基于西門子PLC-200的塔燈控制系統設計

邵美芳

福州職業技術學院，福建 福州 350108

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，我國城鎮化水平顯著提高，人們生活質量大幅度提升，對于燈光的需求也日益增加。無論是居家照明、商場綜合體照明還是大型建筑物塔燈，都離不開控制系統的設計。其中，塔燈作為一個城市的標志性建筑，對燈的控制提出了更高的要求。單片機控制系統抗干擾能力差、環境適應能力不強和不易維護，在使用方面受到一定的限制。基于塔燈所處的特殊環境，文章采用功能強大、可靠性高、穩定性強和維護方便的可編程控制器（PLC）對塔燈進行控制[1]。

1 系統控制要求

現實中的塔燈控制方式多種多樣，文章就其中較常用的發散控制方式進行系統設計。系統采用2個輸入設備，一個是啟動按鈕SB0，另一個是停止按鈕SB1，輸出設備是9盞燈。當按下啟動按鈕時，L1燈亮；4 s后L1燈滅，同時L2、L3、I4、L5燈亮起；4 s后L2、L3、I4、L5燈滅，同時L6、L7、L8、L9燈亮起；4 s后L6、L7、L8、L9燈滅，L1燈亮起。如此循環往復，直至按下停止按鈕，所有燈滅。

2 硬件設計

2.1 PLC選型

根據系統功能，需連接2個輸入元件和9個輸出元件，即PLC至少要有2個輸入接線端口和9個輸出接線端口，西門子PLC-200的型號為西門子S7-200 Smart PLC（CPU 226），集成的數字輸入端口有24個，輸出端口有16個，完全可以滿足系統控制要求。

2.2 I/O分配表

根據塔燈系統控制要求，將啟動按鈕SB0接在輸入端子I0.0，停止按鈕接在輸入端子10.1，9盞燈分別接在輸出端口Q0.0～Q0.7和Q1.0。I/O分配表如表1所示。

表1 I/0分配表

2.3 硬件接線圖

采用220 V單向交流電給PLC供電，PLC輸入端和輸出端均采用24 V直流電源供電。根據I/0分配表繪制PLC外部接線圖，如圖1所示。

圖1 PLC外部硬件接線圖

3 軟件設計

采用順序控制指令和比較指令兩種程序編寫方法，通過比較兩種方法的差異，得出較為適合的編程方法。

3.1 運用比較指令實現控制

（1）比較指令編程步驟。比較指令分為數值比較指令（數據類型有B、I、D、R）和字符串比較指令（數據類型為S），其功能為當2個比較數的關系滿足比較運算符（如“=”“＞”“＜”“≥”“≤”）的條件時，觸點閉合，接通后面的電路；否則比較觸點斷開，后面的電路無法接通[2]。

比較指令編程步驟如下[3]：

第一步：計算出控制系統完成一個周期工作所用的時間；

第二步：畫出時間軸線，以每盞燈亮滅的時間節點作為時間軸上的分節點；

第三步：根據各時間節點運用比較指令編寫程序。

系統運行一完整周期共需12 s，時間節點分別為4 s、8 s和12 s，可以繪制出時間軸如圖2所示。其中，0＜t≤4 s時，L1燈亮；4＜t≤8 s時，L1滅，L2、L3、L4、L5亮；8＜t≤12 s時，L2、L3、I4、L5滅，L6、L7、L8、L9 亮。

圖2 塔燈控制系統時間軸

（2）程序編寫與分析。宇龍機電控制仿真軟件是上海數林軟件有限公司開發的專門用于實驗實訓的仿真軟件，具有成本低、實用性強、安全可靠等優點，特別適合初學者用于控制系統的設計和開發。宇龍機電控制仿真軟件兼有PLC編程和電路仿真的功能，且能對程序可視化和自動評判[4]，因此直接利用該軟件編寫梯形圖簡單、方便。采用T37定時器計時，定時器當前值為16位有符號的整數，比較指令數據類型要選用整數I。

依據時間軸線，運用比較指令編寫的控制程序如圖3所示。

圖3 比較指令編寫的塔燈控制系統程序

在圖3程序中，I0.0代表啟動按鈕SB0，I0.1代表停止按鈕SB1。Q0.0～Q0.7和Q1.0分別代表9盞燈。5個程序段的功能如下。

網絡1程序段：采用起保停編程法實現系統的啟停控制，按下啟動按鈕SB0，系統開始按要求工作，若想停止，直接按停止按鈕SB1即可停止整個系統。

網絡2程序段：設定一個周期工作時間，當時間到達120 s，重新開始新一輪的循環，此時T37起到置、復位功能，也起到循環功能。

網絡3程序段：系統啟動后，定時器計時4 s內L1燈亮。

網絡4程序段：定時器計時4～8 s，L1燈滅，L2、L3、L4、L5 亮。

網絡5程序段：定時器計時8～12 s，L2、L3、L4、L5滅，L6、L7、L8、L9亮。

3.2 運用順序控制指令實現控制

3.2.1 順序控制指令編程步驟

PLC順序控制設計主要分為三個步驟[5]：分析系統工作過程；設計順序功能流程圖；轉換梯形圖程序。

3.2.2 順序功能流程圖

根據順序控制設計的三個步驟，首先，分析塔燈工作過程。其次，依據控制要求畫出塔燈系統順序功能流程圖，如圖4所示。系統啟動后，初始動作為點亮L1燈；轉換條件一（定時器T37計時4 s）滿足后，下一步動作是點亮L2、L3、L4、L5燈，同時熄滅L1燈；轉換條件二（定時器T38計時4 s）滿足后，下一步動作是點亮L6、L7、L8、L9燈，同時熄滅L2、L3、L4、L5燈；循環條件三（定時器T39計時4 s）滿足后，回到初始步狀態（L1燈亮，其他燈全滅），如此循環。

圖4 塔燈控制系統順序功能流程圖

3.2.3 順序功能流程圖轉換為梯形圖

每一個狀態步需要四個程序段完成[6]，即步的開始（SCR指令）、步的執行、步的轉換（SCRT指令）和步的結束（SCRE指令）。該控制系統有3個狀態步，因此至少需要編寫12個程序段。將順序功能流程圖轉換為梯形圖，其中部分程序如圖5所示。

圖5 順序控制指令編寫的塔燈控制系統程序

4 系統運行調試

確認兩種編程方法編寫的梯形圖程序編譯無誤后，切換到宇龍電路仿真界面，如圖6所示。將程序導入PLC運行，從電路運行結果來看，兩種編程方法都能實現控制要求，同時表明控制系統達到了設計要求。

圖6 塔燈控制系統電路仿真界面

5 結束語

文章設計了塔燈控制系統，包括硬件設計和軟件設計。在軟件設計部分，分別運用比較指令和順序控制指令的編程方法。從軟件仿真結果來看，兩種方法都能實現控制要求。

運用比較指令編程時，只要列出時間節點，畫出時間軸，利用一個定時器即可完成程序編寫，邏輯清晰，較易掌握；順序控制指令需畫出順序功能流程圖，然后轉化為梯形圖，過程復雜，定時器數量較多，程序段較前者明顯增多。比較兩種指令編寫程序的過程，可以得出比較指令相對順序控制指令簡單易懂，可讀性強。