徐銘

（武漢輕工大學電氣與電子工程學院，湖北武漢，430023）

傳統(tǒng)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(jù)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(tài)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(shù)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(xiàn)運行無異后,再進行PLC與組態(tài)王之間的連接通訊，結束。

■1.1 PLC的構成和原理

PLC的系統(tǒng)構成可分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),軟件系統(tǒng)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(shù)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(tài)等輸出端發(fā)出相應信號。因其采用循環(huán)掃描的方式不停接收輸入信號并產(chǎn)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(wěn)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(yōu)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(xiàn)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(huán)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(tài),每個掃描周期開始或結束時,由控制器將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集并存放在RAM中,執(zhí)行程序時就會從該區(qū)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(tài)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(tài)王部分本可單獨運行,互無關系。但是PLC無法做到遠程監(jiān)視和操控,而組態(tài)王部分卻又有很好的模擬功能,只是組態(tài)王部分模擬的再好,最后還是要和PLC進行通訊,即數(shù)據(jù)交換和地址連接,而最終要達到在人機界面上可直接監(jiān)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(shù)據(jù)交換后,仍是直接由PLC控制外部設備,比如沒有組態(tài)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(shù)據(jù)經(jīng)過與對應PLC通訊地址連接,從而改變PLC某刻的輸入數(shù)據(jù)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(xiàn)象更直觀,在實際應用中也會更安全。而在使用組態(tài)王控制系統(tǒng)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(shù)量);再構造數(shù)據(jù)圖(對多個系統(tǒng)所要求的數(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)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(jù)設計要求的PLC所控制的霓虹燈數(shù)量（如4個）及其所對應的時序要求,確定好輸入輸出端子數(shù)量,并以此為根據(jù)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(tài),輸出點又反映了其輸出鎖存器狀態(tài)[1]。根據(jù)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(jīng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)絡通信組態(tài)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(qū)別。

■3.2 選擇編程方法

根據(jù)控制系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(jù)以霓虹燈的反應時序及其他狀態(tài)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(shù)據(jù)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(jīng)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(tǒng)的各部分之間的控制關系。傳統(tǒng)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(tǒng)的工作周期分成若干步,且其程序也被分成若干個,根據(jù)不同觸發(fā)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(tài)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(jīng)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(xiàn)某功能的必要步驟,分為模擬調試和現(xiàn)場調試。而模擬調試部分,即通過如組態(tài)王等仿真軟件代替PLC和其他外部設備。如在組態(tài)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(tǒng)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(xiàn)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(fā)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(tǒng)的執(zhí)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(tài)王與PLC連接通訊

該設計中組態(tài)王部分需要用到的是其模擬功能,組態(tài)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(lián)系,但為了達到從人機界面就可以監(jiān)控外部設備的目的,組態(tài)王與PLC部分的連接通訊必不可少,其詳細步驟：（1）啟動組態(tài)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)類型選擇“Bit”,讀寫屬性選“讀寫”[4]；（4）同樣的,在數(shù)據(jù)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(tài)王。其中操作過程時值得注意的是當組態(tài)王與PLC通訊時的一些默認參數(shù)：如波特率為9600，數(shù)據(jù)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(tài)優(yōu)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(yè)的發(fā)展,競爭愈發(fā)激烈[5],產(chǎn)品更新?lián)Q代周期日趨縮短,傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)也經(jīng)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(tài)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(tǒng)的出現(xiàn)必定會拓寬霓虹燈市場。