PLC四路抢答器课程设计报告Word格式.docx
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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。
关键词：
智力控制，四路抢答器，PLC
一、设计背景与选题
1.设计背景
抢答器广泛应用于电视台、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。
本文介绍一种抢答器，能使四个人同时参加抢答赛，四个参赛台总体设计选用西门子S7-200PLC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；
技术含量大提升；
更加方便可靠。
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。
此任务的抢答器可根据应答者抢答情况自动设定答题时间，并根据情况用灯光和声音现实其回答正确和错误。
四路智力抢答器有四个抢答按钮最先按下按钮有效，在此之后按下按钮无效，伴有灯光和声音指示，并开始计时答题时间。
计时时间到声音提示停止答题，同时有警报响起。
主持人有开始和停止按钮，及系统自带的复位按钮。
2.设计目的
⑴熟悉PLC主机结构及编程环境；
⑵进一步熟悉编程器及STEP—7的使用方法，掌握输入\输出、定时器\计数器、微分、保持继电器等常用指令的功能和编程方法；
⑶理解联锁、跳转、数据比较、数据位移、数据传送、数据转换、运算等指令的功能，掌握其使用方法；
⑷通过基本训练，设计一个PLC控制抢答器装置。
按控制要求选择PLC机型和外部设备，设计PLC外部电路的接线图。
编写控制程序，并学习上机调试程序的方法；
第二部分PLC编程与硬件接线
2．抢答器
2.1四路抢答器概述
本文介绍一种数字式抢答器，能使八个队同时参加抢答,赛场中设有1个主持人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。
技术含量大大提升；
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。
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，可靠性好，操作简单。
2.2四路抢答器工作原理
这次设计的PLC智能抢答器是适合四人抢答的四路抢答器。
给竞赛主持人设置了3个控制按钮，用来控制开始、复位、停止计时，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，音响电路发出声响提示信号以指示抢答成功，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音响电路发出声响并且有音响警报。
按下启动按钮定时器T37计时（设定30秒）若30秒限制到时仍无人抢答音响电路发出声响，以示选手放弃该题。
此设定为30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PLC程序来控制一个数码管以及一个蜂鸣器来实现的。
本次设计用到三个定时器，T37、T38和T39。
在主持人按下启动按钮后用定时器T38定时5S，在5S内按下抢答按钮是有效的，超出5S此题将作废，主持人按下复位按钮重新开始下一题。
T39用来延时1S，当抢答有效时，蜂鸣器回响1S。
3PLC概述
3.1PLC产生与发展
在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。
但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。
于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。
从此这项技术迅速发展起来。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogiccontroller）随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。
PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。
目前，世界上有200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色，如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC性能先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占用重要地位。
著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B（Allen-Bradley）公司、GE（GeneralElectric）公司，日本的三菱电机（MitsubishiElectric）公司、欧姆龙（OMRON）公司，德国的AEG公司、西门子（Siemens）公司，法国的TE（Telemecanique）公司等。
3.2PLC的特点与应用领域
（一）PLC的特点
PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。
它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
主要有以下特点：
1．可靠性高、抗干扰能力强
可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。
PLC的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施：
（1）硬件方面
I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；
对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；
对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；
对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。
（2）软件方面
PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障；
在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；
当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。
2．编程简单、使用方便
目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。
梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。
当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。
同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。
这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。
许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。
3．功能完善、通用性强
现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。
同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。
4．设计安装简单、维护方便
由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。
PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。
在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；
而且PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。
5．体积小、重量轻、能耗低
由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。
（二）PLC的应用领域
目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。
从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：
1.开关量逻辑控制
利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：
机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。
这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。
2.运动控制
大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。
3.过程控制
大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。
所以PLC可实现模拟量控制，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。
