霓虹灯广告屏的PLC可编程控制器控制系统的设计

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1、摘 要霓虹灯在个大中小城市都在进行着亮化工程,各企业为了宣传自己的产品及形象都采用广告的形式来宣传自己,霓虹灯的闪烁不能够用人工来控制,那样不会呈现给人们美好的视觉,而用电气控制的话,中间使用的继电器,会有机械磨损,而霓虹灯的闪烁时间间隔是相当的短,几乎是零点几秒,这样看来使用电气控制是不太可能了,当然随着一种需要必然会有一种东西的出现。可编程控制器简称PLC的出现就解决了这个问题,因为PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。并且PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的方面具有比较突出的优势,它具有独特的优点来控制霓虹灯的闪烁。霓虹灯的亮和灭,闪烁时

2、间及流动方向等均可以通过PLC来达到控制的要求。这其中就涉及到如何去控制霓虹灯的亮灭、闪烁时间及流动方向等诸多控制问题,如何去快捷、可靠、简单的去控制,成为人们考虑的重点,在这我认为PLC最适合去解决这些问题,因为PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。并且PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的方面具有比较突出的优势,在现实中人们也是多通过PLC去控制霓虹灯的。随着社会主义市场经济的不断繁荣和发展,各大中小城市都在进行亮化工程。各企业为宣传自己企业的形象和产品,均采用广告手法之一：霓虹灯广告屏来实现这一目的,本文就是介绍如何利用PLC控制系统来实现这一

3、目的的。关键字：可编程控制器PLC霓虹灯39 / 39目 录摘 要1目 录2前 言4一 霓虹灯的概述51 霓虹灯的起源及其发展史51.1 霓虹灯的起源51.2 霓虹灯的发展史52 霓虹灯的工作原理及特点62.1 霓虹灯的工作原理62.2 霓虹灯的特点63 霓虹灯的主要部件以及制作工艺73.1 霓虹灯的主要部件73.2 霓虹灯的制作工艺94 霓虹灯的现状与发展10二 PLC的概述121 PLC的产生与发展121.1 PLC的产生121.2 PLC的发展132 PLC的结构与特点142.1 PLC的结构142.2 PLC的特点16三 PLC常见的编程211 梯形图编程212 指令表编程213 逻辑

4、功能图编程214 顺序功能图编程21四 霓虹灯控制系统及PLC设计221 霓虹灯PLC软件控制流程图221.1 用PLC控制霓虹灯字的明灭,具体要求221.2 根据上述要求做出流程图222 I/O分配及PLC硬件控制电路图、原理图242.1 I/O分配表及PLC类型的选择242.2 根据流程图及I/O表画出PLC硬件控制电路图、原理图253 霓虹灯PLC硬件控制电路的分析263.1系统的控制方式263.2系统的配置274 霓虹灯PLC软件控制梯形图与指令表294.1根据流程图和接口线路图画出梯形图294.2 指令表34结束语38致 39参考文献40前 言 随着改革的不断深入,社会主义市场经济的

5、不断繁荣和发展,个大中小城市都在进行亮化工程。各企业为宣传自己企业的形象和产品,均采用广告手法之一:霓虹灯广告屏来实现这一目的。当我们夜晚走在大街上,马路两旁各色各样的霓虹灯广告均可以见到,一种是采用霓虹灯管做成的各种形状和多种色彩的灯管,另一种为日光等管或白炽灯管作为光源,另配大型广告语或宣传画来达到宣传的效果。这些灯的亮灭,闪烁时间及流动方向等均可以通过PLC控制系统来达到控制的要求。可编程控制器PLC：英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器,是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其

6、部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。作为自动控制装置的核心,它具有功能强,可靠性高等诸多优点,PLC实验装置采用的是模块化结构,主要模块有可编程序控制器、编程器模块,九种实验模块,按钮、开关输入模块和继电器输出模块,以及四层电梯模型。该装置可以完成各种指令系统训练以及多种控制对象的程序设计训练。一 霓虹灯的概述1霓虹灯的起源及其发展史1.1 霓虹灯的起源霓虹灯是由英文氖灯,即NEON SIGN得来的,霓虹两字实际上是NEON的译音,而现在人们已经把霓虹灯当作专用词运用了。霓虹灯自1910年问世以来,

