抢答器的PLC的自动控制

1、西安航空职业技术学院西安航空职业技术学院 机械设备控制技术 课 程 课 程 设 计 说 明 书 设计题目：抢答器的PLC自动控制 专 业： 机械制造与自动化 班级学号： 09101101 姓 名： 张虎 指导教师： 王丽君 20112011 年 1111 月 2121 日 教务处印制 西安航空职业技术学院西安航空职业技术学院 课 程 设 计 任 务 书 课题名称： 抢答器的PLCPLC自动控制 设计内容： 技术条件或要求： 指导教师（签名）： 教研室主任（签名）： 开题日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日 目目 录录 1 绪论.1 1.1 课题研究背景.1 1.2 课题研究内容.1 1.

2、3 可编程控制器概论.2 1.3.1 PLC 的简介.2 1.3.2 PLC 的用途.3 1.3.3 PLC 的特点.4 1.3.4 PLC 的分类.5 2 系统整体方案的选择.7 2.1 整体功能介绍.7 2.2 抢答器的控制要求.7 2.3 用单片机和 PLC 分别做系统的比较 .8 3 硬件电路设计 .10 3.1 控制特点分析.10 3.2 PLC 机型的选择步骤与原则.10 3.3 流程图.12 3.4 PLC 与七段 LED 显示器连接设计.12 3.4.1 LED 数码管的结构及主要特性 .12 3.4.2 PLC 与七段数码管方案选择.13 3.4.3 PLC 与七段数码管直接

3、连接阻值计算.14 3.4.4 外部硬件接线图.14 4 软件设计.16 4.1 IO 分配.16 4.2 根据控制要求进行梯形图设计.17 4.3 源程序.21 4.4 程序运行过程分析说明.22 4.4 程序的下载、安装和调试 .24 5 总 结.25 致 谢 .26 参考文献.27 1 1 引言引言 1.1 课题研究背景 目前国内外市场上已有很多类型的知识竞赛抢答器，其大致采用模拟电路、数字 电路、单片机或者 PLC 芯片、计算机控制系统等四类产品。对于采用模拟电路或者数 字电路的产品，其技术相当成熟。但是随着功能的增多，电路也越复杂，并且成本偏 高，故障率高，显示方式简单或者没有，无法

4、准确判断抢按按钮的行为，也不便于参 数调节及其功能的升级换代。对于计算机控制系统来说，其程序简单，反应灵敏，便 于参数调节及其功能的升级换代，但鉴于其必须配合计算机实用，可操作性差，没有 得到广泛的应用。而对于科技飞速发展的今天，PLC、单片机应用的不断深入，带动 了传统控制检测技术的不断更新，并鉴于其本身具有的优点，以 PLC、单片机为核心 的部件成为主流1。 传统的普通抢答器主要存在一下缺点： 在一次抢答过程中，当出现超前违规抢答时，只能处理违规抢答信号，而对 没有违规的有效信号不能进行处理，因而使该次抢答过程变为无效。 当有多个违规抢答时，优先编码电路只能选择其中一个，或利用抢答电路电

5、子元件的“竞争”选择其中一个。对于后者由于抢答电路制作完毕后电子元件被固定， 各路抢答信号的“竞争”能力也被固定，因而本质上也有优先权。普通抢答器存在不 公平性。 当有多个违规抢答时，普通抢答器只能“抓住”其中一个违规者。因而出现 了“漏洞” 。 现在大多抢答器都是以 PLC、单片机为控制核心的智能抢答器，它对采样获得的 各种抢答信号进行分析。但仅有抢答功能的抢答器已经不能满足当今社会的需要。该 设计不但有抢答功能，而且还有一个计分系统，能分别对四个选手进行计分，并能够 对分数进行加、减。带计分功能的智能抢答器将会取代一般的智能抢答器，更好的服 务于社会。 1.2 课题研究内容 系统设计主要包

6、括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能， 将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路 图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先在总体设计 中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计， 包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件 进行调试、测试，达到所需功能要求。 在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。硬件电路是采用结构 化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化2。硬件电路的设计最重要 的选择可编程的 PLC，并确定与之配套的外围芯片，使所

7、设计的系统既经济又高性能。 硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参 数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。 软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用三菱 FX 可控 制编程。此编程工具更有可靠、可拓展、可维护性。并且 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3。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

8、，维修人员可以根据提示很快排除故障。 1.3 可编程控制器概论 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（Pr

9、ogrammable 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 PLC45。 1.3.1 PLC 的简介 国际电工委员会（IEC）于 1987 年对 PLC 定义如下4。 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，

10、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。 1.3.2 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。 顺序控制 这是 PLC 应用最广泛的领

