基于PLC的电子显示屏设计文献综述

石河子大学信息科学与技术学院毕业设计文献综述课题名称：基于PLC的电子显示屏设计学生姓名：学 号：学 院：信息科学与技术学院专业年级：电子信息工程09级（2）班指导教师：职 称：副教授完成日期：二一三年一月九日 文 献 综 述一、前言 可编程控制器(PLC)是以微处理器为基础的、综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用工业自动控制装置。由于其具有抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、系统安装简单、维修方便等特点，随着工业自动化的发展，可编程控制器在工业中的应用越来越广泛。三菱PLC作为占国内市场份额较高的PLC之一，在工业自动化控制中起着重要的作用。自动施肥控制系统是基于PLC控制实现的。滴灌变量施肥是通过施肥装置将溶解好的肥液注入到灌溉系统中，使肥料随灌溉水一起输送到田间的一种先进施肥方式，是精准施肥与精准灌溉相结合的产物。滴灌施肥的主要优点是施肥均匀、准确，可以稳定且高精度地控制灌水量、施肥量、施肥时间等参数，从而提高了水和肥的利用效率，有效地减轻了土壤和环境污染。在一些发达国家，如以色列、美国、 加拿大等，自动化控制技术发展比较成熟，已开发了智能化程度和控制精度较高的智能灌溉施肥系统，而且得到了广泛的应用。我国与发达国家相比还有一定差距，一些研究所和高校进行了自动施肥控制系统的研究、开发，但大都局限在实验室研究阶段，还未开发出可以适用于大田的高精度自动施肥控制系统。自动施肥控制系统具有提高施肥均匀度和肥料利用率，便于控制施肥量，降低劳动强度等优点，对于实现农业持续、高效、集约发展具有重要的意义，有着广阔的应用前景。本项目的研究意义和必要性及效益主要表现为 2个方面：（1）减少投入，提高作物产量和品质。在作物田块内，依据特定小区的作物生产潜力而投入不同水平的管理（变量播种、施肥、喷药等）， 通过提高化肥的有效利用率来降低农用成本，同时降低作物中有毒物质的残留量, 提高作物的产量和品质。（2）保护环境。减少因农业化学物质的滥用造成环境污染的风险。由于未被利用的氮生成有害气体向大气挥发，形成大气污染源；另一部分未被利用的氮、磷向水体淋溶, 形成水体富营养化的“面源”污染源。LED电子显示屏是由几万几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。LED电子显示屏采用了低电压扫描驱动，具有耗电省、使用寿命长、成本低、亮度高、视角大、可视距离远、防水、规格品种多等优点，可以满足各种不同应用场景的需求，发展前景非常广阔，被公认为最具增长潜力也是发展最快的LED应用市场。而在未来各项大型运动赛事等新增需求，都将促使LED显示屏的大规模发展。此外，已架设的大型LED显示屏幕每10年将历经一次换机潮，随着人们生活水平的提高，户外LED显示屏将逐渐应用于各个行业。二、正文2.1 国内外现状2.1.1国外现状精准变量施肥技术是一个重要的领域。对于农业生产来说，水肥科学控制关系到农业产品的品质和产量，一直以来都是国内外农业经营者、种植者和研究机构关注的焦点。国外对水肥控制技术研究的起步较早。以色列、美国、荷兰、法国等国家在这方面都有很多成果。以色列是个水资源短缺的国家，研发了很多先进的节水技术。其中，先进的微灌技术应用带动了以色列水肥灌溉的兴起，该技术在温室的优势更为明显，其基于精准变量控制的温室水肥灌溉系统对水的最高利用率可以达到95%。AMIAD公司、NETAFIM公司等是以色列知名的水肥精准变量控制技术设备供应商。基于地广人稀的自然特点和劳动力昂贵的社会现实，美国也大量应用自动化灌溉技术。目前，美国是世界上微灌面积推广最大的国家。在微灌技术的基础上，美国大力发展了精准变量施肥技术，开发并大量应用了化肥农药注入泵、文丘里化肥注入系统、40站电磁阀控制器等先进的施肥控制器。目前，美国在精准变量施肥领域处于先进水平。荷兰的花卉产业发达，相关的技术领域发展均较快。荷兰花卉温室大量应用了先进的灌溉施肥设备。荷兰PRIVA公司是世界最大的温室计算机自动控制公司之一，其已经成功开发并应用了多款先进的用于温室生产的自动控制施肥机，能够完全满足实际生产中的水、肥精准变量控制。法国在肥料农药混合器方面的研究也处于国际先进水平，相关的温室园艺使用的精准变量施肥产品应用得也非常普遍。在20 世纪70 年代初，开始应用低流量的文丘里施肥器，主要应用于苗圃和盆栽温室。它的应用解决了早期肥料泵的一个主要缺点，即在低流量时的不精确性。在有电的地方，主要在温室内，电驱动的肥料泵可以对肥料溶液进行精确供应。20 世纪90 年代初，用于精确施用低中流量肥料溶液的新型肥料泵得到发展，引入全电脑控制的现代灌溉施肥技术设备后，养分分布的均匀度得到显著提高。1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为编程序控制器（Programmable Controller），简称 PC。国际电工委员会（IEC）于 1982年11月和 1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其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命令，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，易于扩充功能的原则而设计1。