【基于PLC的霓虹燈控制系統設計12000字（論文）】

基于PLC的霓虹燈控制系統設計摘要廣告在我們的生活中無處不在，霓虹燈廣告作為各企業宣傳企業形象與產品的手段之一，采用霓虹燈管做成的多種彩色和各種形狀的燈管，通過控制燈的亮滅時間不同與流動方向，另配宣傳畫或大型廣告語來達到宣傳的效果。在白天不僅可以起到路牌廣告、招牌廣告的作用，而且夜晚更是形式各異、五彩繽紛，是城市中一道美麗的風景。本次設計采用西門子S7-1500為控制核心，外加HMI為上位機，結合傳感器、繼電器、接觸器、開關按鈕等設計了一套基于PLC的霓虹燈廣告屏控制系統。此霓虹燈廣告屏控制系統不僅設計了多種工作方案，而且可以對霓虹燈閃爍頻率進行調控；通過光電傳感器可以檢測人流，并且設計了接近模式；針對其可能因為短路情況造成事故，運用了電壓傳感器檢測，設計了故障報警功能；還利用了HMI系統對控制系統進行監控。根據功能分析和控制要求，進行了對系統總體方案的設計及硬件軟件電路的設計。經仿真測試，符合設計要求，能滿足使用需要。關鍵詞：PLC控制系統；霓虹燈；遠程監控；HMI目錄TOC\o"1-3"\h\u292751.緒論 644391.1課題研究目的及意義 620961.2PLC的發展 6145751.3課題主要研究內容 8298882.霓虹燈廣告屏控制系統設計 9279832.1控制系統設計流程 9320152.2霓虹燈廣告屏控制系統功能與外觀設計 10105482.2.1控制系統功能設計 10316212.2.2霓虹燈廣告屏外觀設計 1014102.3霓虹燈廣告屏方案設計 1154152.3.1LED屏方案設計 1130932.3.2霓虹燈管閃爍方案 12270482.4報警模式 14117892.5監控系統 1474122.6控制系統元件選型 15250052.6.1控制器PLC選擇 15200042.6.2傳感器的選擇 17194622.6.3霓虹燈管選擇 17284122.7控制系統硬件配置 17156072.7.1分配I/0地址 18185252.7.2控制系統硬件設計 19144232.8本章小結 2069993.霓虹燈廣告屏控制軟件設計 21238713.1控制系統軟件編程 2130063.1.1TIAPortalv16介紹 21176123.1.2PLC內部使用地址 22103503.1.3霓虹燈控制 22317023.1.4LED屏控制 25180813.2程序調試及仿真 2659943.2.1調試步驟 26207393.2.2調試結果 2787144.HMI人機界面 28287834.1HMI介紹 28204834.2HMI的建立 28254584.2.1組態連接 2869974.2.2HMI畫面的建立 29171605.結論與展望 3211271參考文獻 3322485附錄 35

緒論課題研究目的及意義隨著廣告行業的發展，各商店為了對產品和形象進行宣傳，大部分都采用了LED霓虹燈廣告屏來實現這一目的。查閱相關資料表明，傳統霓虹燈的閃爍控制通過人工控制和電氣控制，現在多采用單片機作為主控單元。人工控制方式會浪費很多的財力和人力。電氣控制中會使用很多繼電器，但是繼電器控制系統局限在普通邏輯、計數和定時等一些簡易的控制，而且它的體積大、耗能多、可靠性差、壽命短、反應慢和擴展性差，還會有機械磨損[]。單片機控制雖能有效地實施監測，但抗干擾能力差，故障率高，容易造成接觸不良，維護困難等缺點，同時由于系統的擴展性差使監測容量相對較小，因而系統性價比較低。可編程控制器（ProgrammableLogicController）的出現就解決了這些問題，PLC具有強大的通用性，易于使用，強大的抗干擾，適合廣泛的高可靠性，程序設計簡單等功能，它對控制霓虹燈的閃爍具有獨特的優點。采用PLC控制霓虹燈廣告屏不僅可以很好的完成其控制要求，而且還有安裝調試方便、電路結構簡單的優點。PLC的發展國際電工委員會(IEC)在20世紀80年代初就開始了有關PLC國際標準的制定工作。并發布了數稿草案。在2003年發布(1992年發布第1稿)的PLC國際標準IEC

61131-

1(通用信息)中對PLC有一個標準定義:

“PLC是一種數字運算操作的電子系統，專為工業環境而設計。它采用了可編程序的存儲器,用來在其內部存儲邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的基于用戶的指令,并通過數字式和模擬式的輸人和輸出，控制各種類型的機器或過程。PLC及其相關的外圍設備，都應按易于與工業控制系統集成、易于實現其預期功能的原則設計。”

