智力竞赛抢答器PLC设计说明.docx

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智力竞赛抢答器PLC设计说明

组员分派任务：

1.宋清芳：

梯形图正常程序部份；

2.周晶晶：

梯形图设按时刻部份；

3.程志涛：

梯形图倒计时部份；

4.马玉惠：

梯形图各部份之间的过渡；

5.杨峰：

各类图的电子版部份；

6.罗翔飞：

设计说明书部份；

7.张昊：

协调各部份，分派任务，检查。

第一部份智力竞赛抢答器PLC设计

摘要：

本书介绍了利用三菱FX2N系列PLC对智力竞赛抢答器的控制，论述了控制方案。

实现抢答器的方式有多种，能够采用早起的模拟电路、数字电路或模数混合电路。

今年来随着科技的飞速进展，单片机、PLC的应用不断地走向深切，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。

本文采用日本三菱公司生产的FX2N-48MR型PLC作为核心控制器进行八路抢答器系统的设计，而且设计出了系统结构图、程序指令、梯形图和输入输出端子的分派方案。

同时按照智力竞赛抢答器的控制要求和特点，肯定PLC的输入输出分派。

第二部份前言

可编程控制器（PLC）是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器控制技术、运算机技术和通信技术融为一体，具有控制功能强，靠得住性高，利用灵活方便，易于扩展等长处而应用愈来愈普遍。

可编程控制器（ProgrammableController）,简写为PC。

后来由于PC那个名称常常被用来称号个人电脑（PersonalComputer），为了区别，此刻就把可编程控制器简称为PLC。

第三部份PLC的简介

国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC概念如下:

PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器,可以编制程序的控制器。

它能够存储和执行指令,进行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术等操作,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械和生产过程。

PLC及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形式一体,易于拓展其功能的原则设计。

事实上,PLC就是以嵌入式CPU为核心,配以输入,输出等模块,可以方便的用于工业控制领域的装置。

PLC与机器人,计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。

PLC的用途与特点：

（一）PLC的用途

PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。

但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。

PLC的应用通常可分为五种类型：

（1）顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。

PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。

如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。

（2）运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。

在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。

每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。

相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。

（3）闭环过程控制PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。

PID（ProportionalIntergralDerivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。

当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。

（4）数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。

著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。

为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。

通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。

美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。

预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。

（5）通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。

作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。

（二）PLC的特点

（三）

（1）高靠得住性

（四）⑴所有的I/O接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

（五）⑵各模块均采用屏蔽办法以避免辐射干扰。

（六）⑶良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异样情形CPU当即采用有效办法以避免故障扩大。

（七）

（2）丰富的I/O接口模块

（八）PLC针对不同的工业现场信号如交流或直流、开关量或模拟量等有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备如按钮、行程开关等。

（九）另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等。

（3）采用模块化结构

（4）为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构，PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

（4）编程简单易学

（5）PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

（5）安装简单维修方便

（6）PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。

第四部份整体方案的选择

一、智力竞赛抢答器，顾名思义就是用于比赛时，跟对手比反映时刻，思维运转快慢的新型电器。

随着社会科技技术的不断进展，它的应用处合也随之增加;技术含量大大提升；加倍方即靠得住。

目前，形式多样、功能完备的抢答器已普遍应用于电视台、商业机构、学校及企事业单位，它为各类竞赛增添了刺激性、娱乐性，在必然程度上丰硕了人们的业余生活。

用PLC进行智力竞赛抢答器设计，其控制方便、灵活，只要改变输入PLC的控制程序，即可改变竞赛抢答器的抢答方案。

一、PLC智能抢答器工作原理

咱们组所设计的PLC智能抢答器是适合八个人抢答的八路抢答器，此刻以八路抢答器为例。

给竞赛主持人设定了7个控制按钮，用来控制开始、复位、答题按时，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编号，同时绿色指示灯亮，音响电路发作声响提示信号以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不在响应，选手答题完毕后，由主持人按下复位键，系统开始下一轮抢答。

若选手在为开始抢答时提前抢答了。

当主持人按下抢答按钮时按时器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作声响，以提示选手舍弃该题。

在抢答成功后，主持人按下答题计时按钮，同时数码显示答题倒计不时刻该时刻可按照需要调节，此设定为60S，选手必需要在现在刻内完成答题，不然，音响电路发出超时警报声响。

其中以上功能都通过编制的PLC程序来控制3个数码管和2个指示灯和2个喇叭来实现。

三、控制要求

（1）抢答器同时提供8名选手或8个代表队比赛，别离用8个按钮S0~S7表示。

（2）设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

（3）抢答器具有锁存与显示功能。

即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直维持到主持人将系统清除为止。

（4）抢答器具有按时抢答功能，且一次抢答的时刻由主持人设定（如30S）。

当主持人启动“开始”键后，按时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时刻秒左右。

（5）参赛选手在设定的时刻内进行抢答，抢答有效，按时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时刻，并维持到主持人将系统清除为止。

（6）若是按不时刻已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，按时显示器上显示00。

第五部份硬件电路设计

一、控制特点分析

智力竞赛抢答器通过PLC进行按控制要求编程，其主要的输入就是通过主持人和参赛选手的按钮，然后将信号传递给信息分析中心（PLC），PLC将按照信号作出相应的响应。

智力竞赛抢答器有十四输入信号（即十四按钮），十九个输出信号。

由上可知PLC十四个输入点，十九个输出点。

系统控制结构框图如下图所示：

二、PLC机型的选择步骤与原则

随着PLC技术的进展，PLC产品的种类也愈来愈多。

不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价钱等也各有不同，适用的场合也各有偏重。

因此，合理的选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要的意义。

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

PLC机型的选择

PLC机型的选择的大体原则是在知足功能要求及保证靠得住、保护方便的前提下，力争最佳的性能价钱比。

选择时主要考虑以下几点：

（一）合理的结构形式

PLC主要有整体式和模块式两种结构形式。

整体式PLC的每一个I/O点的平均价钱比模块式的廉价，且体积相对较小，一般用于系统工艺进程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般用于较复杂的控制系统。

