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知识竞赛抢答器控制程序设计

目录

前言3

第一章可编程控制器基础知识4

1.1可编程控制器概述4

1.2可编程控制器的发展4

1.3可编程控制器的优点5

第二章6

6

第三章PLC控制的硬件电路和I/O口的设计12

3、1设计任务及其原理图12

3.2硬件改造13

3.3PLC的电器控制系统接线图14

3.4PLC机型的选型15

第四章系统程序设计16

4.1系统顺序动作功能图的设计16

4.2程序设计16

第五章结束语28

致谢29

主要参考文献30

摘要

可编程序控制器(ProgrammableLogicController)是以微处理器为核心的工业自动控制通用装置,它简称PLC,它的应用面广,使用方便,已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。

随着PLC技术的发展,编程语言,通信能力和其他很多性能都进一步提高。

现在的PLC提供了更快的扫描时间,更高效的利用内存空间,高密度的I/O系统和非传统设备直接连接到PLC的特殊接口。

它们不但可以和其他控制系统进行通信,还具有执行报告功能,诊断自身、机器或过程的故障。

PLC在我国已经应用二十几年的历史,随着目前生产自动化水平的提高,以及各种监控系统的需要,PLC以其外部电路简单、模块化结构、可靠性高,尤其可以通过方便的编制和修改软件来实现顺序控制的功能等特点,在各类竞赛中,都离不开抢答器,用PLC设计竞赛抢答器,其控制方便、灵活,只要改变输入PLC的程序,便可改变其控制方案

关键词:

可编程序控制器、知识竞赛抢答器、S7-200.

Abstrac

PLC(ProgrammableLogicController)inthemicroprocessorindustryasthecoreoftheUniversalAutomaticControldevices,itreferredPLC,awiderangeofitsapplication,easytouse,industrialautomationhasbecomeacontemporaryoneofthemainpillars.

AsPLCtechnologyhasadvanced,sohaveprogramminglanguagesandcommunicationsca-pabilities,alongwithmanyotherimportantfeatures.Today’sPLCsofferfasterscantimes,spaceefficienthigh-densityinput/outputsystemsandspecialinterfacestoallownon-tradit-ionaldivicestobeattacheddirectlytothePLC.Notonlycantheycommunicatewithothercontrolsystem,theycanalsoperformreportingfunctionanddiagnosetheirownfailures,aswellasthefailureofamachineorprocess.

PLChasbeenapplied20yearsinourhistory,withraisingthecurrentlevelofproductionautomation,andvarioussurveillancesystemsrequire,PLCwithitsexternalcircuitissimple,modularstructure,highreliability,inparticularthroughtheestablishmentofconvenienceandmodifythesoftwaretoachievesequencecontrolfunction,etc.,inallcompetitions,areinseparablefromtheResponder,ResponderwithPLCdesigncompetition,itseasytocontrol,andflexible,aslongastheproceduretochangethePLCinputcanchangethecontrolprogram

Keyword:

ProgrammableLogicController,ResponderKnowledgeContest,S7-200

 

前言

可编程控制器自问世以来,发展极其迅速。

如今可编程控制器已经广泛的应用于工业控制。

它通过用户存储的应用程序来控制生产过程,具有可靠性高、稳定性高和实时处理能力强、控制器实现的功能多、安装简单,维修方便等特点。

本文在第一章中主要介绍了PLC的概述、发展史及其优点,在第二章中主要介绍了S7-200的基本知识。

在第三章中主要介绍了PLC控制的硬件电路和I/O口的设计。

在第四章中进行对用S7-200对知识竞赛抢答器进行编程,并对程序每一步的含义进行解释。

本课题的研究内容文主要研究了S7-200系列PLC在知识竞赛抢答器中的应用。

可编程控制器(简称PLC或PC)是在继电器控制的基础上产生的一种新型的工业控制装置,是将微型计算机技术、自动化技术及通信技术融为一体,应用到工业控制领域的一种高可靠性控制器。

它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。

SIMATICS7-200系列可编程控制器是德国西门子(Siemens)公司生产的具有高性能价格比的微型可编程控制器。

由于它具有结果小巧,运行速度高,价格低廉及多功能多用途等特点,因此在工业企业中得到了广泛的应用。

由于可编程控制器作为一种通用的工业控制器,它可用于所有的工业领域。

当前国内外已广泛地将可编程控制器成功的应用到机械、汽车、冶金、石油、化工、轻工、纺织、交通、电力、电信、采矿、建材、食品、造纸、军工、家电等各个领域,并且取得了相当可观的技术经济效益。

