PLC四路抢答器课程设计报告Word格式.docx
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PLC四路抢答器课程设计报告Word格式.docx
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对于抢答器其广泛用于电视台、商业机构、企事业工会组织、俱乐部及学校等单位组织举办各种知识、技术竞赛及文娱活动时作抢答之用,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,并且给人的视觉效果非常好,是各单位开展素质教育、精神文明、娱乐活动的必备产品。
本次设计是利用PLC(ProgrammableLogicController)对PLC控制智力抢答器进行控制。
首先,选择这个题目之后,我对本次设计进行了全面的思考。
使自己对本次设计有一个大致的总体思路,然后仔细分析PLC控制的四路智力抢答器的工作原理,以及它的一些工作过程,分析后得出它主要需要完成主持人的控制、选手的抢答、报警、计时及输出显示功能等。
关键词:
智力控制,四路抢答器,PLC
一、设计背景与选题
1.设计背景
抢答器广泛应用于电视台、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,能使四个人同时参加抢答赛,四个参赛台总体设计选用西门子S7-200PLC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。
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,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。
此任务的抢答器可根据应答者抢答情况自动设定答题时间,并根据情况用灯光和声音现实其回答正确和错误。
四路智力抢答器有四个抢答按钮最先按下按钮有效,在此之后按下按钮无效,伴有灯光和声音指示,并开始计时答题时间。
计时时间到声音提示停止答题,同时有警报响起。
主持人有开始和停止按钮,及系统自带的复位按钮。
2.设计目的
⑴熟悉PLC主机结构及编程环境;
⑵进一步熟悉编程器及STEP—7的使用方法,掌握输入\输出、定时器\计数器、微分、保持继电器等常用指令的功能和编程方法;
⑶理解联锁、跳转、数据比较、数据位移、数据传送、数据转换、运算等指令的功能,掌握其使用方法;
⑷通过基本训练,设计一个PLC控制抢答器装置。
按控制要求选择PLC机型和外部设备,设计PLC外部电路的接线图。
编写控制程序,并学习上机调试程序的方法;
第二部分PLC编程与硬件接线
2.抢答器
2.1四路抢答器概述
本文介绍一种数字式抢答器,能使八个队同时参加抢答,赛场中设有1个主持人参赛台总体设计选用西门子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。
技术含量大大提升;
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。
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。
2.2四路抢答器工作原理
这次设计的PLC智能抢答器是适合四人抢答的四路抢答器。
给竞赛主持人设置了3个控制按钮,用来控制开始、复位、停止计时,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,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音响电路发出声响并且有音响警报。
按下启动按钮定时器T37计时(设定30秒)若30秒限制到时仍无人抢答音响电路发出声响,以示选手放弃该题。
此设定为30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PLC程序来控制一个数码管以及一个蜂鸣器来实现的。
本次设计用到三个定时器,T37、T38和T39。
在主持人按下启动按钮后用定时器T38定时5S,在5S内按下抢答按钮是有效的,超出5S此题将作废,主持人按下复位按钮重新开始下一题。
T39用来延时1S,当抢答有效时,蜂鸣器回响1S。
3PLC概述
3.1PLC产生与发展
在可编程控制器出现前,在工业电气控制领域中,继电器控制占主导地位,应用广泛。
但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点,特别是其接线复杂、不易更改,对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司(G.M)为了适应汽车型号的不断更新,生产工艺不断变化的需要,实现小批量、多品种生产,希望能有一种新型工业控制器,它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线,以降低成本,缩短周期。
于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来,制成一种通用控制装置,而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程,使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
1969年美国数字设备公司(DEC)根据美国通用汽车公司的这种要求,研制成功了世界上第一台可编程控制器,并在通用汽车公司的自动装配线上试用,取得很好的效果。
从此这项技术迅速发展起来。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能,只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogiccontroller)随着微电子技术和计算机技术的发展,20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中,使PLC不仅具有逻辑控制功能,还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
20世纪80年代以后,随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展,16位和32位微处理器应用于PLC中,使PLC得到迅速发展。
PLC不仅控制功能增强,同时可靠性提高,功耗、体积减小,成本降低,编程和故障检测更加灵活方便,而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能,使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
