第2章 霓虹灯控制系统的硬件设计 （2）扩展阶段：从20世纪70年代中期到70年代末期。 （3）通信阶段：20世纪70年代末期到80年代中期。 （4）开放阶段：从20世纪80年代中期开始。
2.2 可编程控制器（PLC）的特点及选择
2.2.1 PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
传统的继电器控制系统中采用了打量时间继电器和中间继电器，但是由于触头经常会接触不良、容易产生故障，所以PLC用软件替代了其中时间继电器和中间继电器，仅仅保留了与I/O有关的少量硬件，将失误降低到最少。因此，PLC具有很强的抗干扰能力，比较可靠。
（2）编程简单，操作方便。
PLC使用最多的编程语言就是梯形图，同时它的图形符号和表达方式和继电器有着很大的相似之处。梯形图语言易学易懂、简单直观，即便是熟悉继电器的技术人员也可以在极少时间内熟悉和掌握梯形图语言，并且运用梯形图进行编程，因此PLC变成有着编程简单、操作方便的优点。
（3）体积小，能耗低。
相对于比较复杂的控制系统，使用PLC可以减少大量的时间继电器和中间继电器，有些小型的PLC甚至只有几个继电器的大笑，因此可以将体积缩小到原来的十分之一到二分之一。因为PLC的配线比继电器控制系统配线少了很多，所以可以在剩下大量的附件和配线的同时，也减少了大量的安装接线攻势，再加上其开关柜体的缩小，因此减免了不少的费用。
（4）系统的设计、安装、调试的工作量小，维护方便。
因为PLC控制器减免了大量的中间继电器、时间继电器和计数器等等期间，因此在控制柜的设计、安装和接线上减免了大量的工作，这也就意味着其发生故障的概率大大降低，再加上PLC具有完善的自诊断和显示功能，当PLC外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC的发光二极管或者编程器提供的信息迅速查明故障原因并加以解决。
（5）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。
随着PLC的迅速发展，PLC产品已经基本实现标准化、系列化、模块化，并且可以配备不同型号齐全的硬件装置以供用户选择，用户根据自己切身需要而进行选择不同的组装和装备，以形成各种功能不同、规模也不同的的PLC进行操控。因此其适应性很强，用户用着也很方便[6]。
20世纪20年代起，人们开始普遍采用继电-接触器控制进行控制，但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积比较大，可靠性非常差，动作速度也很慢，功能比较少，
5
华北理工大学轻工学院 难以实现较为复杂的控制，接线较为复杂，当生产工艺或者对象发生改变时，原有的接线和控制盘就要进行更换，所以通用性和灵活性比较差；随着商业领域的竞争的日益激烈，必然要求生产线的控制系统亦随之改变提升，PLC的出现良好的解决了这一问题[7]。
其优势可归纳为：
（1）编程方便，可现场修改程序； （2）维修方便，采用插件式结构； （3）可靠性高于继电器控制装置； （4）体积小于继电器控制盘； （5）数据可直接送入管理计算机； （6）成本可与继电器控制盘竞争； （7）输入可以是交流150V以上； （8）功能完善、灵活方便。[8]
2.2.2 PLC的选型
S7-200是一种小型的可编程控制器，它适用于各种领域，在各种场合进行检测、检测以及实行控制的自动化。S7-200系列的强大功能使它在独立运行和相连成网络中都能实现复杂的控制功能。因此，S7-200系列是具有很高的性价比[9]。
S7-200系列在集散自动化控制系中发挥着极其强大的功能，使用范围也是从极其简单的继电器到极其复杂的自动化控制。它的应用领域更是广发，覆盖所有的自动检测、自动控制等有关的工业、民用领域[10]。
目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种CPU。档次最低的是CPU221，其数字量输入点有6点，数字量输出点有4点，是控制规模最小的。PLC档次最高的应属CPU226，CPU226集成了24点输入16点输出，共有40点数字量I/O，可连接7个扩展模块，最大扩展数字量I/O 24点或模拟量I/O 35路[11]。
⑴CPU221
本机集成有6输入/4输出共10个数字量I/O点，没有I/O扩展能力。拥有6K字节程序和数据存储空间，1个RS485通讯/编程口，2路独立的20kHz高速脉冲输出，4个独立的30kHz高速计数器，同时还具有MPI通讯协议、PPT通讯协议和自由方式通讯能力，是一款非常适用于小数点控制的微型控制器。
⑵CPU222
本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点，可连接2个扩展模块。6K字节程序和数据存储空间。1个RS485通讯/编程口，2路独立的20kHz高速脉冲输出，4个独立的30kHz高速计数器，同时还具有MPI通讯协议、PPT通讯协议和自由方式通讯能力，是一款非常适用于小数点控制的微型控制器，与CPU221差别不大。
