畢業(yè)設(shè)計（論文）基于PLC的四路搶答器的設(shè)計

1、包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書題 目：基于 plc 四路搶答器設(shè)計班 級： 自動化系 09 屆機電 d1 班 姓 名： 指導(dǎo)老師： 完成日期： 2011.3.20 包頭剛鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院制2011 年 3 月濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計i包頭鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)實踐任務(wù)書成績及評語表包頭鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)實踐任務(wù)書成績及評語表姓 名性 別男學(xué) 號院（系）自動化專 業(yè)機電一體化班 級三班評語總評成績： 指導(dǎo)教師（簽名）：年 月 日系（教研室）主 任 審 查 意 見 簽字： 年 月 日院領(lǐng)導(dǎo)審 定 意 見 簽字： 年 月 日備 注 論文（設(shè)計、報告）成績按五級記分

2、制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格） ； 未安排答辯的學(xué)生，答辯成績注明“未安排答辯” 。濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計ii摘 要近年來隨著科技的飛速發(fā)展， plc 的應(yīng)用不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)的控制檢測技術(shù)的不斷更新，可編程控制器由于其優(yōu)良的控制性能，極高的可靠性，在各行各業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛普及。對于搶答器其廣泛用于電視臺、商業(yè)機構(gòu)、企事業(yè)工會組織、俱樂部及學(xué)校等單位組織舉辦各種知識、技術(shù)競賽及文娛活動時作搶答之用，為競賽增添了刺激性、娛樂性，在一定程度上豐富了人們的業(yè)余生活，并且給人的視覺效果非常好，是各單位開展素質(zhì)教育、精神文明、娛樂活動的必備產(chǎn)品。本次設(shè)計是利用plc（programm

3、able logic controller）對plc控制的四路智力搶答器進行控制。首先，選擇這個題目之后，我對本次設(shè)計進行了全面的思考。使自己對本次設(shè)計有一個大致的總體思路，然后仔細(xì)分析plc控制的四路智力搶答器的工作原理，以及它的一些工作過程，分析后得出它主要需要完成主持人的控制、選手的搶答、報警、計時及輸出顯示功能等?？紤]到只是plc控制的四路智力搶答器則輸出端口需要25個，輸入端口需要7個，由于plc具有可靠性高、體積小、通用性、使用方便等優(yōu)點，因此，我決定選用simatic s7-200 系列的cpu226和數(shù)字量擴展模塊em223作為本次設(shè)計的plc。具有方便靈活，維護使用方便等特點

4、。關(guān)鍵詞：智力控制，四路搶答器， plc包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 iii目 錄摘 要.ii1 plc 四路搶答器概述 .11.1 plc 四路搶答器概述.11.2 plc 智能搶答器的工作原理.22 plc 概述 .42.1 plc 的產(chǎn)生、定義、組成、特點及發(fā)展趨勢.42.2 plc 工作原理.92.3 plc 的編程語言.92.4 plc 的分類及性能指標(biāo).103 系統(tǒng)硬件設(shè)計.123.1 控制系統(tǒng)選取 .123.2 控制系統(tǒng)的硬件組成 .123.3 系統(tǒng)控制要求 .133.4 控制系統(tǒng) i/o 分配表 .133.5 系統(tǒng)硬件連接圖 .154 系

5、統(tǒng)軟件設(shè)計.174.1 整體設(shè)計 .174.2 plc 控制程序.17致 謝.36參考文獻.44包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 11 1 plcplc 四路搶答器概述四路搶答器概述1.11.1 plcplc 四路搶答器概述四路搶答器概述搶答器廣泛用于電視臺、商業(yè)機構(gòu)及學(xué)校，為競賽增添了刺激性、娛樂性，在一定程度上豐富了人們的業(yè)余生活。本文介紹一種數(shù)字式搶答器，能使四個隊同時參加搶答,賽場中設(shè)有 1 個裁判臺，4 個參賽臺，分別為 1 號、2 號、3 號、4 號參賽臺.總體設(shè)計選用西門子 plc 控制,搶答操作方便，在很多的場所都可以使用，并且給人的視覺效果

6、非常好。搶答器，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，他的應(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，便可改變競賽搶答器的搶答方案。plc 智能搶答器與單片機搶答器相比，在許多方面都顯示出優(yōu)越性.首先說一下單片機搶答器，所謂單片機系統(tǒng)就是采用目前市場上的單片機 cpu 及其它外圍芯片，根據(jù)不同系

