【原创】【毕业设计论文】基于PLC的声光智能抢答器控制系统设计与实现.doc

基于 PLC 的声光智能抢答器控制系统设计与实现 目 录 摘 要 I 1 PLC 声光智能抢答器的介绍 1 1 1 PLC 声光智能抢答器概述 1 1 2 PLC 智能抢答器的工作原理 3 2 PLC 概述 5 2 1 PLC 的定义 组成及特点 5 2 2 PLC 工作原理 11 2 3 PLC 的编程语言 12 2 4 PLC 的分类及性能指标 12 2 5 PLC 的用途 14 3 系统硬件设计 17 3 1 控制系统选取 17 3 2 控制系统的硬件组成 18 3 3 系统控制要求 19 3 4 控制系统 I O 分配表 20 3 5 系统硬件连接图 22 4 系统软件设计 24 4 1 整体设计 24 4 2 PLC 声光智能抢答器控制程序梯形图 24 I 5 模拟运行与调试过程 30 5 1 程序的模拟运行 30 5 2 程序的现场调试 32 致 谢 32 参考文献 29 II 摘 要 本次设计是利用 PLC Programmable Logic Controller 对六路声 光智能抢答器进行控制 考虑到只是对六组智能抢答器进行控制 则输 入端口需要 10 个 输出端口需要 30 个 所以需要有一个 CPU226 的模 块和两个 EM222 数字量扩展模块 考虑到要实现声光功能需要两个喇叭 和三个指示灯 由于抢答时要显示组号和倒计时故还需要三个数码管 以上的器件价格不贵并且容易买到 另外 PLC 具有可靠性高 体积小 通用性 使用方便等优点 因此 我决定选用 SIMATIC S7 200 系列的 CPU226 和数字量扩展模块 EM222 作为本次设计的 PLC 另外 系统设计 可分硬件设计和软件设计 并采用手动控制一种方式 具有方便灵活 维护使用方便等特点 PLC 智能抢答器以其结构简单 操作方便 安全可靠 造价低 发 展前景广阔 功能强大等优点 在国内市场占有绝对优势的市场份额并 逐年成上升趋势 抢答器广泛用于电视台 商业机构及学校 为竞赛增 添了刺激性 娱乐性 在一定程度上丰富了人们的业余生活 抢答器在 竞赛中能准确 公正 直观地判断出第 1 抢答者 通过抢答器的指示灯 显示 数码显示和警示蜂鸣等手段指示出第 1 抢答者 如果对外部电路 稍加修改 或者在系统程序中加入分支 可以把六路抢答器改为更多路 的抢答器 如果去除系统中的互锁和限时功能 可以把抢答器改为呼叫 器 能够用在医院病房 宾馆客房 写字楼办公室 工厂生产车间等多 种地方 III 关键词 智能抢答 声光显示 PLC 自动控制 Abstract This design is the use of PLC Programmable Logic Controller on the six way Responder Smart sound and light control Taking into account only six groups of control smart Responder enter the port need 10 output ports need to be 30 so the need for a CPU226 module and two EM222 digital expansion module taking into account the need to achieve the sound and light features two A speaker and three indicators When the answer in the countdown to display group number and it also requires three digital control these inexpensive and readily available device another PLC with high reliability small size versatility ease of use so I decided to SIMATIC S7 200 series use the CPU226 and digital extension module EM222 designed for this PLC In addition the system can be divided into hardware and software design and a way of using manual control with convenience flexibility and easy maintenance features PLC intelligent Responder its simple structure easy operation safe reliable low cost and broad development prospects powerful etc has an absolute advantage in the domestic market share and the market tended to increase year by year Responder is widely used in television commercial IV organizations and schools for the competition has added exciting entertaining to