霓虹燈廣告屏的plc控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 廣泛的走向人們的生活，使人們的生活更加精彩、亮麗。 霓虹燈以它斑斕奪目的色彩、生動逼真的形態、耀眼奪目的照明為夜間城市的購物中心招徠顧客、文化娛樂中心吸引游客營造氣氛，給夜間城市的湖南鐵路科技職業技術學院畢業設計（論文）說明書 11 購物活動帶來方便，給文化娛樂活動增添情趣。霓虹燈營造了夜間城市的絢麗多姿和繁華，它已成 為現代城市商業繁榮的標志之一。霓虹燈問世已有近百年的歷史，雖然它在原理上僅僅是一種簡單的冷陰極輝光放電管，但在經濟繁榮、科學技術發展的進程中，不僅沒有被淘汰，反而日益興旺。 湖南鐵路科技職業技術學院畢業設計（論文）說明書 12 二 PLC 的概述 1 PLC 的產生與發展 PLC 的產生 在 60 年代，汽車生產流水線的自動控制系統基本上都是由繼電器控制裝置構成的。當時汽車的每一次改型都直接導致繼電器控制裝置的重新設計和安裝。隨著生產的發展，汽車型號更新的周期愈來愈短，這樣，繼電器控制裝置就需要經常地重新設計和安裝，十分費時， 費工，費料，甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一現狀，美國通用汽車公司在 1969 年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了十項招標指標，即： （ 1） 編程方便現場可修改程序； （ 2） 維修方便采用模塊化結構； （ 3） 可靠性高于繼電器控制裝置； （ 4） 體積小于繼電器控制裝置； （ 5） 數據可直接送入管理計算機； （ 6） 成本可與繼電器控制裝置競爭； （ 7） 輸入可以是交流 115V； （ 8） 輸出為交流 115V 2A 以上能直接驅動電磁閥接觸器等； （ 9） 在擴展時原系統只要很小變更； （ 10） 用 戶程序存儲器容量至少能擴展到 4K。 1969 年，美國數字設備公司（ DEC）研制出第一臺 PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲的了成功。這種新型的工業控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優點，很快地在美國其他工業領域推廣應用。到 1971 年，已經成功地應用于食品飲料冶金造紙等工業。這一新型工業控制裝置的出現，也受到了世界其他國家的高度重視。 1971 日本從美國引進了這項新技術，很快研制出了日本第一臺 PLC。湖南鐵路科技職業技術學院畢業設計（論文）說明書 13 1973 年西歐國家也研制出它們的第一臺 PLC。我國從 1974 年開始研制，于1977 年開始工業應用。 PLC 的發展 雖然 PLC 問世時間不長，但是隨著微處理器的出現，大規模、超大規模集成電路技術的迅速發展和數據通訊技術的不斷進步， PLC 也迅速發展，其發展過程大致可分三個階段： （ 1） 早期的 PLC（ 60 年代末 — 70 年代中期） 早期的 PLC 一般稱為可編程邏輯控制器。這時的 PLC 多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。它在硬件上以準計算機的形式出現，在 I/O 接口電路上作了改進以適應工業控制現場的要求。裝 置中的器件主要采用分立元件和中小規模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上，采用廣大電氣工程技術人員所熟悉的繼電器控制線路的方式 — 梯形圖。因此，早期的 PLC 的性能要優于繼電器控制裝置，其優點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復使用等。其中 PLC 特有的編程語言 — 梯形圖一直沿用至今。 （ 2） 中期的 PLC（ 70 年代中期 — 80 年代中后期） 在 70 年代微處理器的出現使 PLC 發生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處理 器作為 PLC 的中央處理單元（ CPU）。 這樣，使 PLC 的功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數等功能以外，還增加了算術運算、數據處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數量增加，還提供了一定數量的數據寄存器，使 PLC 的應用范圍的以擴大。 湖南鐵路科技職業技術學院畢業設計（論文）說明書 14 （ 3） 近期的 PLC（ 80 年代中后期至今） 進入 80 年代中、后期，由于超大規模集成電路技術的迅速發展，微處理器的市場 價格大幅度下跌，使的各種類型的 PLC 所采用的微處理器的當次普遍提高。而且，為了進一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發了專用邏輯處理芯片。這樣使的 PLC 軟、硬件功能發生了巨大變化。 2 PLC 的結構與特點 PLC 的結構 從結構上分， PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O 板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 CPU 模塊、 I/O 模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置 ： CPU 的構成 ： CPU 是 PLC 的核心，起神經中樞的作用，每套 PLC 至少有一個 CPU，它按 PLC 的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC 內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。 CPU 主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成， CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路 。內存主要用于存儲程序及數據，是 PLC 不可缺少的組成單元。 在使用者看來，不必要詳細分析 CPU 的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令。