基于PLC的五路抢答器设计

设计任务书设计任务书 2015201520162016 学年第学年第 2 2 学期学期 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 胡学芝、高海洲胡学芝、高海洲 工作部门：工作部门：电气与电子信息工程电气与电子信息工程 学院学院 一、设计题目一、设计题目 课题课题 1 ：.电动机的综合控制方向 课题课题 2 ：竟猜抢答系统的设计方向 课题课题 3 ：交通灯控制方向 课题课题 4 ：电梯控制方向 课题课题 5 ：喷泉或彩灯控制方向 二、设计内容二、设计内容（含技术指标） 1、用 PLC 实现四台以上电动机综合控制，要求模拟实际的工况，包括电机的顺序控制、 电机的连锁和互锁控制，电机间的逻辑联系应具有一定的复杂程度，画出主电路和接线图， 接好线，编程并进行调试。 2、用 PLC 实验装置设计竟猜抢答系统，要求不少于 5 组，有必要的组号显示、记时显示 和模拟记分系统，有优先抢答功能，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。 3、用 PLC 实现各种路口的交通信号灯控制，要求与实际交通灯工作情况基本相符，具有 必要显示和通过外部设备进行设定功能，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。 4、用 PLC 实现电梯控制，要求与实际基本相符，电梯层数不少于 4 层，画出主电路和接 线图，接好线，编程并进行调试。 5、用 PLC 实现喷泉控制，要求花样不少于 6 种，能自动循环、单循环、和手动控制，画 出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。 6、同组同学要求不能完全重复，必须有自己的亮点，对思路新颖的、和用到更多功能指令 的有加分。 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 1 7、所有小组均应在开题的过程中由指导老师对与题目相关的具体的设计控制要求进行审核。 三、设计进度安排三、设计进度安排 序 号内 容学时安排（天） 1选题、讲解设计要求、查资料； 1 2方案论证、说题及硬件选型和设计2 3软件设计2 4程序及系统调试3 5绘制图纸、撰写和打印设计报告1 6设计答辩1 合 计10 设计指导答辩地点：K3PLC 实验室 四、基本要求四、基本要求 设计报告：不少于 5000 字，幅面，统一复印封面。 封面、设计任务书 目录 1）方案选择，方案论证（综述、任务详解及设计思路，PLC 选型等） 2）系统硬件设计（系统功能及原理、系统组成框图、器件选择、电路原理图、 I/O 分配及接线） 3）系统软件设计（各软件模块的功能，梯形图及说明） 4）系统调试（调试步骤、方法及调试过程中的问题及如何解决等） 5）结果分析及展望（最后的结果成功点和不足之处、总结及改进等） 附录-参考文献 五、设计考核办法与成绩评定五、设计考核办法与成绩评定 根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩按得分 0100 分，可分为优、良、中、 及格、不及格五等。 评定项目 基本内涵分值 设计考勤 考勤、自行设计、按进度完成任务等情况10 设计调试 软硬件调试过程及完成情况30 设计答辩回答问题等情况20 设计报告完成情况、报告规范性、创新性、雷同率等情况40 90100 分：优；8089 分：良；7079 分：中；6069 分，及格；60 分以下：不及 格 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 2 目 录 一 概述.5 二 方案选择及论证.5 2.1 任务详解及要求.5 2.2 设计思路及 PLC 选型.5 三 系统硬件设计.6 3.1 系统功能及原理.6 3.2 系统组成框图.6 3.3 器件选择.7 3.4 流程图设计.7 3.5 I/O 分配表.8 3.6 硬件电路图.8 四 系统软件设计.9 4.1 各软件模块的功能.9 4.2 梯形图及说明.10 五 系统调试 .13 5.1 硬件调试步骤.13 5.2 调试过程中的问题及如何解决.13 六 结果分析及展望 .14 6.1 调试结果分析.14 6.2 未来展望.15 6.3 总结.15 参考文献 .16 附录 1-梯形图 .16 附录 2-指令表 .22 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 3 一一 概述概述 实用抢答器的这一产品是各种竞赛活动中不可缺少的设备，无论是学校、工厂、军队 还是益智性电视节目，都会举办各种各样的智力竞赛，都会用到抢答器。 