基于S7-200花式噴泉PLC控制設(shè)計(jì)的方法研究

0   引言

花式噴泉常用于休閑廣場(chǎng)、景區(qū)或游樂(lè)場(chǎng)所。采用PLC控制，通過(guò)改變噴泉噴頭的時(shí)間控制程序，就可以讓花式噴泉變換出不同的花樣，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的噴水要求控制。

1   花式噴泉控制要求

以三組噴頭A、B、C組成的花式噴泉為例，噴泉示意圖及控制時(shí)序圖如圖1、圖2所示，使用PLC控制，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 噴泉示意圖

圖2 控制時(shí)序圖

控制要求如下。

1)早上8點(diǎn)按下啟動(dòng)按鈕SB1，A、B、C三組噴頭按照?qǐng)D2所示的時(shí)序圖循環(huán)工作15 h，到晚上11點(diǎn)時(shí)自動(dòng)停止。9 h后，即第二天早上8點(diǎn)，花式噴泉又自動(dòng)開(kāi)始按照?qǐng)D2所示的時(shí)序圖循環(huán)工作15 h，即再到晚上11點(diǎn)又自動(dòng)停止工作。每天都按照上述時(shí)間不斷循環(huán)工作。

2)按下停止按鈕SB2后，噴泉停止工作，即3組噴頭停止噴水。

2   任務(wù)分析

通過(guò)控制要求，不難看出，本任務(wù)是1個(gè)長(zhǎng)時(shí)限的帶延時(shí)的順序控制（工作時(shí)間為早8點(diǎn)到晚11點(diǎn)，共15 h；3組噴頭按一定的順序延時(shí)工作）。選用S7-200為控制器，PLC有3種（1 ms、10 ms、100 ms）定時(shí)時(shí)基，最長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間為3276.7 s，無(wú)法實(shí)現(xiàn)本任務(wù)時(shí)限要

求，因此，需要采用“計(jì)數(shù)器+定時(shí)器”的接力定時(shí)，組合實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)控制。除此之外，3組噴頭按照一定的時(shí)序順序工作，可以選用比較指令，也可以使用幾個(gè)定時(shí)器組成順序脈沖發(fā)生器。因此，采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法編程，本任務(wù)需要綜合運(yùn)用位邏輯指令、比較指令、定時(shí)器指令及計(jì)數(shù)器指令。

另外，如果采用順序控制設(shè)計(jì)法完成本任務(wù)的編程，需要根據(jù)噴泉3組噴頭工作的時(shí)序圖，先繪制出順序功能圖，和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法用到的指令有相通的地方，再轉(zhuǎn)換為SCR程序段梯形圖。

無(wú)論采用哪種方法，都需要用到定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的結(jié)合，完成24 h自啟動(dòng)定時(shí)和15 h連續(xù)噴水控制，因此時(shí)鐘電路定時(shí)控制程序是相通的。

3   任務(wù)實(shí)施

3.1 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法

針對(duì)本任務(wù)，首先根據(jù)前面所學(xué)的典型基本控制電路，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法完成程序編程。大致按照以下幾步。

1)分析控制要求，選擇控制原則。根據(jù)前面的分析，長(zhǎng)時(shí)限的延時(shí)控制要求，因此需要用到基本位邏輯指令和定時(shí)器+計(jì)數(shù)器組合來(lái)完成。

2)分析系統(tǒng)的控制信號(hào)和被控信號(hào)，確定輸入輸出設(shè)備。本任務(wù)中，啟動(dòng)按鈕控制整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)始，停止按鈕用來(lái)控制噴泉停止工作，3組噴頭作為被控制信號(hào)，按照時(shí)序圖噴水實(shí)現(xiàn)花式噴泉。因此，系統(tǒng)有2個(gè)控制信號(hào)，3個(gè)被控信號(hào)。

3)選配PLC，進(jìn)行I/O地址分配。

本任務(wù)中，控制信號(hào)和被控信號(hào)分別有2、3個(gè)，最小型的CPU222就可以滿足需求，同時(shí)對(duì)I/O地址進(jìn)行分配，如表1所示。

4)畫(huà)出PLC外部接線圖

因?yàn)榛ㄊ絿娙狿LC控制接線圖和梯形圖需要結(jié)合才能完成一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，外部接線圖的輔助觸頭開(kāi)關(guān)（常開(kāi)、常閉）需要和梯形圖中一一對(duì)應(yīng)。

安裝接線時(shí)，為了最大程序保護(hù)電路，控制噴頭噴水的電磁閥YV1、YV2、YV3暫時(shí)先不要接到CPU222的輸出端，等待梯形圖調(diào)試通過(guò)后再接線，如圖3所示。

圖3 花式噴泉PLC控制線路圖

5)設(shè)計(jì)梯形圖程序

梯形圖程序的設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的控制程序，用最簡(jiǎn)單的起保停電路完成程序設(shè)計(jì)，最后檢查控制功能是否實(shí)現(xiàn)，完善程序。

首先編輯符號(hào)表，如圖4所示。

圖4 花式噴泉PLC控制符號(hào)表

通過(guò)前面分析任務(wù)控制要求可知，該系統(tǒng)的程序控制是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)限的帶延時(shí)的順序控制（三組噴頭按時(shí)序圖順序工作），因此在編程設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要先設(shè)計(jì)出來(lái)24 h自啟動(dòng)和15 h工作時(shí)長(zhǎng)的時(shí)鐘電路，再設(shè)計(jì)花式噴泉中A、B、C三組噴頭的順序控制，最后增加自啟動(dòng)和停止控制程序，程序圖如圖5所示。

