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抢答器控制系统设计
摘要
可编程序控制器（PLC）是一种新型的通用的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,其拥有功能强大、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。
本文采用日本三菱公司生产的FX2N型PLC作为核心控制器进行五路抢答器系统的设计，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一系列的实用功能并简化其电路结构，其将以其控制方便，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，从而使得竞赛不断完善其公平、公正性。
在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用。
本设计正是以PLC为核心，该系统可以实现多人抢答和违例报警的自动显示。
由于PLC具有可靠性、易操作性、灵活性等优点，故传统答题相比，大大提高了效率和可靠性，有很强的实用价值。
关键词：
PLC;竞赛抢答器
1引言
1.1设计目的
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。
抢答器被广泛用于电视台、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，能使五个队同时参加抢答,赛场中设有1个裁判台，5个参赛台。
总体设计选用三菱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。
用PLC进行知识竞赛抢答器设计，其控制灵活方便，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。
1.2设计意义
本文采用日本三菱公司生产的FX2N系列PLC作为核心控制器进行五路抢答器系统的设计，并且设计出了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案。
同时根据知识竞赛抢答器的控制要求和特点,确定PLC的输入输出分配,并进行现场调试。
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。
1.3设计内容及要求
主要设计内容如下：
（1）知识竞赛抢答器能使5个队同时参加抢答。
（2）设裁判队为裁判台，参赛对为参赛台。
裁判台设有音响和裁判灯，并且设有裁判台开始按钮SB0和裁判台复位按钮SB5；参赛台设有参赛台抢答按钮以及参赛台灯。
1-5号参赛台分别对应按钮PO1-PO5及参赛台灯LED1-LED5。
（3）知识竞赛抢答器能适合以下比赛规则：
出题后，各队抢答必须在裁判说出“开始”并按下裁判台的开始按钮SB0后10S内抢答，并由数码管显示时间。
如提前抢答，抢答器发出“违规”信号。
10S时间到，如无队抢答，则抢答器给出时间已到信号，该题作废。
在有队抢答的情况下，则抢答器发出“抢答”信号，数码管开始计时，并由数码管显示出抢到题的参考队号，抢到题的队必须在30S内答完题，如30S内未答完，则作超时处理。
（4）灯光与音响信号的意义如下：
[1] 音响叫（响1S）+某台灯亮，由某参赛队正常抢答。
[2] 音响叫（响1S）+某台灯亮+总台灯亮，某参赛队违规。
[3] 音响叫（响1S）+裁判台灯亮，无人抢答或答题超时。
（5）在某个题结束后，裁判员按下台上的复位按钮SB5，抢答器恢复原来的状态，为下一轮抢答作好准备。
各台数字显示的消除,蜂鸣器音响及指示灯的关断,都要通过主持人去按下复位按钮。
2PLC控制系统硬件设计
2.1系统硬件配置及组成原理
各种PLC的组成结构基本相同，都主要由中央处理器（CPU）、存贮器和输入/输出接口等构成。
因此，从硬件结构来说，可编程控制器实际上就是计算机，图1是其硬件系统的简化框图。
从图中可以看出PLC内部主要部件有:
（1）CPU
同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。
PLC中所配置的CPU随机型不同而不同，常用有三类：
通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器（如AMD29W等）。
小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。
目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8个CPU。
对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。
字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。
