基于PLC的霓虹灯广告屏控制系统的设计
摘要
霓虹灯广告屏是企业宣传自身形象和产品的手段之一，因其具有强运动性、低能耗、经济实用、寿命长、效果好、制作灵活、色彩多样等特点，广泛应用在生产生活中。
本文在阐述霓虹灯广告屏结构和工作原理的基础上，利用可编程控制器通用性强、编程控制容易且广泛、广泛的适用范围、较强的抗干扰能力、高可靠性等特点,设计了霓虹灯广告屏控制系统，基于PLC的控制系统较好地解决了霓虹灯开关的调节、闪烁时间和方向，以及如何快速、可靠、操作方便等问题。在论文中首先提出了有关霓虹灯广告屏的设计方案；其次我完成了霓虹灯广告屏控制系统的软硬件设计。硬件部分包括I/O分配表和PLC选型，软件部分包括绘制流程图和程序梯形图；最后通过系统对所设计的控制系统进行测试，满足了设计要求。
关键词：霓虹灯广告屏；PLC；控制系统
ABSTRACT
Neon advertising screen is one of the means for enterprises to publicize their own image and products. Because of its characteristics of strong sports, low energy consumption, economic and practical, long life, good effect, flexible production and various colors, it has been widely used in production and life.
On the basis of expounding the structure and working principle of neon advertising screen, this paper makes use of the features of PLC, such as strong universality, easy to program and control, wide application range, strong anti-interference ability and high reliability, The control system of neon advertising screen is designed. The control system based on PLC solves the problems of neon switch adjustment, flashing time and direction, and how to operate quickly, reliably and conveniently. In this paper, the design scheme of neon advertising screen is proposed firstly;Then the hardware and software design of the neon advertising screen control system is completed. The hardware part includes I / O distribution table and PLC selection, and the software part includes drawing flow chart and program ladder diagram. Finally, the control system designed is tested to meet the design requirements.
Keywords: neon advertising screen;PLC; control system
目录
第1章绪论 (1)
1.1设计背景及意义 (1)
1.2霓虹灯广告屏概述 (2)
1.2.1霓虹灯广告屏的发展历史 (2)
1.2.2霓虹灯的发展现状 (3)
1.2.3霓虹灯广告屏的发展历程及现状 (5)
1.3霓虹灯广告屏的工作原理 (5)
1.4霓虹灯广告屏部件与结构 (6)
1.5课题基本研究内容 (6)
