四人抢答器plc课程设计.docx
《四人抢答器plc课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四人抢答器plc课程设计.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
四人抢答器plc课程设计
课程设计说明书
题目名称：
四组抢答器plc课程设计
系部：
机械工程系
专业班级：
机械化13-1班
学生姓名：
学号：
2013233
指导教师：
全瑞琴
完成日期：
2017年1月8号
新疆工程学院
课程设计评定意见
设计题目四组抢答器plc课程设计
系部机械工程系专业班级机械化13-1班
学生姓名学生学号2013233
评定意见：
评定成绩：
指导教师（签名）：
年月日
（此页背书）
评定意见参考提纲：
1、学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。
2、学生的勤勉态度。
3、设计或说明书的优缺点，包括：
学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。
新疆工程学院
机械工程系系（部）课程设计任务书
2015-2016学年第一学期2016年1月10日
专业
机械制造与自动化
班级
机械化13-1班
课程名称
工厂电器控制与PLC
设计题目
四组抢答器PLC课程设计
指导教师
全瑞琴
起止时间
16.1.4-16.1.10
周数
一周
设计地点
1-204
设计目的：
设计任务或主要技术指标：
（1）控制要求
①参赛者只有在主持人按下开始抢答按钮后再开始抢答才有效，否则提前按抢答按钮或一直按住抢答按钮不放，均不起作用。
②参赛者在允许抢答时，第一个按下抢答按钮的抢答席上的指示灯将会亮，且扬声器响一声，在释放抢答按钮后，指示灯仍然亮，其他组均被封锁。
这样主持人就可以轻易地知道谁是第一个按下抢答器的。
③在主持人宣布抢答开始后10s内无抢答者，该题作废。
④每道答题在规定的时间内（30s）完成，超时则自动取消答题资格。
⑤答题完毕后，主持人按下主持人席上的复位按钮（释放按钮），则指示灯熄灭，为下一题的抢答做准备。
（2）其中包括硬件设计和软件设计
（3）设计中存在的问题和改进的措施
设计进度与要求：
第一天：
选题、收集资料、做准备工作。
第二天：
对硬件的设计及选择plc的型号。
第三天：
设计软件编程，工作原理画流程图并编译梯形图
第四天：
调试程序，找出问题,进行修改,并改进设计
第五天：
完成报告撰写论文，、答辩
主要参考书及参考资料：
[1]蒋圣平、颜景龙、裴焕斗等。
PLC在抢答器中的应用[J]。
测试技术学报，2000
[2]林明星。
电气控制及可编程序控制器[M]。
北京：
机械工业出版社，2004
[3]周淑珍、高鸿斌。
PLC分析与设计应用。
北京：
电子工业出版社，2004
教研室主任（签名） 系（部）主任（签名）
摘要
随着微处理器、计算机和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制已扩展到了所有控制领域。
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，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。
设计是利用PLC（ProgrammableLogicController）对PLC控制的四路智力抢答器进行控制。
首先选择这个题目之后我对本次设计进行了全面的思考。
使自己对本次设计有一个大致的总体思路然后仔细分析PLC控制的四路智力抢答器的工作原理以及它的一些工作过程分析后得出它主要需要完成主持人的控制、选手的抢答、报警、计时及输出显示功能等。
考虑到只是PLC控制的四路智力抢答器则输出端口需要9个,输入端口需要6个,由于PLC具有可靠性高、体积小、通用性、使用方便等优点因此我决定选用SIMATICS7-200系列的CPU226和数字量扩展模块EM223作为本次设计的PLC。
具有方便灵活维护使用方便等特点。
关键词:
可编程控制器抢答器PLC模拟电路数字电路
引言
对于科技飞速发展的今天，PLC、单片机应用的不断深入，带动了传统控制检测技术的不断更新，并鉴于其本身具有的优点，以PLC、单片机为核心的部件成为主流。
传统的普通抢答器主要存在一下缺点：
（1）在一次抢答过程中，当出现超前违规抢答时，只能处理违规抢答信号，而对没有违规的有效信号不能进行处理，因而使该次抢答过程变为无效。
（2）当有多个违规抢答时，优先编码电路只能选择其中一个，或利用抢答电路电子元件的“竞争”选择其中一个。
对于后者由于抢答电路制作完毕后电子元件被固定，各路抢答信号的“竞争”能力也被固定，因而本质上也有优先权。
普通抢答器存在不公平性。
（3）当有多个违规抢答时，普通抢答器只能“抓住”其中一个违规者。
因而出现了“漏洞”.现在大多抢答器都是以PLC、单片机为控制核心的智能抢答器，它对采样获得的各种抢答信号进行分析。
但仅有抢答功能的抢答器已经不能满足当今社会的需要，因此该设计采用基于PLC控制来设计四路抢答器。
第一章PLC抢答器概述
1.1抢答器的组成
抢答器主要由指示灯、优先编码电路、锁存电路、控制开关、时序控制电路、定时电路组成。
其构成框图如图（1-1）
锁存电路
抢答开关
优先编码电路
时序控制电路
控制开关
定时电路
图1-1抢答器构成框图
1.2PLC智能抢答器的工作原理
我所设计的PLC智能抢答器是适合四个人抢答的四路抢答器，现在以四路抢答器为例。
给竞赛主持人设置了2个控制按钮，用来控制开始、复位，每当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答器按钮，则数码管就显示该组的编号，同时绿色指示灯亮，音响电路发出声响提示信号（持续三秒）以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不在相应，选手答题完毕后，由主持人按下复位按钮，系统开始下一轮抢答。
