PLC控制的三路抢答器.docx
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PLC控制的三路抢答器
目录
1PLC概述1
1.1PLC的由来及发展史1
1.2PLC的命名与定义2
1.3PLC的主要特点、主要功能及应用范围2
1.3.1PLC的主要特点2
1.3.2PLC的主要功能3
1.3.3PLC的应用范围4
1.4发展趋势4
2PLC软件介绍5
2.1GXDeveloper软件的使用方法5
2.2GXDeveloper软件的仿真8
3设计任务和要求12
4抢答器总体设计12
4.1抢答器硬件系统设计12
4.1.1控制系统选取12
4.1.2控制系统的硬件组成13
4.1.3硬件I/O地址分配13
4.1.4外部硬件接线图14
4.1.5外部控制电路（电源和急停开关）16
4.2抢答器软件系统设计16
4.2.1整体设计16
4.2.2抢答器总程序16
4.2.3控制柜台设计17
4.2.4安装与调试17
总结19
致谢20
参考文献21
附录A22
附录B24
1PLC概述
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到所有的控制领域。
现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。
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。
１.１PLC的由来及发展史
PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大.可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司（DEC）为美国通用公司（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。
随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。
现代PLC已经成为真正的工业控制设备。
虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：
1．早期的PLC（60年代末—70年代中期）
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。
它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。
装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。
另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。
在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。
因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。
其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。
2．中期的PLC（70年代中期—80年代中后期）
在70年代微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。
这样，使PLC得功能大大增强。
在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。
在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。
3．近期的PLC（80年代中后期至今）
进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
1.2PLC的命名与定义
PLC可编程序控制器：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器。
国际电工委员会（IEC）于1982年11月1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
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。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。
1.3PLC的主要特点、主要功能及应用范围
1.3.1PLC的主要特点
1．高可靠性
⑴所有的I/O接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
⑵各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰。
⑶良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CPU立即采用有效措施以防止故障扩大。
2．丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号如交流或直流、开关量或模拟量等有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备如按钮、行程开关等。
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。
3．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PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构，PLC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。
