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1、2011届 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）三参赛组抢答器PLC控制Xxx重庆三峡学院应用技术学院机械设计制造自动化（数控）2007级 重庆万州 404100摘要 随着我国经济和文化实业的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，诸如证券、股票交易及各种智力竞赛等，因此出现了抢答器。最初的抢答器是由优先权编码器构成的逻辑电路，其运算速度慢，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更加困难。因此，一种能够体现竞赛的公开、公平、公正性的知识竞赛抢答器成为一种需求。本设计将以PLC为核心设计了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案，在保留
2、了原始抢答器的基本功能的同时又增加一系列的实用功能并简化其电路结构，其将以其控制方便，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，从而使得竞赛不断完善其公平、公正性。关键词：PLC 抢答器 三路 IO分配第一章 引言 在学校里经常会举办各种各样的智力竞赛，都会用到抢答器，目前市场上已有很多类型的竞赛抢答器，但其中绝大多数都是早期设计的，采用模拟电路、数字电路或得模数混合电路的产品。这些抢答器已相当成熟，但是随着功能增多，电路也越复杂，并且成本偏高，故障率高，显示方式简单或者没有，无法准确判断抢按钮的行为，也不便于参数调节及功能的升级换代。今年来随着科技的飞速发展，单片机、
3、PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。可编程控制器是以微机技术为基础发展起来的新一代控制装置，是实现自动化控制的理想工具之一，它有着传统继电接触控制无法比拟的优点，因而在控制领域中得到了广泛应用，若采用可编程控制器制作抢答器，则比用逻辑电路和继电器制作的抢答器具有更多的优点，其结构简单，抗干扰能力强，运行稳定可靠，定时准确，可方便地设置定时时间，编程容易，功能扩展方便，修改灵活。本设计就是利用PLC作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生。PLC的性能优势必会是的竞赛真正达到公平、公正、公开。第2章 绪论2.1 课题研究背景目前国内外市场上已有很多类型的知识竞赛抢答
4、器，其大致采用模拟电路、数字电路、单片机或者PLC芯片、计算机控制系统等四类产品。对于采用模拟电路或者数字电路的产品，其技术相当成熟。但是随着功能的增多，电路也越复杂，并且成本偏高，故障率高，显示方式简单或者没有，无法准确判断抢按按钮的行为，也不便于参数调节及其功能的升级换代。对于计算机控制系统来说，其程序简单，反应灵敏，便于参数调节及其功能的升级换代，但鉴于其必须配合计算机实用，可操作性差，没有得到广泛的应用。而对于科技飞速发展的今天，PLC、单片机应用的不断深入，带动了传统控制检测技术的不断更新，并鉴于其本身具有的优点，以PLC、单片机为核心的部件成为主流。传统的普通抢答器主要存在一下缺点
5、： 在一次抢答过程中，当出现超前违规抢答时，只能处理违规抢答信号，而对没有违规的有效信号不能进行处理，因而使该次抢答过程变为无效。 当有多个违规抢答时，优先编码电路只能选择其中一个，或利用抢答电路电子元件的“竞争”选择其中一个。对于后者由于抢答电路制作完毕后电子元件被固定，各路抢答信号的“竞争”能力也被固定，因而本质上也有优先权。普通抢答器存在不公平性。 当有多个违规抢答时，普通抢答器只能“抓住”其中一个违规者。因而出现了“漏洞”。现在大多抢答器都是以PLC、单片机为控制核心的智能抢答器，它对采样获得的各种抢答信号进行分析。但仅有抢答功能的抢答器已经不能满足当今社会的需要。该设计不但有抢答功能
6、，而且还有一个计分系统，能分别对四个选手进行计分，并能够对分数进行加、减。带计分功能的智能抢答器将会取代一般的智能抢答器，更好的服务于社会。2.2 课题研究内容系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否
7、成功的关键。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化2。硬件电路的设计最重要的选择可编程的PLC，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用三菱FX可控制编程。此编程工具更有可靠、可拓展、可维护性。并且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
8、，一般工人也能很快掌握3。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。第三章 PLC概述3.1 PLC的简介 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(Programmable Logic Controller)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
9、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（Programmable Controller），简写为PC。后来由于PC这个名称常常被用来称呼个人电脑（Personal Computer），为了区别，现在也把可编程控制器称为PLC，以下如图3.1.1、图3.1.2、图3.1.3是几种PLC外形结构图。图3.1.1 SANLINGFX-2N型PLC图3.1.2 西门子S7-200型PLC 图3.1.3system_200v型PLC3.2 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
10、同，如图3.2.1所示：图3.2.1 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