目前市场上已 有的各种各样的智力竞赛抢答器绝大多数是早期设计的，只具有抢答锁定功能的一个电路， 以模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品，这部分抢答器已相当成熟。 现在的抢答器具有倒计时、定时、自动（或手动）复位、报警（即声响提示，有的以音乐 的方式来实现） 、屏幕显示、按键发光等多种功能。但功能越多的电路相对来说就越复杂， 且成本偏高，故障高，显示方式简单（有的甚至没有显示电路） ，无法判断提前抢按按钮的 行为，不便于电路升级换代。 近年来，PLC 以其结构灵活，传输质量高、速度快、带宽 稳定，性价比高，工期短，可扩展性和可管理性更强，适用面广得到了广泛的应用，而本 设计要求就是利用 PLC 作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生，用 PLC 本身的优势使竞 赛真正达到公平、公正、公开。 二二 方案选择及论证方案选择及论证 2.12.1 任务详解及要求任务详解及要求 近年来随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，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，可编程控制器由于其优良的控制性能，极 高的可靠性，在各行各业中的应用日益广泛普及。 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。用 PLC 进行知识竞赛抢答器设计，其控制方便。 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。本文介绍一种抢答器，能使五个人同时参加抢答,赛场中设有 一个裁判台，五个参赛台.总体设计选用三菱 PLC 控制,抢答操作方便，在很多的场所都可 以使用，并且给人的视觉效果非常好。 2.22.2 任务详解及要求任务详解及要求 抢答器同时供 5 名选手或 5 个代表队比赛，分别用 5 个按钮 S1S5 表示。设置一个 系统复位按钮 S10 和抢答控制开关 S0，该开关由主持人控制。 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 4 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的组号，同时选手台面指 示灯长亮。组号高的选手抢答具有优先权，在给定时间内组号大的可抢断组号小的选手而 组号小的不能抢断组号大的给定抢答时间到锁定最终选手。 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 30 秒） 。当主持人启 动开始键后，在规定时时间内无人抢答在抢答时间的最后十秒显示倒计时并在之后系统 报警提示此题作废。 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 的编号和目前分数，并保持到下一题的开始。 基于以上控制要求，采用三菱公司的 PLC 为主要控制器。 三三 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 系统功能及原理系统功能及原理 知识竞赛抢答器通过 PLC 进行按控制要求编程，其主要的输入就是通过 裁判员和参赛选手的按钮，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。知识竞赛抢答器有 9 个输入信号（即 9 个按钮） ，21 个输出信号（即 1 个音响信号，1 个答题指示灯，5 选手台号指示灯，其余为两 个数码管输出信号） 。 本次设计可大致分为 4 大部分：抢答部分、倒计时及其显示部分、显示灯 与蜂鸣器显示部分、计分及其显示部分。在抢答设计中，肯定要有自锁和互锁 控制，自锁是为了保持信号长期有效，互锁是为了对组间互不影响；在倒计时 显示部分中，主要采用时间继电器和 mov 指令来实现；计分环节是本次设计的 难点，采用计数器累计计数，然后转换为 BCD 码再送入辅助继电器，再将段码 送入数码管实现显示数字功能。 3.23.2 系统组成框图系统组成框图 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 5 3.33.3 器件选择器件选择 按钮采用国产型号 LA10、LA18、LA19、LA20、LA25 等系列，当按下按钮帽时，动断触 点先断开，动合触点后闭合；当松开时，触点复位。蜂鸣器采用有源蜂鸣器（内含驱动线 路，也叫自激式蜂鸣器） 。 