7、統(tǒng)設(shè)計電路板，最終設(shè)計成一臺簡易的計算機系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計程序以達到所要求的控制功能。這種形式在 80 年代國內(nèi)很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面的限制，目前除了儀表上仍然采用外，在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用已逐步被 plc 所代替。單片機的可靠性：由于目前國內(nèi)市場上的單片機芯片的品質(zhì)良莠不齊，很大一部分還是國外篩選出來的次等品，加上其它外圍元件（如電阻、電容等）的參數(shù)離散性也很大，批量小的產(chǎn)品不可能經(jīng)過篩選配對等技術(shù)處理，因此這樣的產(chǎn)品很難做到很好的一致性和高可靠性，因為任一元件的參數(shù)偏離設(shè)計要求都會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。另外，單片機的所有器件均不是工業(yè)級的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力很弱，而國內(nèi)

8、的電源一般都很差，加上壓片機的變頻調(diào)速對電源的干擾很大，因此，更可能引起單片機系統(tǒng)的不穩(wěn)定。單片機的可擴展性：由于單片機的線路是根據(jù)一定的功能要求特別設(shè)計的，所以要增加一個功能就要重新設(shè)計線路，而且對應(yīng)的程序都要重新設(shè)計。這樣對于增加功能的開發(fā)成本和周期都會增加。包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 2單片機的可維護性：一旦單片機系統(tǒng)出現(xiàn)故障，很難診斷出故障元件，最簡單的方法是更換整個系統(tǒng)，這樣維修成本增加了。操作：現(xiàn)在國內(nèi)單片機系統(tǒng)的操作均采用自設(shè)計的鍵盤，設(shè)定數(shù)據(jù)用撥碼開關(guān)，顯示用 led，整個面板顯得繁鎖，而且為了減少操作鍵，設(shè)計時往往一鍵多用，操作人員很

9、難脫開說明書操作。特別是故障顯示只能顯示故障代碼，一旦發(fā)生故障，操作人員必須翻閱說明書方能發(fā)現(xiàn)故障所在，最終按說明書指示排除故障，這樣排除故障的時間相對較長?？傊?，這樣的人機對話不夠友善。特點：不可靠，價格便宜?？删幊炭刂破鳎╬lc）： 所謂 plc 系統(tǒng)就是采用目前市場上各大工業(yè)控制廠家生產(chǎn)的可編程控制器，根據(jù)要求選用不同的模塊，在此基礎(chǔ)上設(shè)計程序以達到所設(shè)計的功能。這種形式目前在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用最為廣泛。plc 的可靠性：進口 plc 采用的 cpu 都是生產(chǎn)廠家專門設(shè)計的工業(yè)級專用處理器，其余各元件也是直接向生產(chǎn)廠家購買的，經(jīng)過嚴(yán)格挑選的工業(yè)級元件，另外它的電源模塊也是集各大公司工業(yè)控制的經(jīng)

10、驗而特別設(shè)計的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力有很大提高，即使在電源很差和變頻調(diào)速的干擾下仍能正常工作。plc 的可擴展性：要增加一個功能只要增加相應(yīng)的模塊和修正對應(yīng)的程序，而 plc的編程相對比較簡單，這樣對于開發(fā)周期會縮短。plc 的可維護性：plc 本身有很強的自診斷功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，根據(jù)自診斷很容易診斷出故障元件，即使非專業(yè)人員也能維修，如果故障由于程序設(shè)計不合理引起，由于它提供完善的調(diào)試工具，要找出故障也較為簡單。操作：plc 的操作采用觸摸式操作終端，人機界面，全屏顯示，上面設(shè)計了很詳盡的操作指南，即使第一次使用，也能根據(jù)提示順利操作，這就降低了對操作人員的要求，一般工人也能很

11、快掌握。另外，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，畫面自動切換到故障提示畫面，提示故障原因和排除方法。甚至可以顯示故障在機器上的位置，維修人員可以根據(jù)提示很快排除故障。特點：價格與前二種控制器相比略貴，可靠性好，操作簡單。1.21.2 plcplc 智能搶答器的工作原理智能搶答器的工作原理我所設(shè)計的 plc 智能搶答器是適合四個人搶答的四路搶答器，現(xiàn)在以四路搶答器包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 3為例。給競賽主持人設(shè)置了 3 個控制按鈕，用來控制開始、復(fù)位、答題計時，每當(dāng)主持人發(fā)出開始搶答指令后，那組選手最先按下?lián)尨鹌靼粹o，則數(shù)碼管就顯示該組的編號，同時綠色指示燈亮，音響電

