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• 本文标题：基于PLC的霓虹灯广告屏控制系统的设计.docx
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• 内容摘要：郑重声明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独自进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名：日期：摘要霓虹灯广告屏是企业宣传自身形象和产品的手段之一，因其具有强运动性、低能耗、经济实用、寿命长、效果好、制作灵活、色彩多样等特点，广泛应用在生产生活中。本文在阐述霓虹灯广告屏结构和工作原理的基础上，利用可编程控制器通用性强、编程控制容易且广泛、广泛的适用范围、较强的抗干扰能力、高可靠性等特点设计了霓虹灯广告屏控制系统，基于PLC的控制系统较好地解决了霓虹灯开关的调节、闪烁时间和方向，以及如何快速、可靠、操作方便等问题。在论文中首先提出了有关霓虹灯广告屏的设计方案；其次我完成了霓虹灯广告屏控制系统的软硬件设计。硬件部分包括IO分配表和PLC选型，软件部分包括绘制流程图和程序梯形图；最后通过系统对所设计的控制系统进行测试，满足了设计要求。关键词：霓虹灯广告屏；PLC；控制系统ABSTRACTNeonTheneonadscreenisoneofthemeathecompanyadvertisesitsownimageandproduct。Strongmobilitylowenergycoumptioneconomicalutilitylonglifespangoodeffectflexiblemanufacturingandvarietyofcolo。Inthispaperthescreetructureandoperationprincipleofneonadvertisementaredescribedandthegeneralpurposeoftheprogrammablecontrollerishightheprogramcontroliseasyandtheapplicationrangeiswidethestronginterferencepreventionabilityandthehighreliabilityetc。arecontrolledandthecontrolsystemofthescreenoftheadvertisementoftheneonadvertisementisdescribedThedesignofthetempbasedonthePLCcontrolsystemiswellsuitedfoeowitchadjustmentsresolvingtimeanddirectionofscintillationandhowfastreliableandconvenientoperation。Inthepaperwefitproposedadesignfortheneonadscreen。Nextsofthardwaredesignofneonadscreencontrolsystemwascompleted。ThehardwareportionincludestheIOlayoutandthePLCoptionandthesoftwareportioncontaiflowchartsandprogramtrapezoidaldiagrams。Finallywetestthecontrolsystemdesignedthroughthesystemandmeetthedesignrequirements。Keywords: neon advertising screenPLC control system目录第1章绪论11。1设计背景及意义11。2霓虹灯广告屏概述21。2。1霓虹灯广告屏的发展历史21。2。2霓虹灯的发展现状31。2。3霓虹灯广告屏的发展历程及现状51。3霓虹灯广告屏的工作原理51。4霓虹灯广告屏部件与结构61。5课题基本研究内容6第2章霓虹灯广告屏的设计方案72。1设计内容和要求72。1。1设计内容72。1。