第2章霓虹灯广告屏的设计方案 (7)
2.1设计内容和要求 (7)
2.1.1设计内容 (7)
2.1.2设计要求 (7)
2.2总体方案设计 (8)
2.2.1硬件的配置及其组成原理 (8)
2.2.2系统接线图设计 (8)
2.2.3系统可靠性 (8)
2.3可靠性高的霓虹灯设计 (9)
第3章霓虹灯广告屏控制系统 (14)
3.1霓虹灯广告屏控制系统的硬件设计 (14)
3.1.1 I/0分配表设计 (14)
3.1.2 PLC型号选择 (14)
3.1.3 PLC端子接线图 (14)
3.2 霓虹灯广告屏控制系统的软件设计 (15)
3.2.1控制流程设计 (15)
3.2.2设计应用梯形图程序及说明 (18)
第4章系统测试 (26)
4.1调试仿真 (26)
4.1.1软件仿真 (26)
4.1.2调试与完善 (27)
4.2程序运行原理说明 (29)
总结与展望 (30)
参考文献 (31)
致谢 (32)
第1章绪论
1.1设计背景及意义
PLC是可编程控制器的简称。可编程控制器是为工业环境应用而设计的数字电子操作系统。利用可编程存储器，存储并执行诸如逻辑运算、算术运算、定时、计数和顺序控制之类的内部指令，并通过数字或模拟量的输入和输出来控制各种机器装置或制造过程。PLC具有使用灵活、通用性强、可靠性高、防干扰能力强、接口简单、维护方便、体积小、耗电少、性价比高的特点。PLC 主要应用于模拟控制、逻辑控制、过程控制、运动控制以及通信、网络和数据处理等领域[1][2]。
霓虹灯广告屏具有低温、高效、低能耗、运动性强、寿命长、制作灵活、经济实用、色彩多样、效果好、不受气候限制等特点，被列为其主要特点。利用PLC控制霓虹灯广告面板，便于现场程序的编制、维护和修改。采用插件结构，可靠性高于继电控制装置，体积小于继电控制屏。数据可直接送至管理计算机，成本与继电控制盘差不多，输入电压为交流，最高可达150V，功能完善，灵活方便[3]。
随着社会主义市场经济的不断繁荣发展和改革的不断深入，大中城市正在实施照明工程。为了宣传企业的形象和产品，企业基本上采用了广告技术。霓虹灯广告屏是企业宣传自身形象和产品的手段之一。当我们晚上走在街上时，我们可以看到道路两旁各种霓虹灯广告。这些霓虹灯广告画面熄灯，闪烁时间和流向可通过PLC控制达到要求[4]。
PLC的总体发展趋势具体表现有以下九个方面：
1.PLC编程语言的标准化。
2.PLC通信的使用方便化。
3.以小型化，多功能化，实用为导向。
4.智能型I/O模块的发展。
5.基于计算机的工具软件来编程。
6.CPU的处理速度进一步加快。
7.组态软件与PLC的软件化。
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8.PLC与现场总线相结合。
9.新型特殊功能模块的开发[5]。
1.2霓虹灯广告屏概述
1.2.1霓虹灯广告屏的发展历史
霓虹灯的历史可以追溯到19世纪法拉第对气体放电的研究。由于发现了电磁感应定律，对感应线圈进行了改进，开展了气体放电的研究工作。19世纪50年代出现了盖斯勒放电管，后来又发明了积垢放电管。1893年气体放电的丰富色彩和明亮光线应用到照明中。1904年霓虹灯已初步试生产。它的管子直径为45mm，长度为60m，二次电压为变压器提供10000伏以上的电压。当时，由石墨制成的霓虹灯管的电极，充满二氧化碳或氮气，将有不同颜色的光。有二氧化碳的发出白色的光，而有氮气的则发出白色的光。由于这些气体更活泼，更容易与电极反应，阴极喷出的石墨在玻璃上形成一层薄膜，强烈吸收这些气体，这使放电管内的气压迅速下降，从而这种霓虹灯的寿命非常短。为了解决这个问题，在霓虹灯管上增加了一个特殊的电磁阀，并在一定时间后将一定量的气体注入霓虹灯管中。这种灯不仅寿命短，使用不方便，而且成本高，很难推广。
法国科学家克劳德在1910年用各种惰性气体代替了原来的活性气体，通过充入霓虹灯，改变了霓虹灯的气体成分，大大降低了霓虹灯的耗气速度，为实用霓虹灯打下基础。1915年，克劳德获得霓虹灯发明专利。此后，霓虹灯的优越性得到了充分的承认，并在20世纪20年代在世界各地迅速发展[6]。
