會采用通過霓虹燈廣告屏來這種廣告手法，所以當(dāng)我們夜晚走在大街上,馬路兩旁各色各樣的霓虹燈廣告隨處可見。這就涉及到如何去控制霓虹燈的亮滅、閃爍時間及流動方向等諸多控制問題，如何去快捷、可靠、簡單的去控制，成為人們考慮的重點，在這我認為PLC最適合去解決這些問題，因為PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。并且PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的方面具有比較突出的優(yōu)勢，在現(xiàn)實中人們也是多通過PLC去控制霓虹燈的。 關(guān)鍵詞：西門子S7-200；霓虹燈；發(fā)展?jié)摿? 目 錄 目 錄 0 第一章 、緒論 1 1.1選題意義 1 1.2霓虹燈的起源 1 1.3 霓虹燈的現(xiàn)狀與發(fā)展 3 第二章、霓虹燈變壓器的設(shè)計 4 2.1霓虹燈的工作原理 4 2.2霓虹燈的結(jié)構(gòu)與部件 4 2.3高可靠性霓虹燈的設(shè)計 7 第三章、可編程序控制器簡介（PLC） 11 3.1 PLC簡介 11 3.2 PLC的結(jié)構(gòu) 11 3.3 PLC的工作原理 12 3.4 PLC的應(yīng)用特點 15 第四章、霓虹燈控制系統(tǒng)設(shè)計 17 4.1需求分析 17 4.2 PLC接線圖 18 4.3 I/O分配表及PLC型號選擇 19 4.4控制流程的設(shè)計 20 4.5梯形圖的設(shè)計 21 第五章、系統(tǒng)測試 25 5.1調(diào)試仿真 25 5.2程序運行原理說明 26 總 結(jié) 28 致 謝 29 參考文獻 30 Ⅲ 第一章 、緒論 1.1選題意義 0 Ⅲ 西安工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文 隨著改革的不斷深入,社會主義市場經(jīng)濟的不斷繁榮和發(fā)展,大中小城市都在進行亮化工程。企業(yè)為展現(xiàn)自己的形象和產(chǎn)品,一般都會采用通過霓虹燈廣告屏來這種廣告手法，所以當(dāng)我們夜晚走在大街上,馬路兩旁各色各樣的霓虹燈廣告隨處可見,一種是采用霓虹燈管做成的各種形狀和多種彩色的燈管,另一種為日光等管或白熾燈管作為光源,另配大型廣告語或宣傳畫來達到宣傳的效果，大部分是采用霓虹燈。這就涉及到如何去控制霓虹燈的亮滅、閃爍時間及流動方向等諸多控制問題，如何去快捷、可靠、簡單的去控制，成為人們考慮的重點，在這我認為PLC最適合去解決這些問題，因為PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。并且PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的方面具有比較突出的優(yōu)勢，在現(xiàn)實中人們也是多通過PLC去控制霓虹燈的。以上就是我選擇此題目作為畢業(yè)設(shè)計的重要意義。 1.2霓虹燈的起源 霓虹燈是由英文“氖燈”，即“NEON SIGN”得來的，“霓虹”兩字實際上是“NEON”的譯音，而現(xiàn)在人們已經(jīng)把“霓虹燈”當(dāng)作專用詞運用了。 霓虹燈始源于法國。當(dāng)時所用的燈體玻管的直徑為45毫米，先將玻璃管彎制成所需的文字或圖案，然后再用1只電壓為1萬多伏的變壓器供電，使之發(fā)光。當(dāng)時，燈管兩端電極采用石墨制成，內(nèi)部充入氮氣或二氧化碳氣體，前者會發(fā)紅光，后者發(fā)白光。由于這兩種氣體較活潑，很容易和石墨電極起化學(xué)反應(yīng)，陰極濺散出的石墨很快在玻璃管內(nèi)壁形成黑色薄膜層，并大量吸收充入燈管內(nèi)的氣體，使燈管的充氣壓力很快下降，致使霓虹燈的壽命很短。當(dāng)時為了解決這個問題，特在霓虹燈管上加1個特殊的電磁閥門，并在霓虹燈使用一段時間以后再往燈內(nèi)重新補充一定量的氣體，但這樣做并未能在根本上克服上述缺陷。因此，這種燈不 2 僅壽命短、制作工藝復(fù)雜，而且造價昂貴，很難普及。 　在1907年至1910年期間，科學(xué)家克洛德和林德發(fā)明了液態(tài)空氣分餾。利用這一發(fā)明，在霓虹燈內(nèi)充入一定的惰性氣體，這樣就明顯減緩了氣體在燈管內(nèi)部的消耗速度，顏色也豐富了，可產(chǎn)生紅、綠、藍、黃等顏色。第二次世界大戰(zhàn)前夕，光致發(fā)光的材料被研制出來了。這種材料不僅能發(fā)出各種顏色的光，而且發(fā)光效率也高，我們稱之為熒光粉。