上述定義重點說明了3個概念,即PLC是什么、它具備什么功能，以及PLC及其相關外圍設備的使用原則。

定義強調了PLC應直接應用于工業環境，它必須具有很強的抗干擾能力、廣泛的適應能力和應用范圍。這也是區別于一般微機控制系統的一個重要特征。定義還強調了PLC

是“數字運算操作的電子系統”，也是一種計算機，是“專為在

工業環境下應用而設計”的工業計算機。這種工業計算機采用“面向用戶的指令”，編程方便，能完成邏輯運算、順序控制定時、計數和算術運算等操作，還具有“數字量和模擬量輸人輸出"功能，并且非常容易與“工業控制系統連成一體”。易于實現其預期功能。初級階段從第一臺PLC問世到20世紀70年代中期。這個時期的PLC功能簡單，主要完成一般的繼電器控制系統功能，即順序邏輯、定時和計數等.編程語言為梯形圖。

（2）崛起階段

從20世紀70年代中期到80年代初期。由于PLC在取代繼電器控制系統方面的卓越表現，自從它在電氣控制領城開始普及應用后便得到了飛速的發展。這個階段的PLC在其控制功能方面增強了很多，如數據處理、模擬量的控制等。

（3）成熟階段

從20世紀80年代初期到90年代初期。在這之前的PLC主要是單機應用和小規模、小系統的應用，但隨著對工業自動化技術水平、控制性能和控制范圍要求的提高，在大型的控制系統(如冶煉、飲料、造紙、煙草，紡織、污水處理等)中，PLC也展示出了其強大的生命力。對這些大規模、多控制器的應用場合，就要求PLC控制系統必須具備通信和聯網功能，這個時期的PLC順應時代要求，在大型PLC中一般都擴展了遵守一定

協議的通信接口，飛速發展階段從20世紀90年代初期到90年代末期。由于對模擬量處理功能和網絡通信功能的提高。PLC控制系統在過程控制領城也開始大面積使用。隨著芯片技術、計算機技術、通信技術和控制技術的發展,PLC的功能得到了進一步提高。現在PLC無論從體積上、人機界面功能端子接線技術，還是從內在的性能(速度存儲容量等)、實現的功能(運

動控制、通信網|格和多機處理等)方面都遠非過去的PLC可比，

從20世紀80年代以后，是PLC發展最快I的時期，年增長率一直都保持在30%

~

40%。

（5）開放性和標準化階段

從20世紀90年代中期以后。關于PLC開放性的工作其實在20世紀80年代就已經展開了。但由于受到各大公同的利益用撓和技術標準化難度的影響。這項工作進展并不順利。因此，PLC誕生后的近30年時間內，各個PLC在通信標準編程語言等萬面能井不看不兼容的地方.這給工業自動化中實現互換性互操作性和標準化都帶來了極大的不便。現在隨著PLC國際標準IEC

61131的逐步完善和實施,特別是IEC

6131-3標準編程語言的推廣，使得PLC真正走入了一個開放性和標準化的時代。

目前，世界上有200多個廠家生產300多種PLC產品，比較著名的廠家有美國的AB

(被ROCK

WELL收購)、GE、MODICON(被SCHNEIDER收購)，日本的MITSUBISHI、OMRON，FUJI、松下電工，德國的SIEMENS和法國的SCHNEIDER公司等。隨著新一代開放式PLC走向市場，國內的生產廠家，如和利時、浙大中控等生產的基于IEC61131-3編程語言的PLC可能會在未來的市場中占有一席之地。課題主要研究內容本文主要研究霓虹燈廣告屏控制系統的設計，利用可編程邏輯控制器（PLC）對LED霓虹燈廣告屏進行控制。第一章：緒論；第二章：霓虹燈廣告屏控制系統相關器件及技術介紹；第三章：霓虹燈廣告屏控制系統總體設計；第四章：霓虹燈廣告屏控制軟件設計及調試：設計相應軟件程序根據控制要求,對程序進行邏輯檢測與調試。第五章：5.結論與展望。