圖5 花式噴泉PLC控制程序梯形圖

這種普通方法選用6個(gè)定時(shí)器組成順序脈沖發(fā)生器。根據(jù)時(shí)序圖可以看出，3組噴頭的循環(huán)周期為30 s，其中最后3 s，3組噴頭都沒(méi)有工作，也就是說(shuō)工作的有效時(shí)間是27 s。因此，這個(gè)任務(wù)也可以采用比較指令完成噴泉的控制，每個(gè)數(shù)據(jù)和27 s做比較。

西門(mén)子PLC的比較指令主要用于2個(gè)操作數(shù)按一定條件的比較，即2個(gè)相同數(shù)據(jù)類型的有符號(hào)數(shù)或無(wú)符號(hào)數(shù)的比較判斷操作。

比較指令的操作數(shù)可以是整數(shù)，也可以是實(shí)數(shù)(浮點(diǎn)數(shù))。在梯形圖中用帶參數(shù)和運(yùn)算符的常開(kāi)（動(dòng)合）觸點(diǎn)表示比較指令，比較條件滿足（比較結(jié)果為真）時(shí)，觸點(diǎn)閉合，否則斷開(kāi)。

梯形圖程序中，比較觸點(diǎn)可以直接裝入，也可以串、并聯(lián)使用。在這個(gè)任務(wù)中，選用時(shí)基為100 ms的T37定時(shí)器，預(yù)置值PT=270。采用比較指令設(shè)計(jì)的梯形圖如圖6所示。

圖6 采用比較指令設(shè)計(jì)花式噴泉PLC控制程序梯形圖

這兩種方法總體思路類似，主要是依靠學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒(méi)有嚴(yán)格意義上的規(guī)律可言，需要多次反復(fù)修改和完善才能符合設(shè)計(jì)要求，編程結(jié)果也因人而異。單從網(wǎng)絡(luò)個(gè)數(shù)來(lái)說(shuō)，比較指令優(yōu)勢(shì)明顯，網(wǎng)絡(luò)數(shù)量較少，便于理解。

3.2 順序控制設(shè)計(jì)法

所謂順序控制，就是按照控制要求，在每個(gè)輸入信號(hào)的作用下， 根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)和時(shí)間順序，控制每個(gè)任務(wù)過(guò)程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)有序的進(jìn)行工作，這種系統(tǒng)就叫順序控制系統(tǒng)，也稱步進(jìn)控制系統(tǒng)。在本任務(wù)中，3組噴頭的噴水狀態(tài)可以分解成幾個(gè)獨(dú)立的控制動(dòng)作，這些動(dòng)作需要按照時(shí)序圖的順序來(lái)保證花式噴泉的正常噴水，因此我們可以用順序控制設(shè)計(jì)法來(lái)完成此任務(wù)的PLC程序設(shè)計(jì)。

首先需要根據(jù)順序控制要求，劃分出工作步，再以每步為核心，從起始步開(kāi)始一步一步，確定出來(lái)每步向下一步轉(zhuǎn)換的條件，即跳轉(zhuǎn)條件，繪制出完整的順序功能圖，最后轉(zhuǎn)化為梯形圖，完成程序設(shè)計(jì)。

繪制的順序功能圖如圖7所示，起始狀態(tài)是S0.0，按下啟動(dòng)按鈕或者24 h定時(shí)自啟動(dòng)作為起始步到工作步的轉(zhuǎn)換條件，3組噴頭的不同工作狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)不同的工作步，工作步S0.6到下一步的轉(zhuǎn)換條件是計(jì)數(shù)器C1（15h），C1計(jì)數(shù)器到時(shí)間，返回S0.0，否則，返回S0.1，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)噴水。由于在任何時(shí)刻按下停止按鈕I0.1，都要回到起始步，所以每一步都有到S0.0的跳變。

圖7 花式噴泉PLC控制的順序功能圖

采用SCR指令的編程方法，將圖7所示的順序功能圖轉(zhuǎn)換為圖8所示的PLC控制梯形圖，以便于程序展開(kāi)調(diào)試。

圖8 花式噴泉順序控制PLC程序

4   結(jié)論

本文通過(guò)花式噴泉PLC控制要求，采用兩種不同方法設(shè)計(jì)，其中經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法中又運(yùn)用了不同指令來(lái)分別完成，為PLC初學(xué)者編程思路提供參考。

通過(guò)這幾種思路運(yùn)用不難發(fā)現(xiàn)，編程均用到了定時(shí)器+計(jì)數(shù)器的結(jié)合，這是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和順序控制法的相通之處；3種不同指令中，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法中比較指令程序設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)最少，但是需要編程者有一定的編程基礎(chǔ)；經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法中位邏輯指令編寫(xiě)起來(lái)沒(méi)有規(guī)律可言，編程結(jié)果也不唯一；順序控制法核心是繪制順序功能圖，只要順序功能圖繪制正確，梯形圖的轉(zhuǎn)換是固定的，對(duì)于沒(méi)有編程基礎(chǔ)和編程經(jīng)驗(yàn)的人員，不失為一種較好的選擇。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年8月期）