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精品基于PLC抢答器毕业论文
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抢答器PLC设计
本文介绍聋用三菱FX2N系列PLC对知识竞赛抢答器的控制,阐述了控制方案。
实现抢答器功能的方式有多种，可以采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路。
近年来随着科技的飞速发展，单片机、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。
本文采用本三菱公司生产的FX2N-48MR型PLC作为核心控制器进行四路抢答器系统的设计，并且设计出了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案。
同时根据知识竞赛抢答器的控制要求和特点,确定PLC的输入输出分配,并进行现场调试。
关键词:
PLC知识竞赛抢答器PLC程序设计
第一章概述
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。
长见的几种PLC如下图1-1所示：
图1-1三种常见的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的用途与特点
1.2.1PLC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。
1.2.2 PLC的特点
（1）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，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。
1.3PLC的分类
1.3.1按IO点数容量分类
一般来说，PLC处理的IO点数比较多，反映控制关系比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求PLC的指令及其他功能比较多，指令执行的过程比较快等。
按PLC的输入输出点数可将PLC分为三类。
（1）小型机 小型PLC的功能一般以开关量控制为主，其输入、输出总数在256点一下，用户程序存储器容量在4K字一下。
现在的高性能小型机还具有一定的通信能力和少量的模拟量处理能力。
这类PLC价格低廉，体积小，适合于控制单台设备，开发机电一体化产品。
典型的小型机有OMRON公司的CPM2A系列、SIEMEN公司的S7-200系列，MITSUBISH公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整式PLC等产品。
（2）中型机 中型机PLC的输入、输出总点数在点之间，用户程序存储器容量达到2-8K字。
中型机PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，他的通信功能和模拟量处理能力更强大。
中型机的指令比小型机更丰富，适用于更复杂的逻辑控制系统以及连续生产过程控制场合。
典型的中型机有SIEMENS公司的S-300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列模块式PLC等产品。
（3）大型机 大型机PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序存储器容量达到8-6K字。
大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，他具有计算、控制和调节的功能，还具有很强的网络结构和通信联网能力。
他的监视采用CRT显示，能够表示过程动态流程，纪录各种曲线，PID调节参数选择图；他配备多种智能板，构成一个多功能系统。
这种系统还可以和其他型号的PLC互联，和上位机相连，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。
大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。
典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400系列、OMRON公司的CVM1和CS1系列、SB公司的SLC505系列等产品。
上述划分没有严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，某些小型PLC也具备中型机和大型机的功能，这也是PLC的发展趋势。
1.3.2按结构形式分类
按PLC物理结构形式的不同，可分为整体式（也称单元式）和组合式（也称模块式）两类。
（1）整体式结构 整体式结构的PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、电源、通信端口、IO扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。
内外还有独立的IO扩展单元等通过扩展电缆与主机上的扩展端口相连，以构成PLC不同配置与主机配合使用。
整体式结构的PLC结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。
小型机常用这种结构。
（2）组合式结构 这种结构的PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能IO单元，通信单元等分别做成相应的电路板和扩展模块。
组合式的特点是配置灵活，输入接点、输出接点的数量可以自由选择，各种功能模块可以依需要灵活配置。
大、中型PLC常用组合式结构。
第二章整体方案的选择
2.1整体功能介绍
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，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。
