PLC控制霓虹灯.doc

电气控制与可编程控制器课程设计说明书题目： 专业： 班级： 姓名： 学号： 苏州科技学院机电工程系目 录（目录内容包含2级标题，均为左对齐）1 标题11.1 标题X1.2 标题X2 标题X2.12.23 3.11控制系统概述1.1 系统介绍随着社会的发展，企业们为了宣传自己的产品和形象，大部分都采用霓虹灯广告屏来实现这一目的，霓虹灯的闪烁既可以用人工控制，也可以用电气控制。采用前一种控制方式会浪费很多的人力，财力，而电气控制中会使用很多继电器，这样就会有机械磨损，而霓虹灯的闪烁时间间隔是相当的短，这样使用电气控制是不太可能的。可编程控制器简称（PLC）的出现就解决了这个问题，它具有它独特的优点来控制霓虹灯的闪烁。控制好霓虹灯的亮灭非常重要，可以选择可编程序控制器（PLC）作为主控制器，并编写相应的软件程序来衔接其它外部硬件电路，最终达到自动控制霓虹灯广告屏的目的。一个霓虹灯广告屏做好后，在不改变硬件电路的基础上，运用编程软件设计编写好各种软件程序，通过计算机传送到可编程序控制器上，通过其自动控制霓虹灯广告屏，可以自动显示出各种已设计好的显示图案，来达到广告宣传的目的。本系统用于控制霓虹灯和边框流水灯的顺序闪烁。它能实现在无人控制的情况下进行灯的自行闪烁，达到宣传的目的。如图所示，八个灯管能按顺序的进行亮灭，并且边框的流水灯能间隔闪烁。图1-1 霓虹灯闪烁装配图1.2 系统的控制要求（1）广告屏中间8根灯管亮灭的顺序为：第1根亮2亮3亮第8根亮，时间间隔为1S，全亮后显示10S，再反过来从871按1S间隔顺序熄灭，全灭后停亮2S，再从第8根开始亮，顺序点亮761，时间间隔1S，全亮显示5S，再从128按1S的间隔顺序熄灭，全灭后停亮2S，然后重复运行，周而复始。（2）广告屏四周安装24只流水灯，奇数流水灯2只一组，逐个点亮一秒。偶数流水灯2只一组，逐个点亮一秒。重复运行，周而复始。（3）系统可以连续动作，也可以单步动作。有启动停止按钮。（4）启动时，灯管和流水灯同时启动，关闭时，可同时关也可以分别关。（5）各个彩灯的控制电压均为220V/AC。1.3 霓虹灯1.3.1 霓虹灯的现状与发展 最早的霓虹灯产生于法国的咖啡馆，当时主要是作为咖啡馆的标志和装饰，或作为娱乐场所的点缀。随着商业的发展，百货商场、旅馆酒店等行业先后引进并广泛采用了霓虹灯，尤其在节日里，活跃、变幻无穷的动态、转换的霓虹灯，更为节日的喜庆色彩增添了热烈、欢庆的气氛。在姹紫嫣红、灯红酒绿的霓虹灯世界里能脱颖而出的霓虹灯，往往是那些富有变幻、跳跃、动态的霓虹灯。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。霓虹灯管可以弯成各种所需要的形状，可使形式变化丰富多彩。动态，转换的霓虹灯，由于它的活动性比较大，因此在采用公司、企业、产品等标志的准标色做色彩元素时，当色彩进行演变与变换时，仍不可离开标准色与辅助色之间的主、次关系，霓虹灯色彩的变色与变幻色调已由电脑程序来调节和控制，即使在多项广告内容。在设计制作时，既要给人以变幻的吸引力，又要主次分明，没有色彩和图案紊乱的感觉。变换、闪烁、跳跃式的霓虹灯为促进销售，为营造欢乐、多姿多彩的生活正越来越受到人们的重视与欢迎。1.3.2 霓虹灯的特点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，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。温度低，使用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。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也在不断进步。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。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。制作灵活，色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。动感强，效果佳，经济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。2 可编程控制器介绍可编程控制器简称PLC，它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体，易于扩展其功能的原则设计。2.1 PLC的产生及发展1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用 “面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1969年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。 PLC的发展也是与计算机技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，正是这些高新技术的发展推动了可编程控制器的发展。从控制功能来看，可编程控制器的发展大致经历了4个阶段：（1）初级阶段：从第一台PLC问世到20世纪70年代中期。（2）扩展阶段：从20世纪70年代中期到70年代末期。（3）通信阶段：20世纪70年代末期到80年代中期。（4）开放阶段：从20世纪80年代中期开始。