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1、1大型霓虹灯的 PLC 控制系统设计石永丰摘 要可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称 PLC，是现代新型工业控制的标志产品。它已取代了继电器而成为解决自动控制问题的最有效、最便捷、最理想的工具。在工业、农业、商业及各行各业得到广泛应用。本文以日本松下电工 FP1 系列为例系统地介绍了可编程控制器(PLC)的结构组成、工作原理、指令系统及大型霓虹灯的 PLC 控制系统设计等。通过这一应用实例使读者对整个设计有一个较深入的了解。本文从应用的角度出发，力求通俗易懂，使PLC 控制技术更容易掌握。关键词 PLC 大型霓虹灯 指令系统The design of
2、the large neon control systemShiyongfengAbstract: Programmable Logic Controller is shorted PLC. It is a remark, which is a product of new model industry control. It has become a tool of solving the problem of automatic control more efficient 、more convenient and more ideal in stead of the relay. It
3、has been used into the industry、the agrarian、the commercial area and other varied areas. The article introduces the construction,order system of the Panasonic FP1 programmable controllers and The design of the large neon control system and. Though the applied example ,making the readers has a deep r
4、ecognition about the design of the whole system. Starting from the angle of application, the article tries to state so carefully that make the PLC control technology simple to be understood. Keywords: PLC large neon command system 一、引言在繁华的大街上，到处可见各色的霓虹灯广告牌，它以图形、字体的闪烁变化吸引人的注意，达到宣传的目的。2霓虹灯是漂亮的，为了设计出变化
5、更丰富，控制更容易的霓虹灯,我尝试并设计制作了可编程序控制器（PLC）对大型霓虹灯的控制。本文就是针对这一设计制作进行了详细的讲解。之所以采用 PLC 控制的原因如下所述：可编程控制器是在工业环境下应用及满足用户需要而设计，它具有以下的特点：（1）可靠性高 。平均无故障工作时间场合故障平均修复时间短。可在恶劣的环境下工作。简单、操作方便而使失误少。 （2）柔性好。 是指在使用过程中的适应性和灵活性。只需通过程序的编制和更改即可适应生产的要求。模块是结构具有扩展的灵活性。 （3）功能强大。可编程控制器不但具有开关量控制、模拟量控制、数据通信、中断控制等完善的功能。 （4）使用方便 。编程方便，极
6、易被技术人员接受和掌握; 操作方便。 （5）体积小、功耗低。可编程控制器以其丰富的功能和显著的特点得到了广泛的应用，本文现仅以大型霓虹灯的控制系统为例，介绍 PLC 的控制系统设计。 二、大型霓虹灯的 PLC 控制系统设计概况(一)、毕业设计的基本要求与主要内容1、温度适应范围 -20502、完成 PLC 的外部显示电路的设计与制作3、完成显示电路电源的选择4、完成 PLC 的软件程序设计(二)、控制系统的组成 如图 221、图 222 所示：(三)、PLC 的一般结构和基本工作原理1、PLC 的一般结构(1)、中央处理器（CPU）CPU 是可编程控制器系统的控制中枢，主要功能是接收所输入的用
7、户程序并将其存入用户程序存储器，检测系统的工作状态，执行指令规定的任务。CPU 工作的主要过程是，首先以扫描方式接收现场各装置的状态，作为输入信号分别存入输入映像区；然后从用户程序存储器中逐条读取和执行指令，并将运算结果分别送至输出映像区或中间数据寄存器；霓虹灯的外部显霓虹灯的外部显 示电路示电路霓虹灯的霓虹灯的 驱动电源驱动电源图 221 霓虹灯控制系统结构图3最后将输出寄存器内的数据作为控制信号输出到相应的被控装置。(2)、存储器编程控制器的存储器用于存放系统程序、用户程序和运行的数据。根据结构和功能可将其分为只读存储器(ROM)和读写(随机)存储器(RAM)两类；根据内容和用途可将其分为
8、系统存储器、用户存储器和数据存储器三类。(3)、基本 IO 模块基本 IO 模块是可编程控制器与现场工业设备的连接部件，输入模块将现场各种参数如行程开关量、传感器测试量等转换成数字信号送入 PLC：输出模块将 CPU 运算结果转换成控制信号，以驱动现场执行机构如电磁阀、电机等。由于基本 IO 模块与工业现场各种信号直接相连，要求它有信号匹配和抗干扰能力。所以在基本 IO 模块中通常配有模数(AD)转换、数模(DA)转换、电子转换、光电隔离、阻容滤波和功率放大等电路。 根据现场输入输出信号的形式要求，PLC 产品配置了各种类型的基本 IO 模块，如开关量模拟量 IO 模块、模拟量的电压电流 IO