霓虹燈廣告屏控制系統設計本次設計的霓虹燈廣告屏控制系統包含了數據采集、設備控制、遠程監控于一體的自動化控制系統。控制系統應實現自動保護、自動控制、自動報警。通過HMI對廣告屏中的運行狀況進行實時監控，HMI監控系統操作簡單、界面友好、能及時匯報系統情況，從而確保控制系統能安全、準確的運行。完成對本設計的霓虹燈廣告屏控制系統需求分析后，分析廣告屏的工藝流程和控制流程，依次展開霓虹燈廣告屏控制系統的總體設計，包括控制系統設計流程、控制系統功能設計、霓虹燈廣告屏外觀設計、控制系統硬件選型、控制系統硬件配置等。控制系統設計流程PLC控制霓虹燈廣告屏的控制系統設計過程中，首先設計外觀以及功能要求，然后明確被控對象以及分析其控制要求，根據控制要求合理的對PLC進行選擇，并且對I/O接口進行分配；再根據設計的技術方案繪制硬件電氣控制的接線圖；通過編程軟件對程序進行編寫，并反復進行模擬調試，在確保系統一切安全和設備正常的前提下可以撰寫技術文件，并投入使用。PLC控制設計的流程如圖2-1所示：圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s11控制系統流程圖霓虹燈廣告屏控制系統功能與外觀設計控制系統功能設計PLC作為霓虹燈廣告屏系統的控制器，其主要任務是控制霓虹燈廣告屏工作，通過傳感器采集廣告屏附近是否有人接近和廣告屏燈管電壓等信息，以此為依據判斷并發出相應操作命令，確保系統可以安全、可靠的運行。此外采用HMI為上位機對系統進行遠程控制與監控，達到遠程、高效、便捷的管理。如圖2-2，下位機控制部分包括以下部分：通過傳感器對數據的采集及傳輸部分，包括對廣告屏附近人流情況與燈管電壓等環境數據；A/D轉換裝置轉換分析部分，將傳感器采集的數據轉化成能夠被PLC控制器識別的信號，然后經PLC轉換成機器能夠識別的信號進而分析，再發出控制命令；執行機構霓虹燈廣告屏等。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s12系統控制方框圖霓虹燈廣告屏外觀設計本次設計的霓虹燈廣告屏整個完整的硬件包括：長方體部分、半圓部分、物電學院字體、柱狀燈管、LED顯示屏。長方體尺寸為750㎝×150㎝×30㎝,扇形半徑為375㎝，共用冷陰極管46個，其中每個字、每個圖案都是用若干個冷陰極管并聯而成，組成了一個小的單獨體，其中有紅、綠、藍三色冷陰極管，如圖3-3所示。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s13霓虹燈廣告屏外觀圖霓虹燈廣告屏方案設計LED屏方案設計當PLC啟動后，LED顯示屏開始工作。光電傳感器檢測有信號時，PLC控制顯示屏更改內容，光電傳感器無信號后，顯示屏繼續工作與原來模式。工作流程圖如圖3-4：圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s14LED屏工作流程圖（1）無人接近模式本次設計對于LED屏內容的設計，以時間順序進行設計，內容包括：早上（6:30--8:30）：顯示屏顯示“一日之計在于晨”；上午（8:30--12:00）：顯示屏顯示“尚德勤學求是創新”；中午（12:00--13:30）：顯示屏顯示“中午休息啦”；下午（13:30--18:30）：顯示屏顯示“遇到困難時不要抱怨”；晚上（18:30--24:00）：顯示屏顯示“送走忙碌忘掉煩惱”。（2）有人接近模式當光電傳感器檢測到有人接近時，顯示屏無論在那一時間都會顯示“歡迎您”。霓虹燈管閃爍方案霓虹燈能夠進行自動的循環閃爍，可以達到美觀、亮化、和宣傳的目的。而本次設計設計了多樣的霓虹燈閃爍方案，可以進行選擇。對于設計的五種方案各自有啟動按鈕，可以任意選擇一種方案閃爍。（1）霓虹燈閃爍流程圖如圖3-5：圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s15霓虹燈閃爍流程圖（2）方案一方案一設計使霓虹燈實現連續閃爍的效果。方案一的的亮滅時序為每根燈管第一根燈管亮1s后第二根燈管再亮1s，依次至燈管全亮，然后全滅。半圓部分:在全滅的情況下，從內往外一位緊接著一位連續點亮，直至全部點亮，然后全部熄滅。長方體部分：在全滅的情況下，從左往右一位緊接著一位連續點亮，直至全部點亮。然后全滅。（3）方案二此方案實現一種跳躍的閃爍效果。方案設計為：霓虹燈閃爍順序為左到右依次閃爍，燈管的亮滅時序為第一根燈管以亮1s后滅1s的順序循環，第二根燈管1s后以亮1s滅1s的順序循環，第三根燈管2s后以亮1s滅1s的順序循環，依次類推。半圓部分:在全滅的情況下，從內往外依次閃爍。從一號燈管至六號管，循環閃爍。長方體部分：在全滅的情況下，從左往右依次點亮，從八號燈管至二十四號燈管，循環閃爍。（4）方案三此方案長方體部分與半圓部分以不同方式閃爍。半圓部分：在全滅的情況下，從一號燈管開始亮1s滅，二號燈管亮1s滅，至六號燈管亮1s滅，然后五號燈管亮1s滅至一號燈管，循環閃爍。長方體部分：在全滅的情況下，燈管先從兩端同時閃爍，閃爍至中心后，再從中心向兩端閃爍，達到一種波浪的效果。