广告灯自动控制系统设计

目录
1前言 (5)
1.1PLC的开发背景 (5)
1.2选题意义及PLC型号的选择及介绍 (5)
1.2.1选题意义 (6)
1.2.2PLC型号的选择 (7)
1.2.3PLC的功能 (8)
1.2.4PLC的特点 (9)
1.3系统所需硬件及注意事项 (6)
2总体设计 (9)
2.1控制要求 (9)
2.2主要内容 (10)
2.3硬件设计 (12)
2.3.1PLC的型号及I/0分配口 (13)
2.3.2PLC控制接线图 (13)
2.4PLC控制梯形图 (15)
2.5PLC控制指令表 (16)
2.6调试与完善 (17)
3结论 (56)
致谢 (23)
参考文献 (56)
第一章前言
1.1PLC的开发背景
随着微处理器，计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛的应用在所有的工业领域。

现在社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，
生产出小批量、多品种、多规格、低成本、和高质量的产品。

为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有高的可靠性和灵活性。

可编程
控制器(PLC)正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业指控装置。

国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作出如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环
境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其每部存储执行逻辑运算、顺许控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输
入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其设备，都应
按照易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。

PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供应用平台，同时还为PLC可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理，用户程序由用
户自己设计，这样可以满足大多数用户的需要。

第二章电路图
第一节广告灯自动控制电路
城市广告灯大多数只在夜晚12点钟以前起到较好的宣传作用，子夜一过，行人稀少，也就失去了广告的意义。

该广告灯自动控制电路能在傍晚天渐黑时
自动接通广告灯牌的电源，同时开始计时，待4～6小时后于子夜自动切断电源，从而实现全自动控制和节电的目的。

如图所示为广告灯自动控制电路，它由电
源变换、光控及定时等部分组成。

第二节变色广告灯自动控制电路
这是一例变色广告灯自动控制电路，它采用了两种控制方式:①光控方式，白天自动关闭，夜晚自动开启;②时间控制方式，夜晚自动开启后，通过定时控制使其在预定的时间自动关闭，以节约电能。

在广告灯开启后，通过控制电路使两种彩色的广告灯光交替循环显示，增强广告效果。

电路在灯光显示的同时还伴有广告语言，介绍广告要说明的内容，是一种功能较完善的广告灯控制器。

变色广告灯控制器的电路组成如图6-45所示。

电路工作原理
变色广告灯控制器电路由光控电路、时间控制电路、语言电路、彩灯循环
控制电路和电源电路组成。

光控电路是本电路的主控电路，它通过为其余控制电路接通工作电源的方式控制着整个工作电路的开启时间。

光控电路主要由光敏电阻RG和由VTl、VT2组成的直接桐合式晶体管放
大电路组成。

白天，RG受光的照射阻值变小，VTl的基极得到较大的偏置电压而导通，VT2则因VTl的导通而截止。

IC2~1C4因无工作电源而停止工作。

夜晚来临时，光照减弱，RG阻值升高，VTl截止，VT2因VTl的截止
而导通，12V电源经VT2向IC2~IC4提供工作电源，使其进入工作状态。

时间控制电路的作用是：当夜晚来临后使电路投入工作，夜深人静时停止
工作，以避免不必要的电源消耗。

时间控制电路由一只14级二进制计数/分频电路CD4060组成。

该电路通
过外接R4、C7组成一个RC振荡器，其振荡周期T=2.2R4C7=LIs。

经内部14级分频（分频系数为16384）后，控制时间约为5小时（1.
1X16384=18022s,18022/3600≈5小时）。

当VT2导通后，电源通过C6、R3形成的复位脉冲使CD4060复位，随后
电路工作，产生脉冲并分频。

在接通电源之初，由于IC2的③脚输出低电平，VT3导通，为IC3及
IC4提供工作电源。

5小时后定时结束，③脚输出高电平，VT3截止，切断了IC3与IC4的工作电源，广告灯与语言电路因失去控制电源而停止工作。

广告语言电路IC3在VT3导通后即投入工作，发出"欢迎光临"的广告语言。

IC3也可根据需要采用其他广告语，或者采用可录式语音电路录人所需要的广
告语。

IC4组成广告彩灯交替循环控制电路，它是由NE555与RIO、Cll及CI0
组成的低频脉冲振荡器，其振荡周期：
t1=0.693（R10+R11）C10~2.4s
t2=0.693R11C10≈2.3s
即振荡电路输出高电平的时间为2.4s，输出低电平的时间为2.3s。