9、 模块等。(4)、 外部设备接口外部设备接口是可编程控制器主机与外部通用设备如计算机、其它 PLC、打印机、编程器的连接通道，一般为 RS232C、RS422485 串行通信接口或并行接口。(5)、电源部件电源部件将外部交流电压转换成可编程控制器主机内部正常工作所需的电源。它由滤波、稳压、掉电保护、逆变器等电路组成，具有输入电压范围宽、抗干扰性强、体积小、效率高的特点。PLC 的电源一般采用开关式电源，可提供的电源大致有：AC(交流)100V、200V，DC(直流)100V、48V、24V 等。(6)、输入输出扩展接口输入输出扩展接口是可编程控制器主机为插接特殊功能 IO 单元而设置的部件。通
10、常有并行接口和串行接口等形式。2、PLC 的基本工作原理PLC 是以微处理器为核心的数字式电子自动控制装置，是种专用微机。和计算机一样，PLC 也具有相应的操作系统，也是由硬件和软件两大部分组成的。 PLC 的软件部分分为系统软件和应用软件类。PLC 的基本工作方式是在系统软件的控制下，采用周期工作方地址总线 控制总线数据总线输入接口存储器C P U数据存储口输出接口开关执行机构图 222 PLC 可编程序控制器4式，也即扫描工作方式。PLC 是一种实时工业控制计算机系统，它的操作系统是一个小型的实时系统软件，具有自身的结构和特点， PLC 在每次扫描期间，除了读入各输入点的状态，用户逻辑输出
11、控制信号以外，还进行故障自诊断和处理与编程器、计算机等的通讯请求。整个扫描过程如图 231 所示。 (1)、自诊断在自动控制系统中，大多数生产过程可分为一系列不断 重复的顺序执行的操作。如果发生故障必然会影响整个系统 的正常运行。为了防患于未然及有故障时尽快修复，都必须先执行故障自诊断程序。一般包括输入输出部分，存储器、CPU 等部分的故障诊断，有的还包括对通讯区域，外部设备检查等。 PLC 在执行自诊断程序时，一旦发现有异常，即启动关机程序并保留现行工作状态，把所有输出点置成“OFF”状态后停机，并发出报警信号和显示出错信息；如果自诊断正常继续往下扫描。(2)、与编程器、计算机通讯PLC 执
12、行自诊断程序结束后，如果没有发现故障，PLC 立即检查是否有编程器、计算机等的通讯请求。如有故障则进行相应的处理，比如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态，数据、信息(包括出错信息)送给编程器进行显示、并在这段时间完成数据的接收和发送任务。 (3)、读入 PLC 在完成与编程器、计算机通讯后，即开始扫描各读入各点的状态和数据。如按键、开关各点的通，断状态，AD 转换值，BCD 码数据等，并把这些数据按预先排好的顺序和地址写入至存储器的输入状态表中，供解释用户程序时使用。(4)、执行 PLC 执行用户程序般是从存储器的最低地址所存放的第一条程序指令开始。在没有中断或跳转指令控
13、制的情况下，按存储器地址递增的方向依次扫描用户程序。按照输入状态表中的数据和程序要求解算出相应的结果，并按照该结果更新输出缓冲区的内容，直到执行用户程序结束为止。在这种方式下，每扫描一次，所有用户程序都被执行一次。对于某些中，高档 PLC，为了增加对某些点响应的实时性，有的还有中断响应功能。(5)、输出PLC 执行用户程序完毕 。CPU 即发出信号把输出缓冲区的内容按规定的次序，通过输出模块把内部逻辑信号变换成与执行机构相适应的电信号输出，驱动生产现场的执行机构，完成控制任务。以上五步操作过程称为 PLC 的一个扫描周期， PLC 结束一个扫描周期后，又从自诊断开始进行下次扫描。直到接收到停止
14、操作指令、停电、出错等才停止工作。 三、霓虹灯的外部显示电路设计在现实生活中的霓虹灯的外形尺寸都是相当大的，至少是以米为单位来衡量的，所用的器材也是相当优质和昂贵的，他们所用的发光灯管都是真空的，色彩也是丰富多样的，由于我们仅仅是做一个毕业设计，受资金、场地、工具等的影响，不可能做一个自诊断与编程器计算机通讯读入现场信号解用户逻辑输出结果图 2315和现实一样大小的霓虹灯，也不可能用真空管来做那么小尺寸的中文字，所以我在做这个毕业设计时，在力求内容丰富的前提下尽量地把外部显示电路的尺寸做小，并且为了节约经费，用普通发光二极管代替了真空管，虽然这样处理后和现实中的有点出入，但他们的原理是一样的，
15、控制的方法和编制的程序也是一样的。我设计的外部显示面板如图 31 所示，整个完整的硬件为一长方体，尺寸为380mm210mm60mm,面板上的字、茶壶和茶杯的图案以及冒出的热气等均用不同颜色的发光二极管组合而成，共用发光二极管 455 个，其中每个字、每个图案都是用若干个发光二极管并联而成，组成了一个小的单独体。如图 32 所示。面板上共由七部分组成，分别是“茶” “吧”二个字，茶壶和茶杯二个图案，杯中冒出的热气、杯中的茶叶以及最重要的背景滚动条。发光二极管的启动电压是 1.7V2.1V，而流过的电流应该控制在 5mA10mA 之间，而我采用的电源电压是直流 12V 或直流 15V，因为这两种
16、电压在实验室里最常用，而这么高的电压远大于二极管所能承受的启动电压，所以不能把二极管直接接到电源上，必需加一个限流电阻，如图32、图 33 所示。本霓虹灯共有 36 个输出点，而每个输出点匀是用不同个数的二极管并联而成的，正因为每个输出点的二极管个数不同，所以每一个输出点的电流也就不同，所以每一输出点所串的电N 个限流、分压电阻 R 由若干个发光二极管并联而组成各种相对独立的图案和文字，再串一个限流分压电阻后接到电源上。图 31Y0YF Y20Y23 Y10Y1D Y1E Y1F 116 3336 1730 31 32图 33图 32图 316阻阻值以及电阻的功率都是不一样的，都是要经过仔细计算才能得到的。每一个输出点所串电阻值的计算方法为：假设流过每个二极管的电流为 5mA.再假设该图案共有 30 个二极管并联而成，那么，并联后的总电流为 305mA=0.15A,也就是