抢答器应用场合效果如下图2-1所示：
图2-1
2.2竞赛抢答器的控制要求
（1）知识竞赛抢答器能使4个队同时参加抢答。
（2）设裁判队为裁判台，参赛对为参赛台。
裁判台设有音响和裁判灯，并且设有裁判台开始按钮SB0和裁判台复位按钮SB5；参赛台设有参赛台抢答按钮以及参赛台灯。
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，各队抢答必须在裁判说出“开始”并按下裁判台的开始按钮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。
在有队抢答的情况下，则抢答器发出“抢答”信号，数码管开始计时，并由数码管显示出抢到题的参考队号，抢到题的队必须在30S内答完题，如30S内未答完，则作超时处理。
（4）灯光与音响信号的意义如下：
[1]音响叫（响1S）+某台灯亮，由某参赛队正常抢答。
[2]音响叫（响1S）+某台灯亮+总台灯亮，某参赛队违规。
[3]音响叫（响1S）+裁判台灯亮，无人抢答或答题超时。
（5）在某个题结束后，裁判员按下台上的复位按钮SB5，抢答器恢复原来的状态，为下一轮抢答作好准备。
（6）各输出端口统一采用直流24V电源。
2.3用单片机和PLC分别做系统的比较
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。
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。
操作：
现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘，设定数据用拨码开关，显示用LED，整个面板显得繁锁，而且为了减少操作键，设计时往往一键多用，操作人员很难脱开说明书操作。
特别是故障显示只能显示故障代码，一旦发生故障，操作人员必须翻阅说明书方能发现故障所在，最终按说明书指示排除故障，这样排除故障的时间相对较长。
总之，这样的人机对话不够友善。
特点：
不可靠，价格便宜。
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。
第三章硬件电路设计
3.1控制特点分析
3.2PLC机型的选择步骤与原则
PLC机型的选择
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IO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IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO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IO式以及多台PLC联网的分布式。
集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO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IO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AD和DA转换单元，具有加减算术运算、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，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。
但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过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满足其应用范围内的需要。
如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
（五）系统可靠性的要求
对于一般系统PLC的可靠性均能满足。
对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。
（六）机型尽量统一
一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。
主要考虑到以下三方面问题：
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，其功能和使用方法类似，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，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。
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。
3.3抢答器流程图
3.4程序中所使用的FX系列PLC的编程元件介绍
FX2N的共有27条基本逻辑指令，其中包含了有些子系列PLC的20条基本逻辑指令。
3.4.1三菱FX系列PLC取指令与输出指令（LDLDILDPLDFOUT）
（1）LD（取指令）一个常开触点与左母线连接的指令，每一个以常开触点开始的逻辑行都用此指令。
（2）LDI（取反指令）一个常闭触点与左母线连接指令，每一个以常闭触点开始的逻辑行都用此指令。
（3）LDP（取上升沿指令）与左母线连接的常开触点的上升沿检测指令，仅在指定位元件的上升沿（由OFF→ON）时接通一个扫描周期。
（4）LDF（取下降沿指令）与左母线连接的常闭触点的下降沿检测指令。
（5）OUT（输出指令）对线圈进行驱动的指令，也称为输出指令。
取指令与输出指令的使用如图1所示。
图1取指令与输出指令的使用
取指令与输出指令的使用说明：
1）LD、LDI指令既可用于输入左母线相连的触点，也可与ANB、ORB指令配合实现块逻辑运算；
2）LDP、LDF指令仅在对应元件有效时维持一个扫描周期的接通。
图3-15中，当M1有一个下降沿时，则Y3只有一个扫描周期为ON。