因此,我们研究此课题具有深远的意义。

这次的毕业设计我主要是利用PLC技术设计知识竞赛抢答器。

从硬件电路的选择,PLC的选型,软件程序的设计。

最终完成改造的基本环节。

 

第一章可编程控制器基础知识

1.1可编程控制器概述

PLC即可编程控制器(ProgrammablelogicController),在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC进行了定义。

它是一种数字运算操作的电子系统,是一种新型工业控制装置,是专为在工业环境应用而设计的,是以微处理器为基础,综合了微电子技术和计算机技术和通信技术等现代科技发展起来的新产品。

早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制和顺序控制。

随着现代科技的发展,微电子技术和计算机技术的快速发展,可编程序控制器也有了突飞猛进的发展,其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。

它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

随着微处理器的出现,大规模、超大规模技术的发展和数据通信技术的不断进步,PLC也迅速发展。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。

1.2可编程控制器的发展

可编程控制器自问世以来,发展极其迅速。

PLC发展过程可分为四个阶段:

(1)20世纪60年代末至70年代中期

早期PLC只是继电器控制装置的替代物。

它主要功能是执行原先继电器完成的顺序控制定时等功能,将继电器有“硬接线”方式转变为“软接线”方式。

但由于价格高,输入、输出电路不匹配和编程技术复杂等原因,一直未能得到推广应用。

(2)20世纪70年代中期至80年代前期

随着微处理器的出现,美国,日本,联邦德国等国的一些著名电器厂家在可编程控制器中引入微机技术,微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件,使可编程控制器具有了自诊断功能,可靠性有了大幅度的提高。

可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

(3)20世纪80年代至90年代末

20世纪80年代初可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

80年中期可编程控制器都采用微处理器(CPU)作为PLC的中央处理单元,只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)或单片机作为其核心。

使PLC处理速度大大的提高,增加了多种特殊功能,体积也减小了很多,可靠性增强,成本下降。

因此PLC的应用得到了迅速的发展。

到90年代末时PLC几乎完全计算机化,速度更快,功能更强,各种智能模块不断的开发出来。

在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC逐渐进入过程控制领域,不断扩展它在各类工业控制过程中的应用。

(4)20世纪90年代末到至今

PLC这个时期从控制规模上来说,发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

PLC不仅能进行逻辑控制和顺序控制,在模拟量闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网等各方面都得到了广泛的应用。

如今PLC功能完备,都配了A/D、D/A转换及算术运算功能,具有PID功能,使PLC在模拟量闭环控制到了很大的应用。

1.3可编程控制器的优点

(1)实时性好

由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提,信号处理时间短,速度快。

基于信号处理和程序运行的速度,PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。

更能满足各个领域中大、中、小型工业控制项目。

(2)可靠性高,抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,对采用的元器件进行严格的筛选,内部电路采取了先进的抗干扰技术,所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离(I/O口通常有光藕让外围电路(24VDC)和内部芯片I/O(5VDC)进行隔离),使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离,各输入端均采用R-C滤波器,各模块均采用屏蔽措施,以防止噪声干扰,采用性能优良的开关电源,因此具有很高的可靠性。

良好的自诊断功能,一旦电源或其软件,硬件发生异常情况时可及时发出警报信息,CPU立即采取有效措施,以防止故障扩大。

(3)配套齐全,功能完善,适用性强

控制器产品种类繁多,已形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

(4)丰富的I/O卡件

控制器针对不同的工业自控工程的现场信号,如:

电压或电流;交流或直流;开关量或模拟量;脉冲或电位;强电或弱电等,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、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。

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。

I/O卡件种类丰富,可根据自控工程实现功能要求不同,而进行不同的配置,在满足控制工程需要前提下,I/O卡件可灵活组合。

(5)控制系统采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型控制器以外,绝大多数控制器均采用模块化结构。

控制器的各个部件,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。

(6)体积小,重量轻,能耗低价格低

新近出产的超小型PLC底部尺寸不到100mm,重量不到150g,功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。

质量好价格低。

(7)控制器实现的功能多

可实现逻辑控制、定时控制、计数控制、顺序控制、PID控制、数据计算、通讯和联网,还有许多特殊功能模块等,适用于各种特殊控制的要求,如:

