继续教育学院毕业设计（论文）

题目：

基于PLC的霓虹灯控制系统设计

院、系(站)： 机电工程系

学科专业： 机电一体化

学 生：

学 号：

指导教师：

2013年 09月

基于PLC的霓虹灯控制系统设计

摘 要

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。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。

关键词：西门子S7-200；霓虹灯；发展潜力

目 录

目 录 .......................................................................................... 0

第一章 、绪论 ........................................................................... 1

1.1选题意义 ........................................................................................ 1

1.2霓虹灯的起源 ................................................................................ 1

1.3 霓虹灯的现状与发展 ................................................................... 2

第二章、霓虹灯变压器的设计 ................................................. 3

2.1霓虹灯的工作原理 ........................................................................ 3

2.2霓虹灯的结构与部件 .................................................................... 3

2.3高可靠性霓虹灯的设计 ................................................................ 6

第三章、可编程序控制器简介（PLC） ............................... 10

3.1 PLC简介 ..................................................................................... 10

3.2 PLC的结构 ................................................................................. 10

3.3 PLC的工作原理 ......................................................................... 11

3.4 PLC的应用特点 ......................................................................... 14

第四章、霓虹灯控制系统设计 ............................................... 16

4.1需求分析 ...................................................................................... 16

4.2 PLC接线图 ................................................................................. 17

4.3 I/O分配表及PLC型号选择 ..................................................... 18

4.4控制流程的设计 .......................................................................... 19

4.5梯形图的设计 .............................................................................. 20

第五章、系统测试 ................................................................... 24

5.1调试仿真 ...................................................................................... 24

5.2程序运行原理说明 ...................................................................... 25

总 结 .......................................................................................... 27

致 谢 .......................................................................................... 28

参考文献 .................................................................................... 29

第一章 、绪论

1.1选题意义

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。以上就是我选择此题目作为毕业设计的重要意义。 1.2霓虹灯的起源

霓虹灯是由英文“氖灯”，即“NEON SIGN”得来的，“霓虹”两字实际上是

“NEON”的译音，而现在人们已经把“霓虹灯”当作专用词运用了。

霓虹灯始源于法国。当时所用的灯体玻管的直径为45毫米，先将玻璃管弯制

成所需的文字或图案，然后再用1只电压为1万多伏的变压器供电，使之发光。当时，灯管两端电极采用石墨制成，内部充入氮气或二氧化碳气体，前者会发红光，后者发白光。由于这两种气体较活泼，很容易和石墨电极起化学反应，阴极溅散出的石墨很快在玻璃管内壁形成黑色薄膜层，并大量吸收充入灯管内的气体，使灯管的充气压力很快下降，致使霓虹灯的寿命很短。当时为了解决这个问题，特在霓虹灯管上加1个特殊的电磁阀门，并在霓虹灯使用一段时间以后再往灯内重新补充一定量的气体，但这样做并未能在根本上克服上述缺陷。因此，这种灯不

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仅寿命短、制作工艺复杂，而且造价昂贵，很难普及。

在1907年至1910年期间，科学家克洛德和林德发明了液态空气分馏。利用这一发明，在霓虹灯内充入一定的惰性气体，这样就明显减缓了气体在灯管内部的消耗速度，颜色也丰富了，可产生红、绿、蓝、黄等颜色。第二次世界大战前夕，光致发光的材料被研制出来了。这种材料不仅能发出各种颜色的光，而且发光效率也高，我们称之为荧光粉。荧光粉被应用在霓虹灯制作中后，霓虹灯的亮度不仅有了明显提高，而且灯管的颜色也更加鲜艳夺目，变化多端，同时也简化了制灯的工艺。故在第二世界大战结束后，霓虹灯得到了迅猛的发展。

1.3 霓虹灯的现状与发展

目前，霓虹灯市场上鱼龙混杂，有营业执照承接工程的单位只占市场的30%，这类单位有独自的设计、制作、安装能力，信誉好、产品质量过关，后期维护到位，是用户的首选单位。

第二类，没有营业执照挂靠其它单位，这类“单位”专业性不强，产品质量无保证，后期维护不到位。

第三类，皮包公司，无任何证件、信誉和能力，打一枪换一地，产品质量和后期维护根本谈不上。

霓虹灯是一个专业性比较强的行业，正规单位的产品质量好，寿命长。可正是第二类和第三类公司扰乱霓虹灯市场，给用户的感觉霓虹灯容易坏。其实霓虹灯的寿命比日光灯还长，为了您的利益，请选择有执照，有能力，有信誉的单位。 以前霓虹灯制造企业几乎全部用普通玻璃管、普通电极，随着人们对产品要

