六路抢答器系统设计与调试Word文档下载推荐.docx
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传统的普通抢答器主要存在一下缺点:
⑴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。
⑵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。
⑶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设计内容与要求
系统设计主要包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。
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。
2PLC可编程序控制器
2.1PLC介绍
可编程序控制器(ProgrammableL0cController简称PLC)是以微处理器为核心,综合了计算机控制、自动化、通讯网络等技术的一种通用的工业控制装置。
PLC电梯控制系统有如下的特点:
(1)、PLC是基于工业环境下设计的控制装置,环境适应性强,可靠性高;
(2)、PLC最常用的编程语言是梯形图语言,编程语言形象、直观,编程简单,便于广大现场工程技术人员掌握。
(3)、PLC控制系统的体积小,重量轻,便于安装,维修方便。
(4)、PLC具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能,可以方便的实时监视系统的运行状态。
(5)、现代PLC具有传统控制系统无法比拟的远程数据传送、交换、控制和监视的网络通讯功能。
其中基于PLC的电梯的电气系统设计主要由拖动系统和控制系统两部分组成。
传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点,正逐渐被淘汰。
目前电梯设计使用可编程控制器(PLC),要求功能变化灵活,编程简单,故障少,噪音低。
维修保养方便,节能省工,抗干扰能力强,控制箱占地面积少。
当乘员进入电梯,按下楼层按钮,电梯门自动关闭后.控制系统进行下列运作:
根据轿厢所处位置及乘员所处层数.判定轿厢运行方向,保证轿厢平层时减速。
将轿厢停在选定的楼层上;
同时,根据楼层的呼叫,顺路停车,自动开关门。
另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。
在设计电梯时我们经常会提到“组态”一词,简单的讲,组态就是用应用软件中提供的工具、方法,完成工程中某一具体任务的过程。
在组态概念出现之前,要实现某一任务,都是通过编写程序(如使用BASIC,C,FORTRAN等)来实现的。
编写程序不但工作量大、周期长,而且容易犯错误,不能保证工期。
组态软件的出现,解决了这个问题。
对于过去需要几个月的工作,通过组态几天就可以完成。
组态软件是有专业性的。
一种组态软件只能适合某种领域的应用。
组态的概念最早出现在工业计算机控制中。
如DCS(集散控制系统)组态,PLC(可编程控制器)梯形图组态。
组态软件相当丰富,相关品牌有:
MCGS、组态王、EASYCONTROL、Citect、FIX等。
他们都有一个相同的特征:
有丰富的图库及强大的图形编辑功能和通讯功能。
利用组态软件可以方便生产过程的生态模型、设定监视点、绘制实时过程曲线;
通过串口(RS232或RS485)。
利用组态软件中的通讯程序或自己编制的通讯程序可以方便建立组态监控与PLC之间的实时通讯。
系统上位机监控部分应用MCGS组态软件来实现。
MCGS(MonitorandControlSystem)是一套基于Windows平台用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。
MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台,能够完成现场数据采集、事实和历史数据处理、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出等功能。
MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。
组态环境相当于一套完整的工具软件,帮助用户设计和构造自己的应用系统。
运行环境则按照组态环境中构造的组态工程,以用户指定的方式运行,并进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能。
