抢答器PLC控制系统设计河南工业大学.docx
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抢答器PLC控制系统设计河南工业大学
内容摘要
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到所有的控制领域。
现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。
而实用抢答器的这一产品是各种竞赛活动中不可缺少的设备，无论是学校、工厂、军队还是益智性电视节目，都会举办各种各样的智力竞赛，都会用到抢答器。
目前市场上已有的各种各样的智力竞赛抢答器绝大多数是早期设计的，只具有抢答锁定功能的一个电路，以模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品，这部分抢答器已相当成熟。
而现在的抢答器具有倒计时、定时、自动（或手动）复位、报警（即声响提示，有的以音乐的方式来体现）、屏幕显示、按键发光等多种功能。
但功能越多的电路相对来说就越复杂，且成本偏高，故障高，显示方式简单（有的甚至没有显示电路），无法判断提前抢按按钮的行为，不便于电路升级换代。
本设计要求就是利用PLC作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生，用PLC本身的优势使竞赛真正达到公正、公平、公开。
关键词：
可编程控制器、抢答器、PLC
目录
第1章引言……………………………………………………………3
1.1PLC的由来及发展史……………………………………………3
1.2PLC的基本结构…………………………………………………4
1.3PLC的工作原理…………………………………………………4
第2章系统方案的分析与设计……………………………………6
2.1控制要求分析，设计主电路…………………………………6
2.2系统设计思想及控制流程设计………………………………6
2.3设计硬件选择…………………………………………………6
第3章PLC控制系统设计…………………………………………8
3.1确定I/O信号数量，选择PLC类型…………………………8
3.2I/O通道分配及I/O接线图……………………………………8
3.3控制程序编制与调试…………………………………………10
设计总结……………………………………………………………………22
谢词…………………………………………………………………………23
参考文献……………………………………………………………………24
第1章引言
1．1PLC的由来及发展史
PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大.可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司（DEC）为美国通用公司（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。
随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。
现代PLC已经成为真正的工业控制设备。
虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：
1．早期的PLC（60年代末—70年代中期）
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。
它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。
装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。
另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。
在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。
因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。
其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。
2．中期的PLC（70年代中期—80年代中后期）
在70年代微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。
这样，使PLC得功能大大增强。
在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。
在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。
3．近期的PLC（80年代中后期至今）
进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
1．2PLC的基本结构
PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。
其完成控制的实质是按一定算法进行I／O变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场。
1.输入寄存器
输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由输入开关量驱动，并保持一个扫描周期。
