1、 四路抢答器的设计专 业 名 称： 应用电子技术摘 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 Logic Controller）对PLC控制的四路智力抢答
2、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：智力控制，四路抢答器， PLC毕业设计III目 录摘 要 .
3、II1 PLC 四路抢答器概述 .11.1 PLC 四路抢答器概述 .11.2 PLC 智能抢答器的工作原理 .32 PLC 概述 .42.1 PLC 的产生、定义、组成、特点及发展趋势 .42.2 PLC 工作原理 .92.3 PLC 的编程语言 .102.4 PLC 的分类及性能指标 .103 系统硬件设计 .123.1 控制系统选取 .123.2 控制系统的硬件组成 .123.3 系统控制要求 .133.4 控制系统 I/O 分配表 .143.5 系统硬件连接图 .154 系统软件设计 .174.1 整体设计 .174.2 PLC 控制程序 .185 模拟运行与调试过程 .365.1 程
4、序的模拟运行 .365.2 程序的现场调试 .37致 谢 .43参考文献 .44毕业设计11 PLC 四路抢答器概述1.1 PLC 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
5、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
6、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
7、是根据一定的功能要求特别设计的，所毕业设计2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。
8、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
9、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
10、性好，操作简单。毕业设计31.2 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
11、 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 抢答器模型图毕业设计42 PLC 概述2.1 PLC 的产生、定义、组成、特点及发展趋势2.1.1 PLC 的产生可编程序控制器(Programmable Logic Controller，简称 PLC)，是随着科学技术的进
12、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)、CADCAM 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
13、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
14、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：毕业设计5 通用性、灵活性差。 体积大，材料消耗多。 功能局限性大。 可靠性较低，性用寿命较短。 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
15、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
16、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
17、 “插接式”结构；毕业设计69) 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”Programmable Logic Controller，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
18、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(Industrial control unit，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
19、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。2.1.2PLC 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
20、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(Programmable Controller，简称 PC)。1980 年，美国电气制造商协会(National Electronic Manufacture Association，简称 NEMA)对可编程序控制器进行了如下定义：毕业设计7“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 Programmable Controller (PC)。2.1.3 PLC 的基本结构PLC 实质是一种专用于
21、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）