数码管采用 8 段 LED 数码管，LED 数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红， 黄，蓝，绿，白，黄绿等效果。LED 数码管可均匀排布形成大面积显示区域，可显示图案 及文字，并可播放不同格式的视频文件。外壳采用阻燃 PC 塑料制作，强度高，抗冲击， 抗老化，防紫外线，防尘，防潮。LED 数码管具有功耗小，无热量，耐冲击，长寿命等优 点，配合控制器，即可实现流水，渐变，跳变，追逐等效果。 PLC 选用 FXCPU 系列的 FX2N（C）类型，其具有最大范围的包容了标准特点、程式 执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊 功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 3.43.4 流程图设计流程图设计 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 6 3.53.5 I/OI/O 分配表分配表 根据任务要求及所选 FX2N PLC 和其他硬件（蜂鸣器、灯、数码显示管）的实际情况， I/O 地址分配如表所示 3.63.6 硬件电路图硬件电路图 根据题目要求和 I/O 地址分配，结合 FX2N 的 PLC 外部硬件接线图如图所示： 输入信号输出信号 名称代号输入点标号名称代号输出点标号 开始按钮SB0X0蜂鸣器HAY0 1 号赛台抢答器按钮SB1X1答题指示灯L6Y6 2 号赛台抢答器按钮SB2X2选手指示灯L1L5Y1-Y5 3 号赛台抢答器按钮SB3X3数码管 1 a1 Y10 4 号赛台抢答器按钮SB4X4 b1Y11 5 号赛台抢答器按钮SB5X5c1Y12 计分按钮SB6X6d1Y13 减分按钮SB7X7e1Y14 复位按钮SB10X10f1Y15 g1Y16 数码管 2a2g2Y20Y26 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 7 四四 系统软件设计系统软件设计 4.14.1 各软件模块的功能各软件模块的功能 在 PLC 内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触 点动作，时钟脉冲有 1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数 K 作为设 定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有掉电保 护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误 动作。 定时器通道范围如下： 100 ms 定时器 T0T199， 共 200 点，设定值：0.1 3276.7 秒； 10 ms 定时器 T200TT245，共 46 点，设定值：0.01327.67 秒； 1 ms 积算定时器 T245T249，共 4 点，设定值：0.00132.767 秒； 100 ms 积算定时器 T250T255，共 6 点，设定值：0.13276.7 秒； 定时器指令符号及应用如下图所示： 当定时器线圈 T200 的驱动输入 X000 接通时，T200 的当前值计数器对 10 ms 的时钟脉冲进 行累积计数，当前值与设定值 K123 相等时，定时器的输出接点动作，即输出触点是在驱动 线圈后的 1.23 秒（10 * 123ms = 1.23s）时才动作，当 T200 触点吸合后，Y000 就有输出。 当驱动输入 X000 断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。 每个定时器只有一个输入，它与常规定时器一样，线圈通电时，开始计时；断电时，自动 复位，不保存中间数值。定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时 值寄存器，编程时，由用户设定累积值.为了明确各定时器的作用，以便于理解各个灯的状 态转换的准确时间，下表列出了定时器的功能如下： 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 8 定时器定时时间功能 T0 30S 控制优先权抢答 T1 9S 控制倒计时 T3 3S 控制蜂鸣器 计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数，其设定计数值由程序 设置。本设计中用到的计数器只是用于普通的计数功能，故选用普通加计数器，其地址范 围为 C0C99。 4.24.2 梯形图及说明梯形图及说明 （1）主持人按下按钮 X0，抢答开始，按下按钮 X10 系统复位。