7、历经百年不衰。它是一种特殊的低气压冷阴极辉光放电发光的电光源,而不同于其它诸如荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯、水银灯、白炽灯等弧光灯。霓虹灯是靠充入玻璃管的低压惰性气体,在高压电场下冷阴极辉光放电而发光。霓虹灯的光色是由充入惰性气体的光谱特性决定：光管型霓虹灯充入氖气,霓虹灯发红色光；荧光型霓虹灯充入氩气及汞,霓虹灯发蓝色、黄色等光,这两大类霓虹灯都是靠灯管的工作气体原子受激辐射发光。1.2 霓虹灯的发展史霓虹灯的发展可以追溯到英国物理学家和化学家法拉第对气体放电的研究,电流通过含有少量正负离子的气体时,受紫外线、宇宙射线、微量放射物质的作用,在足够高的外加电压作用下运动,并与中性气体分子碰撞

8、后,使中性分子发生电离,因而离子的数目倍增。电流通过气体时还伴有发光现象,即所谓的辉光放电。其发光的颜色随所充气体的不同而不同。法拉第的理论及其在实验上的成就,为霓虹灯技术的发展奠定了坚实的基础。霓虹灯始源于法国。当时所用的灯体玻管的直径为45毫米,先将玻璃管弯制成所需的文字或图案,然后再用1只电压为1万多伏的变压器供电,使之发光。当时,灯管两端电极采用石墨制成,部充入氮气或二氧化碳气体,前者会发红光,后者发白光。由于这两种气体较活泼,很容易和石墨电极起化学反应,阴极溅散出的石墨很快在玻璃管壁形成黑色薄膜层,并大量吸收充入灯管的气体,使灯管的充气压力很快下降,致使霓虹灯的寿命很短。当时为了解决

9、这个问题,特在霓虹灯管上加1个特殊的电磁阀门,并在霓虹灯使用一段时间以后再往灯重新补充一定量的气体,但这样做并未能在根本上克服上述缺陷。因此,这种灯不仅寿命短、制作工艺复杂,而且造价昂贵,很难普及。在1907年至1910年期间,科学家克洛德和林德发明了液态空气分馏。利用这一发明,在霓虹灯充入一定的惰性气体,这样就明显减缓了气体在灯管部的消耗速度,颜色也丰富了,可产生红、绿、蓝、黄等颜色。第二次世界大战前夕,光致发光的材料被研制出来了。这种材料不仅能发出各种颜色的光,而且发光效率也高,我们称之为荧光粉。荧光粉被应用在霓虹灯制作中后,霓虹灯的亮度不仅有了明显提高,而且灯管的颜色也更加鲜艳夺目,变化

10、多端,同时也简化了制灯的工艺。故在第二世界大战结束后,霓虹灯得到了迅猛的发展。2霓虹灯的工作原理及特点2.1霓虹灯的工作原理当外电源电路接通后,变压器输出端就会产生几千伏甚至上万伏的高压。当这一高压加到霓虹灯管两端电极上时,霓虹灯管的带电粒子在高压电场中被加速并飞向电极,能激发产生大量的电子。这些激发出来的电子,在高电压电场中被加速,并与灯管的气体原子发生碰撞。当这些电子碰撞游离气体原子的能量足够大时,就能使气体原子发生电离而成为正离子和电子,这就是气体的电离现象。带电粒子与气体原子之间的碰撞,多余的能量就以光子的形式发射出来,这就完成了霓虹灯的发光点亮的整个过程。2.2霓虹灯的特点与其他电光

11、源相比,霓虹灯具有以下特点：2.2.1 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。 2.2.2 温度低、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。2.2.3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页在不断进步。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

12、56瓦降到现在的每米灯管耗电12瓦。 2.2.4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。2.2.5制作灵活、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。2.2.6动感强、果佳、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

13、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。3 霓虹灯的主要部件以及制作工艺3.1 霓虹灯的主要部件3.1.1霓虹灯管：1以规格分：有6、7、8、9、10、12、15、18、20毫米等粗细。2以玻璃材质分：a.钠玻璃管或称石灰料玻璃管这种玻璃管稳定性差,受潮后极易变质、泛碱风化,牢度差易爆裂。目前在我国使用此种材料的约占80%左右。b.铅玻璃管又称红丹料玻璃管其热性能、机械性能、电性能、化学稳定性能、真空性能和光学性能优于钠玻璃,其耐候性、使用寿命大大超过钠玻璃,目前国际上通用大都是这种铅玻璃管,我国目前使用量已达2030%左右,凡是追求质量好的制作厂家,用户都选用铅管制

