六路抢答器的PLC控制.docx
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六路抢答器的PLC控制
编号：
桂林电子科技大学信息科技学院
实训设计（论文）说明书
题目：
六路抢答器的PLC控制
系别：
机电工程系
专业：
机械电子工程
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学号：
**********
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职称：
高级工程师
题目类型：
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发应用研究
2012年12月18日
摘要
随着我国经济和文化实业的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，诸如证券、股票交易及各种智力竞赛等，因此出现了抢答器。
最初的抢答器是由优先权编码器构成的逻辑电路，其运算速度慢，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更加困难。
因此，一种能够体现竞赛的公开、公平、公正性的知识竞赛抢答器成为一种需求。
本设计将以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一系列的实用功能并增加了触摸屏画面及其密码保护，其将以其控制方便，灵活，只要改变输入触摸屏的数据，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：
三菱PLC；竞技抢答器；八段译码器
Abstract
WiththedevelopmentofChina'seconomyandcultureIndustrialfaircompetitionrulingrequiredinmanypublicarenas,suchassecurities,stockexchange,andavarietyofquizResponder.InitialResponderisconstitutedbythepriorityencoderlogiccircuit,itsoperationspeedisslow,thecircuitcomplexity,reliabilityisnothigh,thefunctionisalsorelativelysimple,especiallywhenalotofResponderones,itismoredifficulttoachievethem.Therefore,onecanreflectthecontestopen,fairandimpartialityoftheknowledgecontestResponderbecomeademand.
ThedesignwillbePLCasthecoredesignofthesystemstructure,programinstructions,ladder,aswellasinputandoutputterminalallocationschemeandincreasetherangeofusefulfeatures,retainedthebasicfunctionsoftheoriginalRespondertouchscreenscreenandpasswordprotection,itscontrolconvenientandflexible,aslongasthechangeintheinputdataofthetouchscreen,youcanchangethecontestResponderResponderprogramconstantlyimproveitsfairness,impartialityofmakingcontest.
Keywords:
Panasonicprogrammablelogiccontroller;competitiveresponder;eightdecoder
引言················································································1
1控制要求与总设计方案······················································1
1.1抢答器控制要求································································1
1.2触摸屏画面要求································································2
1.3总体设计方案··································································2
1.4设计方案论证··································································2
2系统设计······································································2
2.1PLC简介·······································································2
2.1.1PLC的基本组成·······························································3
2.1.2PLC的工作原理·······························································3
2.1.3PLC的选型····································································4
2.2PLC的IO地址分配·····························································5
2.3控制系统的流程图······························································6
2.4梯形图设计与分析······························································6
2.4.1主程序设计···································································6
2.4.2违规抢答设计·································································7
2.4.3抢答程序设计·································································7
2.4.4时间显示的程序设计··························································8
3触摸屏密保设计······························································8
3.1密码保护梯形图设计及分析·····················································8