a certain extent enrich people s leisure life Responder in the contest accurate fair and visually determine the answer in person 1 The indicator shows through the Responder digital display and warning beeps and other means to indicate the answer in person 1 If slightly modified the external circuit or by adding a branch in the system program you can change the six way Responder Responder more roads If you remove the systems interlock and limit functions can be changed Responder pager can be used in hospitals hotel rooms office office factory workshop and other places Key words intelligent answer in sound and light show PLC automatic control 0 1 PLC 声光智能抢答器的介绍 1 11 1 PLCPLC 声光智能抢答器概述声光智能抢答器概述 知识竞赛抢答器 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 他的应用场 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 进行知识竞赛抢答器设计 其控制方便 灵活 只要改变 输入 PLC 的控制程序 便可改变竞赛抢答器的抢答方案 PLC 智能抢答器与单片机抢答器相比 在许多方面都显示出优越性 首先说一下单片机抢答器 所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片 机 CPU 及其它外围芯片 根据不同系统设计电路板 最终设计成一台简 易的计算机系统 并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能 这 种形式在 80 年代国内很流行 但由于受到本身可靠性及其它方面 的限 制 目前除了仪表上仍然采用外 在工业现场的应用已逐步被 PLC 所代 替 单片机的可靠性 由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不 齐 很大一部分还是国外筛选出来的次等品 加上其它外围元件 如电 阻 电容等 的参数离散性也很大 批量小的产品不可能经过筛选配对 等技术处理 因此这样的产品很难做到很好的一致性和高可靠性 因为 任一元件的参数偏离设计要求都会引起系统的不稳定 另外 单片机的 1 所有器件均不是工业级的 抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱 而国 内的电源一般都很差 加上压片机的变频调速对电源的干扰很大 因此 更可能引起单片机系统的不稳定 单片机的可扩展性 由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别 设计的 所以要增加一个功能就要重新设计线路 而且对应的程序都要 重新设计 这样对于增加功能的开发成本和周期都会增加 单片机的可维护性 一旦单片机系统出现故障 很难诊断出故障元 件 最简单的方法是更换整个系统 这样维修成本增加了 操作 现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘 设定数据 用拨码开关 显示用 LED 整个面板显得繁锁 而且为了减少操作键 设计时往往一键多用 操作人员很难脱开说明书操作 特别是故障显示 只能显示故障代码 一旦发生故障 操作人员必须翻阅说明书方能发现 故障所在 最终按说明书指示排除故障 这样排除故障的时间相对较长 总之 这样的人机对话不够友善 特点 不可靠 价格便宜 可编程控制器 PLC 所谓 PLC 系统就是采用目前市场上各大工 业控制厂家生产的可编程控制器 根据要求选用不同的模块 在此基础 上设计程序以达到所设计的功能 这种形式目前在工业现场应用最为广 泛 PLC 的可靠性 进口 PLC 采用的 CPU 都是生产厂家专门设计的工业 级专用处理器 其余各元件也是直接向生产厂家购买的 经过严格挑选 的工业级元件 另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特 2 别设计的 抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高 即使在电源很 差和变频调速的干扰下仍能正常工作 PLC 的可扩展性 要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应 的程序 而 PLC 的编程相对比较简单 这样对于开发周期会缩短 PLC 的可维护性 PLC 本身有很强的自诊断功能 一旦系统出现故 障 根据自诊断很容易诊断出故障元件 即使非专业人员也能维修 如 果故障由于程序设计不合理引起 由于它提供完善的调试工具 要找出 故障也较为简单 