基于西门子S7-1200 PLC四路抢答器系统设计

岳金明　李亚萍

随着科技的飞速发展，知识竞赛的答题形式也层出不穷。在竞赛中，如果采用举手回答问题的方式来进行竞赛的话，一方面存在效率低下的问题，另一方面存在竞赛的公平性问题。而在当今社會，竞赛要追求快速、直观、高效地决出第一位抢答者，抢答器就能派上用场了。抢答器是一种十分普遍的电子设备，在各种抢答赛活动中，能够精准、快速、公正地确定出抢答者。本设计是一款四输入四输出的抢答器，结构的最大特点就是采用可编程控制器，性能稳定，便于后期进行调试和维护。其控制灵敏、高效，具有抢答基本功能且编程简单，易于修改，便于调试和维护，工作稳定可靠，可扩展性强。

本文设计的四路抢答器要求是主持人先按下开始按钮，选手通过按下自己的抢答按钮，本系统就能够检测到系统信号的变化，哪个位置率先按下按钮发出信号，就可以第一时间被识别到。率先被检测并识别的位置信息，系统就可以记录并保存好相关信息。并点亮对应的指示灯，在数码管显示出对应的组别，同时禁止其他选手的再次进行抢答。当系统的复位信号发出时，系统就全部停止运行，等复位工作完成时，系统就进入下一个工作周期。

本设计在设计之初添加了抢答控制信号按钮，此信号按钮单独设置，选手无法进行控制，由指定的人或者系统来进行控制;当指定的人或者系统触发了抢答控制信号按钮，系统才会正常运行，参与抢答的选手立即就可以进行抢答，哪个位置率先按下按钮发出信号，就可以第一时间被识别到。率先被检测并识别的位置信息，系统就可以记录并保存好相关信息。当指定的人或者系统未触发了抢答控制信号按钮，系统不会正常运行，参与抢答的选手就不可以参与抢答。

本系统在设计时为了方便操作和交互，还添加了对于信号的记录和交互模块，当系统检测到信号发生变化时，系统就会对信号变化的位置进行检测和记录，把相关的位置信号在交互模块上显示出来，也就是对应位置上的指示灯会点亮。对于信号的记录和保存，会一直持续到指定的人或者系统将其清除为止。

本系统设计的抢答器有六路输入信号，即主持人席的开始和复位，以及四路抢答信号。输出信号有五路，分别是主持人席的显示信号灯和四路抢答显示装置。系统基本结构图如下。

由分析可知，PLC控制四路抢答器控制系统有6路输入信号，包括四位选手的抢答按钮SB1、SB2、SB3、SB4和主持人的启动按钮SBO、复位按钮SB5。输出电路有五路，即主持人的启动抢答指示灯L0、控制选手的4路抢答指示灯L1、L2、L3、L4。根据本系统设计需求，控制器可选用西门子S7-1200 1215C。本控制器集成了14路输入和10路输出，完全满足本设计的控制要求，并且还有一定的余量。PLC控制四路抢答器IO分配如表1所示。

系统程序设计及运行过程如下：当主持人摁下开始按钮时，信号就传入PLC中，四个抢答席就进入抢答状态。当有某个队摁下抢答按钮时，系统会判断出哪个队率先抢答成功。具体实施步骤：在程序段2中，抢答器1队抢答成功时，系统抢答继电器通电自锁，本队抢答器继电器和其他参赛队按钮输入触点串联的常开触点断开，保证了抢答的准确性。抢答继电器闭合后，主持人席的显示装置被点亮，代表主持人席和其他抢答队都可以看到抢答结果。

若抢答器一队正常抢答，当主持人按下开始按钮i0.0时，抢答继电器M1.0闭合，M1.0常开触点闭合，抢答器一队按下抢答按钮i0 2时，抢答显示装置Q0.0点亮，主持人席显示装置Q0.4点亮，抢答器一队抢答成功。

若抢答器一队犯规抢答，主持人席还未按下开始按钮10.0时，则抢答允许继电器M1.0未吸合，M1.0常开触点未吸合，抢答不成功。

抢答器的程序设计的主要任务有以下几处：一是为了编程的简单、清晰，在主程序中引用了中间继电器。二是实现四路抢答器控制系统选手指示灯和主持人席显示组别的状态锁存，即当主持人按下启动按钮后，某选手优先按下相应的抢答按钮成功后，该选手的状态指示灯会被点亮，主持人席的状态显示相应的组别，即使某选手松开抢答按钮，指示灯仍保持常亮，主持人席仍显示对应组别。主持人按下复位按钮，本轮抢答活动结束，指示灯和主持人席显示被清除。三是保证一位选手抢答成功后，其他选手抢答无效，即实现“互锁功能”。

1、自锁功能

以Q0.0为例，如程序段2可知，当I0.2动作后，Q0.0线圈得电，指示灯点亮，主持人席显示“A”，随后QO.O线圈常开触点闭合，即使10.2断开，由于Q0.0常开触点闭合，Q0.0线圈仍保持得电状态，因此，Q0.0线圈进入自锁状态。同样地，程序段3、4、5中的Q0.1、Q0.2、Q0.3也能够实现自锁。

2、互锁功能

以Q0.1为例，如程序段3可知，在这个通路中，Q0.0、Q0.2、Q0.3以常闭触点的形式串联在通路中，当一队、三队或者四队抢答成功时，Q0.0、Q0.2、Q0.3的常闭触点将断开，从而使得整条通路断开，实现彼此之间互锁。

3、复位功能

本项目中，主持人席可以通过操作按钮实现系统的复位操作，即复位抢答显示和主持人席显示。

本系统设计了一种智能抢答器，以西门子S7-1200为主控，同时通过按键控制系统启动及复位。对系统控制要求进行了总体的设计，以满足科技的迅速发展。对系统的IO进行了合理分配，具备抢答器的基本功能。对控制要求和IO分配进行分析综合，编辑程序指令、梯形图，对系统进行反复调试，最终确定设计方案。系统设计简单、方便，相比用数字电路制作的抢答器抗干扰能力强、运行稳定、经济高效。该系统不仅具备抢答功能，还可实现复位、自锁和互锁功能，功能扩展方便更有利于其他领域的应用。