基于PLC和組態王的霓虹燈控制設計

徐銘

（武漢輕工大學電氣與電子工程學院，湖北武漢，430023）

傳統的繼電器存在著諸多如設計麻煩、更改耗時、操作困難等問題,可編程控制器是一種無觸點控制設備,用戶可以根據需要,通過編程器改變其內部的應用程序,進而改變它對控制對象的控制功能,從而達到控制外部設備的目的,通過PLC與組態王的通訊連接,便可以做到在人機界面直接觀察并控制霓虹燈。

1 技術概述

S7-200系列PLC包含多個如二進制、存儲、計數等程序指令,簡化了編程工作；而且其CPU內置功能也比較多,PLC性能也比較高；基于霓虹燈的設計要求,在選擇好硬件設備的條件下,使用西門子公司專門為該PLC系列設計的編程軟件STEP7-MICRO/WIN V4.0對程序進行編程,然后將編程的好的程序下載到PLC當中,確認線路連接無誤后,啟動PLC部分,待實現運行無異后,再進行PLC與組態王之間的連接通訊，結束。

■1.1 PLC的構成和原理

PLC的系統構成可分為硬件系統和軟件系統,軟件系統后面再描述,其硬件主要組成有中央處理單元、存儲單元、I/O接口、通信及擴展接口、電源等。其中CPU的選擇極為重要,對應霓虹燈時序要求等確定輸入輸出端口數量（即CPU型號）。本次設計屬于小型設備，選擇小型CPU（8位微處理器），其作用是當接收到編輯器的請求時,馬上做出響應,對應的霓虹燈所要求時序狀態等輸出端發出相應信號。因其采用循環掃描的方式不停接收輸入信號并產生與之對應的控制信號,所以與繼電器控制相比。其反應速度快,信號傳輸更敏捷,且因其硬件各部分是封裝獨立構成,所以有著設備穩定、損耗小、占用空間小、使用壽命長以及設計操作周期短等優點。PLC本質上是微型計算機，其工作原理屬于計算機一類，具有計算機的大多特點,都是在硬件支持的條件下通過運行已設計好的程序來實現某個功能,但其工作方式和計算機卻又有很大的不同,有一些獨特性,如上述的不斷循環掃描,它不會只運行一次就停機,其掃描周期一般不超過200ms。當PLC處于工作狀態,每個掃描周期開始或結束時,由控制器將現場數據采集并存放在RAM中,執行程序時就會從該區域讀取,因掃墓周期短,可以忽略采集和讀取之間的時間差。而S7-200系列PLC的主要特點是各個硬件組成部分被緊湊且獨立的集成在一個設備中,并且其輸入輸出點多達40個（CPU226）,然后該款PLC共有16種擴展模塊,其指令豐富多樣,可簡化程序；CPU功能也有所完善；運行快速可靠；通信能力強等。

■1.2 組態王人機界面的工作原理

在霓虹燈的控制類設計中,PLC部分和組態王部分本可單獨運行,互無關系。但是PLC無法做到遠程監視和操控,而組態王部分卻又有很好的模擬功能,只是組態王部分模擬的再好,最后還是要和PLC進行通訊,即數據交換和地址連接,而最終要達到在人機界面上可直接監控到外部設備的實際狀況并可操控設備的啟動停止等操作的目的。在通過與PLC之間的數據交換后,仍是直接由PLC控制外部設備,比如沒有組態王的連接PLC仍可單獨運行外部設備,而沒有PLC部分,設備無法運行。而模擬人機界面之所以可以操控設備,是因為人機界面中的某個按鈕或數據經過與對應PLC通訊地址連接,從而改變PLC某刻的輸入數據等,達到間接控制外部設備的目的。而人機界面的主要用途是更直觀的觀察并控制設備,讓過程變的可視化,在自動控制領域中的作用也日益顯著。在人機界面建立時,有很多如霓虹燈、開關等模擬設備,可以代替真實的按鈕和儀表等儀器,現象更直觀,在實際應用中也會更安全。而在使用組態王控制系統的仿真實驗時,其基本步驟操作如下：先進行圖形界面設計(按照設計要求選擇合適模擬霓虹燈數量);再構造數據圖(對多個系統所要求的數據值進行設定);然后建立動畫連接(即各霓虹燈和開關的地址連接通訊),所構建圖像要求盡量美觀,便于觀察;最后運行和調試,結束。

