PLC霓虹灯的设计.doc

PLC广告霓虹灯的设计
摘要：随着社会主义市场经济的不断繁荣和发展，各大中小城市都在进行亮化工程。各企业为宣传自己企业的形象和产品，均采用广告手法之一：霓虹灯广告屏来实现这一目的。当我们夜晚走在大街上，马路两旁各色各样的霓虹灯广告均可以见到，一种是采用霓虹灯管做成的各种形状和多种色彩的灯管，另一种是以日光灯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。这些灯的亮灭、闪烁时间及流动方向等均可以通过PLC来达到控制的要求。
霓虹灯的闪烁不能用人工控制，那样不会呈现给人们美的视觉，而用电器控制的话，中间使用的继电器会有机械摩损，而霓虹灯的闪烁时间间隔是相当的短，几乎是零点几秒，这样看来使用电器控制是不太可能了。当然，随着一种需要必然会有一种东西的产生，可编程控制器（PLC）的出现就解决了这个问题，它具有它独特的优点来控制霓虹灯的闪烁。
关键词：PLC；可编程控制器；霓虹灯
第一章 霓虹灯概述
1.1 霓虹灯的起源及其发展史
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、制作工艺复杂，而且造价昂贵，很难普及。
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。
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。
   霓虹灯按其玻璃管内壁所涂粉的不同，档分为3种类型：第一种是玻璃内壁不涂任何荧光粉，直接采用无色透明的玻璃管，通常称为明管；第二种是在透明玻璃管内壁涂有荧光粉，我们称它为粉管；第三种是采用彩色玻璃管，且与其它光源相比，霓虹灯具有更高的亮度。
1.2 霓虹灯的发光特点
与其他光源相比，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，霓在玻璃管内壁均匀涂上荧光粉，我们称它为彩管。霓虹灯的寿命在正常情况下高于日光灯和白炽灯，要达到这一水平必须做到三点：1、制作人员水平过硬，排气人员轰击去气得当、彻底；2、启动它的变压器不得超载；3、安装人员细致合理的安装；只要做到以上要求，实践证明霓虹灯的寿命是高于日光灯和白炽灯的。
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。目前，霓虹灯电感变压器较为知名的品牌有亿亚、通汇。
　　（2）电子变压器（也称高频冷启动管形放电灯（霓虹灯）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
　　（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
　　（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制作工艺
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 霓虹灯的制作工艺
霓虹灯在制作工艺上，不论是明管、粉管还是彩管，其制作工艺基本相同，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惰性气体，经过老练，即完成霓虹灯制作过程。
2.3 霓虹灯现状与发展
目前，霓虹灯市场上鱼龙混杂，有营业执照承接工程的单位只占市场的30%，这类单位有独自的设计、制作、安装能力，信誉好、产品质量过关，后期维护到位，是用户的首选单位。
第二类，没有营业执照挂靠其它单位，这类“单位”专业性不强，产品质量无保证，后期维护不到位。
第三类，皮包公司，无任何证件、信誉和能力，打一枪换一地，产品质量和后期维护根本谈不上。
　　霓虹灯是一个专业性比较强的行业，正规单位的产品质量好，寿命长。可正是第二类和第三类公司扰乱霓虹灯市场，给用户的感觉霓虹灯容易坏。其实霓虹灯的寿命比日光灯还长，为了您的利益，请选择有执照，有能力，有信誉的单位。
以前霓虹灯制造企业几乎全部用普通玻璃管、普通电极，随着人们对产品要求的提高，高铅玻璃管、陶瓷环电极、三基色粉管，渐变彩虹霓虹灯正越来越广泛的走向人们的生活，使人们的生活更加精彩、亮丽。
第三章 PLC概述
3.1　PLC的定义
PLC (Programmable Logic Controller)是在继电器控制技术、计算机技术和现代通信技术的基础上逐步发展起来的一项先进的控制技术。在现代工业发展中 PLC 技术、CAD/CAM 技术和机器人技术并称为现代工业自动化的三大支柱。它主要以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出(I/O)来控制各种生产过程， 是工业控制的核心部分。
3.2　PLC的发展
PLC的发展大体上可分为3个阶段：
①形成期（1970―1974年）
在这一期间PLC以准计算的面貌与用户见面。在软件上采用机器码和汇编语言编写应用程序，在硬件上采用中小规模集成电路构成系统。其功能仅限于开关逻辑控制，且价格昂贵，只在一些大型生产设备和自动生产线上使用。
②成熟期（1973―1978年）
在这一时期，一方面随着大规模集成电路的出现，出现了以微处理器为核心的新一代PLC，另一方面采用了梯形图语言，通俗易懂。由此称为PLC，且技术也日趋完善。
③大发展时期（1977――至今）
由于PLC技术的发展始终保持两个特点：一是继承继电器控制系统的特点，二是应用了计算机技术。所以随着PLC应用的扩大，全面促进了PLC的生产和研究，产品的品种也越来越多，需求量也越来越大，而且很受欢迎，PLC也成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。国家已形成为重要产业。据不完全统计，世界PLC总销售额1987年为25亿美元，1988年为31亿美元，比前一年增长24％。1989年为36亿美元，比上一年增长16％。而且新的生产家不断涌现，产量产值大幅度增加，价格也普遍下降。
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。
３．３ＰＬＣ的应用
随着国外PLC技术的日益发展，其应用也越来越广泛，其范围通常可分成五大类型：
①顺序控制
这是现今PLC应用最广泛的领域，可以取代传统的继电器顺序控制可以用于单机、多级群控制式生产自动线控制。如：注塑机、印刷机械、组合机床、装配生产线、包装生产线、电镀车间及电梯控制线路等等。
②运动控制
PLC制造商目前已提供了拖动步进电机式伺服电机的单轴式多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴式数轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。运动的编程可用PLC的语言完成，通过编程器输入。
③过程控制
PLC能控制大量的物理参数。例如:温度、压力、速度和流量。PID（Proportional-Integral-Derivative）模块的提供使PLC具有了闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当由于控制过程中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。
④数据处理
在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的SYSTEM　10.11.12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件，通过窗口软件用户可以自由编程，由PLC连至CNC设备使用。预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理体系。
⑤通信
为了适应国外近年来兴起的工厂自动化（FA）系统发展需要，发展了PLC之间、PLC与上级计算机之间的通信功能，它们都采用光纤通信多级传递。输入/输出模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统