西門子S7-1200可編程控制器在搶答器設計中的應用

華 濱

（武漢軟件工程職業學院，湖北武漢430000）

0 引言

搶答器廣泛應用于各種知識競賽中，傳統的搶答器大都采用模擬電路、數字電路或模數混合電路組合而成，這類控制系統雖然小巧靈活，但是制作過程復雜，且可靠性往往達不到要求[1]。

本文介紹一種以西門子S7-1200 PLC為核心控制器的四路搶答器系統，該系統在傳統搶答器的基礎上加以改進，能夠使得比賽過程有條不紊，更加公平、合理。

1 系統主體框架

本文介紹一種用S7-1200 PLC作為主控制器的四路搶答器，共包含一個出題按鈕、一個復位按鈕、四個搶答按鈕，還外接了一個七段數碼管，實時顯示搶答選手編號。可實現如下要求：

（1）搶答器可同時供四位選手或四個代表隊參賽，每個競賽臺均設有一個搶答按鈕或并聯多個搶答按鈕（依據每個代表隊人數來定）。

（2）主持人控制臺處設有出題按鈕以及復位按鈕，用來控制選手開始答題和搶答系統的復位。

（3）搶答器能實時鎖存搶答成功選手編號，并將其顯示到數碼管上。主持人按下搶答鍵，如果選手搶答成功，選手編號立即被鎖存，并顯示到七段數碼管，同時禁止其他選手再進行搶答。搶答成功選手的編號會一直保存在系統里，直至主持人按下復位按鈕。

（4）主持人按下開始搶答按鈕后，搶答指示燈會以一定的頻率開始閃爍，示意選手開始搶答。如果參賽選手在主持人按下開始搶答按鈕前已經搶答，則搶答無效，系統還是會鎖定主持人按下開始搶答按鈕后第一個搶答到的選手。

（5）搶答過程呈現周期性。當主持人按下復位按鈕后，將清除數碼管上的數字，同時復位系統狀態，為下一輪搶答做準備。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

S7-1200使用靈活、功能強大、設計緊湊、組態靈活并具有功能強大的指令。CPU將微處理器、輸入和輸出電路、內置PROFINET、高速運動控制I/O以及模擬量輸入組合到一個設計緊湊的控制器中，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI和網絡通信等任務。S7-1200 PLC還包含4種類型的定時器、3種類型的計數器，可滿足各種不同的定時、計數需求[2]。在程序設計結構上，S7-1200可采用模塊化程序設計方法，將完成特定任務的代碼塊封裝到一個功能FC或功能塊FB中，使程序條理清晰，調試方便[3]。

基于以上控制要求，本文采用S7-1200/CPU1214DC/DC/DC為主控制器，該主控包含14路輸入觸點、10路輸出線圈、2個模擬量輸入口、6個高速計數器、4路脈沖輸出，且輸入回路與輸出回路電壓均為DC 24 V，滿足系統要求。

2.2 數碼顯示

7段數碼管可以組合顯示十進制0～9以及十六進制A～F。本控制系統只需顯示數字0～3，用來顯示4位參賽選手的編號。為了便于控制，本文采用共陰極數碼管，當某一字段發光二極管的陽極為高電平時，相應字段就會被點亮，為低電平時，就不亮。通過程序控制PLC輸出端電平的高低，來顯示不同的數字，從而顯示獲得搶答機會的選手編號[4]。

2.3 I/O分配

根據系統實際需求，本文總共用到西門子1200 PLC的6個輸入觸點I0.0～I0.3、I1.0及I1.1，8個輸出線圈Q0.0～Q0.6、Q1.0。其中，I0.0～I0.3為0～3號參賽選手面前相對應的輸入觸點，I1.0為出題觸點，I1.1為系統的復位觸點；Q0.0～Q0.6輸出線圈接7段數碼管，Q1.0接出題指示燈。PLC的IO接線圖如圖1所示。

圖1 IO接線圖

3 系統軟件設計

為了使程序結構簡單、明了，在主程序中多次引用中間標志位表示程序運行狀態。其中M1.0～M1.3表示4位參賽選手搶答成功的標志位。M2.0表示開始搶答標志位。通過中間標志位來建立系統輸入與輸出間的關系，這樣程序結構更加清晰，便于維護與調試。

3.1 初始化、開始及復位控制

系統上電時，使用系統存儲器的首次掃描位初始化所有標志位。當主持人按下開始搶答按鈕，建立開始搶答標志位。按下復位按鈕后，清除中間標志位，為下次開始搶答做準備。如圖2所示，M10.0為首次掃描位，在啟動組織塊完成后的第一次掃描期間內，該位為1。利用首次掃描位，可實現系統狀態的復位功能，清除掉M1.0開始的5個狀態標志位，Q0.0開始的8個輸出線圈。I1.0為開始搶答按鈕，建立開始搶答標志位。I1.1為復位按鈕，復位M1.0開始的5個狀態標志位。

圖2 初始化、開始及復位控制程序

3.2 選手搶答

選手答題時，采用經典的“起保停”控制電路。四位參賽選手搶答成功，分別建立四個不同的搶答標志位M1.0～M1.3。采用互鎖程序結構，只要有一位選手搶答成功，其他選手就不能繼續搶答[5]。這樣做，可以防止搶答現場出現多人搶答成功的混亂局面。如圖3所示，I0.0為1號選手搶答按鈕端，M1.1～M1.3為2～4號選手搶答成功標志位，M2.0為開始搶答標志位。只有當主持人按下開始搶答按鈕后，其他選手還未曾搶答，1號選手方可搶答成功。

圖3 1號選手搶答控制程序

3.3 答題指示燈控制及數碼管顯示

西門子S7-1200 PLC可將中間寄存器配置成多種頻率的周期性脈沖，用來產生0.1 s、0.2 s、0.4 s等8種不同周期的方波信號，用于在用戶程序中周期性觸發動作。本設計使用了該功能，實現從開始搶答到搶答成功時間段的指示燈周期性閃爍。選手搶答成功，相應的M1.0～M1.3標志位會有信號，根據M1.0～M1.3四個不同標志位的狀態，再用七段數碼管顯示1～4不同的選手編號。如圖4所示，M2.0為開始搶答標志位，M0.5為系統內部1 Hz周期信號，Q1.0為出題指示燈。主持人按下開始搶答按鈕，開始搶答標志位M2.0有效，若4位參賽選手均未按下搶答按鈕，則出題指示燈Q1.0會以1 s的周期閃爍，直到有一位選手搶答成功。M1.1為2號選手搶答標志位，M1.2為3號選手搶答標志位，這兩位選手編號的顯示，均需要點亮7段數碼管的“a”字段。

圖4 數碼管控制程序示例

4 結語

本文主要介紹了一種基于西門子S7-1200系列PLC的四路搶答器控制系統。所給出的程序設計方案合理，易于理解，編程技巧強[6]。通過按鈕SB0控制輸入端子I1.0進而控制搶答系統的開始；開始搶答后，出題指示燈Q1.0會以1 s的周期閃爍；閃爍期間，選手可按下搶答按鍵I0.0～I0.3進行搶答，只要有一位選手搶答成功，電路互鎖，其他選手就不能搶答，并通過控制七段數碼管Q0.0～Q0.6來顯示搶答成功的選手編號；通過按鈕SB9控制輸入端子I1.1來完成搶答系統的復位功能，清除一切系統狀態，開啟下一輪搶答。本文所介紹的控制系統性能穩定，使用方便，可廣泛用于各種比賽搶答系統。