2.2 可编程控制器的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于其触头接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与I/O有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/1001/10，因触头接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力。（2）编程简单，操作方便。梯形图是使用的最多的PLC的编程语言，其电路图形符号和表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象直观、易学易懂，熟悉继电器电路图电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。（3）体积小，能耗低。对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/101/2。PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。可编程控制器（PLC）是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制功能强，可靠性高，使用灵活方便，易于扩展等优点而应用越来越广泛。可编程控制器(Programmable Logic Controller)即PLC。现已广泛应用于工业控制的各个领域。他以微处理为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时，计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。（4）系统的设计、安装、调试的工作量小，维护方便。PLC用软件功能取代了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，是控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。它的的故障率很低，具有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因。（5）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。PLC产品已经实现标准化、系列化、模块化，并配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统，PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。2.3 可编程控制器的发展趋势（1）向微型化、专业化的方向发展，更加网络化、开放性强。（2）向大容量、高速度、高性能方向发展，更加智能化。（3）编程语言日趋标准和高级化。（4）与其它工业控制产品更加融合，网络通信功能日趋标准化。（5）与现场总线相结合，外部故障检测能力强。（6）通信联网能力增强，能实现分散控制和集中管理。2.4 结构及工作原理目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。 PLC控制系统由输入量PLC输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。 输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。 程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。 2.5 PLC较继电器控制的优势20世纪20年代起，人们开始采用继电-接触器控制，但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难以实现较复杂的控制，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差；随着竞争的激烈，必然要求生产线的控制系统亦随之改变，PLC的出现解决了这一难题。其优势可归纳为：（1）编程方便，可现场修改程序； （2）维修方便，采用插件式结构； （3）可靠性高于继电器控制装置； （4）体积小于继电器控制盘；（5）数据可直接送入管理计算机； （6）成本可与继电器控制盘竞争； （7）输入可以是交流150V以上； （8）功能完善、灵活方便。3 硬件系统设计3.1 PLC的输出模块类型三菱PLC输出模块类型有三种：继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型。其各自特点如下：继电器输出型：使用电压范围广，导通压降小，负载能力强，交直流均可。承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命有一定限制。晶体管输出型：用于直流负载，可靠性高、反应速度快、使用寿命长、过载能力稍差。结合霓虹灯工作特点，开关频率较高，故本设计选用此类型输出。晶闸管输出型：用于交流负载，动作速度较快，负载能力较差。3.2 本控制系统设备选择随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：(1) 合理的结构型式(2) 安装方式的选择(3)相应的功能要求(4)响应速度要求(5)系统可靠性的要求PLC选型 ：本设计中选用了日本三菱公司FX系列的PLC，它功能强大，有好多功能类似于西门子，相对来说比较容易上手，三菱PLC系统稳定，系统小，从经济角度考虑三菱比较经济。综合考虑到以上因素，且由于本系统共需要14个输出端口，且输出类型为晶体管输出，需要4个输入端口。输入输出端口应留有适当裕量，本系统选用晶体管输出模块式PLC-FX2N-32MT，其主要技术参数是输入16点，电源类型为DC24V，输出晶体管16点，24V直流输出型。