熒光粉被應(yīng)用在霓虹燈制作中后，霓虹燈的亮度不僅有了明顯提高，而且燈管的顏色也更加鮮艷奪目，變化多端，同時也簡化了制燈的工藝。故在第二世界大戰(zhàn)結(jié)束后，霓虹燈得到了迅猛的發(fā)展。 1.3 霓虹燈的現(xiàn)狀與發(fā)展 目前，霓虹燈市場上魚龍混雜，有營業(yè)執(zhí)照承接工程的單位只占市場的30%，這類單位有獨自的設(shè)計、制作、安裝能力，信譽好、產(chǎn)品質(zhì)量過關(guān)，后期維護到位，是用戶的首選單位。 　　第二類，沒有營業(yè)執(zhí)照掛靠其它單位，這類“單位”專業(yè)性不強，產(chǎn)品質(zhì)量無保證，后期維護不到位。 　　第三類，皮包公司，無任何證件、信譽和能力，打一槍換一地，產(chǎn)品質(zhì)量和后期維護根本談不上。 　　霓虹燈是一個專業(yè)性比較強的行業(yè)，正規(guī)單位的產(chǎn)品質(zhì)量好，壽命長。可正是第二類和第三類公司擾亂霓虹燈市場，給用戶的感覺霓虹燈容易壞。其實霓虹燈的壽命比日光燈還長，為了您的利益，請選擇有執(zhí)照，有能力，有信譽的單位。 以前霓虹燈制造企業(yè)幾乎全部用普通玻璃管、普通電極，隨著人們對產(chǎn)品要求的提高，高鉛玻璃管、陶瓷環(huán)電極、三基色粉管，漸變彩虹霓虹燈正越來越廣泛的走向人們的生活，使人們的生活更加精彩、亮麗。霓虹燈以它斑斕奪目的色彩、生動逼真的形態(tài)、耀眼奪目的照明為夜間城市的購物中心招徠顧客、文化娛樂中心吸引游客營造氣氛，給夜間城市的購物活動帶來方便，給文化娛樂活動增添情趣。霓虹燈營造了夜間城市的絢麗多姿和繁華，它已成為現(xiàn)代城市商業(yè)繁榮的標志之一。 13 27 第二章、霓虹燈變壓器的設(shè)計 2.1霓虹燈的工作原理 霓虹燈采用正常輝光放電形式工作，具有輝光放電的基本特征，正離子轟擊陰極使陰極發(fā)射二次電子來維持放電，陰極電流主要由正離子所貢獻。由于是正常輝光放電，所以在一定的電流范圍內(nèi)， 陰極的電流密度不變，陰極位降不變。陰極位降大約為100一20伏，為正離子加速提供能量。當(dāng)外電源電路接通后，變壓器輸出端就會產(chǎn)生幾千伏甚至上萬伏的高壓。能激發(fā)產(chǎn)生大量的電子。這些激發(fā)出來的電子，在高電壓電場中被加速，并與燈管內(nèi)的氣體原子發(fā)生碰撞。當(dāng)這些電子碰撞游離氣體原子的能量足夠大時，就能使氣體原子發(fā)生電離而成為正離子和電子，這就是氣體的電離現(xiàn)象。帶電粒子與氣體原子之間的碰撞，多余的能量就以光子的形式發(fā)射出來，這就完成了霓虹燈的發(fā)光點亮的整個過程。霓虹燈的開關(guān)次數(shù)不影響使用壽命，適合制作廣告背景掃描。 2.2霓虹燈的結(jié)構(gòu)與部件 一般的商品用霓虹燈多采用冷陰極輝光放電形式工作。典型的冷陰極霓虹燈結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。由玻璃燈管、霓虹燈變壓器、霓虹燈專用高壓線等部分組成。 圖2-2 霓虹燈的結(jié)構(gòu) 玻璃燈管根據(jù)要求彎制加工成直線狀或異形曲線狀的文字或圖案。玻璃管主要用來填充工作氣體，限制放電區(qū)域，保持真空和透射光線。玻璃燈管以直徑規(guī)格分為:Ф6、Ф7、Ф8、Ф9、Ф10、Ф12、Ф15、Ф18、Ф20mm等;以玻璃材質(zhì)分:鈉玻璃管(俗稱石灰料玻璃管)及鉛玻璃管<又稱紅丹料玻璃管)。鈉玻璃管穩(wěn)定性差，受潮后極易變質(zhì)、泛堿(風(fēng)化)，牢度差易爆裂。目前國內(nèi)大部分采用的是石灰料即鈉鈣玻璃，與國外采用的紅丹料玻璃即鉛錯玻璃質(zhì)量相差較大，存在問題為:采用的鈉鈣玻璃內(nèi)氧化錳雜質(zhì)含量過大;鈉鈣玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性差，玻璃表面長期使用后的透明度降低，使燈的光衰加劇:玻璃中的納原子向玻管的內(nèi)表擴散，溶入熒光粉晶體中，使熒光粉劣化;如果在彎制過程中加溫過甚， 玻璃中的納原子析出與汞化合形成黑色的吸光納汞齊膜，使熒光粉的光效率大為下降。鉛玻璃管其熱性能、機械性能、電性能、化學(xué)穩(wěn)定性能、真空性能和光學(xué)性能優(yōu)于鈉玻璃，其耐候性、使用壽命大大超過鈉玻璃。 玻璃管可以是透明的(俗稱明管)，也可以是涂有熒光粉的(俗稱粉管)，依據(jù)所需獲得光色而定。明管所充的工作氣體通常為惰性氣體，不同的惰性氣體有其不一樣的發(fā)光光譜特性。以氖氣最為常見，發(fā)紅色光，此時氖氣不僅參與放電，而且也參與發(fā)光。