此閃爍方案中燈管的亮滅時序為從八號燈管和二十四號燈管同時亮1s后滅，二號燈管和二十三號燈管再同時亮1s后滅，依次亮至十六號和十七號燈管，循環閃爍。（5）方案四此閃爍方案將各部分燈管分為單數燈管與雙數燈管，使其閃爍達到一種循序漸進的視覺效果。半圓部分：在全滅的情況下，一號燈管亮，1s后三號燈管亮，1s后五號燈管亮，1s后六號燈管亮，1s后四號燈管亮，1s后二號燈管亮，然后全滅，1s后循環閃爍。長方體部分：在全滅的情況下，八號燈管亮，1s后十號燈管亮，至二十四號燈管亮，1s后二十五號燈管亮，至九號燈管亮，1s后全滅，然后循環閃爍。（6）方案五此方案將各部分燈管按顏色劃分，每一組有紅綠藍三根燈管，每組燈的閃爍規律是從每組燈的第一根開始亮，依次亮至第三根，然后后再依次從第三根滅至第一根。半圓部分：可分兩組，在全滅的情況下，每一組紅燈亮1s滅，綠燈亮1s滅，1s后藍燈亮1s滅。長方體部分：可分六組，在全滅的情況下，每一組紅燈亮1s滅，綠燈亮1s滅，藍燈亮1s滅，然后反序依次滅。（7）接近模式傳感器檢測到有人接近時，將檢測信號反饋到PLC，PLC控制所有霓虹燈按照亮1s然后滅1s，然后在亮1s滅1s，循環操作直至傳感器無信號后停止操作，并且轉換到原來的方案。字“物電學院”與二十五號燈管常亮，每根霓虹燈管的供電電源為220V。報警模式霓虹燈廣告屏短路危害及為嚴重，其危害如下：短路電流通常要超過正常工作電流的十幾至幾十倍，這樣的大電流將使電氣設備過熱，絕緣受到損傷，甚至燒毀電氣線路和設備，引起火災；短路電流非常大，會使電氣設備產生巨大的電動力，導致電氣設備發生扭曲、變形等情況，嚴重損壞設備；如果系統發生不對稱短路，會產生不平衡的交變磁場，對其周圍的鐵路信號、通訊線路產生影響，導致系統閉塞。自動控制系統以及可控硅觸發系統就可能被產生的干擾破壞；短路電流產生電壓降影響其它設備正常工作，影響照明負荷的正常工作(白熾燈驟暗，氣體放電燈熄滅等）。已經有多例因霓虹燈短路發生火災，并造成人員傷亡的事故。所以本次對于霓虹燈廣告屏控制系統設計了報警模式，其利用短路時電壓很小（幾乎為零）的特點，運用電壓傳感器檢測，使PLC控制報警。其工作流程如圖3-6：圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s16報警流程圖監控系統遠程監控系統中遠程控制霓虹燈廣告屏控制系統與現場控制系統組成有PLC控制器、傳感器、執行設備、控制開關、PC、HMI（HumanMachineInterface）等。霓虹燈廣告屏現場位置一般較高，所以此系統可以實時監控現場顯得非常靈活、適用。PLC遠程監控是強大而易于實現的技術，能夠適時地遠程診斷與修復,實現自動化數據采集,并可以及時生成問題通知，通過互聯網任何地方即可遠程控制、監視工業設備。HMI產生、投入使用后，受到了用戶的好評。HMI系統具有簡便、安全、直觀等特點。并且其具有監控、故障診斷和打印等功能，很大程度提高了生產運行的可靠性。實踐證明，HMI必將在工廠自動化中發揮出越來越大的作用，在PLC控制系統中有著廣泛的應用前景。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s17監控系統結構圖控制系統元件選型控制器PLC選擇PLC的系統組成雖然目前PLC種類繁多，但其組成結構和工作原理基本相同。使用PLC進行控制，本質是按控制功能要求，通過用戶程序計算出相應的輸出結構,并將該結構以物理實現應用于工業現場。PLC專為工業現場應運而生,采用了典型的計算機框架架構，主要由微處理器CPU、電源存儲器和專門設計的輸人輸出接口電路等組成。PLC的結構框圖如圖所示。微處理器CPU是PLC的核心，一般由控制器、運算器和寄存器組成。CPU通過數據總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路相連接。當PLC處于運行狀態時，CPU按照循環掃描方式執行用戶程序。現在大多數PLC都采用了32位的PLC。存儲器包括系統存儲器與用戶存儲器：系統存儲器用來存放PLC生產廠家編寫的系統程序，并且固化在ROM中，用戶一般不可更改；用戶存儲器用來存放用戶針對具體控制任務而編寫的應用程序，其大小關系到用戶程序容量的大小，是PLC性能的重要指標之一。PLC使用存儲器有三種類型，即ROM、E2PROM和RAM。輸入輸出接口單元有與被控設備相連的接口的電路和輸入輸出的映像寄存器。輸入單元接收來自用戶設備的各種控制信號，控制信號可以是數字量也可以是模擬量。外部接口電路講這些信號轉換為CPU能夠識別的信號，并存入輸入映像寄存器。輸出接口的電路將弱點控制信號轉換為強電信號輸出，以驅動執行元件。電源部分：PLC一般使用220V交流電源或24V直流電源，內部開關電源為PLC的CPU、存儲器等電路提供5V、±12V、24V等直流電源，整體式的小型PLC還提供一定容量的直流24V電源，供外部有源傳感器使用。擴展接口用于將擴展單元或功能模塊與基本單元相連，以滿足不同的控制系統要求。通信接口：利用通訊接口與觸摸屏、計算機、其它PLC、打印機等相連，實現“人—機”或“機—機”之間對話。本次設計我選用了西門子系列S7-1500CPU1518-4PN/DN。