若选手在未开始抢答时提前抢答了，则视为违规，违规时数码管显示其编号同时红灯亮音响电路发出声响。
其中以上功能都通过编制的PLC程序来控1个制数码管和3个指示灯以及2个喇叭来实现。
如图1-2所示：
1.3系统控制要求及设计要求
1.3.1系统控制要求:
1、参赛者只有在主持人按下开始抢答按钮后再开始抢答才有效，否则提前按抢答按钮或一直按住抢答按钮不放，均不起作用。
2、参赛者在允许抢答时，第一个按下抢答按钮的抢答席上的指示灯将会亮，且扬声器响一声，在释放抢答按钮后，指示灯仍然亮，其他组均被封锁。
这样主持人就可以轻易地知道谁是第一个按下抢答器的。
3、在主持人宣布抢答开始后10s内无抢答者，该题作废。
4、每道答题在规定的时间内（30s）完成，超时则自动取消答题资格。
5、答题完毕后，主持人按下主持人席上的复位按钮（释放按钮），则指示灯熄灭，为下一题的抢答做准备。
1.3.2设计要求:
（1）根据控制要求，进行抢答器PLC控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。
（2）根据控制要求，编制抢答器PLC控制应用程序。
（3）编写设计说明书，内容包括：
①设计过程和有关说明。
②基于PLC的抢答器电气控制系统电路图。
③PLC控制程序。
④电器元器件的选择和有关计算。
⑤电气设备明细表。
⑥参考资料、参考书及参考手册。
⑦其他需要说明的问题，挒如操作说明书、程序的调用过程、遇到的问题及解决方发、对课程设计的认识和建议等。
第二章PLC概述
2.1PLC的产生
可编程序控制器（ProgrammableController，简称PLC），是在继电器控制的基础上开发出来的。
1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司为了适应汽车型号不断更新变化所带来的生产工艺的不断变化，想寻求另一种全新的控制方式。
设想用这样一种控制装置，它既应该具有计算机控制的功能性、灵活性、通用性，同时又应具有继电器控制方式的简单性、操作方便性。
对这种装置的具体要求体现在通用的招标书中；
即：
（1）编程简单可在现场修改程序。
（2）维护方便，采用插件式结构。
（3）可靠性高于继电器控制柜。
（4）体积小于继电器控制柜。
（5）可将数据直接送入管理计算机。
（6）成本可与继电器控制柜竞争。
（7）可接115V交流输入。
（8）输出采用交流115V，能直接驱动电磁阀、交流接触器等。
（9）通用性强，扩展时方便。
（10）程序要能储存，存储容量可扩展到4K字节。
根据以上要求，1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器，并在美国通用汽车公司的生产线上试用，取得了满意的效果，可编程序控制器由此诞生。
可编程序控制器的出现开创了以微电子技术为核心的数字化电气控制技术的新局面，此后这一全新的技术便以很快的速度发展起来。
现在的PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还增加了数据运算、传送与处理功能，成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置。
2.2PLC的定义
可编程序控制器出现以后，名称一直没有统一。
国际电工委员会（IEC）于1987年2月对可编程序控制器作了如下的规定：
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序控制的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其相关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”由于早期的可编程序控制器主要用于开关量的逻辑控制，且为了和个人计算机（PersonalComputer）相区别，人们把可编程序控制器缩写成为PLC（ProgrammableLogicController），一直沿用至今。
2.3PLC基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图2-1所示：
图2-1PLC基本结构
2.4PLC的编程语言
PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。
PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图等。
梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素。
梯形图程序让PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。
梯形图按逻辑关系分为“梯级”或网络。
2.5 PLC的特点
2.5.2PLC的特点
1、软硬件功能强
2、使用维护方便
3、运行稳定可靠
4、组织灵活
2.5.2 PLC的发展趋势
从当前产品来看，PLC的发展仍然主要体现在提及的缩小与性能的提高两大方面。
1．向高速度、大容量方向发展
2．向超大型、超小型两个方向发展
3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
4．增强外部故障的检测与处理能力
5．编程语言多样化
2.6PLC工作原理
可编程序控制器通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。
为了使可编程序控制器输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，（如图2.2），这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
图2.2PLC扫描过程
