课题二基本控制指令应用之任务4抢答器控制系统.docx
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课题二基本控制指令应用之任务4抢答器控制系统
课题二基本控制指令应用
任务4抢答器控制系统
知识目标：
1．掌握微分指令PLS、PLF的功能及应用。
2．掌握三菱PLC置位、复位指令、微分指令及主控指令和定时器在PLC的软件系统及梯形图编程设计中的综合应用。
能力目标：
1.会根据控制要求，能灵活地运用经验法，通过置位、复位指令、微分指令及主控指令和定时器的综合运用，实现抢答器控制系统的梯形图程序设计。
2.能通过三菱GX-Developer编程软件，采用梯形图输入法或指令语句表输入法进行编程，然后通过仿真软件采用软元件测试的方法，进行模拟仿真运行。
3.掌握抢答器PLC控制系统的线路安装与调试。
抢答器常用于各种知识竞赛，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文化生活。
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，也可采用PLC。
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。
如图2-4-1所示为竞赛抢答器的实物图。
图2-4-1竞赛抢答器
本次任务的主要内容就是：
通过PLC控制系统，实现对竞赛抢答器系统的控制。
竞赛抢答器可供参赛的三组进行抢答比赛，其控制要求如下：
（1）抢答器设有1个主持人总台和3个参赛队分台，总台设置有总台电源指示灯、撤消抢答信号指示灯亮、总台电源转换开关、抢答开始/复位按钮。
分台设有一个抢答按钮和一个分台抢答指示灯。
（2）竞赛开始前，竞赛主持人首先接通“启动/停止”转换开关，电源指示灯亮。
（3）各队抢答必须在主持人给出题目，说了“开始”并按下开始抢答按钮后的10秒内进行，如果在10秒内有人抢答，则最先按下的抢答按钮信号有效，相应分台上的抢答指示灯亮，其他组再按抢答按钮无效。
（4）当主持人按下开始抢答按钮后，如果在10秒内无人抢答，则撤消抢答信号指示灯亮，表示抢答器自动撤消此次抢答信号。
（5）主持人没有按下开始抢答按钮，各分台按下抢答按钮均无反应。
（6）在一个题目回答终了或10秒时间到后无人抢答，只要主持人再次按下抢答开始/复位按钮后，所有分台抢答指示灯和撤消抢答信号指示灯熄灭，同时抢答器恢复原始状态，为第二轮抢答做好准备。
实施本任务教学所使用的实训设备及工具材料可参考表2-4-1所示。
表2-4-1实训设备及工具材料
序号
分类
名称
型号规格
数量
单位
备注
1
工具
电工常用工具
1
套
2
仪表
万用表
MF47型
1
块
3
设备
器材
编程计算机
要求机型：
IBMPC/AT（兼容）；CPU：
486以上；内存：
8兆或更高（推荐16兆以上）；显示器：
分辨率为800×600点，16色或更高
1
台
4
接口单元
采用FX-232AWC型RS-232/RS-422转换器（便携式）或FX-232AW型RS-232C/RS-422转换器（内置式），以及其他指定的转换器
1
套
5
通讯电缆
FX-422CAB型RS-422缆线（用于FX2，FX2C型PLC，0.3m）或FX-422CAB-150型RS-422缆线（用于FX2，FX2C型PLC，1.5m），以及其他指定的缆线
1
条
6
可编程序控制器
FX2N-48MR
1
台
7
安装配电盘
600*900mm
1
块
8
导轨
C45
0.3
米
9
空气断路器
Multi9C65ND20
1
只
10
熔断器
RT28-32
2
只
11
按钮
