基于PLC的知识竞赛抢答器设计.docx
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基于PLC的知识竞赛抢答器设计
第一章可编程控制器及工作原理
1.1可编程控制器简介
1.1.1可编程控制器的产生和定义
可编程控制器（Programmablecontroller）简称PC，为了避免和通用计算机的简称PC区分开，所以在很多书中对可编程控制器仍沿用以前PLC的简称。
在1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC。
七十年代后，PLC已成为一种新型的工业自动控制标准设备，而且PLC不再是仅有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID控制和数据通信功能。
[1]
1987年2月，国际电工委员会（IEC）在可编程控制器的标准草案中作了如下定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械设备或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统连成一个整体，并易于扩充其功能。
”
PLC专为工业控制而设计，除了对元器件进行筛选、老化外，在软件和硬件上都采用了许多抗干扰的措施，如屏蔽、滤波、隔离、故障论断和自动恢复等。
1.1.2可编程控制器的应用及发展
1.可编程控制器的应用
PLC广泛应用于机械制造、石化、冶炼、电力、轻纺、汽车、交通及各种机电产品的生产中。
典型的应用有：
顺序控制、过程控制、数据处理、联网、显示打印。
2.可编程控制器的生产现况
美国艾伦—布拉德里（Alien-Bradley）公司，简称为AB公司，它的产品有适应单机和小型控制系统的SLC100型PLC，以及适应大型控制系统的PLC-3型。
美国通用电气（GENERALELECTRIC）公司，简称为GE公司。
是世界上生产PLC最早的厂商之一。
主要的产品是GE系列PLC。
美国德州仪器公司（TEXASINTRUMENTS）简称为TI公司，主要的产品有TI系列。
德国生产PLC的主要厂商有：
西门子（SIEMENS）公司，它生S系列的PLC。
1996年推出S7-400系列新产品、自带人机界面的C7系列PLC、与AT计算机兼容的M7系列PLC等多种新产品。
日本的立石（OMRON，欧姆龙）公司，主要生产SYSMACC系列大、中、小型PLC。
三菱（MITSUBISHI）公司生产FX系列PLC，近年来推出了FX系列，如FX2、FX1、FX2c、FX0、FX0N、FX0S、FX2N、FX2NC等。
FX2N型PLC是三菱公司的近期产品。
日本的东芝公司（EX系列PLC）、富士电机公司（NB、NJ、NS系列PLC）、松下公司（EP系列PC）等。
[2]
3.可编程控制器的发展及方向
从第一台PLC诞生以来，PLC的发展经历了五个重要时期。
从1969年到20世纪70年代初期。
CPU由小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器，控制功能比较简单，仅仅是继电接触器的替代产品。
从20世纪70年代初期到20世纪70年代末期。
采用CPU微处理器，存储器采用了半导体存储器，实现了模拟量控制，软件上开发自诊断程序，PLC的可靠性提高，产品实现了系列化，PLC的应用范围扩大。
从20世纪70年代末期到20世纪80年代中期。
大规模集成电路推动了PLC的发展。
CPU采用了8到16位微处理器，数据处理能力和速度提高，
PLC开始具备了通讯能力，软件上开发了梯形图语言和语句表语言，发达国家多种工业控制开始使用PLC。
20世纪80年代中期到20世纪90年代中期。
超大规模集成电路使PLC完全计算机化。
CPU开始采用32位微处理器，数学运算和数据处理能力大大提高，增加了运动控制，PID控制。
联网能力加强，PLC向标准化，系列化发展。
20世纪90年代中期至今。
主要特点：
CPU使用16位和32位微处理器，运算速度更快，具有大匹量数据处理能力，出现了智能化模块，可以对各种复杂系统进行控制。
编程语言除了梯形图和语句表语言之外，还增加了高级语言。
同计算机的发展类似，目前PLC正朝着两个方向发展。
[3]
第一是朝着小型、简易、价格低廉的方向发展：
小型PLC可以广泛地取代继电器控制系统，用于单机控制和规模比较小的自动化生产线控制。
由于小型可编程序控制器体积小，很容易安装在电器柜中，使电器柜布局简单、整洁、美观，特别便于维护。
由于小型PLC价格低廉，在设备的成本核算方面，也比较容易接受。
第二是朝着大型、高速、多功能和多层分布式全自动网络化方向发展：
这类可编程序控制器一般为多处理器系统，有较大的存储能力和功能很强的输入输出接口。
