基于PLC及Wincc的智力競賽搶答控制裝置設(shè)計說明書

1、分布式控制課程設(shè)計設(shè) 計 題 目： 一個智力競賽搶答控制裝置的設(shè)計 學(xué) 校： 上海交通大學(xué) 院 系： 設(shè) 計 人 員： X DD 指 導(dǎo) 教 師： SSSSSSSSSS 目 錄1 緒論- 1 -2 整體功能介紹- 1 -2.1任務(wù)描述- 1 -2.2智力競賽搶答控制裝置要求:- 2 -2.3控制裝置要求分析- 2 -3 硬件電路設(shè)計- 4 -4 軟件設(shè)計- 5 -4.1輸入輸出IO分配- 5 -4.2梯形圖設(shè)計- 6 -4.2.1創(chuàng)建符號表- 7 -4.2.3創(chuàng)建組織塊OB1- 8 -4.3 STEP 7仿真調(diào)試及運行- 17 -4.3.1調(diào)試方案確定- 17 -4.3.2軟件仿真調(diào)試- 18

2、 -5 SIMATIC WinCC仿真- 20 -5.1 創(chuàng)建新的驅(qū)動程序- 20 -5.2建立變量表- 21 -5.3創(chuàng)建運行畫面- 21 -6 小結(jié)與心得體會- 22 -7 參考文獻- 23 -1 緒論隨著我國經(jīng)濟和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多競爭場合都要求有快速公正的額競爭裁決，例如證券、股票交易及各種智力競賽等。在現(xiàn)代生活中，智力競賽更是作為一種生動活潑的教育形式和方法能夠引起觀眾的極大興趣。而在競賽中往往分為幾組參加，這時針對主持人提出的問題，各組一般都要進行必答和搶答，對必答一般有時間限制，到時有聲響提示；對于搶答，要判定哪組先按鍵，為了公正，這就要有一種邏輯電路搶答器作為裁判員，一般搶

3、答器由很多門電路組成，線路復(fù)雜，可靠性低，特別是搶答路數(shù)增多時，實現(xiàn)起來就更加困難。目前國內(nèi)外市場上已有很多類型的知識競賽搶答器，其大致采用模擬電路、數(shù)字電路、單片機或者PLC芯片、計算機控制系統(tǒng)等四類產(chǎn)品。對于采用模擬電路或者數(shù)字電路的產(chǎn)品，其技術(shù)相當(dāng)成熟。但是隨著功能的增多，電路也越復(fù)雜，并且成本偏高，故障率高，顯示方式簡單或者沒有，無法準(zhǔn)確判斷搶按按鈕的行為，也不便于參數(shù)調(diào)節(jié)及其功能的升級換代。對于計算機控制系統(tǒng)來說，其程序簡單，反應(yīng)靈敏，便于參數(shù)調(diào)節(jié)及其功能的升級換代，但鑒于其必須配合計算機實用，可操作性差，沒有得到廣泛的應(yīng)用。而對于科技飛速發(fā)展的今天，PLC、單片機應(yīng)用的不斷深入，帶

4、動了傳統(tǒng)控制檢測技術(shù)的不斷更新，并鑒于其本身具有的優(yōu)點，以PLC為核心的部件成為主流。2 整體功能介紹智力競賽搶答控制裝置，顧名思義就是用于比賽時，跟對手比反應(yīng)時間，思維運轉(zhuǎn)快慢的新型電器。隨著社會科技技術(shù)的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用場合也隨之增加；技術(shù)含量大大提升；更加方便可靠。目前，形式多樣、功能完備的搶答器已廣泛應(yīng)用于電視臺、商業(yè)機構(gòu)、學(xué)校及企事業(yè)單位，它為各種競賽增添了刺激性、娛樂性，在一定程度上豐富了人們的業(yè)余生活。用PLC進行知識競賽搶答器設(shè)計，其控制方便，靈活，只要改變輸入PLC的控制程序，便可改變智力競賽搶答控制裝置的搶答方案。2.1任務(wù)描述 在各種形式的智力競賽中，搶答器作為智力競賽

5、的評判裝置得到了廣泛的應(yīng)用。設(shè)計搶答器的原則是：（1）可以根據(jù)參賽者的情況，自動設(shè)定允許搶答的等候時間。（2）能夠用聲光信號表示競賽狀態(tài)，調(diào)節(jié)賽場的氣氛。（3）根據(jù)比賽規(guī)模的大小要求，能夠自由調(diào)整參賽人數(shù)。為簡單起見，在賽場安排有4個搶答桌，系統(tǒng)組成如圖1所示。在每個搶答桌上有搶答按鈕，只有最先按下的搶答按鈕有效，伴有聲、光指示。在規(guī)定的時間內(nèi)搶答時才能回答問題，否則無效。音箱圖2.1 智力搶答器系統(tǒng)組成2.2智力競賽搶答控制裝置要求:（1） 當(dāng)出題人說出問題且按下開始按鈕SB1后（復(fù)位按鈕SB0），在10s之內(nèi)，4個參賽者中只有最早按下?lián)尨鸢粹o的人搶答有效。（2） 每個搶答桌上安裝1個搶答按