LA19
4
只
12
转换开关
1
只
13
接线端子
D-20
20
只
14
指示灯
24V
5
只
15
消耗
材料
铜塑线
BV1/1.37mm2
10
米
主电路
16
铜塑线
BV1/1.13mm2
15
米
控制电路
17
软线
BVR7/0.75mm2
10
米
18
紧固件
M4*20螺杆
若干
只
19
M4*12螺杆
若干
只
20
Φ4平垫圈
若干
只
21
Φ4弹簧垫圈及Φ4螺母
若干
只
22
号码管
若干
米
23
号码笔
1
支
从对任务控制要求分析可知，只有当主持人合上总电源开关，抢答器才能工作；当抢答开始后，若10秒内某组率先按下抢答按钮，则该组抢答指示灯亮，表示获得抢答权，其他组再按抢答按钮无效。
回答完毕后，主持人再次按下复位按钮后，抢答指示灯熄灭，进行下一轮抢答。
根据控制要求可用PLC的定时器及其通电延时控制电路和PLC基本指令中的微分指令和主控触点指令来实现编程设计。
一、编程元件
1.辅助继电器（M）
在PLC内部有很多辅助继电器，其功能相当于继电控制系统中的中间继电器。
辅助继电器线圈与输出继电器线圈一样，由PLC内部各软元件的触点驱动，用文字符号“M”表示。
辅助继电器有无数对常开和常闭触点供用户编程使用，使用次数不受限制。
但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载只能由输出继电器驱动。
辅助继电器（M）以十进制进行编号，按功能来分，一般分为普通（通用型）辅助继电器、断电（失电）保持型辅助继电器和特殊辅助继电器，见表2-4-2所示。
在本次任务中主要介绍普通（通用型）辅助继电器和断电（失电）保持型辅助继电器，而特殊辅助继电器将在后续任务5内容中进行介绍，在此不再赘述。
表2-4-2FX2N和FX0N辅助继电器的分类
分类
FX2N系列
FX0N系列
普通（通用型）辅助继电器
500点，M0～M499
384点，M0～M383
断电（失电）保持型辅助继电器
2572点，M500～M3071
128点，M383～M511
特殊辅助继电器
256点，M8000～M8255
57点，M8000～M8254
（1）普通（通用型）辅助继电器（M0～M499）
FX2N系列PLC内有普通（通用型）辅助继电器500点，其地址按十进制编号（除输入/输出继电器X、Y外，所有的软元件地址号均为十进制数），从M0到M499。
这些辅助继电器只能在PLC内部起辅助作用，在使用时，它除了不能驱动外部负载外，其他功能与输出继电器非常类似。
1）编程实例普通（通用型）辅助继电器的编程实例如图2-4-2所示。
图2-4-2普通（通用型）辅助继电器的编程实例
2）实例说明：
当X001置1时，辅助继电器M1线圈得电，M1其中一付常开触点闭合，使M1线圈自保持；另一付常开触点闭合，使输出继电器Y001得电。
当X001置1时，M1线圈失电，M1的常开触点断开，Y001断电。
3）普通（通用型）辅助继电器的特点：
线圈得电触点动作，线圈失电触点复位。
（2）断电（失电）保持型辅助继电器（M500～M3071）
在如图2-4-2所示的梯形图中，若PLC在运行中发生停电，输出继电器和通用辅助继电器将全部成为断开状态，通电后再运行时，除PLC运行时就接通的触点外，其他触点仍处于断开状态，使断电前的运行状态发生了改变。
在生产中，有时需要保持失电前的状态，以使来电后再运行时能继续失电前的工作，这时就需要用一种能保存失电前状态的辅助继电器，即断电（失电）保持型辅助继电器。
断电（失电）保持型辅助继电器并不是真正能在它自身电源切断的条件下保存原工作状态，只不过是它在PLC失去外部供电时立即由PLC内部的备用电池供电而已。