11、，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。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
12、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。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
13、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。（4） 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 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
14、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。 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）。3.3 PLC 的特点3.3.1 编程方法简单易学考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传
15、统读图习惯，可编程序控制器配备了他们易于接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图相当接近，只用可编程序控制器的二十几条开关量逻辑控制指令就可以实现继电器电路的功能。通过阅读可编程序控制器的使用手册活接受短期培训，电气技术人员或技术工人只需要几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。简易编程器的操作和使用也很简单。上述特点是可编程序控制器近年来获得迅速普及的原因之一。这种编程语言的出现，促进了一次新的社会分工，即由计算机专业人员研制可编程序控制器的硬件和编程语言，并用汇编语言设计可编程序控制器的系统程序，使可编程序控制器成为一种通用的控制装置；工厂的自控和
16、电气人员根据被控设备的具体情况，用他们最容易掌握的梯形图语言编制用户程序。因此，即使不熟悉电子线路、不懂计算机原理和汇编语言的人，在自动化领域也大有用武之地，在计算机时代也可大显身手。梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，可编程序控制器在执行梯形图程序时，用解释程序将它“编译”成汇编语言后再去执行。与直接用汇编语言编写的用户程序相比，执行时间要长一些，但是对于大多数控制设备来说，这是微不足道的。3.3.2 硬件配套齐全，用户使用方便可编程序控制器配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作，只是确实可编程序控制器的硬件配置和设计外部接线图
17、而已。可编程序控制器的安装接线也很方便，各种外部接线都有相应的接线端子。可编程序控制器的输入/输出端可以直接与AC 200V或DC 24V的强电信号相接，它还具有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器的线圈。3.3.3 通用性强，适应性强由于可编程序控制器的系列化和模块化，硬件配置相当灵活，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。3.3.4 可靠性高，抗干扰能力强绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。例如FX系列可编
18、程序控制器在幅度为1000V、宽度1s的脉冲干扰下能可靠地工作。从实际的使用情况来看，用户对可编程序控制器的可靠性都相当满意。可以说，可编程序控制器是可靠性最高的工业控制设备，可编程序控制器的平均无故障时间可达30万小时。如果使用冗余控制系统，可靠性还可以进一步提高。事实上，在可编程序控制器控制系统中发生的故障，绝大部分都是由可编程序控制器外部的开关、传感器和执行元件引起的。可编程序控制器用软件取代了继电器系统中容易出现故障的大量触点和接线，这是可编程序控制器具有高可靠性的主要原因之一。除此之外，可编程序控制器还采取了一系列抗干扰、提高可靠性的措施。可编程序控制器的故障分为永久性故障和可以恢复
19、的故障。由于外部或内部的原因，系统的某些元器件损坏或失效引起的不可恢复的故障称为永久性故障。可编程序控制器周期性地检测系统的硬件，发现永久性故障时，查明故障的种类，自动地采取相应的措施，尽可能减轻故障对系统的影响，同时通知操作人员。可编程序控制器还有检查用于保持存储器中的信息的锂电池电压是否过低，交流电源是否掉电，输入、输出电路的电源电压是否超过允许的范围等。在写入、编辑程序时，还要检查正在写入的用户程序的语法错误，发现问题后，可编程序控制器自动做出相应的反应，如报警、封锁输出等。可以恢复的故障有电磁干扰引起，干扰往往以窄脉冲的形式从电源线或I/O引线进入可编程序控制器内部。瞬时出现的干扰脉冲
20、可能使可编程序控制器偏离正常的程序执行路线，将内存空间中某一随机的区域中的内容当作程序来执行，一般不能自动返回正常的程序执行路线。从外部看，系统处于瘫痪状态。为了削弱和消除干扰对系统的影响，可编程序控制器采取了很多硬件措施，以切断干扰进入可编程序控制器的途径。滤波是最主要的措施之一，在电源电路和I/O模块中设置了大量的滤波电路，如RC,RL和形滤波电路，它们对高频干扰信号有良好的抑制作用。电源是干扰进入可编程序控制器的主要途径之一，对于微处理器用的直流5V电源，采取了多级滤波和稳压的措施。隔离是抗干扰的另一主要措施，可编程序控制器的输入、输出电路一般用光电耦合器来传递信号，继电器型输出模块则用
21、继电器实现隔离。采用以上隔离措施后，使外部电路与CPU模块之间完全没有电路上的联系，有效抑制了外部干扰源对可编程序控制器的影响，还可以避免外部电路的高电压窜如CPU模块。在工业环境下，往往存在着强烈的空间电磁干扰，为了消除其影响，用导电导磁材料屏蔽可编程序控制器的电源变压源，并用良好的导电材料屏蔽易受空间电磁波干扰影响的CPU模块。即使采取了以上措施，强干扰仍然可能进入可编程序控制器的CPU模块，是可编程序控制器偏离正常的程序运行路线。作为一种补救措施，用监控定时器（Watch Dog，俗称看门狗）使可编程序控制器自动恢复正常的工作状况。监控定时器是一种硬件定时器，它的定时时间大于可编程序控制