操作 PLC 的操作采用触摸式操作终端 人机界面 全屏显示 上 面设计了很详尽的操作指南 即使第一次使用 也能根据提示顺利操作 这就降低了对操作人员的要求 一般工人也能很快掌握 另外 一旦系 统发生故障 画面自动切换到故障提示画面 提示故障原因和排除方法 甚至可以显示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 特点 价格与前二种控制器相比略贵 可靠性好 操作简单 1 21 2 PLCPLC 智能抢答器的工作原理智能抢答器的工作原理 我所设计的 PLC 智能抢答器是适合六人抢答的六路抢答器 现在以 六路抢答器为例 给竞赛主持人设置了 3 个控制按钮 用来控制开始 复位 停止 每当主持人发出开始抢答指令后 那组选手最先按下抢答 器按钮 则数码管就显示该组的编号 同时绿色指示灯亮 音响电路发 出声响提示信号 持续三秒 以指示抢答成功 并对其后的抢答信号不 3 在相应 选手答题完毕后 由主持人按下复位按钮 系统开始下一轮抢 答 若选手在未开始抢答时提前抢答了 则视为违规 违规时数码管显 示其编号同时红灯亮音响电路发出声响 当主持人按下抢答器按钮时定 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 同时数码管显示答题倒计时时间改时间可根据需要调节 此设定为 50 秒 选手必须在设定时间内完成答题 否则 音响电路发 出超时报警信号 其中以上功能都通过编制的 PLC 程序来控 3 个数码管 和 3 个指示灯以及 2 个喇叭来实现 模型图如图 1 1 图 1 1 抢答器模型图 4 2 PLC 概述 2 12 1 PLCPLC 的定义 组成及特点的定义 组成及特点 一 概述 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 Logic Controller 即 PLC 现已广泛应用于 工业控制的各个领域 他以微处理为核心 用编写的程序不仅可以进行 逻辑控制 还可以定时 计数和算术运算等 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 美国电气制造商协会经过 4 年 调查 与 1980 年将其正式命名为可编程控制器 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 现在也把可编程控制器称为 PLC 以下如图 2 1 图 2 2 图 2 3 是几种 PLC 外形结构图 图 2 1SANLINGFX 2N 型 PLC 5 图 2 2 西门子 S7 200 型 PLC 图 2 3 system 200v 型 PLC 二 PLC 的定义 PLC 一直在快速发展中 因此到现在为止 还未能对其下一个十分 确切的定义 1987 年 2 月 国际电工委员会 IEC 对可编程控制器 PLC 的定义是 可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统 专 为在工业环境下的应用而设计 它采用一类可编程序的存储器 用于其 内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术操作等指 令 并通过数字式和模块式输入 输出 控制各种类型的机械和生产过 程 PLC 及其有关外部设备 都按易于与工业控制系统连成一个整体 易于扩充功能的原则设计 三 PLC 的基本结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机 其硬件结构基本上与微 6 型计算机相同 如图 2 所示 图 2 4 PLC 硬件结构 1 中央处理单元 CPU 中央处理单元 CPU 是 PLC 的控制中枢 它按照 PLC 系统程序赋 予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据 检查电源 存储 器 I O 以及警戒定时器的状态 并能诊断用户程序中的语法错误 当 PLC 投入运行时 首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数 据 并分别存入 I O 映象区 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程 序 经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I O 映象区或数据寄存器内 等所有的用户程序执行完毕之后 最后将 I O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置 如 此循环运行 直到停止运行 为了进一步提高 PLC 的可靠性 灵活性 近年来对大型 PLC 还采 用双 CPU 构成冗余系统 或采用三 CPU 的表决式系统 这样 即使某 个 CPU 出现故障 整个系统仍能正常运行 2 存储器 Memory 可编程控制器的控制中枢 在系统监控下工作 承担着将外部输入 7 的信号的状态写入映像寄存器区域 然后将结果送到输出映像寄存器区 域 CPU 常用的微处理器有通用型微处理器 单片机和位片式计算机等 小型 PLC 的 CPU 多采用单片机或专用的 CPU 大型 PLC 的 CPU 多用位片 式结构 具有高速数据处理能力 3 基本 I O 接口电路 1 输入接口单元 PLC 内部输入电路作用是将 PLC 外部电路 如 行程开关 按钮 传感器等 提供的 符合 PLC 