逻辑运算和数值运算、模拟调节、实时监控、记录显示、计算机接口、数据传送等功能强大，通信设备完整、齐全，可以实现自动化工厂的要求。
与其他工业控制产品的结合
在大型自动控制系统中计算机和PLC在应用功能方面互相融合、互补、渗透，使控制系统的性价比不断提高。
目前工业控制系统的趋势是采用开放式的应用平台，即网络、操作系统、监视及显示均采用国际标准或工业标准，如操作系统采用UNIX、MS-DOS、Windows、OS2等，这样可实现不同厂家的PLC产品可以在一个网络中运行。
1988年美A-B公司与DEC公司联合开发的金字塔集成器，使PLC和工业控制计算机有机的结合在一起，研制出一种新型的IPLC型可编程控制器（集成PLC），能运行DOS或Windows操作系统的可编程控制器，是一个能用梯形图语言以实时方式控制的I/O计算机。
近年来推出以计算机和PLC结合应用的方式有：
在PLC的CPU模块旁边加插WindowsCPU或在计算机总线上插入PLC的CPU模块。
采用这种方式后将生产和管理更加便利，将数据处理、通信、控制程序统一，也保留了PLC的简单、易用和高可靠性的特点，同时又具有计算机强大的数据处理能力，使现场的生产数据、生产计划调度、管理可以直接上机操作获取。
[4]
1.1.3可编程控制器的功能及特点
1.可靠性高、干扰能力强抗
2.适应性强，应用灵活
PLC是系列化的产品，其品种齐全，可以满足各种大小规模、功能繁简的控制系统。
3.编程方便、易于使用
采用梯形图语言，延续使用继电器控制系统的许多符号和规定，其形象直观、易学易懂。
4.具有各种接口、与外部设备连接方便，适应范围广
具有各种数字、模拟量的I/O接口，能将生产现场的多种规格的直流、交流信号直接接入可编程控制器。
5.功能完善
具有模拟和数字量输入/输出模块、逻辑运算和定时、计数、数据处理、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能。
[5]
1.1.4PLC的性能指标和分类
1PLC的主要性能指标
（1）输入/输出点数
对于开关量采用最大的I/O点数表示。
模拟量则用最大的I/O通道数表示。
（2）PLC内部继电器的种类和点数
包括辅助继电器、特殊的辅助继电器、定时器、计数器、移位寄存器等。
（3）用户程序存储量
用户程序存储器用于存储用户程序。
通常用K字（KW）、K字节（KB）、K位来表示。
（4）扫描时间
扫描时间是指PLC执行一次解读用户控制程序所需的时间。
可用一个粗略指标表示，即用每执行1000条指令所需时间来估算，通常为10mS左右。
小型机可能大于20mS。
也有用ms/K为单位表示。
例如20mS/K字表示扫描1K字的用户程序需要的时间为20mS。
（5）编程语言及指令功能
梯形图语言、助记符语言、流程图语言及高级语言等。
不同厂家的PLC具有不同的编程语言。
同一厂家的不同型号的PLC其指令扩展的深度是不同的。
（6）工作环境
工作温度：
0～55℃，最高为60℃；相对湿度为（5～95）%：
周围不能混有可燃性、易爆性和腐蚀性气体。
（7）可扩展性
有模拟量处理、高速处理、温度控制、通信等模块。
[6]
2PLC的分类
PLC是由现代化大生产的需要而产生的，PLC的分类也必然要符合现代化生产的需求。
初略地说可以从两个个角度对PLC进行分类。
按PLC的控制规模分类
可编程序控制器按控制规模可以分为大型机、中型机和小型机。
一般I/O点数在256点以内属于小型机，I/O点数在256点2048点之间属于中型机，I/O点数在2048点以上属于大型机。
小型机
小型机的控制点一般在256点之内,适合于单机控制或小型系统的控制。
中型机
中型机的控制点一般不大于2048点,可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。
大型机
大型机的控制点一般大于2048点,不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算。
它不仅可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。
按结构去划分
1）整体式
整体式结构的可编程序控制器把电源、CPU、存储器、I/O系统都集成
在一个单元内，该单元叫做作基本单元。
一个基本单元就是一台完整的
PLC。
控制点数不符合需要时，可再接扩展单元。
整体式结构的特点是非
常紧凑、体积小、成本低、安装方便。
图1
2）模块式
模块式结构的可编程序控制器是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。
其中各模块功能比较单一，模块的种类却日趋丰富。
比如，一些可编程序控制器，除了－些基本的I/O模块外，还有一些特殊功能模块，像温度检测模块、位置检测模块、PID控制模块、通讯模块等等。
