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霓虹灯概述 §1.1 霓虹灯起源及其发展史 §1.1.1 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。 霓虹灯自1910年问世以来，历经百年不衰。它是一种特殊的低气压冷阴极辉光放电发光的电光源，而不同于其它诸如荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯、水银灯、白炽灯等弧光灯。霓虹灯是靠充入玻璃管内的低压惰性气体，在高压电场下冷阴极辉光放电而发光。霓虹灯的光色是由充入惰性气体的光谱特性决定：光管型霓虹灯充入氖气，霓虹灯发红色光；荧光型霓虹灯充入氩气及汞，霓虹灯发蓝色、黄色等光，这两大类霓虹灯都是靠灯管内的工作气体原子受激辐射发光。 §1.1.2 霓虹灯的发展史 霓虹灯的发展可以追溯到英国物理学家和化学家法拉第对气体放电的研究，电流通过含有少量正负离子的气体时，受紫外线、宇宙射线、微量放射物质的作用，在足够高的外加电压作用下运动，并与中性气体分子碰撞后，使中性分子发生电离，因而离子的数目倍增。电流通过气体时还伴有发光现象，即所谓的辉光放电。其发光的颜色随所充气体的不同而不同。法拉第的理论及其在实验上的成就，为霓虹灯技术的发展奠定了坚实的基础。 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，这种灯不仅寿命短、霓虹灯广告设计制作复杂，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。 §1.2 霓虹灯的发光特点 与其他电光源相比，霓虹灯具有以下特点： 一、高效率 霓虹灯是依靠灯光两端电极头在高压电场下将灯管内的惰性气体击燃，它不同于普通光源必须把钨丝烧到高温才能发光，造成大量的电能以热能的形式被消耗掉，因此，用同样多的电能，霓虹灯具有更高的亮度。 二、温度低，使用不受气候限制 霓虹灯因其冷阴极特性，工作时灯管温度在60°C以下，所以能置于露天日晒雨淋或在水中工作。同样因其工作特性，霓虹灯光谱具有很强的穿透力，在雨天或雾天仍能保持较好的视觉效果。 三、低能耗 在技术不断创新的时代，霓虹灯的制造技术及相关零部件的技术水平页在不断进步。新型电极、新型电子变压器的应用，使霓虹灯的耗电量大大降低，由过去的每米灯管耗电56瓦降到现在的每米灯管耗电12瓦。 四、寿命长 霓虹灯在连续工作不断电的情况下，寿命达一万小时以上，这一优势是其他任何电光源都难以达到的。 五、制作灵活，色彩多样 霓虹灯是由玻璃管制成，经过烧制，玻璃管能弯曲成任意形状，具有极大的灵活性，通过选择不同类型的管子并充入不同的惰性气体，霓虹灯能得到五彩缤纷、多种颜色的光。 六、动感强，效果佳，经济实用 霓虹灯画面由常亮的灯管及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，扫描管按编好的程序亮或灭，组成一副副流动的画面，似天上彩虹、象人间银河、更酷似一个梦幻世界，引人入胜，使人难以忘怀。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。 §1.3霓虹灯的主要部件 1、霓虹灯管： （1）以规格分：有6、7、8、9、10、12、15、18、20毫米等粗细。 （2）以玻璃材质分： ①钠玻璃管（或称石灰料玻璃管）这种玻璃管稳定性差，受潮后极易变质、泛碱（风化），牢度差易爆裂。目前在我国使用此种材 料的约占80%左右。 ②铅玻璃管（又称红丹料玻璃管）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，目前国际上通用大都是这种铅玻璃管，我国目前使用量已达20－30%左右，凡是追求质量好的制作厂家， 用户都选用铅管制作霓虹灯。铅玻璃又以含铅量多少分为：重铅玻璃、中铅玻璃和轻铅玻璃。 ③ 彩色玻璃管，这种玻璃管，在拉制玻璃管时已充入染料，生产出的玻璃管已呈彩色玻璃管。 （3）以霓虹灯管内涂荧光粉材料分： ①目前使用的多数霓虹灯管喷涂的是“普通荧光粉”，这种粉价格比较便宜，一般也能满足各种色彩的要求。 ②“三基色”荧光粉，（也称稀土荧光粉）与普通荧光粉比较，其亮度、色度、鲜度更佳。 （4）喷涂荧光粉的工艺又分水涂和胶涂二种。 ①水涂即用醇，酮溶济混合荧光粉喷涂在灯管内壁，让其自然干燥。 ②胶涂即用胶液混合荧光粉喷涂，再用烘箱烘干，其粘度、牢度大大优于水涂粉管。 目前先进国家大都有采用三基色胶涂含铅玻璃管制作霓虹灯，我国目前已有部分厂商使用这种霓虹灯管。 2、霓虹灯变压器 （1）霓虹灯漏磁变压器，（又称电感变压器、铁芯变压器）其特点是：可靠性好，负载灯管亮度高，光色一致，寿命长，缺点是比较 笨重，目前国外及上海的户外霓虹灯大多数采用这种变压器。 电感变压器的规格有：3KV、6KV、9KV、12KV、15KV、18KV。 （2）电子变压器（也称高频冷启动管形放电灯电子转换器或霓虹灯电源）其优点是：重量轻、制造方便、节约金属材料， 目前国内生产电子变压器质量稳定，有一定规模，其中有的企业还批量出口。