20世纪末期，可编程控制器的发展待点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车和轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国早在20世纪70年代末和20世纪80年代初开始引进PLC，当时随成套设备，专用设备引进了不少国外PLC。如在宝钢工程中，引进了十几种机型达200多台PLC。到80年代中期，PLC已广泛地应用于钢铁工业各大钢厂。PLC控制技术由于它与传统机械良好的结合功能，在钢铁工业中常常作为独立控制主机或其他控制系统的上位机部分，能够进行生产数据的采集，和实时过程的顺序控制，在钢铁生产各阶段发挥重要的作用。他不尽提高了生产效率，改善产品的质量，而且取得了显著的经济效益和成果。2.1.2国内现状1关于PLC控制技术目前,PLC在国内广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。资料显示 ,2008年的国内市场销售达到约60亿元 ,其中进口约60%左右,国内产品的年均需求增长率约为15% ,以满足石油、化工、电力及市政等行业技改的需要。现仅以纺织和冶金行业为例说明PLC的应用情况。PLC在纺织行业的应用。近年来各种可编程控制器在纺织业中的应用面越来越广 ,在纺织生产中的清花、梳棉、并条、精梳、粗纱、络筒、并纱、捻线、整经、浆纱、织布等几乎所有工序都已采用了PLC。常用的PLC设备主要来自欧洲、日本和韩国。PLC在冶金行业的应用。冶金行业的自动控制系统基本上以可编程逻辑控制器（PLC）和集散控制系统(DCS)为主。PLC一般应用在以开关量为主的顺序控制系统中,其较典型的应用是高炉的上料系统、在控制规模较小情况下,该系统的所有开关量信号均通过开关量输人输出模板直接连接到控制器。随着控制规模的扩大,逐渐出现了利用总线技术的远程I/O及分布式I/O的形式,更进一步的是各个相对独立的PLC系统间利用总线技术通讯,连接在总线上的各PLC作为总线上的子站完成相应的功能。由以上分析可见，PLC 在工业自动化中居有核心地位的原因在于PLC的技术具有长期的稳定性 ,又能适时地推进技术的发展。可以说,当今工业控制所要求的性能 ,PLC可以满足85%-90%,其中不足部分也可以用其他办法补充。现代科技发展迅速 ,PLC诞生至今,已经远远的超出了最初的 “可编程逻辑控制器”可以涵盖的范围,其未来的发展与应用必将渗透到经济社会的各个领域。但是应该看到 ,国际上PLC的发展是从研制、开发、生产到应用 ,而我国则是从成套设备引进、PLC引进应用、消化移植、合资生产到广泛应用。对我国PLC生产厂家来说,如何生产出拥有自主知识产权的PLC产品,并形成规模化生产,打造中国自己的PLC品牌是当前面临的一大课题。2滴灌施肥控制系统我国的灌溉施肥技术相对比较落后，水的利用率只有40%（马学良，1999），农业生产中应用精准变量技术起步较晚。20世纪90年代以后， 国家对节水灌溉施肥更加重视，各地从发达国家引进了相关的灌溉施肥设备，使得国内温室大棚等保护地生产的灌溉施肥技术有了较大发展。我国在滴灌施肥研究与开发方面，多集中在设施农业的温室大棚的自动化滴灌系统研制，研制开发了基于智能化管理和控制的灌溉施肥系统，并且得到了的应用。徐飞鹏（2005）提出了适用于温室大棚的分层分布式计算机控制灌溉施肥系统，实现了自动控制、定时控制、周期控制、手动控制四种不同灌溉控制方式为一体的自动控制灌溉与施肥系统；郭克珺（2005）研制开发了2YTF6型灌溉液体施肥施药自动控制系统，可用于林业工厂化育苗、花卉、蔬菜和食用菌等设施灌溉施肥生产管理；杨万龙（2004）研制开发了温室滴灌施肥智能化控制系统，实现了自动与人工干预选择型滴灌与施肥控制系统；国内学者利用单片机技术开发了自动灌溉施肥控制系统，通过硬件和软件的优化组合，实现了滴灌系统中灌溉与施肥的精确控制和同步运行，并且适合我国农业温室自动灌溉及施肥管理，但是并没有关于滴灌大田变量控制精准施肥智能化控制技术的相关研究，本项目在分析国内外该领域的相关技术的基础上结合兵团滴灌大田实际生产需要进行整个控制系统的开发与应用。2.2 相关技术介绍2.2.1 关于PLC控制技术PLC英文全称Programmable Logic Controller中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器是六十年代末在美国首先出现的，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，由此日本称它为顺序控制器。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。当时，根据汽车制造业生产线的需要，希望用电子化的新型控制器替代继电器控制盘，以减少汽车改型时，重新设计制造继电器控制盘的成本和时间。