基于西門子S7-1200 PLC四路搶答器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岳金明　李亞萍

隨著科技的飛速發(fā)展，知識競賽的答題形式也層出不窮。在競賽中，如果采用舉手回答問題的方式來進(jìn)行競賽的話，一方面存在效率低下的問題，另一方面存在競賽的公平性問題。而在當(dāng)今社會(huì)，競賽要追求快速、直觀、高效地決出第一位搶答者，搶答器就能派上用場了。搶答器是一種十分普遍的電子設(shè)備，在各種搶答賽活動(dòng)中，能夠精準(zhǔn)、快速、公正地確定出搶答者。本設(shè)計(jì)是一款四輸入四輸出的搶答器，結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)就是采用可編程控制器，性能穩(wěn)定，便于后期進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。其控制靈敏、高效，具有搶答基本功能且編程簡單，易于修改，便于調(diào)試和維護(hù)，工作穩(wěn)定可靠，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

本文設(shè)計(jì)的四路搶答器要求是主持人先按下開始按鈕，選手通過按下自己的搶答按鈕，本系統(tǒng)就能夠檢測到系統(tǒng)信號的變化，哪個(gè)位置率先按下按鈕發(fā)出信號，就可以第一時(shí)間被識別到。率先被檢測并識別的位置信息，系統(tǒng)就可以記錄并保存好相關(guān)信息。并點(diǎn)亮對應(yīng)的指示燈，在數(shù)碼管顯示出對應(yīng)的組別，同時(shí)禁止其他選手的再次進(jìn)行搶答。當(dāng)系統(tǒng)的復(fù)位信號發(fā)出時(shí)，系統(tǒng)就全部停止運(yùn)行，等復(fù)位工作完成時(shí)，系統(tǒng)就進(jìn)入下一個(gè)工作周期。

本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)之初添加了搶答控制信號按鈕，此信號按鈕單獨(dú)設(shè)置，選手無法進(jìn)行控制，由指定的人或者系統(tǒng)來進(jìn)行控制;當(dāng)指定的人或者系統(tǒng)觸發(fā)了搶答控制信號按鈕，系統(tǒng)才會(huì)正常運(yùn)行，參與搶答的選手立即就可以進(jìn)行搶答，哪個(gè)位置率先按下按鈕發(fā)出信號，就可以第一時(shí)間被識別到。率先被檢測并識別的位置信息，系統(tǒng)就可以記錄并保存好相關(guān)信息。當(dāng)指定的人或者系統(tǒng)未觸發(fā)了搶答控制信號按鈕，系統(tǒng)不會(huì)正常運(yùn)行，參與搶答的選手就不可以參與搶答。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)為了方便操作和交互，還添加了對于信號的記錄和交互模塊，當(dāng)系統(tǒng)檢測到信號發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)對信號變化的位置進(jìn)行檢測和記錄，把相關(guān)的位置信號在交互模塊上顯示出來，也就是對應(yīng)位置上的指示燈會(huì)點(diǎn)亮。對于信號的記錄和保存，會(huì)一直持續(xù)到指定的人或者系統(tǒng)將其清除為止。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的搶答器有六路輸入信號，即主持人席的開始和復(fù)位，以及四路搶答信號。輸出信號有五路，分別是主持人席的顯示信號燈和四路搶答顯示裝置。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖如下。

由分析可知，PLC控制四路搶答器控制系統(tǒng)有6路輸入信號，包括四位選手的搶答按鈕SB1、SB2、SB3、SB4和主持人的啟動(dòng)按鈕SBO、復(fù)位按鈕SB5。輸出電路有五路，即主持人的啟動(dòng)搶答指示燈L0、控制選手的4路搶答指示燈L1、L2、L3、L4。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，控制器可選用西門子S7-1200 1215C。本控制器集成了14路輸入和10路輸出，完全滿足本設(shè)計(jì)的控制要求，并且還有一定的余量。PLC控制四路搶答器IO分配如表1所示。

