基于PLC的燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 蕊，張孝元

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西 晉中 030800）

動(dòng)感燈光是一種觀賞新娛樂設(shè)施，它可通過人工設(shè)計(jì)出花樣繁多、變化多端的用于不同場(chǎng)合的動(dòng)感效果。動(dòng)感燈光作為公共娛樂設(shè)施中十分重要的構(gòu)成部分，它不僅是一種藝術(shù)形式，而且在動(dòng)靜結(jié)合之余，還能渲染清新活潑、絢麗變換的氣氛，讓人們體驗(yàn)視覺震撼。動(dòng)感燈光在公共娛樂設(shè)施中備受游客青睞。因此，動(dòng)感燈光控制系統(tǒng)的研究就成為一項(xiàng)重要的課題。本文動(dòng)感燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是《可編程控制器原理與應(yīng)用》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一，該控制系統(tǒng)是基于PLC設(shè)計(jì)的，該控制系統(tǒng)具備操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)、實(shí)用性強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 動(dòng)感燈光系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)感燈光系統(tǒng)中共有編號(hào)從0～9的10個(gè)燈光信號(hào)，這些燈光信號(hào)形成一個(gè)東方明珠塔的形狀。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 動(dòng)感燈光系統(tǒng)的工作過程

本文針對(duì)該動(dòng)感燈光系統(tǒng)設(shè)計(jì)出3套效果不同的控制方案，每一套方案都需先按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)才開始工作，按下停止按鈕，系統(tǒng)則停止工作。具體工作流程如下：

方案1：按下啟動(dòng)按鈕：L0亮，1 s后滅，接著L1亮，1 s后滅，接著 L2、L3、L4、L5亮，1 s后滅，接著 L6、L7、L8、L9亮，1 s 后滅；并依此循環(huán)下去，構(gòu)成燈光由上向下逐個(gè)點(diǎn)亮的流水燈效果，按下停止按鈕，運(yùn)動(dòng)結(jié)束。

方案 2：按下啟動(dòng)按鈕：L0亮，1 s后，L1亮，1 s后，L2、L3、L4、L5亮，1 s后，L6、L7、L8、L9亮；并依此循環(huán)下去，構(gòu)成燈光由上向下依次點(diǎn)亮的流水燈效果，按下停止按鈕，運(yùn)動(dòng)結(jié)束。

方案 3：按下啟動(dòng)按鈕：L0亮，1 s后，L1亮，1 s后，L2、L3、L4、L5亮，1 s 后，L6、L7、L8、L9亮，1 s 后，L6、L7、L8、L9滅，1 s 后，L2、L3、L4、L5滅，1 s后，L1滅，1 s后，L0滅；并依此循環(huán)下去，構(gòu)成燈光由上向下依次點(diǎn)亮，再由下到上逐個(gè)熄滅的流水燈效果，按下停止按鈕，運(yùn)動(dòng)結(jié)束。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 選配PLC型號(hào)

3.1.1 I/O點(diǎn)數(shù)的估算

PLC的重要選型原則之一是按照輸入輸出點(diǎn)數(shù)來選擇，因此在選擇PLC型號(hào)前需預(yù)估出本設(shè)計(jì)中所需要的I/O數(shù)目，并留出15%～20%的余量，以方便后續(xù)功能的擴(kuò)展。根據(jù)本文控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)可知，本次設(shè)計(jì)共需要輸入2點(diǎn)，輸出10點(diǎn)。

3.1.2 PLC功能結(jié)構(gòu)的選擇

PLC的結(jié)構(gòu)有3種，分別是整體式、模塊式和疊裝式[2]。本文所研究的動(dòng)感燈光控制系統(tǒng)屬于小型控制系統(tǒng)，因此本文選擇整體式PLC即可滿足要求。

3.1.3 存儲(chǔ)容量估算

開關(guān)量輸入元件：15B×2=30B。開關(guān)量輸出元件：10B×10=100B。通信接口：300B×1=300B?？傉加每臻g=（30+100+300）×130%=559B。綜上所述，本次設(shè)計(jì)選擇西門子S7-200系列CPU224型號(hào)的PLC，此PLC含有14個(gè)輸入端口和10輸出端口。

3.3 輸入/輸出元件的選擇

輸入信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，本文選擇自復(fù)位按鈕點(diǎn)動(dòng)開關(guān)。輸出信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，本文選擇發(fā)光二極管來顯示效果。

3.4 動(dòng)感燈光控制系統(tǒng)的I/O分配表

本文動(dòng)感燈光控制系統(tǒng)的輸入輸出分配表如表1所示。

3.5 動(dòng)感燈光控制系統(tǒng)的端子接線圖

本文根據(jù)動(dòng)感燈光控制系統(tǒng)的輸入輸出分配表作出如圖2所示端子接線圖。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 指令工作原理

本文動(dòng)感燈光系統(tǒng)所需主要指令工作原理如表2所示。

4.2 系統(tǒng)控制流程圖

本文根據(jù)動(dòng)感燈光控制系統(tǒng)的3套方案分別畫出了方案流程圖，如圖 3、4、5 所示。

4.3 系統(tǒng)控制梯形圖

本文作者按照輸入輸出分配表和控制方案流程圖，利用西門子S7-200配套編程軟件STEP7-Micro/WIN32編寫了梯形圖程序，并在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院綜合控制實(shí)驗(yàn)室利用清華大學(xué)科教儀器廠實(shí)驗(yàn)箱中東方明珠燈光系統(tǒng)模型進(jìn)行了調(diào)試與修改，最終正確完整的實(shí)現(xiàn)了該控制系統(tǒng)的預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文對(duì)動(dòng)感燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，在硬件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行了PLC的型號(hào)的選擇，確定了輸入輸出元件的類型和具體型號(hào)，列出了與之對(duì)應(yīng)的I/O分配表，并根據(jù)I/O分配表繪制出了外部端子接線圖；在軟件方面，首先介紹了所需指令工作原理，其次根據(jù)不同方案繪制出了相應(yīng)動(dòng)作流程圖，并編寫了程序梯形圖，最后利用清華大學(xué)科教儀器廠實(shí)驗(yàn)箱中東方明珠燈光系統(tǒng)模型進(jìn)行了調(diào)試，并加以修改與完善，從而保證了該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)感燈光模型的控制要求。本文通過實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)可以大大提高動(dòng)感燈光控制系統(tǒng)的便捷性、可靠性與實(shí)用性，并且所設(shè)計(jì)程序相對(duì)簡(jiǎn)單，便于學(xué)生理解與掌握。

表2 指令工作原理Tab.2 The working principle of instructions