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三路智力抢答器plc控制

1前言

目前国内外市场上已有很多类型的知识竞赛抢答器，其大致采用模拟电路、数字电路、单片机或者PLC芯片、计算机控制系统等四类产品。

对于采用模拟电路或者数字电路的产品，其技术相当成熟。

但是随着功能的增多，电路也越复杂，并且成本偏高，故障率高，显示方式简单或者没有。

而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”。

可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能强、可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。

现已广泛应用于工业控制的各个领域，它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、记数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。

PLC的学习比一般编程学习困难在于，要完成一个控制系统不仅需要掌握一定的编程技术，更为重要的是要知道如何针对实际应用的需要选择合适的PLC型号，然后进行资源配置，设计控制系统。

2设计任务和要求

2.1任务描述：

该抢答器作为智力竞赛的品判装置，根据应答者抢答情况自动设定答题时间，并根据答题情况用灯光、声音显示其答题正确、错误及违规，在主持人的操作下，对答题者所显示的分数值进行加分、减分或违规扣分。

三路智力抢答器有三个抢答按钮SB1~SB3，在允许抢答的情况下最先按下按钮有效，在此以后按下的按钮无效，伴有灯光、声音指示，并开始计时（答题时间），计时时间到（答题给定的时间），声音提示停止答题。

如果抢答者答题正确或错误，主持人或操作员按下加分键或减分键，将对显示分数值加分或减分。

该控制器组成框图如图2-1-1所示。

图2-1-1

2.2设计任务和要求

1.主持人提出问题按下启动按钮（开始抢答）后，若10s内无人抢答，则有声音提示，说明该题无人抢答，自动作废。

2.主持人提出问题在未按下启动按钮（开始抢答）之前抢答，则违规，抢答器报出违规信号，并作减分处理。

3.主持人提出问题按下启动按钮（开始抢答）后，第一个按下按钮的信号有效，后按下的按钮信号无效。

4.主持人按下计时按钮，开始计时。

答题时间为1min，答题过程中有灯光提示时间，时间到并有声音指示。

5.抢答器有数码显示器显示各答题者的分数，由主持人控制，答对者加10分，答错者减10分，违规者扣5分，减分计算中若出现负分作0分处理。

6.答题完毕按下复位按钮，恢复抢答器原始状态，为下一轮抢答做好准备。

答题过程中灯光、音响的安排机注意事项如下：

抢答有效：

抢答者灯亮、控制台绿灯亮机声响。

10s无人应答：

声响、控制台绿灯（HL4）点亮2s。

违规：

违规者灯亮，控制台红灯（hl5）亮机声响。

答题过程：

抢答者灯亮，控制台绿灯亮，50s后控制台绿灯闪烁。

答题时间到：

抢答者灯亮，控制台绿灯亮机声响。

按加分按钮加10分，按减分按钮减10分，按违规按钮减5分，最高分90分（违规情况下最高分为95分），最低分0分。

声响时间为1s。

3硬软件设计方案选择

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自动操作。

安全、可靠、省时、省力、价格便宜。

3.1硬件I/O地址分配

表1三路智力抢答器输入输出口分配表

输入信号

输出信号

输入设备/符号

PLC输入点

输出设备/符号

PLC输出点

主持人复位/停止开关SB0

1号台指示灯HL1

Y12

第1号抢答按钮（SB1）

2号台指示灯HL2

Y13

第2号抢答按钮（SB2）

3号台指示灯HL3

Y14

第3号抢答按钮（SB3）

控制台绿灯HL4

Y15

主持人按抢答开始按钮（SB4）

控制台违规指示灯HL5（红灯）

Y16

主持人加分按钮（SB5）

蜂鸣器

Y17

主持人减分按钮（SB6）

显示电路板

Y0~Y11

计时按钮（SB7）

违规按钮（SB8）

X10

3.2方案选择

（1）I/O接口分别为9个输入继电器X,17个输出继电器Y.和20%的裕量，所以选择三菱PLC的FX2N-48MR系列。

（2）抢答器开始部分控制程序可用基本指令编程，也可采用步进指令来完成。

图3-2-1显示电路

（3）抢答者的得分情况通过数码显示，显示电路如下图3-2-1，显示电路板自制，开采用传送、比较、移位和BCD等应用指令与基本指令组合编程来完成。

图3-2-1

（4）显示线路简介

本显示电路主要有CD4511译码器、LED数码管、电阻和直流电源四部分组成，将CD4511的A、B、C、D断输入BCD码、锁存和驱动，一十进制数在七段显示数码管中显示。