此时霓虹灯采用无色玻璃管，辉光放电正柱区中的辉光用作光源。灯的颜色取决于充进去气体的类型。填充的气体在正柱区内的颜色特征如表1.1。
表1.1正柱区内填充气体的放电颜色
这种霓虹灯的原理比较简单，有很多缺点：一是颜色不够丰富。透明玻璃管内霓虹灯的颜色完全取决于充气量。如果所需的颜色没有对应的气体，则无
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法获得这种颜色，并且颜色的类型受到很大限制。二是对加气系统的一些颜色要求复杂，成本高，这使霓虹灯价格变高，无法被广泛应用。三是为了丰富霓虹灯的色彩，经常会用一些颜色涂抹在玻璃管壁上。这种方法虽然提高了颜色的选择范围，但也使得光效降低，能量浪费。四是在制造透明玻璃管霓虹灯的过程中，除气和充气过程比较复杂，霓虹灯的成品率较低[7]。
二战前夕，人们对光致发光的研究有了新的突破。在此期间制备了一种紫外激发产生可见光的荧光粉，汞蒸气放电的紫外线能激发出几十种颜色不同的可见光。它的色彩非常丰富，使霓虹灯的装饰照明效果大大提高。同时，荧光粉的使用提高了灯具的光效，降低了灯具的成本。同时简化了生产工艺，具有广泛的应用前景[8]。
1.2.2霓虹灯的发展现状
最近几年，电子学这一新纪元对电光源技术的进步，带来了巨大的突破，从广度的深度到很大程度上促进了电灯的发展。当前，涌现了一些电子镇流器，启辉器，变压器等新型部件，可以完整使用到光源的产品里。新型部件还有霓虹灯链接的一些组件:扫描型的控制器，电子的变压器以及变色的霓虹灯一些新型产品一直出来。在这部分新的电子元件，电子霓虹灯变压器可以触发行业的满意度。漏磁变压器长期使用，性能非常稳定和安全，生产越来越成熟，但其弊端却不明显。
有一些特效变压器为霓虹灯提供了非常特别和令人兴奋的活力和灵活性，这也可以代表它的品种的发展趋势。它们分别是:
(1)书写式霓虹幻变压器
少量电子变压器完成调光操作，并对信号进行控制，如音乐信号一起产生脉冲现象，允许继续加强或减轻，发生所谓的复制效应，即本文探讨的变压器。变压器的写作也称为呼吸氖变压器的信息。光可以呈现在电弧管的一端，流到电弧管的另一端，并再次返回。
(2)变色霓红灯
另一种变色霓虹变压器用于特殊发光管，发生单管变色现象。可以选择性地激活管.中的气体，发生连续，不一样的颜色替代。颜色可以变化霓虹灯是根
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据1970年青野正明等科学家开始举出变色的气体可以发出电流观念，从此就有不少研究人员深切进行实验展开钻研。1988、在东南大学实验室，锯齿波电压进行刺激六十三毫米放电管可以观察到变换颜色。1992年，国外光源技术研讨会科技人员在此次会议上介绍了可变光色放电灯论文。变色霓虹灯可用，得到人们的关注，并按照气体放电和电子技术实验深入讨论，这种颜色变化霓虹灯日益完善，非常能够得到普遍使用[9]。
( 3)无电极和单电极氖变压器
单电极的灯需要1个电极，发光强度小、个头也比较小，每每在精选建筑物和布景雕刻成果使用，看起来不错。这个实用新型无极放电灯噪音小、光效高、使用寿命长，因此在整个制造过程中电极的密封和加工均得到简化，同时以干铅，传统的霓虹灯设置玻璃电极，支架，隔热片删除，它可以使霓虹灯的寿命有了很大的改善，可以达到6至8万小时
(4)低压电子霓虹灯
另外还有一个低压电子霓虹灯也引人注目，这样的霓虹灯与高压电子霓虹灯不同，无汞工艺生产，不会伤害人体的健康不会脏周边环境，耐用和扫描功能。所以这种低压电子霓虹灯引发了霓虹灯世界的关注，还有几十种这样的产品。
还有彩虹霓虹灯、光纤霓虹灯等等。能够知道之后未来，会有各种新霓虹灯这样的涌现，粉饰妆点大家的生活。
此外，人们也在尝试霓虹灯的新用途，艺术家们也热情地投入到这项工作中，让霓虹灯和艺术紧密结合在一起，建筑行业的霓虹灯形状可以使夜晚的建筑物比当天更美丽的魅力建筑，可以建设一种新的建筑风格, 使建筑熠熠生辉，栩栩如生，更好地吸引人们的眼球。娱乐和购物中心经常用霓虹灯化妆，具体或不具体的霓虹灯风格，其他技术措施在一起或独立地用于完成成功联合的功能和艺术[10]。
1.2.3霓虹灯广告屏的发展历程及现状
霓虹灯广告屏已经历近百年的历史，1910年，霓虹广告屏幕在巴黎出道。霓虹灯广告画面根据设计要求，采用了各种各样的文字和图案弯曲的霓虹玻璃管。