自从第一台PLC出现以后,日本、德国、法国等也相继开始研制PLC,并得到了迅速的发展。
目前,世界上有200多家PLC厂商,400多品种的PLC产品,按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品,各流派PLC产品都各具特色,如日本主要发展中小型PLC,其小型PLC性能先进,结构紧凑,价格便宜,在世界市场上占用重要地位。
著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B(Allen-Bradley)公司、GE(GeneralElectric)公司,日本的三菱电机(MitsubishiElectric)公司、欧姆龙(OMRON)公司,德国的AEG公司、西门子(Siemens)公司,法国的TE(Telemecanique)公司等。
3.2PLC的特点与应用领域
(一)PLC的特点
PLC技术之所以高速发展,除了工业自动化的客观需要外,主要是因为它具有许多独特的优点。
它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
主要有以下特点:
1.可靠性高、抗干扰能力强
可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。
PLC的平均无故障时间可达几十万个小时,之所以有这么高的可靠性,是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施:
(1)硬件方面
I/O通道采用光电隔离,有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响;
对供电电源及线路采用多种形式的滤波,从而消除或抑制了高频干扰;
对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽,以减少空间电磁干扰;
对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。
(2)软件方面
PLC采用扫描工作方式,减少了由于外界环境干扰引起故障;
在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序,能对系统硬件电路等故障实现检测和判断;
当由外界干扰引起故障时,能立即将当前重要信息加以封存,禁止任何不稳定的读写操作,一旦外界环境正常后,便可恢复到故障发生前的状态,继续原来的工作。
2.编程简单、使用方便
目前,大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言,它是一种面向生产、面向用户的编程语言。
梯形图与电器控制线路图相似,形象、直观,不需要掌握计算机知识,很容易让广大工程技术人员掌握。
当生产流程需要改变时,可以现场改变程序,使用方便、灵活。
同时,PLC编程器的操作和使用也很简单。
这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。
许多PLC还针对具体问题,设计了各种专用编程指令及编程方法,进一步简化了编程。
3.功能完善、通用性强
现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能,而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。
同时,由于PLC产品的系列化、模块化,有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,可以组成满足各种要求的控制系统。
4.设计安装简单、维护方便
由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。
PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试,缩短了应用设计和调试周期。
在维修方面,由于PLC的故障率极低,维修工作量很小;
而且PLC具有很强的自诊断功能,如果出现故障,可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息,迅速查明原因,维修极为方便。
5.体积小、重量轻、能耗低
由于PLC采用了集成电路,其结构紧凑、体积小、能耗低,因而是实现机电一体化的理想控制设备。
(二)PLC的应用领域
目前,在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业,随着PLC性能价格比的不断提高,其应用领域不断扩大。
从应用类型看,PLC的应用大致可归纳为以下几个方面:
1.开关量逻辑控制
利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制,可以取代传统的继电器控制,用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等,例如:
机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。
这是PLC最基本的应用,也是PLC最广泛的应用领域。
2.运动控制
大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
这一功能广泛用于各种机械设备,如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。
3.过程控制
大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能,有的小型PLC也具有模拟量输入输出。
所以PLC可实现模拟量控制,而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制,用于过程控制。
这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。
4.数据处理
现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能,可进行数据的采集、分析和处理,同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置,如计算机数值控制(CNC)设备,进行处理。
5.通信联网
PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其它智能设备之间的通信,PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络,以实现信息的交换,并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统,满足工厂自动化(FA)系统发展的需要。
3.3PLC工作原理
当PLC运行时,是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的,需要执行众多的操作,但CPU不可能同时去执行多个操作,它只能按分时操作(串行工作)方式,每一次执行一个操作,按顺序逐个执行。
由于CPU的运算处理速度很快,所以从宏观上来看,PLC外部出现的结果似乎是同时(并行)完成的。
这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。
扫描工作原理
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。
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。
3.4PLC的基本结构
PLC是微机技术和控制技术相结合的产物,是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机,因此PLC的基本组成与一般的微机系统类似。
一、PLC的硬件组成
PLC的硬件主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。
其中,CPU是PLC的核心,输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路,通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
对于整体式PLC,所有部件都装在同一机壳内,其组成框图如图2-5所示;
对于模块式PLC,各部件独立封装成模块,各模块通过总线连接,安装在机架或导轨上,其组成框图如图2-6所示。
无论是哪种结构类型的PLC,都可根据用户需要进行配置与组合。
图2-5
整体式PLC组成框图
图2-6
模块式PLC组成框图
尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样,但各部分的功能作用是相同的,下面PLC主要组成部分:
1、中央处理单元(CPU)
2、存储器(Memory)
3、基本I/O接口电路
4、通信接口
5、智能接口模块
6、编程装置
7、电源
二、PLC的软件组成
PLC的软件由系统程序和用户程序组成。
系统程序由PLC制造厂商设计编写的,并存入PLC的系统存储器中,用户不能直接读写与更改。
系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。
PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言,根据控制要求编制的程序。
在PLC的应用中,最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序,以实现控制目的。
由于PLC是专门为工业控制而开发的装置,其主要使用者是广大电气技术人员,为了满足他们的传统习惯和掌握能力,PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。
PLC编程语言是多种多样的,对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同,但基本上可归纳两种类型:
一是采用字符表达方式的编程语言,如语句表等;
二是采用图形符号表达方式编程语言,如梯形图等。
3.5PLC的编程语言
1梯形图语言
梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。
它与电器控制线路图相似,继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式,具有形象、直观、实用的特点。
因此,这种编程语言为广大电气技术人员所熟知,是应用最广泛的PLC的编程语言,是PLC的第一编程语言。
如图2-9所示是传统的电器控制线路图和PLC梯形图。
图2-9电器控制线路图与梯形图
a)电器控制线路图
b)PLC梯形图
从图中可看出,两种图基本表示思想是一致的,具体表达方式有一定区别。
PLC的梯形图使用的是内部继电器,定时/计数器等,都是由软件来实现的,使用方便,修改灵活,是原电器控制线路硬接线无法比拟的。
2语句表语言
这种编程语言是一种与汇编语言类似的助记符编程表达方式。
在PLC应用中,经常采用简易编程器,而这种编程器中没有CRT屏幕显示,或没有较大的液晶屏幕显示。
因此,就用一系列PLC操作命令组成的语句表将梯形图描述出来,再通过简易编程器输入到PLC中。
虽然各个PLC生产厂家的语句表形式不尽相同,但基本功能相差无几。
3功能表图语言
功能表图语言(SFC语言)是一种较新的编程方法,又称状态转移图语言。
它将一个完整的控制过程分为若干阶段,各阶段具有不同的动作,阶段间有一定的转换条件,转换条件满足就实现阶段转移,上一阶段动作结束,下一阶段动作开始。
是用功能表图的方式来表达一个控制过程,对于顺序控制系统特别适用。
4高级语言
随着PLC技术的发展,为了增强PLC的运算、数据处理及通信等功能,以上编程语言无法很好地满足要求。
近年来推出的PLC,尤其是大型PLC,都可用高级语言,如BASIC语言、C语言、PASCAL语言等进行编程。
采用高级语言后,用户可以像使用普通微型计算机一样操作PLC,使PLC的各种功能得到更好的发挥。
3.6PLC的分类及性能指标
3.6.1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和OMRON公司的CVM1和CS1系列。
3.6.2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。
3.6.3PLC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吻合程度。
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。
4.系统硬件设计
4.1控制系统选取
抢答器对时间间隔的要求很高,而且多在会议、答辩赛等一些正规的需要进行抢答的场合中使用,所以对设备的精准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
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