输入电路要求的电压信 号 通过光耦电路送至 PLC 内部电路 2 输出接口单元 PLC 输出电路用来将 CPU 运算的结果变换成一 定形式的功率输出 驱动被控负载 电磁铁 继电器 接触器线圈等 PLC 输出电路结构形式分为继电器式 晶闸管式和晶体管输出型等三种 在继电器式输出中 CPU 可以根据程序执行的结果 使 PLC 内设继 电器线圈通电 带动触点闭合 通过继电器闭和的触点 由外部电源驱 动交 直流负载 优点是过载能力强 交 直流负载皆宜 但存在动作 速度较慢 且为有触点系统 使用寿命有限等问题 双向晶闸管和晶体管输出型输出分别具有驱动交 直流负载的能力 晶闸管输出型 CPU 通过光耦电路的驱动 使双向晶闸管通断 可以驱动 交流负载 晶体管输出型 CPU 通过光耦电路的驱动 使双晶体管通断 驱动直流负载 优点是两者均为无触点开关系统 不存在电弧现象 而 且开关速度快 缺点是半导体器件的过载能力差 以上列举了六类输入 和输出电路形式 各类 PLC 产品的输入 输出电路结构形式均有所不同 8 但光耦隔离及阻容滤波等抗干扰措施是相似的 4 接口电路 PLC 接口电路分为 I O 扩展接口电路和外设通信接口电路两类 1 I O 扩接口电路 I O 扩展接口电路用连接 I O 扩展单元 可以用来扩充开关量 I O 点数和增加模拟量的 I O 端子 I O 扩展接口电路采用并行接口和串行 接口两种电路形式 根据被控制对象对 PLC 控制系统的技术和要求 确定用户所需的输 入 输出设备 据此确定 PLC 的 I O 点数 2 外设通信接口电路 通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器 文本显示器 并能组成 PLC 的控制网络 PLC 通过 PC PPI 电缆或使用 MPI 卡通过 RS 485 接口和电缆与计算机连接 可以实现编程 监控 联网等功能 5 电源 PLC 内部配有一个专用开关式稳压电源 将交流 直流供电电源转化 为 PLC 内部电源需要的工作电源 5V 直流 当输入端子为非干接点结 构时 为外部输入元件提供 24V 直流电源 仅供输入点使用 四 PLC 的特点 1 软硬件功能强 PLC 的功能非常强大 其内部具备很多功能 如时序 计数器 主 控继电器 移位寄存器及中间寄存器等 能够方便地实现延时 锁存 比较 跳转和强制 I O 等功能 PLC 不仅可进行逻辑运算 算术运算 9 数据转换以及顺序控制 还可实现模拟运算 显示 监控 打印及报表 生成等功能 并具有完善的输入输出系统 PLC 能够适应各种形式的开 关量和模拟量的输入控制 输出控制 还可以和其他计算机系统 控制 设备共同组成分布式控制系统 实现成组数据传送 矩阵运算 闭环控 制 排序与查表 函数运算及快速中断等功能 PLC 的编程语言丰富 它可以分为梯形图语言 逻辑功能语言 指令表 和顺序功能四种 特 别是梯形图语言 它直观 方便 我们只要有了通常的继电接触器电路 图 逻辑图或逻辑方程 就等于它有了 PLC 系统的用户程序 很适合电 器工程技术人员操作和使用 2 使用维护方便 PLC 不需要像用计算机控制那样在输入输出接口上做大量的工作 PLC 的输入接口和输出接口是已经按不同需求做好的 可直接与控制现 场的设备相连的接口 如输入借口可以与各种开关 传感器连接 输出 接口具有较强的驱动能力 可以直接与继电器 接触器 电磁阀等连接 不论是输入接口或输出接口 使用都很简单 PLC 具有很强的监控功能 利用编程器 监视器或触摸屏等人机界面可对 PLC 的远行状态进行监控 3 运行稳定可靠 由于 PLC 采用了微电子技术 大量的开关动作有无触点的半导体电 路来完成 同时还采用了屏蔽 滤波 隔离等抗干扰措施 所以其平均 无故障时间在 2 万小时以上 特别是在制造工艺上加强了抗干扰措施 例如输入输出都采用光电隔离 能有效的隔离 PLC 内部电路与输入输出 10 电路之间的联系 从而避免了有输入输出通道串入的干扰信号引起的误 动作 PLC 还采用屏蔽 输入延时滤波等软 硬件措施 有效的防止空 间电磁干扰 特别多高频传导干扰信号具有良好的抑制作用 所以这一 切措施 都有效的保证了 PLC 在恶劣的工作环境下能正常地远行 4 组织灵活 可编程控制器品种很多 小型 PLC 为整体结构 并外接 I O 扩展机 箱构成 PLC 控制系统 中大型 PLC 采用分体模块式结构 设有各种专有 功能模块 开关量 模拟量输入 输出模块 位控模块 伺服 步进驱 动模块等 供选用和组合 由各种模块组成大小和要求不同的控制系统 外部控制电路虽然仍为硬接线系统 但当受控对象的控制要求改变时 可以在线使用编程器进行修改用户程序来满足新的控制要求 最大限度 地缩短工艺更新所需要的时间 2 22 2 PLCPLC 工作原理工作原理 一 循环扫描的特点 1 输入映像 寄存器的内容是由设备驱动的 在程序执行过程中 的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变 CPU 采用集中输入的控制 思想 只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行 2 扫描周期周而复始地进行 读输入 输出和用户程序是否执行 是可控的 3 对同一个输出单元的多次使用 修改次序会造成不同的执行结 果 11 4 各个电路和不同扫描阶段会造成输入和输出延迟 这是 PLC 的 主要缺点 在读输入阶段 CPU 对各个输入端子进行扫描 通过输入电路将各 输入点的状态锁入映象寄存器中 紧接着转入用户程序执行阶段 CPU 