粉管內(nèi)涂各種規(guī)格熒光粉，內(nèi)充氫氣及少量金屬汞，汞蒸激發(fā)輻射2537埃紫外線，被熒光粉吸收而產(chǎn)生熒光，氛氣作用提高光效降低著火電壓。在玻璃管兩端各置一個金屬電極，作為發(fā)射電子和收集電荷之用。常用電解銅或鍍鎳鐵制成圓錐形，有足夠的發(fā)射面積，保證散熱和降低陰極電位。電極要能經(jīng)受質(zhì)量相當(dāng)大的正離子轟擊而不致升溫過高，不熔化和減少陰極濺射。金屬電極外有云母片，其作用一是支撐電極，二是隔熱，防止在真空除氣過程中，電極升溫過高導(dǎo)致外玻璃管炸裂。電極作為霓虹燈管的核心部件，其質(zhì)量與性能的優(yōu)劣將直接影響燈管的壽命。質(zhì)量好的燈管除了對真空度有較高的技術(shù)要求外，更重要的是必須有一對發(fā)射性能良好的電極，因為電極殼的表層通過轟擊加熱的過程中，能形成一層非常有利于電子發(fā)射激活層。若在轟擊中，完全喪失了這一激活層，那么真空度再高，其壽命也不會超過1000小時的。實驗也證明了燈管壽命不是跟真空度成正比關(guān)系。霓虹燈的電極發(fā)射電子是由正子轟擊陰極表面而產(chǎn)生二次電子發(fā)射的。它取決于陰極的材質(zhì)及陰極的表面狀態(tài)。實驗證明，當(dāng)陰極表面被其它單層低逸出功金屬原子覆蓋時，其二次電子發(fā)射系數(shù)變大，逸出功降低， 發(fā)射性能好，濺射少。霓虹燈電極材料大都使用銅、鐵、鍍鎳鐵等金屬制作的，這些金屬的逸出功較高，電子發(fā)射性能相對較差。如果燈管使用這些純金屬發(fā)射電子勢必造成其陰極壓降大，陰極濺射得快，從而使燈管很快因濺射失效，特別是銅電極濺射得更快。實驗證明，純金屬容易濺散，但在金屬表面氧化一層有益的氧化膜或涂一層其它逸出功較低的金屬或其氧化物，這樣做可以大大降低其逸出功的，提高了電子發(fā)射性能，從而減緩了陰極濺散，起到了延長燈管壽命的作用。于是人們在制造電極時，大都把電極進行預(yù)處理。 常見的霓虹燈變壓器有兩種：漏磁變壓器和電子變壓器。漏磁變壓器既是變壓器，與普通變壓器有同樣的結(jié)構(gòu)，在鐵芯上繞上初級和次級線圈，同樣在鐵芯窗口的中間部位增加了一個普通變壓器所沒有的磁分路，這個磁分路用小的硅鋼片疊合而成，且與鐵芯之間有空氣隙，有意讓鐵芯中的磁通能通過這一分路漏出鐵芯。其作用相當(dāng)于在變壓器上安裝了一個安全閥，當(dāng)次級電流增加時，鐵芯中的磁通就會被這磁分路所旁路，只有少數(shù)磁通與次級線圈相聯(lián)系，使次級的感應(yīng)電動勢減小，從而使漏磁變壓器獲得了霓虹燈變壓器所需的保持燈管電流不變的特性。實際上，燈管的壽命與電極的性能和結(jié)構(gòu)有著緊密的聯(lián)系著的。漏磁變壓器通過長期的使用和改進，設(shè)計及制作工藝都已達到完善和成熟。它的性能可靠，工作穩(wěn)定，被廣泛使用。漏磁式霓虹燈變壓器功率高450vA ，重量大于10公斤，雖然具有工作穩(wěn)定可靠，負載能力強(可帶1米到12米霓虹管)，但是漏磁變壓器需耗費大量的銅和鋼，笨重且價高，安裝困難，而且功率因數(shù)僅為0.5左右。在電力資源日益緊張的今大，傳統(tǒng)的漏磁式霓虹燈變壓器正被能低、體積小、重量輕的電子式霓虹燈變壓器所取代。 電子式霓虹燈變壓器一般6米的功耗不大于80W，12米的功耗不大于105W，大型霓虹燈工程中能大幅度節(jié)約電力資源，且方便安裝維護，但也有缺點，主要是可靠性差、亮度低、恒流性能弱，其中以可靠性問題最為突出。電子變壓器原理并不復(fù)雜，所用之電經(jīng)過整流濾波后得到 3OOV左右的直流電壓，然后通過逆變電路，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電，再經(jīng)升壓變壓器升壓到很高的電壓供霓虹燈啟輝工作電路通常設(shè)置有保護電路，以保證霓虹燈管開路或短路等異常情況時電路的安全。用電子技術(shù)制成的霓虹燈電子變壓器，在霓虹燈工程中得到廣泛應(yīng)用， 相當(dāng)大范圍內(nèi)取代了傳統(tǒng)的漏磁變壓器。變壓器通過霓虹燈專用高壓絕緣線、杜美絲與玻璃管內(nèi)電極相連。常見的高壓線有兩種：一是普通高壓線即塑料高壓線，這種高壓線價格便宜，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，安全性較差。另一種是硅橡膠絕緣高壓線，是目前較理想的霓虹燈連接線，安全性強，可靠性好。 2.3高可靠性霓虹燈的設(shè)計 針對霓虹燈電子變壓器可靠性差的問題，本文從性價比及可靠性兩方面研究市場上逐漸成為主流的6到8米電子式霓虹燈變壓器，主要考慮關(guān)鍵部件設(shè)計、器件優(yōu)選和易損器件的保護，以期提高可靠性和性價比。 