基于PLC的灯光控制系统的设计

王 蕊，张孝元

（山西农业大学信息学院，山西 晋中 030800）

动感灯光是一种观赏新娱乐设施，它可通过人工设计出花样繁多、变化多端的用于不同场合的动感效果。动感灯光作为公共娱乐设施中十分重要的构成部分，它不仅是一种艺术形式，而且在动静结合之余，还能渲染清新活泼、绚丽变换的气氛，让人们体验视觉震撼。动感灯光在公共娱乐设施中备受游客青睐。因此，动感灯光控制系统的研究就成为一项重要的课题。本文动感灯光控制系统设计是《可编程控制器原理与应用》课程实验项目之一，该控制系统是基于PLC设计的，该控制系统具备操作简单、稳定性高、可靠性强、实用性强等许多优点[1]。

1 动感灯光系统的基本结构

本文设计的动感灯光系统中共有编号从0～9的10个灯光信号，这些灯光信号形成一个东方明珠塔的形状。其基本结构如图1所示。

2 动感灯光系统的工作过程

本文针对该动感灯光系统设计出3套效果不同的控制方案，每一套方案都需先按下启动按钮，系统才开始工作，按下停止按钮，系统则停止工作。具体工作流程如下：

方案1：按下启动按钮：L0亮，1 s后灭，接着L1亮，1 s后灭，接着 L2、L3、L4、L5亮，1 s后灭，接着 L6、L7、L8、L9亮，1 s 后灭；并依此循环下去，构成灯光由上向下逐个点亮的流水灯效果，按下停止按钮，运动结束。

方案 2：按下启动按钮：L0亮，1 s后，L1亮，1 s后，L2、L3、L4、L5亮，1 s后，L6、L7、L8、L9亮；并依此循环下去，构成灯光由上向下依次点亮的流水灯效果，按下停止按钮，运动结束。

方案 3：按下启动按钮：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灭，1 s 后，L2、L3、L4、L5灭，1 s后，L1灭，1 s后，L0灭；并依此循环下去，构成灯光由上向下依次点亮，再由下到上逐个熄灭的流水灯效果，按下停止按钮，运动结束。

3 控制系统硬件设计

3.1 选配PLC型号

3.1.1 I/O点数的估算

PLC的重要选型原则之一是按照输入输出点数来选择，因此在选择PLC型号前需预估出本设计中所需要的I/O数目，并留出15%～20%的余量，以方便后续功能的扩展。根据本文控制系统基本结构可知，本次设计共需要输入2点，输出10点。

3.1.2 PLC功能结构的选择

PLC的结构有3种，分别是整体式、模块式和叠装式[2]。本文所研究的动感灯光控制系统属于小型控制系统，因此本文选择整体式PLC即可满足要求。

3.1.3 存储容量估算

开关量输入元件：15B×2=30B。开关量输出元件：10B×10=100B。通信接口：300B×1=300B。总占用空间=（30+100+300）×130%=559B。综上所述，本次设计选择西门子S7-200系列CPU224型号的PLC，此PLC含有14个输入端口和10输出端口。

3.3 输入/输出元件的选择

输入信号为开关量信号，本文选择自复位按钮点动开关。输出信号为开关量信号，本文选择发光二极管来显示效果。

3.4 动感灯光控制系统的I/O分配表

本文动感灯光控制系统的输入输出分配表如表1所示。

3.5 动感灯光控制系统的端子接线图

本文根据动感灯光控制系统的输入输出分配表作出如图2所示端子接线图。

4 控制系统软件设计

4.1 指令工作原理

本文动感灯光系统所需主要指令工作原理如表2所示。

4.2 系统控制流程图

本文根据动感灯光控制系统的3套方案分别画出了方案流程图，如图 3、4、5 所示。

4.3 系统控制梯形图

本文作者按照输入输出分配表和控制方案流程图，利用西门子S7-200配套编程软件STEP7-Micro/WIN32编写了梯形图程序，并在山西农业大学信息学院综合控制实验室利用清华大学科教仪器厂实验箱中东方明珠灯光系统模型进行了调试与修改，最终正确完整的实现了该控制系统的预期设计目标。

5 结论

本文对动感灯光控制系统的设计主要分为两个部分，在硬件设计部分进行了PLC的型号的选择，确定了输入输出元件的类型和具体型号，列出了与之对应的I/O分配表，并根据I/O分配表绘制出了外部端子接线图；在软件方面，首先介绍了所需指令工作原理，其次根据不同方案绘制出了相应动作流程图，并编写了程序梯形图，最后利用清华大学科教仪器厂实验箱中东方明珠灯光系统模型进行了调试，并加以修改与完善，从而保证了该控制系统设计的实用性和准确性，实现了动感灯光模型的控制要求。本文通过实践证明，本设计可以大大提高动感灯光控制系统的便捷性、可靠性与实用性，并且所设计程序相对简单，便于学生理解与掌握。

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