按照先左后右 先上后下的顺序对每条指令进行扫描 根据输入映象寄 存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序 同时将执行结果写入输出 映象寄存器 二 PLC 中的存储器 PLC 中的存储器按用途分为系统程序存储器 用户程序存储器以及 工作数据存储器 1 用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序 2 用来存储工作数据的区域称为工作数据区 3 系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的 PLC 的指令的系 统编写的系统程序 它决定了 PLC 的功能 用户不能更改其内容 2 32 3 PLCPLC 的编程语言的编程语言 PLC 是通过程序对系统进行控制的 作为一种专用计算机 为了适 应其应用领域 一定有其专用的语言 PLC 的编程语言有多种 如梯形 图 语句表 功能图等 梯形图编程语言是一种图形语言 具有继电器 控制电路形象 直观的优点 语句表编程语言类似计算机的汇编语言 用助记符来表示各种指令的功能 是 PLC 用户程序的基础元素 12 2 42 4 PLCPLC 的分类的分类及性能指标及性能指标 一 按 I O 点数容量分类 1 小型机 I O 点数小于 256 点 典型的小型机有 SIEMENS 公司的 S7 200 系列 2 中型机 I O 点数在 256 1024 之间 典型的中型机有 SIEMENS 公司的 S7 300 系列 OMRON 公司的 C200H 系列 3 大型机 I O 点数在 1024 点以上 典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7 400 OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列 二 按结构形式分 根据 PLC 结构形式的不同 PLC 主要可分为整体式和模块式两类 1 整体式结构 微型和小型 PLC 一般为整体式结构 如西门子的 S7 200 2 模块式结构 目前大 中型 PLC 都采用这种方式 如西门子的 S7 300 和 S7 400 系列 三 PLC 的性能指标 1 I O 点数 I O 点数 即 PLC 面板上的 I O 端子的个数 I O 点数越多 外部 可以连接的 I O 器件就越多 控制规模就越大 它是衡量 PLC 性能的重 13 要指标之一 2 存储容量 这里专指用户存储器的存储容量 它决定了用户所编程序的长短 大 中 小型 PLC 的存储容量变化范围一般为 2KB 2MB 3 扫描速度 扫描速度是指 PLC 执行程序的快慢 是一个重要的性能指标 体现 了计算机控制取代继电器控制的稳合程度 可编程控制器采用循环扫描 的工作方式 4 指令系统 它是衡量 PLC 能力强弱的标志 决定了 PLC 的处理能力 控制能力 的强弱 限定了计算机发挥运算功能 完成复杂控制的能力 5 通信功能 通信有 PLC 之间的通信和 PLC 与计算机或其它设备之间的通信 主 要涉及通信模块 通信接口 通信协议 通信指令等 6 扩展能力 扩展能力包括 I O 点数的扩展和 PLC 功能的扩展两方面的内容 7 特殊功能单元 特殊功能单元种类多 也可以说 PLC 的功能多 典型的特殊功能单 元有模拟量 模糊控制连网等功能 2 52 5 PLCPLC 的用途的用途 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 14 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 一 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 二 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 三 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 四 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 15 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 五 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 16 3 系统硬件设计 3 13 1 控制系统控制系统选取选取 PLC 智能抢答器使用时涉及到抢答人员的公平 公正以及操作是否 方便等问题 而且使用的环境可能是室内 所以对设备的安全性和可靠 性要求很高 为此 我们对将采用的控制系统进行了全面的分析对比 可编程控制器 PLC 是由工业微型计算机 输入 输出设备 保护及 抗干扰隔离电路等构成的微机控制装置 具有顺序 周期性工作的特征 从应用角度看可编程控制器具有如下特点 1 可靠性高 由于可编程控制器的输入 输出端口均采用继电器 或光电耦合器件 采取了隔离和抗干扰措施 使其具有很高的抗干扰能 力 因而能在恶劣环境下可靠工作 2 体积小 由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器 用 软件编程代替了硬连线 便于安装 实现了小型化 3 通用性好 由于可编程控制器采用模块化结构 一般有CPU 模 块 电源模块 PID模块 模拟输入和输出模块等 可以用这些模块灵 活的组成各种不同的控制系统 