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然后，在玻璃管的两端准备电极，提取电极内的空气，形成真空状态。根据该过程的需要，将诸如霓虹灯、氩等环氧气注入管中，在连接特殊高压电源之后，各种颜色的可见光被发光。它被广泛用于现代大城市建设的必备装饰和良好广告宣传效果，其鲜艳、多彩、飘逸、印象深刻、简洁、反复、良好的宣传效果。
近些年来，随着霓虹灯广告屏显示技术水平的不断提升，显示效果的不断增强，霓虹灯广告屏已经成为一个城市亮丽的风景线。由于霓虹灯广告屏的诸多优点，它现在已渗透到各个领域，被广泛应用，在各个领域基本上都占有一定的市场份额。
1.3霓虹灯广告屏的工作原理
霓虹灯常常选用了一般辉光的作业形式，具备辉光根本特点，阴极被正离子打击，经过阴极的发送二次电子可以来保持发电，而且它的电流基本是正离子来送出。由于一般的辉光放电，阴极电流密度保持稳定，并且阴极的位下降在所需电流限制内不变化。工作电流取决于灯的直径，气体类型，电极类型和气体压力，关于灯的直径，通常太大而不能使柱面积大，并且正柱面积相对于电极消耗可以获得大的电压降，这可以增加光效应。
提高变压器的工作效率，在实际工作中，把几个配套的霓虹灯连接在一起，共用一个变压器，变压器可以启动十米的霓虹灯滑管，以配合公平。霓虹灯开关的数量不会改变其使用时间，更适合于广告场景的扫描变换[11]。
1.4霓虹灯广告屏部件与结构
霓虹灯是一种低气压冷阴极辉光放电灯。其结构和组成部件为正常辉光放电提供了保证，工作材料为获得所需的光颜色提供了可能。
玻璃灯管和霓虹灯变压器组成了霓虹灯。如图1.1所示。
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1.5课题基本研究内容
本文以霓虹灯控制系统为研究对象，采用PLC作为霓虹灯控制系统的控制器，分析了霓虹灯控制系统的总体结构和功能、系统硬件组成、监控软件，提出了霓虹灯各组成模块和详细硬件模块的设计方案灯具控制系统，设计了控制方式，编写了程序，在监控方面设计了监控软件，通过PLC对霓虹灯控制系统进行实时控制。
（1）相关产品的调研；
（2）系统方案设计；
（3）器件选型，输入/输出地址分配表的建立、PLC与霓虹灯广告屏电气接口电路的设计。
（4）绘制电气控制原理图、PLC接线图和梯形图；
（5）系统仿真和调试；
（6）设计总结。
第2章霓虹灯广告屏的设计方案
2.1设计内容和要求
2.1.1设计内容
控制系统用于控制霓虹灯按规定闪烁。PLC控制这些灯的亮灭,闪烁时间及流动方向。输入程序之后能够经过硬件发生灯的主动闪烁，从而达到目的。某一广告屏共有8个霓虹灯字和24只流水灯，每4只为一组，如图2.1所示。
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2.1.2设计要求
1、该广告屏中间8个霓虹灯字的亮灭时序为“钟”字亮→“灵”字亮→┈→“工”字亮，时间间隔均为1s，8个霓虹灯字全亮后，显示10s，再反过来从“工”字→“天”字→┈→“钟”字顺序熄灭。全灭后，停亮2s，再从“工”字开始亮起，顺序点亮“天”→“夺”→┈→“钟”，时间间隔为1s，显示20s，再从“钟”字→“灵”字→┈→“工”字顺序熄灭。全灭后，停亮2s，再从头开始运行，周而复始。
2、广告屏四周的流水灯共24只，一共分6组，每4个一组，每组灯间隔1s 向前移动一次，且Ⅰ～Ⅵ每相隔一灯为亮，即从Ⅰ→Ⅱ→┈→Ⅵ，移动一段时间后（如30s），再反过来移动，即从Ⅵ→Ⅴ→┈→Ⅰ，如此循环往复。
3、系统有点动、连续控制，有起动和停止按钮。
4、系统霓虹灯字、流水灯的电压及供电电源均为220V。
5、画出系统动作流程图
6、设计外部输入/输出点
7、画出PLC外部接线图
8、设计完整的梯形图
2.2总体方案设计
2.2.1硬件的配置及其组成原理
根据要求,硬件的配置主要有：电源、三菱系列的PLC(要经过输入输出I/O 接口的计算和查三菱PLC编程手册最终确定具体型号为FX2N-48MR-001 )、 8个霓虹灯字、24个流水灯、足够数量的导线[12]。
2.2.2系统接线图设计