2.7PLC的编程语言
PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。
PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图等。
梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素。
梯形图程序让PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。
梯形图按逻辑关系分为“梯级”或网络。
如图2.3所示是用PLC控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机直接起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。
图2.3PLC控制的梯形图程序
2.8PLC的性能指标
1、I/O点数
I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。
I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。
它是衡量PLC性能的重要指标之一。
2、存储容量
这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。
大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB～2MB。
3、扫描速度
扫描速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的稳合程度。
可编程控制器采用循环扫描的工作方式。
4、指令系统
它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。
限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。
5、通信功能
通信有PLC之间的通信和PLC与计算机或其它设备之间的通信。
主要涉及通信模块、通信接口、通信协议、通信指令等。
6、扩展能力
扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。
7、特殊功能单元
特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。
典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。
第三章系统硬件设计
3.1控制系统
选取抢答器对时间间隔的要求很高，而且多在会议、答辩赛等一些正规的需要进行抢答的场合中使用，所以对设备的精准性和可靠性要求很高。
为此，我们对将采用的控制系统进行了全面的分析对比。
可编程控制器（PLC）是由工业微型计算机、输入输出设备、保护及抗干扰隔离电路等构成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特征，从应用角度看可编程控制器具有如下特点：
1、可靠性高：
由于可编程控制器的输入输出端口均采用继电器或光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在恶劣环境下可靠工作。
2、体积小：
由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化。
3、通用性好：
由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU模块、电源模块、PID模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性。
4、使用方便：
对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，如果输入、输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。
基于可编程控制器的上述优点能够适应和满足立体车库高性能的使用要求，所以我确定该车库控制系统为PLC（西门子S7-200系列）。
S7-200系列的PLC在各种行业的检测及控制的自动化都得到广泛的应用。
由于其具有极高的性价比，在以下几方面都有优越的表现：
极高的可靠性、程序易于掌握，实时特性功能、编程语言指令丰富，操作简便，有丰富的扩展功能。
抢答器所使用的各种判断信号均为数字量，所以用西门子S7-200系列就完全可以满足电气控制系统方面的要求。
3.2控制系统硬件组成
在抢答器的工作过程中，主控单元的主要控制对象首先是输入信号，控制系统就是判别这个事件有没有发生，不同的情况给出不同的结果，让大家都很快的明。
其硬件组成结构图如图3-1所示
扬
声
器
指
示
灯
图3-1控制系统硬件组成结构图
3.3控制系统I/O分配表
图3-2I/O分配表
信号名称
内部地址
信号名称
内部地址
输入
代码
输出
代码
抢答器开始
I0.1
扬声器
Q0.0
主持人复位
I0.0
第一组灯
Q0.1
第一组抢答按钮
I0.2
第二组灯
Q0.2
第二组抢答按钮
I0.3
第三组灯
Q0.3
第三组抢答按钮
I0.4
第四组灯
Q0.4
第四组抢答按钮
I0.5
3.4系统硬件连接图
根据系统要求和所需要的硬件，系统数字量输入点总计6个点，输出点总计5个点。
综合考虑到系统的性价比和系统的可扩展性，输入、输出点留出一定的富裕量，因此PLC选择SIEMENS的S7-200系列的CPU226继电器输出型和数字量扩展模块EM223。
输入、输出端子电气接线图如图3.2所示。
CPU226
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
图3-3系统硬件连接图
第四章程序设计
4.1整体设计
根据PLC智能抢答器的控制要求，应用程序采用一体化结构。
