基于PLC的霓虹灯控制系统的设计(4)

第3章 霓虹灯控制系统的硬件设计

3.1 霓虹灯的硬件设计

霓：有时在虹的外侧还能看到第二道虹，光彩比第一道虹稍淡，色序是外紫内红，与虹相反。 虹：原意也是一种自然现象，就是彩虹，也是七彩的，色序从外至内分别为：赤、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。 霓虹灯：夜间用来吸引顾客，或装饰夜景的彩色灯，所以用“霓虹”这两种美丽的东西来作为这种灯的名字。 霓虹是英文NEON的音译。

霓虹灯是一种冷阴极辉光放电管，其辐射光谱具有极强的穿透大气的能力，色彩鲜艳绚丽，发光效率比普通的白炽灯优秀很多，它的线条结构表现力很强，可以加工成任何几何形状，通过PLC控制，可变幻不同的彩色图案和文字，深受大家的喜爱。霓虹灯的多种特点，是目前任何光源所不能替代的，在各类新型光源不断的竞争中独领风骚。一支质量合格的霓虹灯寿命可达20000—30000小时。

目前我国最常用的霓虹灯技术主要有四种，即传统制作工艺、日本制作工艺、美国制作工艺和俄罗斯制作工艺。其中，中国制作工艺的霓虹灯制作以立式进行弯制灯管和铜制独孔对火焊接灯头为主要特征，分布主要以上海为主，覆盖全国。霓虹灯制作过程主要是灯管、变压器和控制器几大部分，技术发展过程中控制技术相当关键。当前来看，可以进行远距离遥控霓虹灯制作变化的控制器应该是先进的，其技术原理依据遥感、定位、监视和监控等。

3.1.1 霓虹灯的特点

（1）效率高

霓虹灯是依靠灯光两端电极头在高压电场下将灯管内的稀有气体击燃，它和普通光源不同。普通光源必须把钨丝烧到很高的温度才能发光，所以会造成大量的电能以热能的形式被浪费掉，因此，用同样多的电能，霓虹灯比普通的光源亮度更高。

（2）温度低

霓虹灯由于它独特的性质，工作时灯管温度在60°C以下，因此能在各种恶劣的天

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气中工作而不会引起自身的损坏。同样由于其工作特性，霓虹灯发出的光具有很强的穿透力，在大雨天或可视度很低的雾天仍能保持较好的视觉效果。 （3）低能耗

在技术不断发展的时代，霓虹灯的制造技术及相关零部件的技术水平在不断进步。新型电极、新型电子变压器的使用，使霓虹灯的耗电量大大降低，由每米灯管耗电56瓦降到每米灯管耗电12瓦，并且在不断的降低。 （4）寿命长

霓虹灯最大的优势就是寿命比一般的光源长很多，它在连续工作不断电的情况下，寿命可以达一万小时以上，这是任何光源都不可能取代的。 （5）灵活多样

霓虹灯是由玻璃管制成的，经过烧制和加工，玻璃管能弯曲成人们所需要的各种形状，具有极大的灵活性，而且通过选择不同类型的管子以及充入不同类型的惰性气体，霓虹灯就能发出五彩缤纷、多种颜色的光。 （6）动感强

霓虹灯的画面由常亮的灯管和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，把编好的程序写入，扫描管就会按照程序发出各种不同的光，形成一副副流动的画面，似繁星点点、如人间天堂、更像一个梦幻的世界，使人置身于梦幻的七彩世界，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。

霓虹灯的亮、美、动态等特点，是任何电光源所不能替代的，在各类新型光源不断涌现的当今社会，霓虹灯具有极大的优势，独领风骚 。

3.1.2 霓虹灯的选型

随着LED的广泛使用，LED发光字的种类也越来越多，下面来介绍一下目前市面上广泛应用的几种发光字：

（1）树脂发光字是由字壳、发光源两部分组成。其中外壳部分采用液态高分子树脂材料 一体浇筑成型，或者用金属围边树脂倒面; 发光光源采用的是超高亮度半导体发光二极管（LED）,21世纪的绿色光源。目前树脂发光字可以制作出的品种很多，有通体发光字、普通发光字、平面套色发光字，最独具特色的是龙祥的专利产品——多层立体套色LED树脂发光字。