CD4511为一锁存/译码/驱动三合一译码器，其管脚如图3-2所示

主要端子介绍如下：

a）锁存部分有死未存储电路LE：

锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出，随A~D变化。

LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

b）消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

c）输出驱动部分是具有较大电流输出的NPN双极型晶体管，当推动LED数字显示器件时，一定要加限流电阻，限流电阻约为200Ω，由等测试输入端LT，可测试数码管的显示七段。

当LT=“1”时，显示数8，几个段均亮。

d）当输入的BCD大雨1001时，七段显示输出全为“0”，数码管熄火。

CD4511真值表如表2：

表2CD4511的真值表

输入

输出

显示

熄灭

锁存

熄灭

（5）显示原理简介

本显示电路采用静态方式显示，按照时间段分别把十位、个位送到各自的CD4511译码器中，CD4511的锁存器保持所送的数据，通过其输出端驱动各自的数码管，使所送的数据在数码管中显示。

PLC的输出步骤要求如下：

1）将所送的数据转换成BCD码。

2）先将所送的十位数值加到显示十位数的CD4511的A、B、C、D端，同时是该CD4511的LE端为低电平，显示个位数的CD4511的LE端为高电平。

3）在没有送个位数之前，再使显示十位数的CD4511的LE端为高电平，锁存送入的数据。

4）将所送的个位数值加到显示个位数的CD4511的A、B、C、D端，同时是该CD4511的LE端为低电平，显示个位数的CD4511的LE端为高电平。

5）再使显示十位数的CD4511的LE端为高电平，锁存送入的数据。

至此一个显示周期完成。

3.3控制系统的硬件组成

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，让大家都很快明白。

其硬件组成结构图如图3-3-1所示:

3.4硬件系统接线图

根据题目要求和I/O地址分配，结合FX3U-32MR的PLC外部系统输入接线图如图3-4-1所示。

（注：

输出如显示电路图3-2-1）

图3-4-1

4抢答器软件系统设计

4.1软件流程图的设计

根据设计任务以及硬件设计的要求，现软件主流程图的设计如图4-1-1所示，选手显示分数刷新程序流程图如图4-1-2所示。

图4-1-1软件主流程图（注：

Dn为选手总分值）

4.2PLC控制程序的设计

4.2.1主持人开始复位初始化

电源接通后，继电器M50—M80区间初始化。

其中，X0为复位按钮，T1为10s无人抢答绿灯亮2s后自动复位定时器，如图4-2-1。

图4-2-1

4.2.2三组抢答者抢答程序

M1为抢答辅助继电器，M10作抢答封锁用，T0作用为抢答时间继电器（详见下面程序），应答时间10s到，抢答无效。

有选手按下抢答开关，M10常开得点，形成自锁，常闭失电，其他选手抢答无效，如下图4-2-2所示。

（续下图）

图4.2.2

4.2.3计时时间程序

如下图4-2-3所示，T0为10s限时定时器，10s到，T0接通，停止抢答，选手按下抢答按钮无效；按下计时开关SB7，X007得电，M2自锁，50s后T3得电，T4和T5相继得电失电0.5s构成1s周期的振荡电路，振荡10s后1min时间到。

（声光空见总台声光控制）

图4-2-3

4.2.4抢答总台灯光

有人抢答，M10得电自锁，总台绿灯Y15亮，应答计时50s后，T3得电，T3常闭断开，0.5s后T5得电，0.5s后T5失电，T4、T5组合的1s震荡周期，使灯闪烁10s后，随T2的得电断开。

如下图4-2-4所示。

图4-2-4

4.2.5违规抢答灯光

在主持人没有按下抢答按钮情况下抢答，M10得电，总台红灯亮，反之，主持人按下抢答按钮，M1常闭失电，抢答辅助继电器M10不影响Y16的亮灭，如下图4-2-5所示。

图4-2-5

4.2.6总台音响

从上到下分别是：

开始、抢答、抢答过时、违规、应答时间到声响1s。

T6与自锁Y17控制声响时间。

如下图4-2-6.