14、作霓虹灯。铅玻璃又以含铅量多少分为：重铅玻璃、中铅玻璃和轻铅玻璃。c.彩色玻璃管,这种玻璃管,在拉制玻璃管时已充入染料,生产出的玻璃管已呈彩色玻璃管。 3以霓虹灯管涂荧光粉材料分：a.目前使用的多数霓虹灯管喷涂的是普通荧光粉,这种粉价格比较便宜,一般也能满足各种色彩的要求。b.三基色荧光粉,也称稀土荧光粉与普通荧光粉比较,其亮度、色度、鲜度更佳。 4喷涂荧光粉的工艺又分水涂和胶涂二种：a.水涂即用醇、酮溶济混合荧光粉喷涂在灯管壁,让其自然干燥。 b.胶涂即用胶液混合荧光粉喷涂,再用烘箱烘干,其粘度、牢度大大优于水涂粉管。目前先进国家大都有采用三基色胶涂含铅玻璃管制作霓虹灯,我国目前已有部分厂商

15、使用这种霓虹灯管。3.1.2霓虹灯变压器 ：1霓虹灯漏磁变压器,又称电感变压器、铁芯变压器其特点是：可靠性好,负载灯管亮度高,光色一致,寿命长,缺点是比较笨重,目前国外及的户外霓虹灯大多数采用这种变压器。电感变压器的规格有：3KV、6KV、9KV、12KV、15KV、18KV。 2电子变压器也称高频冷启动管形放电灯电子转换器或霓虹灯电源其优点是：重量轻、制造方便、节约金属材料,目前国生产电子变压器质量稳定,有一定规模,其中有的企业还批量出口。但有不少单位生产的电子变压器亮度达不到应有亮度,在室外使用就有点相形见绌。电子变压器又分直流和交流二种,直流电子变压器由于单向导通往往会产生灯管一头亮一头

16、暗的情况。又因电子变压器输出频率会受到 负载灯管长度的影响,在同幅霓虹灯中,由于每笔灯管长短不一也会产生灯色不匀等现象。有些生产厂家为了降低成本,不愿采用高质量高品质的电器元件,而且加工工艺简陋,故可靠性差,寿命短。电子变压器的规格有：40W、60W、80W、100W等规格,也有称4米机、6米机、8米机、10米机、12米机等。要真正生产符合霓虹灯使用要求的电子变压器也是可以做到的,但其价格就会接近电感变压器的价格,为了低价竞销,获取市场份额,一些厂商牺牲霓虹灯的亮度、可靠性、寿命来获得市场利润。3.1.3 程序控制器： 1普通式电子程序控制器： 2渐变式电子程序控制器：3.1.4 霓虹灯高压线

17、： 1普通高压线,即塑料高压线,这种高压线价格便宜,但塑料容易老化,室外使用不久塑料就要老化引起拉火等,安全性较差。 2硅橡胶绝缘高压线,是目前较理想的霓虹灯连接线,安全性强,可靠性好。以上介绍的是组成霓虹灯的主要另部件,由此可知,霓虹灯与其他商品一样,品种、规格、质量优劣区别很大。用户在选择霓虹灯制作单位时,也要了解他们的制作实力,加工工艺和售后服务是否到位,凡是较大的霓虹灯工程,都应要制作单位详细报价,进行核实,如有条件,应按行业标准进行验收,不要只看总价便宜,更要看他们提供给用户的是什么样的质量和服务。3.2 霓虹灯的制作工艺霓虹灯在制作工艺上,不论是明管、粉管还是彩管,其制作工艺基本相

18、同,它们都需经过玻管成型、封接电极、轰击去气、充惰性气体、封排气孔老炼等工艺。玻管成型即制作人员沿着图案或文字的轮廓经过专用火头,将直玻璃管烧、烤、弯成图案或文字的过程,制作人员水平的高低可凭肉眼看的出来,水平低的人员制成的灯管易出现转弯处凹凸不平、太厚或太薄、侧皱折、偏歪不成平面等。封接电极即将弯成型的灯管经过火头接上电极和排气孔的过程,接口不得太薄或太厚,接口处须完全烧融,否则易出现慢漏气。轰击去气制作霓虹灯的关键。是通过高压电轰击电极,加热电极焚烧灯管电极肉眼看不见的水蒸气、尘土、油质等物质,排掉这些有害物质,将玻管抽成真空的过程。轰击去气的温度达不到,上述有害物质会除不彻底,直接影响灯