6、鈕（SB2-SB5），1個指示燈。搶答有效時，指示燈（EL1-EL4）快速閃亮3s，賽場中的音響裝置（B）響2s。（3） 10s后搶答無效。2.3控制裝置要求分析智力競賽搶答控制裝置是由兩大部分組成：搶答塊和執(zhí)行塊。搶答塊中主要有關(guān)主持人及參賽者搶答的與或關(guān)系。能完成任務(wù)1中的相應(yīng)要求，避免四位參賽者同時搶得到回答提問的機會。執(zhí)行塊中主要執(zhí)行指示燈的閃爍及賽場音響的通斷。兩個主要塊在編寫程序的過程中需注意以下幾點：（1） 四位參賽者的搶答器需進行互鎖，避免同時搶答，并加入一個10s的中間繼電器，用于計時。（2）當(dāng)參賽者奪得搶答權(quán)時，指示燈需進行一定規(guī)律的閃爍。并在規(guī)定的閃爍3秒后能保持常亮狀態(tài)

7、，當(dāng)主持人重新復(fù)位后，指示燈可以重新關(guān)斷。（3）盡可能的簡短PLC的掃描周期，以便提高系統(tǒng)的運算速度。并使用上升沿的觸點，避免在掃描周期時按鈕執(zhí)行動作。（4）減少暫時不產(chǎn)生作用卻仍處接通狀態(tài)的繼電器的數(shù)量，以此減少能耗，使程序更加合理。綜合以上分析，做出智力競賽搶答控制裝置的結(jié)構(gòu)流程圖（圖2.2所示）。開始四組搶答搶答相應(yīng)燈亮，音響響按復(fù)位鍵返回結(jié)束是否到10s是否是開始搶答鍵是否按下否圖2.2 結(jié)構(gòu)流程圖3 硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)對PLC的I/O總要求為：6個開關(guān)量輸入點，5個開關(guān)量輸出點。綜合考慮各方面因素及進一步發(fā)展的要求，設(shè)計選擇西門子S7300系列PLC為控制核心，CPU模塊可選用CPU

8、314C2DP，具體配置如圖3.1所列。圖3.1 PLC系統(tǒng)配置表圖3.2 系統(tǒng)硬件配置狀況知識競賽搶答器通過PLC進行按控制要求編程，其主要的輸入就是通過裁判員和參賽選手的按鈕，然后將信號傳遞給信息分析中心（PLC），PLC將根據(jù)信號作出相應(yīng)的響應(yīng)。知識競賽搶答器有六個輸入信號（即六個按鈕），六個輸出信號（即五個臺燈信號、一個音響信號）。由上可知PLC共有六個輸入點，六個輸出點。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如下圖3.3所示：PLCSB0SB1SB2SB3SB4SB5SB41號臺燈2號臺燈3號臺燈4號臺燈音 響圖3.3 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖4 軟件設(shè)計4.1輸入輸出IO分配表4-1 知識競賽搶答器輸入輸出口分

9、配表輸入信號輸出信號名稱代號內(nèi)部地址名稱代號內(nèi)部地址裁判臺復(fù)位按鈕SB0I0.0/M3.01號參賽臺燈EL1Q1.1裁判臺開始按鈕SB1I0.1/M3.12號參賽臺燈EL2Q1.21號賽臺搶答器按鈕SB2I1.0/M4.13號參賽臺燈EL3Q1.32號賽臺搶答器按鈕SB3I1.1/M4.24號參賽臺燈EL4Q1.43號賽臺搶答器按鈕SB4I1.2/M4.3音 響B(tài)Q0.04號賽臺搶答器按鈕SB5I1.3/M4.4為了硬件電路接線方便和程序清晰易讀，用SB0作為裁判臺復(fù)位按鈕，使進入下輪比賽開始。用SB1作為裁判臺開始按鈕，四個參賽隊分別用與之對應(yīng)號SB1、SB2、SB3、SB4設(shè)置按鈕。輸出與

