四路抢答器论文.docx

1、四路抢答器论文河 南 工 业 职 业 技 术 学 院Henan Polytechnic Institute毕业设计（论文）题 目：基于PLC四路抢答器的设计班 级：机电姓 名：指导教师：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

2、文明、娱乐活动的必备产品。本次设计是利用PLC（Programmable Logic Controller）对PLC控制的四路智力抢答器进行控制。首先，设计这个题目之前，应该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控制的四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及在工作过程中可能出现的各种问题。这次设计考虑到只是PLC控制的四路智力抢答器则输出端口需要25个，输入端口需要7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SIMATIC S7-2

3、00系列的CPU226和数字量扩展模块EM223（DI16/DO16）作为本次设计。S7-200系列的CPU226具有方便灵活，维护使用方便等特点。关键词：智力控制，四路抢答器，PLC，SIMATIC，S7-200第一章 PLC四路抢答器的介绍1.1 PLC抢答器概述抢答器是各类电视知识竞赛中广泛使用的一种设备，该设备在操作过程中方便简单，以前举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。抢答器分为好多种，无论是四组、六组、八组不管那种产品都是为了公平和简单，并且在造价上也比较合理。在操作的过程中能够及时和准确的反应选手抢答的情

4、况。应用抢答器代替以前的举手答题，显得更人性化，更灵活。其产品特点：1、设备连接简洁明晰，设备操作无需技术培训。2、造价低，使用方便。3、灵敏度高，维护方便等。1.2四路抢答器工作原理我以四路抢答器为例，供4组选手参加比赛选手参赛，在主持人那里有三个按钮（开始、复位、答题计时开始）每当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答按钮，则数码管1就显示该组的编号，同时绿色指示灯亮，音响电路给出信箱提示信号（持续3S），以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不再响应。选手答题完毕后，由主持人按下复位按钮，系统才能开始下一轮抢答。若选手在未开时抢答试题时抢答了，则视为违规，违规时数码管1显示其编号，同

5、时红灯亮，音响电路发出声响。当主持人按下开始按钮后，定时器T0开始计时（设定30S）。若30S时限时到仍无人抢答，则黄灯亮、音响电路3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开始按钮，同时数码管2、3上显示答题倒计时时间（该时间设定为50S），选手必须在设定的时间内完成答题。否则，音响电路发出答题超时报警信号。第二章 PLC概述2.1 PLC的定义、组成及特点2.1.1 PLC的发展及定义PLC 是在继电器控制技术、计算机技术和现代通信技术的基础上逐步发展起来的一项先进的控制技术。在现代工业发展中 PLC 技术、CAD/CAM 技术和机器人技术并称为现代工业自动化的三大支柱

6、。它主要以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、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(I/O)来控制各种生产过程。20世纪60年代以前， 用以对工业生产进行自动控制的装置是继电器-接触器控制系统。这种系统存在一些缺陷，如，系统的能耗较多；工艺流程的更新需要大量的人力物力；因系统是通过各种硬件接线的逻辑控制来实现系统的运行，导致机械触点较多，系统运行的可靠性较差等。到了 60 年代以后，美国汽车制造业为适应市场需求不断更新汽车型号，要求及时改变相应的加工生产线。 而汽车生产流水线基本上都是采用传统的继电器-接触器控制，所以整个系统就必须重新设计和配置。汽车生产流水线的更换

7、越来越频繁，原有的继电器-接触器控制系统就经常需要重新设计安装，这不但造成极大的浪费，而且新系统的接线也非常费时，从而延长了汽车的设计生产周期。在这种情况下，采用传统的继电器接触器控制就显出许多不足。 1968 年美国 General Motors(GM)公司首次公开招标，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出了著名的 10 项招标指标，即著名的“GM十条”(1) 编程简单，可在现场修改程序。 (2) 系统的维护方便，采用插件式结构。 (3) 体积小于继电器控制柜。 (4) 可靠性高于继电器控制柜。 (5) 成本较低，在市场上可以与继电器控制柜竞争。(6) 可将数据直接送入计

8、算机。 (7) 可直接用交流 115V 输入(注：美国电网电压是 110V)。(8) 输出采用交流 115V，可以直接驱动电磁阀、交流接触器等。 (9) 通用性强，扩展方便。 (10) 程序可以存储，存储器容量可以扩展到 4 KB。 如果说电子技术和电器控制技术是可编程逻辑控制器出现的物质基础，“GM 十条”就是可编程逻辑控制器出现的技术要求基础，也是当今 PLC 的最基本的功能。 1969年美国数字设备公司(DEC)根据这10项技术指标的要求研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP-14，并成功地应用在 GM 公司的生产线上。第一台 PLC 采用计算机的初级语言编写应用程序，其 CPU 采用中、

9、小规模集成电路组成，以逻辑运算为主，它实质上是一台专用的逻辑控制计算机。1971 年，日本引进了这项技术，并开始生产自己的 PLC。1973 年，欧洲一些国家也生产出自己的 PLC。1974 年，我国开始了 PLC 技术的研究，并在 1977 年研制出第一台具有实用价值的 PLC。在这一时期，PLC 主要是用于顺序控制。随着半导体技术，尤其是微型计算机技术的发展，到了 20 世纪 70 年代中期以后，PLC 广泛采用微处理器作为中央处理器，并且在外围的输入/输出(I/O)电路中逐渐使用了大规模和超大规模的集成电路，这时的 PLC 已经不仅仅具有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID 调节和通

