毕业设计（论文）-PLC在抢答器中的应用

毕业设计（论文）报告题 目 PLC在抢答器中的应用院 系 中德机电学院 专 业 机电一体化技术 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 2013年4月无锡科技职业学院毕业设计（论文）PLC在抢答器中的应用PLC在抢答器中的应用摘要：随着目前生产自动化水平的提高，以及各种监控系统的需要，PLC以其外部电路简单、模块化结构、软硬件开发周期短、可靠性、稳定性高，尤其可以通过方便的编制和修改软件来实现顺序控制的功能等特点，它将传统的继电器控制技术与计算机和通信技术融为一体，在工业的应用中越来越广泛。本次毕业设计要实现的目标：当主持人按下开始抢答按钮后，八组选手开始抢答，抢答成功的选手台前指示灯亮，当主持人按下答题计时按钮时，答题开始三十秒倒计时，当剩余9秒的时候数码管显示倒计时提醒选手。答题结束后当主持人再次按下开始按钮时，开始进行新一轮抢答。关键词：稳定性、抢答器、倒计时PLC application in the buzzerAbstract: With the improvement of the production automation level, and the need of all kinds of monitoring and control system, PLC in the external circuit is simple, modularized structure, hardware and software development cycle is short, stability,high reliability, is particularly convenient preparation and modification of the software to realize the sequence control function etc, it will traditional relay control technology combined with computer and communication technology, more and more widely in the industrial application.The graduation design goal: when the host begins button, eight group of players vies to answer first, vies to answer first contestant front indicator of success, when host press the answer timing button, answering question began thirty seconds countdown, digital tube display when the remaining 9 seconds countdown to remind players. When host press the start button again after the answer, begin a new round of vies to answer first.Keywords: stability, buzzer, countdown目录前言1第一章PLC的发展历程21.1 PLC的概述21.2 PLC的发展21.3 PLC的应用领域31.4 PLC的优点4第二章设计任务和要求62.1设计任务62.2设计要求6第三章PLC的选择73.1PLC控制对象73.2 PLC的设计73.3 PLC调试73.4 PLC的类型以及设计流程73.5 PLC选型8第四章八路抢答器软件设计94.1系统结构94.2流程框图104.3 LED数码管的结构特点114.4 LED数码管的主要特性114.5 I/O分配表124.6梯形图13第五章模拟与调试225.1程序模拟与调试225.2程序实物现场调试23致谢26参考文献27iii无锡科技职业学院毕业设计（论文）PLC在抢答器中的应用前言早期的工业生产中广泛使用的电气自动控制系统是继电器-接触器控制系统。它具有结构简单、价格低廉、容易操作和对维护技术要求不高的优点，特别适用于工作模式固定、控制要求比较简单的场合。随着工业生产的迅速发展，继电控制系统的缺点变得日益突出。由于其线路复杂，系统的可靠性难以提高且检查和修复相当困难。 美国数字设备公司(DEC)在1969年首先研制出第一台可编程控制器PDP-14，在汽车装配线上使用，取得了成功。接着，美国MODICON公司也开发出了可编程控制器084。1971年日本从美国引进了这项新技术，很快研制出日本第一台可编程控制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。 早期的可编程控制器是为了取代继电器控制线路，其功能基本上限于开关量逻揖控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，一般称为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,简称PLC)。这种PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，在硬件设计上特别注重适用于工业现场恶劣环境的应用，但编程需要由受过专门训练的人员来完成，这是第一代可编程控制器。现代的PLC不仅能实现开关量的顺序逻辑的控制，而且具有数字运算、数据处理、运动控制以及模拟量控制，还具有远程I/O、网络通信和图像显示等功能，已成为实现生产自动化、管理自动化的重要支柱。著名的PLC制造厂商有：美国Rockwell自动化公司所属的A-B（Allen&Bradly）公司、GE-Fanuc公司，德国的西门子（SIEMENS）公司和法国的施耐德(SCHNEIDER)自动化公司，日本的欧姆龙（OMRON）和三菱公司等。通过课程设计我们可以掌握可编程序控制器（PLC）的基本工作原理、指令系统、硬件连接，使用可编程序控制器的基本方法，锻炼对PLC的编程能力。理解并掌握可编程序控制器（PLC）的基本结构、PLC的运行方式、外部接线及编程方法，训练编程能力及用PLC解决现场控制问题的能力。并能根据现场控制要求，自主编程和调试程序，全面建立起用PLC解决一个实际问题的全过程的概念。