基于PLC四路抢答器的设计.docx

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基于PLC四路抢答器的设计

设计任务书

设计题目:

基于PLC四路抢答器的设计

设计要求:

1.抢答器可同时供四组选手参加比赛

2.主持人有三个控制按钮，用来控制抢答开始、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3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

设计进度要求:

第一、二周：

确定题目,查阅资料，根据要求分析抢答器的设计、工作原理。

第三、四周：

根据工作原理画流程图并编译梯形图，并进行硬件设计。

第五、六周：

对软件设计，进行上机调试,找出问题,进行修改,并改进设计。

第七、八周：

撰写论文,毕业答辩。

指导教师（签名）

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

1PLC四路抢答器概述

1.1PLC四路抢答器概述

抢答器广泛用于电视台、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

2PLC概述

2.1PLC的产生、定义、组成、特点及发展趋势

2.1.1PLC的产生

可编程序控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），是随着科学技术的进步与现代社会生产力式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要而产牛、发展起来的一种新型的工业控制装置。

PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有道用灵活的控制性能、可以适应各种工业环境的可靠性与简单方便的使用性能，在工业自动化各领域取得了广泛的应用。

曾经有人将PLC技术与数控技术（CNC）、CAD／CAM技术、工业机器人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。

众所周知，制造业中使用的生产设备与生产过程的控制，一般都需要通过工作机构、传动机构、原动机以及控制系统等部分实现。

特别是当原动机为电动机时，还需要对电动机的启／制动、正反转、调速与定位等动作进行控制。

生产设备与生产过程的电器操作与控制部分，称为电气自动控制装置或电气自动控制系统。

最初的电气自动控制装置（包括日前使用的一些简单机械），只是一些简单的手动电器（如刀开关、正反转开关等）。

这些电器只适合于电机容量小、控制要求简单、动作单一的场合。

随着技术的进步，生产机械对电气自动控制提出了越来越高的要求，电气自动控制装置逐步发展成了各种形式的电气自动控制系统。

作为常用电气自动控制系统的一种，人们习惯上把以继电器、接触器、按钮、开关等为主要器件所组成的逻辑控制系统，称为“继电—接触器控制系统”。

“继电—接触器控制系统”的基本特点是结构简单、生产成本低、抗干扰能力强、故障检修立观方便、运用范围广。

它不仅可以实现生产设备、生产过程的自动控制，而且还可以满足大容量、远距离、集中控制的要求。

因此，直到今天“继电—接触器控制系统”仍是工业自动控制领域最基本的控制系统之一。

但是，出于“继电－接触器控制系统”的控制元件（继电器、接触器）均为独立元件，它决定了系统的“逻辑控制”与“顺序控制”功能只能通过控制元件间的不同连接实现，因此，它不可避免地存在以下不足：

1通用性、灵活性差。

2体积大，材料消耗多。

3功能局限性大。

4可靠性较低，性用寿命较短。

5不具备现代工业控制所需要的数据通信、网络控制等功能。

正因为如此，“继电一接触器控制系统”难以适应现代复杂多变的生产控制要求与生产过程摔制集成化、网络化需要。

为了解决“继电一接触器控制系统”存在的通用性、灵活性关，功能局限性大与通信、网络方面欠缺的问题，20世纪50年代末．人们曾设想利用计算机功能先备、通用性和灵活性强的特点来解次以上问题。

但由于当时的汁算机原理复杂，生产成术高，程序编制难度大，加工业上控制需要大量的外围接口设备，可靠性问题突出，使得它在面广量大的一般工业控制领域难以普及与应用。

到了20世纪60年代木，有人这样设想：

能否把计算机通用、灵活、功能完善的特点与“继电一接触器控制系统”的简单易懂、使用方便、生产成本低的特点结合起来，生产出一种而向生产过程顺序控制，PLC利用简单语言编程，能让完全不熟悉计算机的人也能方便使用的控制器呢？

这一设想最早由美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM公司）于1968年提出。

当时，该公司为了适应汽车市场多品种、小批量的生产要求，需要解决汽车生产线“继电一接触器控制系统”中普遍存在的通用性、灵活性问题，提到了对一种新颖控制器的十大技术要求，并面向社会进行招标。