4．编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5．安装简单维修方便
PLC不需要专门的机房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。
1.3.2PLC的主要功能
1.顺序逻辑控制
这是PLC最基本最广泛的应用领域，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。
它既可以用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。
2.运动控制
在机械加工行业，可编程控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。
很多PLC机制造厂家已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模板。
3.定时控制
PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令，一般每个定时器可实现0.1-999.9S或0.01-99.99S的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。
定时精度高，定时设定方便，灵活。
同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确的实时控制。
4.计数控制
PLC为用户提供的计数器分为普通计数器、可逆计数器、高数计数器等，用来完成不同用途的计数控制。
当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时，发出控制命令。
计数器的计数值可以在运行中被读出，也可在运行中进行修改。
5.步进控制
PLC为用户提供了一定数量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步进控制功能。
在一道工序完成之后，自动进行下一道工序。
一个工作周期结束后，自动进行下一个工作周期。
有些PLC还专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。
6.数据处理
大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，可以完成数据运算如：
加、减、乘、除、乘方、开方等，逻辑运算如：
字与、字或、字异或、求反等，移位、数据比较和传送及数值的转换等操作。
7.模/数和数/模转换
在过程控制或闭环控制系统中，存在温度、压力、流量速度、位移、电流、电压等连续变化的物理量。
过去，由于PLC机主要用于逻辑运算控制，对于这些模拟量的控制主要靠仪表控制或分布控制系统DCS。
目前，不但大、中型机PLC都具有模拟量处理功能，甚至很多小型PLC也具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。
8.通信及连网
怒前绝大多数PLC都具有通信功能，能够在PLC机与计算机之间进行同位链接及上位链接。
通过这些通信技术，使PLC更容易构成工厂自动化系统。
也可以与打印机、监视器等外部设备相连，记录和监视有关数据。
1.3.3PLC的应用范围
开关量逻辑控制是PLC应用最广泛的也是最基本的领域是开关量逻辑控制方面，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。
在其他方面例如：
运动控制、过程控制、数据处理、通信联网等方面也有很重要的应用。
1.4发展趋势
随着PLC技术的推广、应用，PLC将进一步向以下几个方向发展。
1.系列化、模板化
每个生产PLC的厂家几乎都有自己的系列化产品，同一系列的产品指令向上兼容，扩展设备容量，以满足新机型的推广和使用。
要形成自己的系列化产品，以便与其他PLC生产厂家竞争，就必须要开发各种模板，使系统的构成更加灵活、方便。
一般的PLC可分为主模板、扩展模板、I/O模板以及各种智能模板等，每种模板的体积都较小，相互连接方便，使用更简单，通用性更强。
2.小型机功能强化
从可编程控制器出现以来，小型机的发展速度颠三倒四高于中、大型PLC。
随着微电子技术的进一步发展，PLC的结构必将更为紧凑，体积更小，安装和使用更为方便。
3.中、大型机高速度、高功能、大容量
随着自动化水平的不断提高，对中、大型机处理数据的速度要求也越来越高。
OMRON公司的CV系列，每条基本指令的扫描时间为0.125us。
在存储器容量上，OMRON公司的CV系列PLC的用户存储器容量为64K字，数据存储器容量为24K字，文件存储区容量为1M字。
所谓高功能是指具有函数运算和浮点运算，数据处理和文字处理，队列、矩阵运算，PID运算及超前、滞后补偿，多段斜坡曲线生成，处方、配方、批处理，菜单组合的报警模板，故障搜索、自诊断等功能。
4.低成本
随着新型器件的不断涌现，主要部件成本的不断下降，在大幅度提高PLC功能的同时，也大幅度降低了PLC的成本。
同时，价格的不断降低，也使PLC真正成为继电器的替代物。
5.多功能
PLC的功能进一步加强，以适应各种控制需要。
同时，计算、处理功能的进一步完善，使PLC可以代替计算机进行管理、监视。
智能I/O组件也将进一步发展，用来完成各种专门的任务如：
位置检测、温度控制、中断控制、PID调节、远程通信、音响输出等。
2PLC软件介绍
2.1GXDeveloper软件的使用方法
GXDeveloper是一个功能强大的PLC开发软件，具有程序开发、监视、仿真调试以及对可编程控制器CPU的读写等功能。
