1、渤海船舶职业学院（毕业论文）专用纸I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（Programmable Log
2、ic Controller）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SIMATIC S7-200 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
3、控制，四路抢答器，PLC. 渤海船舶职业学院（毕业论文）专用纸II目录摘要 .前言 .第一章 PLC 四路抢答器概述 .11.1 四路抢答器概述 .11.2 PLC智能抢答器的工作原理 .3第二章 PLC 概述 .42.1 PLC的产生 .42.2 PLC的定义 .52.3 PLC的基本结构 .52.4 PLC工作原理 .72.5 PLC的编程语言 .72.6 PLC的性能指标 .8第三章 系统硬件设计 .93.1 控制系统选取 .93.2 控制系统的硬件组成 .93.3 系统控制要求 .103.4 控制系统 I/O分配表 .113.5 系统硬件连接图 .12第四章 系统软件设计 .134.1
4、 整体设计 .134.2 PLC控制程序 .14第五章 模拟运行与调试过程 .245.1 程序的模拟运行 .24渤海船舶职业学院（毕业论文）专用纸III5.2 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
5、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
6、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。渤海船舶职业学院（毕业论文）专用纸- 1 -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
7、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
8、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
9、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。渤海船舶职业学院（毕业论文）专用纸- 2 -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
10、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
11、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
12、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。渤海船舶职业学院（毕业论文）专用纸- 3 -1.2 PLC 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
13、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
14、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抢答器模型图渤海船舶职业学院（毕业论文）专用纸- 4 -第二章 PLC 概述2.1 PLC 的产生可编程序控制器(Programmable Controller，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。
15、(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
16、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。渤海船舶职业学院（毕业论文）专用纸- 5 -2.2 PLC 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
17、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(Personal Computer)相区别，人们把可编程序控制器缩写成为 PLC(Programmable Logic Controller)，一直沿用至今。2.3 PLC 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 2.1 PLC硬件结构渤海船舶职业学院（毕业论文）专用纸- 6 -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
18、（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
19、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
20、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内部电渤海船舶职业学院（毕业论文）专用纸- 7 -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） 。2.4 PLC 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。 读取输入执行用户程序智能模块通信通信信息处理自诊断检查修改输出读入输入智能模块通信通信信息处
21、理自诊断检查修改输出RUN 状态STOP 状态图 2.2 PLC扫描过程2.5 PLC 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。