19、管的质量。轰击去气的温度过高会引起电极过度氧化,使其表面产生氧化层,引起灯管质量下降。轰击去气彻底的玻管充入适当隋性气体,经过老练,即完成霓虹灯制作过程。4 霓虹灯的现状与发展目前,霓虹灯市场上鱼龙混杂,有营业执照承接工程的单位只占市场的30%,这类单位有独自的设计、制作、安装能力,信誉好、产品质量过关,后期维护到位,是用户的首选单位。 第二类,没有营业执照挂靠其它单位,这类单位专业性不强,产品质量无保证,后期维护不到位。第三类,皮包公司,无任何证件、信誉和能力,打一枪换一地,产品质量和后期维护根本谈不上。 霓虹灯是一个专业性比较强的行业,正规单位的产品质量好,寿命长。可正是第二类和第三类公司

20、扰乱霓虹灯市场,给用户的感觉霓虹灯容易坏。其实霓虹灯的寿命比日光灯还长,为了您的利益,请选择有执照,有能力,有信誉的单位。 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、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。 霓虹灯以它斑斓夺目的色彩、生动逼真的形态、耀眼夺目的照明为夜间城市的购物中心招徕顾客、文化娱乐中心吸引游客营造气氛,给夜间城市的购物活动带来方便,给文化娱乐活动增添情趣。霓虹灯营造了夜间城市的绚丽多姿和繁华,它已成为现代城市商业繁荣的标志之一。霓虹灯问世已有近百年的历史,虽然它在原理上仅仅是

21、一种简单的冷阴极辉光放电管,但在经济繁荣、科学技术发展的进程中,不仅没有被淘汰,反而日益兴旺。二 PLC的概述1 PLC的产生与发展1.1 PLC的产生在60年代,汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展,汽车型号更新的周期愈来愈短,这样,继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装,十分费时,费工,费料,甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状,美国通用汽车公司在1969年公开招标,要求用新的控制装置取代继电器控制装置,并提出了十项招标指标,即：1编程方便现场可修改程序；2维修方便采用模块化结构；

22、3可靠性高于继电器控制装置；4体积小于继电器控制装置；5数据可直接送入管理计算机；6成本可与继电器控制装置竞争；7输入可以是交流115V；8输出为交流115V 2A以上能直接驱动电磁阀接触器等；9在扩展时原系统只要很小变更；10用户程序存储器容量至少能扩展到4K。1969年,美国数字设备公司DEC研制出第一台PLC,在美国通用汽车自动装配线上试用,获的了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂,操作方便,可靠性高,通用灵活,体积小,使用寿命长等一系列优点,很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971 年,已经成功地应用于食品饮料冶金造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现,也受到了世界其他国家的

23、高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术,很快研制出了日本第一台PLC。1973年西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制,于1977年开始工业应用。1.2 PLC的发展虽然PLC 问世时间不长,但是随着微处理器的出现,大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步,PLC 也迅速发展,其发展过程大致可分三个阶段：1早期的PLC60 年代末70 年代中期早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC 多少有点继电器控制装置的替代物的含义,其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现,在I/O 接口电路上作了改进

24、以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路,存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施,以提高其抗干扰的能力。在软件编程上,采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此,早期的PLC 的性能要优于继电器控制装置,其优点包括简单易懂,便于安装,体积小,能耗低,有故障指使,能重复使用等。其中PLC 特有的编程语言梯形图一直沿用至今。2中期的PLC70 年代中期80 年代中后期在70 年代微处理器的出现使PLC 发生了巨大的变化。美国,日本,德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC 的中央处理单元CPU。这样,使PLC 的功能大大增强。在软件方面

25、,除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量,使各种逻辑线圈的数量增加,还提供了一定数量的数据寄存器,使PLC 的应用围的以扩大。3近期的PLC80 年代中后期至今进入80 年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使的各种类型的PLC 所采用的微处理器的当次普遍提高。而且,为了进一步提高PLC 的处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使的PLC 软、硬件功能发生