CPU可以读其值，但不可以写或进行修改。
2.输出寄存器
输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真实输出值。
在程序执行过程中,CPU可以读其值,并作为条件参加控制,还可以修改其值,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。
只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。
3.存储器
存储器分为系统存储器和用户存储器。
系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。
用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。
4.CPU单元
CPU单元控制着I／O寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中程序的解释执行工作，是PLC的大脑。
5.其它接口单元
其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。
1．3PLC的工作原理
1.扫描技术
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
第2章系统方案的分析与设计
2.1控制要求分析，设计主电路
2.1.1PLC抢答器的控制要求
1.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0-S7表示。
2.设置一个系统清除和抢答控制开关，该开关由主持人控制。
3.抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，勇士扬声器发出报警声响提示。
选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保存到主持人将系统清楚为止。
4.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由支持人设定（如30秒）。
当主持人启动“开始”按钮后，定时器惊醒减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。
5.参赛选手在设定时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢搭的时间，并保持到主持人将系统清楚为止。
6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
2.2系统设计思想设计
2.2.1系统设计思想
在主持人按动“开始”按钮后，计时器开始计时，同时扬声器蜂鸣0.5秒，此时各参赛选手开始抢答。
各选手之间实行互锁，在一名选手抢先按下抢答按钮时，其他的选手再按抢答按钮则无效。
在选手按下抢搭按钮后，选手的抢搭指示灯亮起，同时扬声器蜂鸣0.5秒，在LED显示器上显示抢答选手的编号，一直保存到主持人清除位置，此时可以由选手来回答抢答的问题。
在回答环节进行过后，由主持人对此次的抢答显示进行清除，进而进行下一轮的抢答。
2.3设计硬件选择
根据对系统装置的分析，选用以下硬件如表2-1所示
表2-1硬件选择表
名称
型号
数量
PLC主机单元
S7-200（226）
1台
控制按钮SB
配套
9个
指示灯
配套
配套
扬声器
配套
1个
LED显示器
配套
1个
第3章PLC控制系统设计
3.1确定I/O信号数量，选择PLC类型
3.1.1系统I/O数量分析
经分析控制系统有主持人控制按钮SB0和参赛选手S1-S8九个输入，输出有八名选手的抢搭指示灯亮、扬声器和7个LED显示管端子十六个输出，可以确定为9I/16O信号量
3.1.2S7-200系列PLC的CPU的技术指标
表3-1S7-200系列PLC的CPU的技术指标
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
数字输入量（DI）
6
8
14
24
数字输出量（DO）
4
6
10
16
3.1.3S7-200系列PLC的CPU型号的选择
根据该系统的信号输出量和输出量的数量，配合S7-200的CPU的数字量I/O数量，考虑选用CPU226型号。
3.2I/O通道分配及I/O接线图
3.2.1I/O通道分配
在了解了系统工艺要求和控制要求后,接着要做的就是将I/O通道分配给PLC的指定I/O端子,具体如表3-2所示。
表3-2I/O点的分配与编号
控制信号
信号名称
元件名称
元件符号
地址编号
输入信号
主持人开关
常开按钮
SB0
I0.0
1号选手按纽
常开按钮
SB1
I0.1
2号选手按纽
常开按钮
SB2
I0.2
3号选手按纽
常开按钮
SB3
I0.3
4号选手按纽
常开按钮
SB4
I0.4
5号选手按纽
常开按钮
SB5
I0.5
6号选手按纽
常开按钮
SB6
I0.6
7号选手按纽
常开按钮
SB7
I0.7
8号选手按钮
常开按钮
SB8
I1.0
输出信号
扬声器
接触器
KM1
Q0.0
1号选手抢答指示灯
接触器
KM2
Q0.1
2号选手抢答指示灯
接触器
KM3
Q0.2
3号选手抢答指示灯
接触器
KM4
Q0.3
4号选手抢答指示灯
接触器
KM5
Q0.4
5号选手抢答指示灯
接触器
KM6
Q0.5
6号选手抢答指示灯
接触器
KM7