1）编程实例断电（失电）保持型辅助继电器的编程实例如图2-4-3所示。
图2-4-3断电（失电）保持型辅助继电器的编程实例
2）实例说明：
当X001接通后，M500动作，其常开触点闭合自锁，输出继电器Y001得电；即使X001再断开，M500的状态仍保持不变。
假如此时PLC失去供电，等PLC供电恢复后再运行时，只要停电前后X000的状态不发生改变，M500仍能保持动作，Y001保持得电。
M500的状态不发生变化并不是因为自锁触点的作用，而是因为辅助继电器M500有后备电池的缘故。
3）断电（失电）保持型辅助继电器的特点：
断电时线圈后备锂电池供电，当再恢复供电时能记忆断电前的状态（注意：
对于这类继电器，要用RST命令清除其记忆内容）。
2.定时器（T）
在前面任务3中已简单的介绍了定时器的一些知识，本任务将对定时器的工作原理和典型的定时器控制电路进行详细介绍。
（1）通用定时器工作原理
定时器中有一个设定值寄存器（一个字长），一个当前值寄存器（一个字长）和一个用来存储其输出触点的映像寄存器（一个二进制位），这三个量使用同一地址编号，通用定时器的特点是不具备断电保持功能，即当输入电路断开或停电时定时器复位。
通用定时器的内部结构示意图如图2-4-4所示。
图2-4-4通用定时器内部结构示意图
通用定时器的工作原理如图2-4-5所示，当输入X000接通时，定时器T0从0开始对100ms时钟脉冲进行累积计数，当T0当前值与设定值K1000相等时，定时器T0的常开触点接通，Y000接通，经过的时间为1000×0.1S=100S。
当X000断开时定时器T0复位，当前值变为0，其常开触点断开，Y000也随之断开。
若外部电源断电或输入电路断开，定时器也复位。
图2-4-5通用定时器的应用
a）梯形图b）时序图
（2）典型的定时器应用电路
1）通电延时接通控制
在如图2-4-6所示电路中，当输入信号X001接通时，内部辅助继电器M100接通并自锁，同时接通定时器T200。
T200的当前值计数器开始对10ms的时钟脉冲进行累积计数。
当该计数器累积到设定值500时（从X001接通到此刻延时5S），定时器T200的常开触点闭合，输出继电器Y001接通。
当输入信号X002接通时，内部继电器M100断电，其常开触点断开，定时器T200复位，定时器T200的常开触点断开，输出继电器Y001断电。
图2-4-6通电延时接通控制程序
a）梯形图b）时序图
2）通电延时断开控制
在如图2-4-7所示电路中，当输入信号X001接通时，内部辅助继电器M100和输出继电器Y001同时接通并均实现自锁，内部辅助继电器M100的常开触点接通定时器T0，T0的当前值计数器开始对100ms的时钟脉冲进行累积计数。
当该计数器累积到设定值200时（从X001接通到此刻延时20S），定时器T0的常闭触点断开，输出继电器Y001断电。
输入信号X002可以在任意时刻接通，内部辅助继电器M100断电，其常开触点断开，定时器T0被复位。
图2-4-7通电延时断开控制程序
a）梯形图b）时序图
二、脉冲输出指令（PLS、PLF）
编程时有时需要在置位SET或复位RST之前使用脉冲输出指令。
1.指令的助记符和功能
脉冲输出指令的助记符和功能如下表2-4-3所示。
表2-4-3脉冲输出指令的助记符及功能
指令助记
符、名称
功能
可作用的软元件
程序步
PLS（上升沿脉冲）
上升沿微分输出
Y，M（特殊M除外）
2
PLF（下降沿脉冲）
下降沿微分输出
Y，M（特殊M除外）
2
2.编程实例
PLS指令的编程实例如图2-4-8所示。
图中X001接通（由OFF→ON）时，M0接通（ON）一个扫描周期，同时使得输出线圈Y001接通（ON）并保持；当X002接通（由OFF→ON）时，使得输出线圈Y001断开（OFF）即复位。
