毕业设计PLC六路竞赛抢答器的设计.docx

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毕业设计PLC六路竞赛抢答器的设计

摘要

本次设计是利用PLC（ProgrammableLogicController）对六路抢答器进行控制。

考虑到只是对六组智能抢答器进行控制，则输出端口需要9个，输入端口需要29个，所以需要有一个CPU226的模块和两个EM222数字量扩展模块，考虑到还要实现声光功能需要两个喇叭和三个指示灯。

由于抢答时要显示组号和倒计时故还需要三个数码管，以上的器件价格不贵并且容易买到，另外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EM222作为本次设计的PLC。

另外，系统设计可分硬件设计和软件设计，并采用手动控制一种方式，具有方便灵活，维护使用方便等特点。

关键词：

竞赛抢答器PLCPLC程序设计

目录

第一章PLC概述1

1.1PLC的定义、组成及特点1

1.2PLC工作原理4

1.3PLC的编程语言5

1.4PLC的分类及性能指标5

1.5PLC的用途6

第二章PLC抢答器的介绍8

2.1PLC与单片机的对比8

2.2PLC抢答器的工作原理9

第三章系统硬件设计10

3.1系统控制要求10

3.2控制系统选取10

3.3控制系统的硬件组成11

3.4控制系统I/O分配表11

3.5系统硬件连接图13

第四章系统软件设计14

4.1整体设计14

4.2自动控制程序14

第五章模拟运行与调试过程24

5.1程序的模拟运行24

5.2程序的现场调试25

致谢27

参考文献27

第一章PLC概述

1.1PLC的定义、组成及特点

一、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【1】。

二、PLC的定义：

PLC一直在快速发展中，因此到现在为止，还未能对其下一个十分确切的定义。

1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器（PLC）的定义是：

可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。

它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。

PLC及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计【2】。

三、PLC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，如下图2.1所示：

图2-1PLC硬件结构

1、中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢【3】。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：

检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，灵活性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

2、存储器（Memory）

可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入的信号的状态写入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域【4】。

CPU常用的微处理器有通用型微处理器，单片机和位片式计算机等。

小型PLC的CPU多采用单片机或专用的CPU。

大型PLC的CPU多用位片式结构，具有高速数据处理能力。

3、基本I/O接口电路

（1）输入接口单元。

PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的、符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至PLC内部电路。

（2）输出接口单元。

PLC输出电路用来将CPU运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。

PLC输出电路结构形式分为继电器式、晶闸管式和晶体管输出型等三种。

在继电器式输出中，CPU可以根据程序执行的结果，使PLC内设继电器线圈通电，带动触点闭合，通过继电器闭和的触点，由外部电源驱动交、直流负载。

优点是过载能力强，交、直流负载皆宜。

但存在动作速度较慢，且为有触点系统，使用寿命有限等问题【5】。

双向晶闸管和晶体管输出型输出分别具有驱动交、直流负载的能力。

晶闸管输出型CPU通过光耦电路的驱动，使双向晶闸管通断，可以驱动交流负载；晶体管输出型CPU通过光耦电路的驱动，使双晶体管通断，驱动直流负载。

优点是两者均为无触点开关系统，不存在电弧现象，而且开关速度快，缺点是半导体器件的过载能力差。

以上列举了六类输入和输出电路形式，各类PLC产品的输入、输出电路结构形式均有所不同，但光耦隔离及阻容滤波等抗干扰措施是相似的。

3、接口电路

PLC接口电路分为I/O扩展接口电路和外设通信接口电路两类【6】。

（1）I/O扩接口电路

I/O扩展接口电路用连接I/O扩展单元，可以用来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。

I/O扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。

根据被控制对象对PLC控制系统的技术和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。

（2）外设通信接口电路

通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成PLC的控制网络。

PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口和电缆与计算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能。

4、电源

PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电源需要的工作电源（5V直流）。

当输入端子为非干接点结构时，为外部输入元件提供24V直流电源（仅供输入点使用）。

四、PLC的特点：

1、软硬件功能强

PLC的功能非常强大，其内部具备很多功能，如时序、计数器、主控继电器、移位寄存器及中间寄存器等，能够方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等功能。

PLC不仅可进行逻辑运算，算术运算，数据转换以及顺序控制，还可实现模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能，并具有完善的输入输出系统。

PLC能够适应各种形式的开关量和模拟量的输入控制、输出控制，还可以和其他计算机系统、控制设备共同组成分布式控制系统，实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。

