2 循环彩灯自动控制系统的方案研究

2.1 彩灯发光原理分析
目前彩灯大都是以电能进行驱动的一种发光装置，在电能驱动发光过程中，我们常见的有白炽灯，其光源颜色通常为黄色。彩灯也是根据这种原理制作完成的，其可以发出不同颜色的灯光是由于其灯管或者灯泡内部添加了惰性气体，通过添加这种不同的惰性气体可以实现不同灯光颜色的发出。如下图所示是常见的灯光色彩与填充气体对照表。
表2.1常用彩灯颜色与填充气体对照表
颜色 气体 灯管颜色
大红 Ne 无
深红 Ne 淡红
金黄 He 淡红
蓝色 Ar80%,Ne20% 淡蓝
绿色 Ar80%,Ne20% 淡黄
紫色 Ar50%,Ne50% 无
如上表所示，当灯管颜色为无色或者透明时，在灯管中添加Ne气，其在灯管两端添加电压后，其发出的光为大红色；同理当灯管颜色为淡黄色，其在灯管内部添加百分之八十的Ar气体，添加百分之二十的Ne气体，其在灯管两端添加电压后，其发出的光为蓝色。其它颜色配比对照见上表。
2.2 本次设计控制要求分析
本次设计为了模拟彩灯控制的功能效果，因此通过对彩灯使用要求的分析，尽可能的实现常见的几种彩灯控制以及使用条件上的模拟，后期可以根据具体使用要求实现对不同彩灯控制的设计。本次设计的彩灯控制要求分析如下。
（1）首先彩灯具有自动控制方式，能够通过使用按钮等输入设备实现灯光的开启以及关闭控制；
（2）为了模拟不同的彩灯控制效果，通过两种彩灯的控制效果，实现对其交相点亮，模拟不同造型彩灯的交替点亮；在一组彩灯中实现循环点亮，实现循环彩灯的目的；
（3）为了一些小型空间中彩灯点缀中不仅有灯管小姑还有起雾效果以及飞腾的泡泡，以烘托人们高涨的情绪，实现绚丽效果的点缀，因此本次设计中模拟添加该功能，实现本次设计的全面性。
2.3 控制系统对比与分析
2.3.1 常见控制方式分析
在对本课题进行控制系统研究时，常见的有一下几种控制方式：继电器与接触器的控制方式、专用控制方式以及通用控制系统方式。对其进行研究对比选择本次适用的控制方式。
接触器与继电器的控制系统方式较为传统，其主要是通过接触器以及继电器实现开光量的控制过程，通过使用时间继电器实现了定时开启与关闭的功能，使用开关量传感器加继电器的方式实现了简单的参数识别以及控制输出元件的作用。这种方式在控制较为简单的控制要求下成本较低，但是在对诸多功能进行控制时，其需要增加相应的单个控制元件，比如时间控制器、压力控制器、温度控制器等部分，导致完成的电路设计十分复杂，采用诸多的继电器进行逻辑关系的叠加，不仅增加前期的工作量而且在后期维护维修过程中需要对其进行逐个排查，十分费事费力。
通用控制系统主要以PLC为代表，其通过使用PLC逻辑控制器可以替代传统的接触器继电器的控制，其可以通过内部编程的形式使用内部的时间继电器、中间继电器、模拟量模块等替代继电器控制中外围的电路连接，做到简化线路的目的。并且其可以实现较为复杂的控制古城，比如对温度的恒温控制、对压力的恒压调节、能够实现模拟量信号的采集以及输出、发出与接收脉冲信号等，这是传统继电器控制方式难度较大的控制，并且其程序可以任一更改与拓展，灵活性较高，是目前使用最为广泛的控制系统方式。
专用控制器以单片机为代表，其功能强大成本较低，但是前期设计周期较长，其在功能设计完成后，后期对其进行换代更新较为繁琐。在设计完成后通常作为一个专用的控制元件实现对专用设备以及系统的控制过程，其对工作环境要求较高，在一些较为复杂的环境中，比如粉尘、震动、高温等场所其故障率较高，稳定性不如通用控制器。
2.3.2 本次设计的控制系统选择
通过上述分析传统的继电器控制方式外围电路较为复杂，使用专用的单片机控制其设计周期长，粮库中存在诸多粉尘等杂志因此后期故障率无法保证，而PLC通用控制器编程简单高效，能够适应一定复杂环境的使用稳定性较高。因此本次控制系统设计采用PLC系统控制方式。
2.4 控制思路分析
本次设计在对系统确定后，对控制方式以及思路进行整理，本次对循环彩灯的控制思路如下所示。1.本次设计中为了增加彩灯的模拟效果，将彩灯分为两组，一组各包含8个彩灯，实现不同效果的控制；2.一组彩灯使用循环位移指令实现循环顺序点亮的效果；3.另一组彩灯实现间隔闪烁点亮，实现间隔一秒时间亮一秒的控制；4.其中两组彩灯控制中，两组彩灯循环交替接通，实现两组之间的循环彩灯控制效果；5.使用时间继电器将拓展功能的泡泡机以及气体烟雾机进行定时开启，实现接通一分钟，关闭五分钟的控制效果。