位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。
位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。
（2）存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。
系统存储器用于存放PLC的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。
现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PROM存储器来作为系统存储器和用户存储器。
（3）输入输出组件（I/0模块）
PLC的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU；PLC的输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。
PLC的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。
输入的开关量信号接在IN端和0V端之间，PLC内部提供24V电源，输入信号通过光电隔离，通过R/C滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。
PLC输出有三种型式：
继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。
（5）编程器
编程器是用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视等。
还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。
它通过通讯端口与CPU联系，完成人机对话连接。
编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯以及编程、监控转换开关。
编程器的键盘采用梯形图语言键符式命令语言助记符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。
编程器分为简易型和智能型两类。
前者只能连机编程，而后者既可连机编程又可脱机编程。
同时前者输入梯形图的语言键符，后者可以直接输入梯形图。
根据不同档次的PLC产品选配相应的编程器。
（6）外部设备及电源
一般PLC都配有盒式录音机、打印机、EPR0M写入器、高分辨率屏幕彩色图形监控系统等外部设备。
PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作。
图1硬件系统的简化框图
2.2系统输入输出点分析
本次设计的是五人抢答器。
至少需要一个总台复位按钮，一个总台开始按钮，五个分台按钮，一共七个输入控制点。
还需要一个总台音响，一个总台灯，五个分台灯，一共七个输出控制点。
然后，还有七段显示器，需要使用八个输出点。
所以一共需要使用七个输入点，十五个输出点。
2.3PLC选型
在进行设计时我们要留一定的余量，方便更改设计或者扩展，因此我们通过统计所要的输入和输出的点数，经过选择对比，我们选择了三菱FX2N-32MR型PLC。
它具有很多优点：
内置的集成功能、强大的通信能力和品种丰富的扩展模块等，它也正是借助这些优点成为FX系列PLC家族中较先进的系列之一。
FX可以用于替代继电器控制系统实现单机运行，也可以实现复杂的自动化控制系统。
极强的通信能力使得它在网络控制系统中也发挥着重要作用；并且能适应世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块。
FX2N-32MR也以其极高的性价比，在我国占有很大的市场份额。
2.4系统硬件接线图设计
系统硬件接线图如图2所示：
图2系统硬件接线图
3PLC控制系统软件设计
3.1系统I/O地址分配
PLC控制系统I/O分配表如表1所示：
PLC地址
电气符号
功能说明
X000
P06
按钮6
X001
P01
按钮1
X002
P02
按钮2
X003
P03
按钮3
X004
P04
按钮4
X005
P05
按钮5
X010
P07
按钮7
Y000
FMQ
蜂鸣器
Y001
LED
指示灯
Y002
LED
指示灯
Y003
LED
指示灯
Y004
LED
指示灯
Y005
LED
指示灯
Y006
LED
指示灯
Y010
a
数码管a段
Y011
b
数码管b段
Y012
c
数码管c段
Y013
d
数码管d段
Y014
e
数码管e段
Y015
f
数码管f段
Y016
g
数码管g段
表1PLC控制系统I/O分配表
3.2控制程序流程图设计
本次设计抢答器控制程序流程图如图3所示：
图3程序流程图
3.3控制程序时序图设计
本次设计抢答器控制程序时序图如图4所示：
图4控制程序时序图
3.4PLC控制程序设计
本次抢答器程序设计步骤表述如下：