运行环境本身没有任何意义,必须与组态结果数据库一起才能构成用户应用系统。
一旦组态工作完成,运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。
2.2硬件的组成
PLC控制系统的硬件是由PLC,输入/输出(I/O)电路及外围设备等组成的。
系统规模可根据实际应用的需要而定,可大可小。
下面对构成控制系统的主要部分简要介绍。
PLC系统
(1)主控模块
除了早期生产的整体式PLC(PLC的各个不见都在同一机壳内)外,目前市场多数的PLC都已采用模块化的结构(PLC的各个部件独立封装,称之为模块)。
在PLC中各个模块均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。
在这个系统中最核心的模块是主控模块(也称CPU),它包括:
CPU,存储器,通信接口等部分。
①CPU:
CPU是PLC的控制中枢,它由控制器和运算器组成。
其中,控制器是用来统一指挥和控制PLC工作的部件。
运算器则是进行逻辑,算术等运算部件。
PLC在CPU的控制下使整个机器有条不紊的协调工作,以实现对现场各个设备的控制。
CPU的具体作用如下:
执行接受,存储用户程序的操作指令。
用以扫描方式来自输入单元的数据和状态信息,并存入相应的数据存储区。
执行监控程序和用户程序。
完成数据和信息的处理,产生相应的内部控制信号,完成用户指令规定的各种操作。
响应外部设备(如编程器,打印机)的请求。
PLC中所采用的CPU随机型的不同而不同,通常有3种:
通用微处理器(如8086,80286,80386等),单片机芯片,位片式处理器。
一般来说,小型PLC大采用8位微处理器或单片机作为CPU,如Intel8086,Inter96系列单片机,具有集成度高,运算速度快,可靠性高等优点。
如日本欧姆龙公司生产的OMRONC200H型PLC采用的是Motorola公司生产的MC68B09的CPU芯片。
这是一种增强型8位微处理器。
对大型PLC,大多采用高速位片式微处理器,它具有灵活性强,速度快,效率高的优点。
目前,一些厂家生产的PLC中,还采用了冗余技术,即采用双CPU或三CPU工作,进一步提高了系统可靠性。
采用冗余技术可使PLC的平均无故障工作时间达几十万小时以上。
②存储器:
PLC系统中的存储器主要用于存放系统程序,用户程序和工作状态数据。
系统程序存储区:
采用PROM或EPROM芯片存储器。
它是由生产厂家直接存放的,永久存储的程序和指令,称为监控程序。
监控程序和PLC的硬件组成与专用部件的特性有关,用户不能随意访问和修改这部分存储器的程序。
存储器区:
工作数据是PLC运行过程中经常变化的,需要随机存取的一些数据。
这些数据一般不需要长久保存,因此采用随机存储器RAM。
数据存储区包括输入,输出数据映象区,定时器/计数器预置和当前数值的数据。
用户程序存储区:
用于存放用户经编程器或计算机输入的应用程序。
一般采用EPROM或EEPROM存储器,用户可檫写重新编程。
用户程序存储器的容量一般就代表PLC的标称容量。
通常,小型机小于8KB,中型机小于50KB,而大型机可以在50KB以上。
③通信接口:
主控模块通常有一个或一个以上的通信接口(简称通信口),用以与计算机,编程器相连,实现编程,调试,运行,监视等功能。
(2)输入/输出模块
PLC的控制对象是工业生产过程,它与工业生产过程的联系是通过I/O模块实现的。
生产过程有许多控制变量,如温度,压力,液位,速度,电压,开关量,继电器状态等,因此,需要有相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场的桥梁。
且这些模块应具有较好的抗干扰能力。
目前,生产厂家已开发出各种型号的模块供用户选择。
对于输入/输出模块有:
数字量输入/输出模块,开关量输入/输出模块,模拟量输入/输出模块,交流新号输入/输出模块,220V交流输入/输出模块。
还有智能模块,它本身带CPU,存储器和监控系统,可独立完成各种运算。
智能模块的种类很多,如高速计数模块,PID调节的模拟量控制模块,阀门控制模块,智能存储模块和智能I/O模块。
(3)电源模块
该模块将交流电源转换成供CPU存储器所需的直流电源,是整个PLC系统的能源供给中心。
它的好坏直接影响到PLC的功能和可靠性。
目前,大多数PLC采用高质量的开关式稳压电源,与普通电源相比,PLC的电源工作稳定性好,抗干扰能力也强。
有些机器的电源除了供内部电路使用外,还向外提供24VDC的稳压电源,用于外部传感器的需要,这样就避免了因外部电源不合格而引起的外部故障。
(4)I/O电路
PLC的基本功能就是控制,它采集被控对象的各种信号。
