基于PLC和組態(tài)王的霓虹燈控制設(shè)計(jì)

徐銘

（武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢，430023）

傳統(tǒng)的繼電器存在著諸多如設(shè)計(jì)麻煩、更改耗時(shí)、操作困難等問(wèn)題,可編程控制器是一種無(wú)觸點(diǎn)控制設(shè)備,用戶可以根據(jù)需要,通過(guò)編程器改變其內(nèi)部的應(yīng)用程序,進(jìn)而改變它對(duì)控制對(duì)象的控制功能,從而達(dá)到控制外部設(shè)備的目的,通過(guò)PLC與組態(tài)王的通訊連接,便可以做到在人機(jī)界面直接觀察并控制霓虹燈。

1 技術(shù)概述

S7-200系列PLC包含多個(gè)如二進(jìn)制、存儲(chǔ)、計(jì)數(shù)等程序指令,簡(jiǎn)化了編程工作；而且其CPU內(nèi)置功能也比較多,PLC性能也比較高；基于霓虹燈的設(shè)計(jì)要求,在選擇好硬件設(shè)備的條件下,使用西門(mén)子公司專門(mén)為該P(yáng)LC系列設(shè)計(jì)的編程軟件STEP7-MICRO/WIN V4.0對(duì)程序進(jìn)行編程,然后將編程的好的程序下載到PLC當(dāng)中,確認(rèn)線路連接無(wú)誤后,啟動(dòng)PLC部分,待實(shí)現(xiàn)運(yùn)行無(wú)異后,再進(jìn)行PLC與組態(tài)王之間的連接通訊，結(jié)束。

■1.1 PLC的構(gòu)成和原理

PLC的系統(tǒng)構(gòu)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(chǔ)單元、I/O接口、通信及擴(kuò)展接口、電源等。其中CPU的選擇極為重要,對(duì)應(yīng)霓虹燈時(shí)序要求等確定輸入輸出端口數(shù)量（即CPU型號(hào)）。本次設(shè)計(jì)屬于小型設(shè)備，選擇小型CPU（8位微處理器），其作用是當(dāng)接收到編輯器的請(qǐng)求時(shí),馬上做出響應(yīng),對(duì)應(yīng)的霓虹燈所要求時(shí)序狀態(tài)等輸出端發(fā)出相應(yīng)信號(hào)。因其采用循環(huán)掃描的方式不停接收輸入信號(hào)并產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的控制信號(hào),所以與繼電器控制相比。其反應(yīng)速度快,信號(hào)傳輸更敏捷,且因其硬件各部分是封裝獨(dú)立構(gòu)成,所以有著設(shè)備穩(wěn)定、損耗小、占用空間小、使用壽命長(zhǎng)以及設(shè)計(jì)操作周期短等優(yōu)點(diǎn)。PLC本質(zhì)上是微型計(jì)算機(jī)，其工作原理屬于計(jì)算機(jī)一類，具有計(jì)算機(jī)的大多特點(diǎn),都是在硬件支持的條件下通過(guò)運(yùn)行已設(shè)計(jì)好的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能,但其工作方式和計(jì)算機(jī)卻又有很大的不同,有一些獨(dú)特性,如上述的不斷循環(huán)掃描,它不會(huì)只運(yùn)行一次就停機(jī),其掃描周期一般不超過(guò)200ms。當(dāng)PLC處于工作狀態(tài),每個(gè)掃描周期開(kāi)始或結(jié)束時(shí),由控制器將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集并存放在RAM中,執(zhí)行程序時(shí)就會(huì)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(shí)間差。而S7-200系列PLC的主要特點(diǎn)是各個(gè)硬件組成部分被緊湊且獨(dú)立的集成在一個(gè)設(shè)備中,并且其輸入輸出點(diǎn)多達(dá)40個(gè)（CPU226）,然后該款PLC共有16種擴(kuò)展模塊,其指令豐富多樣,可簡(jiǎn)化程序；CPU功能也有所完善；運(yùn)行快速可靠；通信能力強(qiáng)等。