（1）首先先绘出“应答允许”“应答时限”“答题时限”等支路。
如图5、图6所示：
图5应答允许与应答时限支路
图6答题时限支路
（2）设计各分台灯梯形图。
各分台灯启动条件串入M2的常闭触点体现了抢答器的一个基本原则：
竞时封锁，在已有人的抢答之后按按钮是无效的。
梯形图如图7所示：
图7分台灯梯形图
（3）设计总台灯梯形图。
总台灯的工作条件含有四个分支。
如图8所示：
图8总台灯梯形图
（4）设计总台音响梯形图。
总台音响梯形图为了缩短音响的时间（设定为1S），在印象的输出条件中加入了启动信号的脉冲处理环节。
如图9所示：
图9音响梯形图
（5）设计七段显示器梯形图。
需要用七段译码指令来完成。
如图10所示：
图10七段显示器梯形图
（6）最后解决复位功能。
考虑到主控触点指令具有使主控触点后的所有启—保—停电路输出中止的作用，将主控触点M0及相关电路加在已设计好的梯形图前部。
如图11所示：
图11主控触点梯形图
4上位机组态监控系统设计
4.1组态监控软件选择
因为PLC选择的是三菱FX2NPLC，所以可以选择使用MCGS组态软件或者是GT组态软件，为了方便监控使用，在这里我选用了三菱GT组态软件来进行上位机组态监控系统的设计。
三菱触摸屏编程软件GTDesigner3是用于三菱电机自动化GOT1000系列图形操作终端的画面设计软件，并且集成有GTSimulator3仿真软件，具有仿真模拟的功能。
GTDesigner3进行工程和画面创建、图形绘制、对象配置和设置、公共设置以及数据传输等的软件。
GTSimulator3是在PC机上模拟GOT运行的仿真软件。
4.2上位监控系统组态设计
首先，我先使用GT建立一个画面，作为首页。
在首页上写上“欢迎使用抢答器”等字，来作为一个开始页面，并放上一个覆盖全页面的画面切换开关，使其可以切换至画面2。
效果图如图12所示：
图12首页效果图
然后，再新建一个画面2，作为抢答器的操作页面，在上面放上相应的位开关元件，指示灯元件。
因为没有蜂鸣器这个元件，所以音响的状态变化用一个指示灯来代替。
并将相应的软元件地址一一对应输入。
效果图如图13所示：
图13抢答器操作页效果图
4.3实现效果
完成上位机组态监控系统的设计，该设计需要实现设计要求的效果。
当开始键没有按下时，一至五号抢答键任意按下，对应的分台灯亮，总台灯亮，音响工作1S，也就是对应音响的指示灯亮1S。
当按下开始键后，10S内没人按下一至五号按钮，总台灯亮，音响工作1S。
当按下开始键，有人按键答题，对应的分台灯亮，超过30S没有答对，则总台灯亮，音响工作1S。
每一次操作都必须按复位键才能复位，重新开始工作。
5系统调试及结果分析
5.1系统仿真调试
利用GT组态软件的仿真功能来进行仿真调试以及上位机的监控。
首先打开所有的需要打开的软件，进入仿真调试状态。
然后进入GT仿真的操作页，按照需要实现的要求，一一进行仿真调试。
先验证主持人没有按下开始，抢答报警的效果。
对应的分台灯亮，总台灯亮，音响工作1S。
效果图如图14所示：
图14抢答违例效果图
然后验证主持人按下开始，没人抢答的情况。
效果如图15所示：
图15无人应答效果图
再验证主持人按下开始，有人答题，但答题超时的情况。
效果图如图16所示：
图16答题超时效果图
5.2结果分析
最后仿真结果达到了设计的要求，完成了这次抢答器的设计。
但是因为GT组态软件仿真，不支持七段码译码指令SEGD,所以没有办法在仿真中调试将七段显示器仿真出来，有点可惜。
不过还是圆满的完成了设计任务。
6设计总结
经过一段时间的课程设计，在雷老师的带领下，我们参与了设计的各个方面的讨论和动手实践，获得了宝贵的经验，也学到了很多知识。
可编程控制器这门课程是一门实践性很强的学科，实践环节至关重要。
只有通过设计，进行实际操作，才能学通学透可编程序控制器技术。
在做课程设计的组态设计时，由于抢答器系统涉及到的控制变量较多，需要对每个变量进行定义和编程，要考虑函数定义的类型和它所对应的PLC程序中的端口号。
开始编程的时候因为考虑不周到，总会丢掉一些变量条件，或是变量定义类型不对，组态运行屡屡失败，经过多次改进和调试，程序终于运行成功。
我们原本以为自己已基本掌握的东西，或许仅仅是一些肤浅的表面或是总体的一个侧面，如果没有完整的实践体验，是发现不了这些问题的。
这次课程设计给了我们一个很好的机会去学习那些书本上不能学到的知识，增长了我们的见识，使我们对设计操作有了一定的直观认识，深刻体会到“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”的真正含义。
参考文献
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清华大学出版社
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附录
控制程序梯形图
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