十大技术要求具体如下：

1）编样方使，从可以在现场方便地编辑、修改控制程序；

2）价格便宜，性能价格比要而于继电器系统；

3）体积要明显小于继电器控制系统；

4）可靠性要明显高于继电器控制系统：

5）具有数据通信功能；

6）输入可以是AC115V；

7）输出驱动能力在AC115V/2A以上；

8）硬件维护方便，最好采即“插接式”结构；

9）扩展时，只需要对原系统进行很小的改动；

10）用户存储器容量至少可以扩展到4KB。

根据以上要求，美国数字设备公司（DEC公司）在1969年首先研制比了全世界第一台可编程序控制器，并称之为“可编程序逻辑制器”〔ProgrammableLogicController，简称PLC）。

试样机在GM公司的应用获得了成功。

此后，PLC得到了快速发展，并被广泛用于各种开义量逻辑运算与处理的场合。

早期PLC的硬件主要由分立元件与小规模集成电路构成，它虽然采用了计算机技术，但指令系统、软件与功能相对较简单，一般只能进行逻辑运算的处理，同时通过简化计算机的内部结构与改进可靠性等措施，使之能与工业环境相适应。

正因为如此，在20世纪70年代初期曾经出现过一些出二极管矩阵、集成电路等器件组成的所谓“顺序控制器”；20世纪70年末期曾经出现过以MCl4500工业控制单元（Industrialcontrolunit，简称ICU）为核心．出8通道数据选择器〔MCl4512）、指令计数器（MCl4516）、8位可寻址双向锁存器（MCl4599）、存储器（2732）等组成的“可编程序控制器”等产品。

这些产品与PLC相比，虽然具有一定的价格优势，但最终还是因可靠性、功能等多方面的原因，未能得到进一步的推广与发展；而PLC则随着微处理器价格的全面下降，最终以其优良的性能价格比，得到了迅速发展，并最终成为了当代工业自动控制技术的重要支柱枝术之一。

2.1.2．PLC的定义

PLC技术一经出现，立即引起了全世界的广泛关注，1969年首先将其进行商品化并推向市场的是美国GOULD公司；1971年，在引进美国技术后，日木研制出了自己的第一台PLC；l973年，德国SIEMENS公司也研制出了欧洲第一台PLC；1974年，法国随之也研制出了PLC。

到了20世纪70年代中期，PLC开始采用微处理器。

PLC的功能也从最初的逻辑运算拓展到具有数据处理功能，并得到了更为广泛的应用。

由于当时的PLC功能已经不再局限于逻辑处理的范畴，为此，PLC也随之改称为可编程序控制器（ProgrammableController，简称PC）。

1980年，美国电气制造商协会（NationalElectronicManufactureAssociation，简称NEMA）对可编程序控制器进行了如下定义：

“可编程序控制器是一种带有指令存储器，数字或模拟输入/输出接口；以位运算为主；能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能；面向机器或生产过程的自动控制装置”。

并将其统一命名为ProgrammableController（PC）。

2.1.3PLC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）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：

检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，灵活性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

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。

CPU常用的微处理器有通用型微处理器，单片机和位片式计算机等。

小型PLC的CPU多采用单片机或专用的CPU。

大型PLC的CPU多用位片式结构，具有高速数据处理能力。

3、基本I/O接口电路

（1）输入接口单元。

PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的、符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至PLC内部电路。

输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.1~15ms之间。

多数PLC的输入接口单元都相同，通常有两种类型。

一种是直流输入，一种是交流输入。

（2）输出接口单元。

PLC输出电路用来将CPU运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。

PLC输出电路结构形式分为继电器式、晶闸管式和晶体管输出型等三种。

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）。

2.1.4PLC的特点

1、软硬件功能强

2、使用维护方便

3、运行稳定可靠

4、组织灵活

2.1.5PLC的发展趋势

从当前产品来看，PLC的发展仍然主要体现在提及的缩小与性能的提高两大方面。

1．向高速度、大容量方向发展

2．向超大型、超小型两个方向发展

3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力

4．增强外部故障的检测与处理能力

5．编程语言多样化

2.2PLC工作原理

2.2.1循环扫描的特点

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。

2.2.2PLC中的存储器

PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。

1、用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。

2、用来存储工作数据的区域称为工作数据区。

3、系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的PLC的指令的系统编写的系统程序，它决定了PLC的功能，用户不能更改其内容。

2.3PLC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2.2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2.2PLC控制的梯形图程序

2.4PLC的分类及性能指标

2.4.1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、OMRON公司的CVM1和CS1系列。

2.4.2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。

2.4.3PLC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。

3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、