3.2触摸屏设计·····································································9
4硬件电路设计································································11
4.1硬件分析······································································11
4.274LS48译码器·························································12
4.3八段数码管···························································13
5程序调试及分析·····························································13
5.1软件调试······································································14
5.2硬件调试······································································14
6结论·········································································14
谢辞············································································16
参考文献·········································································17
附录············································································18
引言
可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能强、可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。
现已广泛应用于工业控制的各个领域，它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、记数和算术运算等，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。
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。
PLC的学习比一般编程学习困难在于，要完成一个控制系统不仅需要掌握一定的编程技术，更为重要的是要知道如何针对实际应用的需要选择合适的PLC型号，然后进行资源配置，设计控制系统。
本设计是利用可编程控制器PLC作为载体的一套六路抢答器装置。
可编程控制器PLC是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
其具有：
可靠性高，抗干扰能力强；通用性强，使用方便；功能强；系统组合灵活方便；对生产工艺改变适应性强；安装方便、调试方便、维护工作量小等特点。
本设计是应用PLC为控制控制核心的六路抢答器，具有反应迅速，结构简单，成本低等特点。
1控制要求与总体设计方案
1.1抢答题控制要求
（1）6个队可同时参加抢答。
（2）裁判台设有裁判灯和报警灯，并且设有裁判台开始按钮SB0和裁判台复位按钮SB7；参赛台设有参赛台抢答按钮以及参赛台灯。
1-6号参赛台分别对应按钮SB1-SB6及参赛台灯EL1-EL6。
（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20s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。
20s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）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。
1.2触摸屏画面要求
（1）时间设定作为一个画面；
（2）主画面包括所有的输入和输出点；
（3）时间设定画面有密码保存（扩展点）；
（4）每个显示画面之间可互相切换。
1.3总体设计思路
本次设计的六路抢答器主要由控制按键、控制系统（PLC）、信号输出组成（时间显示、队员显示、队员LED灯显示）。
六路抢答器的组成示意图如图1-1所示。
各个模块再编写相应程序，最后组合在一起即可。
图1-1抢答器的组成示意图
1.4设计方案论证
方案一:
抢答器功能的方式有多种，可以采用前期的模拟电路，数字电路或者模拟与数字电路相结合的方式。
但这种对电路知识要求很高，实现起来相对简单。
方案二：
基于单片机的抢答器设计，这种的成本较高，对硬件电路要求较高，运用单片机所学只是，通过外部硬件电路的链接和编程实现。
方案三：
运用PLC可编程控制逻辑器件，通过编程实现逻辑输入输出的功能，达到一个实现控制要求的目的，运用MCGS组态软件，进行界面监控及远程控制，综合起来看，运用单片机及数电模电知识做不利于监控界面的制作，最终选择基于PLC的抢答器设计。
2系统设计
2.1PLC的简介
2.1.1PLC的基本组成
PLC种类繁多，但其组成和工作原理基本相同。
用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场。
PLC主要是由CPU模块、存储器模块和输入/输出模块、电源模给以物理实现，应用于工业现场。
PLC主要是由CPU模块、存储器模块和输入/输出模块、电源模给以物理实现，应用于工业现场。
PLC主要是由CPU模块、存储器模块和输入/输出模块、电源模块及编程器等组成。
PLC结构框图如图2-1所示。
图2-1PLC结构框图
（1）中央处理模块（CPU）。
CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连。
（2）存储器模块。
存储器模块主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。
PLC配有两种存储器，即系统存储器和用户存储器。
系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能访问和修改这部分存储器的内容。
用户存储器是用来存放用户经编程器输入的应用程序。
（3）输入/输出模块。
输入/输出模块是PLC与工业控制现场各种信号连接的部分。
由于PLC在工业控制现场工作，对输入/输出模块有两个主要要求，一是要有良好的抗干扰能力，二是能满足工业控制现场的各类信号的匹配要求。
（4）电源模块。
PLC的电源模块将交流电源转换成工CPU、存储器等所需的直流电源，是整个PLC的能源供给中心。
它的好坏直接影响到PLC的功能和可靠性。
目前，大多数PLC采用高质量的开关稳压电源，其工作性能好，抗干扰能力强。
（5）编程器。
编程器也是PLC的一种重要的外部设备，用于手持编程。
用户可用它输入、检查、修改、调试程序或用它监视PLC的工作情况。
除手持编程器外，还可将PLC和计算机连接，并利用专用的工具软件进行编程或监控。
2.1.2PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作的。
即PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描。