图4-2-6

4.2.7加减分程序

1）初值的设置

接通电源，把寄存器D1/D2/D3的初值设为20分，如图4-2-7.1所示。

图4-2-7.1

2）加减分及最高最低分控制

按下加分（X5）、减分（X6）、违规减分（X10）按钮，借助抢答选手的灯光Y12、Y13、Y14的自锁，有脉冲信号分别让对应的选手分别加减分，并且利用区间比较指令ZCP控制最高分（不得高于k95）、最低分（不得低于k0）。

如下图图4-2-7所示。

（续下图）

图4-2-7

4.2.8各选手的分数显示

1）初值的显示辅助模块

电源接通，M8002脉冲信号让初值显示辅助继电器M20得电1s，1s后各选手的分值锁定不变，如下图4-2-8.1所示。

图4-2-8.1

2）加减分信号M3得电，如4.1节软件流程图的设计中图4-1-2刷新程序流程图步骤执行。

4.2.9内部器件说明

器件名称

M1：

应答开始辅助继电器

T0：

抢答时限10s

M2：

应答时间辅助继电器

T1：

抢答超时灯亮2s定时

M3：

显示电路辅助继电器

T2：

应答时限60s定时

M10：

抢答辅助继电器

T3：

应答计时50s到定时

M11：

加减分辅助继电器

T4、T5构成灯光1s周期振荡

M12：

复位继电器

T6：

声响1s

M50—M80：

分数限制

T7：

1s后复位

M0：

公共控制触点

T8—T16显示刷新辅助定时

M20:

选手初值显示辅助继电器

T20：

选手初值显示辅助定时器

M4：

应答时间内加减分辅助继电器

M5：

计时后加分顺序辅助继电器

表3其他机内器件

4.3抢答器总程序

根据上面的基本环节，和硬件答辩老师指出的问题，设计的三路智力抢答的总程序如附录所示。

5安装与调试情况

5.1调试软件与步骤

根据硬件设计和实验的要求，将各个输入输出端子和实际控制系统中的按钮、所需控制设备正确连接，完成硬件的安装。

知识竞赛抢答器的程序是由三菱PLC编程软件GX-DEVELOPER编制完成，程序载入，正常工作时程序存放在存储卡中，若要修改程序，先将PLC设定在STOP状态下，运行三菱PLC编程软件GX-DEVELOPER编程软件，打开三路知识竞赛抢答器的程序，即可在线调试，也可用编程器进行调试。