■1.2 組態(tài)王人機(jī)界面的工作原理

在霓虹燈的控制類設(shè)計(jì)中,PLC部分和組態(tài)王部分本可單獨(dú)運(yùn)行,互無(wú)關(guān)系。但是PLC無(wú)法做到遠(yuǎn)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(jìn)行通訊,即數(shù)據(jù)交換和地址連接,而最終要達(dá)到在人機(jī)界面上可直接監(jiān)控到外部設(shè)備的實(shí)際狀況并可操控設(shè)備的啟動(dòng)停止等操作的目的。在通過(guò)與PLC之間的數(shù)據(jù)交換后,仍是直接由PLC控制外部設(shè)備,比如沒(méi)有組態(tài)王的連接PLC仍可單獨(dú)運(yùn)行外部設(shè)備,而沒(méi)有PLC部分,設(shè)備無(wú)法運(yùn)行。而模擬人機(jī)界面之所以可以操控設(shè)備,是因?yàn)槿藱C(jī)界面中的某個(gè)按鈕或數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)與對(duì)應(yīng)PLC通訊地址連接,從而改變PLC某刻的輸入數(shù)據(jù)等,達(dá)到間接控制外部設(shè)備的目的。而人機(jī)界面的主要用途是更直觀的觀察并控制設(shè)備,讓過(guò)程變的可視化,在自動(dòng)控制領(lǐng)域中的作用也日益顯著。在人機(jī)界面建立時(shí),有很多如霓虹燈、開(kāi)關(guān)等模擬設(shè)備,可以代替真實(shí)的按鈕和儀表等儀器,現(xiàn)象更直觀,在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)更安全。而在使用組態(tài)王控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)時(shí),其基本步驟操作如下：先進(jìn)行圖形界面設(shè)計(jì)(按照設(shè)計(jì)要求選擇合適模擬霓虹燈數(shù)量);再構(gòu)造數(shù)據(jù)圖(對(duì)多個(gè)系統(tǒng)所要求的數(shù)據(jù)值進(jìn)行設(shè)定);然后建立動(dòng)畫(huà)連接(即各霓虹燈和開(kāi)關(guān)的地址連接通訊),所構(gòu)建圖像要求盡量美觀,便于觀察;最后運(yùn)行和調(diào)試,結(jié)束。

2 線路設(shè)計(jì)

■2.1 保護(hù)線路

為了保證霓虹燈的正常安全使用,應(yīng)該在線路設(shè)計(jì)中加入保護(hù)電路,如在保護(hù)線路中串入正溫度系數(shù)開(kāi)關(guān)型熱敏電阻等可以保證當(dāng)電流過(guò)大,或超過(guò)某一閾值時(shí)保護(hù)電路可以及時(shí)工作運(yùn)行。而在本次設(shè)計(jì)中,因在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,試驗(yàn)箱中自帶保護(hù)線路。

■2.2 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件選擇中猶唯重要的是PLC的選型,本次設(shè)計(jì)使用S7-200系列PLC,所以只需考慮其CPU的選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的PLC所控制的霓虹燈數(shù)量（如4個(gè)）及其所對(duì)應(yīng)的時(shí)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(jià)比較高的CPU。整個(gè)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(hào)狀態(tài),輸出點(diǎn)又反映了其輸出鎖存器狀態(tài)[1]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,將不同時(shí)序及反應(yīng)的霓虹燈對(duì)應(yīng)接在不同的I/O接口上(觀看效果更直觀)。在經(jīng)過(guò)按要求對(duì)霓虹燈反應(yīng)時(shí)序等條件進(jìn)行程序編程后,可實(shí)現(xiàn)在PLC的控制下完成霓虹燈的立即或延時(shí)閃爍等動(dòng)作。但在實(shí)際操作中因還有其他外部設(shè)備,所以需要對(duì)被控系統(tǒng)有足夠了解,包括其互鎖、保護(hù)或PLC與其他設(shè)備之間的其他關(guān)系,以及PLC各個(gè)I/O端口與之對(duì)應(yīng)的外部設(shè)備。在選擇好I/O端口與之對(duì)應(yīng)的各個(gè)霓虹燈和其他設(shè)備后,正確繪制出系統(tǒng)的外部硬件接線圖,各個(gè)繼電器、定時(shí)器等,然后接線完畢。例圖1，含有4個(gè)霓虹燈的PLC外部接線圖。

