电气工程及其自动化毕业设计：基于PLC控制的知识竞赛抢答器设计.doc

1、 本科 毕业设计 基于 PLC 控制的知识竞赛抢答器设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 现如今，随着我国经济和科学技术的不断发展，在许多诸如股票交易、智力竞赛等公开竞争的场合，都需要有准确而公正的裁决，而抢答器的出现，恰恰 解决了这些问题。早期的抢答器由模拟电路、数字电路或模数混合电路构成，其线路复杂，反应缓慢，可靠性不高，功能也比较简单。近年来随着单片机、 PLC 技术的飞速进步，带动了传统检测技术的不断发展。现在的市场上，抢答器的大部分份额是被单片机和 PLC 所占据，这是由单片机和 PLC 良好的性能决定的，但是与单片

2、机相比， PLC 具有更大的优势，比如可靠性高、抗干扰能力强、使用方便等优点，并且最近几年随着微处理器价格的降低， PLC 的使用越来越广泛，基于 PLC 控制的抢答器可以实现更多的功能，比起单片机维护更方便，结构更简单，可以更好 的实现功能的更新换代，因此对基于 PLC 控制的抢答器设计的研究是非常必要的。 本文以日本三菱公司生产的 FX2N-64MR 型 PLC 作为核心控制器进行八路抢答器的设计，并且设计了系统结构图、程序指令、梯形图和输入输出端子的分配方案，它保留了传统抢答器的原始功能又增加了一系列的实用功能，大大简化了电路结构。同时本设计根据知识竞赛抢答器的控制要求和特点，确定 PL

3、C 的输入输出分配，并进行模拟调试。 关键词 ： PLC；知识竞赛抢答器；七段数码器；程序设计 II Abstract Nowadays, with the development of our country economy and technology, in many public occasions, such as stock trading and various mental competition etc, all need to have accurate and fair verdicts. The emergence of the responder just solve

4、s the problems. The early responder is designed by analogue circuit, digital circuit or analogue and digital mixed-circuit. The responder has complex lines, slow response, poor reliability and simple function. In recent years, with the rapid development of the SCM technology and PLC, it drives the r

5、apid development of the traditional detection. Now on the market, most of the responders share is occupy by PLC and SCM. This is decided by their well performance. But compared with SCM, PLC has more advantages, such as high reliability, anti-interference reliability, used convenient. And with the p

6、rice of the PLC is lower, PLC is used more extensive. The responder that be controlled by PLC can achieve more functions. PLCs aegis is convenient, the structure is simple. PLC also can achieve better replacement. So men research the responder that based on the PLC is necessary. This article is base

7、d on the FX2N series PLC of Mitsubishi Corporation as to the core controller to design the responder. Meanwhile, it design system structure, program instructions, ladder and the allocation of the input and output terminals. It also simplifies the circuit greatly, retain the traditional responders or

8、iginal function and increase a range of practical functions. At the same time, the design according to the control requirements and features of the knowledge competition responder definite the distribution of input and output ports and debugging the simulation. Key words: PLC; The knowledge competit

9、ion responder; 7 digital device; Programming. III 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题研究背景 . 1 1.2 课题研究内容 . 1 第 2 章 PLC 概述 . 2 2.1 PLC 的简介 . 2 2.2 PLC 的用途 . 2 2.3 PLC 的特点 . 3 2.4 PLC 的分类 . 5 2.5 PLC 的发展 . 5 第 3 章 整体方案的选择 . 7 3.1 系统整体功能介绍 . 7 3.2 竞赛抢答器的控制要求 . 7 3.3 控制方案选择 . 8 第 4 章 硬件电路设计 . 9 4.1 硬件电路分析 . 9 4.2 P

10、LC 机型的选择 . 9 4.3 PLC 外围七段 LED 显示器设计 . 10 4.3.1 LED 数码管的结构原理 . 10 4.3.2 LED 数码管的主要特性 . 10 4.3.3 PLC 与七段数码管方案选择 .11 4.3.4 外部硬件接线图 .11 第 5 章 软件设计 . 13 5.1 I/O 分配 . 13 5.2 根据控制要求设计梯形图 . 13 5.3 程序运行过程分析 . 17 第 6 章 八路抢答器用三菱 FX2N-64MR-001 的模拟调试 . 19 6.1 三菱 FX2N 系列 PLC 简介 . 19 6.2 八路抢答器模拟结果调试 . 19 结论 . 20 I