3 循环彩灯控制系统的硬件选型与应用

3.1 整体硬件结构分析
在完成控制方案设计后，对本次所需控制硬件部分进行分析，并对其进行结构布置的分布，并绘制其结构简图，可以实现对其硬件控制部分之间控制关系更加直观的展现。
本次设计中其输入硬件部分主要有按钮开关、车辆检测光电开关和若干个行程限位开关，作为输入信号将控制信号以及状态信号传输到控制元件PLC中；
PLC作为一个核心控制元件经过我们对其继续逻辑程序的编写，实现对输出元件部分的控制过程。输出硬件部分主要彩灯两组共十六个彩灯负载端。泡泡机以及烟雾机等辅助设备等部分。本次设计的硬件结构部分简图如下所示。

图3.1硬件部分布置结构简图
3.2.2 本次设计的PLC的型号确定
本次设计中对品牌的选择选用德国西门子品牌，其性能优越，并且在我国使用十分广泛，以及自己对其品牌比较熟悉，所以本次设计选择PLC品牌为西门子。常用的西门子PLC有大型、中小型等型号，本次设计的程序较为简单，因此采用中小型PLC即可满足设计要求。本次设计中采用西门子S7-200系列，是一种使用较为十分常见的型号。在西门子S7-200系列中其根据CPU以及输出输出点数以及内存等其它参数不同可以分为221CPU、222CPU、224CPU、226CPU等几种常用型号。本次设计对输出输出点进行预估，需要输入6个输出18个，在输出硬件中不存在使用脉冲进行控制的硬件部分，因此综合上述部分选择的最终型号为西门子S7-200CPU226型号，并且需要拓展一个数字量模块。

图3.1PLC型号选择图

4 PLC控制程序软件设计

4.1 软件控制流程图的绘制
在上述控制流程方案的以及流程的确定后，以及实现其整体硬件部分的设计完成后，对软件编写逻辑关系进行整理与汇总，实现对其整个控制流程的直观展现，本次设计通过绘制控制流程图更加形象直观的展现其控制过程中的先后顺序以及控制逻辑关系。本次绘制的控制流程图如下所示。其在上述方案分析时已经对控制方案进行了设计，在编写程序之前先设计其控制流程图，能更加形象直观的观察编写程序实现功能。其进出门控制流程如下所示。

图4.3循环彩灯控制流程图
4.3 程序模拟
在使用西门子PLCS7-200系列时，在对其程序的模拟调试过程中，其官方没有模拟功能，因此需要接触相兼容的插件进行模拟。本次设计中对其程序的模拟以及验证采用S7-200模拟器进行。
在对梯形图进行程序验证过程中，我们常见的方式有两种，一种是现场调试一种是线上模拟调试。其中线上模拟调试虽然可以实现程序的调试过程，但是其调试过程受到软件的限制以及传感器、控制器以及现场环境的影响等，存在一定的误差，因此其作为一个工程师对初期程序进行检验以及对其程序正确性进行初期判定的方式实现对编写的梯形图程序的验证。其实现方式通常使用编程软件或者插件的形式，实现对梯形图程序的在线模拟运行，但是在对其进行程序验证模拟过程中，需要人工根据自己编写的逻辑关系对形影的检测信号或者开关进行触发，其外围没有连接硬件设备，所以在对其调试过程中我们要对程序有足够的了解以及调试过程中逻辑关系的把握，否则将会造成程序调试的失败，因此在程序调试过程中，首先要确定调试步骤与思路，最好的方式就是分段调试，通过分段调试过程保证各部分正常操作后，再进行整体调试。
现场调试是在系统设备硬件等部分进行外围电路连接以后，并进行制定位置的安装等，可以通过使用相应的按钮开关、传感器的触发、以及驱动相应的电机、气缸的动作执行等，观察其运行的步骤以及程序执行的正确性。这种方式较为理想，最为贴近实际的使用过程，但是其受限于硬件部分，对其硬件采购成本较大，在本次设计中如采购相应硬件部分增加了毕业设计的成本，因此选择使用线上调试过程。
本次调试过程使用S7-200模拟器进行调试，其软件画面如下所示。

图4.2程序的调试软件画面
通过上图可以看出其包含程序的上载以及相应参数的设置以及PLC的型号选择等内容。其主要操作步骤有：首先双击画面，进入调试环境中。

图4.3进入调试环境

结论

本次设计完成了对一种循环彩灯的自动控制系统的设计过程。首先对自动控制系统进行了资料的学习，并通过自己的认识完成了对循环彩灯系统的现状、发展趋势的分析。在对循环彩灯以及循环彩灯结构研究的基础上以及几种常见的自动控制系统形式，选择了一种门禁式循环彩灯以及循环彩灯为代表的自动控制系统进行自动化控制系统设计，进而完成控制系统的方案分析、硬件设计、程序编写等部分内容。并完成了接线图、输入输出端口分配、电磁阀得电顺序表、控制流程图、梯形图、组态控制画面等技术文件的编写与绘制，基本完成了本次设计的整个过程。
本次设计中虽然有效的完成了循环彩灯的自动化控制系统设计过程，但是本次是设计中只采用了两组循环彩灯为代表进行设计，在实际运用中需要根据美工设计效果实现对想用彩灯的控制，以实现一个整体的彩灯点亮效果，但是本次设计基本完成了对其控制过程。本次设计仍有其值得深化研究的地方，比如远程控制以及随时可以实现无线传输改变目前现有的控制效果，则将会实现彩灯实用性的进一步扩大。

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