基于PLC和组态王的霓虹灯控制设计

徐铭

（武汉轻工大学电气与电子工程学院，湖北武汉，430023）

传统的继电器存在着诸多如设计麻烦、更改耗时、操作困难等问题,可编程控制器是一种无触点控制设备,用户可以根据需要,通过编程器改变其内部的应用程序,进而改变它对控制对象的控制功能,从而达到控制外部设备的目的,通过PLC与组态王的通讯连接,便可以做到在人机界面直接观察并控制霓虹灯。

1 技术概述

S7-200系列PLC包含多个如二进制、存储、计数等程序指令,简化了编程工作；而且其CPU内置功能也比较多,PLC性能也比较高；基于霓虹灯的设计要求,在选择好硬件设备的条件下,使用西门子公司专门为该PLC系列设计的编程软件STEP7-MICRO/WIN V4.0对程序进行编程,然后将编程的好的程序下载到PLC当中,确认线路连接无误后,启动PLC部分,待实现运行无异后,再进行PLC与组态王之间的连接通讯，结束。

■1.1 PLC的构成和原理

PLC的系统构成可分为硬件系统和软件系统,软件系统后面再描述,其硬件主要组成有中央处理单元、存储单元、I/O接口、通信及扩展接口、电源等。其中CPU的选择极为重要,对应霓虹灯时序要求等确定输入输出端口数量（即CPU型号）。本次设计属于小型设备，选择小型CPU（8位微处理器），其作用是当接收到编辑器的请求时,马上做出响应,对应的霓虹灯所要求时序状态等输出端发出相应信号。因其采用循环扫描的方式不停接收输入信号并产生与之对应的控制信号,所以与继电器控制相比。其反应速度快,信号传输更敏捷,且因其硬件各部分是封装独立构成,所以有着设备稳定、损耗小、占用空间小、使用寿命长以及设计操作周期短等优点。PLC本质上是微型计算机，其工作原理属于计算机一类，具有计算机的大多特点,都是在硬件支持的条件下通过运行已设计好的程序来实现某个功能,但其工作方式和计算机却又有很大的不同,有一些独特性,如上述的不断循环扫描,它不会只运行一次就停机,其扫描周期一般不超过200ms。当PLC处于工作状态,每个扫描周期开始或结束时,由控制器将现场数据采集并存放在RAM中,执行程序时就会从该区域读取,因扫墓周期短,可以忽略采集和读取之间的时间差。而S7-200系列PLC的主要特点是各个硬件组成部分被紧凑且独立的集成在一个设备中,并且其输入输出点多达40个（CPU226）,然后该款PLC共有16种扩展模块,其指令丰富多样,可简化程序；CPU功能也有所完善；运行快速可靠；通信能力强等。

■1.2 组态王人机界面的工作原理

在霓虹灯的控制类设计中,PLC部分和组态王部分本可单独运行,互无关系。但是PLC无法做到远程监视和操控,而组态王部分却又有很好的模拟功能,只是组态王部分模拟的再好,最后还是要和PLC进行通讯,即数据交换和地址连接,而最终要达到在人机界面上可直接监控到外部设备的实际状况并可操控设备的启动停止等操作的目的。在通过与PLC之间的数据交换后,仍是直接由PLC控制外部设备,比如没有组态王的连接PLC仍可单独运行外部设备,而没有PLC部分,设备无法运行。而模拟人机界面之所以可以操控设备,是因为人机界面中的某个按钮或数据经过与对应PLC通讯地址连接,从而改变PLC某刻的输入数据等,达到间接控制外部设备的目的。而人机界面的主要用途是更直观的观察并控制设备,让过程变的可视化,在自动控制领域中的作用也日益显著。在人机界面建立时,有很多如霓虹灯、开关等模拟设备,可以代替真实的按钮和仪表等仪器,现象更直观,在实际应用中也会更安全。而在使用组态王控制系统的仿真实验时,其基本步骤操作如下：先进行图形界面设计(按照设计要求选择合适模拟霓虹灯数量);再构造数据图(对多个系统所要求的数据值进行设定);然后建立动画连接(即各霓虹灯和开关的地址连接通讯),所构建图像要求尽量美观,便于观察;最后运行和调试,结束。

