基于PLC的霓虹灯控制系统的设计

（2013届）
本科毕业设计（论文）资料
2013届
本科毕业设计（论文）资料第一部分毕业论文
（2013届）
本科毕业设计（论文）
2013年6月
摘要
随着国家的不断改革与发展，市场经济的不断繁荣和进步，各大城市都在进行亮化工程。

各大中小企业为了宣传自己的企业产品，基本上均采用霓虹灯广告屏来作为广告手法。

每当夜晚，城市里的霓虹灯绝对是一大亮点，它点燃了城市的灵魂与希望。

道路两旁的霓虹灯广告牌随处可见，各色各样，十分好看和吸引人。

在给它们配上大型的广告语和宣传画，使人一目了然，印象深刻。

这些霓虹灯的亮灭，闪烁时间的长短和灯光流动的方向等等都可以通过PLC来达到控制要求。

如何快捷，可靠，简单的去达到控制的目的，是人们考虑的重点。

而PLC控制系统无疑是最适合的。

因为PLC具有通用性强，使用方便，适应面广，可靠性强，抗干扰能力强，编程简单易懂等特点。

并且PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，也是无法取代的。

在现实生活中，人们也大多是通过PLC去控制霓虹灯的。

关键词：西门子S7-200；亮化工程；霓虹灯；祈福雅安
ABSTRACT
With the reform and development of the country, rising prosperity and progress of market economy, big cities are in the rope. Each medium enterprises to promote their own products, basically all use neon advertising screen for advertising. Whenever the night, the city of neon lights is definitely a highlight, it lit the city soul with hope. Neon signs on both sides of the road can be seen everywhere, various, is very nice and attractive. In them with large slogans and propaganda, make the person be clear at a glance, impressive. Length of destroy the light of the neon lights, flashing lights and the direction of the flow and so on can be controlled by the PLC to achieve the requirements. How fast, reliable, easy to achieve the purpose of control, is the focal point that people consider. The PLC control system is undoubtedly the most appropriate. Because PLC has strong commonality, use convenient, adaptation of wide, reliability and anti-interference ability strong, programming of simple features. And PLC in industrial automation control especially sequence control, also can't replace. In real life, people also are mostly by PLC to control the neon.
Keywords:Siemens S7-200; Rope; The neon lights; Blessing of ya 'an
目录
摘要 (I)
ABSTRACT .......................................................... I I 目录........................................................... I II 第1章绪论. (1)
1.1 课题的研究意义 (1)
1.2 课题霓虹灯的起源 (1)
1.3 课题的发展与现状 (2)
第2章霓虹灯的PLC控制系统总体设计方案 (3)
2.1 霓虹灯的PLC控制系统设计概况 (3)
2.1.1 毕业设计的基本要求与主要内容 (4)
2.1.2 霓虹灯的外观图 (4)
2.1.3 霓虹灯的闪烁变化过程 (5)
2.2 PLC控制系统功能图概念及构成规则 (5)
2.2.1 霓虹灯的PLC系统设计结构框图 (6)
2.2.2 霓虹灯PLC控制系统的程序流程图 (7)
第3章霓虹灯控制系统的硬件设计 (9)
3.1 霓虹灯的硬件设计 (9)
3.1.1 霓虹灯的特点 (9)
3.1.2 霓虹灯的选型 (10)
3.2 PLC的选型 (11)
3.2.1 PLC的工作原理 (11)
3.2.2 PLC的特点和应用领域 (12)
3.2.3 S7-200系列的PLC选择 (13)
3.3 输入输出模块的选择 (13)
3.4 霓虹灯电源的选择 (14)
3.5 霓虹灯控制系统的PLC端子接线图 (14)
第4章霓虹灯的软件程序设计 (16)
4.1 霓虹灯系统的控制部分 (16)
4.2 梯形图的编写 (17)
4.3 PLC控制霓虹灯系统的组态环境 (26)
4.3.1 制作工作画面 (26)
4.3.2 编加画面 (28)
4.3.3 组态画面 (31)
4.3.4 变量连接 (31)
结论 (35)
参考文献 (36)
致谢 (37)
第1章绪论
1.1 课题的研究意义
霓虹灯具有高效率，寿命长，能耗低的特点，霓虹灯的温度低，使用不受气候的限制，并且霓虹灯的制作灵活，色彩多样，控制简单方便，霓虹灯工程动感强，宣传效果非常突入有效，经济使用。