本文通过实例讲述GXDeveloper的使用方法。
（1）双击GXDeveloper图标，进入图2.1所示界面。
图2.1初始界面
（2）单击“工程”，选择“创建新工程”，弹出图2.2所示对话框，在“PLC系列”下拉选项中选择“FXCPU”，“PLC类型”中选择“FX1S”，“程序类型”选择“梯形图逻辑”。
在“设置工程名”一项前打勾，可以输入工程要保存到的路径（E:
\stepper）和名称（stepper）。
图2.2创建新工程
（3）点击“确定”后，进入梯形图编辑界面，如图2.3所示。
图2.3图形编辑界面
当梯形图内的光标为蓝边空心框时为写入模式，可以进行梯形图的编辑，当光标为蓝边实心框时为读出模式，只能进行读取、查找等操作，可以通过选择“编辑”中的“读出模式”或“写入模式”进行切换。
梯形图的编辑可以选择工具栏中的元件快捷图标，也可以点击“编辑”，选择“梯形图标记”中的元件项，也可以使用快捷键F5~F10，shift+F5~F10,或者在想要输入元件的位置双击鼠标左键，弹出图2.4所示对话框，在下拉列表中选择元件符号，编辑栏中输入元件名，按确定将元件添加到光标位置。
图2.4梯形图输入
编辑过的梯形图背景为灰色，如图2.5所示，在调试用下载程序之前，需要对程序进行变换，点击“变换”，选择“变换”，或者直接按F4，对已编辑的梯形图进行变换，如果梯形图语法正确，变换完成后背景变回白色，如有语法错误，则不能完成变换，系统会弹出消息框提示。
图2.5梯形图/列表显示切换
点击快捷键“梯形图/列表显示切换”（图2.5中红框标记）可以在梯形图程序与相应的语句表之前进行切换。
此外GXDeveloper具备返回、复制、粘贴、行插入、行删除等常用操作，具体可参考GXDeveloper用户操作手册。
（4）按照图2.6进行编辑，输入梯形图，按F4进行变换。
图2.6中为单3拍步进电机的模拟程序，X0与X1分别为开、关输入，Y0、Y1、Y2为三相输出，连接步进电机的三对绕组。
第0行，当按下X0后，中间继电器M0接通，从而常开触点M0闭合，此后除非按下X1，否则M0一直保持接通状态。
第4行，M0接通后，定时器T0开始计时，与常闭触点相连的Y0接通为ON，T0的设定时间为0.5S，当T0计时满0.5S时，常闭触点T0断开，因此Y0变为OFF，至此Y0导通了0.5S，同时，第11行，常开触点T0接通，T1开始计时，Y1接通为ON，与上面一样，在导通0.5S后，Y1变为OFF，第17行常开触点T1接通，从而Y2接通为ON，0.5S后，Y2又变为OFF，此时第4行常闭触点T2断开，线圈T0失电使触点T0、线圈T1、触点T1、线圈T2依次断开，最后常闭触点T2恢复到闭合状态，T0开始导通计时，从而整个线路开始进行下一周期的动作，这样从Y0、Y1、Y2三点上不断循环。
图2.6单3拍步进电机梯形图
输出如图2.7所示的脉冲波，驱动步进电机以2/3Hz的频率转动。
当按下X1时，M0失电断开，使T0、T1、T2失电从而停止动作，步进电机停转。
图2.7步进电机脉冲波形图
2.2GXDeveloper软件的仿真
编辑完成后，点击“工具”，选择“梯形图逻辑测试启动”，等待模拟写入PLC完成后，弹出一个标题为“LADDERLOGICTESTTOOL”的对话框，如图2.8所示，该对话框用来模拟PLC实物的运行界面。
此外在GXDeveloper的右上角还会弹出一个标题为监视状态的消息框，如图2.9所示，它显示的是仿真的时间单位和模拟PLC的运行状态。
图2.8梯形图逻辑测试启动
图2.9监视消息对话框
在原来的梯形图程序中，常闭触点都变成了蓝色，这是因为梯形图逻辑测试启动后，系统默认状态是RUN，因此开始扫描和执行程序，并同时输出程序运行的结果，在仿真中，导通的元件都会变成蓝色，如图2.10所示。
这里由于X0处于断开状态，所有线圈都没有通电，因此只有常闭触点为蓝色。
如果选择X0并右击，在弹出选项中选择“软元件测试”，弹出对话框，如图2.11所示。
图2.10程序运行过程
图2.11软元件测试
点击“强制ON”，并将模拟PLC界面上的状态设置为RUN，则程序开始运行，M0变为ON，定时器开始计时，在定时器的下方还有已计的时间显示，如图2.12所示。
观察仿真的整个运行过程，可以大致判断程序运行的流程。
如果仿真中元件状态变化太快，可以通过选择模拟PLC界面上的STEPRUN，并依次点击主窗口中的“在线”，“调试”下的“步执行”来仿真，如图2.13所示。
图2.12程序仿真过程
图2.13程序步执行
单击主菜单中的“工具”，选择“梯形图逻辑测试结束”，退出仿真。
3设计任务和要求
竞赛开始时，主持人接通启动/停止开关（SA），指示灯（HL1）亮.
当主持人按下开始抢答按钮（SB0）后，如果在10秒内无人抢答，赛场的音响发出持续1.5秒的声音，指示灯（HL2）亮，表示抢答器自动撤销此次抢答信号。
当主持人按下开始抢答按钮（SB1）后，如果在10秒内有人抢答（按下按钮SB3、SB4、SB5）则最先按下抢答按钮的信号有效，相应抢答桌上的抢答灯（HL3、HL4、HL5）亮，赛场的音响发出短促音（0.2秒ON，0.2秒OFF，0.2秒ON）。
当主持人确认抢答有效后，按下答题计时按钮（SB6）,抢答桌上的抢答灯灭，计时开始，计时时间到时（假设为1分钟），赛场的音响发出持续的长音，抢答桌上的抢答灯再次亮。
如果抢答者在规定的时间内正确回答问题，主持人或助手按下加分按钮，为抢答者加分，（分数自定），同时抢答桌上的指示灯快速闪烁3秒，（闪烁频率为0.3秒ON，0.3秒OFF）.
如果抢答者在规定的时间内不能正确回答问题，主持人或助手按下减分按钮，为抢答者减分（分数自定）。
4抢答器总体设计
4.1抢答器硬件系统设计
4.1.1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