SSR1与SSR2为固态继电器，它可以由IC4和VT6输出的高电平来控制
使其接通。

当IC4输出脉冲的t1时，IC4输出的高电子通过SSR2将绿色广
告灯接通，绿色广告灯开灯2.4s后灭。

当IC4输出脉冲的tz时，IC4输出
的低电平使VT6导通，VT6输出高电平通过SSR1将红色广告灯接通，红色广告灯开启2.3s后灭。

接着又是IC4输出高电平，绿色广告灯亮……如此不断循环，直到定时结束IC2输出高电平使VT3截止。

第三章元器件介绍
第一节传感器
英文名称：transducer/sensor
模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和
间接转换)。

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输
出(包括直接或间接转换)。

开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相
应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。

它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用
来制作传感器的敏感元件。

从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：
(1)按照其所用材料的类别分?
金属?聚合物?陶瓷?混合物?
(2)按材料的物理性质分??导体?绝缘体?半导体?磁性材料?
(3)按材料的晶体结构分?
单晶?多晶?非晶材料?
与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：?
(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感
器技术中得到实际使用。

?
(2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技
术。

?
(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器
技术中加以具体实施。

?
现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的
开发强度。

传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。

表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。

?
按照其制造工艺，可以将传感器区分为：
集成传感器?薄膜传感器?厚膜传感器?陶瓷传感器
集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。

通
常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

?
薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄
膜形成的。

使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

?
厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通
常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。

?
式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。

发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。

有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。

与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。

由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。

把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9十个数目字。

发光原理
50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二
极管产生于1960年。

L ED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，
发光二极管
它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。

在某些半导体材
料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光
的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载
流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的
光线，光的强弱与电流有关。

分类
光通量的测量方法
光通量测量在变角光度计的转台上进行，转台上安转了LED，该转台在其水平面上绕着垂直轴旋转±90度，L ED在垂直面上绕着测光轴旋转
360度。

在水平面上和垂直面上的转角的控制是通过步进马达来实现的。

转
台在导轨上随意移动，当测量标准灯时，转台应离开导轨。

测量时大转盘在水平面上绕垂直轴旋转，步进角度为0.9°，正方向90°，反方向90°。

LED自身也在旋转，在每一个水平角度下，垂直平面上
每隔18°进行一次信号采集，转完360°之后共采集到20个数据，按下式
计算总光通量。

如果大盘旋转0°～90°时，小盘转0°～360°即可。

但是大盘旋转0°～90°时，有可能LED安装不均匀（不对称）而引起误差，因此最好的
解决办法是大盘转－90°～0°～90°，小盘仍然转0°～360°，把大盘0°～90°和－90°～0°两个范围内绝对值相等的角度上的照度值取平均值
来作为0°～90°内的值。

LED总光通量测量的第二种方法是积分求法。

此方法的优点是简单易行，但测量精度不高。

LED的总光通量计算方法如下，先计算离积分球入射窗口（入射窗口面积A）1距离上标准灯（光强值I s）进入积分球内的光通量Φｓ，Φｓ＝I s•A／I2
读出接收器上的光电流信号i s，然后把LED置于窗口上，读出相应的
接收器光电流信号it，则LED的总光通量Φ为：
Φt=It/IsΦs•K
式中K为色修正系数。

LED的光谱功率分布测量方法
发光二极管的光谱功率分布测量，目的是掌握LED的光谱特性和色度，再者是为了对已测得的LED的光度量值进行修正。

在测量LED光谱功率分布时，应注意以下几点，一个是在与标准光谱辐
照度进行比较时由于标准灯的光谱辐强度比LED强得多，为了避免这个问题，最好在标准灯前加一个中性滤光片，使它的光谱辐强度接近于LED。