2设计要求72。2总体方案设计82。2。1硬件的配置及其组成原理82。2。2系统接线图设计82。2。3系统可靠性82。3可靠性高的霓虹灯设计9第3章霓虹灯广告屏控制系统143。1霓虹灯广告屏控制系统的硬件设计143。1。1I0分配表设计143。1。2PLC型号选择143。1。3PLC端子接线图143。2霓虹灯广告屏控制系统的软件设计153。2。1控制流程设计153。2。2设计应用梯形图程序及说明18第4章系统测试264。1调试仿真264。1。1软件仿真264。1。2调试与完善274。2程序运行原理说明29总结与展望30参考文献31致谢32第1章绪论1。1设计背景及意义PLC是可编程控制器的简称。可编程控制器是一种数字电子操作系统，专为工业环境应用而设计。通过PLC，能够使诸多内部指令得到存储并且执行，比如常见的逻辑和算数运算、记数、定时以及顺序控制等，将上述指令通过数字的输入与输出对机器设备实现控制功能。这种电子操作系统的使用灵活。具有较强的通用性，此外还具备接口简单、抗干扰能力强、体积小、耗电少、性价比高的特点。PLC主要应用于模拟控制、逻辑控制、过程控制、运动控制以及通信、网络和数据处理等领域[1][2]。霓虹灯广告屏具有低温、高效、低能耗、运动性强、寿命长、制作灵活、经济实用、色彩多样、效果好、不受气候限制等特点，被列为其主要特点。利用PLC控制霓虹灯广告面板，便于现场程序的编制、维护和修改。采用插件结构，可靠性高于继电控制装置，体积小于继电控制屏。数据可直接送至管理计算机，成本与继电控制盘差不多，输入电压为交流，最高可达150V，功能完善，灵活方便[3]。随着市场经济的发展脚步越来越快，越来越多的大中型城市正在优化其照明工程。很多的企业为了大力宣传企业的形象和产品，企业基本上采用了广告技术。霓虹灯广告屏是企业宣传自身形象和产品的手段之一。当我们晚上走在街上时，我们可以看到道路两旁各种霓虹灯广告。这些霓虹灯广告画面熄灯，闪烁时间和流向可通过PLC控制达到要求[4]。PLC的总体发展趋势具体表现有以下九个方面：1。PLC编程语言的标准化。2。PLC通信的使用方便化。3。以多功能化，小型化以及实用性为主要的导向。4。具有高性能的智能型IO模块的发展。5。利用计算机工具软件实现编程。6。CPU的处理速度进一步加快。7。PLC的软件化以及组态软件。8。PLC结合现场总线。9。PLC新型特殊功能模块的开发[5]。1。2霓虹灯广告屏概述1。2。1霓虹灯广告屏的发展历史对霓虹灯的发展历史进行追溯，可以发现，最初出现在十九世纪时法拉第对气体放电方面的研究。由于发现了电磁感应定律，对感应线圈进行了改进，开展了气体放电的研究工作。19世纪50年代出现了盖斯勒放电管，后来又发明了积垢放电管。1893年气体放电的丰富色彩和明亮光线应用到照明中。1904年霓虹灯已初步试生产。它的管子直径为45mm，长度为60m，二次电压为变压器提供10000伏以上的电压。当时，由石墨制成的霓虹灯管的电极，充满二氧化碳或氮气，将有不同颜色的光。有二氧化碳的发出白色的光，而有氮气的则发出白色的光。由于这些气体更活泼，更容易与电极反应，阴极喷出的石墨在玻璃上形成一层薄膜，强烈吸收这些气体，这使放电管内的气压迅速下降，从而这种类型的霓虹灯寿命很短。因此，要想成功的解决这一问题，就选择在霓虹灯管上额外增加了具有特性的电磁阀，并在一定时间后将一定量的气体注入霓虹灯管中。这种灯不仅寿命短，使用不方便，而且成本高，很难推广。法国科学家克劳德在1910年用各种惰性气体代替了原来的活性气体，通过充入霓虹灯，改变了霓虹灯的气体成分，大大降低了霓虹灯的耗气速度，为实用霓虹灯打下基础。1915年，克劳德获得霓虹灯发明专利。此后，霓虹灯的优越性得到了充分的承认，并在20世纪20年代在世界各地迅速发展[6]。此时霓虹灯采用无色玻璃管，辉光放电正柱区中的辉光用作光源。灯的颜色取决于充进去气体的类型。填充的气体在正柱区内的颜色特征如表1。1。表1。1正柱区内填充气体的放电颜色气体名称氦氖氩氪氙化学符号HeNeArKrXe发光颜色黄红蓝紫鲜蓝发现时间18681898189318901900这种霓虹灯的原理比较简单，有很多缺点：一是颜色不够丰富。透明玻璃管内霓虹灯的颜色完全取决于充气量。如果所需的颜色没有对应的气体，则无法获得这种颜色，并且颜色的类型受到很大限制。