基于PLC控制的抢答器设计(毕业论文）文档格式.docx
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2. 1PLC的功能特点 3
2.2 PLC控制系统组成 6
2.2.1硬件的组成 6
2.2.2软件的组成 8
第三章硬件电路设计 11
3. 1PLC机型选择步骤与原则 11
3. 2控制要求分析 13
3. 3设计要求 13
3.4I/O通道分配及I/O接线图 14
图3-1I/O接线图 15
第四章设计梯形图程序 15
4. 1控制要求 16
4. 2工作过程 17
4. 3程序的下载、安装和调试 18
第五章结论 19
致谢 20
参考文献 21
附录 22
附录指令表 22
II
第1章绪论
1.1课题的研究背景及意义
抢答器已经越来越多的出现在我们的学习生活和电视节目中，例如在学校里经常会举办各种各样的智力竞赛，就会用到抢答器，抢答器是能够在任何比赛及竞争性的游戏中体现公平、公正的电子装备，在各项中不仅可以准确、公正和直接地判断出第一个抢答者是谁，还有助于锻炼参赛者的掌握知识的能力、思维反应能力、语言表达能力、心理承受能力。
但如果在比赛中，做不到严格意义的公正，会挫伤选手的积极性，达不到比赛的真正目的。
随着电子技术的迅速发展，通过人为判断抢答器顺序这种古老的方法早已被现在先进的电子产品所取代。
现在的电子抢答器虽然制作方法不同，但基本设计实现色功能都大同小异，无外乎需要设计一个竞赛抢答器，要求具有任意路抢答输入，能够识别最先抢答的信号，显示该分台号；
对回答问题所用地时间进行计时、显示、超时报警；
可以预置回答问题的时间；
同时具有复位功能，倒计时启动功能等等的主要实现功能。
1.2PLC及抢答器的发展概况
产品规模向大、小两个方向发展大：
I/。
点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化；
小：
由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本；
LC在闭环过程控制中应用日益广泛；
加强通讯功能；
新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/。
模块等专用化模块；
编程工具丰富多样，功能不断提高,编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统；
发展容错技术采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式；
追求软硬件的标准化。
、
基于PLC的抢答器控制系统，可以根据PLC修改程序方便这一特点，随意调整设置的时间或者控制系统的工作状态，如果对外部电路稍加修改，或者在系统程序中加入分支，可以把八路抢答器变为更多的抢答器，比如十位、十六位或者二十位等。
如果将手动按钮变为触摸屏，可以使抢答器更为简单方便，如果去除系统中的限时功能，还可以把抢答器改为呼叫器，能够在医院病房、宾馆客房、写字办公室、工厂生产车间等多种地方使用。
1.3课题研究的内容
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。
硬件部分包括控制结构框图外部接线图，然后对硬件进行调试，测试，以达到设计要求。
软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划，然后进行具体设计，包括各模块的流程图，I/O分配，梯形图设计等，最后是对软件进行调试，测试，达到所需功能要求、
在系统设计中设计方法的选用是系统能否成功的关键。
硬件电路是采用结构系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。
硬件电路的设计最重要的选择可编程的PLC,并确保与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。
硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。
软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用三菱FX可控制编程。
此编程工具更有可靠、可拓展、可维护性。
并且PLC的操作采用第一次使用，也能根据提示顺利操作，这就降低了对操作人员的要求，一般工人也很快掌握。
另外，一旦系统发生故障，画面自动切换到故障在机器上的位置，维修人员可以根据提示很快排除故障。
第2章抢答器的实现工具
2.1PLC的功能特点
从讨论PLC的工作原理知，PLC的输入与输出在物理上是彼此隔开的，其间的联系是靠运行存储于它的内存中的程序实现。
它的入出相关，不是靠物理过程，不是用线路；
而是靠信息过程，用软逻辑联系。
它的工作基础是用好信息。
信息不同于物质与能量，有自身的规律。
信息便于处理，便于传递，便于存储；
信息还可重用，等等。
正是由于信息的这些特点，决定了PLC的基本特点。
下面介绍PLC的四个特点：
2.1.1功能丰富
PLC的功能非常丰富。
这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。
它的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题的处理，还可进行各种类型数据的运算。
凡普通计算机能做到的，它也都可作到。
它的内部器件，即内存中的数据存储区，种类繁多，容量宏大。
I/O继电器,可以用以存储入、出点信息的，少的几十、几百，多的可达几千、几万，以至10几万。
这意味着它可进行这么多I/O点的入出信息变换，进行这么大规模的控制。
它的内部种种继电器，相当于中间继电器，数量更多。
内存中一个位就可作为一个中间继电器，怎么不多！
它的计数器、定时器也很多，是继电电路所望尘莫及的。
小小的箱体或模块，其内部定时器、计数器可达成百、成千。
这也是因为只要用内存中的一个字，再加一些标志位，即可成为定时器、计数器，所以才那么多。
而且，这些内部器件还可设置成丢电保持的，或丢电不保持的，即上电后予以清零的。
以满足不同的使用要求。
这些也是继电器件所难以做到的。
它的数据存储区还可用以存储大量数据，几百、几千、几万字的信息都可以存，而且，掉电后还不丢失。
PLC还有丰富的外部设备，可建立友好的人机界面，以进行信息交换。
可送入程序，送入数据，可读出程序，读出数据。
而且读、写时可在图文并茂的画面上进行。
数据读出后，可转储，可打印。
数据送入可键入,可以读卡入，等等。
PLC还具有通讯接口，可与计算机链接或联网，与计算机交换信息。
自身也可联网，以形成单机所不能有的更大的、地域更广的控制系统。
PLC还有强大的自检功能，可进行自诊断。
其结果可自动记录。
这为它的维修增加了透明度，提供了方便。
丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能；
同时，也为工业系统的自动化、远动化及其控制的智能化创造了条件。
像PLC这样集丰富功能于一身，是别的电控制器所没有的；
更是传统的继电控制电路所无法比拟的
2.1.2使用方便
用PLC实现对系统的控制是非常方便的。
这是因为：
首先PLC控制逻辑的建立是程序，用程序代替硬件接线。
编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多！
其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。
而且，这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。
种种控制系统所需的模块,PLC厂家多有现货供应，市场上即可购得。
所以，硬件系统配置与建造也非常方便。
正因如此，用可编程序控制器才有这个"
可"
字。
对软件讲，它的程序可编,也不难编。
对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。
2.1.3工作可靠
用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。
这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。