但有不少单位生产的电子变压器亮度达不到应有亮度，在 室外使用就有点相形见绌。 电子变压器又分直流和交流二种，直流电子变压器由于单向导通往往会产生灯管一头亮一头暗的情况。又因电子变压器输出频率会受到 负载灯管长度的影响，在同幅霓虹灯中，由于每笔灯管长短不一也会产生灯色不匀等现象。有些生产厂家为了降低成本，不愿采用高质 量高 品质的电器元件，而且加工工艺简陋，故可靠性差，寿命短。 电子变压器的规格有：40W、60W、80W、100W等规格，也有称4米机、6米机、8米机、10米机、12米机等。 要真正生产符合霓虹灯使用要求的电子变压器也是可以做到的，但其价格就会接近电感变压器的价格，为了低价竞销，获取市场份额， 一些厂商牺牲霓虹灯的亮度、可靠性、寿命来获得市场利润。 3、程序控制器分： （1）普通式电子程序控制器： （2）渐变式电子程序控制器： 4、霓虹灯高压线分： （1）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引起拉火等，安全性较差。 （2）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。 以上介绍的是组成霓虹灯的主要另部件，从上可以知道，霓虹灯与其他商品一样，品种、规格、质量优劣区别很大。 用户在选择霓虹灯制作单位时，也要了解他们的制作实力，加工工艺和售后服务是否到位，凡是较大的霓虹灯工程，都应要制作单位 详细报价，进行核实，如有条件，应按行业标准进行验收，不要只看总价便宜，更要看他们提供给用户的是什么样的质量和服务。 第二章 霓虹灯的工作原理及霓虹灯广告设计制作 §2.1 霓虹灯的工作原理 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。当这一高压加到霓虹灯管两端电极上时，霓虹灯管内的带电粒子在高压电场中被加速并飞向电极，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。 §2.2 霓虹灯的霓虹灯广告设计制作 霓虹灯在霓虹灯广告设计制作上，不论是明管、粉管还是彩管，其霓虹灯广告设计制作基本相同，它们都需经过玻管成型、封接电极、轰击去气、充惰性气体、封排气孔老炼等工艺。 玻管成型———即制作人员沿着图案或文字的轮廓经过专用火头，将直玻璃管烧、烤、弯成图案或文字的过程，制作人员水平的高低可凭肉眼看的出来，水平低的人员制成的灯管易出现转弯处凹凸不平、太厚或太薄、内侧皱折、偏歪不成平面等。 封接电极———即将弯成型的灯管经过火头接上电极和排气孔的过程，接口不得太薄或太厚，接口处须完全烧融，否则易出现慢漏气。 轰击去气———制作霓虹灯的关键。是通过高压电轰击电极，加热电极焚烧灯管电极内肉眼看不见的水蒸气、尘土、油质等物质，排掉这些有害物质，将玻管抽成真空的过程。轰击去气的温度达不到，上述有害物质会除不彻底，直接影响灯管的质量。轰击去气的温度过高会引起电极过度氧化，使其表面产生氧化层，引起灯管质量下降。轰击去气彻底的玻管充入适当隋性气体，经过老练，即完成霓虹灯制作过程。 第三章 PLC概述 §3.1 PLC的定义 PLC可编程序控制器：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而霓虹灯广告设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。DCS集散系统：DCS英文全称 DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM ,中文全称为集散型控制系统。DCS可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的，尽量将控制所造成的危险性分散,而将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品。DCS一般由五部份组成：1 控制器、2 I/O板、3 操作站、4 通讯网络、5 图形及遍程软件。 §3.2 PLC的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。 PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而霓虹灯广告设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，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 业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则霓虹灯广告设计。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30～40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 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。