12、路發(fā)出聲響提示信號（持續(xù)三秒）以指示搶答成功，并對其后的搶答信號不在相應(yīng)，選手答題完畢后，由主持人按下復(fù)位按鈕，系統(tǒng)開始下一輪搶答。若選手在未開始搶答時提前搶答了，則視為違規(guī)，違規(guī)時數(shù)碼管顯示其編號同時紅燈亮音響電路發(fā)出聲響。當(dāng)主持人按下?lián)尨鹌靼粹o時定時器 t0 開始計時（設(shè)定 30 秒）若 30 秒限制到時仍無人搶答則黃燈亮音響電路發(fā)出聲響，以示選手放棄該題。在搶答成功后，主持人按下答題計時按鈕，同時數(shù)碼管顯示答題倒計時時間改時間可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，此設(shè)定為 50 秒，選手必須在設(shè)定時間內(nèi)完成答題，否則，音響電路發(fā)出超時報警信號。其中以上功能都通過編制的 plc 程序來控 3 個制數(shù)碼管和3 個

13、指示燈以及一個喇叭來實現(xiàn)，如圖 1.1 所示: 圖 1.1 搶答器模型圖包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 42 2 plcplc 概述概述2.12.1 plcplc 的產(chǎn)生、定義、組成、特點的產(chǎn)生、定義、組成、特點及發(fā)展趨勢及發(fā)展趨勢2.1.12.1.1 plcplc 的產(chǎn)生的產(chǎn)生 可編程序控制器(programmable logic controller，簡稱 plc)，是隨著科學(xué)技術(shù)的進步與現(xiàn)代社會生產(chǎn)力式的轉(zhuǎn)變，為適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)的需要而產(chǎn)牛、發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制裝置。 plc 從 1969 年問世以來，雖然至今還不到 40 年，但由于其

14、具有道用靈活的控制性能、可以適應(yīng)各種工業(yè)環(huán)境的可靠性與簡單方便的使用性能，在工業(yè)自動化各領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。曾經(jīng)有人將 plc 技術(shù)與數(shù)控技術(shù)(cnc)、cadcam 技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)并稱為現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)的四大支柱。 眾所周知，制造業(yè)中使用的生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)過程的控制，一般都需要通過工作機構(gòu)、傳動機構(gòu)、原動機以及控制系統(tǒng)等部分實現(xiàn)。特別是當(dāng)原動機為電動機時，還需要對電動機的啟制動、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速與定位等動作進行控制。生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)過程的電器操作與控制部分，稱為電氣自動控制裝置或電氣自動控制系統(tǒng)。 最初的電氣自動控制裝置(包括日前使用的一些簡單機械)，只是一些簡單的手動電器(如刀開關(guān)、正反

15、轉(zhuǎn)開關(guān)等)。這些電器只適合于電機容量小、控制要求簡單、動作單一的場合。 隨著技術(shù)的進步，生產(chǎn)機械對電氣自動控制提出了越來越高的要求，電氣自動控制裝置逐步發(fā)展成了各種形式的電氣自動控制系統(tǒng)。 作為常用電氣自動控制系統(tǒng)的一種，人們習(xí)慣上把以繼電器、接觸器、按鈕、開關(guān)等為主要器件所組成的邏輯控制系統(tǒng)，稱為“繼電接觸器控制系統(tǒng)” 。 “繼電接觸器控制系統(tǒng)”的基本特點是結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低、抗干擾能力強、故障檢修立觀方便、運用范圍廣。它不僅可以實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過程的自動控制，而且還可以滿足大容量、遠(yuǎn)距離、集中控制的要求。因此，直到今天“繼電接觸器控制系統(tǒng)”仍是工業(yè)自動控制領(lǐng)域最基本的控制系統(tǒng)之一。 但