帶顯示屏的CPU；工作存儲器可存儲4MB代碼和20MB數據；位指令執行時間1ns；具有4級防護機制，功能有：計數與測量；運動控制，閉環控制，跟蹤功能；運行系統選件；等時同步模式（集中）；適用于所有PROFINET接口：傳輸協議TCP/IP，開放式用戶安全通信。傳感器的選擇（1）傳感器原理傳感器一般由敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源四部分組成，如圖2-2所示。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s12傳感器結構圖被測量由敏感元件直接感受，然后轉換為與被測量有關系的物理量信號輸出；敏感元件輸出的物理量信號經過轉換元件轉換為電信號；變換電路的功能是將放大調制轉換元件輸出的電信號；輔助電源給轉換元件和變換電路供電。（2）傳感器選擇根據設計要求，需要檢測人流信息與燈管電壓，所以選擇光電傳感器與電壓傳感器。光電傳感器選擇歐迪龍EK51-R6M4，參數為：檢測距離6m-20m；工作電壓為自由的電源AC/DC24-240V；檢測物體為不透明體；輸出24V電壓；使用溫度為-20℃-60℃。電壓傳感器選擇Risym電壓檢測模塊，參數為:電壓輸入范圍0-25V；電壓檢測范圍DC0.02445-25V；輸出5V/3.3V；霓虹燈管選擇考慮到外觀的諧調性本設計采用12mm燈管。這種彩色玻璃管，在拉制玻璃管時已充入染料，生產出的玻璃管己呈彩色玻璃管，而本設計是由三種不同顏色燈管構成的，所以采用紅，綠，藍彩色玻璃管。對于霓虹燈變壓器采用電源輸入電壓為交流220V，高壓輸出電壓為15000伏，容量為450伏安的電感變壓器。控制系統硬件配置PLC的單元式硬件結構將PLC的I/O系統和電源等主要部分全部安裝在一個機箱內。其模塊式硬件結構將PLC的主要硬件部分分別制成模塊，然后由用戶根據需要將所選用的模塊插入PLC機架上的槽內，構成一個PLC系統。[[][]分配I/0地址不管運用哪一種硬件結構，用于連接PLC的I/O映象區與工業現場的各個輸入/輸出點之間的對應關系都必須確立，即I/O尋址方式：給每一個輸入/輸出點分配明確的地址確立這種對應關系所采用得方式。本次設計的控制系統共使用了8路數字量輸入、26路數字量輸出、2路模擬量輸入。如下表3-1、3-2、3-3，對PLC的數字量、模擬量輸入和輸出分配表:表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s11PLC數字量輸入表名稱PLC地址外部編號啟動I0.0SB1停止I0.1SB2單步/循環I0.2SB3方案一I0.3SB4方案二I0.4SB5方案三I0.5SB6方案四I0.6SB7方案五I0.7SB8加速I1.0SB9減速I1.1SB10表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s12PLC模擬量輸入名稱PLC地址外部編號電壓傳感器I1.5SA1光電傳感信號I1.6SA2表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s13PLC數字量輸出表名稱PLC地址名稱PLC地址名稱PLC地址名稱PLC地址1號燈Q0.09號燈Q1.017號燈Q2.025號燈Q3.02號燈Q0.110號燈Q1.118號燈Q2.126號燈Q3.13號燈Q0.211號燈Q1.219號燈Q2.2早上Q3.24號燈Q0.312號燈Q1.320號燈Q2.3上午Q3.35號燈Q0.413號燈Q1.421號燈Q2.4中午Q3.46號燈Q0.514號燈Q1.522號燈Q2.5下午Q3.57號燈Q0.615號燈Q1.623號燈Q2.6晚上Q3.68號燈Q0.716號燈Q1.724號燈Q2.7有人Q3.7控制系統硬件設計本次設計的霓虹燈廣告屏控制系統主要包括控制器PLC、霓虹燈變壓器、霓虹燈管、LED顯示屏、光電傳感器等設備。為了實現有效的控制，控制系統的電氣設計應遵循：合理的選擇電氣元件，保證控制系統可以安全穩定的運行；充分發揮PLC功能，滿足生產工藝和控制要求；制定控制方案時，應考慮控制系統的美觀、實用、經濟、和維護簡便；當遵循上述的原則，我們進行對霓虹燈廣告屏控制系統的電氣設計，霓虹燈廣告屏控制系統的電氣設計內容包括：PLC的L和N分別接220V交流電，為PLC提供工作電源。輸入的公共端接PLC輸入的COM端，PLC輸出的COM1、COM2公共端接24V直流電，給PLC的輸出提供24V直流電源。PLC的模擬量輸入和模擬量輸出的24+和24-接24V直流電，提供24V直流電源給模擬量的輸入和輸出。對應的PLC的輸入和輸出接線圖如圖3-8所示。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s18PLC硬件接線圖本章小結本章首先介紹了霓虹燈廣告屏控制系統設計流程和功能設計，然后對LED顯示屏、霓虹燈管閃爍、報警模式、遠程監控進行了方案設計，并結合項目需要對所需器件進行了硬件選型。然后對霓虹燈控制系統輸入輸出進行I/O分配、并且繪出了電氣接線以及對遠程監控硬件進行了設計。