组合式结构的PLC特点是CPU、输入、输出均为独立的模块。
模块尺寸统一、安装整齐、I/O点选型自由、安装调试、扩展维修方便。
图2
1.2可编程控制器的构成及工作原理
1.2.1可编程控制器的基本组成
主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出单元（I/O）、电源和编程器等组成。
图3
1．中央处理单元（CPU）
中央处理单元是PLC的核心，主要采用的CPU芯片：
通用微处理器（如Inter公司的8080、8086、80386到Pentium系列芯片等）；单片机（如Inter公司的8051、8096系列等）以及双极位片式微处理器（如AM2900、AM2901、AM2903等）三种类型，也有采用厂家自行设计的专用CPU芯片。
一般小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU，大型PLC多采用位片式结构。
PLC的档次越高，CPU的位数也越多，系统处理的信息量越大，运算的速度也越快，指令功能越强。
2.存储器
系统程序存储器和用户程序存储器。
系统存储器用于存放PLC内部系统的管理程序。
用户存储器用于存放用户编制的控制程序。
用户程序存储器的容量一般以字为单位，三菱公司的FX系列PLC的用户程序存储器以步为单位（每步占2个字）。
[7]小型PLC的用户程序存贮器的容量一般是固定的，大中型PLC的用户存储器的容量可以由用户选择。
3.输入/输出单元（I/O接口电路）
I/O单元是PLC与工业控制现场各类信号连接的接口部件，在模块式PLC中采用的是模块式I/O部件。
输入单元还具有信号的电隔离、滤波等作用。
PLC用I/O单元将各种开关、按钮以及传感器等直接接到PLC输入端，也可以将各种执行机构（电磁阀、继电器、接触器、调节阀、调速器等）直接接到PLC的输出端，它们可以是用直流、交流或高电压、低电压开关量信号驱动的机构，也可以是用模拟量驱动的机构。
4．电源单元
供电电源一般为市电，也有24伏供电的。
PLC对电源的稳定度要求不高，一般允许电源电压额定值为（+10～-15）%的范围内波动。
CPU单元和I/O单元由PLC内部的稳压电源供电。
小型的PLC电源和CPU单元是一体的，中大型的PLC都有专门的电源单元。
有些PLC的电源部分还有24VDC输出，用于对外部传感器供电，但电流是毫安级。
5．编程器
编程器用于将用户编制的控制程序送入PLC的存储器，是PLC最重要的外部设备。
编程器不仅用于编程，还可以利用它进行程序的修改和检查、对PLC工作状态的监控。
小型机一般使用简易的手持编程器。
大中型PLC采用带有显示屏的编程器及在通用计算机上采用专用软件编程。
1.2.2可编程控制器的编程语言
1.可编程控制器的编程方式
（1）在线（联机）方式
PLC的在线（联机）编程方式，是将编程器与可编程控制器的专用插座直接相连，或通过一个专用的接口相连，可以将用户程序直接写入到PLC的用户存储器中。
也可以将程序先存在编程器的存储器中，然后再转入到PLC的用户存储器。
这种的编程方式有利于程序的调试和修改，并可以监视PLC的内部器件（如定时器、计数器、触点等）的工作状态。
例如对PLC的内部器件实施强迫接通/断开、置位/复位命令，以及监控器件的功能是否正常。
（2）离线（脱机）编程方式
PLC的离线编程方式，是先将程序存放于编程器的存储器中，在程序写入后与PLC连接，再将程序送到PLC的用户程序存储器中。
离线编程不影响PLC的工作。
2.可编程控制器的常用编程语言
（1）梯形图语言
梯形图语言形象直观、逻辑关系明显，实用。
是目前使用最多一种编程语言，梯形图有多个梯级组成，每个梯级有一个或多个支路，并由一个输出元件构成，最右边的元件必须是输出元件。
一个梯形图梯级的多少，取决于控制系统的复杂程度，但一个完整的梯形图至少应有一个梯级。
（2）指令语句表编程语言
这种编程语言是和计算机汇编语言类似的助记符语言形式，采用一系列的指令语句组成的语句表将控制流程描述出来，并通过编程器送到PLC中去。
每一条语句由操作码、操作数两部分组成。
（3）顺序功能图编程
顺序功能图也是一种编程方法。
这是一种图形说明语言，它用于表示顺序控制的功能。
目前国际电工协会（IEC）正在实施发展这种新式的编程标准。
（4）逻辑图编程语言
这是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言。
采用雷同与门、或门的方框表示逻辑运算关系。
图的左侧表示逻辑运算的输入信号，右侧为输出变量，信号。
1.2.3可编程控制器的工作原理
1PLC的工作方式
PLC的循环扫描工作方式
PLC循环扫描的工作过程如右图所示，包括五个阶段：
内部处理与自诊断、与外设进行通信处理、输入采样、用户程序执行、输出刷新。
PLC有运行（RUN）和停止（STOP）两种基本的工作模式。