電子變壓器的線路及工作原理霓虹燈電子變壓器電子線路見圖2-3。 圖2-3 霓虹燈電子變壓器線路圖 工作原理為:220V交流電經(jīng)Dl-D4整流、C2和C3濾波后變成直流電，供給后面的振蕩線路，C2和C3聯(lián)接點的電壓在15V左右，R1、R2穩(wěn)定155V電壓。 A1是按的保險絲，起短路及大電流保護作用。R1、C1消除交流電高頻干擾。振蕩起振線路由R5、R6、C4、D6和D7構(gòu)成，220V直流電經(jīng)R5、R6對C4充電，當(dāng)C4電壓上升到某一個值時，觸發(fā)二極管D7導(dǎo)通，使得三極管T2基極與發(fā)射極得到正向偏置電壓而導(dǎo)通，注意R5的功率要有2W。振蕩主線路由T1、T2、L1、L2、L3、R8和R9組成，由于起振線路的觸發(fā)使得T2導(dǎo)通，一旦T2導(dǎo)通，C3通過B初級、L3 和T2放電。L1、L2和L3繞在同一個高頻鐵氧體磁芯上，且同名端如圖1所示，由于有電流流過L3，L1和L2上感應(yīng)電壓使得T2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，而T1由截止變?yōu)閷?dǎo)通。一旦T1導(dǎo)通，C2通過T1、L3和B的初級放電，此時通過L3和B的初級的放電電流的方向與先前正好相反，導(dǎo)致T1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，而T2由截止變?yōu)閷?dǎo)通，如此周而復(fù)始，使電路產(chǎn)生振蕩。R8、R9分別是三極管T1、T2基極限流保護電阻，D6的作用是把觸發(fā)起振后C4上依舊存在的充電電壓釋放掉，R10和C6有保護T1、 T2三極管和改善波形的作用。R4、C1、D5、R7、C5、R11及SCR構(gòu)成過流及開路保護線路，R4是過流電壓取樣電阻，C1的作用是使得保護電路工作可靠，C5可消除干擾信號及開機保護，一旦出現(xiàn)過流，保護線路工作， 單向可控硅SCR導(dǎo)通，振蕩線路停振不工作，保護T1T2。保護線路一旦起作用，待故障排除后，重新開機才能恢復(fù)正常工作。 ⑴功率管的選擇 霓虹燈電子變壓器出現(xiàn)故障大多數(shù)原因是功率管損壞，功率管的選擇直接關(guān)系到霓虹燈電子變壓器的可靠性， 用圖2-2線路不同T1T2功率管帶不同長度霓燈管做比較試驗，結(jié)果見表2.1。表中負載是Ф12霓虹燈管，全亮電壓/電流是指霓虹燈電子變壓器剛好使整個負載長度都點亮?xí)r的輸入交流電壓/電流， 而正常亮度電壓/電流指霓虹燈電子變壓器是整個負載長度都達到正常你正常亮度時的輸入交流電壓/電流 表2-3(1)不同功率管點亮不同長度霓虹燈燈管比較試驗 T1T2型號 負載長度 全亮電壓/電流 正常亮度電壓/電流 240V電流 BUT11A 6M 120V/230mA 150V/270mA 381mA 7M 150V/315mA 170V/325mA 422mA 8M 180V/354mA 200V/387mA 430mA D1403 BU508 6M 105V/230mA 150V/276mA 7M 140V/308mA 180V/326mA 8M 180V/346mA 190V/375mA BU508 7M 150V/284mA 8M 190V/338mA 從表2-3(1)可以得到如下結(jié)論:不同的功率管帶負載的能力是不一樣的，隨著負載長度的增加霓虹燈電子變壓器的全亮電壓/電流及正常亮度電壓/電流均增加，D1403、BU508、BUT11A都具有帶6到8米負載的能力，即使D1403與BU508混合使用，其全亮及正常亮度電壓/電流也沒有多大改變， 輸入電壓高達220V時電子變壓器也能正常工作。 ⑵保護線路的設(shè)計 保護線路的設(shè)計直接影響霓虹燈電子變壓器可靠性。霓虹燈在使用過程中難免會出現(xiàn)燈管破裂、燈頭線脫落、潮濕天氣高壓對地打火等異?，F(xiàn)象，導(dǎo)致電子變壓器電流劇增，功率管發(fā)熱燒毀。所以保護線路必須在電流大于某閥值時及時工作，保護功率管。試驗中用增加工作電壓的方法模擬增加的異常電流。依然用圖2.2線路，輸出變壓器匝數(shù)為100/2875，選擇L1L2匝數(shù)均為5匝，L3匝數(shù)為8匝，R8R9阻值均為3.3Ω/W，8米負載，改變R7的阻值，在確定的R7阻值情況下，輸入交流電電壓逐漸增加，觀察記錄起始保護線路工作時的電流，結(jié)果見表2.4。 