霓虹燈廣告屏控制軟件設計在前文已完成了霓虹燈廣告屏控制系統的設計選型、功能設計、I/O分配，各部分方案設計等。下面進行對PLC控制軟件編程與設計，以實現霓虹燈廣告屏控制系統的功能。控制系統軟件編程TIAPortalv16介紹TIA

Portal(中文

名為“博途"

)組態設計框架將全部自動化組態設計系統完美地組合在一個單一的開發環境之中。這是軟件開發領域的一-

個里程碑,是工業領域第一個帶有“組態設計環境”的自動化軟件。TIA

Portal在單個跨軟件平臺中提供了實現自動化任務所需的所有功能。作為首個用于集成工程組態的共享工作環境，TIA

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在單一的軟件應用程序中集成了各種SIMATIC系統。因此,TIA

Portal支持可靠且方便的跨系統協作，所有必需的軟件包，包括從硬件組態和編程到過程可視化，都集成在一個綜合的工程組態。TIA產品在TIA

Portal中協同工作，能夠在創建自動化解決方案所需的各個方面為使用者提供支持,進一步提高生產力和效率。

典型的自動化解決方案包括:借助程序來控制過程的PLC;用來操作和可視化過程的HMI設備。圖STYLEREF1\s5-SEQ圖\*ARABIC\s11\t"/item/TIA%E5%8D%9A%E9%80%94/_blank"TIAportalV16編程環境PLC內部使用地址為了編程和使用方便，定義了部分PLC內部使用地址，如下表。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s11內部地址使用表名稱數據類型PLC地址名稱數據類型PLC地址啟動信號Bool%M0.01S連續脈沖Bool%M1.2連續模式Bool%M0.11S脈沖Bool%M1.4方案一信號Bool%M0.2單步模式Bool%M3.0方案二信號Bool%M0.3脈沖發生信號Bool%M3.1方案三信號Bool%M0.4上午延時Bool%M0.7方案四信號Bool%M0.5下午時間Bool%M1.0霓虹燈控制本設計對霓虹燈管閃爍設計了五種方案，而且系統有單步/連續控制。工作模式為連續控制時，系統按照方案一、方案二、方案三、方案四、方案五的順序工作。工作模式為單步控制時，需對五種方案進行選擇，選擇其中一種進行工作。五種方案分別有各自的啟動按鈕方案一I1.0、方案二I1.1、方案三I1.2、方案四I1.3、方案五I1.4，五種方案共用一個停止按鈕I0.1。1、單步/連續選擇的實現如圖4-5，單步/連續選擇程序由啟動信號M0.0、停止信號I0.1、光電信號I1.5、單步/連續信號I0.2，進行控制。M0.0為1，I0.1為0，I1.5為0，I0.2為0時系統連續工作模式啟動。M0.0為1，I0.1為0，I1.5為0，I0.2為1時系統單步工作模式啟動。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s12單步/連續選擇程序2、方案選擇的實現系統工作于單步模式時，需要對閃爍方案進行選擇，有五種工作模式進行選擇。有設計程序可知：五種方案的選擇是由復位優先型SR雙穩態觸發器實現的。例如方案一的選擇如圖4-6：單步模式啟動，選擇方案一（I1.0為1），SR進行置位，方案一啟動；當變換方案時，SR進行復位，方案一關閉，所選方案啟動。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s13方案一選擇程序3、循環控制的實現系統在工作時，霓虹燈需要在某種方案下進行循環閃爍。本設計循環控制如下（以方案一為例）：脈沖產生本次設計生成1s連續脈沖，1s脈沖兩個脈沖信號。如圖4-9，1s連續脈沖采用兩個接通延時定時器TON生成。1s脈沖采用生成脈沖定時器TP生成。1s連續脈沖生成：M3.1激活此脈沖發生器，接通延遲定時器DB1輸出M1.1初始值為“False”，因此，下面一條接通延遲定時器DB2開始計時。當接通延時時間到達的時候，輸出

M1.2獲得

“True”信號。

M1.2的“True”信號將觸發DB1開始計時,當第二次接通延時時間到達的時候，標志DB1輸出M1.1被置位,M1.1的

“True”信號將斷開DB2，同時使標志

“M1.2”被復位。M1.2的

“False”信號將中斷DB1,標志

M0.1

的

“False”信號將重新觸發下面一條“TON"”指令，然后整個過程再次重新開始。