霓虹灯的突出优势受到各行各业的信赖与支持，在现代商业宣传中被广泛的应用。

随着经济的不断发展和霓虹灯控制系统等技术的进一步提升，霓虹灯的应用范围会再次等到拓展。

因此，霓虹灯控制系统工程的发展潜力是十分巨大的。

随着霓虹灯行业的不断发展成熟，霓虹灯逐渐向着绿色环保，持久耐用，颜色丰富的趋势发展。

面对激烈的霓虹灯竞争市场和其不断变化的行业趋势，PLC控制系统的技术就显得尤为关键。

通过采用PLC控制系统来提高霓虹的工程质量，以美观醒目的色彩搭配和动感十足的变换以及成熟的PLC控制系统技术来提升霓虹灯的宣传效果，促进霓虹灯工程在现代社会中的持续快速发展。

随着我国经济的飞速发展，霓虹灯的规格、样式也已经基本系列化、国际化，可供各种用途的选择，其质量也已逐步向国际水平靠拢，随着我国加入WTO与国际水平的差距将越来越小，在不久的将来必将赶超国际先进水平。

而PLC控制系统对于霓虹灯的影响，也将深远长久。

所以我选择此课题作为研究对象。

1.2 课题霓虹灯的起源
霓虹灯的起源要追溯到英国化学家和物理学家法拉第对气体的实验与研究，电流通过含有少量正负离子的气体时，受到宇宙射线，紫外线，微量放射物质的作用，在足够高的外电压作用下运动，与中性气体分子碰撞，使中性分子发生电离，从而使离子的数目倍增，产生辉光放电。

即电流通过气体时伴有的发光现象。

其发光的颜色也会随着填充气体的不同而不同。

法拉第的理论和在实验上所作出的贡献，为霓虹灯技术的发展奠定了可靠的理论基础。

让电灯像天上彩虹一样，发出七彩的光来！这个大胆而新鲜的想法，在英国著名化学家拉姆赛的脑子里酝酿了好长时日了。

拉姆赛为此进行了不懈的研究和试验，直到１８９８年６月的一个晚上，奇迹终于发生了！在拉姆赛的试验室里，他和他的助手们在真空玻璃管里注进一种稀有的气体，然后把封闭在真空玻璃管中的两个金属电极，连接在高压电源上。