求的提高，高铅玻璃管、陶瓷环电极、三基色粉管，渐变彩虹霓虹灯正越来越广泛的走向人们的生活，使人们的生活更加精彩、亮丽。霓虹灯以它斑斓夺目的色彩、生动逼真的形态、耀眼夺目的照明为夜间城市的购物中心招徕顾客、文化娱乐中心吸引游客营造气氛，给夜间城市的购物活动带来方便，给文化娱乐活动增添情趣。霓虹灯营造了夜间城市的绚丽多姿和繁华，它已成为现代城市商业繁荣的标志之一。

第二章、霓虹灯变压器的设计

2.1霓虹灯的工作原理

霓虹灯采用正常辉光放电形式工作，具有辉光放电的基本特征，正离子轰击

阴极使阴极发射二次电子来维持放电，阴极电流主要由正离子所贡献。由于是正常辉光放电，所以在一定的电流范围内， 阴极的电流密度不变，阴极位降不变。阴极位降大约为100一20伏，为正离子加速提供能量。当外电源电路接通后，变压器输出端就会产生几千伏甚至上万伏的高压。能激发产生大量的电子。这些激发出来的电子，在高电压电场中被加速，并与灯管内的气体原子发生碰撞。当这些电子碰撞游离气体原子的能量足够大时，就能使气体原子发生电离而成为正离子和电子，这就是气体的电离现象。带电粒子与气体原子之间的碰撞，多余的能量就以光子的形式发射出来，这就完成了霓虹灯的发光点亮的整个过程。霓虹灯的开关次数不影响使用寿命，适合制作广告背景扫描。

2.2霓虹灯的结构与部件

一般的商品用霓虹灯多采用冷阴极辉光放电形式工作。典型的冷阴极霓虹灯

结构如图2-2所示。由玻璃灯管、霓虹灯变压器、霓虹灯专用高压线等部分组成。

图2-2

霓虹灯的结构

玻璃灯管根据要求弯制加工成直线状或异形曲线状的文字或图案。玻璃管主

要用来填充工作气体，限制放电区域，保持真空和透射光线。玻璃灯管以直径规格分为:Ф6、Ф7、Ф8、Ф9、Ф10、Ф12、Ф15、Ф18、Ф20mm等;以玻璃材质分:钠玻璃管(俗称石灰料玻璃管)及铅玻璃管<又称红丹料玻璃管)。钠玻璃管稳定性差，受潮后极易变质、泛碱(风化)，牢度差易爆裂。目前国内大部分采用的是石灰料即钠钙玻璃，与国外采用的红丹料玻璃即铅错玻璃质量相差较大，存在问题为:采用的钠钙玻璃内氧化锰杂质含量过大;钠钙玻璃的化学稳定性差，玻璃表面长期使用后的透明度降低，使灯的光衰加剧:玻璃中的纳原子向玻管的内表扩散，溶入荧光粉晶体中，使荧光粉劣化;如果在弯制过程中加温过甚， 玻璃中的纳原子析出与汞化合形成黑色的吸光纳汞齐膜，使荧光粉的光效率大为下降。铅玻璃管其热性能、机械性能、电性能、化学稳定性能、真空性能和光学性能优于钠玻璃，其耐候性、使用寿命大大超过钠玻璃。

玻璃管可以是透明的(俗称明管)，也可以是涂有荧光粉的(俗称粉管)，依据

所需获得光色而定。明管所充的工作气体通常为惰性气体，不同的惰性气体有其不一样的发光光谱特性。以氖气最为常见，发红色光，此时氖气不仅参与放电，而且也参与发光。粉管内涂各种规格荧光粉，内充氢气及少量金属汞，汞蒸激发辐射2537埃紫外线，被荧光粉吸收而产生荧光，氛气作用提高光效降低着火电压。在玻璃管两端各置一个金属电极，作为发射电子和收集电荷之用。常用电解铜或镀镍铁制成圆锥形，有足够的发射面积，保证散热和降低阴极电位。电极要能经受质量相当大的正离子轰击而不致升温过高，不熔化和减少阴极溅射。金属电极外有云母片，其作用一是支撑电极，二是隔热，防止在真空除气过程中，电极升温过高导致外玻璃管炸裂。电极作为霓虹灯管的核心部件，其质量与性能的优劣将直接影响灯管的寿命。质量好的灯管除了对真空度有较高的技术要求外，更重要的是必须有一对发射性能良好的电极，因为电极壳的表层通过轰击加热的过程中，能形成一层非常有利于电子发射激活层。若在轰击中，完全丧失了这一激活层，那么真空度再高，其寿命也不会超过1000小时的。实验也证明了灯管寿命不是跟真空度成正比关系。霓虹灯的电极发射电子是由正子轰击阴极表面而产生二次电子发射的。它取决于阴极的材质及阴极的表面状态。实验证明，当阴极表面被其它单层低逸出功金属原子覆盖时，其二次电子发射系数变大，逸出功降低，

