智力竞赛抢答器PLC设计说明.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除目 录第一部分 智力竞赛抢答器PLC设计2第二部分 前言2第三部分 PLC的简介2第四部分 整体方案的选择4第五部分 硬件电路设计5第六部分 输入、输出设备及功能8第七部分 系统软件设计9第八部分 设计小结14第九部分 致谢词15第十部分 参考文献16组员分配任务：1. 宋清芳：梯形图正常程序部分；2. 周晶晶：梯形图设定时间部分；3. 程志涛：梯形图倒计时部分；4. 马玉惠：梯形图各部分之间的过渡；5. 杨 峰：各种图的电子版部分；6. 罗翔飞：设计说明书部分；7. 张 昊：协调各部分，分配任务，检查。第一部分 智力竞赛抢答器PLC设计摘要：本书介绍了利用三菱FX2N系列PLC对智力竞赛抢答器的控制，阐述了控制方案。实现抢答器的方式有多种，可以采用早起的模拟电路、数字电路或模数混合电路。今年来随着科技的飞速发展，单片机、PLC的应用不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。本文采用日本三菱公司生产的FX2N-48MR型PLC作为核心控制器进行八路抢答器系统的设计，并且设计出了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案。同时根据智力竞赛抢答器的控制要求和特点，确定PLC的输入输出分配。第二部分 前言可编程控制器（PLC）是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制功能强，可靠性高，使用灵活方便，易于扩展等优点而应用越来越广泛。可编程控制器（Programmable Controller),简写为PC。后来由于PC这个名称常常被用来称呼个人电脑（Personal Computer），为了区别，现在就把可编程控制器简称为PLC。第三部分 PLC的简介 国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义如下: PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器,可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令,进行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术等操作,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形式一体,易于拓展其功能的原则设计。 事实上,PLC就是以嵌入式CPU为核心,配以输入,输出等模块,可以方便的用于工业控制领域的装置。PLC与机器人,计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。PLC的用途与特点：（一）PLC的用途 PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC 的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。PLC的应用通常可分为五种类型：（1）顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。（2）运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。（3）闭环过程控制 PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。（4）数据处理 在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。（5）通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。（2） PLC的特点（1）高可靠性 所有的I/O 接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC 内部电路之间电气上隔离。 各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰。 良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CPU立即采用有效措施以防止故障扩大。（2）丰富的I/O 接口模块 PLC针对不同的工业现场信号如交流或直流、开关量或模拟量等有相应的I/O 模块与工业现场的器件或设备如按钮、行程开关等。 另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等。（3） 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC 以外，绝大多数PLC 均采用模块化结构，PLC 的各个部件包括CPU 电源I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。（4）编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。（5）安装简单维修方便 PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC 相应的I/O 端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。第四部分 整体方案的选择一、智力竞赛抢答器，顾名思义就是用于比赛时，跟对手比反应时间，思维运转快慢的新型电器。随着社会科技技术的不断发展，它的应用场合也随之增加;技术含量大大提升；更加方便可靠。目前，形式多样、功能完备的抢答器已广泛应用于电视台、商业机构、学校及企事业单位，它为各种竞赛增添了刺激性、娱乐性，在一定程度上丰富了人们的业余生活。用PLC进行智力竞赛抢答器设计，其控制方便、灵活，只要改变输入PLC的控制程序，即可改变竞赛抢答器的抢答方案。一、PLC智能抢答器工作原理我们组所设计的PLC智能抢答器是适合八个人抢答的八路抢答器，现在以八路抢答器为例。给竞赛主持人设定了7个控制按钮，用来控制开始、复位、答题定时，每当主持人发出开始抢答指令后，哪组选手最先按下抢答器按钮，则数码管就显示该组编号，同时绿色指示灯亮，音响电路发出声响提示信号以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不在响应，选手答题完毕后，由主持人按下复位键，系统开始下一轮抢答。若选手在为开始抢答时提前抢答了。当主持人按下抢答按钮时定时器T0开始计时（设定30秒），若30秒限制到时仍无人抢答则黄灯亮音响电路发出声响，以提示选手放弃该题。在抢答成功后，主持人按下答题计时按钮，同时数码显示答题倒计时时间该时间可根据需要调节，此设定为60S，选手必须要在此时间内完成答题，否则，音响电路发出超时警报声响。其中以上功能都通过编制的PLC程序来控制3个数码管和2个指示灯以及2个喇叭来实现。三、控制要求（1） 抢答器同时提供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0S7表示。（2） 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。（3） 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。（4） 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30S)。当主持人启动“开始”键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。（5） 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。（6） 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。第五部分 硬件电路设计一、控制特点分析智力竞赛抢答器通过PLC进行按控制要求编程，其主要的输入就是通过主持人和参赛选手的按钮，然后将信号传递给信息分析中心（PLC），PLC将根据信号作出相应的响应。智力竞赛抢答器有十四输入信号（即十四按钮），十九个输出信号。由上可知PLC十四个输入点，十九个输出点。系统控制结构框图如下图所示：PLC主持人按钮抢答按钮音响电路组显电路计时电路时间显示二、PLC机型的选择步骤与原则随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理的选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要的意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型的选择PLC机型的选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：（1） 合理的结构形式PLC主要有整体式和模块式两种结构形式。整体式PLC的每一个I/O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，一般用于较复杂的控制系统。（2） 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。（3） 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，具有加减算数运算、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，可视控制模块大小及复杂程度，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。（4） 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。（5） 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 余系统或热备用系统。（6） 机型尽量统一一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑到以下三个问题：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控制系统。综上所述，基于以上思想，选用日本三菱公司FX-48MR系列的PLC作为控制主机。三、PLC与七段数码管直接连接阻值计算根据LED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）。本次设计PLC电源采用的是直流24V，通过数码管的电流I=3mA计算可得R=1K。本次设计共用到了三个数码管，所以须要21个1K的R，以及2个EL灯和2个音响。第六部分 输入、输出设备及功能第七部分 系统软件设计一、外部接线图如下所示：二、控制梯形图如下所示：工作过程：1、 正常抢答：（1） 主持人用开始X16开始抢答；（2） 选手抢答成功后报警；（3） 显示选手号码抢答成功；（4） 主持人用X16复位，进行下一轮抢答。2、 定时抢答：（1） 首先有主持人设定时间，进行确定；（2） 主持人按X16抢答开始；（3） 抢答成功显示时间队伍编号进行报警；（4） 超出抢答时间抢答失败报警；（5） 主持人用X16复位进行下一轮抢答。三、程序指令如下所示：第八部分 设计小结和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。我们做的是抢答器PLC控制系统设计。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。 通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。 通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表过能力。 通过此次课设，让我了解了plc梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。 虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同