2 线路设计

■2.1 保护线路

为了保证霓虹灯的正常安全使用,应该在线路设计中加入保护电路,如在保护线路中串入正温度系数开关型热敏电阻等可以保证当电流过大,或超过某一阈值时保护电路可以及时工作运行。而在本次设计中,因在实验室中进行,试验箱中自带保护线路。

■2.2 PLC控制系统的硬件设计

硬件选择中犹唯重要的是PLC的选型,本次设计使用S7-200系列PLC,所以只需考虑其CPU的选择。根据设计要求的PLC所控制的霓虹灯数量（如4个）及其所对应的时序要求,确定好输入输出端子数量,并以此为根据选择出性价比较高的CPU。整个电气回路是由I/O接口所连接的,输入暂存器反映了其输入信号状态,输出点又反映了其输出锁存器状态[1]。根据设计要求,将不同时序及反应的霓虹灯对应接在不同的I/O接口上(观看效果更直观)。在经过按要求对霓虹灯反应时序等条件进行程序编程后,可实现在PLC的控制下完成霓虹灯的立即或延时闪烁等动作。但在实际操作中因还有其他外部设备,所以需要对被控系统有足够了解,包括其互锁、保护或PLC与其他设备之间的其他关系,以及PLC各个I/O端口与之对应的外部设备。在选择好I/O端口与之对应的各个霓虹灯和其他设备后,正确绘制出系统的外部硬件接线图,各个继电器、定时器等,然后接线完毕。例图1，含有4个霓虹灯的PLC外部接线图。

图1 PLC外部接线图

3 程序设计

■3.1 软件介绍

STEP7-MICRO/WIN V4.0编程软件和S7-200系列PLC一样,同是西门子公司设计制作的,只是该编程软件是专门用来给S7-200系列PLC的编程而设计的。标准的STEP7编程软件是应用于S7-300/400的PLC系列，且必须要求PC机装配MPI卡或适配器,可以为用户提供包括SIMATIC管理器、硬件配置、符号编辑器、程序编辑器、网络通信组态等工具。而本次应用的编程软件STEP7-MICRO/WIN V4.0与之也并无本质区别。

■3.2 选择编程方法

根据控制系统的要求,对各霓虹灯的反应时序及其他动作,选择合适的编程方法进行编程,其中主程序要以满足霓虹灯的控制为主线,其他的设备控制等程序再逐步一一编写,最终以达到系统所要求的所有功能。在编程软件的实际应用中,基本步骤如下：（1）打开新项目,即启动运行应用程序,新建一个项目；（2）打开现有项目,在文件菜单中有两个选择,一个是“打开”（即重新开始一次编程任务）,一个是“文件名称”（即上次进行过的编程任务,默认保存住了）；（3）进入后,点击查看,再点击程序块,现在即可开始编写程序；（4）编程语言的选择,有包括梯形图、语句表、功能块在内的编程语言[2]；（5）根据以霓虹灯的反应时序及其他状态开始编写主程序,并逐步完成其他程序。

而当软件在实际编程时需要注意以下几点：（1）在使用STEP7-MICRO/WIN V4.0编程软件编写程序时,默认的PLC地址为2,停止位为1,数据位为8,波特率为9600bps；（2）在程序编写完毕后，要将其下载到PLC时,PLC的编程通讯电缆的DIP开关为01001 000,下载完毕后,才可关闭编程软件；（3）将PLC编程电缆DIP开关设置为01000000。