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 §3.3 PLC的构成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置： 1．CPU的构成 CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制 及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主 要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机 制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 2．I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块 集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出 锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相 反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 3．电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110 VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 4．底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 5．PLC系统的其它设备： (1) 编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 (2) 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 (3) 输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 §3.4 PLC的特点 为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点： 1．可靠性高，抗干扰能力强 工业生产对控制设备的可靠性要求： ① 平均故障间隔时间长。 ② 故障修复时间（平均修复时间）短。 任何电子设备产生的故障，通常为两种： ① 偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。 ② 永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。 如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。 硬件措施： 主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统霓虹灯广告设计有完善的通道保护和信号调理电路。 ① 屏蔽——对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。 ② 滤波——对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或π型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。 ③ 电源调整与保护——对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用 多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。 ④ 隔离——在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。 ⑤ 采用模块式结构——这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。 软件措施： 有极强的自检及保护功能。 ① 故障检测——软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。 ② 信息保护与恢复——当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PLC 在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。 ③ 设置警戒时钟WDT（看门狗）——如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。 ④ 加强对程序的检查和校验——一旦程序有错，立即报警，并停止执行。 ⑤ 对程序及动态数据进行电池后备——停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。 PLC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V，上升时间1ns，脉冲宽度为1 的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万～上千万小时；制成系统亦可达4～5万小时甚至更长时间。 2．通用性强，控制程序可变，使用方便 PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再霓虹灯广告设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。 3．功能强，适应面广 现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。 4．编程简单，容易掌握 目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工人很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。 PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。 5．减少了控制系统的霓虹灯广告设计及施工的工作量 由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的霓虹灯广告设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。 6．体积小、重量轻、功耗低、维护方便 PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。 §3.5 PLC的分类 §3.5.1 按结构形式分类 根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。 （1） 整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。 （2） 模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。 §3.5.2 按功能分类 根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。 （1） 低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 （2） 中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。 （3） 高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。 §3.5.3按I/O点数分类 根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。 (1) 小型PLC——I/O点数< 256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。 如：GE-I型 美国通用电气（GE）公司 TI100 美国德洲仪器公司 F、F1、F2 日本三菱电气公司 C20 C40 日本欧姆龙公司 S7-200 德国西门子公司 EX20 EX40 日本东芝公司 SR-20/21 中外合资无锡华光电子工业有限公司 (2). 中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K。 如：S7-300 德国西门子公司 SR-400 中外合资无锡华光电子工业有限公司 SU-5、SU-6 德国西门子公司 C-500 日本欧姆龙公司 GE-Ⅲ GE公司 (3). 大型PLC——I/O点数> 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K。 如：S7-400 德国西门子公司 GE-Ⅳ GE公司 C-2000 欧姆龙公司 K3 三菱公司等 §3.6 PLC的应用 目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面： 1．开关量逻辑控制 利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。江津舞台桁架 2．运动控制 大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。 3．过程控制 大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。所以PLC可实现模拟量控制，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。 4．数据处理 现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。 5．通信联网 PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。 