这时，拉姆赛预想的奇迹出现了，真空玻璃管内的稀有气体不仅可以导电，最重要的是玻璃管呈现出迷人的红光。

这就是全世界第一支霓虹灯。

拉姆赛所注入玻璃管内的稀有气体，就是现在我们所说的氖气。

在当时，拉姆赛给它起了个名称叫“Ｎｅｏｎ”（即“新”的意思）。

以后，拉姆赛继续他的这项研究，先后发现氙气
能发出白光，氩能发出蓝光，氦能发出黄光，氪能发出深蓝光。

由于这些灯光五颜六色，色泽纷呈，好似雨后天上的彩虹。

根据拉姆赛第一次为这种灯的气体命名的“Ｎｅｏｎ”读音，人们便把这种灯，统称为“霓虹灯”了。

霓虹灯自从1910年问世以来，就一直在发展进步。

它是利用特殊的低气压冷阴极辉光放电发光的点光源，不同于其他的弧光灯。

霓虹灯的光色是由充入惰性气体的光谱特性决定的。

充入氖气，霓虹灯会发红色光，充入氩气及汞，霓虹灯会发蓝色等光。

最早的霓虹灯首先应用于军事，当时主要用来做信号灯，第二次世界大战前夕，新型发光的材料被研究了出来。

这种材料不仅发光效率很高，而且能发出不同颜色的光，也就是我们俗称的荧光粉。

自从荧光粉被应用在了霓虹灯中，霓虹灯的亮度有了明显的提高，而且灯的颜色也变得更加的绚丽多彩，五光十色，同时大大提高了灯的制作工艺。

在二战结束后，霓虹灯得到了迅猛的发展，被商人广泛应用于广告和商店的装饰中。

1.3 课题的发展与现状
目前，霓虹灯市场比较混乱，各种各样的制作单位都有，其中有营业执照的单位只占市场的30%，这类单位有自己独特的设计风格，信誉过关，产品质量稳定，后期维护到位，是广大用户的首选单位。

剩余的就是没有营业执照甚至没有任何证件的单位，这类单位的专业性不强，产品质量和后期维护不到位，建议用户不要选择这类单位。

霓虹灯制作是一个专业性很强的行业，正规的单位产品质量好，使用寿命长。

可是一些没有执照的霓虹灯公司给用户感觉霓虹灯很容易损坏。

其实霓虹灯的寿命比日光灯还要长，为了广大消费者的利益，请大家选择有执照，有能力，有信誉的单位。

以前的霓虹灯制造企业几乎全部都是用普通的玻璃管，普通的电极，但是随着社会的发展，人们对产品的要求越来越高，高铅玻璃管、三基色分管等越来越广泛的走进人们的生活，使人们的生活更加绚丽多彩。

霓虹灯以它独特的魅力为夜间城市的购物中心招来顾客，给文化娱乐中心吸引游客营造氛围。

霓虹灯给夜间城市添上了一层魅力的外衣，它已成为现代城市商业繁荣的标志之一。

未来的世界变化莫测，霓虹灯的发展越来越趋向节能，环保这一方向。

有创意的设计、有新意的题材将会成为今后霓虹灯的设计理念。

第2章霓虹灯的PLC控制系统总体设计方案
2.1 霓虹灯的PLC控制系统设计概况
本设计之所以采用PLC控制系统是因为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。

PLC具有以下特点：
（1）抗干扰能力强，可靠性高
PLC专门为工业环境而设计，具有很高的可靠性。

PLC具有较高的抗干扰抗干扰能力，因此运行稳定、可靠，抗干扰能力强。

与继电器接触装置和通用计算机相比，PLC 更能适应工业现场较为恶劣的生产环境。

（2）控制系统结构简单，通用性强
PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。

当控制要求改变时，可用编程器离线或者在线来更改程序，一个PLC用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件的不同。

在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量且繁杂的硬接线线路。

PLC的输入/输出可直接和强电相连接。

（3）编程方便，易于使用
PLC是广大用户使用的设备，PLC的设计者要全面的考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，因此PLC程序的编制采用梯形图或简单的指令控制形式。

梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言非常形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，只需要具有相关的电工知识就可在短时间内掌握。

（4）功能完善
现在PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、步进控制功能，还能完成A/D转换、D/A 转换、模拟量处理、高速计数、联网通信等功能，可以通过上位计算机进行显示、报警、记录，使控制水平大为提高。

所以，PLC具有很强的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要，是目前工厂中应用最广的自动化设备。

（5）体积小、维护操作方便
PLC的体积相对来说较小，质量也比较轻，非常便于安装和调试。

PLC的输入/输出系统能够很直接地反映现场信号的变化情况，还能通过不同方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有明确的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监控和维修。

2.1.1 毕业设计的基本要求与主要内容
本课题以霓虹灯控制系统为研究对象，采用PLC做为霓虹灯控制系统的控制器，对霓虹灯控制系统总体结构和功能、系统硬件组成、监测和控制软件进行分析，提出霓虹灯控制系统的各组成模块及详细的硬件模块设计方案，并对控制方式进行设计和程序的编写，监测方面通过监控软件的设计，能够将PLC对霓虹灯控制系统的控制实时监控。