随着半导体技术尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到七十年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出组件和外围电路也都采用了中大规模甚至超大规模的集成电路，这时的“PLC”已不再是仅有逻辑判断功能了，同时具有数据处理、PID调节和数据通讯功能。美国电气制造商协会NEMA从1976年开始，经过四年的调查，于1980年把它正式命名为可编程序控制器，简称“PLC”。可编程序控制器硬件由六部分构成:中央处理器：它是可编程序控制器的心脏部分。CPU由微处理器存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。电源：给中央处理器提供必需的工作电源。输入组件：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。输出组件：输出组件接收CPU的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。编程器：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。PLC控制器主要有CPU、存储器及I/O端口组成，现在比较习惯的PLC分类是按I/O点数分。一般PLC分为三类:小型PLC，小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。 中型PLC，中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024点之间。 大型PLC ，一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能 2.2.2 关于LED电子显示屏技术LED数码管显示屏（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划、公共电极。led数码管显示屏常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等.，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类。了解LED的这些特性，对编程是很重要的。因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。LED数码管显示屏要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 A、静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位*器*进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多。B、动态显示驱动 数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路。位元选通由各自独立的I/O线控制。当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码。但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制。所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。三、结论本论文介绍的是基于PLC的施肥量等数值发送至灌变量控制施肥显示系统与动画演示应用研究技术，目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。使用情况大致可归纳为如下几类：开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网。本课题以施肥量与灌溉变量控制系统为研究对象，在深入了解施肥量与灌溉变量系统的要求、现有控制方式的基础上，提出采用工业化的功能模块设计整体方案，利用PLC控制技术控制系统，以实现灌变量与施肥量的自动控制。基于现场总线的中央控制器的设计与的实现；用于施肥量的精准控制与施肥量和施肥时间二者智能化协同控制，包括施肥均匀性以及施肥浓度、流量等；数据采集部分设计，用于实时采集整个装置实时工况，同时可通过无线网络传输，上传至用户，实现远程智能监控与预警；控制系统软件部分设计。通过施肥装置中阀门协同性及与配肥盘、密封活塞控制上的协同性进行研究，设计上位机控制软件和下位机控制软件对数据进行操作，利用已研发的施肥决策支持系统，实现智能控制。四、参考文献1 胡学林 可编程控制器教程 北京电子工业出版社 2004 P452 廖常初 S7200PL编程及应用 北京机械工业出版社2005 P86-923 陈志新 电器与PLC控制技术 北京大学出版社 2006 P81-3164 王兆义 可编程控制器PLC技术 机械工业出版社 2005 P56-785 贺哲荣 流行PLC实用程序及设计 西安电子科技大学出版社 2006 P45-986 史国生 电气控制及可编程控制器控制技术 化学工业出版社 2007 P46-977 张万忠 可编程控制器控制器 化学工业出版社 2006 P44-788 钟肇新、范建东 可编程控制器原理及应用 华南理工大学出版社9 廖常初 PLC编程及应用第3版 机械工业出版社10王永华 现代电气及可编程控制技术 北京航空航天大学出版社 2002