但工作節奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU 速度和內存容量是 PLC 的重要參數，它們決定著 PLC 的工作速度， IO 數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。 湖南鐵路科技職業技術學院畢業設計（論文）說明書 15 I/O 模塊 ： PLC 與電氣回路的接 口，是通過輸入輸出部分（ I/O）完成的。 I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入 PLC 系統，輸出模塊相反。 I/O 分為開關量輸入（ DI），開關量輸出（ DO），模擬量輸入（ AI），模擬量輸出（ AO）等模塊。 開關量是指只有開和關（或 1 和 0）兩種狀態的信號，模擬量是指連續變化的量。常用的 I/O 分類如下： 開關量：按電壓水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號類型分 ，有電流型（ 420mA,020mA）、電壓型（ 010V,05V,1010V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 I/O 外，還有特殊 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按 I/O 點數確定模塊規格及數量， I/O 模塊可多可少，但其最大數受 CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。 電源模塊 ： PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供 24V 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC 或 110 VAC），直流電源（常用的為 24VDC）。 底板或機架 ： 大多數模塊式 PLC 使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現各模塊間的聯系，使 CPU 能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。 PLC 系統的其它設備： （ 1） 編程設備：編程器是 PLC 開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統作一些設定、監控 PLC 及 PLC 所控制的系統的工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。小編程器 PLC 一般有手持型編程湖南鐵路科技職業技術學院畢業設計（論文）說明書 16 器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器 。 （ 2） 人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態軟件）充當人機界面非常普及。 （ 3） 輸入輸出設備：用于永久性地存儲用戶數據，如 EPROM、 EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。 圖 21 可編程控制器的硬件簡化框圖 PLC 的特點 為適應工業環境使用，與一般控制裝置相比較， PLC 機有以下特點： 可靠性高 、 干擾能力強 工業生產對控制設備的可靠性要求： （ 1）平均故障間隔時間長。 （ 2）故障修復時間（平均修復時間）短。 任何電子設備產生的故障，通常為兩種： （ 1）偶發性故障 ： 由于外界惡劣環境如電磁干擾、超高溫、超低溫、過電壓、欠電壓、振動等引起的故障。這類故障，只要不引起系統部件的損湖南鐵路科技職業技術學院畢業設計（論文）說明書 17 壞，一旦環境條件恢復正常，系統也隨之恢復正常。但對 PLC 而言，受外界影響后，內部存儲的信息可能被破壞。 （ 2）永久性故障 ： 由于元器件不可恢復的破壞而引起的故障。 如果能限制偶發性故障的發生條件，如果能使 PLC 在惡劣環境中不受影響或能把影響的后果限制在最小范圍，使 PLC 在惡劣條件消失 后自動恢復正常，這樣就能提高平均故障間隔時間；如果能在 PLC 上增加一些診斷措施和適當的保護手段，在永久性故障出現時，能很快查出故障發生點，并將故障限制在局部，就能降低 PLC 的平均修復時間。為此，各 PLC 的生產廠商在硬件和軟件方面采取了多種措施，使 PLC 除了本身具有較強的自診斷能力，能及時給出出錯信息，停止運行等待修復外，還使 PLC 具有了很強的抗干擾能力。 硬件措施： 主要模塊均采用大規?；虺笠幠＜呻娐罚罅块_關動作由無觸點的電子存儲器完成， I/O 系統設計有完善的通道保護和信號調理電路。 —— 對電 源變壓器、 CPU、編程器等主要部件，采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。 —— 對供電系統及輸入線路采用多種形式的濾波，如 LC 或 π 型濾波網絡，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各種模塊之間的相互影響。 —— 對微處理器這個核心部件所需的 +5V 電源，采用多級濾波，并用集成電壓調整器進行調整，以適應交流電網的波動和過電壓、欠電壓的影響。 —— 在微處理器與 I/O 電路之間，采用光電隔離措施，有效地隔離 I/O 接口與 CPU 之間電的聯系，減少故障和誤動作；各 I/O 口之間亦彼此隔離。 —— 這種結構有助于在故障情況下短時修復。一旦查出某一模塊出現故障，能迅速更換，使系統恢復正常工作；同時也有助于加快查找故障原因。 軟件措施： 湖南鐵路科技職業技術學院畢業設計（論文）說明書 18 有極強的自檢及保護功能。 —— 軟件定期地檢測外界環境，如掉電、欠電壓、鋰電池電壓過低及強干擾信號等。以便及時進行處理。 —— 當偶發性故障條件出現時，不破壞 PLC 內部的信息。一旦故障條件消失，就可恢復正常，繼續原來的程序工作。所以， PLC 在檢測到故障條件時，立即把現狀態存入存儲器，軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的 任何操作，以防存儲信息被沖掉。 WDT（看門狗） —— 如果程序每循環執行時間超過了 WDT規定的時間，預示了程序進入死循環，立即報警。 —— 一旦程序有錯，立即報警，并停止執行。 —— 停電后，利用后備電池供電，有關狀態及信息就不會丟失。 PLC 的出廠試驗項目中，有一項就是抗干擾試驗。它要求能承受幅值為1000V，上升時間 1ns，