PLC的编程语言丰富，它可以分为梯形图语言、逻辑功能语言、指令表、和顺序功能四种。

特别是梯形图语言，它直观、方便，我们只要有了通常的继电接触器电路图、逻辑图或逻辑方程，就等于它有了PLC系统的用户程序，很适合电器工程技术人员操作和使用【7】。

2、使用维护方便

PLC不需要像用计算机控制那样在输入输出接口上做大量的工作。

PLC的输入接口和输出接口是已经按不同需求做好的，可直接与控制现场的设备相连的接口。

如输入借口可以与各种开关、传感器连接；输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等连接。

不论是输入接口或输出接口，使用都很简单。

PLC具有很强的监控功能，利用编程器、监视器或触摸屏等人机界面可对PLC的远行状态进行监控。

3、运行稳定可靠

由于PLC采用了微电子技术，大量的开关动作有无触点的半导体电路来完成，同时还采用了屏蔽，滤波，隔离等抗干扰措施，所以其平均无故障时间在2万小时以上。

特别是在制造工艺上加强了抗干扰措施，例如输入输出都采用光电隔离，能有效的隔离PLC内部电路与输入输出电路之间的联系，从而避免了有输入输出通道串入的干扰信号引起的误动作。

PLC还采用屏蔽，输入延时滤波等软、硬件措施，有效的防止空间电磁干扰，特别多高频传导干扰信号具有良好的抑制作用。

所以这一切措施，都有效的保证了PLC在恶劣的工作环境下能正常地远行。

4、组织灵活

可编程控制器品种很多,小型PLC为整体结构，并外接I/O扩展机箱构成PLC控制系统。

中大型PLC采用分体模块式结构，设有各种专有功能模块（开关量、模拟量输入/输出模块、位控模块、伺服、步进驱动模块等）供选用和组合，由各种模块组成大小和要求不同的控制系统。

外部控制电路虽然仍为硬接线系统，但当受控对象的控制要求改变时，可以在线使用编程器进行修改用户程序来满足新的控制要求，最大限度地缩短工艺更新所需要的时间【8】。

1.2PLC工作原理

一、循环扫描的特点：

1、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【9】。

2、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。

3、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。

4、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。

二、PLC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。

1、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。

2、用来存储工作数据的区域称为工作数据区。

3、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。

1.3PLC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【10】。

1.4PLC的分类及性能指标

一、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。

二、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。

三、PLC的性能指标：

1、I/O点数

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。

2、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。

3、扫描速度

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。

4、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。

5、通信功能

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、通信指令等。

6、扩展能力

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。

7、特殊功能单元

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。

1.5PLC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【11】：

（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。

第二章PLC抢答器的介绍

2.1PLC与单片机的对比

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。

PLC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。

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【12】。

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【13】。

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【14】。

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【15】。

特点：

价格与前二种控制器相比略贵，可靠性好，操作简单。

2.2PLC抢答器的工作原理

我所设计的PLC抢答器是适合六个人抢答的六路抢答器，现在以六路抢答器为例。

给竞赛主持人设置了3个控制按钮，用来控制开始、复位、停止，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15秒）若15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20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。

其中以上功能都同过编制的PLC程序来控3个制数码管和3个指示灯以及2个喇叭来实现。

第三章系统硬件设计

3.1系统控制要求

1、抢答器可同时共6个选手参加比赛.

2、给竞赛主持人设置了3个控制按钮，用来控制开始、复位、停止。

3、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。

4、违规抢答：

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。

5、抢答限时：

当主持人按下抢答器按钮时定时器T0开始计时（设定15秒）若15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。

6、答题限时：

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20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。

3.2控制系统选取

PLC抢答器使用时涉及到抢答人员的公平、公正以及操作是否方便等问题，而且使用的环境可能是室内，所以对设备的安全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【16】：

1、可靠性高：

由于可编程控制器的输入,输出端口均采用继电器或光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在恶劣环境下可靠工作。

2、体积小：

由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化。

3、通用性好：

由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU模块、电源模块、PID模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性。

4、使用方便：

对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，如果输入、输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。

基于可编程控制器的上述优点能够适应和满足抢答器高性能的使用要求，所以我确定该抢答器控制系统为西门子S7-200系列PLC。

S7-200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。

由于其具有极高的性价比，在以下几方面都有优越的表现：

极高的可靠性、程序易于掌握，实时特性功能、编程语言指令丰富，操作简便，有丰富的扩展功能。

机械式的立体车库各种检测信号均为数字量，中小型的车库系统用西门子S7-200系列就完全可以满足电气控制系统方面的要求【17】。

3.3控制系统的硬件组成

PLC智能抢答器硬件主要有抢答台、PLC、连接线路、数码管等四部分组成。

在抢答过程中主控单元的主要控制对象首先是显示组号和倒计时的数码管，控制系统就是使它们在不同的时间内显示不同的组号和时间【18】；其次是车库内的各种辅助装置，如：

指示灯及其各种安全设施等。

。

一般PLC抢答器选用按钮操作，界面清楚，易于操作。

3.4控制系统I/O分配表

一、PLC抢答器控制系统的输入端口如表3.1所示：

表3.1输入信号对照表

信号名称

外部元件

内部地址

信号名称

外部元件

内部地址

开