毕业设计基于PLC四路抢答器的设计.docx

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毕业设计基于PLC四路抢答器的设计

渤海船舶职业学院

毕业设计（论文）

题目：

基于PLC四路抢答器的设计

系：

机电工程系专业：

机电一体化技术

姓名：

李红远指导教师：

刘凯

班级：

08G451评阅教师：

刘凯

学号：

24完成日期：

2011.5.22

毕业设计说明书（论文）中文摘要

题目：

基于PLC四路抢答器的设计

摘要:

近年来随着科技的飞速发展，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。

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控制的四路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。

考虑到只是PLC控制的四路智力抢答器则输出端口需要25个，输入端口需要7个，由于PLC具有可靠性高、体积小、通用性、使用方便等优点，因此，我决定选用SIMATICS7-200系列的CPU226和数字量扩展模块EM223作为本次设计的PLC。

具有方便灵活，维护使用方便等特点。

关键词:

智力控制，四路抢答器，PLC.

摘要Ⅱ

前言Ⅳ

第一章PLC四路抢答器概述1

1.1四路抢答器概述1

1.2PLC智能抢答器的工作原理3

第二章PLC概述4

2.1PLC的产生4

2.2PLC的定义5

2.3PLC的基本结构5

2.4PLC工作原理7

2.5PLC的编程语言7

2.6PLC的性能指标8

第三章系统硬件设计9

3.1控制系统选取9

3.2控制系统的硬件组成9

3.3系统控制要求10

3.4控制系统I/O分配表11

3.5系统硬件连接图12

第四章系统软件设计13

4.1整体设计13

4.2PLC控制程序14

第五章模拟运行与调试过程24

5.1程序的模拟运行24

5.2程序的现场调试25

结论27

参考文献28

前言

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：

（1）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。

（2）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。

（3）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，因此该设计采用基于PLC控制来设计四路抢答器。

第一章PLC四路抢答器概述

1.1四路抢答器概述

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。

以下介绍一种数字式抢答器，能使四个队同时参加抢答,赛场中设有1个裁判台，4个参赛台，分别为1号、2号、3号、4号参赛台.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。

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。

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。

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。

PLC智能抢答器与单片机抢答器相比，在许多方面都显示出优越性.首先说一下单片机抢答器，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，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。

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。

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，这样维修成本增加了。

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。

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。

1.2PLC智能抢答器的工作原理

我所设计的PLC智能抢答器是适合四个人抢答的四路抢答器，现在以四路抢答器为例。

给竞赛主持人设置了3个控制按钮，用来控制开始、复位、答题计时，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，同时绿色指示灯亮，音响电路发出声响提示信号（持续三秒）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红灯亮音响电路发出声响。

当主持人按下抢答器按钮时定时器T0开始计时（设定30秒）若30秒限制到时仍无人抢答则黄灯亮音响电路发出声响，以示选手放弃该题。

在抢答成功后，主持人按下答题计时按钮，同时数码管显示答题倒计时时间改时间可根据需要调节，此设定为50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的PLC程序来控3个制数码管和3个指示灯以及一个喇叭来实现，如图1.1所示:

图1.1抢答器模型图

第二章PLC概述

2.1PLC的产生

可编程序控制器（ProgrammableController，简称PLC），是在继电器控制的基础上开发出来的。

1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司为了适应汽车型号不断更新变化所带来的生产工艺的不断变化，想寻求另一种全新的控制方式。

设想用这样一种控制装置，它既应该具有计算机控制的功能性、灵活性、通用性，同时又应具有继电器控制方式的简单性、操作方便性。

对这种装置的具体要求体现在通用的招标书中；即：

（1）编程简单可在现场修改程序。

（2）维护方便，采用插件式结构。

（3）可靠性高于继电器控制柜。

（4）体积小于继电器控制柜。

（5）可将数据直接送入管理计算机。

（6）成本可与继电器控制柜竞争。

（7）可接115V交流输入。

（8）输出采用交流115V，能直接驱动电磁阀、交流接触器等。

（9）通用性强，扩展时方便。

（10）程序要能储存，存储容量可扩展到4K字节。

根据以上要求，1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器，并在美国通用汽车公司的生产线上试用，取得了满意的效果，可编程序控制器由此诞生。

