抢答器PLC控制系统设计(河南工业大学)

内容摘要

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速开展，计算机控制已扩展到所有的控制领域。现代社

会要求制造业对市场需求迅速的反响，生产出小批量、多品种、多规格、低本钱和高质量的产品。为了

满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。

而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，这局部抢答器已相当成熟。而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表达）、屏幕显示、按键发光等多种功能。但功能越多

的电路相对■来说就越夏杂，且本钱偏高，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。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到达公正、公平、公开。

关键词：可编程捽制器、抢答器、PLC

目录

第1章引言..................................3

1.1PLC的由来及开展史....................................3

PLC的根本结构........................................4

1.3PLC的工作原理........................................4

第2章系统方案的分析与设计.....................6

2.1控制要求分析，设计主电路...........................6

2.2系统设计思想及控制流程设计.........................6

2.3设计硬件选择........................................6

第3章PLC控制系统设计.........................8

3.1确定I/O信号数量，选择PLC类型.....................8

3.2I/O通道分配及I/O接线图..............................8

3.3控制程序编制与调试...................................10

设计总结.......................................22

谢词..........................................23

参考文献......................................24

第1章引言

1.1PLC的由来及开展史

PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的开展，其应用领域正在不断扩大.可编

程控制器(Progra川mableLogicalControlle】)简称PC或PLC,是GO年代末创造的工业控制器件，是美

国数字公司（DEC）为美国通用公司（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。

随着计算机技术的飞速开展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化

方向不断开展，同时推动了先进制造技术的相应开展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。

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开展

和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速开展，其开展过程大致可分三个阶段：

1.早期的PLC（60年代末一70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。它在硬件上以掂计算机的形式出现，在I/O

接口电路上作了改良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

阔电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式一梯形图。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

有的编程语言一梯形图一直沿用至今。

2.中期的PLC（70年代中期一80年代中后期）

在7（）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）o

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。并犷大了存储器的容量，使各种

逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据存放器，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开展，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。

1.2PLC的根本结构

PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对•象方便连接的计算机。其

完成控制的实质是按一定算法进行I/O变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场。

1.输入存放器

输入存放器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由输

入开关量驱动，并保持一个扫摧周期。CPU可以读其值，但不可以写或进行修改。

2.输出存放器

输出存放器的每一位都说明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出存放器

的值,说明的是上一时间段的真实输出值。在程序执行过程中,CPU可以读其值,并作为条件参加控制,还

可以修改其值,而中间的变换仅仅影响存放器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响卜一一

时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。

3.存储器

存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储滞存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的,

用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源,

I/O存放器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。

4.CPL单元

CPU单元控制着I/0存放器的读、写时序，以及对存储器单元中程序的解释执行工作，是PLC的

大脑。

5.其它接口单元

其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。

1.3PLC的工作原理

1.扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷

新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描

速度重兔执行上述二个阶段c

1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并

将它们存入"0映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会

改变。因此，如果输入是脉冲信号，那么该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在

任何情况下，该输入均能被读入。

2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每

一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下

的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系

统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是

否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他

输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上

面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的但凡用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，

抹在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到卜.一个扫描周期才能对排在其上面

的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令那么可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的

话，输入过程影像存放器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像存放器会被

立即更新，这跟立即输入有些区别.3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应

的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时.，才是PLC的真正

输出。

第2章系统方案的分析与设计

2.1控制要求分析，设计主电路

2.1.1PLC抢答器的控制要求

1.抢答器同时供8名选手或3个代表队比赛，分别用8个按钮S0-S7表示。

2.设置一个系统去除和抢答控制开关，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，勇士

扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答先手的编号一直保存到主持人将系统清楚

为止。

4.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由支持人设定（如30秒）。当主持人启动“开始”