经过PLC处理后,通过执行装置实现控制。
输入电路就是被控对象(需要进行控制的机器,设备和生产过程)进行检测,采集,转换和输入。
另外,安装在控制台上的按钮,开关等也可以向PLC送控制指令。
输出电路的功能就是接受PLC输出的控制信号,对被孔对象执行控制任务。
(5)PLC外围设备
PLC的外围设备很多,但基本功能不外乎对信息和数据的处理。
常用的有编程器,可编程终端,打印机,条码读入机等等。
编程器PLC的重要外围设备之一,它可以将用户编写的程序送到PLC的用户程序存储器。
因此,它的主要任务是输入程序,调试程序和监控程序的执行过程。
可编程终端是具有I/O功能的PLC人机界面产品。
人可以通过触摸屏幕将信息输入PLC中同样可编程终端也可以将PLC的输入数据和信息显示在屏幕上。
(6)软件的组成
PLC控制系统的软件主要是系统软件,应用软件,编程语言及编程支持工具软件几个部分组成。
(7)PLC系统软件与工作过程
PLC系统软件是PLC工作所必须的软件。
在系统软件的支持西,PLC对用户程序进行逐条的解释,并加以执行,直到用户程序结束,然后返回到程序的起始又开始新的一轮扫描。
PLC的这种工作方式就称之为循环扫描。
值得注意的是在继电器控制系统中,一个继电器的线圈被接通或断开,继电器的所用触点(常开触点和常闭触点)都会立即动作。
但在PLC中,由于采用的是循环扫描的工作方式,所用只有扫描到”线圈”的触点时,才会动作,没有扫描到时,触点就不会动。
并且PLC扫描一次用户程序的时间即扫描周期与拥护程序的长短和扫描速度有关,一般为1ms至几十毫秒。
现以OMRONP型机为例来说明PLC扫描的工作过程,如上图在没有扫描之前,PLC首先应保证自身的完好性。
接通电源之后,为消除各元件状态的随机性,进行清零或复位处理,检查I/O单元连接是否正确,再执行一段程序。
使它涉及到各种指令和内存单元,如果执行的时间不超过规定的时间范围,则证明自身完好,否则系统关闭。
上述操作完成后,将时间监视定时复位,才允许扫描用户程序。
公共操作公共操作是在每次扫描程序前又一次自检,若发现故障,除了报警显示灯亮之外,还判断故障性质。
一般性故障,只报警不停机,等待处理;
对于严重故障,则停止运行用户程序,此时PLC切断一切输出。
I/O数据输入/输出操作有的称为I/O状态刷新。
它包括两种操作:
一是采样输入信号(即刷新输入状态的内容);
二是送出处理结果(即按输出状态表的内容刷新输出电路)。
①输入映象存储器及刷新。
由上图所示可知送入PLC端子上的输入信号,经过电隔离,电平转换,滤波处理后,进入缓冲器内CPU的采样。
。
在PLC的存储器有一个专门存放I/O数据区,其中对应输入端子的数据区,称之为输入映象存储器。
当CPU采样时,输入信号由缓冲区进入映象区。
接着就是数据输入或输出状态刷新。
只有在采样刷新的时刻,输入映象存储器中的内容才与输入信号(不考虑电路固有的惯性和滤波滞后影响)一致,其他时间范围输入信号变化是不会影响映象存储器的内容的。
由于PLC扫描周期一般只有几十毫秒,所以两次采样时间很短,对一般开关量来说,可以认为没有因间断采样引起的误差。
即认为输入信号一旦变化,就能立即进入输入映象的存储器内。
②输出映象存储器及输出状态刷新。
同样道理,CPU不能直接驱动负载。
按用户程序要求及当前输入状态,要保持到下次刷新为止。
同样,对于变化较慢的控制过程来说,因为两次刷新的时间间隔和输出电路的惯性时间常数一般才几十毫秒,可以认为输出信号是及时的。
⑶执行用户程序这里又包括监视与执行两部分。
①监视定时器WDT。
监视定时器就T1是通常所说的”看门狗”WDT(Watch-DogTimer),它是用来监视程序执行是否正常。
正常时,执行完用户程序多用的时间不会超过T1,在程序复位WDT,即执行程序并开始计时:
执行完用户程序后立即令WDT复位,表示程序执行正常。
当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循环,则WDT会发出超时报警信号,使程序重新开始执行。
如果是偶然因素造成超时,重新程序不会再遇到”偶然干扰”,系统便转入正常运行;
若由于不可恢复的确定性故障,则系统会自动地停止执行用户程序,切断外部负载,发出故障信号,等待处理。
②执行用户程序。
用户程序是放在用户程序存储器中的,扫描时,按顺序从零步开始,逐步解释和执行,直到执行END指令才结束对用户程序的扫描。
应用软件
PLC控制系统的应用软件是指为完成PLC实际控制任务而编制的各种软件。
随着PLC应用领域范围的不断扩大,应用水平的提高,PLC应用软件也大大丰富起来了。