通过PLC控制程序来实现整体的运行，系统仅需要少量的按钮和接口，一般的PLC配置都可运行。
该系统本着简单易懂、可靠性强、适应性强等方面进行设计。
在抢答时只需按动按钮即可数码管在系统程序的控制下自动显示组号以及倒计时时间。
安全、可靠、省时、省力、价格便宜。
控制软件应用SIEMENS编程软件，采用梯形图语言编写,工作系统自动控制流程框图如图4.1.所示。
根据系统控制要求，进行针对性设计，要充分保证系统的安全，保证整个系统的运行安全可靠。
自动条件下，必须复位后在满足自动条件下才能进行自动运行程序，当中充分应用各个过程的互锁来保证系统的安全。
如下图所示，有主程序和若干子程序组成，其整体设计工作系统自动控制流程图如图4.1所
指
示
灯
计时电路
开始抢答
复位
第一组
第二组
第三组
第四组
图4.1PLC工作系统自动控制流程图
4.2程序设计
1.按下抢答开始I0.0,辅助触电M0.0得电，T37开始计时
2.若10s之后无人抢答，则该题作废，扬声器响一声。
或者是有人抢答但是作答时间超过30s秒，答题无效扬声器响一声。
3．网络3是第一组抢答成功，驱动辅助触电M0.1得电，网络4是第二组抢答成功，驱动辅助触电M0.2得电，
4.网络4是第三组抢答成功，驱动辅助触电M0.3得电，网络6是第四组抢答成功，驱动辅助触电M0.4得电。
5.任意一组抢答成功，作答时间计时。
不超过30s。
6.网络8辅助触点M0.1驱动第一组灯亮Q0.1得电，网络9辅助触点M0.2驱动第二组灯亮Q0.2得电，.网络10辅助触点M0.3驱动第三组灯亮Q0.3得电。
7..辅助触点M0.4驱动第一组灯亮Q0.4得电，
4.3语句表
4.4软件程序调试
将设计好的程序写入PLC后，首先要做的就是仔细检查程序，并改正写入时出现的错误。
用户程序一般先在实验室模拟调试，一般不用接PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）。
也可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号。
在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。
发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。
完成上述的工作后，就可以进行现场的调试工作。
首先将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中有可能将会显示出系统中原先可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。
如果调试达不到指标要求，则可以对相应硬件和软件部分设计作适当调整，通常只需要略微修改程序就可能出现实际效果。
全部调试通过后，再经过一段时间的实验，系统才可以投入到实际运用当中。
调试过程中遇到的问题和解决方法：
1、调试结果与设计的不完全吻合，此时需检查程序看是否存在逻辑上的错误或是双线圈输出问题。
2、不断地调试和检查，使得在满足要求的前提设计出运行最稳定程序最简单的程序。
调试步骤如下：
先按先I0.0在10s后无人抢答Q0.0亮
先按先I0.0，第一组抢答即按下I0.2，Q0.0闪亮、Q0.1亮
先按先I0.0，第二组抢答即按下I0.3，Q0.0闪亮、Q0.2亮
先按先I0.0，第三组抢答即按下I0.4，Q0.0闪亮、Q0.3亮
先按先I0.0，第三组抢答即按下I0.5，Q0.0闪亮、Q0.4亮
最后主持人复位按下I0.1，灯全灭
致谢
时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。
离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。
从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!
学校以其优良的学习风气、严谨的氛围教我求学，以其博大包容的情怀胸襟、浪漫充实的校园生活育我成人。
值此毕业论文完成之际，我谨向所有关心、爱护、帮助我的人们表示最诚挚的感谢与最美好的祝愿。
回想整个论文的写作过程，虽有不易，却让我除却浮躁，经历了思考和启示，也更加深切地体会了法学的精髓和意义，因此倍感珍惜。
三年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。
很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。
感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。
参考文献
[1]蒋圣平、颜景龙、裴焕斗等。
PLC在抢答器中的应用[J]。
测试技术学报，2000
[2]林明星。
电气控制及可编程序控制器[M]。
北京：
机械工业出版社，2004
[3]周淑珍、高鸿斌。
PLC分析与设计应用。
北京：
电子工业出版社，2004
[5]王玉中。
电气控制及PLC应用技术。
河南：
河南科学技术出版社，2006
[6]孙平。
可编程序控制器原理及应用，北京：
高等教育出版社，2003
[7]张新军。
电气控制与PLC技术及应用。
济源：
济源职业技术学院出版社，2006
[8]王芳。
立体车库及其控制[J]。
电器传动，1998
[9]邹其洪、黄智伟、高嵩、等编著。
电工电子实验与计算机仿真[M]。
电子工业出版社，2005
[10]王成福主编。
可编程序控制器原理及应用。
北京：
机械工业出版社，2006
[11]张进秋主编。
可编程控制器原理及应用实例[M]。
北京：
机械工业出版社，2004
[12]江秀汉、汤楠主编。
可编程序控制器原理及应用。
西安：
西安电子科技大学出版社，2003
[13]陈新华主编。
电工技术与可编程序控制器实践。
北京：
机械工业出版社，2002
升级会员 