事实上，如果PLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC了。
（1）在硬件方面：
PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。
其信息靠光耦器件或电磁器件传递。
而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。
故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。
PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。
在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。
使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80——90度。
有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。
一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。
还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。
三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。
这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。
当然，这样的系统成本是很高的,只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。
（2）软件方面：
PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的"
冒险竞争"
，其控制结果总是确定的；
而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。
为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了"
看门狗"
（Watchingdog）监控程序。
运行用户程序开始时，先清'
'
看门狗'
定时器，并开始计时。
当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。
若超时（一般不超过100ms）,则报警。
严重超时，还可使PLC停止工作。
用户可依报警信号采取相应的应急措施。
定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。
显然，有了这个”看门狗"
监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现"
死循环"
而影响其工作的可靠性。
PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。
可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。
PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。
这是系统程序配置了的，用户可不干预。
出现故障时有相应的出错信号提示。
正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。
它的平均无故障时间可达几万小时以上；
出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。
曾有人做过为什么要使用PLC的问卷调查。
在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标。
2.1.4经济合算
高新技术的使用必将带来巨大的社会效益与经济效益，这是科技是第一生产力的体现，也是高新技术生命力之所在。
PLC也是如此。
尽管使用PLC首次投资要大些，但从全面及长远看，使用PLC还是经济的。
使用PLC的投资虽大，但它的体积小、所占空间小，辅助设施的投入少；
使用时省电，运行费少；
工作可靠，停工损失少；
维修简单，维修费少；
还可再次使用以及能带来附加价值等等，从中可得更大的回报。
2.2PLC控制系统组成
PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O,包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图4-1。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
图2-1PLC的基本组成
2.2.1硬件的组成
（1）中央处理单元
CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。
CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。
这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。
CPU的功能有以下一些：
从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。
C2）存储器
存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器;
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；
存放工作数据的存储器称为数据存储器。
常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROMoRAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。
RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。
掉电时，可有效地保持存储的信息。
EPROM、EEPROM都是只读存储器。
用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。
（3） 输入输出单元
I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。
单元有良好的电隔离和滤波作用。
接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。
PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。
（4） 电源
PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。
PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。
（5） 编程器
编程器是PLC的最重要外围设备。
利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。
除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。
利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。
PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。
PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。
在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
2.2.2软件的组成
PLC控制系统的软件主要是系统软件，应用软件，编程语言及编程支持工具软件几个部分组成。
如图2-2是PLC内部工作示意图。
2.2.2.1PLC系统软件与工作过程
PLC系统软件是PLC工作所必须的软件。