當(dāng)R7阻值確定后，起始保護動作僅與工作電流有關(guān)，與工作電壓及負載管長沒有關(guān)系。R7阻值越大，起始保護線路電流越大。R7阻值取6.5K，此時8米負載輸入 電 壓大于240V，起始保護電流500MA，5分鐘后起保。試驗中發(fā)現(xiàn)不同功率管對R7取值很不相同，表2.2是BU508 的結(jié)果，改用BUT11A，R7有大的改變。即使同一型號功率管，不同廠家生產(chǎn)的R7也不同。 表2-3（2） R7阻值與起始保護電流的關(guān)系 R7阻值（KΩ） 3 4 5 6 6.5 8 起始保護電流（MA） 430 450 465 490 500 515 ⑶使用情況 根據(jù)以上討論設(shè)計的霓虹燈電子變壓器使用后發(fā)現(xiàn)可靠性明顯增加，即使全天候使用的情況下返修率已達到能接受的程度，特別是下雨使用時電子變壓器能可靠動作，第二天不下雨又能正常工作，客戶對此也能接收。同時發(fā)現(xiàn)氣溫升高和電子變壓器使用環(huán)境散熱差使得電子變壓器損壞率明顯增加。仔細分析原因是工作電流長時間超過正常值，但又沒有達到起始保護電流，使得功率管溫升過高燒毀。R7阻值的下降調(diào)整可以降低起始保護電流，但會使電子變壓器保護線路過于敏感，影響正常使用。所以在保護線路增加正溫度系數(shù)開關(guān)型熱感電阻，當(dāng)功率管溫升達到居里點時觸發(fā)保護線路工作，從而達到保護功率管的目的。 當(dāng)然還可以進一步保護功率管，在功率管CE間反向并聯(lián)FR107二極管，防止CE反向擊穿。C2C3耐壓要到275V，防止C2C3擊穿損壞。 第三章、可編程序控制器簡介（PLC） 3.1 PLC簡介 可編程序控制器PC（Programmable Controller）又稱可編程序控制器PLC（Programmable Logic Controller），是微機技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相接合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計算機。它不僅充分利用微處理器的優(yōu)點來滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的實時控制要求，同時也照顧到現(xiàn)場電器操作維護人員的技能和習(xí)慣，擯棄了微機常用的計算機編程語言的表達形式，獨具風(fēng)格地形成一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的形象編程語言和模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，使用戶程序的編制清晰直觀、方便易學(xué)，調(diào)試和查錯都很容易。PLC現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、邏輯功能強、體積小、可在線修改控制程序、具有遠程通信聯(lián)網(wǎng)功能、易于與計算機接口、能對模擬量進行控制、具備告訴計數(shù)與位控等高性能模塊等優(yōu)異性能，日益取代由大量中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)繼電－接觸控制系統(tǒng)在機械、化工、石油、冶金、電力、輕工、電子、紡織、食品、交通、等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。PLC的應(yīng)用深度和廣度已經(jīng)成為一個國家工業(yè)先進水平的重要標志之一。 3.2 PLC的結(jié)構(gòu) PLC和一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴展單元和其他外圍設(shè)備組成。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成。其結(jié)構(gòu)簡圖如下 輸出部件 外設(shè)I/O接口 存儲器 EPROM 微處理器 運算器 控制器 電源 輸入部件 I/O 擴展接口 I/O 擴展單元 受控元件 輸入信號 外部設(shè)備 圖3-2 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖 PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個PLC成品必須包括的部分，由PLC廠家提供，用于控制PLC本身的運行，系統(tǒng)程序固化在EPROM中。