基于PLC的霓虹灯控制系统设计

基于PLC的霓虹灯控制系统设计第一章绪论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。选择这个题目作为毕业设计，既能通过这次设计复习学过的PLC知识，而且还能提高自己的设计水平，并且在一定程度上提高自己以后在找工作的成功率。所以我选择了这个题目。第二章变频器的现状、发展、结构及内容第一节变频器的现状及其发展随着国民经济的迅速发展，国内对变频器产品的需求越来越大，同时，变频器由于其节能环保的特性，受到国家政策的大力支持。变频器是一种高技术含量、高附加值、高回报的高科技产品。变频器最初的使用并不是为了节能，而是交流传动代替直流传动，并满足过程化控制的要求。随着自动化、电力电子等技术的发展，变频器作为电机调速节能关键设备，改变了普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无需任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗，达到系统高效运行的目的。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。其现阶段发展情况主要表现如下：①技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模。②能够提供特大功率的变频器，目前已超过10000KW。③变频调速产品的技术标准比较完备。④与变频器相关的配套产业及行业初具规模。⑤能够生产变频器中的功率器件，如IGBT、IGCT、SGCT等。⑥高压变频器在各个行业中被广泛应用，并取得了显著的经济效益。⑦产品国际化，当地化加剧。⑧新技术，新工艺层出不穷，并被大量的、快速的应用于产品中。目前，在国内有不低于200家的低压变频器厂商，其大部分为AC380V的低压产品，而在高压大功率变频器方面，在30家左右。由于罗宾康没有在中国申请专利保护，因此绝大多数厂家都采用美国罗宾康的技术即单元串联多重化结构。随着技术研究的进一步深入，在理论上和功能上国产高压变频器已经可以与进口变频器相比肩，但是受工艺技术的限制，与进口产品的差距还是比较明显。这些状况主要表现在如下几个方面：①国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场，并加快了本地化的步伐。②具有研发能力和产业化规模的逐年增加。③国产高压变频器的功率也越做越大，目前国内最大的应用做到了20000KW。④国内高压变频器的技术标准还有待规范。⑤与高压变频器相配套的产业很不发达。⑥生产工艺一般，可以满足变频器产品的技术要求，价格相对低廉。⑦变频器中使用的功率半导体关键器件完全依赖进口，而且相当长时间内还会依赖进口。⑧与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中。⑨已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。⑩部分厂家已经开发出四象限运行的高压变频器一般变频器的节电率在20%-30%左右，最高甚至可超过50%，变频器的节能效果与应用环境的工况参数十分相关。电动机运行工况的参数设置是否合理、所带负载的变化特性，以及设备最初的调节、调速方式均可以直接影响变频器的节电效果。随着变频技术的高速发展与产品功能的拓展，变频器在水泥、电梯、印刷、电力等现代化产业以及医学、通讯、交通、运输、电力、电子、环保等领域得到空前的发展和应用，几乎国民经济各行各业都与变频器密不可分。按照720元/KW价格估计，即使在不考虑新增电动机的情况下，我国变频器市场规模已达到731亿元，发展空间十分广阔。交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展，其主要表现为：①高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展。②高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加（器件串联和单元串联）两个方向发展。③更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。④现阶段，IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色，SCR、GTO将会退出变频器市场。⑤无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。⑥全面实现数字化和自动化：参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术。⑦应用32位MCU、DSP及ASIC等器件，实现变频器的高精度，多功能。⑧相关配套行业正朝着专业化，规模化发展，社会分工将更加明显。第二节变频器的结构及其内容变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。1.整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块.2.平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压(电流)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。3.控制电路现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式4逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。第三章可编程控制器的概况第一节可编控制器的产生与应用可编程控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术、和通信技术为一体放入新型自动控制技术。其性能优越，已被广泛的应用于各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC的应用已成为一个世界潮流，在不久的将来PLC技术在我国将得到更全面的发展。一、可编程控制器的产生及发展可编程控制器的产生可追溯到20世纪60年代末，在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作，若要改变控制的顺序就必须改变控制系统地硬件连线，这样就使其应用在很多方面受到限制，其通用性和灵活性都比较差。20世纪60年代末，计算机技术开始应用于工业领域，由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。其主要内容是：1)编程简单，可在现场修改程序；2)维护方便，最好是插件式；3)可靠性高于继电器控制柜；4)体积小于继电器控制柜；5)可将数据直接送入管理计算机；6)在成本上可与继电器控制柜竞争；7)输入可以是交流115V；8)输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀等；9)在扩展时，原系统只需很小变更；10)用户程序存贮器容量至少能扩展到4K。这就是著名的GM10条。如果说各种电控制器、电子计算机技术的发展是可编程序控制器出现的物质基础，那么GM10条就是可编程序控制器出现的直接原因。1969年，美国数据设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在GM公司的生产线上。其后日本、西德等相继引入，使其迅速发展起来。但这一时期它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC(ProgrammableLogicController)。70年代初期诞生的微处理器和微型计算机，经过不断地开发和改进，软、硬件资源和技术已经十分完善，价格也很低廉，因而渗透到各个领域。可编程序控制器的设计和制造者及时吸收了微型计算机的优点，引入了微处理器和其它大规模集成电路，诞生了新一代的可编程序控制器。70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC(ProgrammableController)。但由于PC容易和个人计算机(PersonalComputer)相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。1985年1月国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器给出如下定义“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，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联成一个整体，易于扩充的原则设计”。PLC从诞生至今，其发展大体经历了三个阶段：从20世纪70年代至80年代中期，以单机为主发展硬件技术，为取代传统的继电器—接触器控制系统而设计了各种PLC的基本型号。到80年代末期，为适应柔性制造系统(FMS)的发展，在提高单机功能的同时，加强软件的开发，提高通信能力。90年代以来，为适应计算机集成制造系统(CIMS)的发展，采用多CPU的PLC系统，不断提高运算速度和数据处理能力。PLC与传统的继电器逻辑相比，它具有如下优点：1）由于采用了大规模集成电路和计算机技术，因此可靠性高、逻辑功能强且体积小。2）在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，PLC无需增加硬设备，利用微处理器及存储器的功能，就可以很容易地完成这些逻辑组合和运算，大大降低了控制成本。3）由于PLC采用软件编制程序来完成控制任务，所以随着要求的变更对程序进行修改显得十分方便，具有很好的柔性。继电器线路则是通过许多真正的“硬”继电器和它们之间的硬接线达到的，要想改变控制功能，必须变更硬接线，重新配置，灵活性差。4）新一代PLC除具有远程通讯功能以及易于