基于西门子PLC-200的塔灯控制系统设计

邵美芳

福州职业技术学院，福建 福州 350108

0 引言

随着我国经济的快速发展，我国城镇化水平显著提高，人们生活质量大幅度提升，对于灯光的需求也日益增加。无论是居家照明、商场综合体照明还是大型建筑物塔灯，都离不开控制系统的设计。其中，塔灯作为一个城市的标志性建筑，对灯的控制提出了更高的要求。单片机控制系统抗干扰能力差、环境适应能力不强和不易维护，在使用方面受到一定的限制。基于塔灯所处的特殊环境，文章采用功能强大、可靠性高、稳定性强和维护方便的可编程控制器（PLC）对塔灯进行控制[1]。

1 系统控制要求

现实中的塔灯控制方式多种多样，文章就其中较常用的发散控制方式进行系统设计。系统采用2个输入设备，一个是启动按钮SB0，另一个是停止按钮SB1，输出设备是9盏灯。当按下启动按钮时，L1灯亮；4 s后L1灯灭，同时L2、L3、I4、L5灯亮起；4 s后L2、L3、I4、L5灯灭，同时L6、L7、L8、L9灯亮起；4 s后L6、L7、L8、L9灯灭，L1灯亮起。如此循环往复，直至按下停止按钮，所有灯灭。

2 硬件设计

2.1 PLC选型

根据系统功能，需连接2个输入元件和9个输出元件，即PLC至少要有2个输入接线端口和9个输出接线端口，西门子PLC-200的型号为西门子S7-200 Smart PLC（CPU 226），集成的数字输入端口有24个，输出端口有16个，完全可以满足系统控制要求。

2.2 I/O分配表

根据塔灯系统控制要求，将启动按钮SB0接在输入端子I0.0，停止按钮接在输入端子10.1，9盏灯分别接在输出端口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 硬件接线图

采用220 V单向交流电给PLC供电，PLC输入端和输出端均采用24 V直流电源供电。根据I/0分配表绘制PLC外部接线图，如图1所示。

图1 PLC外部硬件接线图

3 软件设计

采用顺序控制指令和比较指令两种程序编写方法，通过比较两种方法的差异，得出较为适合的编程方法。

3.1 运用比较指令实现控制

（1）比较指令编程步骤。比较指令分为数值比较指令（数据类型有B、I、D、R）和字符串比较指令（数据类型为S），其功能为当2个比较数的关系满足比较运算符（如“=”“＞”“＜”“≥”“≤”）的条件时，触点闭合，接通后面的电路；否则比较触点断开，后面的电路无法接通[2]。

比较指令编程步骤如下[3]：

第一步：计算出控制系统完成一个周期工作所用的时间；

第二步：画出时间轴线，以每盏灯亮灭的时间节点作为时间轴上的分节点；

第三步：根据各时间节点运用比较指令编写程序。

系统运行一完整周期共需12 s，时间节点分别为4 s、8 s和12 s，可以绘制出时间轴如图2所示。其中，0＜t≤4 s时，L1灯亮；4＜t≤8 s时，L1灭，L2、L3、L4、L5亮；8＜t≤12 s时，L2、L3、I4、L5灭，L6、L7、L8、L9 亮。

图2 塔灯控制系统时间轴

（2）程序编写与分析。宇龙机电控制仿真软件是上海数林软件有限公司开发的专门用于实验实训的仿真软件，具有成本低、实用性强、安全可靠等优点，特别适合初学者用于控制系统的设计和开发。宇龙机电控制仿真软件兼有PLC编程和电路仿真的功能，且能对程序可视化和自动评判[4]，因此直接利用该软件编写梯形图简单、方便。采用T37定时器计时，定时器当前值为16位有符号的整数，比较指令数据类型要选用整数I。

依据时间轴线，运用比较指令编写的控制程序如图3所示。

图3 比较指令编写的塔灯控制系统程序

在图3程序中，I0.0代表启动按钮SB0，I0.1代表停止按钮SB1。Q0.0～Q0.7和Q1.0分别代表9盏灯。5个程序段的功能如下。

网络1程序段：采用起保停编程法实现系统的启停控制，按下启动按钮SB0，系统开始按要求工作，若想停止，直接按停止按钮SB1即可停止整个系统。

网络2程序段：设定一个周期工作时间，当时间到达120 s，重新开始新一轮的循环，此时T37起到置、复位功能，也起到循环功能。

网络3程序段：系统启动后，定时器计时4 s内L1灯亮。

网络4程序段：定时器计时4～8 s，L1灯灭，L2、L3、L4、L5 亮。

网络5程序段：定时器计时8～12 s，L2、L3、L4、L5灭，L6、L7、L8、L9亮。

3.2 运用顺序控制指令实现控制

3.2.1 顺序控制指令编程步骤

PLC顺序控制设计主要分为三个步骤[5]：分析系统工作过程；设计顺序功能流程图；转换梯形图程序。

3.2.2 顺序功能流程图

根据顺序控制设计的三个步骤，首先，分析塔灯工作过程。其次，依据控制要求画出塔灯系统顺序功能流程图，如图4所示。系统启动后，初始动作为点亮L1灯；转换条件一（定时器T37计时4 s）满足后，下一步动作是点亮L2、L3、L4、L5灯，同时熄灭L1灯；转换条件二（定时器T38计时4 s）满足后，下一步动作是点亮L6、L7、L8、L9灯，同时熄灭L2、L3、L4、L5灯；循环条件三（定时器T39计时4 s）满足后，回到初始步状态（L1灯亮，其他灯全灭），如此循环。

图4 塔灯控制系统顺序功能流程图

3.2.3 顺序功能流程图转换为梯形图

每一个状态步需要四个程序段完成[6]，即步的开始（SCR指令）、步的执行、步的转换（SCRT指令）和步的结束（SCRE指令）。该控制系统有3个状态步，因此至少需要编写12个程序段。将顺序功能流程图转换为梯形图，其中部分程序如图5所示。

图5 顺序控制指令编写的塔灯控制系统程序

4 系统运行调试

确认两种编程方法编写的梯形图程序编译无误后，切换到宇龙电路仿真界面，如图6所示。将程序导入PLC运行，从电路运行结果来看，两种编程方法都能实现控制要求，同时表明控制系统达到了设计要求。

图6 塔灯控制系统电路仿真界面

5 结束语

文章设计了塔灯控制系统，包括硬件设计和软件设计。在软件设计部分，分别运用比较指令和顺序控制指令的编程方法。从软件仿真结果来看，两种方法都能实现控制要求。

运用比较指令编程时，只要列出时间节点，画出时间轴，利用一个定时器即可完成程序编写，逻辑清晰，较易掌握；顺序控制指令需画出顺序功能流程图，然后转化为梯形图，过程复杂，定时器数量较多，程序段较前者明显增多。比较两种指令编写程序的过程，可以得出比较指令相对顺序控制指令简单易懂，可读性强。