定位控制模块,CRT模块。

(8)安装简单,维修方便

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。

第二章S7-200的基本知识

SIMATICS7-200系列可编程序控制器是德国西门子(Siemens)公司生产的具有高性能价格比的微型可变程序控制器。

由于它具有结构小巧,运行速度高,价格低廉及多功能多用途等特点,因此在工业企业中得到广泛的应用。

SIMATIC系列PLC有S7-400、S7-300和S7-200三种子系列,分别为S7系列的大、小(微)型PLC系统。

本章以S7-200系列PLC为例,介绍小型PLC系统的构成,编程用的元器件,寻址方式等PLC应用的基础知识。

2.1S7-200系列PLC的构成

S7-200系列PLC系统由基本单元(主机)、I/O扩展单元、功能单元和外部设备等组成。

S7-200PLC基本单元(主机)的结构形式为整体式结构

小型PLC系统由(主机箱)、I/O扩展单元、文本、图形显示器、编程器等组成。

2.1.1基本单元I/OCPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,可连成7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O或35路模拟量I/O点,13KB程序和数据存储空间。

CPU224主机共有I0.0-I0.7、I1.0-I1.514个输入点和Q0.0-Q0.7、Q1.0-Q1.110个输出点。

CPU224输出电路采用了双向光电耦合器,24V直流极性可任意选择,系统设置1M为I0.X输入端子的公共端,2M为I1.X输入端子的公共端。

在晶体管输出电路中采用了MOSFET功率驱动软件,并将数字量输出分为两组,每组有一个独立公共端,共有1L、2L两个公共端,可接入不同的负载电源。

2.1.2基本单元I/O及扩展CPU224PLC主机的输入点数为14点,输出点数为10点,可扩展的模块数目为7.

2.1.3高速反应性CPU224PLC有6个高速计数脉冲输入端(I0.0-I0.5),最快的响应速度为30kHz,用于捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号。

有2个高速脉冲输出端(Q0.0、Q0.1),输出脉冲频率可达20kHz。

用于PTO(高速脉冲束)和PWM(宽度可变脉冲输出)高速脉冲输出。

2.2S7-200的基本指令

 

2.2.1基本位操作指令

指令格式梯形图指令由触点或线圈符号和直接位地址两部分组成,含有直接位地址的指令又称位操作指令,基本位操作指令操作数寻址范围:

I,Q,M,SM,T,C,V,S,L等。

2.2.2STL指令对较复杂梯形图的描述方法在较复杂梯形图中,触点的串,并联关系不能全部用简单的与、或、非逻辑关系描述。

在语句表指令系统中设计了电路块的“与”操作和电路块“或”操作指令,以及栈操作指令。

2.2.3栈操作指令LPS、LRD、LPP分述如下:

LPS:

(Logic)逻辑堆栈操作指令(无操作元件)。

LRD:

(Logic)逻辑读栈指令(无操作元件)。

LPP:

(logic)逻辑弹栈指令(无操作元件)。

S7-200采用模拟栈结构,用来存放逻辑运算结果以及保存断点地址,所以其操作又称为逻辑栈操作。

在此,仅讨论断点保护功能的栈操作概念。

堆栈操作时将断点的地址压入栈区,栈区内容自动下移,(栈底内容丢失)。

读栈操作时将存储器栈区顶部的内容读入程序的地址指针寄存器,栈区内容保持不变。

弹栈操作时,栈的内容依次按照后进先出的原则弹出,将栈顶内容弹入程序的地址指针寄存器,栈的内容依次上移。

逻辑堆栈指令(LPS)可以嵌套使用,最多为9层。

为保证程序地址指针不发生错误,堆栈和弹栈指令必须成对使用,最后一次读栈操作应使用弹栈指令。

2.3取反和空操作指令

2.3.1取反指令(NOT)取反指令,指将它左边电路的逻辑运算结果取反,运算结果若为1则变成0,为0则变成1,该指令没有操作数。

能流到达该触点事停止,若能流末到达触点,该触点给右侧供给能流。

NOT指令将堆栈顶部的值从0改为1,或从1改为0。

2.3.2空操作指令(NOP)空操作指令,起增加程序容量的作用。

使能输入有效时,执行空操作指令,将稍微延长扫描期长度,不影响用户程序的执行,不会使能量流输出断开。

2.3.3AENO指令梯形图的指令盒指令右侧的输出连线为使能输出端ENO,用于指令盒或输出的串联(与逻辑),不串联元件时,作为指令行的结束。

AENO指令(AndENO)该指令的作用是和前面的指令盒输出端ENO相与。

AENO指令只能在语句表中使用。

2.4置位/复位指令

置位/复位指令则是将线圈设计成置位线圈和复位线圈两大部分,将存储器的置位、复位功能分离开来。

置位线圈受到脉冲前沿触发时,线圈通电锁存(存储器位置为1),复位线圈受到脉冲前沿触发时,线圈断电锁存(存储器位置为0)下次置位、复位指令将置位和复位的位数扩展为N位。