22、器的最大扫描周期。可编程序控制器在正常工作时，每一次扫描都将它复位，使它重新开始定时，它不会因为定时时间到而动作。如果干扰使可编程序控制器不再执行正常的扫描程序，监控定时器不再被周期性的复位，当它的定时时间到时，它产生的输出脉冲重新启动系统，使可编程序控制器恢复正常工作。这一自恢复过程所用的时间是很短的（小于1s），对系统的正常工作不会有什么影响。干扰有可能使可编程序控制器中的用户程序遭到破坏，求和检查（Sum Check）可以诊断这种故障。在可编程序控制器运行时，CPU周期性地将用户存储器各字节中的数相加，并与运行开始时的值相比较，如果总数变化，可以断定用户程序遭到破坏，CPU自动做出相应的
23、处理。由于采取了以上抗干扰措施，可编程序控制器具有用户完全可以信赖的极高的可靠性。3.3.5 系统的设计、安装、调试工作量少可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少很多。可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，输出信号的状态可以观察可编程序控制器上有关的发光二极管，调试好后再将可编程序控制器安装在现场统调。调试过程中发现
24、的问题一般通过修改程序就可以解决，调试花费的时间比继电器系统少很多。3.3.6 维修工作量小，维修方便可编程序控制器的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除可编程序控制器的故障。3.3.7 体积小，能耗低以OMRON的CPM1A型超小型可编程序控制器（10个I/O）点为例，其底部尺寸仅为90mm67mm，功耗30VA。由于体积小，可编程序控制器很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。3.4 PLC工作原理3.4.1 循
25、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
26、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。3.4.2 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。（）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。（）用来存储工作数据的区域称为工作数据区。（）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。3.4. 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
27、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。3.4. PLC的分类及性能指标（）按I/O点数容量分类小型机（I/O点数小于256点）。典型的小型机有SIEMENS公司的S7-200系列。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。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。（）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。整体式结
28、构微型和小型PLC一般为整体式结构。如西门子的S7-200。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。（）PLC的性能指标/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。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。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。指令系统它是衡量P
29、LC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。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。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。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。3.5 PLC的应用领域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
30、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：（） 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。（）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
31、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。（）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（Proportional Intergral Derivative）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。（）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
32、。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。（）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。第四章 整体方案选择4.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