第四章 PLC的指令及编程 §4.1 PLC的指令 欧姆龙C系列P型机可编程序控制器的指令分为两大类：基本指令和专用（功能）指令。 基本指令是指直接对输入、输出点进行简单操作的指令，它包括逻辑操作（“与”、“或”、“非”等）指令和输出指令等，在编程器的键盘上设有与基本指令的符号和助记符相同的键，输入基本指令时，只要按下对应的键即可。 专用（功能）指令也称特殊指令，它包括数据处理、运算和程序控制等指令。由于专用指令很丰富，在编程器上没有对应的键盘。为了便于在编程器上输入程序，为每一条专用指定了一个功能代码（两位数字），书写时用圆括号括起来，放在专用指令的助记符后面。在编程输入专用指令时，先按“FUN”键，再按功能代码即可。 §4.1.1 基本指令 1、LD 指令 LD指令的格式、逻辑符号、功能和编程操作见（表1）。 （表1） 表1中的B为指定继电器的编号； LD指令的功能：LD指令是动合触点与母线连接指令，也称为装载或起始指令，每一个程序的开始都要使用它。 2、LD-NOT指令：是动断触点与母线连接指令，与LD指令功能上不同之处在于使用动断触点。 3、AND指令：是串联动合触点指令。 4、AND-NOT指令：是串联动断触点的指令。 5、OR指令：是并联动合触点的指令。 6、OR-NOT指令：是并联动断触点的指令。 7、OUT指令：是输出逻辑运算结果的指令，它将逻辑运算的结果输出到一个指定的继电器。 8、OUT-NOT指令：是输出取反后的逻辑运算，它是将逻辑运算的结果取反，输出到一个指定的继电器。 9、AND-LD指令：是两个触点组串联连接指令。 10、OR-LD指令：是两个触点组并联连接指令。 11、TIM指令 TIM指令的格式、逻辑符号、功能和逻辑操作（见表2） （表2） 表2中逻辑符号说明如下： N：定时器的编号，其数值范围是00～47。 SV：所需定时的设江津庆典礼仪定值，也可以是输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器、保持继电器通道中的内容。 TIM指令的功能：TIM指令按延时设定值进行延时操作，即接通延时（定时）指令。当定时器的输入接通时开始计时，经过设定时间后，定时器的触点动作。 12、CNT指令：按设定值进行计数操作，即预置计数指令。当计数器的输入接通时，开始计数，经过设定数值后计数器为ON（计数器触点动作）。 §4.1.2 专用（功能）指令 1、END指令：是结束程序指令，用于全部指令的最后一行。 使用END指令应该注意以下几点： （1） END指令总是作为程序的最后一条指令。 （2） 若程序结尾没有该指令，在运行或监视程序时，显示器将显示“ON END INST”错误信息。 2、IL指令：是分支指令，在分支处形成新母线。它使程序编制方便，图形直观。IL与ILC指令成对使用。 3、ILC指令：分支结束指令，在分支处返回。 4、JMP指令：不执行某段指令，即跳转指令。 5、JNE指令：跳转结束指令。 6、SFT指令：移位指令。 7、KEEP指令：保持指令，相当于一个自锁继电器，即具有继电器自保功能。它可以将短信号变成长信号。 8、CNTR指令：环形计数器，可逆计数。 §4.2 PLC的编程 §4.2.1 PLC的编程语言 克编程控制器程序霓虹灯广告设计语言:在可编程控制器中有多种程序霓虹灯广告设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言功能表图语言功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序霓虹灯广告设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序霓虹灯广告设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵和其他基本程序霓虹灯广告设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成常用的程序霓虹灯广告设计语言是：梯形图程序霓虹灯广告设计语布尔助记符程序霓虹灯广告设计语言（语句表)。 梯形图（Ladder Diagram）程序霓虹灯广告设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序霓虹灯广告设计语言。采用梯形图程序霓虹灯广告设计语言，即程序采用梯形图的形式描述。这种程序霓虹灯广告设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面梯形图程序霓虹灯广告设计语言是最常用的一种程序霓虹灯广告设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。 梯形图程序霓虹灯广告设计语言的特点是：(1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；(2)与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；(3)与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power Flow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；(4)与布尔助记符程序霓虹灯广告设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。 §4.2.2 PLC程序霓虹灯广告设计的基础规则 PLC的程序霓虹灯广告设计是用户以PLC指令的功能为基础，根据实际系统的控制要求，编制PLC的应用程序。 1、梯形图的编程规则 1） 梯形图中的各软继电器必须是所用机器允许范围内的软继电器， 各软继电器的软触点可以无限次使用，不受数量的限制。 2） 每个梯级都是从左母线开始，到右母线结束。各梯级中，所有的 触点只能接在软继电器线圈的左边，而不能与右母线直接相连。软继电器线圈只能接在右母线上，而且不能直接接在左母线上。 3） 触点一般应画在水平线上，不能画在垂直线上。 4） 多条支路并联时，串连触点多的支路应画在该并联电路的上部。 多个并联电路串连时，并联触点多的电路应画在该串连电路的左部。这样编程可以减少用户程序的步数，从而缩短程序扫描时间。 梯形图必须符合从左到右、从上到下的顺序执行原则。对于不符合此原则的电路，不能直接编程，必须按其逻辑功能进行等效变换，如图2所示。 （图2） a）不能直接编程的电路 b）变换后的可编程电路 2、语句表的编程规则 1） 语句表编程与梯形图编程，两者相互对立，并可以相互转换。 2） 语句表也必须符合顺序执行原则。语句表是按语句排列顺序（步 序）编程的，语句的顺序与控制逻辑有密切关系，不能随意颠倒、插入或删除，以免引起程序错误或控制逻辑错误。 3） 语句表中各语句的操作数（操作元件号）必须是所用机器允许范围内的参数，否则将引起程序出错。 4） 语句表的步序号应从用户存储器的起始地址开始，连续不断地编制。 §4.2.3 PLC程序霓虹灯广告设计的一般步骤及方法 1）分析被控对象的工艺过程和系统的控制要求，明确动作的顺序和条件，画出控制系统流程图（活状态转移图）。如果控制系统较简单，可省略这一步。 2）有的现场输入信号和输出控制对象分别列出，并按PLC内部可编程元件号的范围，给每个输入和输出分配一个确定的I/O端编号，编制出PLC的I/O端的分配表，或绘制出PLC的I/O接线图。 3）霓虹灯广告设计梯形图，编写指令语句表。 4）编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并调试程序，直到达到系统的控制要求为止。 第五章 用PLC控制霓虹灯的实例 §5.1 流程图 一、 用PLC控制霓虹灯字的明灭，具体要求如下： 1、广告字1亮，1秒后熄灭； 2、广告字2亮，1秒后熄灭； 3、广告字3亮，1秒后熄灭； 4、广告字4亮，1秒后熄灭； 5、广告字5亮，1秒后熄灭； 6、广告字1亮，等待1秒； 7、广告字2亮，同时保持前字亮，等待1秒； 8、广告字3亮，同时保持前字亮，等待1秒； 9、广告字4亮，同时保持前字亮，等待1秒； 10、广告字5亮，同时保持前字亮，等待2秒； 11、五个广告字全部熄灭，等待3秒； 12、五个广告字全亮，等待3秒； 13、五个广告字全部熄灭，等待3秒； 14、五个广告字全亮，等待5秒； 15、五个广告字全部熄灭，等待3秒。 16、重复过程1—15。 二、 根据上述要求做出流程图（见图3） （图3） §5.2 I/O分配及接口图、原理图 一、I/O分配表（见图4）及PLC类型的选择 PLC类型的选择： 首先考虑，I/O点数的多少： 准确把统计出被控设备的输入，输出点数的总需要量是PLC选形的基础。将输入点和输出点详细列出。然后再实际统计出I/O点总数的基础上再15%--20%的备用量，以便今后调整和扩充。 多数小型PLC是整体式结构，除了按点数分成一些档次如32点，48点，64点，80点外，还有其他多种模块扩展单元。 这里选用最常用的欧姆龙C系列P型机，为了以后的进一步改造以及及时替换损坏的端口，故选用C28P-CDR-A的PLC。它的基本特点如下： 单元名称：C28P CPU 电源电压：AC100-240V 输入：DC24V,16点 输出：继电器2A,12点 （图4） 二、根据流程图及I/O表画出接口电路图（见图5）、原理图（见图6）： （图5） 由接口图可知： 输入端 ： 24V直流电； 启动按钮、停止按钮； 外部220V电源； 输出端： 五个发光字的中间继电器KA1、KA2、KA3、KA4及KA5; PLC电源可以为110V或220V等等。 （图6） 由原理图可知：五个中间继电器分别和五个发光字“北、京、欢、迎、您”相连接。一旦闭合启动按钮，五个中间继电器通电吸合，则与继电器相对应的五个发光字按设定的流程开始工作。 §5.3 梯形图 根据流程图和接口线路图画出梯形图（见图7）。 （图7） §5.4指令表 将梯形图（图7）转换成指令表形式。 