基于PLC三人智力抢答器设计文档格式.docx
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前言
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。
传统的普通抢答器主要存在一下缺点：
⑴在一次抢答过程中，当出现超前违规抢答时，只能处理违规抢答信号，而对没有违规的有效信号不能进行处理，因而使该次抢答过程变为无效。
⑵当有多个违规抢答时，优先编码电路只能选择其中一个，或利用抢答电路电子元件的“竞争”选择其中一个。
对于后者由于抢答电路制作完毕后电子元件被固定，各路抢答信号的“竞争”能力也被固定，因而本质上也有优先权。
普通抢答器存在不公平性。
⑶当有多个违规抢答时，普通抢答器只能“抓住”其中一个违规者。
因而出现了“漏洞”。
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。
用于更好的服务社会。
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。
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。
硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。
软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；
然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；
最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。
在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。
硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。
硬件电路的设计最重要的选择可编程的PLC，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。
硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。
软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用三菱FX可控制编程。
此编程工具更有可靠、可拓展、可维护性。
并且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。
第一章可编程控制器概论
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、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制功能强，可靠性高，使用灵活方便，易于扩展等优点而应用越来越广泛。
可编程控制器（ProgrammableLogicController）即PLC。
现已广泛应用于工业控制的各个领域。
他以微处理为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时，计数和算术运算等，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。
美国电气制造商协会经过4年调查，与1980年将其正式命名为可编程控制器（ProgrammableController），简写为PC。
后来由于PC这个名称常常被用来称呼个人电脑（PersonalComputer），为了区别，现在也把可编程控制器称为PLC。
1.1PLC的简介
国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义如下。
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。
1.2PLC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。
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷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。
⑸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。
1.3PLC的特点
⑴抗干扰能力强，可靠性高继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。
微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁波干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。
而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸收了生产控制经验，主要模块均采用了大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；
在结构上对耐热、防潮、抗震等都有精确的考虑；
在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力，目前个生产厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。
⑵控制系统结构简单、通用性强、应用灵活PLC产品均成系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可有各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。
在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路。
当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线量很小。
同一个PLC装置有、用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。
⑶编程方便，易于使用PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。
梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎。
⑷功能完善，扩展能力强PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。
PLC内部具有许多控制功能，能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。
PLC具有通信联网功能，他不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。
他不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。
⑸PLC控制系统设计、安装、调试方便PLC中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。
又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线量大大减小，设计人员只要一台PLC就可进行控制系统的设计可在实验室进行模拟调试。
而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。
PLC控制系统的工作状态状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。
工作人员通过他可查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。
⑹结构紧凑体积小、重量轻，易于实现机电一体化。
由于以上特点，使得PLC获得极为广泛的应用。
1.4PLC发展
1.4.1产生
1968年，通用汽车公司（GM）提出十项招标指标。
1969年数字设备公司（DEC）于研制成功了第一台可编程序控制器PDP-14，并在汽车自动装配线上试用获得成功。
1971年，日本从美国引进这项新技术，研制成功了日本第一台可编程
序控制器CS-8。