其時序圖如圖4-7。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s141s連續脈沖時序圖1s脈沖生成：M3.1激活TP，TP輸出端M1.4置位，1s后輸出端M1.4復位。輸入端檢測到下一個上升沿時，再次產生一個脈沖。

其時序圖如圖4-8。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s151s脈沖時序圖圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s16脈沖產生程序循環控制本次設計利用計數器實現方案的循環，如圖4-11為方案一半圓部分循環控制程序。其利用設置計數器線圈“SC”、降值計數器線圈“CD”、接通延時定時器“SD”實現循環，控制如下：方案一信號M0.2與1s脈沖M1.4都為“1”時計數器C1預置為5，當C1檢測1s連續脈沖信號M1.2有上升沿時C1計數值減1，計數值大于0時輸出C1與M1.3為1。如果C1計數值減為0，則C1復位，此時定時器T6接通延時，1s后置位且C1重新預置為5，實現循環。時序圖如圖4-10。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s17循環時序圖圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s18循環控制程序（3）霓虹燈閃爍時間的實現五種閃爍方案，每一種方案霓虹燈都有不同的閃爍時間，所以需要對每一種方案情況下的霓虹燈時間分別進行設計。此次設計利用接通延時定時器“SD”對其時間進行了控制，以達到所需要的效果。如梯形圖見附錄主程序程序段9、程序段10、程序段11、程序段12、程序段13.LED屏控制LED屏的控制分為：早上控制模式、上午控制模式、中午控制模式、下午控制模式、晚上控制模式，系統控制模式通過PLC的本地時間來決定。采用PLC的RD_LOC_T(讀取本地時間)指令，將PLC的本地時間寫入OUT。讀取本地時間指令讀當前時間和日期并把它裝入一個緩沖區（起始地址是DT）。地址由小到大分別存放年、月、日、小時、分鐘、秒、0。讀取本地時間輸出的數據類型為Date-And-Time，利用T_CONV（轉換時間并提取）指令將OUT中的數據轉換為Time類型。將RD_LOC_T指令讀取的PLC本地時間后小時數存放在T_CONV的OUT中，然后運用OUT與TOD#06:30:00、TOD#08:30:00、TOD#12:00:00、TOD#13:30:00、TOD#18:30:00比較，當OUT大于等于TOD#06:30:00且小于TOD#08:30:00為早上、大于等于TOD#08:30:00且小于TOD#12:00:00為上午、大于等于TOD#12:00:00且小于TOD#13:30:00為中午、大于等于TOD#13:30:00且小于TOD#18:30:00為下午、大于等于TOD#18:30:00為晚上。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s19讀取本地時間程序調試及仿真調試步驟（1）打開STEP7-PLCSIMV16版編程軟件，新創建一個項目。（2）選擇PLC的型號為S7-1500CPU1518-4PN/DN。（3）設置組態（4）編寫梯形圖。（5）編譯程序。（6）啟動仿真。（7）運行PLC，監視程序狀態。觀察能流變化是否正確。（8）觀察PLC的LED亮的次序是否正確。（9）利用狀態表，監視輸出變化是否正確。調試結果（1）仿真輸入輸出SIM表如下:圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s110輸入SIM表圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s111輸出SIM表（2）調試過程及結果測試分為單步模式與循環模式驗證。首先進行了單步模式驗證，單步驗證主要對霓虹燈管閃爍方案進行選擇，然后觀察各個方案是否可以正確工作，檢查其邏輯控制是否符合要求。其操作步驟如下：點擊啟動按鈕，檢查是否可以正常啟動；點擊單步/循環按鈕，觀察是否可以實現單步與循環的轉換；分別點擊五種方案按鈕，觀察每一種方案下霓虹燈的亮滅是否符合控制要求，并檢查能否正確的對方案進行選擇。然后進行了循環模式的驗證，其操作步驟如下：點擊啟動按鈕；觀察輸出是不是按照方案一、方案二、方案三、方案四、方案五的順序進行工作。最后對接近模式與報警模式按照操作進行了驗證。通過每一步測試，結果完全符合邏輯控制要求，可以實現設計功能及方案。HMI人機界面HMI介紹從廣義上說，人機界面(Human