33、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。4.2设计要求设计一个三参赛组的抢答器装置，主持人通过控制台的按钮控制比赛的进行。为了使比赛的评判工作更透明，也为了方便观众了解各组的战绩，抢答器装置应设置必要的显示，对抢答器的功能要求如下：1、比赛开始或宣布下一个题
34、目之前，主持人要按一次复位按钮，使所有显示灯均灭。2、为了控制比赛时间，回答问题必须在14S内完成，超时按错误论处。当主持人公布题目并按下强大按钮后，参赛者必须在两秒抢答时间，超过两秒没人抢答，则题目作废，在抢答无效。两秒之内按下抢答按钮，这时控制台上的答题记时指示灯亮，自此抢答有效。当14S到时，答题记时灯灭。3、先按下按钮的参赛组，其桌面上的指示灯亮，后按下按钮的参赛组指示灯不亮。4、若回答正确，主持人按控制台的正确按钮时，其一，播放一小段音乐；其二，由改组的奖品箱中弹出一个小奖品。5、没有得到抢答权的参赛组不可能得到加分。比赛结束时，按获奖品数的多少论胜负。4.3 用单片机和PLC分别做
35、系统的比较 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
36、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
37、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
38、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
39、，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。第五章 抢答器的工作原理与机电控制原理区别不大，PLC控制主要是通过程序语言来实现，用程序语言主要是为了替代硬接线控制电路过于频繁的改变接线方式带来的不便，从而只需改变程序语言的某个程序片断或几个指令便可实现控制要求。与基本微机类似，PLC也是由软件和硬件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常工作。软件分为系统软件和应
40、用软件两部分。PLC的基本工作过程如下：输入现场信息：在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点，读入各输入点的状态；执行程序：顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算；输出控制信号：根据逻辑运算的结果，输出状态寄从器（锁从器）向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑功能。 上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC的扫描周期通常为几十ms。在实际应用中，大多数机械设备的工作过程可以分为一系列不断重复的顺序操作，PLC的工作方式与此相似。因此，PLC的程序可与机器的动作一一对应，程序编制简单、直观，不容易出错，而且容易修改，从
41、而大大减少了软件的开发费用，缩短了软件的开发周期。 为了提高工作的可靠性，即使接收外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除了完成上述操作外，通常还要进行故障自诊断，完成与编程器等的通信。因此，整个扫描过程如图： 每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。 诊断结束后，如没有发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有则进行相应的处理，比如，
42、接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行拥护程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。然后从自诊断开始，进行第二轮扫描。PLC就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，后因停电、出现故障等才停止工作。第六章 硬件系统设计抢答器通过PLC进行按控制要求编程，其主要的输入就是通过裁判员和参赛选手的按钮，然后将信号传递给信息分析中心（PLC），PLC将根据信号作出相应的响应。KA4 - 答题14秒计时指示灯FU- 熔断器 L- 火线 N- 零线 第七章 软件系统设计7.1 整体设计根据PLC三路抢答器
43、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。7.2 根据设计要求画出I/O连接图 7.3 抢答器PLC梯形图程序 PLC声光智能抢答器的控制的程序梯形图如图所示。本程序简洁易懂、便于修改、使用性强、条理性强，具体如下。 7.4 课程设计说明书：I/O口分配7.4.1 I口： 00000-SB 主持人控制抢答按钮（启动）按钮 00001-SB1 第一参赛
44、组抢答按钮 00002-SB2 第二参赛组抢答按钮 00003-SB3 第三参赛组抢答按钮 00004-SB4 主持人控制复位按钮（停止）按钮 00005-SB5 主持人控制奖励按钮（回答正确）按钮7.4.2 O口： 01000 输出第一参赛组抢答信号 01001 输出第二参赛组抢答信号 01002 输出第三参赛组抢答信号 01003 输出超时报警信号 01004 输出答题正确信号 01005 输出奖励信号 7.5 外部接线用电器任务分配 KA1 控制抢答组一，同时锁住抢答组二、三 KA2 控制抢答组二，同时锁住抢答组一、三 KA3 控制抢答组三，同时锁住抢答组一、二 KA4 控制报警灯 KA5 控制答题正确信号灯A KA6 控制礼物盒B7.6 PLC生成指令语句表使用FXGPWIN软件的转换功能，生成下列语句表 LD 00000 AND NOT TIM000OR 20000 AND NOT 00004AND NOT 00004 OUT 01000OUT 20000 LD 00002LD 00005 OR 01001OR 01004 AND 20000AND NOT 00004 AND NOT 01000OUT 01004 AND NOT 01002LD 20000 AND NOT TIM000AND NOT 01000