10、輸入對應(yīng)，用Q1.1輸出信號驅(qū)動比賽開始信號燈EL1，同理用Q1.2、Q1.3、Q1.4、輸出信號驅(qū)動對應(yīng)的信號燈EL2、EL3、EL4。Q0.0輸出信號驅(qū)動音響。4.2梯形圖設(shè)計應(yīng)用程序是PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。對于一個較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，在具體設(shè)計應(yīng)用程序之前，一般先要選擇合理的程序結(jié)構(gòu)。合理的程序結(jié)構(gòu)，不但能使編程工作簡化，程序執(zhí)行效率高、可讀性強、可維護性好，而且還能起到事半功倍的效果。線性化程序結(jié)構(gòu)式小型、簡單控制系統(tǒng)最常使用的結(jié)構(gòu)，其特點是整個控制程序都放在組織塊OB1中。 圖4.1 程序設(shè)計流程圖圖 圖4.2 指示燈和音響運行圖 4.2.1創(chuàng)建符號表用STEP7符號表定義

11、競賽搶答裝置的全局變量，已在表4-2中定義。表4-2 全局變量表4.4.2.2定義OB1的屬性表搶答器裝置的主程序放在組織塊OB1中，它包括所有運行邏輯關(guān)系。圖4.3是組織塊的屬性表。圖4.3 OB1的屬性表4.2.3創(chuàng)建組織塊OB1競賽搶答裝置系統(tǒng)的主程序循環(huán)塊OB1中的梯形圖程序如圖4.4所示。 圖4.4 搶答控制裝置的OB1程序4.3 STEP 7仿真調(diào)試及運行梯形圖建立之后為了保證其正確無誤，需要對其進行檢測。首先梯形圖繪制有其特定規(guī)則，如不能有空行，并聯(lián)時位置有要求等，掌握這些后再修改梯形圖，避免一些錯誤。另外，對梯形圖要進行仿真調(diào)試，以達到預(yù)期的目的。4.3.1調(diào)試方案確定在使用“

12、S7PLCSIM Simulating Modules”STEP7組件正式運行之前，先定義各種運行狀態(tài)，以便查找程序可能產(chǎn)生的錯誤。（1）先接通I0.1，在10s內(nèi)再接通I1.1（I1.2、I1.3、I1.4）觀察：a、Q0.0是否接通，2秒后是否自動關(guān)閉； b、Q1.1（Q1.2、Q1.3、Q1.4）是否閃爍，并記錄下T3與T4的計時狀態(tài)； c、Q1.1（Q1.2、Q1.3、Q1.4）是否閃爍了3次，以檢測計數(shù)器的狀態(tài)。（2）先接通I0.1，過10s后再接通I1.1（I1.2、I1.3、I1.4）觀察：a、Q1.1（Q1.2、Q1.3、Q1.4）觸點是否保持關(guān)斷； b、Q0.0觸點是否保持關(guān)

13、斷； c、其他中間繼電器是否處于關(guān)閉狀態(tài)。（3）先接通I0.1，在10s內(nèi)再接通I1.1（I1.2、I1.3、I1.4）觀察：a、Q1.2（Q1.3、Q1.4）是否閃亮，以此檢測程序互鎖狀態(tài)。（4）在未接通I0.1情況下，先接通I1.1（I1.2、I1.3、I1.4）觀察：a、觀察所有輸入點和中間繼電器是否處于工作狀態(tài)（即相應(yīng)的指示燈是否閃亮）。（5）先持續(xù)接通I1.1（I1.2、I1.3、I1.4），在不釋放I1.1（I1.2、I1.3、I1.4）的情況下，再接通I0.1觀察：a、觀察所有輸入點和中間繼電器是否處于工作狀態(tài)（即相應(yīng)的指示燈是否閃亮）。（6）在正常工作檢測成功后，啟動I0.0觀

14、察：a、相應(yīng)的輸出點Q是否正常關(guān)閉； b、其他中間繼電器及計時計數(shù)器是否復(fù)位。4.3.2軟件仿真調(diào)試用組件“S7PLCSIM Simulating Modules”對所編寫的程序仿真調(diào)試。本實驗調(diào)試為簡單起見只第一組進行搶答，即只接通I1.1。按照確定的調(diào)試方案，結(jié)果如下圖（圖4.5-圖4.11）所示。圖4.5 系統(tǒng)為運行狀態(tài)圖圖4.6 調(diào)試方案1狀態(tài)圖圖4.7 調(diào)試方案2狀態(tài)圖圖4.8 調(diào)試方案3狀態(tài)圖圖4.9 調(diào)試方案4狀態(tài)圖圖4.10 調(diào)試方案5狀態(tài)圖圖4.11 調(diào)試方案6狀態(tài)圖5 SIMATIC WinCC仿真 WinCC是SIMATIC PCS 7過程控制系統(tǒng)及其他西門子公司的控制系