检查界限无误后，按照下面步骤调试：

我的调试步骤如下：

（1）按下抢答开始按钮SB4，先在10秒内抢答，看答题开始计时60秒后是否有灯光和声音信号，灯声是否正常。

。

（2）正常抢答（SB1/SB2/SB3）,按下几时按钮SB7，50秒后绿灯是否闪烁，1min后，声响和灯光检查。

（3）在正确的抢答情况下加减分是否有正确显示。

（4）然后复位，看是否正常。

按下抢答开始按钮SB4，10秒内无人抢答是否有灯光和声音信号。

（5）违规操作时，红灯声响是否起作用，违规减分是否正常。

（6）把每个选手加分（减分）大于95（小于5分）后，是否符合最高分不超过95，最低分不低于0分的要求。

（7）所有的信号显示都要根据I/O分配，看是否正确。

5.2调试中遇到的问题

调试终于到的问题是非常多的，下面主要说说我遇到的三个问题：

双线圈输出错误；梯形图编排不合理，使程序步数复杂化、扫描周期延长；没有进行互锁处理导致的不正常。

一、双线圈输出错误

在20周的星期一，程序终于完成了，但是按照要求进行软件程序的检查，一系列的双线圈错误把我吓坏了眼，眼看要成功，一些列的错误然人突然紧张。

后来查询下资料，原来双线圈错误没有想象中那么严重。

下面我根据搜索的资料介绍一下PLC双线圈输出的规则，一般情况下不允许出现双线圈输出，在三种特定的条件下允许双线圈输出。

合理使用双线圈输出可以解决程序设计中的一些问题，还可以减少执行程序的时间。

问：

什么是双线圈输出？

答：

在用户程序中，同一编程元件的线圈使用了两次或多次，称为双线圈输出。

问：

一般情况下为什么不允许双线圈输出？

答：

图1a中有输出继电器Y0的两个线圈，在同一扫描周期，两个线圈的逻辑运算结果可能刚好相反，即Y0的线圈一个“通电”，一个“断电”。

因为在程序执行完后才将Y0的ON/OFF状态送到输出模块，对于Y0控制的外部负载来说，真正起作用的是最后一个Y0的线圈的状态。

图1双线圈输出

由PLC的工作原理可知，PLC程序执行的结果（即运算得到的线圈的通断状态），马上就可以被后面的逻辑运算使用。

Y0的线圈的通断状态除了对外部负载起作用外，通过它的触点，还可能对程序中别的元件的状态产生影响。

图1a中Y0两个线圈所在的电路将梯形图划分为3个区域。

因为PLC是循环执行程序的，A区和C区中Y0的状态相同。

如果两个线圈的通断状态相反，不同区域中Y0的触点的状态也是相反的，可能使程序运行异常。

作者曾遇到因双线圈引起的输出继电器快速振荡的异常现象。

所以一般应避免出现双线圈输出现象，例如可以将图1a改为图1b。

有时同一元件的线圈分别在不同的程序段中（如自动程序和手动程序），不能用这种合并控制电路的方法来处理双线圈问题。

问：

为什么在某些情况下允许双线圈输出？

答：

虽然同一元件的线圈在程序中出现两次或多次，只要能保证在同一扫描周期内只执行其中一个线圈对应的逻辑运算，这样的双线圈输出是允许的。

下列三种情况允许双线圈输出：

（1）在跳步条件相反的两个程序段（如自动程序和手动程序）中，允许出现双线圈现象，即同一元件的线圈可以在两个程序段中分别出现一次。

图2中的X10是自动/手动切换开关，当它为ON时将跳过自动程序，执行手动程序；为OFF时将跳过手动程序，执行自动程序。

实际上CPU只执行正在处理的程序段中双线圈元件的线圈输出指令。

（2）在调用条件相反的两个子程序中，允许出现双线圈现象，即同一元件的线圈可以在两个子程序中分别出现一次。

图3中X20为ON时调用在指针P0处开始的子程序，X20为OFF时调用在指针P1处开始的子程序。

图中的SRET为子程序返回指令，FEND为主程序结束指令。

与跳步指令控制的程序段相同，子程序中的指令只是在该子程序被调用时才执行，没有调用时不执行，因为调用它们的条件相反，在一个扫描周期内只能调用一个子程序，实际上只执行正在处理的子程序中双线圈元件的线圈输出指令。

图3：

子程序调用

（3）如果使用三菱PLC的STL（步进梯形）指令，由于CPU只执行活动步对应的STL触点驱动的电路块，使用STL指令时允许双线圈输出，即不同时闭合的STL触点可以分别驱动同一编程元件的一个线圈。