图2-4-8PLS指令的编程实例
a）梯形图b）指令表c）时序图
PLF指令的编程实例如图2-4-9所示。
图中X001接通（由OFF→ON）时，M0接通（ON）一个扫描周期，同时使得输出线圈Y001接通（ON）并保持；当X002断开（由ON→OFF）时，M1接通ON）一个扫描周期，同时使得输出线圈Y001断开（OFF）即复位。
图2-4-9PLF指令的编程实例
a）梯形图b）指令表
请画出如图2-4-9所示程序的时序图。
3.关于指令功能的说明
（1）使用PLS指令时，仅在驱动输入ON后一个扫描周期内，软元件Y、M动作。
（2）使用PLF指令时，仅在驱动输入OFF后一个扫描周期内，软元件Y、M动作。
一、通过对本任务控制要求分析，分配输入点和输出点，写出I/O通道地址分配表
根据任务控制要求，可确定PLC需要6个输入点，4个输出点，其I/O通道分配表见表2-4-4所示。
表2-4-4I/O通道地址分配表
输入
输出
元件代号
作用
输入继电器
元件代号
作用
输出继电器
SA
总电源开关
X000
HL1
电源指示灯
Y000
SB1
第1分台按钮
X001
HL2
第1分台台灯
Y001
SB2
第2分台按钮
X002
HL3
第2分台台灯
Y002
SB3
第3分台按钮
X003
HL4
第3分台台灯
Y003
SB4
抢答开始/复位按钮
SB4
HL5
撤销抢答指示灯
Y004
二、画出PLC接线图（I/O接线图）PLC接线图如图2-4-10所示。
图2-4-10三路抢答器I/O接线图
三、程序设计
1．本任务的编程思路
（1）先设计抢答开始/复位支路的梯形图
在设计抢答器“抢答开始/复位”的梯形图时，我们可以用微分指令中的PLS（上升沿脉冲微分输出指令）和复位/置位指令进行编程，如图2-4-11所示。
图2-4-11抢答器“抢答开始/复位”的梯形图
从图2-4-11中可以看出，当首次按下抢答器“抢答开始/复位”按钮SB4时，即上升沿脉冲微分输出指令X004接通（由OFF→ON）时，M1接通（ON）一个扫描周期，当松开SB4时，即X004断开（由ON→OFF）时，通过置位指令SET使得辅助继电器线圈M1保持接通（ON），M1的常开触点闭合；当再次按下按钮SB4时，X004接通（由OFF→ON）时，M2接通（ON）一个扫描周期，辅助继电器M2线圈接通，其常闭触点断开，切断M1的置位支路，同时通过复位指令RST使M1复位；当松开SB4时，即X004断开（由ON→OFF）时，M1通过复位指令RST使得辅助继电器线圈M1保持断开状态，M1的常开触点断开，为下一次抢答开始再次按下SB4做准备。
（2）设计各分台台灯梯形图
各分台台灯启动条件中串入M1的常开触点体现了抢答器的一个基本原则：
只有在主持人按下“抢答开始/复位”按钮并宣布开始时，各分台的抢答按钮才起效。
另外，在各分台台灯支路中串入相邻分台台灯输出继电器的常闭触点，起到抢答时封锁的作用，即在已有人抢答之后其他人再按抢答按钮无效。
如图2-4-12所示为各分台台灯梯形图。
图2-4-12各分台台灯梯形图
（3）设计抢答时限控制和撤销抢答指示灯控制梯形图
如图2-4-13所示为抢答时限控制和撤销抢答指示灯控制梯形图。
图中通过定时器T1实现抢答器的抢答时限控制；当主持人按下抢答开始按钮后，辅助继电器M1得电，M1常开触点闭合，在无人抢答的情况下，定时器T1线圈获电，延时10S后，T1常开触点闭合，接通撤销抢答指示灯输出继电器Y4，撤销抢答指示灯亮；当按下复位按钮时，M2接通一个扫描周期，M2常闭触点断开，输出继电器Y4线圈断电，撤销抢答指示灯熄灭。