3）LD、LDI、LDP、LDF指令的目标元件为X、Y、M、T、C、S；
4）OUT指令可以连续使用若干次（相当于线圈并联），对于定时器和计数器，在OUT指令之后应设置常数K或数据寄存器。
3.4.2三菱FX系列PLC触点串联指令（ANDANIANDPANDF）
（1）AND（与指令） 一个常开触点串联连接指令，完成逻辑“与”运算。
（2）ANI（与反指令） 一个常闭触点串联连接指令，完成逻辑“与非”运算。
（3）ANDP 上升沿检测串联连接指令。
（4）ANDF 下降沿检测串联连接指令。
触点串联指令的使用如图2所示。
图2
触点串联指令的使用说明：
1）AND、ANI、ANDP、ANDF都指是单个触点串联连接的指令，串联次数没有限制，可反复使用。
2）AND、ANI、ANDP、ANDF的目标元元件为X、Y、M、T、C和S。
3）图2中OUTM101指令之后通过T1的触点去驱动Y4称为连续输出。
3.4.3三菱FX系列PLC触点并联指令（ORORIORPORF）
（1）OR（或指令）用于单个常开触点的并联，实现逻辑“或”运算。
（2）ORI（或非指令）用于单个常闭触点的并联，实现逻辑“或非”运算。
（3）ORP上升沿检测并联连接指令。
（4）ORF下降沿检测并联连接指令。
触点并联指令的使用如图3所示。
图3触点并联指令的使用
触点并联指令的使用说明：
1）OR、ORI、ORP、ORF指令都是指单个触点的并联，并联触点的左端接到LD、LDI、LDP或LPF处，右端与前一条指令对应触点的右端相连。
触点并联指令连续使用的次数不限；
2）OR、ORI、ORP、ORF指令的目标元件为X、Y、M、T、C、S。
3.4.4三菱FX系列PLC块作指令（ORBANB）
（1）ORB（块或指令） 用于两个或两个以上的触点串联连接的电路之间的并联。
ORB指令的使用如图4.1所示
图4.1ORB指令的使用
ORB指令的使用说明：
1）几个串联电路块并联连接时，每个串联电路块开始时应该用LD或LDI指令；
2）有多个电路块并联回路，如对每个电路块使用ORB指令，则并联的电路块数量没有限制；
3）ORB指令也可以连续使用，但这种程序写法不推荐使用，LD或LDI指令的使用次数不得超过8次，也就是ORB只能连续使用8次以下。
（2）ANB（块与指令） 用于两个或两个以上触点并联连接的电路之间的串联。
ANB指令的使用说明如图4.2所示。
如图4.2ANB指令的使用
ANB指令的使用说明：
1）并联电路块串联连接时，并联电路块的开始均用LD或LDI指令；
2）多个并联回路块连接按顺序和前面的回路串联时，ANB指令的使用次数没有限制。
也可连续使用ANB，但与ORB一样，使用次数在8次以下。
3.4.5三菱FX系列PLC置位与复位指令（SETRST）
置位与复位指令（SETRST）
（1）SET（置位指令）它的作用是使被操作的目标元件置位并保持。
（2）RST（复位指令）使被操作的目标元件复位并保持清零状态。
SET、RST指令的使用如图5所示。
当X0常开接通时，Y0变为ON状态并一直保持该状态，即使X0断开Y0的ON状态仍维持不变；只有当X1的常开闭合时，Y0才变为OFF状态并保持，即使X1常开断开，Y0也仍为OFF状态。
图5 置位与复位指令的使用
SET、RST指令的使用说明：
1）SET指令的目标元件为Y、M、S，RST指令的目标元件为Y、M、S、T、C、D、V、Z。
RST指令常被用来对D、Z、V的内容清零，还用来复位积算定时器和计数器。
2）对于同一目标元件，SET、RST可多次使用，顺序也可随意，但最后执行者有效。
3.4.6传送类指令MOVSMOVCMOVBMOVFMOV
（1）传送指令MOV （D）MOV（P）指令的编号为FNC12，该指令的功能是将源数据传送到指定的目标。
如图1所示，当X0为ON时，则将[S.]中的数据K100传送到目标操作元件[D.]即D10中。
在指令执行时，常数K100会自动转换成二进制数。
当X0为OFF时，则指令不执行，数据保持不变。
图6 传送指令的使用
使用应用MOV指令时应注意：
1）源操作数可取所有数据类型，标操作数可以是KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z。
2）16位运算时占5个程序步，32位运算时则占9个程序步。
（2）移位传送指令SMOV SMOV（P）指令的编号为FNC13。
该指令的功能是将源数据（二进制）自动转换成4位BCD码，再进行移位传送，传送后的目标操作数元件的BCD码自动转换成二进制数。
如图2所示，当X1为ON时，将D1中右起第4位（m1=4）开始的2位（m2=2）BCD码移到目标操作数D2的右起第3位（n=3）和第2位。
然后D2中的BCD码会自动转换为二进制数，而D2中的第1位和第4位BCD码不变。
图2移位传送指令的使用
使用移位传送指令时应该注意：
1）源操作数可取所有数据类型，目标操作数可为KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z。
2）SMOV指令只有16位运算，占11个程序步。
（3）取反传送指令CML （D）CML（P）指令的编号为FNC14。
它是将源操作数元件的数据逐位取反并传送到指定目标。
如图3所示，当X0为ON时，执行CML，将D0的低4位取反向后传送到Y3～Y0中。
图3 取反传送指令的使用
使用取反传送指令CML时应注意：
1）源操作数可取所有数据类型，目标操作数可为KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z.，若源数据为常数K，则该数据会自动转换为二进制数。
2）16位运算占5个程序步，32位运算占9个程序步。
（4）块传送指令BMOV BMOV（P）指令的ALCE编号为FNC15，是将源操作数指定元件开始的n个数据组成数据块传送到指定的目标。
如图4所示，传送顺序既可从高元件号开始
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