对不同的控制系统 只需选取不同的模 块即可 因而具有很好的适用性 4 使用方便 对于不同的控制系统 当硬件结构选定后 如果输 入 输出作很小的变动时 只需修改相应程序即可 无需对系统连线做 较大的修改 减少了现场调试的工作量 使用起来灵活方便 基于可编 程控制器的上述优点能够适应和满足抢答器高性能的使用要求 所以我 17 确定该抢答器系统为PLC 西门子S7 200系列 S7 200 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 PLC 声光智能抢答器的各种检测信号均为数字 量 中小型抢答器系统用西门子 S7 200 系列就完全可以满足电气控制 系统方面的要求 3 23 2 控制系统的硬件组成控制系统的硬件组成 PLC 智能抢答器硬件主要有抢答台 PLC 连接线路 数码管等组成 在抢答过程中主控单元的主要控制对象首先是显示组号和倒计时的数码 管 控制系统就是使它们在不同的时间内显示不同的组号和时间 其次 是 PLC 声光智能抢答器内的各种辅助装置 如 指示灯及其各种安全设 施等 一般 PLC 声光智能抢答器选用按钮操作 界面清楚 易于操作 其硬件组成结构图如图 3 1 所示 18 图 3 1 硬件组成结构图 3 33 3 系统控制要求系统控制要求 1 抢答器可同时供 6 组以下选手参加比赛 2 给竞赛主持人设置了 3 个控制按钮 用来控制开始 复位 停 止 3 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的编号 同时绿色指示灯亮 音响电路发出声 响提示信号 持续三秒 以指示抢答成功 并对其后的抢答信号不在相 应 选手答题完毕后 由主持人按下复位按钮 系统开始下一轮抢答 4 违规抢答 若选手在未开始抢答时提前抢答了 则视为违规 违规时数码管显示其编号同时红灯亮音响电路发出声响 5 抢答限时 当主持人按下抢答器按钮时定时器 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 示选手放弃该题 19 6 答题限时 在抢答成功后 主持人按下答题计时按钮 同时数 码管显示答题倒计时时间改时间可根据需要调节 此设定为 50 秒 选 手必须在设定时间内完成答题 否则 音响电路发出超时报警信号 3 43 4 控制系统控制系统 I OI O 分配表分配表 一 PLC 声光智能抢答器 PLC 控制系统的输入端口如表 3 1 所示 表 3 1 输入信号对照表 信号名称外部元 件 内部地 址 信号名称外部元 件 内部地址 开始按钮 SB1I0 0 5 组按钮 SB6I0 5 1 组按钮 SB2I0 1 6 组按钮 SB7I0 6 2 组按钮 SB3I0 2 停止按钮 SB8I1 0 3 组按钮 SB4I0 3 复位按钮 SB9I1 1 4 组按钮 SB5I0 4 倒计时开关 SB10I1 3 二 PLC 声光智能抢答器 PLC 控制系统的输出端口如表 3 2 所示 表 3 2 输出信号对照表 信号名称内部地址信号名称内部地址 1 号数码管 A Q0 0 2 号数码管 H Q2 7 20 1 号数码管 B Q0 1 3 号数码管 A Q3 0 1 号数码管 C Q0 2 3 号数码管 B Q3 1 1 号数码管 D Q0 3 3 号数码管 C Q3 2 1 号数码管 E Q0 4 3 号数码管 D Q3 3 1 号数码管 F Q0 5 3 号数码管 E Q3 4 1 号数码管 G Q0 6 3 号数码管 F Q3 5 1 号数码管 H Q0 7 3 号数码管 G Q3 6 2 号数码管 A Q2 0 3 号数码管 H Q3 7 2 号数码管 B Q2 1 报警器 Q1 1 2 号数码管 C Q2 2 喇叭 1 Q1 2 2 号数码管 D Q2 3 黄灯 Q1 3 2 号数码管 E Q2 4 红灯 Q1 4 2 号数码管 F Q2 5 喇叭 2 Q1 5 2 号数码管 G Q2 6 绿灯 Q1 6 21 3 53 5 系统硬件连接图系统硬件连接图 根据系统要求和所需要的硬件 系统数字量输入点总计 10 个点 输出点总计 30 个点 综合考虑到系统的性价比和系统的可扩展性 输 入 输出点留出一定的富裕量 因此 PLC 选择 SIEMENS 的 S7 200 系列 的 CPU226 继电器输出型和数字量扩展模块 EM222 输入 输出端子电气 接线图如下图 3 2 所示 22 图 3 2 系统硬件连接图 23 4 系统软件设计 4 14 1 整体设计整体设计 根据 PLC 声光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时间 安全 可靠 省时 省力 价格便宜 4 24 2 PLCPLC 声光智能抢答器声光智能抢答器控制程序梯形图控制程序梯形图 PLC 声光智能抢答器的控制的程序梯形图如图 4 1 所示 本程序简 洁易懂 便于修改 使用性强 条理性强 具体如下 24 25 26 27 28 图 4 1 PLC 声光智能抢答器的控制的程序梯形图 29 5 模拟运行与调试过程 5 15 1 程序的模拟运行程序的模拟运行 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 用户程序一般先在实验室模拟调试 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 5 1 5 4 是 程序运行调试中的几个过程图 图 5 1 程序下载 30 图 5 2 程序运行 5 3 程