二是对加气系统的一些颜色要求复杂，成本高，这使霓虹灯价格变高，无法被广泛应用。三是为了丰富霓虹灯的色彩，经常会用一些颜色涂抹在玻璃管壁上。这种方法虽然提高了颜色的选择范围，但也使得光效降低，能量浪费。四是在制造透明玻璃管霓虹灯的过程中，除气和充气过程比较复杂，霓虹灯的成品率较低[7]。二战前夕，人们对光致发光的研究有了新的突破。在此期间制备了一种紫外激发产生可见光的荧光粉，汞蒸气放电的紫外线能激发出几十种颜色不同的可见光。它的色彩非常丰富，使霓虹灯的装饰照明效果大大提高。同时，荧光粉的使用提高了灯具的光效，降低了灯具的成本。同时简化了生产工艺，具有广泛的应用前景[8]。1。2。2霓虹灯的发展现状随着不断的进化发展，电子学的诞生为电光源技术带来了新的视角，帮助电光源技术实现突破，从各个方面都为电灯的发展起到不同程度的促进作用。技术的更新带来了一批电子镇流器以及变压器等电子元件，光源产品里面可以加入这些电子部件。此外，新型的电子部件还有一些能够与霓虹灯实现互相连接的组件，比如电子变压器以及扫描型的控制器等。很多的部件性能稳定并且使用安全，对其的生产技术也日趋成熟，比如漏磁变压器，这类部件的弊端并不突出。此外，霓虹灯中加入了很多的特效变压器，这些变压器的出现，一方面能够使得霓虹灯更具活力，另一方面，通过这些特效变压器可以看到霓虹灯的发展历程。有以下几种主要的特效变压器：(1)书写式霓虹幻变压器部分电子变压器实现对光的调整，同时，控制信号，比如，随着音乐信号的出现产生的脉冲现象，控制信号使其继续加强或者是减弱，这类变压器能够产生复制效应，因此也称为呼吸氖变压器，是本文主要探讨的变压器。在变压器中，光能够在电弧管的一端开始呈现，然后流到电弧管的另一端，最终再次返回。(2)变色霓红灯通常情况下，变色霓虹变压器多用于特殊的发光管，使得发光管出现单管变色的现象。人们能够自行选择激活管中的气体，进而使得产生不同的颜色替代。根据青野正明等科学家提出了变色气体能够发出电流开始，很多的学者和研究人员就不断的展开研究，制造出能够实现颜色变化的霓虹灯。直到1988年在东南大学的实验室里，研究人员利用锯齿波电压刺激六十三毫米的放电管，发现能够观察到变换颜色。随后，在1992年国外光源技术研讨会上，科研人员科技人员介绍了可变光色放电灯。越来越多的人们开始关注到变色霓虹灯，进行多方面的深入研究，使得这种能够发生颜色变化的霓虹灯不断的完善，使用的范围也越来越普遍[9]。(3)无电极和单电极氖变压器一般而言，单点极灯仅仅需要一个电极，其尺寸较小，发光强度较弱，常用于建筑物和以及布景雕刻中。而新型的无极放电灯具备光效高、噪音小、使用寿命长等优势，所以，对于这类电灯的制造，整个过程中相关的程序得到大幅度的简化，比如电极的密封以及加工过程。同时霓虹灯的寿命得到了很大程度的延长，能够高达到六至八万小时。(4)低压电子霓虹灯除此之外，低压电子霓虹灯的出现也十分的惹人关注。这类霓虹灯不同于高压电子霓虹灯，采用的是无汞工艺进行生产，因此不会人体身体健康造成伤害，也更加环保。霓虹灯的类型越来越繁多，比如光纤霓虹灯等。可以预想到，今后会有更多类型的霓虹灯点亮我们的生活。在此基础上，研究人员也在不断挖掘霓虹灯的在其他方面的用途，有许多的艺术家也加入进来，在艺术作品中融入霓虹灯，同时，将霓虹灯用于建筑行业中，可以使得建筑物在夜晚产生不一样的美丽，相比白天的建筑物更具活力和色彩，显得熠熠生辉，彰显出独特的建筑魅力。此外，很多娱乐中心也大量采用霓虹灯进行装饰，展现出艺术气息[10]。1。2。3霓虹灯广告屏的发展历程及现状直至今日，霓虹灯广告屏已经历近百年的历史，1910年，霓虹广告屏幕在巴黎出道。霓虹灯广告画面根据设计要求，采用了各种各样的文字和图案弯曲的霓虹玻璃管。然后，在玻璃管的两端准备电极，提取电极内的空气，形成真空状态。根据该过程的需要，将诸如霓虹灯、氩等环氧气注入管中，在连接特殊高压电源之后，各种颜色的可见光被发光。它被广泛用于现代大城市建设的必备装饰和良好广告宣传效果，其鲜艳、多彩、飘逸、印象深刻、简洁、反复、良好的宣传效果。近些年来，由于霓虹灯技术发展越来越先进，其显示效果也日趋多样化，霓虹灯广告屏已经成为一个城市亮丽的风景线。由于霓虹灯广告屏的诸多优点，它现在已渗透到各个领域，被广泛应用，在各个领域基本上都占有一定的市场份额。