10、信联网功能。虽然美国电气制造商协会(NEMA)将其正式命名为可编程控制器(Programmeble Controuer，PC)，但由于近年来 PC 又可表示为个人计算机(Personal Computer)，为了加以区别，人们常把可编程控制器称为 PLC。 1987 年国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器（PLC）标准草案中对 PLC 作了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编

11、程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。 PLC发展至今大体经历了 3个主要阶段： (1)从 20 世纪 60 年代 PLC 产生到 70 年代，占支配地位的 PLC 技术是处在序列发生器状态机(sequencer state machines)和基于 CPU 的位片(bit-slice)技术之间。AMD 2902和2903 在施奈德公司的 Modicon 和 Rockwel(公司的)A-B PLC 中非常流行。传统的微处理器主要用于小型的 PLC， 但缺乏快速处理的能力。 PLC 的主要功能基本局限在逻辑控制阶段,各个生产公司都是以单机为主

12、发展硬件技术，为各类继电器-接触器控制系统设计开发各种基本型号和具有基本逻辑控制功能的 PLC。 (2) 1973 年，PLC 具有了通信能力，PLC 之间可以进行相互对话，使得它们可以远离工业控制现场。PLC 之间也可以发送和接收各种电平，从而进入模拟控制的世界。但由于缺乏统一的标准，使得协议和物理网络均无法兼容，在某种程度上影响了 PLC 的通信联网能力。到了 80 年代末期，随着工业电器自动化程度的不断提高，在开发研制 PLC 单机功能的同时，还着重加强了软件技术的开发，提高 PLC 的联网和通信功能，并且许多公司还加强了特殊功能模块的研制。 (3)20 世纪 90 年代以来，由于大规模

13、和超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，同时为了适应计算机集成制造系统(CIMS)和现代网络技术，PLC 由单 CPU 转向多 CPU，16 位和 32位微处理器被大量应用于PLC中，使其运算速度、通信联网、图像显示和数据处理功能都大大增强。同时随着通信联网技术的发展，新通信协议断产生。最新的标准(IEC 1131-3)已经尽量将 PLC 编程语言融合为一个国际标准。现在，我们可以同时使用功能模块图(function block diagram)、指令表(instruction list)、梯形图(ladder diagram)和结构化文本(structured text)等对 PLC 进行

14、编程。在现代工业控制系统中，PLC 已经真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理和联网通信等功能的多功能控制器。2.1.2 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2.1 PLC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。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 映像区，然后从用户程序存

15、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 映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像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） 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。(一) PLC 常用的存储器类型RAM (Random Assess Memor

16、y)，这是一种读/写存储器(随机存储器) ，其存取速度最快，由锂电池支持。EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。(二) PLC 存储空间的分配虽然各种PLC 的CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC 的工作原理其存储空间一般包括以下三个

17、区域：系统程序存储区；系统RAM 存储区(包括I/O映像区和系统软设备等)；用户程序存储区。1系统程序存储区在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序、等由制造厂商将其固化在EPROM 中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该PLC 的性能。 系统RAM 存储区系统RAM存储区包括I/O 映像区以及各类软设备如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器、等存储器。用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的PLC 其存储容量各不相同。总之可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，

18、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。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（一）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。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.115ms之间。多数PLC的输入接口单元都相同，通常有两种类型。一种是直流输入，一种是交流输

19、入。（二）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，通过继电器闭合的触点，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。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

20、，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。根据输入、输出电路的结构形式不同，I/O借口又可以分为开关量I/O和模拟量I/O两大类。其中模拟量I/O要经过A/D，D/A转换电路的处理，转换成计算机系统所能识别的数字信号，在整体机构的PLC中，有开关量的交，直流I/O模块，和模拟量I/O模块及各种智能I/O模块可供选择。PLC输入电路和输出电路各种不同结构形式能够适应各不同负载的要求。4、接口

21、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（一）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。（二）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。5、电源PLC 的电源在整个系统中起着十分重要

22、得作用。如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将PLC 直接连接到交流电网上去。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）。2.1.3 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

23、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。 2、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器

24、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。 3、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。 4、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

25、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。5、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、

26、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。2.2 PLC工作原理2.2.1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。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

27、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像寄存器中。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，根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映像寄存器。2.2.2 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

28、决定了PLC的功能，用户不能更改其内容。2.3 PLC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

29、制电路图相同的功能。图2.2PLC控制的梯形图程序2.4 PLC的分类及性能指标2.4.1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2561024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。2.4.2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S

30、7-200。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。2.4.3 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2KB2MB。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

31、，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。 第三章 系统硬件设计3.1整体设计根据抢答器的控制要求，应用程序采用模块化结构，由主程序构成。抢答器的操作控制系统为手动操作运行系统。手动操作运行系统是为了抢答器能够有及时性和准确性；在使用时，用户只需在操作

32、面板上选择相应的按钮按下，就会实现相应的功能。控制软件应用SIEMENS编程软件，采用梯形图语言编写。根据系统控制要求，进行针对性设计，要充分保证系统的准确，保证整个系统的运行可靠。当中充分应用各个过程的互锁来保证系统的安全。整体设计工作流程图如图3.1所示。图3.1 工作流程图3.2控制系统选取抢答器使用时涉及到准确性和及时性，而且使用的环境非常严谨，所以，对设备的可靠性要求很高。为此，我们将采用的控制系统进行全面的分析对比。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：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，因而能在要求较高环境下可靠工作。2、体积