第一章PLC的发展历程1.1 PLC的概述可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置，它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。可编程控制器以其可靠性高，组合灵活，编程简单，维护方便等独特优势被日趋广泛应用于国民经济的各个控制领域，它的应用深度和广度已成为一个国家工业先进水平的重要标志。由于早期的可编程控制器只是用于取代继电器控制执行逻辑运算、计时、计数等顺序控制功能，因此人们称之为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。1.2 PLC的发展PLC 的发展阶段 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。1.3 PLC的应用领域当前，PLC在国内外已广泛使用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个职业，运用情况大致可概括为如下几类： 1开关量的逻辑操控 这是PLC最基本、最广泛的使用领域，它替代传统的继电器电路，完结逻辑操控、按次操控，既可用于单台设备的操控，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装出产线、电镀流水线等。2模拟量操控 在工业出产进程傍边，有许多接连改变的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程操控器处置模拟量，必须完结模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D变换及D/A变换。PLC厂家都出产配套的A/D和D/A变换模块，使可编程操控器用于模拟量操控。3运动操控 PLC可以用于圆周运动或直线运动的操控。从操控组织装备来说，早期直接用于开关量I/O模块衔接方位传感器和执行组织，如今普通运用专用的运动操控模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴方位操控模块。世界上各首要PLC厂家的产物简直都有运动操控功用，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4进程操控 是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环操控。作为工业操控计算机，PLC能编制各式各样的操控算法顺序，完结闭环操控。PID调理是普通闭环操控系统中用得较多的调理办法。大中型PLC都有PID模块，当前许多小型PLC也具有此功用模块。PID处置普通是运转专用的PID子顺序。进程操控在冶金、化工、热处置、锅炉操控等场合有十分广泛的使用。5数据处置 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据变换、排序、查表、位操作等功用，可以完结数据的收集、剖析及处置。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比拟，完结必定的操控操作，也可以使用通讯功用传送到另外智能设备，或将它们打印制表。数据处置普通用于大型操控系统，如无人操控的柔性制造系统；也可用于进程操控系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型操控系统。6通讯及联网 PLC通讯含PLC间的通讯及PLC与其它智能设备间的通讯。跟着计算机操控的开展，工厂自动化网络开展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通讯功用，纷繁推出各自的网络系统。新近出产的PLC都具有通讯接口，通讯十分便利。1.4 PLC的优点1抗干扰能力强，可靠性高，继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁波干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸收了生产控制经验，主要模块均采用了大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、抗震等都有精确的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力，目前个生产厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。2控制系统结构简单、通用性强、应用灵活 PLC产品均成系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可有各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线量很小。同一个PLC装置有、用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。3编程方便，易于使用 PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎。4功能完善，扩展能力强 PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。PLC内部具有许多控制功能，能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC具有通信联网功能，他不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。他不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。5PLC控制系统设计、安装、调试方便 PLC中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线量大大减小，设计人员只要一台PLC就可进行控制系统的设计可在实验室进行模拟调试。而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。PLC控制系统的工作状态状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过他可查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。