扩展模块可用点数2432。按钮选型：德力西LAY8系列按钮开关，适用于AC 50HZ，额定电压660V及DC440V以下电磁启动器、接触器、继电器，所以设计中所用按钮均为此类型。霓虹灯选型：选用汉朗牌HLNEON-YZ126型，它是一种低压、柔软的产品，适用于各种字母、图案。它可以弯曲成各种形状去满足不同的设计要求，另外还是一种尺寸小的产品。额定功率:120W，额定电压:220V。流水灯选型：选用型号CY-024型，额定功率:120W，额定电压:220V。3.3 控制的流程图3.4 PLC控制霓虹灯的I/O分配表表3-2 I/O分配表输入点分配输出点分配输入接点输入开关名称输出接口驱动设备X0总启动按钮SB1Y0 Y7控制8个霓虹灯管X1总停止按钮SB2Y10Y15控制6组流水灯泡X2灯管停止按钮SB3X3流水灯停止按钮SB43.5 PLC外部硬件接线图图3-2 PLC外部接线图3.6 灯的转换输出电路图 3-3灯的转换输出电路3.7 梯形图图3-4 PLC梯形图4程序操作及系统的调试4.1 程序操作说明 按照工艺控制要求，在编程软件中编写梯形图程序，在模拟软件中模拟，看程序的动作顺序是否和工艺流程要求一致，如果程序动作顺序达不到控制要求，则更改，直到程序的动作顺序达到工艺要求为止，然后按照PLC外部接线图，连接实物等待上电调试，检查无误后，准备通电调试。按下PLC的电源按钮，PLC自检运行，内部继电器M8002得电，之后S1O得电，此时按下总启动按钮SB1,PLC程序中有两步程序同时进行,一个是霓虹灯管的亮灭，一个是四周边框流水灯的亮灭。霓虹灯管的亮灭：在按下X0以后八个灯管按要求亮灭。广告屏中间8根灯管亮灭的顺序为：第1根亮2亮3亮第8根亮，时间间隔为1S，全亮后显示10S，再反过来从871按1S间隔顺序熄灭，全灭后停亮2S，再从第8根开始亮，顺序点亮761，时间间隔1S，全亮显示5S，再从128按1S的间隔顺序熄灭，全灭后停亮2S，然后重复运行，周而复始。广告屏四周安装24只流水灯，4只一组，共分成6组。系统启动后，按照的顺序间隔1S依次点亮并循环。18S后，按照的顺序，依次点亮并循环。再按照的顺序往复，直至人为停止工作。流水灯同时亮起,每组亮起相隔1s,18s后反序亮。从S30S35控制到流水灯的流水。从S40S45控制到流水灯的流水。开始按照正序间隔1S点亮并循环18S后由正序变为反序由于循环一次为6S，18S循环3次，计数器计数到3次时才会进行正反序的转换。程序有总停按钮X1，同时每个程序分别由分停按钮X2，X3控制。 PLC中梯形图的动作顺序：按下总启动按钮SB1,PLC中XO得电，内部继电器S20和S30满足要求，开点S20和S30闭合，霓虹灯管和流水灯的程序启动，同时继电器Y0和通电延时时间继电器TO线圈得电，第一根霓虹灯管亮起，时间继电器开始计时，计时时间满一秒后，时间继电器TO动作，开点TO闭合，此时继电器Y1得电，第二根灯管亮起，同时第二个时间继电器T1线圈得电并计时，满一秒后，TI动作，开点TI闭合以此类推，广告屏中间8根灯管间隔一秒依次亮起，S20控制灯的正序亮功能实现。 第八根灯管亮起的同时，时间继电器T7线圈得电并开始计时，10秒后继电器动作，开点T7闭合，第八根灯管熄灭，时间继电器T8，T9，T10，T11，T12，T13，T14，T15同时得电并开始计时，由于八个时间继电器设定动作时间相隔一秒，所以八个时间继电器间隔一秒相继动作，继电器的常闭点串联在八个灯管中，所以S20控制灯的反序灭功能实现。 第一根灯管熄灭的同时，继电器T15得电并开始计时，2秒后，开点T15闭合，内部继电器S21得电，同上通过时间继电器的延时设定和继电器的连锁来实现第8根开始亮，顺序点亮761，时间间隔1S，全亮显示5S，再从128按1S的间隔顺序熄灭，全灭后停亮2S的工艺要求。 当按下总启动按钮SB1时，PLC中XO得电，内部继电器S30满足要求，开点S30闭合，流水灯的程序启动，同时继电器Y10线圈得电，第一组流水灯亮起，时间继电器T32得电并开始计时，计时满一秒后，开点T32闭合，此时第二组流水灯的继电器线圈Y11得电并亮起，同时，T33线圈得电并开始计时，计时满一秒后，开点T33闭合，Y12线圈得电，第三组流水灯亮起以此类推，六组流水灯间隔一秒相继得电亮起。S30S35控制到流水灯的流水功能实现。 第六组流水灯亮起的同时，计数器线圈得电，并开始计数一次，同时时间继电器T37得电计时，一秒后，实现下一个循环，每次循环需要6秒，计数器需要计数3次后才能进入下一个循环，所以正序循环3次共需18秒，S30控制流水灯正序循环3次共18秒的功能实现。当计数器计数满3次后，计数器线圈得电动作，开点C0闭合，S40满足条件，开始进入下一个程序。S40得电后，第六组流水的得电先亮起，同时T38得电并开始计时，满一秒后，S41开点闭合，第五组流水灯亮起，以此类推，六组流水灯间隔一秒相继得电亮起。S40S45控制到流水灯的流水功能实现。计数器计数满3次后反复进入正序循环。 当按下总启动按钮SB1时，两组程序同时分别启动，当按下总停钮SB2时，两组程序同时断电终止，当只按下灯管停止按钮SB3时，灯管停电终止，流水灯继续循环，当只按下流水灯停止按钮SB4时，流水灯停电终止，灯管继续循环运行。 总上所述，所编PLC程序能够实现灯管和流水灯的工艺控制要求。4.2 系统调试与完善程序在调试时发现了一些漏洞，本系统的两个独立模块程序是分开调试，首先调试八个灯管这一模块，在调试的过程中，发现其中从一个工作状态转换到另一工作状态时时间滞后，经过分析发现这种现象是定时指令引起的，经过改写程序反复调试直至动作正常。在调试六组流水灯组中，其控制逻辑相对简单，因此调试得很顺利。最后进行整个模块的调试也发现了细