电气工程与自动化毕业论文：知识竞赛抢答器的PLC控制设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计知识竞赛抢答器的 PLC 控制设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要随着经济水平的不断提高，人们在物质文明得到满足的同时更注重精神文明的追求，各种娱乐节目不断涌现，提高节目的质量尤为重要。本次设计是针对娱乐活动中用到的抢答器而设计的。抢答器是为智力竞赛参赛者答题时进行抢答而设计的一种优先判决器电路，广泛应用于各种知识竞赛、文娱活动等场合。实现抢答器功能的方式有多种，可以采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路。近年来随着科技的飞速发展，单片机、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。

2、若采用 PLC 制作抢答器，则比逻辑电路制作的抢答器具有更多的优点，其结构简单，抗干扰能力强，运行稳定可靠，编程容易，功能扩展方便，修改灵活。本文采用日本三菱公司生产的 FX2N-64MR 型 PLC。本设计以 PLC 为核心，设计了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案，在保留了原始抢答器的基本功能的同时又增加组号显示、报警提示、计时显示等功能并简化其电路结构，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，从而使得竞赛不断完善其公平、公正性。关键词：抢答器；PLC；梯形图；数码管IIAbstractWith the improvement of econom

3、y, people pay more attention to the spiritual civilization as their material civilization has been satisfied, various entertainment programs emerging. Hence, it is really important to improve the quality of theses programs. This design is devised for the buzzer used in the entertainment programs. Bu

4、zzer is a circuit for quiz attendances to vies, which is widely used in different competitions and entertainments. There are many ways to implement the functions of buzzer. Early analog circuit /digital circuit and modulus hybrid circuit can be used. As the rocketing development of technology, the a

5、pplication of microcontroller and PLC goes deep, driving the traditional control test technology to update frequently. If we use PLC to make the buzzer, it will be better than the buzzer made by logic circuit with simple structure, stable and reliable operation, easy programming, convenient function

6、, flexible modification. The article uses the FX2N-64MR produced by Mitsubishi in Japan. This design uses PLC as the core and devises the diagram of system structure, program instructions, ladder diagram and input/output terminal distribution solutions. It gains more functions, such as group display

7、ing/alarm prompting and countdown displaying, and simplifies its circuit structure while keeping the original functions of buzzer. Only by changing the controlling programs can make the responder solutions different, in order to perfect the fairness of competitions.Keywords: responder; answering mac

8、hine; PLC; ladder-diagram; digital tubeIII目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 课题研究内容 .1第 2 章 概述 .22.1 PLC 的简介 .22.2 PLC 的工作原理 .22.3 PLC 的特点用途和发展趋势 .32.3.1 PLC 的特点 .32.3.2 PLC 的用途 .42.3.2 PLC 的发展趋势 .52.4 PLC 的分类 .52.4.1 按 I/O 点数容量分类 .52.4.2 按结构形式分类 .52.4.3 按功能分类 .6第 3 章 整体方案的选择 .73.1 整体功能介绍 .73.2 四路竞赛抢答器的

9、控制要求 .73.3 用单片机系统和 PLC 系统的比较 .7第 4 章 硬件电路设计 .94.1 四路抢答器控制特点分析 .94.2 PLC 机型的选择步骤与原则 .94.3 四路抢答器流程图 .114.4 PLC 与七段 LED 显示器连接设计 .114.5 四路抢答器外部硬件接线图 .12第 5 章 软件设计 .135.1 GX 软件简介 .135.2 IO 分配 .145.3 程序运行过程分析说明 .14IV总结 .19致谢 .20参考文献 .21附录 1 梯形图 .22附录 2 源程序 .261第 1 章 绪论1.1 课题研究背景知识竞赛抢答器有许多类型，有用数字电路、模拟电路、PL

10、C 和单片机、计算机控制系统等四类。数字电路和模拟电路的抢答器已经很完善，但随着功能的增加，电路越来越复杂，成本也相应变高，由于自身的限制，显示方式简单，无法准确判断按钮的行为，也不方便升级换代。计算机控制系统的的抢答器程序简单，反应迅速，但要配合计算机使用，可操作性差，不能广泛应用。在科技迅速发展的今天，PLC、单片机技术的日益成熟，鉴于其本身的有点，以 PLC、单片机为核心的抢答器将成为主流。传统的抢答器存在的缺点：1.当有多人违规抢答，普通抢答器只能显示其中一个违规者，因而出现了“漏洞” 。2.传统抢答器没有数码管显示时间。以 PLC、单片机为核心的抢答器，它对采样获得的各种抢答信号进行