6结构紧凑 体积小、重量轻，易于实现机电一体化。由于以上特点，使得PLC获得极为广泛的应用。第二章设计任务和要求2.1设计任务1.基于S7-200PLC的八路抢答器控制2.计算输入输出点，编写I/O对应表及内部元件使用表；3.查找关于S7-200的编程资料4.编写PLC控制程序，梯形图；5.模拟演示其工作过程；2.2设计要求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SB1 SB8表示。2.设置一个系统复位开关SB和抢答控制开关SB9，该开关由主持人控制。3.抢答器具有显示功能。既选手按动按钮，显示相应的编号，其他选手不能抢答，同时对应抢答者的指示灯HL1HL8亮。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统复位为止。4.抢答器具有答题时间显示功能，答题倒计时为30秒当到倒计时到9秒的时候数码管显示提醒选手，时间到的时候答题截止。5. 各输入端口统一采用直流24V电源。 第三章PLC的选择3.1PLC控制对象根据生产和工艺过程分析控制要求，确定控制对象及控制范围，确定控制系统的工作方式，例如全自动、半自动、手动、单机运行、多机联合运行等。还要确定系统应有的其它功能，例如故障检测、诊断与显示报警、紧急情况的处理、管理功能、联网通信功能等。3.2 PLC的设计硬件设计指电气线路设计，包括主电路及PLC外部控制电路，PLC输入输出接线图，设备供电系统图，电气控制柜结构及电器设备安装图等。软件设计包括I/O分配表、梯形图、指令表等，控制程序设计是PLC系统应用中最关键的问题，也是整个控制系统设计的核心。3.3 PLC调试硬件部分的模拟调试主要是对控制柜或操作台的接线进行测试。可在操作台的接线端子上模拟PLC外部的开关量输入信号，或操作按钮的指令开关，观察对应PLC输入点的状态。用编程软件将输出点强制ON/OFF，观察对应的控制柜内PLC负载（指示灯、接触器等）的动作是否正常，或对应的接线端子上的输出信号的状态变化是否正确。联机调试时，把编制好的程序下载到现场的PLC中。调试时，主电路一定要断电，只对控制电路进行联机调试。通过现场的联机调试，还会发现新的问题或对某些控制功能的改进。3.4 PLC的类型以及设计流程PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。PLC控制系统的设计流程图如图3-4步骤：图3-4 PLC控制系统的设计流程图3.5 PLC选型S7-224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S7-224系列就完全可以满足电气控制系统方面的要求。同时在学校所学习关于PLC的编程也是西门子的PLC。所以在众多PLC中我选择了西门子S7-200，CPU224的PLC来进行本次毕业设计的编程以及调试。第四章八路抢答器软件设计4.1系统结构S7-200 CPU224SBSB9SB1SB2SB3SB4SB5SB6SB7SB8数码管显示器参赛队号码答题倒计时1号台灯HL12号台灯HL23号台灯HL34号台灯HL45号台灯HL56号台灯HL67号台灯HL78号台灯HL8图4-1 知识竞赛抢答器系统结构主持人按下开始按钮抢答开始4.2流程框图倒计时到9秒时数码管显示提醒选手有人抢答对应指示灯亮数码管显示编号主持人宣布答题开始按下复位按钮开始30秒答题倒计时同时抢答器复位答题结束图4-2 知识竞赛抢答器流程框图4.3 LED数码管的结构特点LED 数码管是由发光二极管构成的，亦称半导体数码管。将条状发光二极管按照共阴极（负极）或共阳极（正极）的方法连接，组成“ 8”字，再把发光二极管另一电极作笔段电极，就构成了LED 数码管。若按规定使某些笔段上的发光二极管发光，就能显示从09 的一系列数字。同荧光数码管（VFD）、辉光数码管（NRT）相比，它具有：体积小、功耗低、耐震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应的时间短，能与TTL、CMOS 电路兼容等优点。现已广泛用作数字化仪表、数控装置、家用电器中的数显器件。常见LED 数码管的外形及内部结构如图4-3所示。图4-3采用共阴极结构。ag 是7 个笔段电极，DP 为小数点。小数点则是独立的。图4-3 LED数码管外形及内部结构4.4 LED数码管的主要特性1.工作电压1.55V，一般为1.52.5V，工作电流510mA，高亮度管可在低电压和小电流（1mA左右）条件下工作。2单色性好，亮度高、高频特性优良，发光响应时间非常短，通常小于0.1us。好，工作温度范围为-30+80，使用寿命可达5M小时以上。3LED数码管每笔画工作电流I在510 mA 之间，若电流过大会损坏数码管，因此必须加限流电阻，其阻可按下式计算R=（V0-V1）/I其中V0为加在LED两端上的电压，V1为LED数码管每笔划压降（约为2V）。4.5 I/O分配表输入SBI0.0 1号选手按钮SB1I0.1 2号选手按钮SB2I0.2 3号选手按钮SB3I0.3 4号选手按钮SB4I0.4 5号选手按钮SB5I0.5 6号选手按钮SB6I0.6 7号选手按钮SB7I0.7 8号选手按钮SB8I2.0 主持人开关按钮SB9I2.1复位倒计时按钮输出HL1Q0.0 1号选手指示灯HL2Q0.1 2号选手指示灯HL3Q0.2 3号选手指示灯HL4Q0.3 4号选手指示灯HL5Q0.4 5号选手指示灯HL6Q0.5 6号选手指示灯HL7Q0.6 7号选手指示灯HL8Q0.7 8号选手指示灯Q2.0数码管a段Q2.1数码管b段Q2.2数码管c段Q2.3数码管d段Q2.4数码管e段Q2.5数码管f段Q2.6数码管g段表4-3 知识竞赛抢答器I/O分配表4.6梯形图 第五章模拟与调试5.1程序模拟与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。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，下面图5-1和5-2是程序运行调试中的抢答开始和1号选手抢答的过程图。图5-1 1号选手抢答程序图5-2 1号选手抢答模拟5.2程序实物现场调试完成上述的工作后，就可以进行现场的调试工作立刻,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