娇儿基于PLC的霓虹灯控制系统的设计

基于PLC的霓虹灯控制系统的设计第一章绪论
随着改革的不断深入,社会主义市场经济的不断繁荣和发展,大中小城市都在进行亮化工程。

企业为展现自己的形象和产品,一般都会采用通过霓虹灯广告屏来这种广告手法，所以当我们夜晚走在大街上,马路两旁各色各样的霓虹灯广告随处可见,一种是采用霓虹灯管做成的各种形状和多种彩色的灯管,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，大部分是采用霓虹灯。

这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。

选择这个题目作为毕业设计，既能通过这次设计复习学过的PLC知识，而且还能提高自己的设计水平，并且在一定程度上提高自己以后在找工作的成功率。

所以我选择了这个题目。

第二章霓虹灯的概况
第一节霓虹灯的发展
一、1926年霓虹灯初期发展阶段
霓虹灯（NEON LAMP）是一种低气压冷阴极辉光放电灯，又称冷阴极管。

被广泛用于广告、招牌、标识、景观、装饰亮化;冷阴极管还被高档豪华酒店、文化娱乐场所用于照明以及特种灯等。

霓虹灯发明于19世纪末、20世纪初，1910年世界上第一支商业性霓虹灯用于巴黎的皇宫大厦作照明装饰获得成功。

1926年，霓虹灯传入中国，在上海南京东路伊文思图书公司橱窗内出现第一幅英文“皇家牌（ROYAL）打字机”霓虹灯广告。

1927年，我国第一家霓虹灯制造厂—上海远东化学制造厂为上海中央大
旅社制作安装第一块“中央大旅社”中英文对照的霓虹灯招牌。

1930年，我国自制成功电感式霓虹灯变压器。

1948年，上海开明霓虹制造厂与台湾工商广告公司合伙在台北市开设台湾第一家霓虹灯制作工厂—公明霓虹灯厂。

1951年，我国试制成功氩、氖等惰性气体。

1956年，复旦大学蔡祖泉教授试制成功我国第一只立式三级玻璃油扩散泵。

1958年，上海市贸易信托公司霓虹灯行业改组为国营上海霓虹电器厂，是当时中国最大的集霓虹灯、霓虹器材生产、制作、安装的工厂。

1966年，文化大革命使中国霓虹灯除制作政治宣传标语外，基本处于停顿状态。

二、1978年霓虹灯进入恢复和初步发展阶段
以十一届三中全会为标志，改革开放的市场经济使中国霓虹灯进入恢复和
初步发展阶段。

以上海霓虹电器厂为主的生产基地，在全国主要城市的广告公
司系统、灯泡厂、事业单位、集体企业迅速建立起了大批霓虹灯厂，为当地霓
虹灯的发展做出了贡献。

1972年，上海文汇报发表“为广告正名”文章，上海霓虹灯电器厂逐步扩大霓虹灯、霓虹器材生产，供应全国并开始为其他城市广告公司和企业培训制
灯技工和协助建厂。

1981年，市场经济发展，促使霓虹行业从传统的直销进入商品经营时代，在上海安远路逐步形成霓虹灯市场一条街，最多时有30多家经销厂店。

1985年，日商“东芝”霓虹灯广告在上海最高楼“国际饭店”亮灯，引发争议。

1990年，上海霓虹电器厂委托南京轻工机械厂设计生产的“自动化粉管生产流水线”投产，提高了霓虹灯粉管质量。

1993年，在广州召开的新技术、新材料交流会议之际，上海、北京、广州等全国主要霓虹灯企业就筹备成立中国霓虹技术协作会进行商讨。

三、1994年霓虹灯进入快速发展阶段
1992年邓小平同志南巡讲话及党的十四大明确建立社会主义市场经济体
制的目标，使霓虹灯进入快速发展阶段。

1994年，中国第一个跨地区、跨部门、跨所有制的全国霓虹灯行业的民
间组织—中霓会（中国广告协会广告公司委员会霓虹技术协作会）在成都成立。

成立时全国霓虹灯经营单位约3000家左右。

1995年，中科院北京科电高技术公司研制的“高分子真空系统”投向市场，提高了霓虹灯的真空技术。

2003年，国家标准GB19149-2003《空载输出电压超过1000V的管形放电灯用变压器(霓虹灯变压器)一般要求和安全要求》发布、实施。

2004年，中国霓虹灯已从单一的手工作坊式生产、制作霓虹灯，形成专业化、系列化、现代化生产方式。

全国形成以上海、江苏为主要的霓虹灯广告、
店招、标牌制作中心;以广东为主要的电子变压器生产中心;以北京、山东为主
要的制灯设备中心。

全国各类企业达1万余家，从业人员10万人以上。

据2003年统计，全国霓虹灯变压器生产量达1500万台，霓虹灯荧光粉管超过8000万支，霓虹灯电极14000万对。

霓虹灯年产值已达30亿元左右。

全国霓虹灯拥有量99280个，是十年前1994年的34817个的2.85倍，已成为霓虹灯及霓虹器材世界产量最高国家之一。

四、2005年霓虹行业进入多元化发展时期
中国霓虹灯发展创历史新高后，由于LED挤压，大、中城市户外广告整治
拆除行动和世界经济危机的影响以及霓虹灯大发展带来的低价竞争，部分质量
良莠不全等使霓虹灯发展受阻。