下图反映了RUN状态下扫描的全部过程
图5
2.PLC输入/输出的特点
PLC采取集中输入采样，集中输出刷新的扫描方式。
因此PLC对输入/输出处理有着如下特点。
在映像存储区中设置I/O映像区，分别存放执行程序之前采样的各输入状态和执行程序后各元件的状态。
输入点在I/O映像存储器中的数据，取决于输入端子在本扫描周期输入采样阶段所刷新的状态，而在程序执行和输出刷新阶段，其内容不会发生改变。
输出点在I/O映像存储器中的数据，取决于程序中输出指令的执行结果，而在输入采样和输出刷新阶段，其内容不会发生改变。
输出锁存电路中的数据，取决于上一个扫描周期输出刷新阶段存入的内容，而在输入采样和程序执行阶段，其内容不会发生改变。
[8]
直接与外部负载连接的输出端子的状态，取决于输出锁存电路输出的数据。
程序执行中所需要的输入/输出状态，取决于由I/O映像存储器中的数据。
1.3PLC的扫描周期
1.PLC扫描周期的定义
PLC全过程扫描一次所需的时间定为一个扫描周期。
2.PLC扫描周期的计算
一个完整的扫描周期可由自诊断时间、通信时间、扫描I/O时间和扫描用户程序时间相加得到。
3.PLC扫描周期与继电器控制系统响应时间比较
传统的继电控制系统采用硬逻辑并行工作方式，线圈控制其所属触点同时动作。
PLC控制系统采用顺序扫描工作方式，软线圈控制其所属接点串行动作。
PLC的扫描周期越长，响应速度越慢，产生了输入、输出的滞后。
这种响应滞后非但无害，反而可增强系统的抗干扰能力，避免了在同一时刻因有几个电器同时动作而产生的触点动作时序竞争现象，避免执行机构频繁动作而引起的工艺过程波动。
[9]
1.4PLC的I/O响应时间
I/O响应时间指从PLC的输入信号变化开始到引起相关输出端信号的改变所需的时间，它反映了PLC的输出滞后输入的时间。
引起输入/输出滞后的主要原因是：
1）为了增强PLC的抗干扰能力，PLC的每个开关量输入端都采用电容滤波、光电隔离等技术。
2）由于PLC采用集中I/O刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像区的内容也不会改变。
这样，就导致了输出信号滞后于输入信号，其响应时间至少要一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。
3）由于程序设计不当，产生了附加影响。
第二章抢答器的整体系统设计
2.1可编程控制器控制系统设计的原则
一个实际的PLC控制系统是以PLC为核心组成的电气控制系统，实现对生产设备和工业过程的自动控制,以提高生产效率和产品质量。
在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则。
1最大限度地满足被控对象的控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的最基本和最重要的要求，也是设计中最重要的一条原则。
[10]这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料和相关国内、国外的先进资料。
同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
2确保PLC控制系统的安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定地运行，是设计控制系统的重要原则。
这就要求设计者在系统设计、元器件选择和软件编程上全面考虑，以确保控制系统安全可靠。
尤其是在以提高产品数量和质量，保证生产安全为目标的应用场合，必须将可靠性放在首位。
3力求PLC控制系统简单、经济、使用及维修方便
在满足控制要求和保证可靠工作的前提下，应力求控制系统结构简单。
只有结构简单的控制系统才具有经济性、实用性的特点，才能做到使用方便和维护容易。
这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。
4适应发展的需要
由于技术的不断发展，控制系统的要求也将不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。
这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I／O点数和内存容量时，要适当留有余量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
2.2可编程控制器控制系统设计的步骤
1分析被控对象并提出控制要求
详细分析被控对象的工艺过程、工作特点、控制系统的控制过程、控制规律、功能和特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，包括控制的基本方式、所需要完成的功能、必要的保护和报警等。
