1、 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 1 目录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1 课题的研究意义 . 1 2 霓虹灯的起源 . 1 3 霓虹灯的工作原理 . 2 4 课题的发展状况 . 4 5 课题研究
2、内容 . 4 第二章 可编程逻辑控制器介绍 . 6 2.1 PLC 的基本概念与基本结构 . 6 2.1.1 PLC 的基 本概念 . 6 2.1.2 PLC 的基本结构 . 7 2.2 PLC 具有以下特点： . 8 2.3 西门子 S7-200PLC 的主要特点和技术性能 . 9 2.3.1 西门子 S7-200PLC 的特点 .10 2.3.2 西门 子 S7-200PLC 的技术性能 . 11 2.4 西门子 S7-200PLC 的基本指令 . 13 2.5 本章小结 . 15 第三章 总体设计方案 . 16 3.1 方案论证 . 16 3.2 系统的设计原则 . 16 3.3 具体方
3、案 . 17 3.4 本章小结 . 17 第四章 编程软件 STEP7- MICRO / WIN 的介绍 . 18 4.1 STEP7-Micro/ WIN 的窗口界面功能 . 18 4.2 用 STEP7-MICRO/ WIN 编写和运行程序 . 20 4.3 本章小结 . 22 第五章 霓虹灯程序的设计 . 23 5.1 控制要求 . 23 5.2 PLC 控制霓虹灯的输入 / 输出分配表 . 23 5.3 PLC 控制霓虹灯的 控制流程图 . 24 5.4 本章小结 . 26 第六章 硬件的设计、制作及软硬件联合调试 . 27 6.1 电子变 压器的设计 . 27 广东石油化工学院 本科
4、毕业设计 ：基于 plc 的霓虹灯系统设计 2 6.2 显示屏制作 . 31 6.3 本系统组态设计 . 32 6.4 软件和硬件的联合调试 . 33 6.4.1 程序输入 PLC .33 6.4.2 说明事项 .33 6.5 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 . 50 摘要 I 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
5、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；
6、霓虹灯；西门子 S7-200；控制 系统 广东石油化工学院 本科毕业设计 ：基于 plc 的霓虹灯系统设计 II Abstract With 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.
7、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 p
8、roblems, 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
9、: 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
10、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 1 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
11、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
12、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
13、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
14、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 往广东石油化工学院 本科毕业设计 ：基于 plc 的霓虹灯系统设计 2 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
15、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
16、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，
17、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
18、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第一章 绪论 3 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
19、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。
20、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
21、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
22、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
23、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。 广东石油化工学院 本科毕业设计 ：基于 plc 的霓虹灯系统设计 4 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
24、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
25、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
26、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。 第一章 绪论 5 （ 2） 霓虹灯电子变压器的可靠性的设计。