26、了巨大变化。2 PLC的结构与特点2.1 PLC的结构从结构上分,PLC分为固定式和组合式模块式两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置：2.1.1CPU的构成：CPU是PLC的核心,起神经中枢的作用,每套PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和PLC部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后,从用户程序

27、存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成,CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。存主要用于存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来,不必要详细分析CPU的部电路,但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作,由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作。寄存器参与运算,并存储运算的中间结果,它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和存容量是PLC的重要参数,它们

28、决定着PLC的工作速度,IO数量及软件容量等,因此限制着控制规模。2.1.2I/O模块：PLC与电气回路的接口,是通过输入输出部分I/O完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统,输出模块相反。I/O分为开关量输入DI,开关量输出DO,模拟量输入AI,模拟量输出AO等模块。开关量是指只有开和关或1和0两种状态的信号,模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分,有220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分,有电流型

29、4-20mA,0-20mA、电压型0-10V,0-5V,-10-10V等,按精度分,有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用I/O外,还有特殊I/O模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量,I/O模块可多可少,但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。2.1.3电源模块：PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源220VAC或110 VAC,直流电源常用的为24VDC。2.1.4底板或机架：大多数模块式PLC使用底板或机架,其作用是：电气上,实现各

30、模块间的联系,使CPU能访问底板上的所有模块,机械上,实现各模块间的连接,使各模块构成一个整体。2.1.5PLC系统的其它设备：1编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件,用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况,但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器,目前一般由计算机运行编程软件充当编程器。2人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮,目前液晶屏或触摸屏式的一体式操作员终端应用越来越广泛,由计算机运行组态软件充当人机界面非常普及。3输入输出设备：用于永久性地存储用户数据,如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器,输

31、入模拟量的电位器,打印机等。图2-1 可编程控制器的硬件简化框图2.2 PLC的特点为适应工业环境使用,与一般控制装置相比较,PLC机有以下特点：2.2.1可靠性高、干扰能力强工业生产对控制设备的可靠性要求：1平均故障间隔时间长。2故障修复时间平均修复时间短。任何电子设备产生的故障,通常为两种：1偶发性故障：由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障,只要不引起系统部件的损坏,一旦环境条件恢复正常,系统也随之恢复正常。但对PLC而言,受外界影响后,部存储的信息可能被破坏。2永久性故障：由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果能限制偶发性故障的发生条

32、件,如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小围,使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常,这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段,在永久性故障出现时,能很快查出故障发生点,并将故障限制在局部,就能降低PLC的平均修复时间。为此,各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施,使PLC除了本身具有较强的自诊断能力,能及时给出出错信息,停止运行等待修复外,还使PLC具有了很强的抗干扰能力。硬件措施：主要模块均采用大规模或超大规模集成电路,大量开关动作由无触点的电子存储器完成,I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。a.屏蔽对电源变压器

33、、CPU、编程器等主要部件,采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽,以防外界干扰。b.滤波对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波,如LC或型滤波网络,以消除或抑制高频干扰,也削弱了各种模块之间的相互影响。c.电源调整与保护对微处理器这个核心部件所需的+5V电源,采用多级滤波,并用集成电压调整器进行调整,以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。d.隔离在微处理器与I/O电路之间,采用光电隔离措施,有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系,减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。e.采用模块式结构这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障,能迅速更换,使系统恢复正常工作；同时也

34、有助于加快查找故障原因。软件措施：有极强的自检及保护功能。a.故障检测软件定期地检测外界环境,如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。b.信息保护与恢复当偶发性故障条件出现时,不破坏PLC部的信息。一旦故障条件消失,就可恢复正常,继续原来的程序工作。所以,PLC在检测到故障条件时,立即把现状态存入存储器,软件配合对存储器进行封闭,禁止对存储器的任何操作,以防存储信息被冲掉。c.设置警戒时钟WDT看门狗如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间,预示了程序进入死循环,立即报警。d.加强对程序的检查和校验一旦程序有错,立即报警,并停止执行。e.对程序及动态数据进行电池后备