1. LD-NOT 0000 2. LD 2222 3. AND TIM14 4. LD 0001 5. OR-LD 6. LD 0201 7. OR-LD 8. AND-NOT 0202 9. TIM 00 #0010 10. OUT 0201 11. LD 0201 12. AND TIM00 13. LD 0202 14. OR-LD 15. AND-NOT 0203 16. TIM 01 #0010 17. OUT 0202 18. LD 0202 19. AND TIM01 20. LD 0203 21. OR-LD 22. AND-NOT 0204 23. TIM 02 #0010 24. OUT 0203 25. LD 0203 26. AND TIM02 27. LD 0204 28. OR-LD 29. AND-NOT 0205 30. TIM 03 #0010 31. OUT 0204 32. LD 0204 33. AND TIM03 34. LD 0205 35. OR-LD 36. AND-NOT 0206 37. TIM 04 #0010 38. OUT 0205 39. LD 0205 40. AND TIM04 41. LD 0206 42. OR-LD 43. AND-NOT 0213 44. TIM 05 #0010 45. OUT 0206 46. LD 0206 47. AND TIM05 48. LD 0207 49. OR-LD 50. AND-NOT 0213 51. TIM 06 #0010 52. OUT 0207 53. LD 0207 54. AND TIM06 55. LD 0210 56. OR-LD 57. AND-NOT 0213 58. TIM 07 #0010 59. OUT 0210 60. LD 0210 61. AND TIM07 62. LD 0211 63. OR-LD 64. AND-NOT 0213 65. TIM 08 #0010 66. OUT 0211 67. LD 0211 68. AND TIM08 69. LD 0212 70. OR-LD 71. AND-NOT 0213 72. TIM 09 #0020 73. OUT 0212 74. LD 0212 75. AND TIM09 76. LD 0213 77. OR-LD 78. AND-NOT 0214 79. TIM 10 #0030 80. OUT 0213 81. LD 0213 82. AND TIM10 83. LD 0214 84. OR-LD 85. AND-NOT 0215 86. TIM 11 #0030 87. OUT 0214 88. LD 0214 89. AND TIM11 90. LD 0215 91. OR-LD 92. AND-NOT 0220 93. TIM 12 #0030 94. OUT 0215 95. LD 0215 96. AND TIM12 97. LD 0220 98. OR-LD 99. AND-NOT 0221 100. TIM 13 #0050 101. OUT 0220 102. LD 0220 103. AND TIM13 104. LD 0221 105. OR-LD 106. AND-NOT 0222 107. TIM 14 #0030 108. OUT 0221 109. LD 0201 110. LD 0206 111. OR-LD 112. LD 0207 113. OR-LD 114. LD 0210 115. OR-LD 116. LD 0211 117. OR-LD 118. LD 0212 119. OR-LD 120. LD 0214 121. OR-LD 122. LD 0220 123. OR-LD 124. OUT 0500 125. LD 0202 126. LD 0207 127. OR-LD 128. LD 0210 129. OR-LD 130. LD 0211 131. OR-LD 132. LD 0212 133. OR-LD 134. LD 0214 135. OR-LD 136. LD 0220 137. OR-LD 138. OUT 0501 139. LD 0203 140. LD 0210 141. OR-LD 142. LD 0211 143. OR-LD 144. LD 0212 145. OR-LD 146. LD 0214 147. OR-LD 148. LD 0220 149. OR-LD 150. LD 0204 151. LD 0211 152. OR-LD 153. LD 0212 154. OR-LD 155. LD 0214 156. OR-LD 157. LD 0220 158. OR-LD 169. OUT 0503 160. LD 0205 161. LD 0212 162. OR-LD 163. LD 0214 164. OR-LD 165. LD 0220 166. OR-LD 167. OUT 0503 168. END 第六章 PLC的故障分析与维护 §6.1故障检测与分析 一、PLC的自检功能 无论是自身故障还是外部设备故障，PLC均能通过自检系统报告异常（见表3）。 表3 自诊断错误分类与说明 二、故障分析与处理 当PLC的工作状态发生异常情况时，应先找出故障的部位，分清故障现象，分析原因，排除故障。 