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。 3.3 PLC的工作原理 PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。 PLC的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。 PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。 PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。 輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)輸出設(shè)備工作 S7-200系列PLC: S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能因此。S7-200系列具有極高的性能/價格比。S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。 應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域， 包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。 目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種CPU。檔次最低的是CPU221，其數(shù)字量輸入點有6點，數(shù)字量輸出點書有4點，是控制規(guī)模最小的。PLC檔次最高的應(yīng)屬CPU226，CPU226集成了24點輸入16點輸出，共有40點數(shù)字量I/O，可連接7個擴展模塊，最大擴展數(shù)字量I/O 248點或模擬量I/O35路。 S7-200系列PLC四種CPU的外部結(jié)構(gòu)大體相同，見圖3-3。 圖3-3 S7-200 PLC結(jié)構(gòu) ⑴CPU221 本機集成6輸入/4輸出共10個數(shù)字量I/O點。無I/O擴展能力。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。4個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點數(shù)控制的微型控制器。 ⑵CPU222 本機集成8輸入/6輸出共14個數(shù)字量I/O點。并且可連接2個擴展模塊。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。4個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點數(shù)控制的微型控制器。 ⑶CPU224 本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具 有較強控制能力的控制器。 ⑷CPU226 本機集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點?？梢赃B接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，并且具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，并具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力等。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 3.4 PLC的應(yīng)用特點 可編程序控制器是一種以微機處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計算機。國內(nèi)外現(xiàn)有的機械手系統(tǒng)，它們的控制形式大都采用可編程序控制器控制，特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè)機械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為普遍。其主要原因是因為PLC具有以下優(yōu)點： 1）、靈活、通用 在繼電器控制系統(tǒng)中，使用的控制器件是大量的繼電器，整個系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計好的電器控制圖，由人工布線、焊接、固定等手段組裝完成的，其過程費時費力。