15、統(tǒng)中的人機界面組件。WinCC為垂直市場的解決方案提供了豐富的選件和附加件。眾多的選件將使工廠認(rèn)證更為容易，而這種認(rèn)證更是對工業(yè)領(lǐng)域的各種要求做出了非常有說服力的全面相應(yīng)。為了集成到任何公司內(nèi)的任何自動化解決方案中，WinCC提供了所有最重要的通信通道，用于連接到SIMATIC S5/S7/505控制器的通信，以及如ProfibusDP/FMS、DDE等非專用通道；亦能以選件的形式獲得其他通信通道。由于所有的控制器制造商都為其硬件提供了相應(yīng)的OPC服務(wù)器，因而事實上可以不受限制地將各種硬件連接到WinCC。5.1 創(chuàng)建新的驅(qū)動程序在打開WinCC界面，新建項目之后，如圖5.1所示，在WinCC

16、的變量管理中添加新的驅(qū)動程序SIMATIC S7 Protocol Suite.chn，此時在變量管理里出現(xiàn)SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE，打開它的子目錄，選中MPI并點擊右鍵，打開新驅(qū)動程序的鏈接，在屬性里把插槽號改為2。確定之后就使WinCC與STEP7運用MPI建立連接成功，此時在MPI的子目錄下建立了一個新的鏈接NewConnection_1，并出現(xiàn)了一個握手的圖標(biāo)。圖5.1 創(chuàng)建新的驅(qū)動程序5.2建立變量表在新建立的“NewConnection_1”中建立如圖5.2所示的變量名稱，及相應(yīng)的變量類型和參數(shù)。并且該些變量必須與繪圖編輯器產(chǎn)生連接，也要與STEP7中編寫

17、的變量一一對應(yīng)。圖5.2 建立新的WinCC變量5.3創(chuàng)建運行畫面 使用WinCC軟件創(chuàng)建運行畫面，如圖5.3所示。創(chuàng)建的運行畫面既是現(xiàn)實的仿真畫面，與現(xiàn)實情況相類似。并在畫面中的按鈕分別與圖5.2中建立的變量建立連接，以產(chǎn)生運行效果。最后將該畫面“保存”后設(shè)為“啟動畫面”。圖5.3 創(chuàng)建仿真運行畫面6 小結(jié)與心得體會通過這次分布式控制課程設(shè)計，我對PLC設(shè)計原理、梯形圖、指令表、外部接線有了更深入的了解，同時對WinCC也有了更深入的認(rèn)識，鍛煉了我的動手實踐，團隊協(xié)作的能力。在此次課程設(shè)計中，我們有過為思考問題而焦頭爛額的煩惱，更有最后調(diào)試成功的欣喜若狂。在付出與收獲中，我樂此不疲，享受自己

18、創(chuàng)造的喜悅。從一知半解到調(diào)試成功，我們在學(xué)習(xí)與動手實踐中得到了科學(xué)啟示，人生的感悟。在設(shè)計搶答器的過程中，再一次認(rèn)識到團隊精神以及協(xié)同合作的重要性和優(yōu)越性。我要在盡量讓自己閃光的同時，還要更加注重融入集體。無論是學(xué)習(xí)，還是日常生活，都應(yīng)該繼承和發(fā)揚這種珍貴的團隊精神。我們經(jīng)常上網(wǎng)和去圖書館查找學(xué)習(xí)資料，對不懂的問題及時向授課老師、同學(xué)請教，并做好學(xué)習(xí)記錄，獲取了更多的學(xué)習(xí)信息。在學(xué)習(xí)中經(jīng)常與同學(xué)交流學(xué)習(xí)信息與學(xué)習(xí)方法.一份耕耘，就有一份收獲。我發(fā)現(xiàn)通過開放課程設(shè)計學(xué)到的不僅是知識，最重要的是學(xué)會了一種新的學(xué)習(xí)方法，為我終身的繼續(xù)學(xué)習(xí)，創(chuàng)造了極好的條件和基礎(chǔ)。雖然這次學(xué)習(xí)時間并不長，但是對自主學(xué)習(xí)的要求提高了，通過這樣的學(xué)習(xí)形式，提高了我的學(xué)習(xí)能力。經(jīng)過此次的分布式控制設(shè)計實訓(xùn)，得到了不少的啟示。思考問題以及進行實踐都要嚴(yán)謹(jǐn)，縝密。真所謂小心取證，就是這個道理。讓我重新認(rèn)識了團隊精神的重要性及如何在團隊中盡可能的發(fā)揮自己的長處和優(yōu)勢；如何去學(xué)習(xí)別人的長處，優(yōu)點來彌補自身的不足都有了一定程度的提升。通過學(xué)習(xí)PLC和WinCC的設(shè)計,