Machine

Iterfee

HMI)泛指計算機(包括PLC)與操作人員交換信息的設備。在控制領域，

人機界面般特指用于操作人員與控制系統之間進行時話和相互作用的專用設備，人機界面可以在惡劣的工業環境中長時間連續運行，是PLC。最住格檔。

人機界面可以用字符、圖形和動畫動態地顯示現場數據和狀態，操作人員可以通過人機界面來控制現場的被控對象。此外，人機界面還有報警、用戶管理、數據記錄、趨勢圖、福方管理、顯示和打印報表、通信等功能。

隨著技術的發展和應用的普及，近年來人機界面的價格已經大幅下降，.

個大規模應用人機界面的時代正在到來，人機界面已經成為現代工業控制系統必不可少的設備之一。

觸摸屏是人機界面的發展方向，用戶可以在觸摸屏的屏幕上生成滿足自己要求的觸摸式按鍵。觸摸屏使用直觀方便，易于操作。畫面上的按鈕和指示燈可以取代相應的硬件元件，減少PLC需要的I/O點數，降低系統的成本，提高設備的性能和附加價值。

現在的觸摸屏一般使用

TFT液品顯示器，每液晶像

素點都用集成在其后的薄膜品體管來驅動，其色彩逼真、亮度高、對比度和層次感強、反應時間短、可視角度大。HMI的建立組態連接CPU和HMI默認的IP地址分別為192.

168.0.1和192.

168.0.2,子網掩碼均為.生成PLC和HMI設備后，雙擊項目樹中的“設備和網絡”，打開網絡視圖，此時還沒有圖4-1中的網絡。單擊工具欄上的“連接”按鈕，它右邊的選擇框顯示連接類型為“HMI連接”。單擊選中PLC中的以太網接口(綠色小方框)，按住鼠標左鍵，移動鼠標，拖出條淺藍色直線。將它拖到HMI的以太網接口，松開鼠標左鍵，生成圖中的“PN/IE_2”。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s11組態連接打開項目視圖，打開從右到左彈出的視圖中的《連接”選項卡，可以看到生的HMI連接的詳細信息，在參數框下將訪問點設為“S7ONLINE”如圖4-2。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s12連接畫面HMI畫面的建立根據工藝和控制要求建立HMI畫面，建立霓虹燈廣告屏相應的燈管，建立啟動、停止、自動手動、急停和復位等開關按鈕，運行指示燈、故障指示燈建立電壓傳感器和電壓顯示、電壓設定等，建立畫面切換按鈕，用于切換畫面。連接PLC變量，組態動畫，做出的主菜單如下4-3圖所示。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s13主菜單畫面建立監控畫面，連接PLC變量，對設置啟動、方案、加/減速等進行相應設定，如下圖4-4所示。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s14監控畫面建立壓力參數設定畫面，主要用于對壓力值的設定和壓力的測量范圍進行設定如下圖所示。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s15參數設定如下圖4-6所示進行建立報警畫面，添加報警控件，然后設置報警相應的參數，調整大小和位置，雙擊報警控件對報警控件的屬性進行設置。如圖所示頂部有報警測試按鈕，用來進行報警測試。圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s16報警畫面

結論與展望本文采用的是基于PLC控制的霓虹燈廣告屏系統，現有的霓虹燈廣告屏