6
第2章 霓虹灯控制系统的硬件设计 ⑶CPU224
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。1个RS485通讯/编程口，2路独立的20kHz高速脉冲输出，6个独立的30kHz高速计数器，同时还具有MPI通讯协议、PPT通讯协议和自由方式通讯能力， I/O端子排可很容易地整体拆卸，是一款具有较强控制能力的控制器，也是我们本次霓虹灯控制系统设计最为合适的。
⑷CPU226
本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可以连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。2个RS485通讯/编程口，2路独立的20kHz高速脉冲输出，6个独立的30kHz高速计数器，同时还具有MPI通讯协议、PPT通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸，适用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统[12]。
经过上述可知，西门子S7-200PLC是高性能小型PLC，其中CPU226是直流输入输出，含有24点输入和16点输出，而我们的设计系统共使用了3个输入和15个输出，最为契合我们的要求，所以选择这款CPU226。
2.2.3 PLC的工作过程
PLC的工作过程：PLC的工作过程和其他的微控制器有着巨大的区别，微控制器的工作过程一般都为循环扫描和实时输出，也就是说微控制器在尾部信号或者内部程序进行逐一指令运算处理的过程中，当运算某一步是便会直接将运算结果执行出来。但是PLC因为工作的场合比较特殊，在循环扫描过程中会集中输出，即扫描过程和微控制器相同都是采用顺序扫描，但是在处理结果时有了区别[13]。PLC的扫描过程如图2.1
2.3 霓虹灯的硬件设计
2.3.1 霓虹灯特点和按钮的选择
1、 霓虹灯的特点：
①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。
②温度低，使用不受气候限制
7
华北理工大学轻工学院
图2.1 PLC的扫描工作过程
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。
③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也在不断进步。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。
④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。
⑤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。
⑥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。
8
第2章 霓虹灯控制系统的硬件设计 霓虹灯内部结构图如图2.2所示
图2.2 霓虹灯机构图
2、按钮的选择：
按钮开关是用来切断和接通控制电路的低压开关电器。按钮开关的触头的额定电流为10A。所以，操作按钮开关所控制的电路属于小电流电路[14]。
按钮有单极双位开关或双极双位开关，它按动能与用途又分为起动按钮、复位按钮、检查按钮、控制按钮、限位按钮等多种。
按钮有动合（常开）和动断（常闭）之分。
系统中选择H25-21R 红色按钮开关一个，H25-21G绿色按钮开关2个。 H25-21系列产品特点：
（1）缓动型强制分断触点以及特有的触点自洁功能具备，确保通断可靠。 （2）采用超高亮纯色LED灯珠。
（3）选择开关、钥匙开关止松动安装垫片标准配备。 （4）1a+1b触点配备可方便的增加为2a+2b。
（5）H25/30-275具有10A（1a+1b）瞬动双断开触点的带灯按钮。 （6）全部的规格具备防护等级IP65
2.3.2 霓虹灯电路图设计
利用梯形图编程，首先必须确定所使用的编程元件编号，PLC是按编号来区别操作元件的。我们选用的S7-226型号的PLC，其内部元件的地址编号如下表所示，使用时一定要明确，每个元件在同一时刻决不能担任几个角色。一般讲，配置好的PLC，其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当）[7]。
程序需实现的功能：主要是控制“节”，“日”，“快”，“乐”，4个字灯的闪亮过程，具体实现的控制功能为：当按下启动开关时，4个霓虹灯开始闪烁，每次亮0.5秒，灭0.5秒，按下停止开关灯灭；字灯周围6彩灯：\节日快乐\个字，每个字周围有6个彩灯，ABCDEF，
9