霓虹行业以“科学发展观”指导企业生产经营，在坚持做好、做优、发展霓虹灯同时研究、开发LED等产品以及景观灯、亮化工程等，形成新的利润增长点。

2005年，经民政部核准成立“中国广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”“中国照明电器协会霓虹灯生产专业委员会”。

在中国第一次出现三个全国性的行业组织。

在现代生活中，霓虹灯作为广告装饰光源，将向高品质发展，在目前技术条件下，还没有一种新光源可全面替代，仍具有独特的生命力。

霓虹灯又是冷
阴极灯管照明，作为艺术品的一种，成为光的雕塑产品，将向高品质、高档产品发展。

第三章变频器的现状、发展、结构及内容
第一节变频器的现状及其发展
随着国民经济的迅速发展，国内对变频器产品的需求越来越大，同时，变频器由于其节能环保的特性，受到国家政策的大力支持。

变频器是一种高技术含量、高附加值、高回报的高科技产品。

变频器最初的使用并不是为了节能，而是交流传动代替直流传动，并满足过程化控制的要求。

随着自动化、电力电子等技术的发展，变频器作为电机调速节能关键设备，改变了普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无需任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗，达到系统高效运行的目的。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。

国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现全数字化。

几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。

目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。

其现阶段发展情况主要表现如下：
①技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模。

②能够提供特大功率的变频器，目前已超过10000KW。

③变频调速产品的技术标准比较完备。

④与变频器相关的配套产业及行业初具规模。

⑤能够生产变频器中的功率器件，如IGBT、IGCT、SGCT等。

⑥高压变频器在各个行业中被广泛应用，并取得了显著的经济效益。

⑦产品国际化，当地化加剧。

⑧新技术，新工艺层出不穷，并被大量的、快速的应用于产品中。

目前，在国内有不低于200家的低压变频器厂商，其大部分为AC380V的低压产品，而在高压大功率变频器方面，在30家左右。

由于罗宾康没有在中国申请专利保护，因此绝大多数厂家都采用美国罗宾康的技术即单元串联多重化结构。

随着技术研究的进一步深入，在理论上和功能上国产高压变频器已经可以
与进口变频器相比肩，但是受工艺技术的限制，与进口产品的差距还是比较明显。

这些状况主要表现在如下几个方面：
①国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场，并加快了本地化的步伐。

②具有研发能力和产业化规模的逐年增加。

③国产高压变频器的功率也越做越大，目前国内最大的应用做到了20000KW。

④国内高压变频器的技术标准还有待规范。

⑤与高压变频器相配套的产业很不发达。

⑥生产工艺一般，可以满足变频器产品的技术要求，价格相对低廉。

⑦变频器中使用的功率半导体关键器件完全依赖进口，而且相当长时间内还会依赖进口。

⑧与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中。

⑨已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。

⑩部分厂家已经开发出四象限运行的高压变频器
一般变频器的节电率在20%-30%左右，最高甚至可超过50%，变频器的节能效果与应用环境的工况参数十分相关。

电动机运行工况的参数设置是否合理、
所带负载的变化特性，以及设备最初的调节、调速方式均可以直接影响变频器
的节电效果。

随着变频技术的高速发展与产品功能的拓展，变频器在水泥、电梯、印刷、电力等现代化产业以及医学、通讯、交通、运输、电力、电子、环
保等领域得到空前的发展和应用，几乎国民经济各行各业都与变频器密不可分。

按照720元/KW价格估计，即使在不考虑新增电动机的情况下，我国变频器市
场规模已达到731亿元，发展空间十分广阔。

交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信
息的收集、变换和传输，因此它必定会分成功率和控制两大部分。