如果因為工藝上的稍許變化，需要改變電器控制系統(tǒng)的話，那么原先的整個電器控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進行布線、焊接、固定等工作，浪費了大量的人力、物力和時間。而可編程控制器是通過存儲在存儲器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能的，如果控制功能需要改變的話，只需要修改程序以及改動極少量的接線即可。而且，同一臺可編程控制器還可以用于不同的控制對象，只要改變軟件就可以實現(xiàn)不同的控制要求，因此具有很大的靈活性、通用性。 2）、可靠性高、抗干擾能力強 對于機械手系統(tǒng)來說，可靠性、抗干擾能力是非常重要的指標，如何能在各種工作環(huán)境和條件(如電磁干擾、低溫潮濕、灰塵超高溫等)下，平穩(wěn)可靠的工作，將故障率降至最低，是研制每一種控制系統(tǒng)必須考慮的問題?，F(xiàn)代PLC采用了集成度很高的微電子器件，大量的開關(guān)動作由無觸點的半導(dǎo)體電路來完成，其可靠性程度是使用機械觸點的繼電器所無法比擬的。為了保證PLC能在惡劣的工業(yè)環(huán)境可靠的工作，在其設(shè)計和制造過程中采取了一系列硬件和軟件方面的抗干擾措施，使其可以適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。 3）、操作方便、維修容易 PLC采用電氣操作人員熟悉的梯形圖和功能助記符編程，使用戶十分方便的讀懂程序和編寫、修改程序。對于使用者來說，幾乎不需要專門的計算機知識。工程師編好的程序十分清晰直觀，只要寫好操作說明書，操作人員經(jīng)短期的學(xué)習(xí)就可以使用。 4）、功能強 現(xiàn)代PLC不僅具有條件控制、計時、計數(shù)和步進等控制功能，而且還能完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字運算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等。因此，它既可控制開關(guān)量，又可控制模擬量；既可控制一個機械手，又可控制一個機械手群；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復(fù)雜系統(tǒng)；既可現(xiàn)場控制，又可遠程控制。 5）、體積小、重量輕和易于實現(xiàn)機電一體化 由于PLC采用了半導(dǎo)體集成電路。因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點。且PLC是為工業(yè)控制設(shè)計的專用計算機，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用、體積小巧，并由于具備很強的可靠性和抗干擾能力，使之易于裝入機械設(shè)備內(nèi)部，因而成為實現(xiàn)機電一體化十分理想的控制設(shè)備。 同樣，可編程序控制器控制也有其不足的地方，在性價比上要高于繼電器控制和單片機控制，其開發(fā)潛力要差于單片機，并且通用性不好，不同廠家的可編程序控制器以及其附屬單元都是固定專用等等。 第四章、霓虹燈控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1需求分析 本控制系統(tǒng)主要是用于控制霓虹燈和邊框流水燈按順序的閃爍。輸入程序后可以通過硬件進行燈的自動閃爍，達到宣傳的目的。如圖3-1，八個字能按順序地進行亮滅，并且邊框的燈能同時閃爍。 圖4-1霓虹燈現(xiàn)實 用PLC對霓虹燈廣告屏實現(xiàn)控制,其具體要求如下: ⑴該廣告屏中間8個霓虹燈字亮滅的時序為“鼎”字亮到“承”字亮到“大”字亮……“工”字亮,時間間隔均為1S,8個霓虹燈字全亮后,顯示10S,再反過來從“工”字到“天”字…“鼎”字順序熄滅.全滅后,停亮2S, 再從頭開始運行,周而復(fù)始。 ⑵廣告屏四周的流水燈共24只,一直亮。 ⑶系統(tǒng)有單步\連續(xù)控制,有啟動和停止按鈕。 ⑷系統(tǒng)霓虹燈字,白幟燈的電壓及供電電源均為市電220V。 4.2 PLC接線圖 P L C COM 220v I0.0 I0.1 I0.2 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 SB1 SB2 SB3 圖4-2 PLC接線圖的設(shè)計 4.3 I/O分配表及PLC型號選擇 根據(jù)控制要求,PLC控制霓虹燈廣告顯示屏的輸入\輸出(I\0)地址編排如下表所示,見表4.3。 