按钮后，定时器惊醒减计时，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搭

的时间，并保持到主持人将系统清楚为止。

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。

2.2系统设计思想设计

2.2.1系统设计思想

在主持人按动“开始”按钮后，计时器开始计时，同时扬声器蜂鸣0.5秒，此时各参赛选手开始抢

答。各选手之间实行互锁，在一名选手抢先按下抢答按钮时，其他的选手再按抢答按钮那么无效。在选

手按下抢搭按钮后，选手的抢搭指示灯亮起，问时扬声器蜂鸣0.5秒，在LED显示器上显示抢答选手的

编号，一直保存到主持人去除位置，此时可以由选手来答复抢答的问题。在答复环节进行过后，由主持

人对此次的抢答显示进行去除，进而进行下一轮的抢答。

2.3设计硬件选择

根据对系统装置的分析，选用以下硬件如表27所示

表2-1硬件选择表

名称型号数量

PLC主机单元S7-200(226)1台

控制按钮SB配套9个

指示灯配套配套

扬声器配套1个

LED显示器配套1个

第3章PLC控制系统设计

3.1确定I/O信号数量，选择PLC类型

3.1.1系统I/O数量分析

经分析控制系统有主持人控制按钮SBO和参赛选手S1-S8九个输入，输出有八名选手的抢搭指示

灯亮、扬声器和7个LED显示管端子十六个输出，可以确定为91/160信号量

3.1.2S7-200系列PLC的CPU的技术指标

表3-1S7-200系列PLC的CPU的技术指标

特性CPU221CPU222CPU224CPU226

数字输入量(DI)681424

数字输出量(D0)461016

3.1.3S7-200系列PLC的CPU型号的选择

根据该系统的信号输出量和输出量的数量，配合S7-200的CPU的数字量I/O数量，考虑选用CPU226

型号。

3.2I/O通道分配及I/O接线图

I/0通道分配

在了解了系统工艺要求和控制要求后，接着要做的就是将I/O通道分配给PLC的指定I/O

端子，具体如表3-2所示。

表3-2I/O点的分配与编号

控制信号信号名称元件名称元件符号地址编号

主持人开关常开按钮SBO

1号选手按纽常开按钮SB1

2号选手按纽常开按钮SB2

3号选手按纽常开按钮SB3

输入信号4号选手按纽常开按钮SB4

5号选手按纽常开按钮SB5

6号选手按纽常开按钮SB6

7号选手按纽常开按钮SB7

8号选手按钮常开按钮SB8

扬声器接触器KM1

1号选手抢答指示灯接触器KM2

2号选手抢答指示灯接触器KM3

3号选手抢答指示灯接触器KM4

4号选手抢答指示灯接触器KM5

5号选手抢答指示灯接触器KM6

6号选手抢答指示灯接触器KM7

输出信号7号选手抢答指示灯接触器KM8

8号选手抢答指示灯接触器KM

数码显示LED管的a端LED显示管

数码显示LED管的b端端子

数码显示LED管的c端

数码显示LED管的d端

数码显示LED管的。端

数码显示LED管的f端

数码显示LED管的g端

抢答器I/O接线图如图3-1所示

QO.O

图3TI/O接线图

控制程序编制与调试

.1控制程序编制

1.程序设计及工作过程分析

本次抢答器的设计由于是供8个代表队参赛使用，所以用了八个按钮，分别由SBrSB8来表

示，主持人开关由SBO来表示，由于此抢答器具有锁存与显示功能，所以梯形图设计中需要用互

锁来实现

当主持人按下开关I秒。此时八位选手开始抢答，在规定时间内抢答有效，如果定时器时间

到了以后，仍无人抢答，那么扬声器发出持续蜂鸣警报，本次抢答无效。

2.梯形图程序如图3-2所示

网络3

MOO10.1I0.2I0.3IO.4IQ5IQ6»711.0T37

—II—Id—Id—PI—M—PI—Id—Id—I，INTOH

PT100m

豳4

EE

网85

愤手21

幽8

网络9

I游6I

10.6IQ110.210.310.410.510711.0T37MOOQ0.6

TIdPIMl，lII()

TW

网络12

谶13

扬声善触定时

QOOT38

----1|-------------------pTiH

♦5,PT100a

谶14

I黜SfflWI

T38Q0.0

TI-(川)

1

网络15

I在蝌胃目内发言送手抱膏期I

Q01Q0.2QQ3004Q05QQ6Q07Q1.0T37MOOQ00

-PI—Id—1，1—Id—Id—Id—Id—Id—II—II()