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（2）LED吸塑发光字由压克力吸塑面板、发光字箱体、及发光字光源三部分组成。字面板是由吸塑机在亚克力板材上吸出一个面，箱体由金属或者PVC围好，发光字光源是采用超高亮度LED光源。

（3）外露发光字按颜色分为单色，七彩，全彩发光字。单色发光字是由打好孔的字壳，和单色外漏灯组成。七彩外露发光字是由打好孔的字壳，和七彩外漏灯，七彩控制器构成，打灯之后可以七彩渐变。全彩外露发光字由打好孔的字壳，和全彩外漏灯，全彩控制器构成，利用专业软件制作程序文件置入SD卡，SD卡插入全彩控制器，打灯之后外漏发光字，可以播放FLASH动画，人物动画，效果档次极高。

考虑到不同字灯的制作成本和制作工艺的复杂程度，本设计采用LED吸塑发光字灯，和18个简单的流水灯。

3.2 PLC的选型

PLC是一种专门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照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC从诞生至今，仅有30年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并与CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱。

3.2.1 PLC的工作原理

单的说，PLC由CPU，存储器、I/0接口、内嵌的精简高效操作系统组成。用户可以根据自己的需要配置（扩展）自己的I/0(输入、输出)的类型及数量，用户按自己的控制需求编写控制程序下载到PLC的存储器内，PLC在运行的时候，PLC内的操作系统能运行用户的程序，根据用户程序通过输入端子完成输入信号（开关、触点、传感器等）的读取，并进行处理运算，把运算处理的结果输出到输出端子，以控制用户的执行机构（阀门、线圈、指示灯等）。从而完成用户所需的控制功能。

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编号并存于用户存储器中的程序，按指令步序号作周期性循环扫描，其特点可以分为以下几点。

（1）．每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。

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（2）．输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 （3）．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 （4）．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

（5）．扫描周期的长短由三条决定。即CPU执行指令的速度、指令本身占有的时间、指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。

（6）．由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

3.2.2 PLC的特点和应用领域

可编程控制器PLC因为其体积小并且功能强大，所以广泛应用于工业领域。它不仅可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，并且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是现如今，由于信息、网络时代的全面来袭，PLC的功能得到了很大的扩展，从而使它具有很强的联网通讯能力，因此更广泛地应用于众多行业。 （1）顺序控制

顺序控制是PLC最基本、应用最广泛的领域。它主要是根据操作按扭、限位开关及其它现场给来的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作，从而达到了自动化生产线控制。 （2）闭环过程控制

对于过程控制的模拟量采用PLC控制系统，选用模拟量控制模块，其功能由软件完成，系统的精度由位数决定，不受元件影响，因而可靠性更高，容易实现复杂的控制和先进的控制方法，可以同时控制多个控制回路和多个控制参数。 （3）运动位置控制

PLC可以支持数控机床的控制和管理，在机械加工行业，可编程控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动位置控制，它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经处理与计算，发出相应的脉冲给驱动装置，通过步进电机或伺服电机，使机床按预定的轨道运动，以完成多轴伺服电机的自控。 （4）数据处理与通信网络

在机械加工中，PLC作为主要的管理和控制系统用于CNC和NC系统中，从而可以完成大量的数据处理工作。PLC的通信包括了主机和远程I/O之间的通信，多台PLC之间的通信，PLC和其他智能控制系统之间的通信。

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3.2.3 S7-200系列的PLC选择

考虑到西门子公司的产品应用非常广泛，其功能也比较全面和典型，结合本设计的需求，我准备选择S7-200系列的PLC来完成设计。目前，提供的S7-200CPU有：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU226XM。其中CPU224是使用最多的S7-200产品。它有14输入/10输出，I/O共计24点。可以有7个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力。所以本设计的PLC将采用CPU224，并选用2个EM222扩展。

3.3 输入输出模块的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、影响时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求一致。根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。因此我选择继电器输出模块。I/O口分配如图3.3所示。

输入 I0.0 I0.1 SB1电源接通 SB2电源关断 输出 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q01.0 1号灯 2号灯 3号灯 4号灯 5号灯 6号灯 7号灯 8号灯 9号灯 Q1.1 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 Q2.7 10号灯 11号灯 12号灯 13号灯 14号灯 15号灯 16号灯 17号灯 18号灯 图3.3I/O口分配图

Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 “祈”字型灯 “福”字型灯 “雅”字型灯 “安”字型灯 13

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