1。3霓虹灯广告屏的工作原理辉光放电是霓虹类灯具经常采用的工作方式，其电流的形成需要正离子与阴极的相互作用来实现，阴极被激发后形成二次电子，在保证阴极电流密度稳定的前提下可以产生持续有效的电流，因为辉光放电过程一般对于电流值大小有明确的限定，所以上述情形下阴极电位出现的下降可以忽略不计。为了确保霓虹灯产生的光效应符合一定的照明要求，要根据灯的直径、灯内气压、电极配置以及气体种类等来确定实际的工作电流强度，较小的灯直径有利于增大柱面积，从而得到较大的电压降幅。在实际应用中，一般会将多个相互关联的霓虹灯置于同一变压器工作条件下，这样做可以有效地提升用电器的整体工作效率，为了便于对各个霓虹灯的工作情况进行单独控制，可在电路中设置多个开关，有助于实现不同广告场景之间的切换[11]。1。4霓虹灯广告屏部件与结构霓虹灯是一种低气压冷阴极辉光放电灯。其结构和组成部件为正常辉光放电提供了保证，工作材料为获得所需的光颜色提供了可能。玻璃灯管和霓虹灯变压器组成了霓虹灯。如图1。1所示。图1。1霓虹灯结构图1。5课题基本研究内容控制器是霓虹灯控制系统的核心组件，本文对基于PLC控制器的霓虹灯控制系统进行了详细的分析，包括硬件构成、监控模块以及整体的功能架构，在此基础上提出了霓虹灯各组成模块和详细硬件模块的设计方案灯具控制系统，设计了控制方式，编写了程序，实现了系统监控工作的软件化管理，便于PLC根据系统的实际运行情况做出适当调整。（1）相关产品的调研；（2）系统方案设计；（3）器件选型，输入输出地址分配表的建立、PLC与霓虹灯广告屏电气接口电路的设计。（4）绘制电气控制原理图、PLC接线图和梯形图；（5）系统仿真和调试；（6）设计总结。第2章霓虹灯广告屏的设计方案2。1设计内容和要求2。1。1设计内容霓虹灯的流动方向、闪烁时间以及亮灭主要是由PLC进行控制的，设计人员在完成相应的驱动程序输入后就可以调控相应的硬件按照预定要求进行工作。某一广告屏共有8个霓虹灯字和24只流水灯，每4只为一组，如图2。1所示。图2。1霓虹灯广告屏2。1。2设计要求1、本次设计的霓虹灯广告屏包括“钟灵毓秀巧夺天工”8个灯字，先按照从左到右的顺序将“钟”字至“工”字依次点亮，间隔设置为1s，全亮显示10s后再按照从右到左的顺序将“工”字至“钟”字依次熄灭，之后停亮2s，按照从右到左的顺序将“工”字至“钟”字依次点亮，间隔设置为1s，全亮显示20s后再按照从左到右的顺序将“钟”字至“工”字依次熄灭，之后停亮2s，不断重复上述的循环过程。2、24只流水灯分布在广告屏的四个边上，且平均分为6组，每组灯向前移动的时间间隔为1s，且Ⅰ～Ⅵ每相隔一灯为亮，即从Ⅰ→Ⅱ→┈→Ⅵ，移动一段时间后（如30s），再反过来移动，即从Ⅵ→Ⅴ→┈→Ⅰ，不断重复上述过程。3、需设置停止与启动按键，系统控制过程分为连续与点动两种模式。4、整个系统在220V的标准供电电压下进行工作。5、画出系统动作流程图6、设计外部输入输出点7、画出PLC外部接线图8、设计完整的梯形图2。2总体方案设计2。2。1硬件的配置及其组成原理硬件部分的主要配置情况为：三菱PLC(经接口参数的相关计算并配合查阅三菱控制器编程手册选定FX2N48MR001为最终的系统控制器)、供电器、8个霓虹灯字、24个流水灯、足够数量的导线[12]。2。2。2系统接线图设计系统接线图如图2。2所示。图2。2系统接线图2。2。3系统可靠性中央处理器、主机箱及其扩展部分、网络模块与相关外部装置共同组成了PLC的主体结构。上述相关设备之间存在密切的联系，系统整体能够正常工作得益于各个模块间的协同配合，为了确保各设备稳定运行，本次课程设计中专门对相关的影响因素进行了综合分析，发现来自外部环境的电磁辐射会对系统的稳定工作造成一定的干扰，这类干扰的可能来源主要有：接地系统混乱造成的信号干扰、系统外部设备的电磁干扰、引入信号线造成的干扰以及来自系统电源的干扰。为了确保系统能够稳定运行，提升其抗干扰的能力，一般可从三个方面入手：堵塞并消除耦合信通、引进抗干扰能力强的敏感元件、屏蔽干扰源[13]。2。3可靠性高的霓虹灯设计电子变压器的选择要从安全性与设计成本两个方面进行综合考量，为了提升系统内关键模块运行的可靠性，发挥其最大的工作性能，要对核心元件进行重点保护，课程设计还对目前主流的六至八米电子变压器相关特点进行了分析比较。