基于西門子S7-1200 PLC四路搶答器系統設計

岳金明　李亞萍

隨著科技的飛速發展，知識競賽的答題形式也層出不窮。在競賽中，如果采用舉手回答問題的方式來進行競賽的話，一方面存在效率低下的問題，另一方面存在競賽的公平性問題。而在當今社會，競賽要追求快速、直觀、高效地決出第一位搶答者，搶答器就能派上用場了。搶答器是一種十分普遍的電子設備，在各種搶答賽活動中，能夠精準、快速、公正地確定出搶答者。本設計是一款四輸入四輸出的搶答器，結構的最大特點就是采用可編程控制器，性能穩定，便于后期進行調試和維護。其控制靈敏、高效，具有搶答基本功能且編程簡單，易于修改，便于調試和維護，工作穩定可靠，可擴展性強。

本文設計的四路搶答器要求是主持人先按下開始按鈕，選手通過按下自己的搶答按鈕，本系統就能夠檢測到系統信號的變化，哪個位置率先按下按鈕發出信號，就可以第一時間被識別到。率先被檢測并識別的位置信息，系統就可以記錄并保存好相關信息。并點亮對應的指示燈，在數碼管顯示出對應的組別，同時禁止其他選手的再次進行搶答。當系統的復位信號發出時，系統就全部停止運行，等復位工作完成時，系統就進入下一個工作周期。

本設計在設計之初添加了搶答控制信號按鈕，此信號按鈕單獨設置，選手無法進行控制，由指定的人或者系統來進行控制;當指定的人或者系統觸發了搶答控制信號按鈕，系統才會正常運行，參與搶答的選手立即就可以進行搶答，哪個位置率先按下按鈕發出信號，就可以第一時間被識別到。率先被檢測并識別的位置信息，系統就可以記錄并保存好相關信息。當指定的人或者系統未觸發了搶答控制信號按鈕，系統不會正常運行，參與搶答的選手就不可以參與搶答。

本系統在設計時為了方便操作和交互，還添加了對于信號的記錄和交互模塊，當系統檢測到信號發生變化時，系統就會對信號變化的位置進行檢測和記錄，把相關的位置信號在交互模塊上顯示出來，也就是對應位置上的指示燈會點亮。對于信號的記錄和保存，會一直持續到指定的人或者系統將其清除為止。

本系統設計的搶答器有六路輸入信號，即主持人席的開始和復位，以及四路搶答信號。輸出信號有五路，分別是主持人席的顯示信號燈和四路搶答顯示裝置。系統基本結構圖如下。

由分析可知，PLC控制四路搶答器控制系統有6路輸入信號，包括四位選手的搶答按鈕SB1、SB2、SB3、SB4和主持人的啟動按鈕SBO、復位按鈕SB5。輸出電路有五路，即主持人的啟動搶答指示燈L0、控制選手的4路搶答指示燈L1、L2、L3、L4。根據本系統設計需求，控制器可選用西門子S7-1200 1215C。本控制器集成了14路輸入和10路輸出，完全滿足本設計的控制要求，并且還有一定的余量。PLC控制四路搶答器IO分配如表1所示。

系統程序設計及運行過程如下：當主持人摁下開始按鈕時，信號就傳入PLC中，四個搶答席就進入搶答狀態。當有某個隊摁下搶答按鈕時，系統會判斷出哪個隊率先搶答成功。具體實施步驟：在程序段2中，搶答器1隊搶答成功時，系統搶答繼電器通電自鎖，本隊搶答器繼電器和其他參賽隊按鈕輸入觸點串聯的常開觸點斷開，保證了搶答的準確性。搶答繼電器閉合后，主持人席的顯示裝置被點亮，代表主持人席和其他搶答隊都可以看到搶答結果。

若搶答器一隊正常搶答，當主持人按下開始按鈕i0.0時，搶答繼電器M1.0閉合，M1.0常開觸點閉合，搶答器一隊按下搶答按鈕i0 2時，搶答顯示裝置Q0.0點亮，主持人席顯示裝置Q0.4點亮，搶答器一隊搶答成功。

若搶答器一隊犯規搶答，主持人席還未按下開始按鈕10.0時，則搶答允許繼電器M1.0未吸合，M1.0常開觸點未吸合，搶答不成功。

搶答器的程序設計的主要任務有以下幾處：一是為了編程的簡單、清晰，在主程序中引用了中間繼電器。二是實現四路搶答器控制系統選手指示燈和主持人席顯示組別的狀態鎖存，即當主持人按下啟動按鈕后，某選手優先按下相應的搶答按鈕成功后，該選手的狀態指示燈會被點亮，主持人席的狀態顯示相應的組別，即使某選手松開搶答按鈕，指示燈仍保持常亮，主持人席仍顯示對應組別。主持人按下復位按鈕，本輪搶答活動結束，指示燈和主持人席顯示被清除。三是保證一位選手搶答成功后，其他選手搶答無效，即實現“互鎖功能”。

1、自鎖功能

以Q0.0為例，如程序段2可知，當I0.2動作后，Q0.0線圈得電，指示燈點亮，主持人席顯示“A”，隨后QO.O線圈常開觸點閉合，即使10.2斷開，由于Q0.0常開觸點閉合，Q0.0線圈仍保持得電狀態，因此，Q0.0線圈進入自鎖狀態。同樣地，程序段3、4、5中的Q0.1、Q0.2、Q0.3也能夠實現自鎖。

2、互鎖功能

以Q0.1為例，如程序段3可知，在這個通路中，Q0.0、Q0.2、Q0.3以常閉觸點的形式串聯在通路中，當一隊、三隊或者四隊搶答成功時，Q0.0、Q0.2、Q0.3的常閉觸點將斷開，從而使得整條通路斷開，實現彼此之間互鎖。

3、復位功能

本項目中，主持人席可以通過操作按鈕實現系統的復位操作，即復位搶答顯示和主持人席顯示。

本系統設計了一種智能搶答器，以西門子S7-1200為主控，同時通過按鍵控制系統啟動及復位。對系統控制要求進行了總體的設計，以滿足科技的迅速發展。對系統的IO進行了合理分配，具備搶答器的基本功能。對控制要求和IO分配進行分析綜合，編輯程序指令、梯形圖，對系統進行反復調試，最終確定設計方案。系統設計簡單、方便，相比用數字電路制作的搶答器抗干擾能力強、運行穩定、經濟高效。該系統不僅具備搶答功能，還可實現復位、自鎖和互鎖功能，功能擴展方便更有利于其他領域的應用。