LED的光谱宽度很窄，为了准确地描绘LED的光谱分布轮廓，最好采用
窄带波长宽度的单色仪进行测量，波长间隔为1nm为好。

按下式计算LED的光谱功率分布E t。

Etλ=Esλ•Itλ/Isλ
式中i是标准灯在波长i处的响应；E是标准灯的光谱功率分布；i是LED在波长λ处的响应。

LED的色坐标计算公式为：
x=∫Etλ•xλdλ
y=∫Etλ•ydλ
z=∫Etλ•ydλ
色坐标为：
x＝X/(X+Y+Z)
y＝Y/(X+Y+Z)
也可计算LED的主波长和色纯度。

发光二极管也与普通二极管一样由PN结构成，也具有单向导电性。

它
广泛应用于各种电子电路、家电、仪表等设备中、作电源指示或电平指示。

发光二极管的主要特性表
cd(坎德拉)发光强度的单位
第四节稳压二极管
稳压二极管(又叫齐纳二极管)它的电路符号是:此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很小的数值,在这个低阻区中
伏安特性
电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性见图1,
稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压.(图一电压源方向反了。

)
稳压管的应用
1、浪涌保护电路(如图2):稳压管在准确的电压下击穿,这就使得它可
作为限制或保护之元件来使用,因为各种电压的稳压二极管都可以得到,故对于这种应用特别适宜.图中的稳压二极管D是作为过压保护器件.只要电源电压VS超过二极管的稳压值D就导通,使继电器J吸合负载RL就与电源
分开.
2、电视机里的过压保护电路(如图3):EC是电视机主供电压,当EC电压过
高时,D导通,三极管BG导通,其集电极电位将由原来的高电平(5V)变为低
电平,通过待机控制线的控制使电视机进入待机保护状态.
3、电弧抑制电路如图4:在电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管(也
可接入一只普通二极管原理一样)的话,当线圈在导通状态切断时,由于其电磁能释放所产生的高压就被二极管所吸收,所以当开关断开时,开关的电弧也就被消除了.这个应用电路在工业上用得比较多,如一些较大功率的电磁吸控制电路就用到它.
4、串联型稳压电路(如图5):在此电路中,串联稳压管,BG的基极被稳
压二极管D钳定在13V,那么其发射极就输出恒定的12V电压了.这个电路
在很多场合下都有应用。

稳压二极管的参数
（1）稳定电压（2）电压温度系数（3）动态电阻（4）稳定电流，最大、最小稳定电流（5）最大允许功耗
色环稳压二极管
由于小功率稳压二极管体积小，在管子上标注型号较困难，所以一些国外产品采用色环来表示它的标称稳定电压值。

如同色环电阻一样，环的颜色有棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白、黑，它们分别用来表示数值
1、2、3、4、5、6、7、8、9、0。

有的稳压二极管上仅有2道色环，而有的却有3道。

最靠近负极的为第1环，后面依次为第2环和第3环。

仅有2道色环的。

标称稳定电压为两位数，即“××V”(几十几伏)。

第1环表示电压十位上的数值，第2环表示个位上的数值。

如：第1、2
环颜色依次为红、黄，则为24V。

有3道色环，且第2、3两道色环颜色相同的。

标称稳定电压为一位整数且带有一位小数，即“×.×V”(几点几伏)。

第1环表示电压个位上的
数值。

第2、3两道色环（颜色相同）共同表示十分位（小数点后第一位）的数值。

如：第1、2、3环颜色依次为灰、红、红，则为8.2V。

有3道色环，且第2、3两道色环颜色不同的。

标称稳定电压为两位整数并带有一位小数，即“××.×V”(几十几点几伏)。

第1环表示电压十
位上的数值。

第2环表示个位上的数值。

第3环表示十分位（小数点后第一位）的数值。

第五节电容器
电容器通常简称其为电容，用字母C表示。

定义1：电容器，顾名思义，
是‘装电的容器’，是一种容纳电荷的器件。

英文名称：capacitor。

电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于隔直，耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制电路等方面。