1973－1974年德国和法国也研制出了可编程序控制器。
1977年我国研制成功了自己的可编程序控制器。
由于当时主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻
辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）。
目前可编程序控制器己经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的
工业控制器。
这项新技术的成功使用，在工业界产生了巨大影响。
从第一台PLC诞生以来，PLC的发展经历了五个重要时期。
从1969年到20世纪70年代初期。
CPU由小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器，控制功能比较简单，仅仅是继电接触器的替代产品。
从20世纪70年代初期到20世纪70年代末期。
采用CPU微处理器，存储器采用了半导体存储器，实现了模拟量控制，软件上开发自诊断程序，PLC的可靠性提高，产品实现了系列化，PLC的应用范围扩大。
从20世纪70年代末期到20世纪80年代中期。
大规模集成电路推动了PLC的发展。
CPU采用了8到16位微处理器，数据处理能力和速度提高，PLC开始具备了通讯能力，软件上开发了梯形图语言和语句表语言，发达国家多种工业控制开始使用PLC。
20世纪80年代中期到20世纪90年代中期。
超大规模集成电路使PLC完全计算机化。
CPU开始采用32位微处理器，数学运算和数据处理能力大大提高，增加了运动控制，PID控制。
联网能力加强，PLC向标准化，系列化发展。
20世纪90年代中期至今。
CPU使用16位和32位微处理器，运算速度更快，具有大匹量数据处理能力，出现了智能化模块，可以对各种复杂系统进行控制。
编程语言除了梯形图和语句表语言之外，还增加了高级语言。
1.4.2发展趋势
第一是朝着小型、简易、价格低廉的方向发展。
小型PLC可以广泛地取代继电器控制系统，用于单机控制和规模比较小的自动化生产线控制。
由于小型可编程序控制器体积小，很容易安装在电器柜中，使电器柜布局简单、整洁、美观，特别便于维护。
由于小型PLC价格低廉，在设备的成本核算方面，也比较容易接受。
1.5PLC的分类
PLC是由现代化大生产的需要而产生的，PLC的分类也必然要符合现
代化生产的需求。
初略地说可以从三个角度对PLC进行分类。
1.5.1按PLC的控制规模分类
可编程序控制器按控制规模可以分为大型机、中型机和小型机。
一般I/O点数在256点以内属于小型机，I/O点数在256点2048点之间属于中型机，I/O点数在2048点以上属于大型机。
a小型机
小型机的控制点一般在256点之内,适合于单机控制或小型系统的控制。
日本OMRON公司CQM1
存贮器3.2~7.2k数字量192点，模拟量44路
图1-1日本OMRON公司CQM1
德国SIEMENSS7-200
存贮器2k数字量248点，模拟量35路
b中型机
中型机的控制点一般不大于2048点,可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。
日本OMRON公司C200HG
存贮器15.2~31.2k数字量1184点
图1-2日本OMRON公司C200HG
德国SIEMENSS7-300
存贮器2k数字量1024点模拟量128路
网络PROFIBUS工业以太网MPI
图1-3德国SIEMENSS7-300
c大型机
大型机的控制点数一般大于2048点。
这类PLC控制点数多，控制功能很强，有很强的计算能力，同时，这类PLC运行速度很高，不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算。
它不仅可用于对设备进行直接控制，可以对多个下一级的PLC进行监控，完成现代化工厂的全面管理和控制任务。
日本富士公司F200
处理速度2.5ms/1k字存贮器32kI/O点3200
日本OMRONCV2000
处理速度0.125ms/1k字存贮器62kI/O点2048
德国SIEMENSS7-400
处理速度0.3ms/1k字存贮器512kI/O点12672
图1-4德国SIEMENSS7-400
1.5.2按PLC的结构分类
PLC按结构分，可以分为整体式和模块式两大类。
a整体式
整体式结构的可编程序控制器把电源、CPU、存储器、I/O系统都集成在一个单元内，该单元叫做作基本单元。
一个基本单元就是一台完整的PLC。
控制点数不符合需要时，可再接扩展单元。
整体式结构的特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便。
图1-5PLC
比如松下公司的FP1系列PLC的。
整体式结构的特点是紧凑、体积小、成本低、安装方便。
其缺点是各个单元输入与输出点数有确定的比例，使PLC的配置缺少灵活性，有些I/O资源不能充分利用。
早期的小型机多为整体式结构。
b模块式
PLC的模块式结构是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。
叠装式结构
没有基板而是采用电缆把模块连接起来组成控制系统叫叠装式结构。
图1-6叠装式结构
组合式结构
在一块基板插槽上插上所需模块组成控制系统叫组合式结构。
图1-7组合式结构
模块式结构的PLC特点是CPU、输入、输出均为独立的模块。
模块尺寸统一、安装整齐、I/O点选型自由、安装调试、扩展、维修方便。
中型机和大型机多为模块式结构。
1.5.3按PLC的功能分类
PLC按功能分，可以分为低档机、中档机和高档机。
a低档机
这类可编程序控制器，具有基本的控制功能和一般的运算能力。
工作速度比较低，能带的输入和输出模块的数量比较少，输入和输出模块的种类也比较少。
这类可编程序控制器只适合于小规模的简单控制。
在联网中一般适合做从站使用。
比如，日本OMRON公司生产的C60P就属于这一类。
b中档机
这类可编程序控制器，具有较强的控制功能和较强的运算能力。
它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的三角函数、指数运算和PID运算。
工作速度比较快，能带的输入输出模块的数量也比较多，输入和输出模块的种类也比较多。
这类可编程序控制器不仅能完成小型的控制，也可以完成较大规模的控制任务。
在联网中可以做从站，也可以做主站。
比如，德国SIEMENS公司生产的S7-300就属于这一类。
c高档机
这类可编程序控制器，具有强大的控制功能和强大的运算能力。
它不仅能完成逻辑运算、三角函数运算、指数运算和PID运算，还能进行复杂的矩阵运算。
工作速度很快，能带的输入输出模块的数量很多，输入和输出模块的种类也很全面。
这类可编程序控制器不仅能完成中等规模的控制工程，也可以完成规模很大的控制任务。
在联网中一般做主站使用。
比如，德国SIEMENS公司生产的S7-400就属于这一类。
第二章设计方案的选择
2.1抢答器的简介
抢答器在竞赛、文体娱乐活动（抢答活动）中，能准确、公正、直观地判断出抢答者的机器。
通过
抢答者的指示灯显示、
数码显示和警示显示等手段指示出第一抢答者。
一般抢答器由单片机以及外围电
路组成，分为八路十路等不同，八路和十路的差别是，抢答器背面的接口有几组，和外形没有关系。
抢答器可以通过单片机、PLC、数字电路等实现。
知识竞赛抢答器，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，它的应用场合也随之增加；
技术含量大大提升；
更加方便可靠。
与传统抢答器不同，在PLC的控制下可以弥补传统抢答器的很多不足。
电子抢答器电子抢答器的中心构造一般都是由抢答器由单片机以及外电路组成，其搭配的配件不同又分为，非语音非记分抢答器和语音记分抢答器。
多适用于学校和企事业单位举行的简单的抢答活动。
非语音记分抢答器构造很简单，就是一个抢答器的主机和一个抢答按钮组成，在抢答过程中选手是没有记分的显示屏。
语音记分抢答器是有一个抢答器的主机和主机的显示屏和选手的记分显示屏。
电脑抢答器电脑抢答器又分为无线电脑抢答器和有线电脑抢答器。
无线电脑抢答器的构成是由：
主机和抢答器专用的软件和无线按钮。
无线电脑抢答器利用电脑和投影仪，可以把抢答气氛活跃起来，一般多使用于电台等大型的活动。
有线电脑抢答器也是由主机和电脑配合起来，电脑在和投影仪配合起来，利用专门研发的配套的抢答器软件，可以十分完美的表现抢答的气氛。
2.2三人智力抢答器控制要求
1.可供3个竞赛组进行竞赛，
2.该设计有急停功能，
3．提前抢答报警显
升级会员 