发射性能好，溅射少。霓虹灯电极材料大都使用铜、铁、镀镍铁等金属制作

的，这些金属的逸出功较高，电子发射性能相对较差。如果灯管使用这些纯金属发射电子势必造成其阴极压降大，阴极溅射得快，从而使灯管很快因溅射失效，特别是铜电极溅射得更快。实验证明，纯金属容易溅散，但在金属表面氧化一层有益的氧化膜或涂一层其它逸出功较低的金属或其氧化物，这样做可以大大降低其逸出功的，提高了电子发射性能，从而减缓了阴极溅散，起到了延长灯管寿命的作用。于是人们在制造电极时，大都把电极进行预处理。

常见的霓虹灯变压器有两种：漏磁变压器和电子变压器。漏磁变压器既是变

压器，与普通变压器有同样的结构，在铁芯上绕上初级和次级线圈，同样在铁芯窗口的中间部位增加了一个普通变压器所没有的磁分路，这个磁分路用小的硅钢片叠合而成，且与铁芯之间有空气隙，有意让铁芯中的磁通能通过这一分路漏出铁芯。其作用相当于在变压器上安装了一个安全阀，当次级电流增加时，铁芯中的磁通就会被这磁分路所旁路，只有少数磁通与次级线圈相联系，使次级的感应电动势减小，从而使漏磁变压器获得了霓虹灯变压器所需的保持灯管电流不变的特性。实际上，灯管的寿命与电极的性能和结构有着紧密的联系着的。漏磁变压器通过长期的使用和改进，设计及制作工艺都已达到完善和成熟。它的性能可靠，工作稳定，被广泛使用。漏磁式霓虹灯变压器功率高450vA ，重量大于10公斤，虽然具有工作稳定可靠，负载能力强(可带1米到12米霓虹管)，但是漏磁变压器需耗费大量的铜和钢，笨重且价高，安装困难，而且功率因数仅为0.5左右。在电力资源日益紧张的今大，传统的漏磁式霓虹灯变压器正被能低、体积小、重量轻的电子式霓虹灯变压器所取代。

电子式霓虹灯变压器一般6米的功耗不大于80W，12米的功耗不大于105W，大

型霓虹灯工程中能大幅度节约电力资源，且方便安装维护，但也有缺点，主要是可靠性差、亮度低、恒流性能弱，其中以可靠性问题最为突出。电子变压器原理并不复杂，所用之电经过整流滤波后得到 3OOV左右的直流电压，然后通过逆变电路，将直流电转变为高频交流电，再经升压变压器升压到很高的电压供霓虹灯启辉工作电路通常设置有保护电路，以保证霓虹灯管开路或短路等异常情况时电路的安全。用电子技术制成的霓虹灯电子变压器，在霓虹灯工程中得到广泛应用，

相当大范围内取代了传统的漏磁变压器。变压器通过霓虹灯专用高压绝缘

线、杜美丝与玻璃管内电极相连。常见的高压线有两种：一是普通高压线即塑料高压线，这种高压线价格便宜，但塑料容易老化，室外使用不久塑料就要老化易引起拉火等，安全性较差。另一种是硅橡胶绝缘高压线，是目前较理想的霓虹灯连接线，安全性强，可靠性好。

2.3高可靠性霓虹灯的设计

针对霓虹灯电子变压器可靠性差的问题，本文从性价比及可靠性两方面研究

市场上逐渐成为主流的6到8米电子式霓虹灯变压器，主要考虑关键部件设计、器件优选和易损器件的保护，以期提高可靠性和性价比。

电子变压器的线路及工作原理霓虹灯电子变压器电子线路见图2-3。

图2-3 霓虹灯电子变压器线路图

工作原理为:220V交流电经Dl-D4整流、C2和C3滤波后变成直流电，供给后面

的振荡线路，C2和C3联接点的电压在15V左右，R1、R2稳定155V电压。 A1是按的保险丝，起短路及大电流保护作用。R1、C1消除交流电高频干扰。振荡起振线路由R5、R6、C4、D6和D7构成，220V直流电经R5、R6对C4充电，当C4电压上升到某一个值时，触发二极管D7导通，使得三极管T2基极与发射极得到正向偏置电压而导通，注意R5的功率要有2W。振荡主线路由T1、T2、L1、L2、L3、R8和R9组成，由于起振线路的触发使得T2导通，一旦T2导通，C3通过B初级、L3 和T2放电。L1、L2和L3绕在同一个高频铁氧体磁芯上，且同名端如图1所示，由于有电流流过L3，L1和L2上感应电压使得T2由导通变为截止，而T1由截止变为导通。一旦T1导通，C2通过T1、L3和B的初级放电，此时通过L3和B的初级的放电电流的方向与先前正好相反，导致T1由导通变为截止，而T2由截止变为导通，如此周而复始，使电路产生振荡。R8、R9分别是三极管T1、T2基极限流保护电阻，D6的作用是把触发起振后C4上依旧存在的充电电压释放掉，R10和C6有保护T1、 T2三极管和改善波形的作用。R4、C1、D5、R7、C5、R11及SCR构成过流及开路保护线路，R4是过流电压取样电阻，C1的作用是使得保护电路工作可靠，C5可消除干扰信号及开机保护，一旦出现过流，保护线路工作， 单向可控硅SCR导通，振荡线路停振不工作，保护T1T2。保护线路一旦起作用，待故障排除后，重新开机才能恢复正常工作。