前者要解决
与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的软硬件控制问题。

因此，未来高
压变频调速技术也将在这两方面得到发展，其主要表现为：
①高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展。

②高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加（器件串联和单元串联）两个方向发展。

③更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。

④现阶段，IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色，SCR、GTO将会退出
变频器市场。

⑤无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。

⑥全面实现数字化和自动化：参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术。

⑦应用32位MCU、DSP及ASIC等器件，实现变频器的高精度，多功能。

⑧相关配套行业正朝着专业化，规模化发展，社会分工将更加明显。

第二节变频器的结构及其内容
变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元
件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可
调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的
范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐
渐走向成熟。

变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。

因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、
变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟
机生产线及楼宇、供水等领域。

一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆
变电路等几大部分。

1. 整流电路
整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。

整流电路一般都是单独的一
块整流模块
.2. 平波电路
平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外
逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容
吸收脉动电压(电流)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，
故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。

3. 控制电路
现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实
现全数字化控制。

变频器是输出电压和频率可调的调速装置。

提供控制信号的
回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主
电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。

运算电路的控制信号
送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路
变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式
4 逆变电路
逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。

从而可以在输
出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。

第三章可编程控制器的概况
第一节可编控制器的产生与应用
可编程控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术、和通信技术为一体放入新型自动控制技术。

其性能优越，已被广泛的应用于各个领域，并已成为
工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。

PLC的应用已
成为一个世界潮流，在不久的将来PLC技术在我国将得到更全面的发展。

一、可编程控制器的产生及发展
可编程控制器的产生可追溯到20世纪60年代末，在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位，由此构成的控制系统都是按预先
设定好的时间或条件顺序地工作，若要改变控制的顺序就必须改变控制系统地
硬件连线，这样就使其应用在很多方面受到限制，其通用性和灵活性都比较差。

20世纪60年代末，计算机技术开始应用于工业领域，由于价格高、输入
输出电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业
控制领域获得推广。

1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM）为了适应生产
工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度
更快的新型控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立
即引起了开发热潮。

其主要内容是：
1) 编程简单，可在现场修改程序；
2) 维护方便，最好是插件式；
3) 可靠性高于继电器控制柜；
4) 体积小于继电器控制柜；
5) 可将数据直接送入管理计算机；
6) 在成本上可与继电器控制柜竞争；
7) 输入可以是交流115V；
8) 输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀等；
9) 在扩展时，原系统只需很小变更；
10) 用户程序存贮器容量至少能扩展到4K。

这就是著名的GM 10条。

如果说各种电控制器、电子计算机技术的发展是可编程序控制器出现的物质基础，那么GM 10 条就是可编程序控制器出现的直接原因。

1969年，美国数据设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在GM公司的生产线上。

其后日本、西德等相继引入，使其迅速发展起来。

但这一时期它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称
PLC(ProgrammableLogic Controller)。

70年代初期诞生的微处理器和微型计算机，经过不断地开发和改进，软、硬件资源和技术已经十分完善，价格也很低廉，因而渗透到各个领域。

可编程序控制器的设计和制造者及时吸收了微型计算机的优点，引入了微处理器和其它大规模集成电路，诞生了新一代的可编程序控制器。

70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC(ProgrammableController)。

但由于PC容易和个人计算机(Personal Computer)相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。

1985年1月国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器给出如下定义“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、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有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计”。

PLC从诞生至今，其发展大体经历了三个阶段：从20世纪70年代至80年代中期，以单机为主发展硬件技术，为取代传统的继电器—接触器控制系统而设计了各种PLC的基本型号。

到80年代末期，为适应柔性制造系统(FMS)的发展，在提高单机功能的同时，加强软件的开发，提高通信能力。

90年代以来，为适应计算机集成制造系统(CIMS)的发展，采用多CPU的PLC系统，不断提高运算速度和数据处理能力。

PLC与传统的继电器逻辑相比，它具有如下优点：
1）由于采用了大规模集成电路和计算机技术，因此可靠性高、逻辑功能强且体积小。

2）在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，PLC 无需增加硬设备，利用微处理器及存储器的功能，就可以很容易地完成这些逻辑组合和运算，大大降低了控制成本。

3）由于PLC采用软件编制程序来完成控制任务，所以随着要求的变更对程序进行修改显得十分方便，具有很好的柔性。

继电器线路则是通过许多真正的“硬”继电器和它们之间的硬接线达到的，要想改变控制功能，必须变更硬接线，重新配置，灵活性差。

4）新一代PLC除具有远程通讯功能以及易于与计算机接口实现群控外，还可通过附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂的控制功能，这对于布线逻辑的继电器控制系统是无法办到的。