11、V 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 21 附录 指令表 . 22 1 第 1 章 绪论 1.1 课 题研究背景 如今，可以实现抢答器功能的方法有很多，比如早期的数字电路、模拟电路或数模混合电路等等。而近年来，随着科技的发展，单片机、 PLC 技术的应用不断走向深入，也带动着传统的检测控制技术的不断进步。 回顾抢答器的发展历程，不难看出，一个小小的抢答器，就折射出了整个控制检测技术的发展。最早期的模拟电路抢答器，以及后来的数字电路抢答器和数模混合电路抢答器，这类早期的传统抢答器的电路结构较为复杂，成本较高，也容易发生故障，维修起来也相当麻烦，显示方式也过于简单，无法准确判断抢答按钮

12、的动作，最重要的是，数模混合电 路抢答器不便于参数的调节及功能的更新换代。 20 世纪七八十年代，单片机、 PLC 的出现为控制检测技术打开了智能化的大门，抢答器若由单片机或 PLC 来设计，许多繁琐的系统便可以大大简化，并且还有电路更简单，功能更齐全的良好效果。当今社会，仅仅有抢答功能的抢答器已经不足以满足人们的要求，还要有自动检测犯规功能、报警功能、计分功能等等，若使用传统的数模混合电路来设计，结构非常复杂，使用起来非常不方便。因此，对具有智能功能的单片机或 PLC 设计的抢答器的研究就非常有必要的。本课题设计的抢答器具有齐全灵敏的抢答功能，使用起 来非常的方便。 1.2 课题研究内容 与

13、许多课题相同，本课题的系统设计也是包括两大部分：硬件和软件，而根据控制检测的原理和性能，将软件和硬件分开设计。硬件主要包括 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。 在设计过程中，设计方法的选择是非常关键的。硬件电路的设 计应选择适合的 PLC 可编程控制器，以及与 PLC 芯片相匹配的外围芯片，以达到经济使用的效果。设计过程中，硬件电路包括输入

14、输出端口的设计，画出详细的电路图，所使用芯片的详细型号、器件参数，并进行仿真测试，及时改正错误，达到设计的目的。软件设计的部分与设计所在的环境和条件息息相关，根据实验室条件，本设计采用三菱 FX2N 系列可编程控制器，该系列 PLC 可靠性高，可扩展性大，维护方便。 PLC 的人机界面上具有详细的操作说明，降低了对操作人员的要求。并且，一旦发生故障，操作界面可以马上切换到故障提示画面，并显示故障原因和排 除方法，使用起来十分方便。 2 第 2 章 PLC概述 PLC（可编程控制器）是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器 -接触器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，具有控制功能强、

15、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展等优点而应用越来越广泛。早期的的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制、定时、计数等功能， 70 年代后期，随着微电子技术、大规模集成电路及微型计算机的发展，许多厂家开始采用微处理器作为可编程控制器的中央处理单元，使它不仅具有逻辑控制功能，而且具有数据运算、传送与处理功能和对模拟量的控制功 能，故 1980 年美国电器制造商协会 NEMA（ National Electrical Manufactures Association）将其正式命名为可编程控制器（ Programmable Controller），简称 PC。此简称已经在工业界使用多年，但由于近年来个人

16、计算机（ Personal Computer）也简称为 PC，为避免二者混淆，故人们仍习惯地用 PLC 作为可编程控制器的缩写。 2.1 PLC 的简介 1980 年，可编程控制器问世后不久，美国电气制造协会 NEMA 对其下过如下定义：“ PC 是一个数字式的电 子装置，它使用了可编程的记忆体以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。一部数字电子计算机用来执行 PC 的功能，亦被视为 PC，但不包括鼓式或机械式顺序控制器。” 1982 年 11 月，国际电工委员会 IEC（ International Electric

