基于PLC八路抢答器的设计.docx
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基于PLC八路抢答器的设计
山东大学网络教育学院
毕业实践及毕业综述（专科）
题目基于PLC八路抢答器的设计
姓名年级
专业机电一体化
学习中心
2014年11月10日
摘要:
近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新，可编程控制器由于其优良的控制性能，极高的可靠性，在各行各业中的应用日益广泛普及。
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、精神文明乐活动的必备产品。
本次设计是利用PLC（ProgrammableLogicController）对PLC控制的八路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控制的八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。
考虑到只是PLC控制的八路智力抢答器则输出端口需要25个，输入端口需要11个，由于PLC具有可靠性高、体积小、通用性、使用方便等优点，因此，我决定选用SIMATICS7-200系列的CPU226和数字量扩展模块EM223作为本次设计的PLC。
具有方便灵活，维护使用方便等特点。
关键词：
智力控制八路抢答器PLC
1PLC八路抢答器概述
1.1PLC八路抢答器概述
抢答器广泛用于电视台、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。
本文介绍一种数字式抢答器，能使八个队同时参加抢答,赛场中设有1个裁判台，8个参赛台，分别为1号、2号、3号、4号、五号、六号、七号、八号参赛台.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。
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；技术含量大大提升；更加方便可靠。
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。
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。
1.2PLC智能抢答器的优势
PLC智能抢答器与单片机抢答器相比，在许多方面都显示出优越性.首先说一下单片机抢答器，所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片机CPU及其它外围芯片，根据不同系统设计电路板，最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能。
这种形式在80年代国内很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面的限制，目前除了仪表上仍然采用外，在工业现场的应用已逐步被PLC所代替。
1.3单片机的特点
单片机的可靠性：
由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐，很大一部分还是国外筛选出来的次等品，加上其它外围元件（如电阻、电容等）的参数离散性也很大，批量小的产品不可能经过筛选配对等技术处理，因此这样的产品很难做到很好的一致性和高可靠性，因为任一元件的参数偏离设计要求都会引起系统的不稳定。
另外，单片机的所有器件均不是工业级的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱，而国内的电源一般都很差，加上压片机的变频调速对电源的干扰很大，因此，更可能引起单片机系统的不稳定。
单片机的可扩展性：
由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。
这样对于增加功能的开发成本和周期都会增加。
单片机的可维护性：
一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，最简单的方法是更换整个系统，这样维修成本增加了。
1.4可编程控制器（PLC）
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。
2PLC智能抢答器的工作原理
我所设计的PLC智能抢答器是适合八个人抢答的八路抢答器，现在以八路抢答器为例。
给竞赛主持人设置了3个控制按钮，用来控制开始、复位、答题计时，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，同时绿色指示灯亮，音响电路发出声响提示信号（持续三秒）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红灯亮音响电路发出声响。
当主持人按下抢答器按钮时定时器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出声响，以示选手放弃该题。
在抢答成功后，主持人按下答题计时按钮，同时数码管显示答题倒计时时间改时间可根据需要调节，此设定为50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的PLC程序来控3个制数码管和3个指示灯以及一个喇叭来实现，如图1.1所示:
图1.1抢答器模型图
2.1PLC的产生
可编程序控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），是随着科学技术的进步与现代社会生产力式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要而产牛、发展起来的一种新型的工业控制装置。
PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有道用灵活的控制性能、可以适应各种工业环境的可靠性与简单方便的使用性能，在工业自动化各领域取得了广泛的应用。
曾经有人将PLC技术与数控技术（CNC）、CAD／CAM技术、工业机器人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。
众所周知，制造业中使用的生产设备与生产过程的控制，一般都需要通过工作机构、传动机构、原动机以及控制系统等部分实现。
特别是当原动机为电动机时，还需要对电动机的启／制动、正反转、调速与定位等动作进行控制。
生产设备与生产过程的电器操作与控制部分，称为电气自动控制装置或电气自动控制系统。
最初的电气自动控制装置（包括日前使用的一些简单机械），只是一些简单的手动电器（如刀开关、正反转开关等）。
这些电器只适合于电机容量小、控制要求简单、动作单一的场合。
随着技术的进步，生产机械对电气自动控制提出了越来越高的要求，电气自动控制装置逐步发展成了各种形式的电气自动控制系统。
作为常用电气自动控制系统的一种，人们习惯上把以继电器、接触器、按钮、开关等为主要器件所组成的逻辑控制系统，称为“继电—接触器控制系统”。
“继电—接触器控制系统”的基本特点是结构简单、生产成本低、抗干扰能力强、故障检修立观方便、运用范围广。
它不仅可以实现生产设备、生产过程的自动控制，而且还可以满足大容量、远距离、集中控制的要求。
因此，直到今天“继电—接触器控制系统”仍是工业自动控制领域最基本的控制系统之一。
但是，出于“继电－接触器控制系统”的控制元件（继电器、接触器）均为独立元件，它决定了系统的“逻辑控制”与“顺序控制”功能只能通过控制元件间的不同连接实现，因此，它不可避免地存在以下不足：
通用性、灵活性差；体积大，材料消耗多；功能局限性大；可靠性较低，性用寿命较短。
不具备现代工业控制所需要的数据通信、网络控制等功能。
正因为如此，“继电一接触器控制系统”难以适应现代复杂多变的生产控制要求与生产过程摔制集成化、网络化需要。
为了解决“继电一接触器控制系统”存在的通用性、灵活性关，功能局限性大与通信、网络方面欠缺的问题，20世纪50年代末．人们曾设想利用计算机功能先备、通用性和灵活性强的特点来解次以上问题。