系统接线图如图2.2所示。
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图2.2 系统接线图
2.2.3系统可靠性
PLC的组成包括主机箱、中央处理器、扩展机箱及外部设备和一些相关网络。工作现场有很多设备，每个设备都相互关联，其中任何一个设备出了问题都会影响系统的正常工作,我做的课程设计中存在的可靠性的影响因素主要有:工作时外部的电磁辐射的干扰，包括自身电源的干扰，其他设备对系统的电磁干扰，信号线引入干扰，接地系统混乱信号干扰等都是会影响系统可靠性的因素[13]。
干扰的形成需要同时具备三个要素：干扰源、耦合信道和干扰敏感对象。因此，想要提高系统可靠性就要做到抑制干扰源，破坏耦合通道，提高敏感元件的抗干扰能力。
2.3可靠性高的霓虹灯设计
对比了电子的变压器的安全性较不好原因，这一次对安全比和价格角度探讨了主流六到八米电子式变压器，根本思考主要部分，元件设计和脆弱的设备保护的选择，以提高性能和可靠性。
电子变压器运行过程和霓虹灯电子变压器路线如图2.3所示。
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图2.3霓虹灯电子变压器线路图
工作原理： R1R2稳定在155V。A1为1A的熔断器，起短路和大电流庇护作用。R1C1消除交流高频干预。振荡由振路线C4、D6、D7、R5和R6组成，310V 的直流电通过R5、R6来对应C4充电，它的电压变成一个数值的时候，激发了D7通路，由T2的基极和发射极去能够达到正向偏置并且通路，小心R5需要达到两瓦。主振荡器的路线的T1，T2，L1，L2，L3，R8和R9，由于电路的启动可以让T2通路，C3经过B最开始、放电与放电。在高频铁氧体磁芯上形成L1、L2和L3，并且相同的端部如图1所示，因为流过L3、L1和L2以上的感应电压导致T2被路径阻挡，则T1由停止变成通路。T2的截止日期传导，这样循环往复，让电路发生振荡。R8、R9都可以为T1、T2的基极守护电阻，D6用来发动起振，C4仍然有可以充电的电压出来，R10以及C6有庇护T1、T2三极管以及改良波形功用。R4、C1、C5、R11、D5、R7和可控硅组成的过电流和开路保护路线，R4的电流电压采样电阻，C1的作用是保护电路安全运行，C5能够去除干预信号还有开机庇佑，如果发生超过流数，保护电路启动，单向的可控制硅SCR启动，振荡线路停止不运作，庇佑T1T2。等电路故障排除后，重新启动就会恢复正常运行。
（1）功率管的选择
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霓虹灯电子变压器发生问题比较多因为功率管毁坏，功率管选取一定联系到霓虹灯电子变压器安全性，在图2.2中线路不一样T1T2功率管有不一样长短霓虹灯管去对比实验，结果如表2.1所示。
根据表2.1能够获得以下论断:不一样多数功率管有负载强度可以相同，随着负载距离的增加，电子变压器的全亮电压和全亮电流及一般的亮度电压和电流都变大，D1403、BUT11A和BU508都拥有具有六到八m负载性质，就算D1403还有BU508夹杂操纵，它全亮或者一般电压和一般电流不会发生很大变化，当输入电压为240伏高，变压器能正常工作。
（2）输出变压器B的设计
输出变压器B可以确定霓虹灯电子变压器安全性。波及输出变压器的质料、绕法及拼装工艺。mxd-2000铁氧体材料和uy14 UY10核心，使用安眠酮高强度聚酯漆包线的输出变压器，环氧树脂封装。变压器输入绕组是Ф0.5、输出绕组是Ф0.1。试验方法和上面一样，变换变压器的输入绕组、输出绕组匝数，它的结果在表2.2之中。
表2.2变压器不一样的输入、输出绕组对工作的作用
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研究发现，不同尺寸的UF10和UF14核对测试结果没有影响，而廉价的UFI0是自然选择的。输入绕组匝数和输出绕组匝数分别为1000和2875，可承载8米负载，亮度平均，从始到终全亮电压都是180伏，带6M 负载时候的全亮电压是170V ，成效最好。那么输入匝数是九十变成了一百一，输出匝数则两千八百五十到两千九百，如此可见实验效果并无显著变化[14]。