1、ERR灯亮时先将PLC工作方式由“RUN”置为“PROG”,此时有两种可能： （1）、ERR灯亮，可以确定是“总体检查”出错，可用编程工具检查程序，并做出修改；然后重新运行PLC。 （2）、ERR灯亮，则可能是“自诊断”出错，可检查表e中所列项。 2、ALARM灯亮 假设为系统WATCHDOG定时器出错，先将PLC工作方式由“RUN”切换到“PROG”,然后断开电源重新启动。此时可能出现以下3种情况： （1）、ALARM灯又亮回来，可能是FP1有问题，应与厂家联系。 （2）、ALARM灯灭了，但ERR灯亮了，此时可按ERR故障处理。 （3）、系统工作正常，则可将工作方式从“PROG”切换到“RUN”,如果ALARM灯又亮则说明程序执行时间过长。 3、所有指示灯都不亮时，先检查电源连线情况，再检查PLC的电源是否在额定范围内。若以上检查结果均正常则考虑： （1）、用于输入的内装直流电源的输出导线连接情况。 （2）、若PLC与其他的设备共用电源线是否接到其他设备上了。 如果PLC上的指示灯是瞬间闪亮，则说明电源的供电容量不足。 §6.2 PLC的维护 虽然PLC的霓虹灯广告设计与制造工艺已将其故障减小到最低限度，但为了保证PLC控制系统能够长期稳定可靠的工作，还应该定期对PLC进行维护检查，维护的内容有检查电源电压、周围环境的温度和湿度等（见表4）。 项 目 检查要点 注意事项 供电电源 测量PLC端子处的电压来检查电源情况 交流型PLC工作电压为85～265V;直流型PLC工作电压为20.4～26.4V 环境条件 环境温度 环境湿度 有无污物、粉尘 环境温度为0度～55度； 环境湿度为35％～85％以下，且不结露；无积灰尘，无异物 I/O端电压 测量输入、输出端子上的电压 均应在工作要求的电压范围内 安装条件 各单元是否安装牢固 所有螺钉是否拧紧 接线和接线端子是否完好 所有单元的安装螺钉必须紧固；连接线及接线端子必须牢固，无短路或无氧化等现象 寿命元件更换 备用电池是否定期更换等 备用电池每3～5年更换一次；继电器输出型的触点寿命约为300万次 （表4 PLC的维护内容） §6.3备用电池的更换 在PLC断电时，由主机内的备用电池供电使RAM中的用户程序得以保存。备用电池一般是可供电的锂电池，寿命约3～5年。当电池电压降至规定值时，PLC的指示灯亮，提醒要及时更换电池。 以FP1系列的PLC为例，当备用电压较低时，特殊内部继电器R9005和R9006接通，主机面板上的“ERR”灯亮，应在一个月内更换电池。更换电池时先给PLC充电1分钟，然后在3分钟内完成更换操作。具体步骤如下： 切断电源→打开存储单元盖板→拔下备用电源插头，并将其向上拉，直到拉开电池盖→拉出导线取下电池→安装新电池并将它连到PLC插座上→盖上电池盖和存储单元盖→接通PLC电源。 结 论 经过这次的霓虹灯广告设计，使得我对PLC的掌握进一步的增强，加深了对PLC的理解，并对PLC产生了浓厚的兴趣，但是我也深深的知道自己的不足之处，比如说对应用指令的不熟悉，大大地加深了我的程序复杂程度。许多在学习过程中不能想通的问题，在PLC调试过程中，终于得以解决。可以看出它对理论教学起到了必要的补充和额拓宽作用，对培养既具有扎实理论功底又具有相当实践能力的人才必不可少。在这次的课程中，我发现PLC在工业控制中的作用很大，它能使人的控制转变成电脑的控制，大大地降低了产品的成本，很大地提高生产效率。 本霓虹灯广告设计中有诸多有待于进一步改进的地方： 一、字体频繁闪烁的时间差为1秒，在实际应用中可根据用户的要求具体修改；字体的变换方式也可做适当的调整，通过改变所用的指令，可使字体变换出各种样式，如：流水型、闪烁型、跳跃型等等，这样做出的霓虹灯将会更引人注目；编程指令表有一定的繁琐之处，还需要更深的学习编程方法使编出的程序简单明了。 二、PLC的输入、输出端点可在供替换的基础上进一步加以开发利用，使它更广泛的用于其他行业生产中，如：PLC用于机械手的控制、PLC用于送料小车的控制、PLC用于十字路口交通灯的控制、PLC用于节日彩灯的控制等等 。 这次毕业霓虹灯广告设计的时间短，任务重，缺乏实践基础，再加上个人能力有限，在实践中难免有考虑不周之处，还有待于实际调试中不断完善。这将是我今后学习和努力的方向。我将在以后的工作道路不断学习，把所学的知识很好的用到实践中去。 1)该广告屏中间8个霓虹灯字亮灭的时序为第1字亮到第2字亮到第8字亮,时间间隔均为1S, 当8个霓虹灯字全亮后,显示10S,全熄灭1S后,再从头开始运行,周而复始。 (2)广告屏四周的流水灯共24只,4个1组,共分6组。1和3先亮，之后1S，5和7亮，1S后1和3灭，9和11再亮，最后24和22往回亮。 24只流水灯，4个一组分成6组，从1-2-6按1S时间间隔依次向前移动，且亮时每相隔1灯为亮，即从1组1.3亮到2组5.7亮，同时1组1.3灭到3组9.11亮，同学2组5.7灭....如此移动一段时间后，再反过来移动一段时间：6组24.22亮到5组20.18亮，同时6组24.22灭。。。。如此循环往复。。。 霓虹灯广告设计
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