但由于当时的汁算机原理复杂，生产成术高，程序编制难度大，加工业上控制需要大量的外围接口设备，可靠性问题突出，使得它在面广量大的一般工业控制领域难以普及与应用。
到了20世纪60年代木，有人这样设想：
能否把计算机通用、灵活、功能完善的特点与“继电一接触器控制系统”的简单易懂、使用方便、生产成本低的特点结合起来，生产出一种而向生产过程顺序控制，PLC利用简单语言编程，能让完全不熟悉计算机的人也能方便使用的控制器呢？
这一设想最早由美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM公司）于1968年提出。
当时，该公司为了适应汽车市场多品种、小批量的生产要求，需要解决汽车生产线“继电一接触器控制系统”中普遍存在的通用性、灵活性问题，提到了对一种新颖控制器的十大技术要求，并面向社会进行招标。
十大技术要求具体如下：
编样方使，从可以在现场方便地编辑、修改控制程序；价格便宜，性能价格比要而于继电器系统；体积要明显小于继电器控制系统；可靠性要明显高于继电器控制系统：
具有数据通信功能；输入可以是AC115V；输出驱动能力在AC115V/2A以上；硬件维护方便，最好采即“插接式”结构；扩展时，只需要对原系统进行很小的改动；用户存储器容量至少可以扩展到4KB。
根据以上要求，美国数字设备公司（DEC公司）在1969年首先研制比了全世界第一台可编程序控制器，并称之为“可编程序逻辑制器”〔ProgrammableLogicController，简称PLC）。
试样机在GM公司的应用获得了成功。
此后，PLC得到了快速发展，并被广泛用于各种开义量逻辑运算与处理的场合。
2.2早期的PLC
早期PLC的硬件主要由分立元件与小规模集成电路构成，它虽然采用了计算机技术，但指令系统、软件与功能相对较简单，一般只能进行逻辑运算的处理，同时通过简化计算机的内部结构与改进可靠性等措施，使之能与工业环境相适应。
正因为如此，在20世纪70年代初期曾经出现过一些出二极管矩阵、集成电路等器件组成的所谓“顺序控制器”；20世纪70年末期曾经出现过以MCl4500工业控制单元（Industrialcontrolunit，简称ICU）为核心．出8通道数据选择器〔MCl4512）、指令计数器（MCl4516）、8位可寻址双向锁存器（MCl4599）、存储器（2732）等组成的“可编程序控制器”等产品。
这些产品与PLC相比，虽然具有一定的价格优势，但最终还是因可靠性、功能等多方面的原因，未能得到进一步的推广与发展；而PLC则随着微处理器价格的全面下降，最终以其优良的性能价格比，得到了迅速发展，并最终成为了当代工业自动控制技术的重要支柱枝术之一。
2.3PLC的定义
PLC技术一经出现，立即引起了全世界的广泛关注，1969年首先将其进行商品化并推向市场的是美国GOULD公司；1971年，在引进美国技术后，日木研制出了自己的第一台PLC；l973年，德国SIEMENS公司也研制出了欧洲第一台PLC；1974年，法国随之也研制出了PLC。
到了20世纪70年代中期，PLC开始采用微处理器。
PLC的功能也从最初的逻辑运算拓展到具有数据处理功能，并得到了更为广泛的应用。
由于当时的PLC功能已经不再局限于逻辑处理的范畴，为此，PLC也随之改称为可编程序控制器（ProgrammableController，简称PC）。
1980年，美国电气制造商协会（NationalElectronicManufactureAssociation，简称NEMA）对可编程序控制器进行了如下定义：
“可编程序控制器是一种带有指令存储器，数字或模拟输入/输出接口；以位运算为主；能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能；面向机器或生产过程的自动控制装置”。
并将其统一命名为ProgrammableController（PC）。
2.4PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图2.1所示：
图2.1PLC硬件结构
3PLC的特点
软硬件功能强；使用维护方便；运行稳定；可靠组织灵活。
3.1PLC的发展趋势
从当前产品来看，PLC的发展仍然主要体现在提及的缩小与性能的提高两大方面。
向高速度、大容量方向发展；向超大型、超小型两个方向发展；PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力；增强外部故障的检测与处理能力；编程语言多样化。
3.2PLC工作原理
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。
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。
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。
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。
3.3PLC中的存储器
PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。
用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序；用来存储工作数据的区域称为工作数据区；系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的PLC的指令的系统编写的系统程序，它决定了PLC的功能，用户不能更改其内容。
3.4PLC的编程语言
PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。
PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图等。
梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素。
梯形图程序让PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。
梯形图按逻辑关系分为“梯级”或网络。
如图2.2所示是用PLC控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机直接起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。
图2.2PLC控制的梯形图程序
4PLC的分类及性能指标
4.1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、OMRON公司的CVM1和CS1系列。
4.2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。
4.3PLC的性能指标
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；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；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稳合程度。
可编程控制器采用循环扫描的工作方式；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；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、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；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。
5结束语
在调试过程中出现的问题：
在计算机上编程通过后，程序无法下载，经过认真检查后，发现内存没有初始化，对内存进行清理后，下载程序进行调试。
在刚开始调试检验的时候发现程序一直无法通过，最后发现我在编写程序时误把程序中的数字0写成了英文O。
由于受实验设备条件的限制，本次设计只在实验室进行了模拟实验调试，没有把整个设计技术运用到实际当中。
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