详细了解被控对象的全部功能，如各部件的动作过程、动作条件、与各仪表的接口、是否与PLC或计算机或其他智能设备相连等。
还要详细了解输入/输出信号的性质，是开关量、模拟量等，并在以上工作的基础上清楚的查询到接入PLC信号的数量，以便选择合适的PLC。
图6
2确定输入/输出设备
根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如按钮、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯及其他执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。
[11]
3选择合适的PLC
PLC的选择包括对PLC的机型、容量、开关输入量的点数以及输入电压、开关输出量的点数以及输出功率、模拟量I/O的点数、通信网络、电源等的选择。
4I/O点分配
分配PLC的I/O点，画出PLC的I/O端子与输入/输出设备的连接图或分配表。
在连接图或分配表中，必须指定每个I/O对应的模块编号、端子编号、I/O地址、对应的输入/输出设备等。
[12]
5设计软件及硬件
（1）PLC程序设计的一般步骤
①根据工艺流程和控制要求，画出系统的功能图或流程图。
②根据I/O分配表或I/O端子接线图，将功能图和流程图转化成梯形图。
（2）硬件设计及现场施工的一般步骤
①设计控制柜布置图、操作面板布置图和接线端子图等。
②设计控制系统各部分的电气图。
③根据图纸进行现场接线。
6调试程序
先进行模拟调试，然后再进行系统调试。
调试时可模拟用户输入设备的信号给PLC，输出设备可暂时不接，输出信号可通过PLC主机的输出指示灯监控通断变化，对于内部数据的变化和各输出点的变化顺序，可在上位计算机上运行软件的监控功能，查看运行动作时序图，或者借助于编程器的监控功能。
模拟调试和控制柜等硬件施工完成后，就可以进行整个系统的现场联机调试。
现场调试是指将模拟调试通过的程序结合现场设备进行联机调试。
通过现场调试，可以发现在模拟调试中无法发现的实际问题，然后逐一排除这些问题，直至调试成功。
[13]
2.3抢答器系统的控制要求
1、竞赛抢答器能使4个队同时抢答。
2、设裁判台与参赛台。
裁判台设有音响和裁判台灯，并设开始按钮和复位按钮；参赛台设有参赛台按钮及参赛台灯。
3、知识抢答器至少应满足以下比赛规则：
（1）出题后，各队抢答必须在裁判员说出“开始”并按下裁判台开始按钮后15秒内抢答，并由数码管显示时间。
若抢答，抢答器将发出“违规”信号。
（2）15秒时间到，如无对抢答，则抢答器给出时间已到信号，该题作废。
（3）在有队抢答的情况下，抢答器发出“抢答”信号，数码管开始计时显示，并由数码管显示抢到题的参赛队号。
（4）抢到题的对必须在30秒内答完题，如30秒内未答完，做超时处理。
4、赛场设时间数码显示器和显示抢到答题对号的数码显示器。
5、灯光与音响信号的意义如下：
（1）音响叫（设定响1秒）+某台灯亮，由某对正常抢答；
（2）音响叫（设定响1秒）+某台灯亮+裁判灯亮，某队违规；
（3）音响叫（设定响1秒）+裁判台灯亮，无人抢答或答题超时。
6、某个题目结束后，裁判员按下复位按钮，抢答器恢复到原来的状态，为下一轮抢答做好准备。
7、各输出口统一用5V电源。
下图是抢答器控制流程图：
图7
第三章抢答器系统的硬件电路设计
3.1PLC机型的选择
目前，PLC的种类非常繁多，不同种类之间的功能设置差异很大，这就要求用户在选择PLC时，不要盲目地追求功能强大，而是在满足控制系统功能需要的前提下，力争最好的性价比，并有一定的可升级性。
1结构形式的选择
在小型控制系统中，当使用环境条件较好、维修量较小、工艺流程相对固定的一般选用整体式结构的PLC；当环境条件较差、维修量较大、工艺流程较复杂、相对变动较大的控制系统中，一般选用模块式结构的PLC。
2功能的选择
由于一般小型（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。
对于需要模拟量控制的系统，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[14]。
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。
3响应速度的选择
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。
4系统可靠性的要求
对于一般系统PLC的可靠性均能满足。
对于控制要求较高的系统（比如实现PID运算、闭环控制等控制系统），应选用中档机或高档机，并考虑是否采用冗余控制系统。
5机型统一
对于一个企业来说，应尽量做到P
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