这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。
4.数据处理
现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。
5.通信联网
PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。
3.3PLC工作原理
当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。
由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。
这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。
扫描工作原理
1、输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。
2、扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。
3、对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。
4、各个电路和不同扫描阶段会造成输入和输出延迟，这是PLC的主要缺点。
在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中。
紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。
3.4PLC的基本结构
PLC是微机技术和控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机，因此PLC的基本组成与一般的微机系统类似。
一、PLC的硬件组成
PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。
其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图2-5所示；
对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图2-6所示。
无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。
图2-5
整体式PLC组成框图
图2-6
模块式PLC组成框图
尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面PLC主要组成部分：
1、中央处理单元（CPU）
2、存储器（Memory）
3、基本I/O接口电路
4、通信接口
5、智能接口模块
6、编程装置
7、电源
二、PLC的软件组成
PLC的软件由系统程序和用户程序组成。
系统程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。
系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。
PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。
在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。
由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。
PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳两种类型：
一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；
二是采用图形符号表达方式编程语言，如梯形图等。
3.5PLC的编程语言
1梯形图语言
梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。
它与电器控制线路图相似，继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。
因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言。
如图2-9所示是传统的电器控制线路图和PLC梯形图。
图2-9电器控制线路图与梯形图
a）电器控制线路图
b）PLC梯形图
从图中可看出，两种图基本表示思想是一致的，具体表达方式有一定区别。
PLC的梯形图使用的是内部继电器，定时／计数器等，都是由软件来实现的，使用方便，修改灵活，是原电器控制线路硬接线无法比拟的。
2语句表语言
这种编程语言是一种与汇编语言类似的助记符编程表达方式。
在PLC应用中，经常采用简易编程器，而这种编程器中没有CRT屏幕显示，或没有较大的液晶屏幕显示。
因此，就用一系列PLC操作命令组成的语句表将梯形图描述出来，再通过简易编程器输入到PLC中。
虽然各个PLC生产厂家的语句表形式不尽相同，但基本功能相差无几。
3功能表图语言
功能表图语言（SFC语言）是一种较新的编程方法，又称状态转移图语言。
它将一个完整的控制过程分为若干阶段，各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，转换条件满足就实现阶段转移，上一阶段动作结束，下一阶段动作开始。
是用功能表图的方式来表达一个控制过程，对于顺序控制系统特别适用。
4高级语言
随着PLC技术的发展，为了增强PLC的运算、数据处理及通信等功能，以上编程语言无法很好地满足要求。
近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高级语言，如BASIC语言、C语言、PASCAL语言等进行编程。
采用高级语言后，用户可以像使用普通微型计算机一样操作PLC，使PLC的各种功能得到更好的发挥。
3.6PLC的分类及性能指标
3.6.1按I/O点数容量分类
1、小型机（I/O点数小于256点）典型的小型机有SIEMENS公司的S7-200系列。
2、中型机（I/O点数在256—1024之间）典型的中型机有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列。
3、大型机（I/O点数在1024点以上）典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400和OMRON公司的CVM1和CS1系列。
3.6.2按结构形式分
根据PLC结构形式的不同，PLC主要可分为整体式和模块式两类。
1、整体式结构微型和小型PLC一般为整体式结构。
如西门子的S7-200。
2、模块式结构目前大、中型PLC都采用这种方式。
如西门子的S7-300和S7-400系列。
3.6.3PLC的性能指标
1、I/O点数I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。
I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。
它是衡量PLC性能的重要指标之一。
2、存储容量这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。
大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB～2MB。
3、扫描速度扫描速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的吻合程度。
可编程控制器采用循环扫描的工作方式。
4、指令系统它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。
限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。
5、通信功能通信有PLC之间的通信和PLC与计算机或其它设备之间的通信。
主要涉及通信模块、通信接口、通信协议、通信指令等。
6、扩展能力扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。
7、特殊功能单元特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。
典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。
4.系统硬件设计
4.1控制系统选取
抢答器对时间间隔的要求很高，而且多在会议、答辩赛等一些正规的需要进行抢答的场合中使用，所以对设备的精准性和可靠性要求很高。
为此，我们对将采用的控制系统进行了全面的分析对比。
可编程控制器（PLC）是由工业微型计算机、输入,输出设备、保护及抗干扰隔离电路等构成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特征，从应用角度看可编程控制器具有如下特点：
1、可靠性高：
由于可编程控制器的输入,输出端口均采用继电器或光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在恶劣环境下可靠工作。
2、体积小：
由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化。
3、通用性好：
由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU模块、电源模块、PID模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性。
4、使用方便：
对于不同的控制系统，当硬件结构选
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