其梯形图如图 （2）在主持人按下开始按钮后，各参赛选手开始抢题，各选手抢题的梯形图如 图 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 9 （3）用数码管来显示组号，其对应数码管段码的梯形图如图： （4）用计数器 C1C5 分别来存储对应五组选手的答题分数，其梯形图如图 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 10 注：C3-C5 选手的答题分数储存如上分别用计数器 C3-C5 来储存。 （5）通过计数器来显示选手的分数，如图 （6）九秒倒计时，如图 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 11 五五 系统调试系统调试 5.15.1 硬件调试步骤硬件调试步骤 （1）将 PLC 与对应输入输出的设备连接起来。 （2）用 GX Developer 软件编制图的梯形图程序，将编制无误的程序分别下载到 PLC 中，并将模式选择开关拨至 RUN 状态。 （3）调试运行。 按下启动开关 S，此时选手就可以抢答，若在此时间内没有选手抢答，则此次抢答就 作废，蜂鸣器响，指示灯亮，再按复位键，重新开始下一轮的抢答；若在此时间内有选手 有抢答，数码管显示队号，该队台上的灯亮。在有效的时间内答完题后，主持人按下加分 按钮为你加分，若回答错误，则此次就不能得分，再按下复位键按钮，再按开始按钮开始 下一轮的抢答。 （4）监控运行。 当 PLC 运行时，可以使用 GX Developer 软件中的监视功能监控整个程序的运行过程，以方 便调试程序。在 GX Developer 软件上，单击 “PLC 写入”“监视”“监视开始” ，可 以全画面监控 PLC 的运行，这时可以观察到定时器的定时值会随着程序的运行而动态变化， 通电闭合的触点和线圈会变蓝。借助于 GX Developer 软件的监控功能可以检查哪些线圈和 触点该通电时没通电，从而为进一步修改程序提供帮助。 5.25.2 调试过程中的问题及如何解决调试过程中的问题及如何解决 在 PLC-型实验台上按图将 PLC 外部硬件电路图接线，之前觉得抢答器很难，变化 很多，应该不好把握，在接触之后发现其实是有规律可循的。经过比较，发现每个抢答器 其实每一个抢答器就。可是，由于平时对抢答器没有系统的理解，没有意识到个个抢答器 之间的来联系，在起初设计时，总是个个抢答器之间存在同时进行的现象，后来才了解到， 每个抢答器之间必须要用互锁来来完成。画出了时序图，再转化为步进功能指令图。在第 一次程序编写完毕后，上机调试，发现程序进行到一半去无法再继续下去，检查发现原来 是用错了特殊时间继电器 M8013，导致计数无法完成，程序无法跳转。更改后发现程序没 办法实现倒计时五秒的提示，有时只能是蜂鸣器响一声或数码管只能显示组号不能显示分 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 12 数，有时只能显示组号和分数，但蜂鸣器不起作用，总是达不到想要的结果，分析发现指 令使用错误，导致不能正常显示。将所有错误改正过来之后再次进行调试，调试结果符合 方案设计预期效果。 六六 结果分析及展望结果分析及展望 6.16.1 调试结果分析调试结果分析 根据这次设计的要求，经过这几天的努力和在老师同学的帮助下，达到了自己预期 想要的结果，但这结果可能不是很完善，在这过程中遇到了不少的麻烦，下面来大致总结 一下。本次设计大致分为三块：抢答、倒计时显示、各组分数显示。在抢答这一块我采用 了基本指令，根据设计要求，各组为按钮抢答，所以我先用按钮驱动辅助继电器 M1-M5 并 将其自锁，组与组之间采用互锁，使其不能同时得电。再根据七段数码管的特性，a1-g1 分别对应于程序中的输出 Y1-Y7，a2-g2 分别对应 Y10-Y16，再看每个组号亮时数码管的对 应那些段被点亮，再将五组整理在一起，了解 Y1-Y7 与 M1-M5 之间的关系，从而实现这一 功能。在这过程中我加了一点功能，在抢答成功后，由时间继电器 T2 和辅助继电器 M8013 完成闪烁功能，开始的 3 秒会闪烁对应的组号，后接着常亮，并且蜂鸣器在前一秒钟报警。 例：若一号组抢到题后，b、c 两段被点亮，则在数码管上显示数字“1” 。抢答成功后，有 30 秒的答题时间，并且在答题进行到 25 秒时，数码管上闪烁组号和分数，同时蜂鸣器报 警，在这过程中根据答题情况可以对其进行加分操作，若答题超过了规定时间，则此次答 题无效，不能进行加分环节，同时由时间继电器 T0 切断系统，主持人按复位按钮后，下轮 抢答有效。 