17、al Committee）颁布了可编程控制器草案第一草稿， 1985 年 1 月又发表了第二稿， 1987 年 2 月颁布了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是：“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。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充功能的原则设计。” 定义强调了可编程控制器直接应用于工业环境，必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。这是区别于一

18、般微机控制系统的一个重要特征。 上述定义也表明可编程控制器内部结构和功能都类似于计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计”的 工业计算机。 2.2 PLC 的用途 随着 PLC 性价比的不断提高，微处理器芯片及有关元器件价格大幅度降低， PLC 的成本也有所下降， PLC 的功能大大增强，因而 PLC 的应用日益广泛。目前， PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业，其应用范围大致可归纳为以下 5 种： 开关量的逻辑控制 这是 PLC 的最基本、最广泛的应用领域。它取代传统的继电器 -接触器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制

19、。开关量的逻辑控制可用于单机控制， 也可用于多机控制，亦可用于自动生产线的控制等。 运动控制 3 PLC 可用于直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机械，现在一般使用专用的运动模块。目前，制造厂商已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，即把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或多轴到目标位置。当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。运动的程序可用 PLC 的语言完成，通过编程器输入。 闭环过程控制 PLC 通过模拟量的 I/O 模块实现模拟量与数字量的 A/D（模 /数）、 D/A（数 /模）转换，可实现

20、对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的 PID 控制。 数据处理 现代的 PLC 具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算等）、数据传输、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理一般用在大中型控制系统中，它具有 CNC（计算机数字控制）功能，把支持顺序控制的 PLC 与数字控制设备紧密结合起来。 通信连网 现代 PLC 大多数都采用了 通信、网络技术，有 RS232 或 RS485 接口，可进行远程 I/O控制。多台 PLC 可彼此间连网、通信、外部器件与一台或多台 PLC 的信号处理单元之间实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。 PLC 的

21、通信包括 PLC与 PLC 之间、PLC 与上位计算机之间和它的智能设备之间的通信。 PLC 和计算机之间具有 RS232 接口，用双绞线、同轴电缆将它们连成网络，以实现信息的交换。还可以构成“集中管理、分散控制”的分布控制系统，以便完成较大规模的复杂控制。 I/O 模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后利用网络连接构 成集中管理信息的分布式网络系统。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。通常所说的 SCADA（监控与数据采集）系统、现场端和远程端也可以采用 PLC 作为现场机。 然而，实际上并不是所有的 PLC 都具有上述全部功能，有的小型 PLC 只

22、具有上述部分功能，其价格也比较便宜。 2.3 PLC 的特点 PLC 是属于存储程序控制的一种装置，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的，若是对控制功能作修改，在很大程度上只须改变软件指令即可，使得硬件软件化。因此它在工业控制中的地位越来越高，占 有极其重要的地位，最重要的原因是它具有一些独特的特点。 可靠性高、抗干扰能力强 PLC 是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰、精选元器件的措施。它可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，运行的稳定性和可靠性较高。 PLC 是以集成电路为基本单元的电子设备，内部处理不依赖于触电、元器件的寿命长，平均无故障工作时间高。 工

23、业生产一般对控制设备可靠性要求很高，要求它有很强的抗干扰能力，能再恶劣环境下可靠地工作。平均故障时间长、故障修复时间短，这是 PLC 控制优于微 型计算机控制的一大特点，一般 PLC 平均整机无故障时间可长达几万 几十万小时。 为了提高工作可靠性及其抗干扰能力，各 PLC 的生产厂家在硬件和软件方面采取了多种4 措施，使 PLC 除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使 PLC 具有了很强的抗干扰能力。 PLC 在其硬件、软件上采取的主要措施有： 硬件措施 屏蔽：对电源变压器、 CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁性能良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。 滤

24、波：对供电系统及输入线路采取多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块间的相互影响。其滤波时间常数一般为 1020ms。 电源调整与保护：采取性能优良的开关电源。对微处理器所需的 +5V 电源采取多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。 隔离：在微处理器与 I/O 电路之间采用光隔离措施，有效地隔离 I/O 间电的联系，使工业现场的外部电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离，减少故障和误 动作。 采取模块化结构：该结构有助于在故障情况下短时修复，一旦查出某一模块出现故障，就能迅速更换，使系统恢复正常工作，同时也有助于加快查找故障原因。 软件