35、停电后,利用后备电池供电,有关状态及信息就不会丢失。PLC的出厂试验项目中,有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V,上升时间1ns,脉冲宽度为1的干扰脉冲。一般,平均故障间隔时间可达几十万上千万小时；制成系统亦可达45万小时甚至更长时间。2.2.2通用性强、控制程序可变、使用方便PLC品种齐全的各种硬件装置,可以组成能满足各种要求的控制系统,用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后,在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下,不必改变PLC的硬设备,只需改编程序就可以满足要求。因此,PLC除应用于单机控制外,在工厂自动化中也被大量采用。2.2.3功能强、应面广现代PLC不

36、仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能,还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线,又可控制一个生产过程。2.2.4编程简单、易掌握目前,大多数PLC仍采用继电控制形式的梯形图编程方式。既继承了传统控制线路的清晰直观,又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平,所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训,电气技术人员和技术工人很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC在执行梯形图程序时,用解释程

37、序将它翻译成汇编语言然后执行PLC部增加了解释程序。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比,执行梯形图程序的时间要长一些,但对于大多数机电控制设备来说,是微不足道的,完全可以满足控制要求。2.2.5减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时,PLC的用户程序可以在实验室模拟调试,更减少了现场的调试工作量。并且,由于PLC的低故障率及很强的监视功能,模块化等等,使维修也极为方便。2.2.6体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品,其结构紧凑,坚固,体积小

38、,重量轻,功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力,易于装入设备部,是实现机电一体化的理想控制设备。PLC产品种类繁多,其规格和性能也各不相同。对PLC的分类,通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。3 PLC的应用目前,在国外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业,随着PLC性能价格比的不断提高,其应用领域不断扩大。从应用类型看,PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：1开关量逻辑控制：利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制,可以取代传统的继电器控制,用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等,例

39、如：机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用,也是PLC最广泛的应用领域。2运动控制：大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广泛用于各种机械设备,如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。3过程控制：大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能,有的小型PLC也具有模拟量输入输出。所以PLC可实现模拟量控制,而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制,用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。4数据处理：现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排

40、序和查表等功能,可进行数据的采集、分析和处理,同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置,如计算机数值控制CNC设备,进行处理。5通信联网：PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其它智能设备之间的通信,PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络,以实现信息的交换,并可构成集中管理、分散控制的多级分布式控制系统,满足工厂自动化FA系统发展的需要。三 PLC常见的编程PLC的编程语言主要有梯形图、指令表、逻辑功能图、功能块图、顺序功能图SFC,也称为步进梯形图、结构化文本等。1 梯形图编程梯形图ladder diagram,简称LAD是一种沿

41、用了继电器、线圈、连线等图形与符号的图形编程语言,他在PLC编程中最为常用。采用梯形图编程时,PLC程序中的与、或逻辑运算利用触点的串、并连表示；非逻辑运算利用常闭触点表示；逻辑运算的结果利用线圈的形式输出。2 指令表编程指令表statement list,简称STL或LIST是一种使用助记符的PLC编程语言。指令表程序由大量的指令组成。指令表的每一条指令通常由指令代码与操作数俩部分组成,为了实现跳转的需要,指令前面还可能增加跳转标记。3 逻辑功能图编程逻辑功能图Control System Flowchart,简称CSF,也称控制系统流程图是一种沿用了数字电子线路的逻辑门电路、触发器、连线等

42、图形与符号的图形编程语言。4 顺序功能图编程顺序功能图Sequential Function Chart,简称SFC是一种新颖的、按照工艺流程图进行编程的图形编程语言。四 霓虹灯控制系统及PLC设计1 霓虹灯PLC软件控制流程图1.1 用PLC控制霓虹灯字的明灭,具体要求如下：1、广告字1亮,1秒后熄灭；2、广告字2亮,1秒后熄灭；3、广告字3亮,1秒后熄灭；4、广告字4亮,1秒后熄灭；5、广告字5亮,1秒后熄灭；6、广告字1亮,等待1秒；7、广告字2亮,同时保持前字亮,等待1秒；8、广告字3亮,同时保持前字亮,等待1秒；9、广告字4亮,同时保持前字亮,等待1秒；10、广告字5亮,同时保持前字

43、亮,等待2秒；11、五个广告字全部熄灭,等待3秒；12、五个广告字全亮,等待3秒；13、五个广告字全部熄灭,等待3秒；14、五个广告字全亮,等待5秒；15、五个广告字全部熄灭,等待3秒。16、重复过程115。1.2 根据上述要求做出流程图见图4-1图4-1 流程图2 I/O分配及PLC硬件控制电路图、原理图2.1 I/O分配表及PLC类型的选择PLC类型的选择：首先考虑,I/O点数的多少；准确把统计出被控设备的输入,输出点数的总需要量是PLC选形的基础。将输入点和输出点详细列出。然后再实际统计出I/O点总数的基础上再15%-20%的备用量,以便今后调整和扩充。多数小型PLC是整体式结构,除了按