圖1 PLC外部接線圖

3 程序設(shè)計(jì)

■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(mén)子公司設(shè)計(jì)制作的,只是該編程軟件是專門(mén)用來(lái)給S7-200系列PLC的編程而設(shè)計(jì)的。標(biāo)準(zhǔn)的STEP7編程軟件是應(yīng)用于S7-300/400的PLC系列，且必須要求PC機(jī)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(hào)編輯器、程序編輯器、網(wǎng)絡(luò)通信組態(tài)等工具。而本次應(yīng)用的編程軟件STEP7-MICRO/WIN V4.0與之也并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。

■3.2 選擇編程方法

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求,對(duì)各霓虹燈的反應(yīng)時(shí)序及其他動(dòng)作,選擇合適的編程方法進(jìn)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(shè)備控制等程序再逐步一一編寫(xiě),最終以達(dá)到系統(tǒng)所要求的所有功能。在編程軟件的實(shí)際應(yīng)用中,基本步驟如下：（1）打開(kāi)新項(xiàng)目,即啟動(dòng)運(yùn)行應(yīng)用程序,新建一個(gè)項(xiàng)目；（2）打開(kāi)現(xiàn)有項(xiàng)目,在文件菜單中有兩個(gè)選擇,一個(gè)是“打開(kāi)”（即重新開(kāi)始一次編程任務(wù)）,一個(gè)是“文件名稱”（即上次進(jìn)行過(guò)的編程任務(wù),默認(rèn)保存住了）；（3）進(jìn)入后,點(diǎn)擊查看,再點(diǎn)擊程序塊,現(xiàn)在即可開(kāi)始編寫(xiě)程序；（4）編程語(yǔ)言的選擇,有包括梯形圖、語(yǔ)句表、功能塊在內(nèi)的編程語(yǔ)言[2]；（5）根據(jù)以霓虹燈的反應(yīng)時(shí)序及其他狀態(tài)開(kāi)始編寫(xiě)主程序,并逐步完成其他程序。

而當(dāng)軟件在實(shí)際編程時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：（1）在使用STEP7-MICRO/WIN V4.0編程軟件編寫(xiě)程序時(shí),默認(rèn)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(xiě)完畢后，要將其下載到PLC時(shí),PLC的編程通訊電纜的DIP開(kāi)關(guān)為01001 000,下載完畢后,才可關(guān)閉編程軟件；（3）將PLC編程電纜DIP開(kāi)關(guān)設(shè)置為01000000。

■3.3 圖解法簡(jiǎn)介

PLC設(shè)計(jì)語(yǔ)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(diǎn)是靠畫(huà)圖來(lái)進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì),由梯形圖編寫(xiě)的程序是以圖形符號(hào)或各圖形之間的關(guān)系來(lái)表示系統(tǒng)的各部分之間的控制關(guān)系。傳統(tǒng)的控制方法多為繼電器控制[3],因?yàn)樵摽刂品椒ù嬖谥T多缺點(diǎn),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(mén)新的編程語(yǔ)言。而梯形圖與繼電器之間的關(guān)系很奇妙,其各元器件符號(hào)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(shí)際編程時(shí),圖解法還有很多種。邏輯流程圖法,其特點(diǎn)是利用步進(jìn)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(gè),根據(jù)不同觸發(fā)條件在每次進(jìn)入新的過(guò)程時(shí)關(guān)閉另外一個(gè)指令,這種方法邏輯性強(qiáng),不易混淆,便于調(diào)試；時(shí)序流程圖法,在設(shè)計(jì)的時(shí)候,首先畫(huà)出各輸入輸出信號(hào)時(shí)序圖，并理清其各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間和條件,找出其相互對(duì)應(yīng)關(guān)系,最后進(jìn)行簡(jiǎn)化,一般該方法需要配合經(jīng)驗(yàn)法一起使用,因?yàn)楹苡锌赡軙?huì)使邏輯過(guò)于復(fù)雜而難易理順;步進(jìn)控制法,該法適合設(shè)計(jì)比較復(fù)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(gè)復(fù)雜且長(zhǎng)的程序分成很多個(gè)功能簡(jiǎn)單的小程序。