如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作，周而复始。
当PLC处于运行（RUN）状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作；当PLC处于STOP状态时，之完成内部处理和通信服务工作。
PLC基本工作模式如图2-2所示。
内部处理
通信服务
输入采样
程序执行
输出刷新
图2-2PLC基本工作模式
当PLC处于RUN状态下正常运行时，它将不断重复扫描过程。
分析其扫描过程，如果对远程I/O、特殊模块和而其他通信服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。
由于这三个阶段是PLC工作过程的重要过程。
下面就对着三个过程详细分析。
（1）输入采样。
PLC在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其存入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
在程序执行阶段，即使输入状态有变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。
变化了的输入信号状态只能在一个扫描周期的输入采样阶段被读入。
（2）程序执行。
PLC在程序执行阶段，按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，所需的执行条件可从输入状态寄存器和当前状态寄存器中读入，经过相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中。
所以状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
（3）输出刷新。
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作，这就是PLC的实际输出。
2.1.3PLC的选型
可编程控制器（PLC）按输入输出点数以及CPU功能分为大、中、小3种类型，按其结构又可分为整体式和模块式PLC。
目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC生产厂家主要有美国的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、德国的西门子（SIMENS）、法国的TE、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。
本设计采用采用三菱公司的FX2N系列PLC，如图2-3所示。
图2-3三菱FX2N系列PLC
FX2N系列PLC系统由基本单元、扩展单元、扩展模块、特殊扩展设备、外围设备等构成。
FX2N是FX系列中功能最强的、速度最高的微型可编程控制器。
其基本指令执行时间高达0.08微妙。
用户存储器容量可扩展到16K，最大可以扩展到256个I/O点，有五种模拟量输入/输出模块、高速计算器模块、脉冲输出模块、四种位置控制模块、多种RS-232C/RS422/RS-485串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展板。
使用特殊模块和功能扩展板，可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。
在选用FX2N系列时，须考虑到下述各点：
（1）输入输出总点数控制在256点以内。
（2）电源容量。
基本单元和扩展单元内部装有电源，对扩展模块提供DC24V电源，对特殊模块提供DC5V电源。
因此，扩展模块和特殊模块的耗电量应控制在基本单元及扩展单元的电源容量范围之内。
（3）对于FX2N基本单元，外接特殊单元、特殊模块的数量，最多不超过8台。
2.2PLC的IO地址分配
（1）输入地址分配如下表2-4所示。
表2-4输入地址分配表
功能
I/0端口
开始抢答按键
X0
1号选手抢答按钮
X1
2号选手抢答按钮
X2
3号选手抢答按钮
X3
4号选手抢答按钮
X4
5号选手抢答按钮
X5
6号选手抢答按钮
X6
复位按键
X7
（2）输出地址分配如下表2-5所示。
表2-5输出地址分配表
功能
I/0端口
报警灯
Y7
1号选手抢答灯
Y14
2号选手抢答灯
Y15
3号选手抢答灯
Y16
4号选手抢答灯
Y17
5号选手抢答灯
Y24
6号选手抢答灯
Y25
选手号码显示数码管
Y20-Y23
倒计时十位数码管显示
Y00-Y03
倒计时个位数码管显示
Y10-Y13
裁判灯
Y6
2.3控制系统的流程图
当裁判按下开始按钮时，六个参赛队员处于抢答状态，假如是一号参赛队先抢到题目，PLC先判断抢答是否成功，若成功，则进行下一步看是否在规定的抢答时间内答题，若在规定时间内，则答题结束；若超时，则裁判台警报灯闪烁提示主持人；如果抢答没有成功，则判断是否抢答犯规，若提前抢答，显示犯规参赛队员的号码，裁判台警报灯常亮，若无人抢答则裁判台警报灯闪烁提示主持人。
如图2-6所示。
图2-6控制系统流程图
2.4梯形图设计与分析
2.4.1主程序设计
本次设计主程序共分为两部分，一部分是主持人按开始按钮前要是有人按下抢答按钮则视为违规，此时的动作显示为数码管显示抢答队员及抢答队员前面的LED灯亮报警灯也闪烁。
一部分为主持人按下开始按钮后，此时如果有人抢答则显示抢答队员及抢答时间显示，如果没有人抢答则数码管倒计时结束后，报警灯闪烁。
2.4.2违规抢答设计
如下图2-7为违规抢答模块的部分梯形图，完整梯形图见附录一，当裁判员没有按下X0开始按钮时M0没有得电，M0常闭仍然为常闭，当有选手在裁判员没按开始按钮时按下抢答按键，则M8报警灯得电，D2显示该选手的座位号，报警灯常亮，同时M8常闭断开，防止有多位选手同时违规抢答而导致数码管显示不到最先违规的选手号码。
从而实现违规抢答功能。
图2-7违规抢答梯形图
2.4.3抢答程序设计
如下图2-8为抢答模块的部分梯形图，完整梯形图见附录一，当裁判员按下X0开始按钮后，辅助寄电器M0得电，T0开始计时，在T0计时时间内，若有某选手按下自己的抢答按键，则该选手的抢答灯亮，D2显示选手座位号全部选手的抢答按键是互相互锁的，所以只要有一位选手的抢答灯亮后则其他选手的抢答灯是无法再亮了，这就实现了抢答的功能。
图2-8抢答部分梯形图
2.4.4时间显示的程序设计
通过触摸屏设置可以设置抢答时间，采用数据寄存器D来保存数据，然后将从触摸屏输入的数据保存到数据寄存器D中，再通过赋值语句传送给定时器从而设置定时时间。
本次设计采用的定时器定时精度是100ms，因此当从触摸屏设置定时时间时要考虑单位问题，采用MUL语句将从触摸屏输入的数据乘以10即可得定时器的定时时间。
要使数码管显示的时间为倒计时显示则要使用SUB减法语句，如图2-9所示。
当M1接通后，将D200中的数据减去T2中的数据最后的结果保存在D40中，此时D40中的数据单位为ms如果直接给数码管显示，则显示错误。
采用DIV除法语句，当M1接通后将D40中的数据除以100最后的结果保存在D50中，余数保存在D51中。
再将D3的数据除以10保存在D4中，此时D4中的数据为显示时间的十位数，D6中的数据为显示时间的个位数，最后将Y10到Y17接到译码器的相应接线端即可在数码管上显示倒计时间。
图2-9倒计时间的显示
3触摸屏密保设计
3.1密码保护梯形图设计及分析
下图3-1为密码保护的部分梯形图，当PLC上电时,M8002为上电脉冲，由MOV指令
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