地址 注釋 I0.0 啟動按鈕 I0.1 停止按鈕 I0.2 單步/連續(xù)開關(guān) Q0.0 霓虹燈1 Q0.1 霓虹燈2 Q0.2 霓虹燈3 Q0.3 霓虹燈4 Q0.4 霓虹燈5 Q0.5 霓虹燈6 Q0.6 霓虹燈7 Q0.7 霓虹燈8 表4-3 I/O分配表 通過以上資料分析，我選擇了S7-200系列中的CPU224，CPU224是S7-200系列中具有較強控制能力的小型控制器。S7-200系列CPU224集成了14點輸入/10點輸出，共有24點數(shù)字量I/O。它適合本次設(shè)計的要求，并且具有較強的控制能力的小型控制器，相對于其它系列CPU224能更好的應(yīng)用于本次設(shè)計中的任務(wù)，并且具有較高的性能價格比，應(yīng)用廣泛。 4.4控制流程的設(shè)計 開 始 返 回 圖4-4流程圖的設(shè)計 4.5梯形圖的設(shè)計 圖4-5梯形圖的設(shè)計 第五章、系統(tǒng)測試 5.1調(diào)試仿真 我的程序在調(diào)試的時候是出現(xiàn)了很大的問題的，第一個就是程序的步數(shù)太多，存在誤差太大，后來在老師和同學(xué)的指導(dǎo)下，我把程序簡化了一下，但是大體的思路還是一樣的，仿真圖如下： 霓虹燈正序亮如圖5-1所示。 圖5-1 系統(tǒng)仿真圖一 霓虹燈正序全亮10S如圖5-2所示。 圖5-2系統(tǒng)仿真圖二 霓虹燈反序滅如圖5-3所示。 圖5-3系統(tǒng)仿真圖三 霓虹燈反序全滅1S如圖5-4所示。 圖5-4系統(tǒng)仿真圖四 5.2程序運行原理說明 本程序是用S7_200所寫的，在啟動按鈕按下以后，程序開始運行，霓虹燈字的開始亮滅，在按下啟動按鈕以后，八個字會按要求亮滅，主要是計時器控 制的，開始時燈的正序亮，然后是燈的反序滅。霓虹燈的亮滅，狀態(tài)比較多，我是把每一種亮的情況都納入一個狀態(tài)的，最后，會由正序亮轉(zhuǎn)換成反序滅。 總 結(jié) 經(jīng)過這次的畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)了我的設(shè)計能力以及全面的考慮問題能力，使得我對PLC的掌握進一步的增強，加深了對PLC的理解，并對PLC產(chǎn)生了濃厚的興趣，但是我也深深的知道自己的不足之處，比如說對應(yīng)用指令的不熟悉，大大地加深了我的程序復(fù)雜程度。多在學(xué)習(xí)過程中不能想通的問題，在PLC調(diào)試過程中，終于得以解決，可以看出它對理論教學(xué)起到了必要的補充和額拓寬作用，對培養(yǎng)既具有扎實理論功底又具有相當(dāng)實踐能力的人才必不可少。在這次的課程中，我發(fā)現(xiàn)PLC在工業(yè)控制中的作用很大，它能使人的控制轉(zhuǎn)變成電腦的控制，大大地降低了產(chǎn)品的成本，很大地提高生產(chǎn)效率。PLC在未來很有發(fā)展?jié)摿?，我們必須要很好的掌握這門技術(shù)。 致 謝 時光匆匆如流水，轉(zhuǎn)眼便是大學(xué)畢業(yè)時節(jié)，春夢秋云，聚散真容易。離校日期已日趨臨近，畢業(yè)論文的的完成也隨之進入了尾聲。從開始進入課題到論文的順利完成，一直都離不開老師、同學(xué)、朋友給我熱情的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意! 這次畢業(yè)設(shè)計說明書的完成，首先要感謝學(xué)院提供一個讓我自我總結(jié)的機會，也要感謝帶領(lǐng)我的指導(dǎo)教師吳巧榮老師，在畢業(yè)設(shè)計零件加工及其說明書編制過程中，給予了精心的指導(dǎo)，并講解了各項專業(yè)要領(lǐng)，提出了寶貴的專業(yè)意見，程序編制過程中，也給了我很大幫助，是他的精心指導(dǎo)才使我的畢業(yè)設(shè)計能夠按期完成，也要感謝同學(xué)們在我做畢業(yè)設(shè)計過程中對我提出的寶貴意見和建議。 33 參考文獻 [1] SIMATIC S7-200系統(tǒng)手冊[M]. 北京：西門子（中國）有限公司,2004 [2] 西門子S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊[M].西門子有限公司,1999 [3] SIEMENS公司的S7-200用戶指南[M]. 工業(yè)控制計算機,2002. 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