2、体积小
3、通用性好
4、使用方便
硬件系统分别选择4个额定电压为24V的电铃，8个额定电压为24V灯泡。
6个七段数码显示管（七段数码显示管用7位的信号驱动。
在实际应用中可以用三菱PLC指令SEGD.只需要用一个数据寄存器D）。
I/O接口分别为7个输入继电器X,35个输出继电器Y.和20%的裕量所以选择三菱PLC的FX3U—80MR系列
FX3U-80MR系列的PLC在各种行业的检测及控制的自动化都得到广泛的应用。
三菱FX2N-80MR具有40个输入辅助继电器X和40个输出辅继电器。
PLC的工作方式为周期扫描。
一个扫描周期大约为0.08us.可见其PLC的可靠性。
同时在使用方面用软件GX—developer.输入程序变换看是否有错误。
如果有错误继续修改。
没有通过计算机写入PLC运行调试。
使用很方便。
4.1.2控制系统的硬件组成
在抢答器的工作过程中，主控单元的主要控制对象首先是输入信号，控制系统就是判别这个事件有没有发生，不同的情况给出不同的结果，让大家都很快的明。
其硬件组成结构图如图4.1所示。
图4.1硬件组成结构图
4.1.3硬件I/O地址分配
根据任务要求及所选FX3U-80MR（考虑20%接口裕量）和其他硬件（电铃，灯，七段数码显示管）PLC的I/O地址分配如表4.1所示。
表4.1三路智力抢答器输入输出口分配表
输入信号
输出信号
输入设备/符号
PLC输入点
输出设备/符号
PLC输出点
主持人复位/停止开关SB0
X0
PLC控制器电源接通指示HL1
Y0
主持人按抢答开始按钮SB1
X1
抢答信号灯、控制声音（HA）
Y1
主持人加分按钮（SB2）
X2
1号灯光和声音
Y2
主持人减分按钮（SB3）
X3
2号灯光和声音
Y3
第1号抢答按钮（SB4）
X4
3号灯光和声音
Y4
第2号抢答按钮（SB5）
X5
抢答时间到指示灯HL2
答题时间已到HL3
Y5
Y6
第3号抢答按钮（SB6）
X6
1号分数值显示
Y10-Y16
Y40-Y46
2号分数值显示
Y20-Y26、Y40-Y46
3号分数值显示
Y30-Y36、Y40-Y46
4.1.4外部硬件接线图
根据题目要求和I/O地址分配，结合FX3U-80MR的PLC外部系统接线图进行接线。
为了硬件电路接线方便，SB1抢答的开始按钮，对应输入点为X1输出点为Y0。
SB1、SB2、SB3分别对应三个参赛对号，输入点分别X4、X5、X6，输出点分别为Y2、Y3、Y4。
SB0为抢答的复位按钮，对应输入点为X0。
数码管1显示输出点为Y10-Y16。
数码管2显示输出点为Y20-Y26。
数码管3显示输出点为Y30-Y36。
PLC与数码管采用串电阻直接连接方式。
其外部硬件接线图如图4.2所示。
图4.2外部硬件接线图
4.1.5外部控制电路（电源和急停开关）
根据急停原理在PLC上连接一对常闭触点具体如图1.3所示。
急停控制电路如下如图4.3所示。
图4.3急停控制电路
4.2抢答器软件系统设计
4.2.1整体设计
根据PLC智能抢答器的控制要求，应用程序采用一体化结构。
通过PLC控制程序来实现整体的运行，系统仅需要少量的按钮和接口，一般的PLC配置都可运行。
该系统本着简单易懂、可靠性强、适应性强等方面进行设计。
在抢答时只需按动按钮即可数码管在系统程序的控制下自动显示组号以及倒计时时间。
安全、可靠、省时、省力、价格便宜。
控制软件应用GX-developer编程软件，采用梯形图语言编写,工作系统自动控制流程框图如图4.1.所示。
根据系统控制要求，进行针对性设计，要充分保证系统的安全，保证整个系统的运行安全可靠。
自动条件下，必须复位后在满足自动条件下才能进行自动运行程序，当中充分应用各个过程的互锁来保证系统的安全。
4.2.2抢答器总程序
X4—X6分别为三组选手的抢答信号，同时我们用中间继电器M1,M2,M3,M10,M51,M52进行自锁和互锁功能，以保证每个选手公平抢答。
主持人控制台有X1按钮用以抢答开始，X0按钮为复位按钮。
在按下启动按钮SB1时复位所有数据寄存器（累加计分的数据寄存器除外D1—D4）然后三组抢答者开始抢答，抢答的同时产生一个切断信号M10（目地后者抢答无效）抢答后开始计时答题时间60秒。
答完以后主持人开始加减分（在抢答的基础之上产生一个选通信号）没有抢答的组加不了或见不了分数。
在加减分的同时需要对D1—D4进行判断（可以用CMP指令或LD=）.如果超过99或低于0都以0处理
由各功能块程序及任务要求编写程序，详见附录B。
4.2.3控制柜台设计
根据任务要求，硬件布置及主持人操作方便设计如图4.9所示柜台。
图4.9控制柜台设计
4.2.4安装与调试
将各个输入输出端子和实际控制系统中的按钮、所需控制设备正确连接，完成硬件的安装。
知识竞赛抢答器的程序是由三菱PLC编程软件GX-DEVELOPER编制完成，正常工作时程序存放在存储卡中，若要修改程序，先将PLC设定在STOP状态下，运行三菱PLC编程软件GX-DEVELOPER编程软件，打开知识竞赛抢答器的程序，即可在线调试，也可用编程器进行调试[9]。
（1）按下抢答开始按钮SB1.先在10秒内抢答，看答题开始计时60秒后是否有灯光和声音信号。
（2）按下抢答开始按钮SB1.10秒内无人抢答是否有灯光和声音信号。
（3）在正确的抢答情况下加减分是否有正确显示。
（4）所有的信号显示都要根据I/O分配。
看是否正确。
总结
通过一个星期的努力对PLC课程设计有了较为深入的研究，也进一步熟悉了PLC的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。
本次设计期间，我通过借用图书馆的书籍、搜索网络以及查阅
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