2.5边沿触发指令

边沿触发指令是指边沿触发信号产生一个机器周期的扫描脉冲,通常用作脉冲整形。

边沿触发指令分为正跳变触发(上升沿)和负跳变触发(下降沿)两大类。

正跳变触发指输入脉冲上升沿使触点闭合(ON)一个扫描周期。

负跳变触发指输入脉冲的下降沿使触点闭合(ON)一个扫描周期。

2.6定时器

S7-200PLC的定时器为曾量型定时器,用于实现时间控制,可以按照工作方式和时间基准(时基)分类,时间基准又称为定时精度和分辨率。

1、作方式按照工作方式,定时器可为通电延时型(TON)、保持型(又称有记忆的通电延时型)(TONR)、断电延时型(TOF)三种类型。

2、时基基准按照时基标准,定时器又分为1ms、10ms、100ms三种类型,不同的时基标准,定时精度、定时范围和定时器的刷新方式不同。

第三章PLC控制的硬件电路和I/O口的设计

3、1设计任务的目标及要求

用PLC设计知识竞赛抢答器,控制要求如下:

1)竞赛抢答器能使4个队同时参加竞赛抢答。

2)设裁判队为裁判台,参赛队为参赛台。

裁判台设有音响和裁判台灯,并设有裁判台开始按钮SB0和裁判台复位按钮SB5;参赛台设有参赛台按钮及参赛台灯。

1~4号参赛台分别对应按钮SB1~SB4及参赛台灯EL1~EL4。

3)知识竞赛抢答器能适合以下比赛规则:

出题后,各队须在裁判员说“开始”并按下裁判台开始按钮SB0后15s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。

15s时间到,如无队抢答,则抢答器给出时间已到信号,该题作废;如抢答有效的情况下,抢答器发出“正常抢答”信号,数码管开始计时显示,并由数码管显示出抢答到题的参赛队号。

抢答到题的队须在30s内答完题,如30s时间到还未答完,则作超时处理。

4)灯光与声音信号的意义如下:

①蜂鸣器响(响1s)+某台灯亮,由某参赛队正常抢答;

②蜂鸣器响(响1s)+某台灯亮+裁判台灯亮,由某参赛队违规;

③蜂鸣器响(响1s)+裁判台灯亮,无队抢答或答题超时。

5)在某个题目抢答结束后,裁判员按下裁判台上的复位按钮SB5,抢答器恢复到初始状态(所有的按钮、灯和蜂鸣器均为断电状态),为下一轮抢答做好准备。

3.2硬件改造

输入输出信号地址编号:

在设计中选用了S7-300CPU313系列PLC,6个输入信号和30个输出信号对应于PLC输入端I0.0~I0.5及输出端Q0.0~Q0.5、Q1.0~Q1.7、Q2.0~Q2.7、Q3.0~Q3.7。

输入输出信号及其地址编号如表1-1所示

 

表1-1知识竞赛抢答器PLC的输入输出点分配表

输入信号

输出信号

元件地址

符号

名称

元件地址

符号

名称

I0.0

SB0

裁判台开始按钮

Q0.0

EL0

裁判台灯

I0.1

SB1

1号参赛台抢答按钮

Q0.1

EL1

1号参赛台灯

I0.2

SB2

2号参赛台抢答按钮

Q0.2

EL2

2号参赛台灯

I0.3

SB3

3号参赛台抢答按钮

Q0.3

EL3

3号参赛台灯

I0.4

SB4

4号参赛台抢答按钮

Q0.4

EL4

4号参赛台灯

I0.5

SB5

裁判台复位按钮

Q0.5

B

音响

Q1.0-0.1.7

LE1

数码显示器1

Q2.0-Q2.7

LE2

数码显示器2

Q3.0-Q3.7

LE3

数码显示器3

3.3PLC的电器控制系统接线图

图1知识竞赛抢答器PLC控制接线图

3.4PLC机型的选型

随着PLC技术的发展,PLC产品的种类也越来越多。

不同型号的PLC,其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同,适用的场合也各有侧重。

因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

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机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。

选择时主要考虑以下几点:

(一)合理的结构型式

PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。

整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过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式以及多台PLC联网的分布式。

集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,系统反应快、成本低;远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源;多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。

(三)_相应的功能要求

一般小型(_低档)_PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。

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,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低

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