16、是，出于“繼電接觸器控制系統(tǒng)”的控制元件(繼電器、接觸器)均為獨立元件，它決定了系統(tǒng)的“邏輯控制”與“順序控制”功能只能通過控制元件間的不同連接實現(xiàn)，因此，它不可避免地存在以下不足： 通用性、靈活性差。包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 5 體積大，材料消耗多。 功能局限性大。 可靠性較低，性用壽命較短。 不具備現(xiàn)代工業(yè)控制所需要的數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)控制等功能。 正因為如此，“繼電一接觸器控制系統(tǒng)”難以適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜多變的生產(chǎn)控制要求與生產(chǎn)過程摔制集成化、網(wǎng)絡(luò)化需要。 為了解決“繼電一接觸器控制系統(tǒng)”存在的通用性、靈活性關(guān)，功能局限性大與通信、網(wǎng)絡(luò)方面欠缺的問題，2

17、0 世紀(jì) 50 年代末人們曾設(shè)想利用計算機功能先備、通用性和靈活性強的特點來解次以上問題。但由于當(dāng)時的汁算機原理復(fù)雜，生產(chǎn)成術(shù)高，程序編制難度大，加工業(yè)上控制需要大量的外圍接口設(shè)備，可靠性問題突出，使得它在面廣量大的一般工業(yè)控制領(lǐng)域難以普及與應(yīng)用。 到了 20 世紀(jì) 60 年代木，有人這樣設(shè)想：能否把計算機通用、靈活、功能完善的特點與“繼電一接觸器控制系統(tǒng)”的簡單易懂、使用方便、生產(chǎn)成本低的特點結(jié)合起來，生產(chǎn)出一種而向生產(chǎn)過程順序控制，plc 利用簡單語言編程，能讓完全不熟悉計算機的人也能方便使用的控制器呢？ 這一設(shè)想最早由美國最大的汽車制造商通用汽車公司(gm 公司)于 1968 年提出。當(dāng)

18、時，該公司為了適應(yīng)汽車市場多品種、小批量的生產(chǎn)要求，需要解決汽車生產(chǎn)線“繼電一接觸器控制系統(tǒng)”中普遍存在的通用性、靈活性問題，提到了對一種新穎控制器的十大技術(shù)要求，并面向社會進行招標(biāo)。 十大技術(shù)要求具體如下：1) 編樣方使，從可以在現(xiàn)場方便地編輯、修改控制程序；2) 價格便宜，性能價格比要而于繼電器系統(tǒng)；3) 體積要明顯小于繼電器控制系統(tǒng)；4) 可靠性要明顯高于繼電器控制系統(tǒng)：5) 具有數(shù)據(jù)通信功能；6) 輸入可以是 ac115v；7) 輸出驅(qū)動能力在 ac115v/2a 以上；8) 硬件維護方便，最好采即 “插接式”結(jié)構(gòu)；9) 擴展時，只需要對原系統(tǒng)進行很小的改動；10) 用戶存儲器容量至少

19、可以擴展到 4kb。包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 6根據(jù)以上要求，美國數(shù)字設(shè)備公司(dec 公司)在 1969 年首先研制比了全世界第一臺可編程序控制器，并稱之為“可編程序邏輯制器”programmable logic controller，簡稱 plc)。試樣機在 gm 公司的應(yīng)用獲得了成功。此后，plc 得到了快速發(fā)展，并被廣泛用于各種開義量邏輯運算與處理的場合。早期 plc 的硬件主要由分立元件與小規(guī)模集成電路構(gòu)成，它雖然采用了計算機技術(shù)，但指令系統(tǒng)、軟件與功能相對較簡單，一般只能進行邏輯運算的處理，同時通過簡化計算機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與改進可靠性等措施，

20、使之能與工業(yè)環(huán)境相適應(yīng)。正因為如此，在 20 世紀(jì) 70 年代初期曾經(jīng)出現(xiàn)過一些出二極管矩陣、集成電路等器件組成的所謂“順序控制器”；20 世紀(jì) 70 年末期曾經(jīng)出現(xiàn)過以 mcl4500 工業(yè)控制單元(industrial control unit，簡稱 icu)為核心出 8 通道數(shù)據(jù)選擇器mcl4512)、指令計數(shù)器(mcl4516)、8 位可尋址雙向鎖存器(mcl4599)、存儲器(2732)等組成的“可編程序控制器”等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品與 plc 相比，雖然具有一定的價格優(yōu)勢，但最終還是因可靠性、功能等多方面的原因，未能得到進一步的推廣與發(fā)展；而 plc 則隨著微處理器價格的全面下降，最終以