在系统软件的支持PLC对用户程序进行逐条的解释，并加以执行，直到用户程序结束，然后返回到程序的起始又开始新的一轮扫描。
PLC的这种工作方式就称之为循环扫描。
描到时，触点就不会动。
并且PLC扫描一次用户程序的时间即扫描周期与拥护程序的长短和扫描速度有关，一般为1ms至几十毫秒。
现以OMRONP型机为例来说明PLC扫描的工作过程，如上图在没有扫描之前，PLC首先应保证自身的完好性。
接通电源之后，为消除各元件状态的随机性，进行清零或复位处理，检查I/O单元连接是否正确，再执行一段程序。
使它涉及到各种指令和内存单元，如果执行的时间不超过规定的时间范围，则证明自身完好，否则系统关闭。
上述操作完成后，将时间监视定时复位，才允许扫描用户程序。
公共操作是在每次扫描程序前又一次自检，若发现故障，除了报警显示灯亮之外，还判断故障性质。
一般性故障，只报警，不停机，等待处理；
对于严重故障，则停止运行用户程序，此时PLC切断一切输出。
数据I/O数据输入/输出操作有的称为I/O状态刷新。
它包括两种操作：
一是采样输
入信号（即刷新输入状态的内容）；
二是送出处理结果（即按输出状态表的内容刷新输出电路）。
PLC数据I/O如图2-3所示：
图2-3PLC数据I/O示意图
（1）输入映象存储器及刷新。
由上图所示可知送入PLC端子上的输入信号，经过电隔离，电平转换，滤波处理后，进入缓冲器内CPU的采样。
在PLC的存储器有一个专门存放I/O数据区，其中对应输入端子的数据区，称之为输入映象存储器。
当CPU采样时，输入信号由缓冲区进入映象区。
接着就是数据输入或输出状态刷新。
只有在采样刷新的时刻，输入映象存储器中的内容才与输入信号（不考虑电路固有的惯性和滤波滞后影响）一致，其他时间范围输入信号变化是不会影响映象存储器的内容的。
由于PLC扫描周期一般只有几十毫秒，所以两次采样时间很短，对一般开关量来说，可以认为没有因间断采样引起的误差。
即认为输入信号一旦变化，就能立即进入输入映象的存储器内。
（2）输出映象存储器及输出状态刷新。
同样道理，CPU不能直接驱动负载。
按用户程序要求及当前输入状态，要保持到下次刷新为止。
同样，对于变化较慢的控制过程来说，因为两次刷新的时间间隔和输出电路的惯性时间常数一般才几十毫秒，可以认为输出信号是及时的。
2.2.2.2应用软件
PLC控制系统的应用软件是指为完成PLC实际控制任务而编制的各种软件。
随着PLC应用领域范围的不断扩大，应用水平的提高，PLC应用软件也大大丰富起来了。
PLC应用软件与一般计算机信息处理软件相比，有很大不同，PLC应用软件有以下几个特点：
（1） 应用软件设计必须与生产工艺紧密结合。
生产工艺要求不同，控制的功能也就要求不同，即使是相同的生产过程，由于各种设备的工艺参数不一样，控制实现的方式也不一样。
所以程序设计人员必须深入现场，严格遵守生产工艺的具体要求来设计应用程序。
（2） 应用软件与硬件紧密相关。
软件设计人员不能抛开硬件配置和系统孤立地考虑软件设计。
设计必须根据硬件系统，接口的实际情况进行相应的程序设计。
（3） PLC应用软件的设计需要计算机，自动控制技术甚至网络通信技术等多种知识。
特别是PLC网络的出现，PLC控制系统不再是一个单独的装置。
在控制系统中，可能包括有多台不同型号的PLC,计算机，外围设备等。
因此在进行软件设计时，实现和处理某种控制功能都离不开计算机，自动控制和通信技术。
因此，应用程序中不仅有PLC程序，还有计算机程序和通信网络程序等。
2.2.2.3编程语言及编程支持工具软件PLC有多种编程语言：
梯形图语言，助记符语言，逻辑功能图语言，布尔代数语言和某些高级语言。
现在世界上各个PLC生产厂家都研制了自己的PLC编程支持工具软件和监控组态软件。
用户可以根据自己的需要利用这些软件来改善软件的开发环境。
第三章硬件电路设计
3.1PLC机型选择步骤与原则
PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。
在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；
其它情况则最好选用模块式结构的PLC。
对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。
而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。
其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。
（―）合理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
整体式PLC的每一个I/0点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；
而模块式PLC的功能扩展灵活方便，在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。
（二） 安装方式的选择
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。
集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低；
远程I/O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I/O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I/O电源；
多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。
（三） 相应的功能要求
一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。
对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。
对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。
但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
（四） 响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。
如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I/O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
（五） 系统可靠性的要求
对于一般系统PLC的可靠性均能满足。
对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。
（六） 机型尽量统一
一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。
主要考虑到以下三方面问题：
1） 机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。
2） 机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。
3） 机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。
PLC的容量包括I/0点数和用户存储容量两个方面。
（一）I/O点数的选择
PLC平均的I/0点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I/0点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定的裕量。
通常I/0点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%~15%的裕量来确定。
（二）存储容量的选择
12
用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编
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