11、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。 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。 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

12、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。 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

13、 为主体的控制和管理系统。 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。 1.3.3 PLC 的特点 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，

14、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

15、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。 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

16、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。 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。 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

17、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。 PLC 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

18、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。 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。 1.3.4 PLC 的分类 按 I/O 点数容量分类 一般来说，PLC 处理的 I/O 点数比较多，反映控制关系比 较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求 PLC 的指令及其他功能比较多，指 令执行的过程比较快等。按 PLC 的输入输出点数可将 PLC 分为三类。 公司的 SLC500 系列等整式 PLC 等产品。 微型 PLC I/O 点数小

19、于 64 点的 PLC 为超小型或微型 PLC。 小型 PLC I/O 点数为 256 点以下，用户程序存储容量小于 8KB 的为小型 PLC。它可以连接开关量和模拟量 I/O 模块以及其他各种特殊功能模块，能执行包括 逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信联网等功能。如西门子公 司的 S7-200PLC，三菱公司的 F1、F2 和 FX0 系列 PLC 都属于小型机。 中型 PLC I/O 点数在 5122048 点之间的为中型 PLC。它除了具有小型机所 能实现的功能外，还具有更强大的通信联网功能、更丰富的指令系统、更大的内存容 量和更快的扫描速度。如西门子公司的 S7-30

20、0PLC、三菱公司的 A1S 系列 PLC 都属 于中型机。 大型 PLC I/O 点数为 048 点以上的为大型 PLC。它具有极强的软件和硬件功 能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。 另外大型 PLC 还可以采用三个 CPU 构成表决式系统，使机器具有更高的可靠性。如 西门子公司的 S7-400 系列 PLC、三菱公司的 A3M、A3N 系列 PLC 都属于大型机。 典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7-400 系列、OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列、SB 公司的 SLC5/05 系列等产品。 上述划分没有严格的界限，随

21、着 PLC 技术的飞速发展，某些小型 PLC 也具备中 型机和大型机的功能，这也是 PLC 的发展趋势。 按结构形式分类 按 PLC 物理结构形式的不同，可分为整体式（也称单元式）和 组合式（也称模块式）两类。 整体式结构 整体式结构的 PLC 是将中央处理单元（CPU） 、存储器、输入单 元、电源、通信端口、I/O 扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。内外还有独立的 I/O 扩展单元等通过扩展电缆与主机上的扩展端口相连，以构成 PLC 不同配置与主机 配合使用。整体式结构的 PLC 结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。小型机常用这 种结构。 组合式结构 这种结构的 PLC 是将 CPU、输入

22、单元、输出单元、电源单元、智 能 I/O 单元，通信单元等分别做成相应的电路板和扩展模块。组合式的特点是配置灵 活，输入接点、输出接点的数量可以自由选择，各种功能模块可以依需要灵活配置。 大、中型 PLC 常用组合式结构。 结构流程图 2 2 整体方案的选择整体方案的选择 2.1 整体功能介绍 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

23、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。 2.2 抢答器的 PLC 自动控制设计内容 1) 在主持人按下抢答按钮之前，选手提前抢答则选手桌上的指示灯 1 或者 2 闪 烁 4 秒，然后熄灭 2) 在主持人按下抢答按钮之后 15 秒钟之内，选手未抢答则主持人桌上的指示灯 灭，宣布抢答无效。 3)、主持人按下抢答按钮以后，其中一个选手先抢答，其桌上的指示灯亮，另一 个选手不能抢答桌上的指示灯不亮。 4)、选手抢答后必须在 40 秒钟之内回答完毕，如果在 40 秒钟内未回答完毕则其 桌上的指示灯灭，主持人桌上的指

24、示灯亮，15 秒后自动熄灭。 5)、每一次抢答之前主持人按下复位开关，使得各选手桌上的指示灯处于熄灭状 态。 6)、选手回答正确以后，主持人按下加分按钮，则其对应的选手组计分灯亮一个， 回答错误，按下减分按钮，则对应的选手组计分灯灭一个。主持人按下复位按钮以后， 加减分指示灯不变化。 2.3 设计要求： 1）根据生产的工艺过程分析控制要求。如需要完成的动作（动作顺序、动作条 件及必须的保护和联锁等） 、操作方式（手动、自动；连续、单周期及单步等） ； 2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备。据此确定 PLC 的 I/O 点数； 3）选择 PLC,分配 PLC 的 I/O 点，设计 I/O

25、 电气接口连接图（这一步也可结合第 2 步进行） ； 4）进行 PLC 程序设计。 2.3 用单片机和 PLC 分别做系统的比较 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，

26、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1112。 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11。 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

27、，这样维修成本增加了12。 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10。 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