21、其優(yōu)良的性能價格比，得到了迅速發(fā)展，并最終成為了當(dāng)代工業(yè)自動控制技術(shù)的重要支柱枝術(shù)之一。2.1.22.1.2plcplc 的定義的定義plc 技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，立即引起了全世界的廣泛關(guān)注，1969 年首先將其進行商品化并推向市場的是美國 gould 公司；1971 年，在引進美國技術(shù)后，日木研制出了自己的第一臺 plc；l973 年，德國 siemens 公司也研制出了歐洲第一臺 plc；1974 年，法國隨之也研制出了 plc。到了 20 世紀(jì) 70 年代中期，plc 開始采用微處理器。plc 的功能也從最初的邏輯運算拓展到具有數(shù)據(jù)處理功能，并得到了更為廣泛的應(yīng)用。由于當(dāng)時的 plc 功能已經(jīng)不

22、再局限于邏輯處理的范疇，為此，plc 也隨之改稱為可編程序控制器(programmable controller，簡稱 pc)。 1980 年，美國電氣制造商協(xié)會(national electronic manufacture association，簡稱 nema)對可編程序控制器進行了如下定義：“可編程序控制器是一種帶有指令存儲器，數(shù)字或模擬輸入/輸出接口；以位運算為主；能完成邏輯、順序、定時、計數(shù)和算術(shù)運算功能；面向機器或生產(chǎn)過程的自動控制裝置”。并將其統(tǒng)一命名為 programmable controller (pc)。2.1.32.1.3 plcplc 的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)包包頭頭鋼

23、鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 7plc 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，如圖 2.1 所示：圖 2.1 plc 硬件結(jié)構(gòu)1、中央處理單元（cpu）中央處理單元（cpu）是 plc 的控制中樞。它按照 plc 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)：檢查電源、存儲器、i/o 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤，當(dāng) plc 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 i/o 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)

24、果送入 i/o 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 i/o 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高 plc 的可靠性，靈活性，近年來對大型 plc 還采用雙 cpu 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 cpu 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 cpu 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。2、存儲器（memory）可編程控制器的控制中樞，在系統(tǒng)監(jiān)控下工作，承擔(dān)著將外部輸入的信號的狀態(tài)寫入映像寄存器區(qū)域，然后將結(jié)果送到輸出映像寄存器區(qū)域。cpu 常用的微處理器有通用型微處理器，單片機和位片式計算機等。小型 plc 的 cpu 多采

25、用單片機或?qū)Ｓ玫腸pu。大型 plc 的 cpu 多用位片式結(jié)構(gòu)，具有高速數(shù)據(jù)處理能力。3、基本 i/o 接口電路包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 8（1）輸入接口單元。plc 內(nèi)部輸入電路作用是將 plc 外部電路（如行程開關(guān)、按鈕、傳感器等）提供的、符合 plc 輸入電路要求的電壓信號，通過光耦電路送至 plc內(nèi)部電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾能力，輸入響應(yīng)時間一般在 0.115ms 之間。多數(shù) plc 的輸入接口單元都相同，通常有兩種類型。一種是直流輸入，一種是交流輸入。（2）輸出接口單元。plc 輸出電路用來將 cpu 運算的

26、結(jié)果變換成一定形式的功率輸出，驅(qū)動被控負(fù)載（電磁鐵、繼電器、接觸器線圈等） 。plc 輸出電路結(jié)構(gòu)形式分為繼電器式、晶閘管式和晶體管輸出型等三種。4、接口電路plc 接口電路分為 i/o 擴展接口電路和外設(shè)通信接口電路兩類（1）i/o 擴接口電路i/o 擴展接口電路用連接 i/o 擴展單元，可以用來擴充開關(guān)量 i/o 點數(shù)和增加模擬量的 i/o 端子。i/o 擴展接口電路采用并行接口和串行接口兩種電路形式。根據(jù)被控制對象對 plc 控制系統(tǒng)的技術(shù)和要求，確定用戶所需的輸入、輸出設(shè)備，據(jù)此確定 plc 的 i/o 點數(shù)。（2）外設(shè)通信接口電路通信接口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯

27、示器，并能組成 plc的控制網(wǎng)絡(luò)。plc 通過 pc/ppi 電纜或使用 mpi 卡通過 rs-485 接口和電纜與計算機連接，可以實現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能。5、電源plc 內(nèi)部配有一個專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為 plc 內(nèi)部電源需要的工作電源（5v 直流） 。當(dāng)輸入端子為非干接點結(jié)構(gòu)時，為外部輸入元件提供24v 直流電源（僅供輸入點使用） 。2.1.42.1.4 plcplc 的特點的特點1、軟硬件功能強2、使用維護方便3、運行穩(wěn)定可靠4、組織靈活2.1.52.1.5 plcplc 的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書

28、 9從當(dāng)前產(chǎn)品來看，plc 的發(fā)展仍然主要體現(xiàn)在提及的縮小與性能的提高兩大方面。1向高速度、大容量方向發(fā)展 2向超大型、超小型兩個方向發(fā)展 3plc 大力開發(fā)智能模塊，加強聯(lián)網(wǎng)通信能力 4增強外部故障的檢測與處理能力 5編程語言多樣化 2.22.2 plcplc 工作原理工作原理2.2.12.2.1 循環(huán)掃描的特點循環(huán)掃描的特點1、輸入映像寄存器的內(nèi)容是由設(shè)備驅(qū)動的，在程序執(zhí)行過程中的一個周期內(nèi)輸入映像寄存器的值保持不變，cpu 采用集中輸入的控制思想，只能使用輸入映像寄存器的值來控制程序的執(zhí)行。2、掃描周期周而復(fù)始地進行，讀輸入、輸出和用戶程序是否執(zhí)行是可控的。3、對同一個輸出單元的多次使用

29、、修改次序會造成不同的執(zhí)行結(jié)果。4、各個電路和不同掃描階段會造成輸入和輸出延遲，這是 plc 的主要缺點。在讀輸入階段，cpu 對各個輸入端子進行掃描，通過輸入電路將各輸入點的狀態(tài)鎖入映象寄存器中。緊接著轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行階段，cpu 按照先左后右、先上后下的順序?qū)γ織l指令進行掃描，根據(jù)輸入映象寄存器和輸出映象寄存器的狀態(tài)執(zhí)行用戶程序，同時將執(zhí)行結(jié)果寫入輸出映象寄存器。2.2.2 plc 中的存儲器中的存儲器plc 中的存儲器按用途分為系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器以及工作數(shù)據(jù)存儲器。1、用戶程序存儲器用來存儲根據(jù)控制要求而編制的用戶應(yīng)用程序。2、用來存儲工作數(shù)據(jù)的區(qū)域稱為工作數(shù)據(jù)區(qū)。3、系統(tǒng)程

30、序存儲器中存放的是廠家根據(jù)其選用的 plc 的指令的系統(tǒng)編寫的系統(tǒng)程序，它決定了 plc 的功能，用戶不能更改其內(nèi)容。2.32.3 plcplc 的編程語言的編程語言plc 是通過程序?qū)ο到y(tǒng)進行控制的，作為一種專用計算機，為了適應(yīng)其應(yīng)用領(lǐng)域，一定有其專用的語言。plc 的編程語言有多種，如梯形圖、語句表、功能圖等。梯形圖包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 10編程語言是一種圖形語言，具有繼電器控制電路形象、直觀的優(yōu)點；語句表編程語言類似計算機的匯編語言，用助記符來表示各種指令的功能，是 plc 用戶程序的基礎(chǔ)元素。梯形圖程序讓 plc 仿真來自電源的電流通過一

31、系列的輸入邏輯條件，根據(jù)結(jié)果決定邏輯輸出的允許條件。梯形圖按邏輯關(guān)系分為“梯級”或網(wǎng)絡(luò)。如圖 2.2 所示是用 plc 控制的梯形圖程序，可完成與繼電器控制的電動機直接起、停（起、保、停）繼電器控制電路圖相同的功能。圖 2.2plc 控制的梯形圖程序2.42.4 plcplc 的分類的分類及性能指標(biāo)及性能指標(biāo)2.4.12.4.1 按按 i/oi/o 點數(shù)容量分類點數(shù)容量分類1、小型機（i/o 點數(shù)小于 256 點）典型的小型機有 siemens 公司的 s7-200 系列。2、中型機（i/o 點數(shù)在 2561024 之間）典型的中型機有 siemens 公司的 s7-300 系列、omron