11、分析。但随着对抢答器的要求越来越高，该抢答器不但有抢答功能，而且还有数码显示，声控报警。1.2 课题研究内容系统设计由硬件和软件两大部分组成，根据控制系统的工作特性和原理将软件和硬件分开设计。硬件部分包括电路原理图、绘制线路图、合理选择元器件。软件部分，首先在总体设计中完成系统的总框架和各功能实现的模块设计，拟定详细的工作计划，然后具体设计，包括流程图、选择合适的编程工具等，最后对软件调试达到理想效果。在系统设计中设计方法的选用是系统设计成功的关键。硬件电路最重要的是选择可编程的 PLC，确定配套的外围芯片，使系统经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，根据电路图，标出芯片型号、器件

12、参数值，然后进行仿真调试。软件设计的方法与开放环境的选取有直接关系，本系统采用三菱 FX 系列。FX 系列编程工具有可靠、可拓展、可维护的特点。并且 PLC 的操作简单，上面有详细的操作指南，就算第一次使用，也能根据提示顺利操作。另外，一旦系统发生故障，画面会自动切换到故障提示画面，提示故障的原因和排除方法。2第 2 章 概述可编程控制器（PLC）是一种新型的自动化控制装置，它将传统的计算机技术、继电器控制技术和通讯技术结合在一起，可靠性高，控制功能强，使用方便，容易扩展等优点而应用越来越广泛。可编程控制器(Programmable Logic Controller)即 PLC。现已广泛应用于

13、工业控制的各个领域。他以微处理为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时，计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。美国电气制造商协会经过 4 年调查，与 1980 年将其正式命名为可编程控制器（Programmable Controller） ，简写为 PC。后来由于 PC 这个名称常常被用来称呼个人电脑（Personal Computer） ，为了区别，现在也把可编程控制器称为 PLC。2.1 PLC 的简介国际电工委员会（IEC）于 1987 年对 PLC 定义如下:PLC 是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器

14、，可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC 及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形式一体，易于拓展其功能的原则设计。事实上，PLC 就是以嵌入式 CPU 为核心，配以输入，输出等模块，可以方便的用于工业控制领域的装置。PLC 与机器人，计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。2.2 PLC 的工作原理 当 PLC 投 入 运 行 后 ， 其 工 作 过 程 一 般 分 为 三 个 阶 段 ， 即 输 入 采 样 、 用 户 程 序 执 行 和输 出 刷 新 三

15、 个 阶 段 。 完 成 上 述 三 个 阶 段 称 作 一 个 扫 描 周 期 。 在 整 个 运 行 期 间 ， PLC 的 CPU 以 一 定 的 扫 描 速 度 重 复 执 行 上 述 三 个 阶 段 。1. 输 入 输 入 采 样 阶 段PLC 以 扫 描 的 方 式 有 序 的 读 入 所 有 输 入 数 据 和 状 态 ， 并 将 它 们 存 入 I/O 映 象 区 中 的相 应 得 单 元 内 。 输 入 采 样 结 束 后 ， 然 后 是 输 出 刷 新 阶 段 和 用 户 程 序 执 行 。 在 这 两 个 阶段 中 ， 就 算 输 入 数 据 和 状 态 发 生 改 变

16、， I/O 映 象 区 中 的 相 应 单 元 的 状 态 和 数 据 不 会 因此 改 变 。 所 以 ， 如 果 输 入 的 是 脉 冲 信 号 ， 那 么 该 脉 冲 信 号 的 宽 度 必 须 大 于 一 个 扫 描 周 期， 这 样 才 能 保 证 在 任 何 情 况 下 ， 该 输 入 均 能 被 读 入 。2. 用 户 程 序 执 行 阶 段在用户程序执行阶段，PLC 总是由上而下的顺序扫描用户程序 (梯形图)。在扫描梯形图时，总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统

17、 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。3在 用 户 程 序 执 行 过 程 中 ， 只 有 输 入 点 在 I/O 映 象 区 内 的 状 态 和 数 据 不 会 发 生 变 化 ，而 其 他 输 出 点 和 软 设 备 在 I/O 映 象 区 或 系 统 RAM 存 储 区 内 的 状 态 和 数 据 都 有 可 能 发 生 变化 ， 而 且 排 在 上 面 的 梯 形 图 ， 其 程 序 执 行 结 果 会 对 排 在 下 面 的 凡 是 用 到 这 些 线 圈 或 数 据 的梯 形 图 起 作