PLC应用软件与一般计算机信息处理软件相比,有很大不同,PLC应用软件有以下几个特点:
⑴应用软件设计必须与生产工艺紧密结合。
生产工艺要求不同,控制的功能也就要求不同,即使是相同的生产过程,由于各种设备的工艺参数不一样,控制实现的方式也不一样。
所以程序设计人员必须深入现场,严格尊守生产工艺的具体要求来设计应用程序。
⑵应用软件与硬件紧密相关。
软件设计人员不能抛开硬件配置和系统孤立地考虑软件设计。
设计必须根据硬件系统,接口的实际情况进行相应的程序设计。
⑶PLC应用软件的设计需要计算机,自动控制技术甚至网络通信技术等多种知识。
特别是PLC网络的出现,PLC控制系统不再是一个单独的装置。
在控制系统中,可能包括有多台不同型号的PLC,计算机,外围设备等。
因此在进行软件设计时,实现和处理某种控制功能都离不开计算机,自动控制和通信技术。
因此,应用程序中不仅有PLC程序,还有计算机程序和通信网络程序等。
编程语言及编程支持工具软件
PLC有多种编程语言:
梯形图语言,助记符语言,逻辑功能图语言,布尔代数语言和某些高级语言(Basic,C语言等)。
但使用广泛的还是梯形图语言和助记符语言。
现在世界上各个PLC生产厂家都研制了自己的PLC编程支持工具软件和监控组态软件。
用户可以根据自己的需要利用这些软件来改善软件的开发环境,提高编程效率。
2.3PLC控制系统的发展趋势
PLC当初是针对工业顺序控制发展而研制的。
经过30几年的迅速发展,PLC已不仅能进行开关量控制,而且还能进行模拟量控制,位置控制。
特别是PLC的通信网络技术的发展,使得PLC如虎添翼,由单机控制向多机控制,由集中控制向多层次分布式控制系统发展。
现在PLC的足迹已遍布了国民经济的各个领域,形成了满足各种需要的PLC应用系统。
今后PLC控制系统将朝什么方向发展呢?
在市场经济发达的今天,产品的发展取决于市场的需求。
PLC的主要应用领域是自动化。
不同的企业对自动化的要求,规模以及投资数额都不相同,存在着不同的层次需求。
从我国目前正在开展的以高新技术带动传统产业发展形式来看,我们不仅要大力发展适合于大,中型企业的高水准的PLC网络,而且也要发展合适小型企业该找的性能价格比高的小型PLC控制系统。
所以今后PLC控制系统将朝着两个方向发展:
一是向小型化,微型化系统方向发展。
作为控制系统的关键设备,PLC将朝着体积更小,速度更快,功能更强,价格更低的方向发展。
二是向大型化,网络化,多功能的方向发展。
⑴小型化、高性能、低成本、简单使用
近年来,小型PLC应用十分普遍,超小型PLC的需求日趋增多。
据统计,美国机床行业应用超小型PLC几乎占据了市场的1/4,国外许多PLC厂家正在积极地研制开发出各种超小型微型的PLC。
例如德国西门子公司的S7-200既可以单机运行也可以联网实现复杂的控制。
S7-200的最小配置是8个数字量输入和6个数字量输出,还可以根据实际情况扩展2~7个模块,最多可达到128个输入和120输出,此外S7-200还可以进行模拟量控制,是一种性能价格比较好的微型PLC
⑵大型化、网络化、多功能
多层次分布式控制系统与集中型相比,具有更高的安全性和可靠性。
系统设计,组态也更为灵活方便,地域分布也广,是当前控制系统发展的主要潮流。
为了适应这种发展,实现工厂自动化,世界上各PLC生产厂家不断地研制开发功能更强的PLC网络系统。
这种PLC网络一般是多级的,网络的最底层是现场执行级,网络的最上层为组织管理级。
现场执行级可以由多个PLC或远程I/O工作站所组成,中间一级由PLC或计算机构成。
最高一级一般由高性能的计算机组成。
它们之间采用工业以太网,MAP网和工业现场总线相连构成一个多级分布式PLC。
随着自动控制系统技术的发展,这种多分布式的PLC控制系统不再是单一的,除了控制功能外,还可以实现在线优化,生产过程的实时调度,产品计划,统计管理等功能,成为一种测,控,管一体化的多功能综合系统。
⑶PLC控制系统将与智能控制系统更进一步地相互渗透和结合
目前,PLC与计算机已成为地结合并广泛应用,PLC不再是单独的一个控制装置,它成为控制系统中的一个重要的组成部分和环节。
随着集成电路和计算机技术的进一步发展,今后的PLC将更加注重它与智能控制系统的结合。
许多PLC开发商已经注意到了PLC的兼容性,不仅是PLC与PLC的兼容,而且还注意到PLC与计算机的兼容,使之可以充分地利用计算机现有的软件资源。
例如西门子的S7-300采用SIMATICS7的模块,它的软件编程,监控都可以在Windows操作平台上操作和运行。
今后PLC将采用速度更快,功能更强的CPU,
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