⑴功率管的选择

霓虹灯电子变压器出现故障大多数原因是功率管损坏，功率管的选择直接关

系到霓虹灯电子变压器的可靠性， 用图2-2线路不同T1T2功率管带不同长度霓灯管做比较试验，结果见表2.1。表中负载是Ф12霓虹灯管，全亮电压/电流是指霓虹灯电子变压器刚好使整个负载长度都点亮时的输入交流电压/电流， 而正常亮度电压/电流指霓虹灯电子变压器是整个负载长度都达到正常你正常亮度时的输入交流电压/电流

表2-3(1)不同功率管点亮不同长度霓虹灯灯管比较试验

从表2-3(1)可以得到如下结论:不同的功率管带负载的能力是不一样的，随

着负载长度的增加霓虹灯电子变压器的全亮电压/电流及正常亮度电压/电流均增加，D1403、BU508、BUT11A都具有带6到8米负载的能力，即使D1403与BU508混合使用，其全亮及正常亮度电压/电流也没有多大改变， 输入电压高达220V时电子变压器也能正常工作。

⑵保护线路的设计

保护线路的设计直接影响霓虹灯电子变压器可靠性。霓虹灯在使用过程中难

免会出现灯管破裂、灯头线脱落、潮湿天气高压对地打火等异常现象，导致电子变压器电流剧增，功率管发热烧毁。所以保护线路必须在电流大于某阀值时及时工作，保护功率管。试验中用增加工作电压的方法模拟增加的异常电流。依然用图2.2线路，输出变压器匝数为100/2875，选择L1L2匝数均为5匝，L3匝数为8匝，R8R9阻值均为3.3Ω/W，8米负载，改变R7的阻值，在确定的R7阻值情况下，输入交流电电压逐渐增加，观察记录起始保护线路工作时的电流，结果见表2.4。 当R7阻值确定后，起始保护动作仅与工作电流有关，与工作电压及负载管长没有关系。R7阻值越大，起始保护线路电流越大。R7阻值取6.5K，此时8米负载输入 电

压大于240V，起始保护电流500MA，5分钟后起保。试验中发现不同功率管对R7取值很不相同，表2.2是BU508 的结果，改用BUT11A，R7有大的改变。即使同一型号功率管，不同厂家生产的R7也不同。

表2-3（2） R7阻值与起始保护电流的关系

⑶使用情况

根据以上讨论设计的霓虹灯电子变压器使用后发现可靠性明显增加，即使全

天候使用的情况下返修率已达到能接受的程度，特别是下雨使用时电子变压器能可靠动作，第二天不下雨又能正常工作，客户对此也能接收。同时发现气温升高和电子变压器使用环境散热差使得电子变压器损坏率明显增加。仔细分析原因是工作电流长时间超过正常值，但又没有达到起始保护电流，使得功率管温升过高烧毁。R7阻值的下降调整可以降低起始保护电流，但会使电子变压器保护线路过于敏感，影响正常使用。所以在保护线路增加正温度系数开关型热感电阻，当功率管温升达到居里点时触发保护线路工作，从而达到保护功率管的目的。 当然还可以进一步保护功率管，在功率管CE间反向并联FR107二极管，防止CE反向击穿。C2C3耐压要到275V，防止C2C3击穿损坏。

第三章、可编程序控制器简介（PLC）

3.1 PLC简介

可编程序控制器PC（Programmable Controller）又称可编程序控制器PLC（Programmable Logic Controller），是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备告诉计数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电－接触控制系统在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、等行业得到广泛应用。PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。

3.2 PLC的结构

PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分

组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。其结构简图如下

图3-2 PLC硬件结构图

PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程

序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。

3.3 PLC的工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，

CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中

的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，

经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作

S7-200系列PLC:

S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中

的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能因此。S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。 应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域， 包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四

种CPU。档次最低的是CPU221，其数字量输入点有6点，数字量输出点书有4点，是控制规模最小的。PLC档次最高的应属CPU226，CPU226集成了24点输入16点输出，共有40点数字量I/O，可连接7个扩展模块，最大扩展数字量I/O 248点或模拟量I/O35路。

S7-200系列PLC四种CPU的外部结构大体相同，见图3-3。