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及運(yùn)行過程如下：當(dāng)主持人摁下開始按鈕時(shí)，信號就傳入PLC中，四個(gè)搶答席就進(jìn)入搶答狀態(tài)。當(dāng)有某個(gè)隊(duì)摁下?lián)尨鸢粹o時(shí)，系統(tǒng)會(huì)判斷出哪個(gè)隊(duì)率先搶答成功。具體實(shí)施步驟：在程序段2中，搶答器1隊(duì)搶答成功時(shí)，系統(tǒng)搶答繼電器通電自鎖，本隊(duì)搶答器繼電器和其他參賽隊(duì)按鈕輸入觸點(diǎn)串聯(lián)的常開觸點(diǎn)斷開，保證了搶答的準(zhǔn)確性。搶答繼電器閉合后，主持人席的顯示裝置被點(diǎn)亮，代表主持人席和其他搶答隊(duì)都可以看到搶答結(jié)果。

若搶答器一隊(duì)正常搶答，當(dāng)主持人按下開始按鈕i0.0時(shí)，搶答繼電器M1.0閉合，M1.0常開觸點(diǎn)閉合，搶答器一隊(duì)按下?lián)尨鸢粹oi0 2時(shí)，搶答顯示裝置Q0.0點(diǎn)亮，主持人席顯示裝置Q0.4點(diǎn)亮，搶答器一隊(duì)搶答成功。

若搶答器一隊(duì)犯規(guī)搶答，主持人席還未按下開始按鈕10.0時(shí)，則搶答允許繼電器M1.0未吸合，M1.0常開觸點(diǎn)未吸合，搶答不成功。

搶答器的程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)有以下幾處：一是為了編程的簡單、清晰，在主程序中引用了中間繼電器。二是實(shí)現(xiàn)四路搶答器控制系統(tǒng)選手指示燈和主持人席顯示組別的狀態(tài)鎖存，即當(dāng)主持人按下啟動(dòng)按鈕后，某選手優(yōu)先按下相應(yīng)的搶答按鈕成功后，該選手的狀態(tài)指示燈會(huì)被點(diǎn)亮，主持人席的狀態(tài)顯示相應(yīng)的組別，即使某選手松開搶答按鈕，指示燈仍保持常亮，主持人席仍顯示對應(yīng)組別。主持人按下復(fù)位按鈕，本輪搶答活動(dòng)結(jié)束，指示燈和主持人席顯示被清除。三是保證一位選手搶答成功后，其他選手搶答無效，即實(shí)現(xiàn)“互鎖功能”。

1、自鎖功能

以Q0.0為例，如程序段2可知，當(dāng)I0.2動(dòng)作后，Q0.0線圈得電，指示燈點(diǎn)亮，主持人席顯示“A”，隨后QO.O線圈常開觸點(diǎn)閉合，即使10.2斷開，由于Q0.0常開觸點(diǎn)閉合，Q0.0線圈仍保持得電狀態(tài)，因此，Q0.0線圈進(jìn)入自鎖狀態(tài)。同樣地，程序段3、4、5中的Q0.1、Q0.2、Q0.3也能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。

2、互鎖功能

以Q0.1為例，如程序段3可知，在這個(gè)通路中，Q0.0、Q0.2、Q0.3以常閉觸點(diǎn)的形式串聯(lián)在通路中，當(dāng)一隊(duì)、三隊(duì)或者四隊(duì)搶答成功時(shí)，Q0.0、Q0.2、Q0.3的常閉觸點(diǎn)將斷開，從而使得整條通路斷開，實(shí)現(xiàn)彼此之間互鎖。

3、復(fù)位功能

本項(xiàng)目中，主持人席可以通過操作按鈕實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位操作，即復(fù)位搶答顯示和主持人席顯示。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種智能搶答器，以西門子S7-1200為主控，同時(shí)通過按鍵控制系統(tǒng)啟動(dòng)及復(fù)位。對系統(tǒng)控制要求進(jìn)行了總體的設(shè)計(jì)，以滿足科技的迅速發(fā)展。對系統(tǒng)的IO進(jìn)行了合理分配，具備搶答器的基本功能。對控制要求和IO分配進(jìn)行分析綜合，編輯程序指令、梯形圖，對系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，最終確定設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、方便，相比用數(shù)字電路制作的搶答器抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效。該系統(tǒng)不僅具備搶答功能，還可實(shí)現(xiàn)復(fù)位、自鎖和互鎖功能，功能擴(kuò)展方便更有利于其他領(lǐng)域的應(yīng)用。