若在抢答时限内有人抢答，则与定时器T1线圈串联的各分台台灯输出继电器的常闭触点Y001、Y002和Y003当中的任何一个触点都会断开，定时器T1线圈将断开，限时自动失效。
图2-4-13抢答时限控制和撤销抢答指示灯控制梯形图
（4）设计总电源控制和电源指示灯控制梯形图
由于抢答器的控制系统必须在主持人合上总电源开关SA后，系统才能开始工作，在此我们可运用前面任务中所学的MC、MCR指令进行编程设计。
如图2-4-14所示为总电源控制和电源指示灯控制梯形图。
图2-4-14总电源控制和电源指示灯控制梯形图
2．本任务控制的完整梯形图
通过上述编程思路可设计出本任务控制的完整梯形图，如图2-4-15所示。
图2-4-15抢答器控制梯形图
3．本任务控制的指令表
任务控制的指令表如表2-4-5所示。
表2-4-5抢答器指令表
步序
指令语句
元素
步序
指令语句
元素
0
LD
X000
20
AND
M1
1
MC
N0M0
21
OUT
Y003
2
LD
M0
22
LDP
X004
3
OUT
Y000
23
AND
M1
4
LD
X001
24
RST
M1
5
OR
Y001
25
OUT
M2
6
ANI
Y002
26
LDP
X004
7
ANI
Y003
27
ANI
M2
8
AND
M1
28
SET
M1
9
OUT
Y001
29
LD
M1
10
LD
X002
30
ANI
Y001
11
OR
Y002
31
ANI
Y002
12
ANI
Y001
32
ANI
Y003
13
ANI
Y003
33
OUT
T1K100
14
AND
M1
34
LD
T1
15
OUT
Y002
35
OR
Y004
16
LD
X003
36
ANI
M2
17
OR
Y003
37
OUT
Y004
18
ANI
Y002
39
MCR
N0
19
ANI
Y001
40
END
四、程序输入及仿真运行
1.程序输入
（1）工程名的建立
启动MELSOFT系列GXDeveloper编程软件，如图2-4-16所示，首先选择PLC的类型为“FX2N”，在程序类型框内选择“梯形图逻辑”，创建新文件名，并命名为“三路抢答器控制”；然后单击对话框内的“确定”，进入如图2-4-17所示编程界面。
图2-4-16创建工程名画面
图2-4-17进入的三路抢答器程序输入画面
（2）总电源控制——主控指令的输入
首先运用前面任务3介绍的基本指令的输入方法，将总电源起动/停止开关X000输入完毕，然后单击下拉菜单中的“
”图标或按下键盘上的快捷键“F8”，在“梯形图输入”对话框中，输入“MC—空格键—N0—空格键—M0”，如图2-4-18所示；最后单击“确定”，进入如图2-4-19所示画面。
图2-4-18主控指令输入画面一
图2-4-19主控指令输入画面二
（3）总台电源指示灯和各分台台灯的程序输入
运用基本指令的输入方法，输入总台电源指示灯和各分台台灯的梯形图，如图2-4-20所示。
图2-4-20总台电源指示灯和各分台台灯的程序输入画面
（4）抢答开始/复位支路的梯形图的输入
输入抢答开始/复位支路的梯形图时，首先输入上升沿脉冲微分指令X004,输入方法是：
单击下拉菜单“
”图标，然后在“梯形图输入”对话框中，输入元件编号X004即可，如图2-4-21所示。
图2-4-21上升沿脉冲微分指令的输入画面一
单击“确定”进入如图2-4-22所示画面。
然后运用基本指令的输入方法将复位/置位指令输入，如图2-4-23所示。
图2-4-22上升沿脉冲微分指令的输入画面二
图2-4-23抢答开始/复位支路的梯形图的输入后画面
（5）抢答时限控制和撤销抢答指示灯控制梯形图的输入
运用基本指令的输入方法输入抢答时限控制和撤销抢答指示灯控制梯形图。