18、用 ； 相 反 ， 排 在 下 面 的 梯 形 图 ， 其 被 刷 新 的 逻 辑 线 圈 的 状 态 或 数 据 只 能 到 下 一个 扫 描 周 期 才 能 对 排 在 其 上 面 的 程 序 起 作 用 。在 程 序 执 行 的 过 程 中 如 果 使 用 立 即 I/O 指 令 则 可 以 直 接 存 取 I/O 点 。 即 使 用 I/O指 令 的 话 ， 输 入 过 程 影 像 寄 存 器 的 值 不 会 被 更 新 ， 程 序 直 接 从 I/O 模 块 取 值 ， 输 出 过程 影 像 寄 存 器 会 被 立 即 更 新 ， 这 跟 立 即 输 入 有 些 区 别 。3. 输

19、出 刷 新 阶 段当 扫 描 用 户 程 序 结 束 后 ， PLC 就 进 入 输 出 刷 新 阶 段 。 在 此 期 间 ， CPU 按 照 I/O 映 象区 内 对 应 的 状 态 和 数 据 刷 新 所 有 的 输 出 锁 存 电 路 ， 再 经 输 出 电 路 驱 动 相 应 的 外 设 。 这 时 ，才 是 PLC 的 真 正 输 出 。2.3 PLC 的特点用途和发展趋势2.3.1 PLC 的特点1. 抗干扰能力强，可靠性高 继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的

20、可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的 1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。而 PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁波干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而 PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸收了生产控

21、制经验，主要模块均采用了大规模集成电路，I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、抗震等都有精确的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力，目前个生产厂家生产的 PLC，平均无故障时间都大大超过了 IEC 规定的 10 万小时，有的甚至达到了几十万小时。2. 控制系统结构简单、通用性强、应用灵活 PLC 产品均成系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可有各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在 PLC 构成的控制系统中，只需在 PLC 的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路。当控

22、制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线量很小。同一个 PLC 装置有、用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。3. 编程方便，易于使用 PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎。44. 功能完善，扩展能力强 PLC 中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。PLC

23、 内部具有许多控制功能，能方便地实现 D/A、A/D 转换及 PID 运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC 具有通信联网功能，他不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。他不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。5. PLC 控制系统设计、安装、调试方便 PLC 中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线量大大减小，设计人员只要一台 PLC 就可进行控制系统的设计可在实验室进行模拟调

24、试。而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。PLC 控制系统的工作状态状态、通信状态、异常状态和 I/O 点的状态均有显示。工作人员通过他可查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。6. 结构紧凑 体积小、重量轻，易于实现机电一体化。由于以上特点，使得 PLC 获得极为广泛的应用。2.3.2 PLC 的用途PLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降，使 PLC 的成本下降，同时又由于 PLC 的功能大大增强，使PLC 的应用越来越广泛，广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。P

25、LC 的应用通常可分为五种类型。1. 顺序控制 这是 PLC 应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC 可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。2. 运动控制 PLC 制造商目前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版。在多数情况下，PLC 把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。3. 闭环过程控制 PLC 能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模块的提供

26、使 PLC 具有闭环控制功能，即一个具有 PID 控制能力的 PLC 可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时，PID 控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。4. 数据处理 在机械加工中，出现了把支持顺序控制的 PLC 和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本 FANUC 公司推出的 Systen10、11、12 系列，已将 CNC 控制功能作为 PLC 的一部分。为了实现 PLC 和 CNC 设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由 PLC 送至 CNC 设备使用。美国 GE 公司的CNC 设备新机种也同样使用了具

27、有数据处理的 PLC。预计今后几年 CNC 系统将变成以 PLC 为主体的控制和管理系统。5. 通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展 PLC 之间，PLC 和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅 PLC 数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障5时的对策。2.3.2 PLC 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3PLC 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

28、5编程语言多样化2.4 PLC 的分类2.4.1 按 I/O 点数容量分类根据 PLC 的 I/O 点数的多少，可将 PLC 分为小型、中型和大型三类。1. 小型 PLCI/O 点数 2048 点；多 CPU，16 位、32 位处理器，用户存储器容量816K。 如： 德国西门子公司生产的 S7-400。2.4.2 按结构形式分类根据 PLC 的结构形式，可将 PLC 分为整体式和模块式两类。1. 整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源、CPU、I/O 接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型 PLC 一般采用这种整体式结构。整体式 PLC 由不同 I/O 点数

29、的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有 CPU、I/O 接口、与 I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或 EPROM 写入器相连的接口等。扩展单元内只有 I/O和电源等，没有 CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。2. 模块式 PLC 模块式 PLC 是将 PLC 各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU 模块、I/O 模块、电源模块（有的含在 CPU 模块中）以及各种功能模块。模块式 PLC 由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式 PLC 的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型 PLC 一般采用模块式结构。还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。叠装式 PLC 其CPU、电源、I/O 接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。