25、措施 PLC 具有良好的自诊断能力，一旦电源断开或其他软、硬件发生异常情况， CPU 立即采取有效措施，以防止故障扩大。 故障检测：软件定期检测外界环境，如掉电、欠电压、强干扰信号等，以便及时处理。 信息保护与恢复：当偶发性故障条 件出现时，不破坏 PLC 内部信息，一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的工作。 设置了警戒时钟（ WDT）：如果程序循环时间超过了 WDT 规定时间，那么预示了程序进入了死循环，立即报警。 加强了对程序的检查和校验：一旦程序有错，立即报警并停止执行。 对程序及动态数据进行电池后背：停电后利用后背电池供电，有关状态及信息就不会因此而丢失。 控制程序可变，具有很好

26、的柔性 由于 PLC 自身硬件特点，用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需要根据控制要求进行模块的配置，用户所作的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。 编程简单使用方便 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制电路的梯形图设计形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般技术人员所理解和掌握，这是 PLC 控制优于微型计算机控制的另一特点。 功能完善 现代 PLC 具有数字量和模拟量 I/O 模块，具有逻辑运算、算术运算、定时、 计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录、显示、检测等功能，使设备控制水平大大提高。 扩充方便灵活 PLC

27、 产品具有各种扩展单元，可方便地适应不同工业控制需要的 I/O 节点数及 I/O 方式的系统。 减少了控制系统设计及施工的工作量 5 由于 PLC 采用了软件来取代继电器 -接触器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，它采用软件编程来达到完成控制工程的工艺要求，而不是用硬件接线，使得PLC 控制系统的安装接线工作量比继电器控制系统 少得多，这样减少了设计和施工的工作量，且软件调试可以模拟进行，方便省时。 体积小、重量轻，是机电一体化的特有产品 PLC 是专为工业控制而设计的专用计算机，它是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧密、坚固，体积小，重量轻，功耗低。 2.4 PL

28、C 的分类 由于 PLC 的品种、型号、规格、功能各不相同，要按统一的标准对它们进行分类十分困难。通常，按 I/O 点数可划分为大型、中型和小型三类；按功能强弱又可分为低档机、中档机和高档机三类；按结构又分为整体式和模块式。 按 I/O 点数分类 小型 PLC I/O 点数小于 256 点，单 CPU， 8 位或 16 位处理器，用户存储器量在 4KB 一下，如西门子公司的 S7-200PLC，三菱公司的 F1、 F2 和 FX0 系列 PLC 都属于小型机。 中型 PLC I/O 点数在 2562048 点之间，双 CPU，用户存储器容量为 28KB，主要采用模块组合式，如西门子公司的 S7

29、-300PLC、三菱公司的 A1S 系列 PLC 都属于中型机。 大型 PLC I/O 点数大于 2048 点，多 CPU， 16 位、 32 位处理器，用户存储容量为 816KB，它是为要求连续控制的大型工厂或大型机器设计的。 按结构分类 整体式。整体式又称单元式或箱体式。整体式 PLC 是将 CPU、存储器、 I/O 单元、电源、通信端口、 I/O 扩展口等组装在一个箱体内形成一个整体，通常把它称为主机或基本单元。输入输出接线端子及电源进线分别在机箱的两侧，并有相应的发光二极管显示输入和输出状态。 模块式。 模块式结构又称搭积木式。这种结构形式的特点是把 PLC 每个部分都制成独立的模块，把这些模块按照控制系统要求选取后，插在带有总线的基板上，就构成了一个独立的 PLC。 其中，如果把单元式和模块式相结合，就构成了叠装式，叠装式 PLC 具有单元式和模块式 PLC 两者的优点，有很大的发展潜力。 按功能分类 低档机 主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 中档机 有较强的模拟量处理、数值运算、数据处理、 PID（比例、积分、微分）控制、远程 I/O 及连网通信等功能。 高档机 增设有特殊功能运算和制表、表格传送等功能；具有更强的通信连网能力，可用于大规模过程控制。 2.5 PLC 的发展