图2。3展示了霓虹灯电子变压器的主干线路以及电子变压器的运行流程。图2。3霓虹灯电子变压器线路图工作原理：振路线C4、D6、D7、R5和R6通过协调配合共同完成振荡过程，其中C4的充电过程由R5、R6经310V的直流电完成，D7在C4的电压达到特定的数值后实现了通路，为了确保T2发射极与基极实现正向偏置，R5的运行功率至少要达到两瓦。需要特别说明的是，为了防止短路或电流过大对系统造成破坏，设置了1A的熔断器A1，将R1R2的电压维持在155V左右，R1C1的存在可以屏蔽交流高频的干扰。T1，T2，L1，L2，L3，R8和R9共同组成了主振荡器的路线，振荡过程大致为：L1、L2和L3分布在高频铁氧体磁芯上，T2在电路启动之后形成通路，进而在C3上出现放电现象，线路T2在L1，L2，L3感应电压的作用下被阻断，此时线路T1形成通路，T2的传导作用停止，上述过程重复发生，会在电路中形成振荡效应。这里要指出的是，为了改良波形并保护T1、T2三极管，R10与C6是不可缺少的，D6作为起振装置，而R8、R9则作为保护电阻用于确保T1、T2基极的稳定运行，充电过程需要借助C4完成。系统的保护线路由R4、C1、C5、R11、D5、R7及可控硅共同构成，各部分作用为：开机保护及屏蔽信号干扰是C5的主要功能，C1则用于保障电路的整体安全，电流电压的采样工作则由电阻R4完成，一旦电路中发生超载现象，保护机制就开始运行，同时可控制硅SCR使电路中的振荡作用停止，还会对T1T2起到保护作用。排除故障后，只需进行重启操作就可以使电路恢复运行。（1）功率管的选择功率管作为霓虹灯控制系统的重要组件，其选择过程要参考电子变压器的相关参数，尤其要保证霓虹灯电子变压器的安全稳定运行。表2。1为不同长度霓虹灯管在不同功率管的点亮条件下的相关实验对比数据，采用的工作电路如图2。2。表2。1不一样的功率管点亮不一样长短霓虹灯管的对比实验由表2。1可得到如下结论：不同型号的功率管可以承受相同的负载强度；且电子变压器的一般亮度电流电压与全亮电流电压都与负载距离成正比；六至八米的负载性质在D1403、BUT11A和BU508上都有所体现，且D1403与BU508可以混合使用，但是对相应的电流电压不会造成较大影响，需要说明的是：变压器在输入电压240V条件下能够正常运行。（2）输出变压器B的设计决定输出变压器B工作性能的主要因素有：拼装工艺、绕法以及材质。其对霓虹灯电子变压器的安全性有较大影响。表2。2为不同输入绕组、不同输出绕组匝数条件下，在图2。2的工作电路中，以uy14UY10为核心、选择mxd2000铁氧体作基本材料的输出变压器B的相关实验数据，需要补充说明的是：这里的封装材料为环氧树脂、输出变压器的漆包线材料为安眠酮高强度聚酯，且变压器的输入绕组是Ф0。5、输出绕组是Ф0。1。表2。2变压器不一样的输入、输出绕组对工作的作用输入绕组的匝数输出绕组的匝数试验结果输入绕组的匝数输出绕组的匝数试验结果902875可带8M负载亮度均匀1003500可带8M负载亮度均匀1102875可带8M负载亮度均匀1003500可带8M负载亮度均匀12028758M负载亮但亮度暗6M负载可正常工作1203500可带8M负载亮度变暗1302875仅能带6M负载1303500可带8M负载亮度更暗14028756M、8M负载均不工作1403500不能带8M负载由表2。2可发现如下结论：测试结果对于UF10与UF14的区分度很小，从设计成本考虑选择UF10，当输出绕组匝数为2875、输入绕组匝数为1000时，所承载8米负载的全亮电压是180V，且亮度较为平均；效果最好的为6米负载，全亮电压仅为170V。从实验数据来看，输入匝数与输出匝数的变化对于实验结果的影响并不大[14]。（3）恒流特性的实验结果以图2。3所示线路为例，仅改变Ф12霓虹灯管的长度，变压器的输出绕组匝数与输入绕组匝数分别设定为2857与100，可以发现电子变压器在负载长度为2米至8米间的数值时能够进行一般作业，超过9米后灯管无法实现都亮，图2。4显示的是220V输入电压条件下的电流情况。由图2。3可以得出结论：①作业电流的大小会在负载长度从4米降低到2米。。。
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