在顺序功能图中，除了与并行序列有关的步之外，在任何时候各步对应的状态继电器只有一个为ON。

以图4为例，只有当某一STL触点（图中的“胖触点”）接通时，PLC才执行STL触点控制的程序。

图3中的状态继电器S21对应的步为活动步时，S21的STL触点闭合，Y1的第一个线圈“通电”。

此时S23对应的步为不活动步，没有执行Y1的第2个线圈对应的输出指令。

图4：

STL指令与双线圈

同一元件的线圈不能在可能同时为活动步的STL区内出现。

并行序列中的各条支路是同时执行的，并行序列中两条不同支路中的某两步可能同时为活动步，它们的触点可能同时闭合，在处理双线圈输出时应注意这一问题。

在用步进梯形指令､转移指令和子程序调用编制PLC程序时，正确使用双线圈输出，可以使程序简单､清晰易懂，因为有很多程序段没有执行，还可以缩短程序执行的时间。

没有并行序列时，同时只有一个STL触点闭合。

有并行序列时，同时闭合的STL触点的个数等于并行序列中的支路条数。

因为在实际的系统中并行序列并不多见，使用TL指令时可以显著地缩短程序执行的时间。

二、梯形图编排不合理，使程序步数复杂化、扫描周期延长

这涉及到程序的精简化，需要一定的PLC编程经验。

由于我们是初学者，刚刚涉及一门新的学科，一种新的编程技术，所以在摸索中未免程序的复杂化。

但是，比如上面的双线圈错误一定程度上是程序的复杂化表现，我们可以辅助用继电器精简。

比我我做的三菱PLC的三路智力抢答器，总台绿灯和总台音响，我一开始是完全分开的，既系每个选手抢答程序下面都有一个总台音响和绿灯控制，是程序大大的杂乱复杂化。

我做的改变是从认识双线圈错误里面学习到，加上了老师和同学的指导交流，我的程序从530多步简化到430多步。

三、没有进行互锁处理导致的不正常

检查程序没有错误，但是调试还是不成功，比如出现一个选手抢答，再按另外一个选手的抢答按钮，仍然起作用，寻根问底，原来是没有进行自锁导致抢答的封锁失效。

如下图5所示：

图5抢答及封锁程序

由上面程序可以明显看出，M10作为抢答封锁辅助继电器却没有互锁，而封锁继电器M10在下面的程序的使用率非常高，因此，这个错误会导致整个程序调试的直接错误。

四、程序输入的错误

由于我的起步是分段手写到稿子上，再重新设计总的程序，再到电脑上编辑程序，这其中就难免程序参数的输入错误，而这影响可大可小，就在20周的星期三，由于我感觉最正确的显示模块，在显示3号选手分数时候。

我把个位数指令MOVK1M400K1Y000错误写成MOVK400K1Y000，这是致命的错误，会在刷新3号选手分数时候导致个位数全部置零。

仅仅因为这个错误，我调试了一个早上和一个下午，不得不得重新检查整个程序是否有错误置零，看到最后几行，恍然大悟，终于找到问题所在。

5.2.3硬件答辩遇到的问题

因为没有切实考虑实际中主持人错误操作的情况，硬件答辩时候遇到了一下问题：

1）总台开始按钮按下声响不受次数限制，抢答开始后随时可以按下都声响，会影响实际总使用。

2）加减分后闪烁电路继续工作

3）计时没有开始计时主持人可以进行加减分

解决方法：

第一种情况：

在主持人抢答开始声响脉冲前加上选手抢答封锁继电器M10的常闭。

第二种情况：

利用加减分辅助继电器M3的脉冲信号，让继电器M4自锁，把M4的常闭开关与闪烁定时器T5串联。

第三种情况：

加减分脉冲信号

前串上自锁的计时加减分的辅助继电器M5常开即可，如图5-2-3所示。

图5-2-3

6设计体会

回忆这两周“三路智力抢答器的PLC控制”的课程设计，虽然辛苦却是无比的充实，它使得我对PLC的掌握进一步的增强，加深了对PLC它们的理解，并对PLC产生了浓厚的兴趣，但是我也深深的知道自己的不足之处，比如说对应用指令的不熟悉，加深了我的程序复杂程度。

但在学习过程中不能想通的问题，在PLC调试过程中，终于得以解决。

可以看出它对理论教学起到了必要的补充和额拓宽作用，对培养既具有扎实理论功底又具有相当实践能力的人才必不可少。

在这次的课程中，我切实了解到PLC在工业控制中的作用，它能使人的控制转变成电脑的控制，大大地降低了产品的成本和提高生产效率。

从一开头脑非常朦胧，不知所措，但是在华路光老师的指导和同学的互相帮助下，我一步步进入状态，从最基本的选手抢答时候LED灯的点亮开始，到选手间的抢答封锁入门，逐渐地学会用辅助继电器来为下一步操作响应进行控制，到各部分程序的紧密相连，组合成一个相互联系制约的整体。

这其中的成就感是非常的强烈的，看到自己亲手做出的产品，这两周的辛苦也忘记了，学到的东西得到了实践应用，我相信这将是我以后最宝贵的经验。

7参考文献

1.《电气控制与PLC课程设计指导书》华路光方清城编

佛山科学技术学院机电与信息工程学院自动化系

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