plc智能抢答器设计.docx

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plc智能抢答器设计

学号1322041219

天津xx大学

（电气控制技术课程实训）

设计说明书

（用基本指令实现智能抢答器设计）

起止日期：

2015年1月19日至2015年1月25日

学生姓名

班级

成绩

指导教师（签字）

xxxx学院

2015年1月25日

天津xx大学

课程设计任务书

2014—2015学年第1学期

xx学院电气工程及其自动化专业xx班

课程设计名称：

电气控制技术课程实训

设计题目：

用基本指令实现智能抢答器设计

完成期限：

自2015年1月19日至2015年1月25日共1周

设计依据、要求及主要内容（可另加附页）：

指导教师（签字）：

系（教研室）主任（签字）：

批准日期：

年月日

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

一PLC概述

1.1PLC的定义

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ProgrammablelogicalController（PLC）。

1.2PLC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1.1所示：

图1.1PLC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

a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。

b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。

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。

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）。

1.3PLC的特点

1.使用方便，编程简单

2.功能强，性能价格比高

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

4.可靠性高，抗干扰能力强

5.系统的设计、安装、调试工作量少

6.维修工作量小，维修方便

1.4PLC工作原理

当可编程逻辑控制器投入运行后，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，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又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。

即，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。

当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器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，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

二PLC四路抢答器

2.1PLC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。

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2个控制按钮，用来控制开始、复位，每当主持人发出开始抢答指令后，哪组选手最先按下抢答器按钮，则数码管就显示该组的编号，并对其后的抢答信号不在响应，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以示选手放弃该题。

三系统硬件设计

3.1系统硬件连接图

根据系统要求和所需要的硬件，系统数字量输入点总计7个点，输出点总计25个点。

综合考虑到系统的性价比和系统的可扩展性，输入、输出点留出一定的富裕量，因此PLC选择SIEMENS的S7-200系列的CPU226继电器输出型和数字量扩展模块EM223。

输入、输出端子电气接线图如图3.1所示。

图3.1系统硬件接线图

3.2控制系统I/O分配表

抢答器的PLC控制系统的输入端口I/O分配表如表1所示。

表1输入端口表

信号名称

内部地址

信号名称

内部地址

抢答开始按钮SB1

I0.0

第二组抢答按钮SB4

I0.3

主持人复位按钮SB2

I0.1

第三组抢答按钮SB5

I0.4

第一组抢答按钮SB3

I0.2

第四组抢答按钮SB6

I0.5

抢答器的PLC控制系统的输出端口如表2所示。

表2输出端口表

信号名称

内部地址

信号名称

内部地址

数码管a

Q0.0

数码管f

Q0.5

数码管b

Q0.1

数码管g

Q0.6

数码管c

Q0.2

红灯

Q0.7

数码管d

Q0.3

绿灯

Q0.8

数码管e

Q0.4

四系统软件设计

4.1整体设计

根据PLC智能抢答器的控制要求，应用程序采用一体化结构。

通过PLC控制程序来实现整体的运行，系统仅需要少量的按钮和接口，一般的PLC配置都可运行。

该系统本着简单易懂、可靠性强、适应性强等方面进行设计。

在抢答时只需按动按钮即可数码管在系统程序的控制下自动显示组号以及倒计时时间。

安全、可靠、省时、省力、价格便宜。

控制软件应用SIEMENS编程软件，采用梯形图语言编写,工作系统自动控制流程框图如图4.1.所示。

根据系统控制要求，进行针对性设计，要充分保证系统的安全，保证整个系统的运行安全可靠。

自动条件下，必须复位后在满足自动条件下才能进行自动运行程序，当中充分应用各个过程的互锁来保证系统的安全。

4.2系统流程图

系统流程图如图4.1所示。

图4.1系统流程图

4.3PLC控制程序

为了编程结构的简单、明了在主程序中引用了中间继电器，I1.2—I1.5分别为四组选手的抢答信号，同时我们用中间继电器M0.0、M1.0—M1.3进行自锁和互锁功能，以保证每个选手公平抢答。

主持人控制台有I0.0按钮用以抢答开始，I0.1按钮为复位按钮。

4.4主持人控制台控制抢答器的开始

当主持人按下I0.0按钮后，选手才能正常抢答，否则视为违规抢答开始程序及复位程序如下图4.2所示：

图4.2抢答开始和复位

4.5选手的抢答

主持人发出抢答开始指令后，选手开始抢答，否则抢答无效视为违规抢答，四组选手的抢答程序如图4.3所示：

图4.3四组选手的抢答

4.6组别显示

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就显示该组的组号，如图4.4所示：

图4.4组别显示

4.7指示灯电路

每当主持人发出开始抢答指令后，若有选手最先按下抢答按钮，则绿色指示灯亮以指示其抢答成功；当主持人按下开始按钮后，定时器T0开始计时（设定30S），若30S时限时到仍无人抢答，则红灯亮，以示选手放弃该题。

如图4.5所示：

图4.5成功、无人抢答

若选手在未开时抢答试题时抢答了，则视为违规，同时红灯亮以示其违规抢答。

如图4.6所示：

图4.6违规抢答

4.8系统总程序

总结

课程设计是培养学习和综合运用所学知识，发现，提出，分析，和解决实际问题，锻炼实际能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

随着科学技术发展的日新月异，仿真技术已经成为当今科学与生产领域中空前活跃的一种工具，在生活中可以说是无处不在。

因此作为二十一世纪的大学生来说，掌握一门甚至几门仿真软件技术是十分重要的。

回顾此次PLC课程实训设计，我感慨良多，的确，从选题直到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅巩固了以前所学的知识，而且学到了很多书本上所没有的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从实践中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计中遇到的问题，虽说困难重重，但都通过努力得以解决。

同时在设计过程中发现了自己的不足之处，对以前所学的知识理解的不够深刻，掌握的还不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学的知识重新温故。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计过程中遇到的许多问题，在自己的努力和同学的帮助下，最终迎刃而解。

最后对所有帮助过我的同学和老师表示衷心的感谢！

参考文献

[1]王阿根.电气可编程序控制原理与应用.清华大学出版社.2010

[2]何有华.可编程序控制器及常用控制电路.冶金工业出版社.2002

[3]郭纯生.可编程序控制器编程实战与提高.电子工业出版社.2006

[4]谢克明夏路易.可编程控制器.电子工业出版社.2003