2 線路設計

■2.1 保護線路

為了保證霓虹燈的正常安全使用,應該在線路設計中加入保護電路,如在保護線路中串入正溫度系數開關型熱敏電阻等可以保證當電流過大,或超過某一閾值時保護電路可以及時工作運行。而在本次設計中,因在實驗室中進行,試驗箱中自帶保護線路。

■2.2 PLC控制系統的硬件設計

硬件選擇中猶唯重要的是PLC的選型,本次設計使用S7-200系列PLC,所以只需考慮其CPU的選擇。根據設計要求的PLC所控制的霓虹燈數量（如4個）及其所對應的時序要求,確定好輸入輸出端子數量,并以此為根據選擇出性價比較高的CPU。整個電氣回路是由I/O接口所連接的,輸入暫存器反映了其輸入信號狀態,輸出點又反映了其輸出鎖存器狀態[1]。根據設計要求,將不同時序及反應的霓虹燈對應接在不同的I/O接口上(觀看效果更直觀)。在經過按要求對霓虹燈反應時序等條件進行程序編程后,可實現在PLC的控制下完成霓虹燈的立即或延時閃爍等動作。但在實際操作中因還有其他外部設備,所以需要對被控系統有足夠了解,包括其互鎖、保護或PLC與其他設備之間的其他關系,以及PLC各個I/O端口與之對應的外部設備。在選擇好I/O端口與之對應的各個霓虹燈和其他設備后,正確繪制出系統的外部硬件接線圖,各個繼電器、定時器等,然后接線完畢。例圖1，含有4個霓虹燈的PLC外部接線圖。

圖1 PLC外部接線圖

3 程序設計

■3.1 軟件介紹

STEP7-MICRO/WIN V4.0編程軟件和S7-200系列PLC一樣,同是西門子公司設計制作的,只是該編程軟件是專門用來給S7-200系列PLC的編程而設計的。標準的STEP7編程軟件是應用于S7-300/400的PLC系列，且必須要求PC機裝配MPI卡或適配器,可以為用戶提供包括SIMATIC管理器、硬件配置、符號編輯器、程序編輯器、網絡通信組態等工具。而本次應用的編程軟件STEP7-MICRO/WIN V4.0與之也并無本質區別。

■3.2 選擇編程方法

根據控制系統的要求,對各霓虹燈的反應時序及其他動作,選擇合適的編程方法進行編程,其中主程序要以滿足霓虹燈的控制為主線,其他的設備控制等程序再逐步一一編寫,最終以達到系統所要求的所有功能。在編程軟件的實際應用中,基本步驟如下：（1）打開新項目,即啟動運行應用程序,新建一個項目；（2）打開現有項目,在文件菜單中有兩個選擇,一個是“打開”（即重新開始一次編程任務）,一個是“文件名稱”（即上次進行過的編程任務,默認保存住了）；（3）進入后,點擊查看,再點擊程序塊,現在即可開始編寫程序；（4）編程語言的選擇,有包括梯形圖、語句表、功能塊在內的編程語言[2]；（5）根據以霓虹燈的反應時序及其他狀態開始編寫主程序,并逐步完成其他程序。

而當軟件在實際編程時需要注意以下幾點：（1）在使用STEP7-MICRO/WIN V4.0編程軟件編寫程序時,默認的PLC地址為2,停止位為1,數據位為8,波特率為9600bps；（2）在程序編寫完畢后，要將其下載到PLC時,PLC的編程通訊電纜的DIP開關為01001 000,下載完畢后,才可關閉編程軟件；（3）將PLC編程電纜DIP開關設置為01000000。