网络16

同络18

|在LED显示首中对应c的俗g；

网给20

在L£D§示者中过应6的清

Q02Q1.5

问络21

|在旧财管中对应f的位置

UU4Ulb

THH)

阿珞22

|在LED显示管中液g的虫舌

QQ201.7

—II—r-（：

QQ3

T1

004

—I1

QQ5

—II—

QQ6

—I1

—IQ10P

图3-2程序梯形图

3.指令语句表程序

使用简易编程器输入程序，将上述梯形图转化成指令语句表的形式，如图A3所示。

程序注释

网络1网络标题

I主持人按下开始按钮

|LD10.0

0M0.0

EU

ANM0.1

=M0.0

网络2

I主持人清除上一抡抢答信息

LD10.0

EU

AM0.0

=M0.1

网络3

I定时器开始计时

LDH：0.0

ANI0.1

ANI0.2

ANI0.3

ANI0.4

ANI0.5

ANI0.6

ANI0.7

ANI1.0

TONT,37/+300

网络4

I选手1

LDI0.1

0Q10.1

ANI0.2

ANI0.3

ANI0.4

ANI0.5

ANI0.6

ANI0.7

ANI1.0

ANT,37

AM：0.0

=Q(0.1

网络5

选手2

LDI0.2

Q0.2

I0.1

I0.3

I0.4

I0.

I0.6

I0.7

I1.0

T37

M0.0

Q0.2

网络6

选手3

LDI0.3

Q0.3

ANI0.1

ANI0.2

ANI0.4

ANI0.5

ANI0.6

ANI0.7

ANI1.0

ANT37

M0.0

Q0.3

网络7

I选手4

络1o

手7

LDI07

OQ0«7

•

01

ANI•

ANI0•2

AI0•3

ANI0•4

ANI0•5

ANI0•6

ANI10

ANT3•

AM0o

Q0・7

=•

网络11

唾手8

LDIX1

oQ1

I

AN.n

AN2

AN3

AN4

AN5

AN6

AN7

ANT

AM

=Q

网络2

扬声器蛭呜

LDMO0

OQO1

OQO2

OQO3

OQO4

OQO5

OQO6

OQO7

OQ10

EU

SIQO

网络3

I扬声器蛙鸣定时一

LDQ0.0

TONT38,+5

网络14

I扬声器停止蛭呜一

LDT38

RIQ0.0,1

网络15

I在抢答时间内没有选手抢答蛭呜

LDQO1

ANQO2

ANQO3

ANQO4

ANQO5

ANQO6

ANQO7

ANQ10

AT3

AMUu

O

-QO

网络16

|在LED显示管中对应a的位置

LQo2

OQo3

OQo5

OQo6

OQO7

OQ10

=Q11

在LED显示管中对应b的位置

Qo1

LODQo2

。Qo3

。Qo4

。QO7

。Q10

=Q12

网络18

［在LED显示管中对应c的位置

LDQ01

OQ03

OQ04

OQ05

OQ06

OQ07

OQ10

13

=Q

网络19

|在LED显示管中对应d的位置

LDQo2

OQo3

OQo5

OQO6

OQ1U

=Q14

网络20

在LED显示管中对应e的位置

LQo2

OQO6

OQ10

=Q15

网络上1________________

|在LED显示管中对应f的位置

LDQ0.4

0Q0.5

0Q0.6

0Q1.0

=Q1.6

网络22

|在LED显示管中对应g的位置

LDQo2

OQo3

OQo4

OQo5

OQO6

OQ10

-Q17

图3-3程序指令表

3.3.2控制程序调试

抢答的操作过程，利用手动模拟出各种输入信号，用输出灯的亮火表示系统在运行程

序后的输出(选手抢答指示灯的亮灭、扬声器接触器线圈的得失电情况和数码显示LED管

的各端子等)，以便观察仿真器运行程序得到的输出与实际想要得到的结果的匹配程度，进

而对程序进行修改与完善。具体作法如下，

1)主持人开始按钮的调试

设