（二）安装方式的选择

PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式和多台PLC联网的散布式。

集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反映快、本钱低；远程I/O式适用于大型系统，系统的装置散布范围很广，远程I/O能够分散安装在现场装置周围，连线短，但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的散布式适用于多台设备别离独立控制，又要彼此联系的场合，能够选用小型PLC，但必需要附加通信模块。

（三）相应的功能要求

一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、按时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可知足。

对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A/D和D/A转换单元，具有加减算数运算、数据传送功能的增强型低档PLC。

对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制模块大小及复杂程度，选用中档或高级PLC。

可是中、高级PLC价钱较贵，一般用于大规模进程控制和集散控制系统等场合。

（四）响应速度要求

PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能知足其应用范围内的需要。

若是要跨范围利用PLC，或某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I/O处置功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。

（五）系统靠得住性的要求

对于一般系统PLC的靠得住性均能知足。

对靠得住性要求很高的系统，应考虑是不是采用余系统或热备用系统。

（六）机型尽可能统一

一个企业，应尽可能做到PLC的机型统一。

主要考虑到以下三个问题：

1　机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。

2　机型统一，其功能和利用方式类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。

3　机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位运算机后易于形成一个多级散布控制系统。

综上所述，基于以上思想，选用日本三菱公司FX-48MR系列的PLC作为控制主机。

三、PLC与七段数码管直接连接阻值计算

按照LED数码管每笔画工作电流I在5～10mA之间，若电流过大会损坏数码管，因此必需加限流电阻，其阻可按下式计算

R=（V0-V1）/I

其中V0为加在LED两头上的电压，V1为LED数码管每笔画压降（约为2V）。

本次设计PLC电源采用的是直流24V，通过数码管的电流I=3mA计算可得R=1KΩ。

本次设计共用到了三个数码管，所以须要21个1KΩ的R，和2个EL灯和2个音响。

第六部份输入、输出设备及功能

第七部份系统软件设计

一、外部接线图如下所示：

二、控制梯形图如下所示：

工作进程：

1、正常抢答：

（1）主持人用开始X16开始抢答；

（2）选手抢答成功后报警；

（3）显示选手号码抢答成功；

（4）主持人用X16复位，进行下一轮抢答。

2、按时抢答：

（1）第一有主持人设按时刻，进行肯定；

（2）主持人按X16抢答开始；

（3）抢答成功显示时刻队伍编号进行报警；

（4）超出抢答时刻抢答失败报警；

（5）主持人用X16复位进行下一轮抢答。

三、程序指令如下所示：

第八部份设计小结

和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后咱们做了课程设计，这次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。

咱们做的是抢答器PLC控制系统设计。

由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不明白怎么做。

但通过各方面的查资料并学习。

咱们大体学会了PLC设计的步聚和大体方式。

分组工作的方式给了我与同窗合作的机缘，提高了与人合作的意识与能力。

   通过这次设计实践。

我学会了PLC的大体编程方式，对PLC的工作原理和利用方式也有了更深刻的理解。

在对理论的运用中，提高了咱们的工程素质，在没有做实践设计以前，咱们对明白的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当咱们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。

能过解决一个个在调试中出现的问题，咱们对PLC的理解取得增强，看到了实践与理论的差距。

    通过合作，咱们的合作意识取得增强。

合作能力取得提高。

上大学后，很多同窗都没有过深切的交流，在设计的进程中，咱们用了分工与合作的方式，每一个人互责必然的部份，同时在必然的阶段一路讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家踊跃发言，和提出意见，同时咱们还向别的同窗请教。

在此进程中，每一个人都想自己的方案取得实现，踊跃向同窗说明自己的想法。

能过比较选出最好的方案。

在这进程也提高了咱们的表过能力。

    通过这次课设，让我了解了plc梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。

有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方式。

虽然本次课程设计是要求自己独立完成，可是，彼此仍是离开不了集体的力量，碰到问题和同窗彼此讨论交流。

多和同窗讨论。

咱们在做课程设计的进程中要不断的讨论问题，如此，咱们能够尽可能的统一思想，如此就不会使自己在做的进程中没有方向，而且如此也是为了方便最后设计和在一路。

讨论不仅是一些思想的问题，还能够深切的讨论一些技术上的问题，如此能够使自己的处置问题要快一些，少走弯路。

多改变自己设计的方式，在设计的进程中最好要不断的改善自己解决问题的方式，如此能够方便自己解决问题

在设计的进程中咱们还取得了老师的帮忙与意见。

在学习的进程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同窗讨论是一个专门好的方式，不是有句话叫做思而不学者殆。

做事要学思结合。

第九部份致谢词

学了一学期的PLC在今天即将划上一个句号了。

在设计说明书即将交付之际，思绪万千，心情久久不能安静。

巨人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一名普通的人，我的老师。

我不是您最超卓的学生，而您却是我最尊重的老师。

您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神气氛。

授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅同意了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了大体的试探方式.最后由衷的说一声谢谢了老师！

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第十部份参考文献

1.《电器可编程控制原理与应用》第二版王阿根编著清华大学出版社

2.《电器控制与可编程控制器技术》第二版史国生主编化学工业出版社2005

3.《电器与可编程控制器应用技术》邓则名、邝穗芳机械工业出版社1999

4.《可编程控制器基础及编程技能》陈宇华南理工大学出版社1999

5.《PLC基础及应用》廖常初机械工业出版社