定义2：电容器，任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体（包括导线）间都构成一个电容器。

电容器在电路中的作用
电容常见的标记方式是直接标记，其常用的单位有pF，μF两种，很
容易认出。

但一些小容量的电容采用的是数字标示法，一般有三位数，第一、二位数为有效的数字，第三位数为倍数，即表示后面要跟多少个0。

例如：343表示34000pF，另外，如果第三位数为9，表示10－1，而不是10的
9次方，例如：479表示4.7pF。

更换电容时主要应注意电容的耐压值一般要求不低于原电容的耐压要求。

在要求较严格的电路中，其容量一般不超过原容量的±20％即可。

在要求
不太严格的电路中，如旁路电路，一般要求不小于原电容的1/2且不大于
原电容的2倍～6倍即可。

?
1?固定电容器的检测??
A?检测10pF以下的小电容??因10pF以下的固定电容器容量太小，用
万用表进行测量，只能定性的检查其是否有漏电，内部短路或击穿现象。

测量时，可选用万用表R×10k挡，用两表笔分别任意接电容的两个引脚，阻
值应为无穷大。

若测出阻值(指针向右摆动)为零，则说明电容漏电损坏或
内部击穿。

B?检测10PF～0.01μF固定电容器是否有充电现象，进而判断其好坏。

万用表选用R×1k挡。

两只三极管的β值均为100以上，且穿透电流要些?可选用3DG6等型号硅三极管组成复合管。

万用表的红和黑表笔分别与复合管
的发射极e和集电极c相接。

由于复合三极管的放大作用，把被测电容的充放电过程予以放大，使万用表指针摆幅度加大，从而便于观察。

应注意的是：在测试操作时，特别是在测较小容量的电容时，要反复调换被测电容引脚接触A、B两点，才能明显地看到万用表指针的摆动。

C?对于0.01μF以上的固定电容，可用万用表的R×10k挡直接测试电
容器有无充电过程以及有无内部短路或漏电，并可根据指针向右摆动的幅度大小估计出电容器的容量。

?
2?电解电容器的检测??
A?因为电解电容的容量较一般固定电容大得多，所以，测量时，应针对
不同容量选用合适的量程。

根据经验，一般情况下，1～47μF间的电容，
可用R×1k挡测量，大于47μF的电容可用R×100挡测量。

??
B?将万用表红表笔接负极，黑表笔接正极，在刚接触的瞬间，万用表指
针即向右偏转较大偏度(对于同一电阻挡，容量越大，摆幅越大)，接着逐
渐向左回转，直到停在某一位置。

此时的阻值便是电解电容的正向漏电阻，此值略大于反向漏电阻。

实际使用经验表明，电解电容的漏电阻一般应在几百kΩ以上，否则，将不能正常工作。

在测试中，若正向、反向均无充电的现象，即表针不动，则说明容量消失或内部断路；如果所测阻值很小或为零，说明电容漏电大或已击穿损坏，不能再使用。

C?对于正、负极标志不明的电解电容器，可利用上述测量漏电阻的方法
加以判别。

即先任意测一下漏电阻，记住其大小，然后交换表笔再测出一个
提问：听了您刚才的介绍，我有几个地方想向您请问一下，请问王教授，您刚才介绍的是自动控制发展的历程，那么就您个人的意见和看法，那么咱们自动控制的未来的发展方向，有可能是哪个方向？就培养我们这些学生而言，我们怎么样提高自己自身素质来向这个方向来靠拢。

答：自动控制我比较是有这么一个观点：你不能光从搞控制的人来说，我能想出一些方向，我就指给你往前走，我能解决你好多问题。

我举例子来说，瓦特的离心调速器，这个控制系统是先有调速器，先有调节系统，为了提高精度，把这个球做大，做大了以后，系统不稳定了，出了问题去解决它。

就是说首先是技术推进它的，这是一个大方向，大家可能现在学理论，就是一些新的理论里边，可能是最优控制吧，Pontryagin，中文叫庞特里亚金，
庞特里亚金（Pontryagin）的那个极大值原理，到底怎么产生的，我倒想说
说这个过程，所以就可能知道，我搞控制的人怎么搞。

庞特里亚金（Pontryagin）的那个
极大值原理，首先在1953年，前苏联开了一个自动控制会议，当时是
一些搞工程技术的人员，提出最优控制，就是我们现在说的Bang-
Bang（开关）控制。