（3）恒流特性的实验结果
仅仅思考输出变压器的输入绕组匝数和输出绕组匝数是100和2857时候情形，路线仍然看图2.3中路线，更改Ф12霓虹灯管长短，可以觉察负载距离比九米长时候，灯管不可以都亮，而且负载长短两米到八米转换，电子变压器能一般作业，输入电压是二百二十伏特时候，作业电流如图2.4所示。
根据图2-3
中可以看出当负载长短从4m 下降2m 时候作业电流渐渐升高。在2到8m 的限度之内，电流的转变范围为:200至400毫安。
图2.4 工作电流与负载长度关系
（4）L1、L2和L3以及R8和R9能够改变工作的结果
路线仍然用图中2.2路线，变压器的匝数是200/2857，更改L1、L2和L3还有R8和R9，有八米负载，交流电压渐渐增大，对比开始工作时候的电压，它的数值小就可以知道L1、L2和L3匝数以及R8和R9的阻值比较适用。结果如表
2.3所示。
表2.3 L 匝数及R8R9阻值对性能的影响
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选取L1和L2匝数都是五匝，L3匝数是五匝，R8和R9阻值都是3.3欧姆/l 瓦，这个时候开始作业电压是最小的数值178伏。
（5）保护线路的设计
保卫路线设计可以决定霓虹灯电子变压器的安全性。霓虹灯在工作进程总会发生灯的损坏、灯头线掉落、湿润天气高压让地面打火不寻常发生，可以让电子变压器电流突然升高，功率管升温毁坏。因此，保护电路必须在电流大于阈值才能及时工作，保护功率晶体管。增加工作电压的方法被用来模拟异常电流。仍然通过2.3中路线，变压器匝数是一百或者两千八百七十五，使用L1和L2都是五匝，L3是八匝，R8和R9数值都是三点三欧姆/瓦，八米负载，变换R7，R7测出来状况，交流电压慢慢升高，保护电路可以初始观察当前进行工作，结果如表2.4所示。当R7值确定，初始保护仅与工作电流、工作电压、负载有关。结果表明，不同功率管的数值差别很大，即使功率管是同一类型的，它们也是由不同的制造商生产的[15]
。
表2.4 阻值与起始保护电流的关系
（6）使用情况
按照上面议论计划的霓虹灯电子变压器利用之后觉察安全性已经变大，纵然全天候利用的情况下返修率能够可以接受的水平，尤其雨天使用时候电子变压器能安全运作，次日晴天又可以如常工作，客户对于这样也是可以接受。而且可以知道气温变高和电子变压器作业环境散热差让电子变压器破坏率大大升高。仔仔细细发现缘由是作业电流长期高于正常值，但是又达不到开始守护电流，让功率管温度变高毁坏。R7减小变话能够减小进行安全管理电流，也可能会让变压器安全路线太敏锐，能够寻常利用。然后在线热电阻保护开关型大正变温度系数，如果功率管温度变大，当触发到居里线保护动作，可保护功率管。而且能够守护功率管，ce 之间反方向的并联FR107，能够避免ce 被相反方向击穿。C2和C3耐压达到了275伏，避免C2和C3击穿毁坏。
第3章霓虹灯广告屏控制系统
3.1霓虹灯广告屏控制系统的硬件设计
3.1.1 I/0分配表设计
根据设计内容和要求，设置了由PLC控制的霓虹灯广告屏显示器的输入/输出地址，其中SA1、SA2、SA3分别为启动开关、停止开关和单步/连续选择开关。8个霓虹灯字由Y000-Y007控制，6组流水灯被Y010-Y015控制。如表3.1
表3.1输入输出点分配表
3.1.2 PLC型号选择
由于总共有17个I/O点其中14个是输出点，且考虑到I/O点的余量和交流电进行实验，电源电压为220V，所以PLC型号选用FX2N-48MR-001。 FX2N-
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48MR-001的主要参数: 24个I/0点(输入继电器有24点，输出继电器有24点)，供电电压为交流电220V 频率50/60Hz。
3.1.3 PLC端子接线图
PLC端子接线图如图3.1所示。
图3.1端子接线图
3.2 霓虹灯广告屏控制系统的软件设计
3.2.1控制流程设计
控制流程设计如图3.2所示
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