在倒计时这一块，主要用时间继电器来完成，当主持人按了开始按钮后开始计时（由于 plc 输出点数有限，只有十六个点的输出，则抢答倒计时只设置了 9 秒） ，由 mov 指令将数 字 9 对应的段码送入到 Y10-Y17 中，经过 1 秒钟到后，由时间继电器切断这条 mov 指令， 同时接通下条 mov 指令将数字 8 对应的段码送入到 Y10-Y17 中，如此循环到达倒计时目的。 当有组在规定的时间内抢答，则切断倒计时这一功能，当倒计时结束后，则由这一块中的 最后一个时间继电器切断整个系统，只有主持人按复位按钮后才可以进行下一轮。 在计分显示这一块，是整个设计中最复杂的，在单片机原理书中讲到过“LED 数码管的显 示原理” ，里面说到了数码管段码与字节中各位对应关系，根据数字对应的共阴极代码段间 的联系就能实现显示不同数字这一功能。所以就采用了这一原理。 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 13 首先，各组计分的实现。利用计数器来对计分按钮进行计数，由于数码管个数受限的 原因，计分量程为 0-9 分，到计数达到 9 后，继续按按钮，计数器会清零，计数重新开始； 由于计数器有断电保持功能，所以各组间有累计计分的功能；每组对应一个计数器 C1-C5, 在计数中，由前面的辅助继电器 M1-M5 接通与之对应的计数器（M1-M5 相互互锁，从而计 分不可能同时进行） ，从而到达计数器之间互不影响，计分公平的目的。 其次，计分显示的实现。由于要利用一个 8 段数码管显示五组不同的分数，开始是想到了， 采用 OUT Y10 之类的，但是每组都要用到，要是用基本指令，肯定出现双线圈输出的现象， 查阅了大量的资料发现在类似的情况下可以用 BCD 指令实现这一功能。将各组计数器中的 数值通过 BCD 指令转换为 BCD 码送给辅助继电器，这样每次计数将得到 4 个不同的数值， 从而 4 个辅助继电器得电的情况也不一样，通过这 4 个辅助继电器得电的情况来驱动 mov 指令，让相对应的段码送到数码管中，从而显示每组对应的分数。例：计数器记的数为 1，则通过 BCD 转码后 M23-M20 的得电情况为：0001，则由该指令将数字“1”显示在数码 管上。 再就是数码管 2，也就是 Y10-Y17 重复利用了 6 次，第一次是起到倒计时的功能，后面 5 次是分别显示五组不同分数的功能，由于利用的次数较多，所以采用了 mov 指令，可以重 复利用，很直观，大大简化了指令的繁琐 。由于倒计时和积分是不可能同时出现的，有倒 计时说明没人抢答，不会显示分数，要是显示了分数，则说明肯定有一组抢答成功，由这 个逻辑关系，在抢答倒计时和积分显示这两大块上采用互锁，即梯形图中的辅助继电器 M0。M0 没得电接通倒计时功能，M8 得电后断开倒计时的功能，接通计分显示功能。由以上 分析实践可以实现一个数码管显示器重复利用的功能。 6.26.2 未来展望未来展望 在此次设计中，由于时间和硬件的关系，没有完全实现全智能的抢答器，希望有机 会再增加一系列的使用功能：1.能实现优先抢答的功能，有助于老年人及小孩进行操作；2.能 进行犯规惩罚，当主持人没有按下开始或是复位按钮时，有选手抢答，则为犯规，并给其 惩罚；3.由于这次硬件原因，该 PLC 不支持双向计数器，希望在下次的设计中加入减分功 能,从而将竞赛抢答器设计的更加完美。 6.36.3 总结总结 这次 PLC 的课程设计，我们班做的是抢答器的设计，虽然以前上实验课的时候做过类 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 PLC 课程设计 14 似的实验，不过课程设计毕竟不同于平时的实验课，在设计的难度及繁琐度都有了一定的 上升，光梯形图就画 此次的 PLC 课程设计是对一学期课程学习与实践的总结，不得不说，还是有很多有差 距的地方，所以，在学好理论知识的同时，依然不能忘了时间的重要性。 七、参考文献七、参考文献 1李仁主编，电气控制，北京：机械工业出版社，2000 2陈立定等主编，电气控制与可编程控制器，广州：华南理工大学出版社，2001 3王仁祥主编，常用低压电器原理及其控制技术，北京：机械工业出版社，2002 4郑萍主编，现代电气控制技术，重庆：重庆大学出版社，2001 5 佟为明等编，低压电器继电器及其控制系统，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000 6 王海，李洪奎，刘晓。基于 PLC 的多轴控制研究J。机械工程学报,2008, 6(4): 470- 472. 7 杨东, 黄永红, 张新华, 吉敬华. 用 PLC 基本指令实现自动运动定位控制的 研究J. 微计 算机信息, 2010, 26(2-1): 62-64。 8 秦琴，王忠庆.。利用 PLC 的高速计数功能实现轴的精确定位控制.。电气技术。2009(3)。 9 陈婵