这个是有名的人，是费尔德鲍曼(A.A.Feldbaum)他提
出的。

庞特里亚金（Pontryagin）是数学家，他在控制会议上听出点门道来
了，他是数学所的，完了开完会以后，他把费尔德鲍曼请到他们数学所做讲座，讲他的最优控制。

讲座完了以后，1956年庞特里亚金（Pontryagin）
的那个极大值原理就出来了。

我就说他数学家先能把问题抽象出来，也跟刚才瓦特的离心调速器一样，受到当时很多技术的影响，受到好多的一些知识的积累，各方面的知识积累，受到启发，才出来那个极大值原理。

第二节自动控制系统的组成
自动控制系统的组成及术语典型反馈控制系统的原理如图所示
(1)被控对象:它是控制系统所控制和操纵的对象,
它接受控制量并输出被控制量。

(2)控制器:接收变换和放大后的偏差信号,转换为
对被控对象进行操作的控制信号。

(3)放大变换环节:将偏差信号变换为适合控制器执
行的信号。

它根据控制的形式、幅值及功率来放
大变换。

(4)校正装置:为改善系统动态和静态特性而附加
的装置。

如果校正装置串联在系统的前向通道中,
称为串联校正装置;如果校正装置接成反馈形式,
称为并联校正装置,又称局部反馈校正。

(5)反馈环节:它用来测量被控量的实际值,并经过
信号处理,转换为与被控制量有一定函数关系,且
与输入信号同一物理量的信号。

反馈环节一般也
称为测量变送环节。

(6)给定环节:产生输入控制信号的装置。

第三节自动控制系统的类型
PCS系统即基层自动化系统，主要包括以下几种控制系统：
1、DCS
2、PLC
3、PAC
4、SCADA、RTU
5、PC-based控制器、IPC
一、D CS
1、基本概念：分散控制系统(Distributed Control System)，采用功能
分级、软硬件分布配置、监控管理功能集中于中央站和有相当操作级别的终端，实时性强的控制和调节功能由分站完成，中央站停止工作不影响分站功能和设备运转，对于局部网络通信控制也不应因此而中断。

由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系统。

即：TDC2000，它只有模拟
量控制。

目前生产DCS的厂家：
（1）国外：HONEYWELL公司－Expersion PKS;
ABB－Industrial IT；Simenz－PCS7；日本横河的YEPARK MARKⅡ等等。

（2）国内：浙大中控、和利时等。

2、发展历程
（1）第一个阶段---20世纪50年代前后，过程控制开始发展。

这一阶段主
要采用了基地式仪表和部分单元组合仪表，多数为气动式仪表。

控制系统结构简单，控制参数少。

（2）第二个阶段---20世纪60年代，电子技术的
发展，为自动化技术工具的完善提供了条件，开始大量采用单元组合仪表，组装仪表也已使用，能够满足比较复杂的模拟和逻辑控制规律相结合的控制系统需要。

计算机开始用在工业生产中，比较复杂的控制算法如串级控制、比值控制和均匀控制等开始使用。

（3）第三个阶段----70年代以后，微型机的出现，是过程控制发展到现代
过程控制的新阶段。

采用了以微处理器为核心的智能单元组合仪表，仪表可靠性能提高了，适应了各种复杂的控制系统的要求。

由于生产过程是一个分散的系统，为满足工业生产分散过程的需要，集散型控制系统（DCS）应运而生。

（4）现场总线的出现－FCS。

3、DCS组成
DCS由四部份组成（也可以说成三部分）：I/O板、控制器、操作站和通讯
网络。

人机接口包括操作站、工程师站和历史站。

控制器I/O部件和生产过程相联接，操作站和人相联系，通讯网络把这两部分联成系统。

所以操作站是DCS的重要组成部分，工程师站给控制器和操作站组态，历史站记录生产过
程的历史数据。

最近几
4、现场总线
现场总线是20世纪80年代末、90年代初国际上形成的,用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C（Computer计算机、Control控制、Communication通信）技术的基础上，大量现场检测与控制。