■3.3 圖解法簡介

PLC設計語言諸多,其中以圖解法最為經典,而圖解法中我選擇的是梯形圖法,其本身特點是靠畫圖來進行PLC程序設計,由梯形圖編寫的程序是以圖形符號或各圖形之間的關系來表示系統的各部分之間的控制關系。傳統的控制方法多為繼電器控制[3],因為該控制方法存在著諸多缺點,終將被淘汰,而原本熟悉繼電器操作的人也必須重新掌握一門新的編程語言。而梯形圖與繼電器之間的關系很奇妙,其各元器件符號名稱甚至功能都很相似,因此熟悉繼電器控制的人很容易掌握梯形圖編程法。而在實際編程時,圖解法還有很多種。邏輯流程圖法,其特點是利用步進指令,將系統的工作周期分成若干步,且其程序也被分成若干個,根據不同觸發條件在每次進入新的過程時關閉另外一個指令,這種方法邏輯性強,不易混淆,便于調試；時序流程圖法,在設計的時候,首先畫出各輸入輸出信號時序圖，并理清其各狀態轉換的時間和條件,找出其相互對應關系,最后進行簡化,一般該方法需要配合經驗法一起使用,因為很有可能會使邏輯過于復雜而難易理順;步進控制法,該法適合設計比較復雜的程序,而且其步驟需要在順控指令適合的情況下,將一個復雜且長的程序分成很多個功能簡單的小程序。

■3.4 程序調試

程序調試是確認某程序是否能實現某功能的必要步驟,分為模擬調試和現場調試。而模擬調試部分,即通過如組態王等仿真軟件代替PLC和其他外部設備。如在組態王模擬界面中,可將某個按鈕比作輸入信號I,而某個模擬霓虹燈即可比作輸出量O的反應,一般情況下,模擬調試不需要外界物理設備,全部操作都在電腦界面上完成,所有需要的模擬量都可以在功能表圖中對照系統的設計要求添加到界面上,并模擬接線,最后點擊開關,程序運行。而現場調試則需要實際的物理設備如PLC、霓虹燈等,對照已設計好的電路圖,接線完畢,并將程序下載到PLC程序存儲器中,在實際操作中會發生各種如霓虹燈閃爍不一、時序不對甚至根本沒有反應等問題,這樣可以很好的暴露出系統的執行器、傳感器或是接線等方面的問題。對于各種問題,要逐一解決并重新調試,直至最后達到設計要求。若反復調試還是沒辦法從根本上解決問題,可以嘗試更換CPU或其他硬件設備,通常情況下都只是因程序錯誤而造成的設計問題,只需稍作修改即可。待所有的調試都通過后,即可投入到實際運行中去。

4 組態王與PLC連接通訊

該設計中組態王部分需要用到的是其模擬功能,組態王的模擬部分本可單獨運行,PLC部分也可以單獨控制外部設備,二者本沒有必要聯系,但為了達到從人機界面就可以監控外部設備的目的,組態王與PLC部分的連接通訊必不可少,其詳細步驟：（1）啟動組態王,點擊新建工程,雙擊當前工程,點開OPC服務器,雙擊新建;（2）在新窗口中選擇“MITSUBISH.MXOPC.4”,同時選擇“同步讀”、“確定”等，并建立OPC連接;（3）在“數據詞典中”新建“I/O變量”,即將輸入變量名定義為I/O離散，“連接設備”則選擇“MITSUBISH.MXOPC.4”,而寄存器則選擇與PLC相對應的值,數據類型選擇“Bit”,讀寫屬性選“讀寫”[4]；（4）同樣的,在數據詞典中建立其他的變量；（5）點新建畫面,按要求將各霓虹燈,開關或其他模擬設備等添加到畫面中,加以修飾,盡量做到圖像美觀；（6）在新建畫面中建立連接,連接時注意人機界面的開關地址對應PLC開關地址,各霓虹燈和其他設備地址等也需一一對應,步驟稍有繁瑣;（7）保存全部,并運行PLC;（8）運行組態王。其中操作過程時值得注意的是當組態王與PLC通訊時的一些默認參數：如波特率為9600，數據位是8，停止位是1，通訊方式是RS232；S7-200 PPI的COM1地址為2，嘗試恢復間隔為30秒，最長的恢復時間為20小時，且要使用動態優化。例圖2：含有4個霓虹燈的模擬人機界面。

圖2 模擬霓虹燈人機界面

5 結語

隨著工業的發展,競爭愈發激烈[5],產品更新換代周期日趨縮短,傳統的繼電器控制系統也經不住時代的更替,終將被PLC控制所替代。PLC控制簡單易學易操作,組態王人機界面也簡潔直觀,這種由人機界面和PLC控制霓虹燈相結合的控制系統的出現必定會拓寬霓虹燈市場。