44、点数分成一些档次如32点,48点,64点,80点外,还有其他多种模块扩展单元。这里选用最常用的欧姆龙C系列P型机,为了以后的进一步改造以及及时替换损坏的端口,故选用C28P-CDR-A的PLC。它的基本特点如下：单元名称：C28P CPU电源电压：AC100-240V输入：DC24V,16点输出：继电器2A,12点I/O分配表4-1输入输入口 输出输出口启动开关0001广告字1灯的中间继电器KA10500停止开关0000广告字2灯的中间继电器KA20501广告字3灯的中间继电器KA30502广告字4灯的中间继电器KA40503广告字5灯的中间继电器KA505042.2 根据流程图及I/O表画出

45、PLC硬件控制电路图、原理图电路图见图4-2原理图见图4-3图4-2 PLC硬件控制电路图由接口图可知：输入端：24V直流电；启动按钮、停止按钮；外部220V电源；输出端：五个发光字的中间继电器KA1、KA2、KA3、KA4及KA5；PLC电源可以为110V或220V等等。图4-3原理图由原理图可知：五个中间继电器分别和五个发光字湖、铁、科、职、院相连接。一旦闭合启动按钮,五个中间继电器通电吸合,则与继电器相对应的五个发光字按设定的流程开始工作。3霓虹灯PLC硬件控制电路的分析PLC的硬件主要是由中央处理器CPU、存储器、输入单元、输出单元,通信接口、扩展接口电源等部分组成。3.1系统的控制方

46、式系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式：自动时,由PLC自动完成每个灯得运行,不需要人工参与,半自动工作方式时,有工作人员选择那几个小灯,PLC自动完成每个小灯亮灭,手动为故障检修和最终的停止,当某个小灯及其附属设备发生故障时,该小灯将会自动退出运行,不影响其他小灯运行。PLC柜上有该小灯的禁止启动安扭,启动时禁止其他人员靠近,以保证系统正常运行和安全可靠。3.2系统的配置PLC的硬件主要是由中央处理器CPU、存储器、输入单元、输出单元,通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中,CPU是PLC的核心,输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路,通信接口用于与编程器

47、、上位计算机等外设连接。典型PLC组成框图如图4-4所示。图4-4 PLC组成框图采用工控机作为上位机、PLC系统作为下位机的两级控制模式。PLC控制系统是该程控系统的核心,工控机作为监控机械手的运行状态使用。 3.2.1上位机计算机作为上位机,用于完成状态显示、打印输出、向PLC发送分类控制信号等功能,从而实现对控制系统的实时监控。同时,计算机还是图象处理的核心。3.2.2下位机 PLC作为下位机,用来完成状态判别、输出控制等工作。它直接控制继电器,从而实现对各执行元件的控制。本系统采用价格适中、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器欧姆龙C28P-CDR-A型PLC来实现霓虹灯工艺

48、的控制要求的。欧姆龙PLC是由电源、中央处理器和I/O元件组成的严密高速的程序控制器,配有丰富的指令系统,易于用户编程,具有丰富的特殊模块和通信能力,可以满足生产自动化的多级要求。本系统采用C28P-CDR-A是一种功能完善的紧凑型PLC,大程序容量和存储单位。另外CPU单元带RS-232C接口,具有PPI、MPI等通信协议可实现程序传送,数据通信等功能。3.2.3通信方式C28P-CDR-A CPU支持多样的通信协议：点到点Point-to-Point接口PPI、多点接口Multi-PointMPI。这些都基于系统通信结构模型,都是异步、基于字符的协议。其中PPI方式是非常简单方便的通信协议