值得注意的是，在输入定时器T1时，首先单击下拉菜单“
”图标或按下键盘上的快捷键“F7”，然后在“梯形图输入”对话框中，输入元件编号T1后按空格键再输入K100即可，如图2-4-24所示。
图2-4-24定时器的输入画面
输入完后的抢答时限控制和撤销抢答指示灯控制梯形图如图2-4-25所示。
图2-4-25抢答时限控制和撤销抢答指示灯控制梯形图输入后画面
（6）最后输入主控复位指令，输入过程不再赘述。
2．仿真运行
运用前面任务3介绍的仿真方法进行机上模拟仿真，在此不再赘述，读者可自行进行。
五、线路安装与调试
（1）根据I/O接线图，在模拟实物控制配线板上进行元件及线路安装。
（2）安装电路
1）检查元器件。
根据表2-4-1所示配齐元器件，检查元器件的规格是否符合要求，并用万用表检测元器件是否完好。
2）固定元器件。
固定好本任务所需元器件。
3）配线安装。
根据配线原则和工艺要求，进行配线安装。
4）自检。
对照接线图检查接线是否无误，再使用万用表检测电路的阻值是否与设计相符。
（3）程序下载
1）PLC与计算机连接。
使用专用通信电缆RS-232/RS422转换器将PLC的编程接口与计算机的COM1串口连接。
2）程序写入。
首先接通系统电源，将PLC的RUN/STOP开关拨到“STOP”的位置，然后通过MELSOFT系列GXDeveloper软件中的“PLC”菜单的“在线”栏的“PLC写入”，就可以把仿真成功的程序写入的PLC中。
（4）通电调试
1）经自检无误后，在指导教师的指导下，方可通电调试。
2）首先接通系统电源，将PLC的RUN/STOP开关拨到“RUN”的位置，然后通过计算机上的MELSOFT系列GXDeveloper软件中的“监控/测试”监视程序的运行情况，再按照表2-4-6所示进行操作，观察系统运行情况并做好记录。
如出现故障，应立即切断电源，分析原因、检查电路或梯形图，排除故障后，方可进行重新调试，直到系统功能调试成功为止。
表2-4-6程序调试步骤及运行情况记录表
操作步骤
操作内容
观察内容
观察结果
思考内容
第一步
将仿真成功后的程序下载到PLC后，合上断路器QS
“POWER”灯
理解PLC的工作过程
所有的“IN”灯
第二步
将RUN/STOP开关拨到“RUN”的位置
“RUN”灯
第三步
将RUN/STOP开关拨到“STOP”的位置
“RUN”灯
第四步
将SA拨到启动位置
指示灯HL1、HL2、HL3、HL4和HL5
第五步
按下SB4
第六步
按下SB1
第七步
按下SB2
第八步
按下SB3
第九步
再次按下SB4
第十步
第三次按下SB4
第十一步
5S后再次按下SB4
在进行抢答器控制系统的梯形图程序设计、上机编程、模拟仿真及线路安装与调试的过程中，时常会遇到如下问题：
问题1：
在进行PLC外部输出指示灯的接线时错将电源接到AC220V上。
后果及原因：
在进行PLC外部输出指示灯的接线时错将电源接到AC220V上，会烧毁指示灯，严重时会损坏PLC。
预防措施：
应根据I/O接线图，将PLC外部输出指示灯接到DC24V的电源上。
问题2：
在进行微分指令PLS的元件编号的输入时，误将“
”输成“
”。
后果及原因：
由于“
”的元件编号代表的是上升沿微分输出指令，它仅在驱动输入ON后一个扫描周期内，软元件Y或M动作。
若误输成“
”将不能得到脉宽为一个扫描周期的单脉冲。
预防措施：
在进行微分指令PLS的元件编号的输入时，应选择“
”的元件编号，而不能选择“
”的元件编号。
对任务实施的完成情况进行检查，并将结果填入表2-4-7所示评分表内。
表2-4-7评分标准
序号
主要内容
考核要求
评分标准
配分
扣分
得分
1
电路设计
升级会员 