PLC虽然采用了计算机技术和微处理器，但是它与工业控制计算机相比又具有如下特点：
1）PLC继承了继电器系统的基本格式和习惯，采用了面向控制过程和操作者的逻辑语言，以继电器逻辑梯形图为编程语言，梯形图符号和定义与常规继电器展开图完全一致，容易学习和掌握。

并作了大量的扩展改进，可以视为
继电器系统的超集，所以，对于有继电器系统方面知识和经验的人来说，尤其是现场的技术人员，学习起来十分方便。

2）PLC是从针对工业顺序控制并扩大应用而发展起来的，一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，其硬件结构专用，标准化程度低，各厂家的产品不通用。

工业控制计算机是指能够与现场工业控制对象的传感器、执行机构直接接口，能够提供各种数据采集和控制功能，并能在恶劣的工业环境中可靠运行的计算机系统，简称工业控制机或工控机。

工业控制机是由通用计算机推广应用发展起来的，一般由微机厂、芯片及板卡制造厂开发生产。

它在硬件结构方面的突出优点是总线标准化程度高，产品兼容性强。

3）PLC的运行方式与工业控制机不同，它对逻辑顺序控制很适应，虽也能完成数据运算、PID调节等功能，但微机的许多软件还不能直接使用，须经过二次开发。

它采用的梯形图编程语言很受熟悉继电器控制而不熟悉计算机的电气技术人员的欢迎。

工业控制机可使用通用微机的各种编程语言，因而其软件资源十分丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势。

但它对使用者的技术水平要求较高，即应具有一定的计算机专业知识。

4）PLC和工业控制机都是专为工业现场应用环境而设计的。

PLC 在结构上采取整体密封或插件组合型，并采取了一系列的抗干扰措施，使其具有很高的可靠性。

工业控制机对各种模板的电气和机械性能也有严格的考虑，因而可靠性也较高。

5）PLC一般具有模块结构，可以针对不同的对象进行组合和扩展，以满足工业控制的需要，因而具有很好的性能／价格比。

6）由于PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。

它是一种面向生产过程控制的数字电子装置。

不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的工业过程控制网络。

作为一种先进而又成熟的技术，目前PLC被广泛地应用到机械、冶金、化工、电力、轻纺等各个领域，产品遍及世界各地。

这种新型的电控装置极大地提高了劳动生产率和自动化程度。

可编程控制器将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃居工业生产自动化三大支柱(即PLC，机器人和计算机辅助设计／制造CAD/CAM)的首位。

二、可编程控制器的特点及应用
可编程控制器是现代计算机技术与传统继电器-接触器控制技术相结合的产物，专用于工业控制的环境，具有许多其他控制器件所无法相比的优点。

（1）可靠性高、抗干扰能力强
工业生产中对控制器的可靠性要求很高，可靠性也是用户选择控制装置的
首要条件。

为保证PLC能在工业环境下可靠工作，在设计和生产过程中，从硬
件和软件都采用了抗干扰的措施，使PLC能在恶劣的环境中可靠德工作，其平
均故障间隔时间一般可达到几十万小时。

1）硬件方面：I／O通常采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC
的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而抑制或消除了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁的干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。

2），软件方面：PLC采用扫描方式，减少了由于外界环境干扰引起的故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路的故障实现
检测和判断；当外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止
任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常，便可恢复到故障发生前的状态，
继续原来的工作。

（2）功能完善、扩展方便、组合灵活、实用性强
现代PLC具有数字量和模拟量的输入输出（I/O）接口、各种扩展单元和特殊
功能模块，可以方便灵活的组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各
种工业控制的需要。

（3）编程简单、使用方便
PLC采用面向控制过程和操作者的“自然语言”—梯形图作为基本编程语言，容易学习和掌握。

PLC控制系统采用软件编程来实现控制功能，当生产工
艺流程改变或生产设备更新时，可在不改变硬件设备的情况下，方便地改变控
制程序，具有很强的灵活性和“柔性”。

（4）体积小、质量轻，是实现“机电一体化”的理想产品
由于PLC内部电路主要采用微电子技术设计，因此它具有结构紧密、体积小巧、质量轻等特点，易于装入机械设备内部，可简化机械结构设计，因而成为实现
机电一体化的理想设备。

（5）性价比高。