（1）设计要求画出本系统的控制系统框图，硬件接线图；
（2）对硬件部分进行选型（包括PLC、各种传感器及其外围设备、数模和模数转换器件等）；
（3）编写控制程序；
（4）在机房对所编写的程序进行调试；
（5）撰写毕业设计论文，论文要符合学校关于毕业设计的规范要求。

2.1.2 霓虹灯的外观图
根据设计任务的要求，绘制出霓虹灯的外观图，其中，1到18号为18个流水灯，中间为4个字形灯，其寓意不言而喻。

为雅安祈福，为在地震中热情伸出双手的人们致敬。

其具体图形如下图2.1所示。

图2.1 霓虹灯的外观图
2.1.3 霓虹灯的闪烁变化过程
其中，
1到18围成一个心形灯，
其能按照一定的顺序逐渐点亮或者熄灭，并且中间的四字也能同时闪烁。

用
PLC 对该霓虹灯实现控制，其具体方式如下：
（1）首先，心形中间四字“祈”
、“福”、
“雅”、
“安”逐渐点亮，间隔为1s ，之后
常亮。

（
2）周围的心形灯从1
到18号逐渐点亮，间隔1s ，随后从18到
1号逐渐熄灭，间隔为
1s 。

（
3）周围的心形灯以1号和10号为对称轴，左侧从1到10号逐渐点亮，右侧从18到10号逐渐点亮，间隔为1s 。

（4）周围的心形灯以1号和10号为对称轴，左侧从1到10号逐渐熄灭，右侧从18到10号逐渐熄灭，间隔为1s 。

（5）从（2）步骤开始一直循环。

（6）系统霓虹灯字，白炽灯的电压及供电电源均为220V 。

2.2 PLC 控制系统功能图概念及构成规则
功能图又称为状态图，它是一种能够准确描述顺序控制系统的图形方式，专用于工业顺序控制程序设计的一种功能性语言，能够直观地显示出工业控制中基本顺序步骤。

功能图的主要元素主要包括以下几个方面：
（1）状态
初始状态：它是功能图的起点，任何一个控制系统都至少要有一个初始状态。

初始状态的图形符号为双线的矩形图。

但有的时候为了方便也会用单线矩形框或一条横线表示开始。

工作状态：它是控制系统正常运行时的状态。

根据系统是否运行，状态可分为动状态和静状态两种。

动状态是指当前正在运行的状态，静状态是指没有运行的状态。

在每个稳定的状态下，可能会出现与状态相对应的动作。

（2）转移
用有向线段表示转移的方向。

两个状态之间的有向线段上用一段横线表示转移。

转移是一种条件，当此条件成立时，就成为转移使能。

该转移如果能够使状态发生转移，则称之为触发。

一个转移能够称之为触发必须满足：状态为动状态及转移使能。

转移条件是指使系统从一个状态向另一个状态转移的必要条件，通常用文字、逻辑方程及符号来表示。

绘制功能图必须满足下面4条规则：
（1）状态与状态不能相连，必须用转移分开。

（2）转移与转移不能相连，必须用状态分开。

（3）状态与转移、转移与状态之间的连接应采用有向线段，从上向下画时，可以省略箭头，当从下向上画时，必须画上箭头，用来表示方向。

（4）一个功能图至少需要有一个初始状态。

2.2.1 霓虹灯的PLC系统设计结构框图
本人按照设计的执行顺序把设计的主要内容用图形表示出来，使设计思路更加清晰。

如图2.2.1所示
图2.2.1 设计程序的结构框图
2.2.2 霓虹灯PLC控制系统的程序流程图
根据设计要求，制定合理的方案。

在进行设计霓虹灯的程序时可以去观看一下真正的霓虹灯的外观，必要时可以借助一些特殊效果来处理，使霓虹灯更加绚丽。

在进行PLC 程序的编写时应该先分配PLC的I/O点，确定每个小灯的接口，然后对每个小灯分别进行设计工作，经调试后完成整个系统的设计。

总的来说，仿真界面是被控对象，利用PLC 来控制整个霓虹灯的流动和亮灭，让霓虹灯运转起来。

图2.2.2霓虹灯程序流程图
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
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。

（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。