Q0.6
7号选手抢答指示灯
接触器
KM8
Q0.7
8号选手抢答指示灯
接触器
KM
Q1.0
数码显示LED管的a端
LED显示管端子
Q1.1
数码显示LED管的b端
Q1.2
数码显示LED管的c端
Q1.3
数码显示LED管的d端
Q1.4
数码显示LED管的e端
Q1.5
数码显示LED管的f端
Q1.6
数码显示LED管的g端
Q1.7
抢答器I/O接线图如图3-1所示
图3-1I/O接线图
3.3控制程序编制与调试
3.3.1控制程序编制
1.程序设计及工作过程分析
本次抢答器的设计由于是供8个代表队参赛使用，所以用了八个按钮，分别由SB1~SB8来表示，主持人开关由SB0来表示，由于此抢答器具有锁存与显示功能，所以梯形图设计中需要用互锁来实现
当主持人按下开关I0.0时，定时器工作，扬声器发出响声，持续时间0.5秒。
此时八位选手开始抢答，在规定时间内抢答有效，如果定时器时间到了以后，仍无人抢答，则扬声器发出持续蜂鸣警报，本次抢答无效。
2.梯形图程序如图3-2所示
图3-2程序梯形图
3.指令语句表程序
使用简易编程器输入程序，将上述梯形图转化成指令语句表的形式，如图3-3所示。
图3-3程序指令表
3.3.2控制程序调试
1.为了模拟抢答的操作过程，利用手动模拟出各种输入信号，用输出灯的亮灭表示系统在运行程序后的输出（选手抢答指示灯的亮灭、扬声器接触器线圈的得失电情况和数码显示LED管的各端子等），以便观察仿真器运行程序得到的输出与实际想要得到的结果的匹配程度，进而对程序进行修改与完善。
具体作法如下，
1）主持人开始按钮的调试
设PLC进入运行方式后，经过3s的准备时间，按下开关SB0（I0），即输入信号I0.0，模拟支持人按下“开始”按钮；
Q0.0亮起，待0.5秒后熄灭。
2）对抢答选手抢答开关的调试：
在模拟支持人按下“开始”按钮后，任意按下8个开关SB1-SB8（I1-I8）中得任意一个，模拟选手的抢答；
所安开关SBX（I0.X）对应的Q0.X亮起,并且一直亮着，同时Q0.0亮起，待0.5秒后熄灭。
3）如果在计时器停止计时，仍无选手抢答开关按下，则Q0.0会持续亮着
2.若在系统在调试得过程中，出现与上述结论不一致的结果，要根据出现的情况针对性的对程序进行分析，修改、完善程序至输出结果与上述的结论一致为止，反复运行程序若干次，保证程序能够成功运行。
心得体会
本次课程设计的写作是在陈老师的指导下进行的。
针对在写作过程中遇到许多的难题，陈老师都给以认真的解释，为此，向陈老师表示最衷心的谢意。
我在这次课程设计中，学会了怎么去发现问题，解决问题。
遇到不明白的问题都会积极的去询问老师，或者去找寻相关的资料。
从中学到了很多知识。
这次课程设计使我们有机会把我们的课堂理论知识运用到实际生活中，贴近生活，实现我们的人生价值。
并且通过对知识的综合利用，加入个人的分析和比较，加深了了我们对理论知识的理解和运用。
也让我了解了关于PLC设计原理。
有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。
虽然本次课程设计是自己独立完成，但是，彼此也没脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。
多和同学讨论。
我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。
讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。
多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。
通过这次PLC控制抢答器设计，让我对plc梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解
从这次课程设计的制作过程中，让我深切的领会到想要在激烈的社会竞争中占领自己的一块领地，必须要把自己的闪光点，发挥出来，并不断的改正自己的缺点，完善自己的能力，以更好的一面去面对社会。
在以后的学习工作过程中，我会虚心的接受师傅们对我的教导，好好的工作，发扬我们学校吃苦耐劳的精神，做有一个合格的大学生。
谢辞
经过两个星期的忙碌，在陈兴洲老师的指导和同学们的帮助下，本次课程设计已经接近尾声，由于缺乏设计经验，在设计中有许多考虑不周全的地方，如果有不足的地方，还请大家多多知道纠正！
值此论文完成之际，首先感谢我的指导老师陈兴洲老师。
在陈老师的悉心指导下，本课题的设计任务完成地非常顺利。
另外，要感谢我的授课老师王宗才老师，在课堂上的耐心讲解，使我对PLC控制技术产生了浓厚的兴趣。
在课下我反复的阅读课本，弄清楚PLC的工作原理，对每条指令都争取理解清楚，这也是我这次课程设计能够顺利完成的重要因素之一。
总之，本次毕业设计能够能顺利完成，陈老师和王老师倾注了大量的心血和汗水，在此，我向两位老师致以最诚挚的谢意。
同时感谢我的是我的室友们，是他们在我课程设计期间和我一起探讨，一起钻研，使我在设计中的很多的问题都能够轻松解决。
正是他们的帮助才使我的设计能够顺利完成。
谢谢大家！
参考文献
[1]王宗才.机电传动与控制.电子工业出版社.2011.6
[2]程先平.机电传动与控制.华中科技大学出版社
[3]王卫兵.可编程控制器原理即应用.北京：
机械工业出版社，1998
[4]张万忠.电器与PLC控制技术.化学工业出版社，2003.8
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