可编程序控制器的出现开创了以微电子技术为核心的数字化电气控制技术的新局面，此后这一全新的技术便以很快的速度发展起来。

现在的PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还增加了数据运算、传送与处理功能，成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置。

2.2PLC的定义

可编程序控制器出现以后，名称一直没有统一。

国际电工委员会（IEC）于1987年2月对可编程序控制器作了如下的规定：

“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序控制的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其相关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”由于早期的可编程序控制器主要用于开关量的逻辑控制，且为了和个人计算机（PersonalComputer）相区别，人们把可编程序控制器缩写成为PLC（ProgrammableLogicController），一直沿用至今。

2.3PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图2.1所示：

图2.1PLC硬件结构

1、中央处理单元（CPU）

在可编程序控制器控制系统中，CPU模块相当与人的大脑，它不断地采集输入信号

执行用户程序，刷新系统的输出。

2、存储器（Memory）

可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入的信号的状态写入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。

3、基本I/O接口电路

输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。

输入模块用来接收和采集输入信号。

数字量（或称开关量）输入模块用来接收从按钮、接近开关、光电开关、压力继电器等发出的数字量信号。

模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。

数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯和报警装置等输出设备。

模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

4、接口电路

PLC接口电路分为I/O扩展接口电路和外设通信接口电路两类

（1）I/O扩接口电路

I/O扩展接口电路用连接I/O扩展单元，可以用来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。

I/O扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。

根据被控制对象对PLC控制系统的技术和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。

（2）外设通信接口电路

通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成PLC的控制网络。

PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口和电缆与计算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能。

5、电源

PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电源需要的工作电源（5V直流）。

当输入端子为非干接点结构时，为外部输入元件提供24V直流电源（仅供输入点使用）。

2.4PLC工作原理

可编程序控制器通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。

为了使可编程序控制器输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，（如图2.2），这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

图2.2PLC扫描过程

2.5PLC的编程语言

PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。

PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图等。

梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素。

梯形图程序让PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。

梯形图按逻辑关系分为“梯级”或网络。

如图2.3所示是用PLC控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机直接起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。

图2.3PLC控制的梯形图程序

2.6PLC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稳合程度。

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。

第三章系统硬件设计

3.1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，当硬件结构选定后，如果输入、输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。

基于可编程控制器的上述优点能够适应和满足立体车库高性能的使用要求，所以我确定该车库控制系统为PLC（西门子S7-200系列）。

S7-200系列的PLC在各种行业的检测及控制的自动化都得到广泛的应用。

由于其具有极高的性价比，在以下几方面都有优越的表现：

极高的可靠性、程序易于掌握，实时特性功能、编程语言指令丰富，操作简便，有丰富的扩展功能。

抢答器所使用的各种判断信号均为数字量，所以用西门子S7-200系列就完全可以满足电气控制系统方面的要求。

3.2控制系统的硬件组成

在抢答器的工作过程中，主控单元的主要控制对象首先是输入信号，控制系统就是判别这个事件有没有发生，不同的情况给出不同的结果，让大家都很快的明。

其硬件组成结构图如图3.1所示:

图3.1系统硬件结构

3.3系统控制要求

1．抢答器可同时供四组选手参加比赛

2．给主持人设置三个控制按钮，用来控制抢答的开始、复位和答题计时的开始。

3．每当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答按钮，则数码管1就显示该组的编号，同时绿色指示灯亮，音响电路给出信箱提示信号（持续3S），以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不再响应。