49、,只需要一根RS-232C线进行数据信号的传递,不需要额外再配置模块或软件。因此,本系统选择PPI方式,简单且能满足通信要求。C28P-CDR-A型PLC上配有RS-232C的通信接口,因此在不增加任何硬件的情况下,可以很方便地将PLC和计算机互联。上位机与下位机之间通过RS-232连接构成HOST LINK协议进行通信。RS-232又称为EIA-232C或RS-232C,是最通用的一种串行通讯标准。它是一种点到点的通信方式,只能连接两个通信设备。19200波特率时,最大距离为75米；9600波特率时,最大距离为900米。计算机的串口即为标准的RS-232接口。使用RS-232转换器可以免掉一

50、个RS-422串行接口板。系统结构如图4-5所示。图4-5 系统结构系统控制设计选用了日本欧姆龙公司C28P-CDR-A型PLC为控制主机,该机为模块化结构,由PLC机架、CPU、数字I/O、模拟量输入、电源、通讯等模块构成。PLC自动化控制系统灯的亮灭,建立数学模型,合理调度时间,自动准确发出启、停小灯命令,控制5个灯运行。4霓虹灯PLC软件控制梯形图与指令表4.1根据流程图和接口线路图画出梯形图梯形图见图4-64-6 梯形图4.2 指令表将梯形图图4-6转换成指令表形式1.LD 00002.OUT 02003.LD 02244.AND TIM145.LD 00016.OR-LD7.LD 0

51、2018.OR-LD8.AND-NOT 02029.AND-NOT 020010. TIM 00 #001011.OUT 020111.LD 020113.AND TIM0014.LD 020215.OR-LD16.AND-NOT 020317.AND-NOT 020018.TIM 01 #001013.OUT 020220.LD 020221.AND TIM0122.LD 020323.OR-LD24.AND-NOT 020425.AND-NOT 020026.TIM 02 #001027.OUT 020328.LD 020329.AND TIM0230.LD 020431.OR-LD32.

52、AND-NOT 020533.AND-NOT 020034.TIM 03 #001035.OUT 020436.LD 020437.AND TIM0338.LD 020539.OR-LD40.AND-NOT 021041.AND-NOT 020042.TIM 04 #001043.OUT 020544.LD 020545.AND TIM0446.LD 021047.OR-LD48.AND-NOT 021149.AND-NOT 020050.TIM 05 #001051.OUT 021052.LD 021053.AND TIM0554.LD 021155.OR-LD56.AND-NOT 0212

53、57.AND-NOT 020058.TIM 06 #001059.OUT 021160.LD 021161.AND TIM0662.LD 021263.OR-LD64.AND-NOT 021365.AND-NOT 020066.TIM 07 #001067.OUT 021268.LD 021269.AND TIM0770.LD 021371.OR-LD72.AND-NOT 021473.AND-NOT 020074.TIM 08 #001075.OUT 021376.LD 021377.AND TIM0878.LD 021479.OR-LD80.AND-NOT 022081.AND-NOT 0

54、20082.TIM 09 #002083.OUT 021484.LD 021485.AND TIM0986.LD 022087.OR-LD88.AND-NOT 022189.AND-NOT 020090.TIM 10#003091.OUT 022092.LD 022093.AND TIM1094.LD 022195.OR-LD96.AND-NOT 022297.AND-NOT 020098.TIM 11#003099.OUT 0221100.LD 0221101.AND TIM11102.LD 0222103.OR-LD104.AND-NOT 0223105.AND-NOT 0200106.T

55、IM 12#0030107.OUT 0222108.LD 0222109.AND TIM12110.LD 0223111.OR-LD112.AND-NOT 0224113.AND-NOT 0200114.TIM 13#0050115.OUT 0223116.LD 0223117.AND TIM13118.LD 0224119.OR-LD120.AND-NOT 0201121.AND-NOT 0200122.TIM 14#0030123.OUT 0224124.LD 0201125.LD 0210126.OR-LD127.LD 0211128.OR-LD129.LD 0212130.OR-LD1

56、31.LD 0213132.OR-LD133.LD 0214134.OR-LD135.LD 0221136.OR-LD137.LD 0223138.OR-LD139.OUT 0500140.LD 0202141.LD 0211142.OR-LD143.LD 0212144.OR-LD145.LD 0213146.OR-LD147.LD 0214148.OR-LD149.LD 0221150.OR-LD151.LD 0223152.OR-LD153.OUT 0501154.LD 0203155.LD 0212156.OR-LD157.LD 0213158.OR-LD159.LD 0214160.OR-LD161.LD 0221162.OR-LD163.LD 0223164.OR-LD165.OUT 0502166.LD