■3.4 程序調(diào)試

程序調(diào)試是確認(rèn)某程序是否能實(shí)現(xiàn)某功能的必要步驟,分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。而模擬調(diào)試部分,即通過(guò)如組態(tài)王等仿真軟件代替PLC和其他外部設(shè)備。如在組態(tài)王模擬界面中,可將某個(gè)按鈕比作輸入信號(hào)I,而某個(gè)模擬霓虹燈即可比作輸出量O的反應(yīng),一般情況下,模擬調(diào)試不需要外界物理設(shè)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(duì)照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求添加到界面上,并模擬接線,最后點(diǎn)擊開(kāi)關(guān),程序運(yùn)行。而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試則需要實(shí)際的物理設(shè)備如PLC、霓虹燈等,對(duì)照已設(shè)計(jì)好的電路圖,接線完畢,并將程序下載到PLC程序存儲(chǔ)器中,在實(shí)際操作中會(huì)發(fā)生各種如霓虹燈閃爍不一、時(shí)序不對(duì)甚至根本沒(méi)有反應(yīng)等問(wèn)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(wèn)題。對(duì)于各種問(wèn)題,要逐一解決并重新調(diào)試,直至最后達(dá)到設(shè)計(jì)要求。若反復(fù)調(diào)試還是沒(méi)辦法從根本上解決問(wèn)題,可以嘗試更換CPU或其他硬件設(shè)備,通常情況下都只是因程序錯(cuò)誤而造成的設(shè)計(jì)問(wèn)題,只需稍作修改即可。待所有的調(diào)試都通過(guò)后,即可投入到實(shí)際運(yùn)行中去。

4 組態(tài)王與PLC連接通訊

該設(shè)計(jì)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(dú)運(yùn)行,PLC部分也可以單獨(dú)控制外部設(shè)備,二者本沒(méi)有必要聯(lián)系,但為了達(dá)到從人機(jī)界面就可以監(jiān)控外部設(shè)備的目的,組態(tài)王與PLC部分的連接通訊必不可少,其詳細(xì)步驟：（1）啟動(dòng)組態(tài)王,點(diǎn)擊新建工程,雙擊當(dāng)前工程,點(diǎn)開(kāi)OPC服務(wù)器,雙擊新建;（2）在新窗口中選擇“MITSUBISH.MXOPC.4”,同時(shí)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(shè)備”則選擇“MITSUBISH.MXOPC.4”,而寄存器則選擇與PLC相對(duì)應(yīng)的值,數(shù)據(jù)類型選擇“Bit”,讀寫(xiě)屬性選“讀寫(xiě)”[4]；（4）同樣的,在數(shù)據(jù)詞典中建立其他的變量；（5）點(diǎn)新建畫(huà)面,按要求將各霓虹燈,開(kāi)關(guān)或其他模擬設(shè)備等添加到畫(huà)面中,加以修飾,盡量做到圖像美觀；（6）在新建畫(huà)面中建立連接,連接時(shí)注意人機(jī)界面的開(kāi)關(guān)地址對(duì)應(yīng)PLC開(kāi)關(guān)地址,各霓虹燈和其他設(shè)備地址等也需一一對(duì)應(yīng),步驟稍有繁瑣;（7）保存全部,并運(yùn)行PLC;（8）運(yùn)行組態(tài)王。其中操作過(guò)程時(shí)值得注意的是當(dāng)組態(tài)王與PLC通訊時(shí)的一些默認(rèn)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(fù)間隔為30秒，最長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間為20小時(shí)，且要使用動(dòng)態(tài)優(yōu)化。例圖2：含有4個(gè)霓虹燈的模擬人機(jī)界面。

圖2 模擬霓虹燈人機(jī)界面

5 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)的發(fā)展,競(jìng)爭(zhēng)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(shí)代的更替,終將被PLC控制所替代。PLC控制簡(jiǎn)單易學(xué)易操作,組態(tài)王人機(jī)界面也簡(jiǎn)潔直觀,這種由人機(jī)界面和PLC控制霓虹燈相結(jié)合的控制系統(tǒng)的出現(xiàn)必定會(huì)拓寬霓虹燈市場(chǎng)。