邵美芳

福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)城鎮(zhèn)化水平顯著提高，人們生活質(zhì)量大幅度提升，對(duì)于燈光的需求也日益增加。無論是居家照明、商場(chǎng)綜合體照明還是大型建筑物塔燈，都離不開控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中，塔燈作為一個(gè)城市的標(biāo)志性建筑，對(duì)燈的控制提出了更高的要求。單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾能力差、環(huán)境適應(yīng)能力不強(qiáng)和不易維護(hù)，在使用方面受到一定的限制。基于塔燈所處的特殊環(huán)境，文章采用功能強(qiáng)大、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)和維護(hù)方便的可編程控制器（PLC）對(duì)塔燈進(jìn)行控制[1]。

1 系統(tǒng)控制要求

現(xiàn)實(shí)中的塔燈控制方式多種多樣，文章就其中較常用的發(fā)散控制方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用2個(gè)輸入設(shè)備，一個(gè)是啟動(dòng)按鈕SB0，另一個(gè)是停止按鈕SB1，輸出設(shè)備是9盞燈。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，L1燈亮；4 s后L1燈滅，同時(shí)L2、L3、I4、L5燈亮起；4 s后L2、L3、I4、L5燈滅，同時(shí)L6、L7、L8、L9燈亮起；4 s后L6、L7、L8、L9燈滅，L1燈亮起。如此循環(huán)往復(fù)，直至按下停止按鈕，所有燈滅。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC選型

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

2.2 I/O分配表

根據(jù)塔燈系統(tǒng)控制要求，將啟動(dòng)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(jù)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(shè)計(jì)

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(yùn)用比較指令實(shí)現(xiàn)控制

（1）比較指令編程步驟。比較指令分為數(shù)值比較指令（數(shù)據(jù)類型有B、I、D、R）和字符串比較指令（數(shù)據(jù)類型為S），其功能為當(dāng)2個(gè)比較數(shù)的關(guān)系滿足比較運(yùn)算符（如“=”“＞”“＜”“≥”“≤”）的條件時(shí)，觸點(diǎn)閉合，接通后面的電路；否則比較觸點(diǎn)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(jì)算出控制系統(tǒng)完成一個(gè)周期工作所用的時(shí)間；

第二步：畫出時(shí)間軸線，以每盞燈亮滅的時(shí)間節(jié)點(diǎn)作為時(shí)間軸上的分節(jié)點(diǎn)；

第三步：根據(jù)各時(shí)間節(jié)點(diǎn)運(yùn)用比較指令編寫程序。

系統(tǒng)運(yùn)行一完整周期共需12 s，時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為4 s、8 s和12 s，可以繪制出時(shí)間軸如圖2所示。其中，0＜t≤4 s時(shí)，L1燈亮；4＜t≤8 s時(shí)，L1滅，L2、L3、L4、L5亮；8＜t≤12 s時(shí)，L2、L3、I4、L5滅，L6、L7、L8、L9 亮。

圖2 塔燈控制系統(tǒng)時(shí)間軸

（2）程序編寫與分析。宇龍機(jī)電控制仿真軟件是上海數(shù)林軟件有限公司開發(fā)的專門用于實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的仿真軟件，具有成本低、實(shí)用性強(qiáng)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，特別適合初學(xué)者用于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。宇龍機(jī)電控制仿真軟件兼有PLC編程和電路仿真的功能，且能對(duì)程序可視化和自動(dòng)評(píng)判[4]，因此直接利用該軟件編寫梯形圖簡(jiǎn)單、方便。采用T37定時(shí)器計(jì)時(shí)，定時(shí)器當(dāng)前值為16位有符號(hào)的整數(shù)，比較指令數(shù)據(jù)類型要選用整數(shù)I。

依據(jù)時(shí)間軸線，運(yùn)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(tǒng)程序

在圖3程序中，I0.0代表啟動(dòng)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(gè)程序段的功能如下。

網(wǎng)絡(luò)1程序段：采用起保停編程法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟?？刂?，按下啟動(dòng)按鈕SB0，系統(tǒng)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(gè)系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)2程序段：設(shè)定一個(gè)周期工作時(shí)間，當(dāng)時(shí)間到達(dá)120 s，重新開始新一輪的循環(huán)，此時(shí)T37起到置、復(fù)位功能，也起到循環(huán)功能。

網(wǎng)絡(luò)3程序段：系統(tǒng)啟動(dòng)后，定時(shí)器計(jì)時(shí)4 s內(nèi)L1燈亮。

網(wǎng)絡(luò)4程序段：定時(shí)器計(jì)時(shí)4～8 s，L1燈滅，L2、L3、L4、L5 亮。

網(wǎng)絡(luò)5程序段：定時(shí)器計(jì)時(shí)8～12 s，L2、L3、L4、L5滅，L6、L7、L8、L9亮。

3.2 運(yùn)用順序控制指令實(shí)現(xiàn)控制

3.2.1 順序控制指令編程步驟

PLC順序控制設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)步驟[5]：分析系統(tǒng)工作過程；設(shè)計(jì)順序功能流程圖；轉(zhuǎn)換梯形圖程序。

3.2.2 順序功能流程圖

根據(jù)順序控制設(shè)計(jì)的三個(gè)步驟，首先，分析塔燈工作過程。其次，依據(jù)控制要求畫出塔燈系統(tǒng)順序功能流程圖，如圖4所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，初始動(dòng)作為點(diǎn)亮L1燈；轉(zhuǎn)換條件一（定時(shí)器T37計(jì)時(shí)4 s）滿足后，下一步動(dòng)作是點(diǎn)亮L2、L3、L4、L5燈，同時(shí)熄滅L1燈；轉(zhuǎn)換條件二（定時(shí)器T38計(jì)時(shí)4 s）滿足后，下一步動(dòng)作是點(diǎn)亮L6、L7、L8、L9燈，同時(shí)熄滅L2、L3、L4、L5燈；循環(huán)條件三（定時(shí)器T39計(jì)時(shí)4 s）滿足后，回到初始步狀態(tài)（L1燈亮，其他燈全滅），如此循環(huán)。

圖4 塔燈控制系統(tǒng)順序功能流程圖

3.2.3 順序功能流程圖轉(zhuǎn)換為梯形圖

每一個(gè)狀態(tài)步需要四個(gè)程序段完成[6]，即步的開始（SCR指令）、步的執(zhí)行、步的轉(zhuǎn)換（SCRT指令）和步的結(jié)束（SCRE指令）。該控制系統(tǒng)有3個(gè)狀態(tài)步，因此至少需要編寫12個(gè)程序段。將順序功能流程圖轉(zhuǎn)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(tǒng)程序

4 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

確認(rèn)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?qū)隤LC運(yùn)行，從電路運(yùn)行結(jié)果來看，兩種編程方法都能實(shí)現(xiàn)控制要求，同時(shí)表明控制系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖6 塔燈控制系統(tǒng)電路仿真界面

5 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)了塔燈控制系統(tǒng)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)部分，分別運(yùn)用比較指令和順序控制指令的編程方法。從軟件仿真結(jié)果來看，兩種方法都能實(shí)現(xiàn)控制要求。

運(yùn)用比較指令編程時(shí)，只要列出時(shí)間節(jié)點(diǎn)，畫出時(shí)間軸，利用一個(gè)定時(shí)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(zhuǎn)化為梯形圖，過程復(fù)雜，定時(shí)器數(shù)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(duì)順序控制指令簡(jiǎn)單易懂，可讀性強(qiáng)。