■3.3 图解法简介

PLC设计语言诸多,其中以图解法最为经典,而图解法中我选择的是梯形图法,其本身特点是靠画图来进行PLC程序设计,由梯形图编写的程序是以图形符号或各图形之间的关系来表示系统的各部分之间的控制关系。传统的控制方法多为继电器控制[3],因为该控制方法存在着诸多缺点,终将被淘汰,而原本熟悉继电器操作的人也必须重新掌握一门新的编程语言。而梯形图与继电器之间的关系很奇妙,其各元器件符号名称甚至功能都很相似,因此熟悉继电器控制的人很容易掌握梯形图编程法。而在实际编程时,图解法还有很多种。逻辑流程图法,其特点是利用步进指令,将系统的工作周期分成若干步,且其程序也被分成若干个,根据不同触发条件在每次进入新的过程时关闭另外一个指令,这种方法逻辑性强,不易混淆,便于调试；时序流程图法,在设计的时候,首先画出各输入输出信号时序图，并理清其各状态转换的时间和条件,找出其相互对应关系,最后进行简化,一般该方法需要配合经验法一起使用,因为很有可能会使逻辑过于复杂而难易理顺;步进控制法,该法适合设计比较复杂的程序,而且其步骤需要在顺控指令适合的情况下,将一个复杂且长的程序分成很多个功能简单的小程序。

■3.4 程序调试

程序调试是确认某程序是否能实现某功能的必要步骤,分为模拟调试和现场调试。而模拟调试部分,即通过如组态王等仿真软件代替PLC和其他外部设备。如在组态王模拟界面中,可将某个按钮比作输入信号I,而某个模拟霓虹灯即可比作输出量O的反应,一般情况下,模拟调试不需要外界物理设备,全部操作都在电脑界面上完成,所有需要的模拟量都可以在功能表图中对照系统的设计要求添加到界面上,并模拟接线,最后点击开关,程序运行。而现场调试则需要实际的物理设备如PLC、霓虹灯等,对照已设计好的电路图,接线完毕,并将程序下载到PLC程序存储器中,在实际操作中会发生各种如霓虹灯闪烁不一、时序不对甚至根本没有反应等问题,这样可以很好的暴露出系统的执行器、传感器或是接线等方面的问题。对于各种问题,要逐一解决并重新调试,直至最后达到设计要求。若反复调试还是没办法从根本上解决问题,可以尝试更换CPU或其他硬件设备,通常情况下都只是因程序错误而造成的设计问题,只需稍作修改即可。待所有的调试都通过后,即可投入到实际运行中去。

4 组态王与PLC连接通讯

该设计中组态王部分需要用到的是其模拟功能,组态王的模拟部分本可单独运行,PLC部分也可以单独控制外部设备,二者本没有必要联系,但为了达到从人机界面就可以监控外部设备的目的,组态王与PLC部分的连接通讯必不可少,其详细步骤：（1）启动组态王,点击新建工程,双击当前工程,点开OPC服务器,双击新建;（2）在新窗口中选择“MITSUBISH.MXOPC.4”,同时选择“同步读”、“确定”等，并建立OPC连接;（3）在“数据词典中”新建“I/O变量”,即将输入变量名定义为I/O离散，“连接设备”则选择“MITSUBISH.MXOPC.4”,而寄存器则选择与PLC相对应的值,数据类型选择“Bit”,读写属性选“读写”[4]；（4）同样的,在数据词典中建立其他的变量；（5）点新建画面,按要求将各霓虹灯,开关或其他模拟设备等添加到画面中,加以修饰,尽量做到图像美观；（6）在新建画面中建立连接,连接时注意人机界面的开关地址对应PLC开关地址,各霓虹灯和其他设备地址等也需一一对应,步骤稍有繁琐;（7）保存全部,并运行PLC;（8）运行组态王。其中操作过程时值得注意的是当组态王与PLC通讯时的一些默认参数：如波特率为9600，数据位是8，停止位是1，通讯方式是RS232；S7-200 PPI的COM1地址为2，尝试恢复间隔为30秒，最长的恢复时间为20小时，且要使用动态优化。例图2：含有4个霓虹灯的模拟人机界面。

图2 模拟霓虹灯人机界面

5 结语

随着工业的发展,竞争愈发激烈[5],产品更新换代周期日趋缩短,传统的继电器控制系统也经不住时代的更替,终将被PLC控制所替代。PLC控制简单易学易操作,组态王人机界面也简洁直观,这种由人机界面和PLC控制霓虹灯相结合的控制系统的出现必定会拓宽霓虹灯市场。