选手答题完毕后，由主持人按下复位按钮，系统才能开始下一轮抢答。

4．违规抢答：

若选手在未开时抢答试题时抢答了，则视为违规，违规时数码管1显示其编号，同时红灯亮，音响电路发出声响。

5．抢答限时：

当主持人按下开始按钮后，定时器T0开始计时（设定30S）。

若30S时限到仍无人抢答，则黄灯亮、音响电路发出声响，以示选手放弃该题。

6.答题限时：

在抢答成功后，主持人按下答题计时开始按钮，同时数码管2、3上显示答题倒计时时间（该时间设定为50S），选手必须在设定的时间内完成答题。

否则，音响电路发出答题超时报警信号

3.4控制系统I/O分配表

表3.1输出信号对照表

信号名称

内部地址

信号名称

内部地址

数码管1a段

Q0.0

数码管2g段

Q1.6

数码管1b段

Q0.1

数码管3a段

Q2.0

数码管1c段

Q0.2

数码管3b段

Q2.1

数码管1d段

Q0.3

数码管3c段

Q2.2

数码管1e段

Q0.4

数码管3d段

Q2.3

数码管1f段

Q0.5

数码管3e段

Q2.4

数码管1g段

Q0.6

数码管3f段

Q2.5

数码管2a段

Q1.0

数码管3g段

Q2.6

数码管2b段

Q1.1

音响

Q3.0

数码管2c段

Q1.2

绿色指示灯

Q3.1

数码管2d段

Q1.3

黄色指示灯

Q3.2

数码管2e段

Q1.4

红色指示灯

Q3.3

数码管2f段

Q1.5

表3.2输入信号对照表

信号名称

内部地址

信号名称

内部地址

抢答开始按钮SB1

I0.0

第二组抢答按钮SB5

I1.1

主持人复位按钮SB2

I0.1

第三组抢答按钮SB6

I1.2

答题计时按钮SB3

I0.2

第四组抢答按钮SB7

I1.3

第一组抢答按钮SB4

I1.0

3.5系统硬件连接图

根据系统要求和所需要的硬件，系统数字量输入点总计7个点，输出点总计25个点。

综合考虑到系统的性价比和系统的可扩展性，输入、输出点留出一定的富裕量，因此PLC选择SIEMENS的S7-200系列的CPU226继电器输出型和数字量扩展模块EM223。

输入、输出端子电气接线图如图3.2所示。

（具体请参考表3.1和表3.2）

图3.3控制系统外部I/O接线图

第四章系统软件设计

4.1整体设计

根据PLC智能抢答器的控制要求，应用程序采用一体化结构。

通过PLC控制程序来实现整体的运行，系统仅需要少量的按钮和接口，一般的PLC配置都可运行。

在抢答时只需按动按钮即可数码管在系统程序的控制下自动显示组号以及倒计时时间。

控制软件应用SIEMENS编程软件，采用梯形图语言编写,工作系统自动控制流程框图如图4.1.所示。

根据系统控制要求，进行针对性设计，要充分保证系统的安全，保证整个系统的运行安全可靠。

自动条件下，必须复位后在满足自动条件下才能进行自动运行程序，当中充分应用各个过程的互锁来保证系统的安全。

图4.1PLC工作系统自动控制流程图

4.2PLC控制程序

为了编程结构的简单、明了在主程序中引用了中间继电器，I1.0—I1.3分别为四组选手的抢答信号，同时我们用中间继电器M0.0、M0.1、M1.0—M1.3进行自锁和互锁功能，以保证每个选手公平抢答。

主持人控制台有I0.0按钮用以抢答开始，I0.2按钮用以控制答题时间地开始，I0.1按钮为复位按钮。

4.2.1主持人控制台控制抢答器的开始、答题计时和复位

当主持人按下I0.0按钮后，选手才能正常抢答，否则视为违规抢答开始程序如下图4.2所示：

图4.2抢答开始

当选手抢答成功后，主持人按下答题计时开始按钮I0.2后，答题计时开始，程序如图4.3所示：

图4.3答题计时开始

抢答完毕，当主持人按下按钮I0.1，系统才能进行下一轮的抢答，如图4.4所示：

图4.4复位

4.2.2组别显示

每当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答按钮，则数码管1就显示该组的组号，如图4.5所示：

图4.5组别显示

4.2.3选手的抢答

主持人发出抢答开始指令后，选手开始抢答，否则抢答无效视为违规抢答，四组选手的抢答程序如图4.6所示：

图4.6四组选手的抢答

4.2.4答题限时

在抢答成功后，主持人按下答题计时开始按钮，同时数码管2、3上显示答题倒计时时间（该时间设定为50S）。

如图4.7所示：

图4.7倒计时程序

4.2.5音响电路

每当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答按钮音响电路给出音响提示信号（持续3S），以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不再响应；若选手在未开时抢答试题时抢答了，则视为违规，音响电路发出声响警告；当主持人按下开始按钮后，若30S时限时到仍无人抢答，音响电路发出声响，以示选手放弃该题；在抢答成功后，主持人按下答题计时开始按钮，选手必须在设定