32、公司的 c200h 系列。3、大型機（i/o 點數(shù)在 1024 點以上）典型的大型 plc 有 siemens 公司的 s7-400、omron 公司的 cvm1 和 cs1 系列。2.4.22.4.2 按結(jié)構(gòu)形式分按結(jié)構(gòu)形式分根據(jù) plc 結(jié)構(gòu)形式的不同，plc 主要可分為整體式和模塊式兩類。1、整體式結(jié)構(gòu)微型和小型 plc 一般為整體式結(jié)構(gòu)。如西門子的 s7-200。2、模塊式結(jié)構(gòu)目前大、中型 plc 都采用這種方式。如西門子的 s7-300 和 s7-400 系列 。2.4.3plc2.4.3plc 的性能指標(biāo)的性能指標(biāo)包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書

33、 111、i/o 點數(shù)i/o 點數(shù)，即 plc 面板上的 i/o 端子的個數(shù)。i/o 點數(shù)越多，外部可以連接的 i/o器件就越多，控制規(guī)模就越大。它是衡量 plc 性能的重要指標(biāo)之一。2、存儲容量這里專指用戶存儲器的存儲容量，它決定了用戶所編程序的長短。大、中、小型plc 的存儲容量變化范圍一般為 2kb2mb。3、掃描速度掃描速度是指 plc 執(zhí)行程序的快慢，是一個重要的性能指標(biāo)，體現(xiàn)了計算機控制取代繼電器控制的穩(wěn)合程度?？删幊炭刂破鞑捎醚h(huán)掃描的工作方式。4、指令系統(tǒng)它是衡量 plc 能力強弱的標(biāo)志，決定了 plc 的處理能力、控制能力的強弱。限定了計算機發(fā)揮運算功能、完成復(fù)雜控制的能力。

34、5、通信功能通信有 plc 之間的通信和 plc 與計算機或其它設(shè)備之間的通信。主要涉及通信模塊、通信接口、通信協(xié)議、通信指令等。6、擴展能力擴展能力包括 i/o 點數(shù)的擴展和 plc 功能的擴展兩方面的內(nèi)容。7、特殊功能單元特殊功能單元種類多，也可以說 plc 的功能多。典型的特殊功能單元有模擬量、模糊控制連網(wǎng)等功能。包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 123 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.13.1 控制系統(tǒng)選取控制系統(tǒng)選取搶答器對時間間隔的要求很高，而且多在會議、答辯賽等一些正規(guī)的需要進行搶答的場合中使用，所以對設(shè)備的精準(zhǔn)性和可靠性要求很高。為此，我們對將采用的控制系統(tǒng)

35、進行了全面的分析對比?？删幊炭刂破鳎╬lc）是由工業(yè)微型計算機、輸入, 輸出設(shè)備、保護及抗干擾隔離電路等構(gòu)成的微機控制裝置，具有順序、周期性工作的特征，從應(yīng)用角度看可編程控制器具有如下特點：1、可靠性高：由于可編程控制器的輸入, 輸出端口均采用繼電器或光電耦合器件，采取了隔離和抗干擾措施，使其具有很高的抗干擾能力，因而能在惡劣環(huán)境下可靠工作。2、體積?。河捎谠谥圃鞎r采用了大規(guī)模集成電路和微處理器，用軟件編程代替了硬連線，便于安裝，實現(xiàn)了小型化。3、通用性好：由于可編程控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)，一般有cpu 模塊、電源模塊、pid模塊、模擬輸入和輸出模塊等，可以用這些模塊靈活的組成各種不同的控制系統(tǒng)

36、，對不同的控制系統(tǒng)，只需選取不同的模塊即可，因而具有很好的適用性。4、使用方便：對于不同的控制系統(tǒng)，當(dāng)硬件結(jié)構(gòu)選定后，如果輸入、輸出作很小的變動時，只需修改相應(yīng)程序即可，無需對系統(tǒng)連線做較大的修改，減少了現(xiàn)場調(diào)試的工作量，使用起來靈活方便?；诳删幊炭刂破鞯纳鲜鰞?yōu)點能夠適應(yīng)和滿足立體車庫高性能的使用要求，所以我確定該車庫控制系統(tǒng)為plc(西門子s7-200系列)。s7-200 系列的 plc 在各種行業(yè)的檢測及控制的自動化都得到廣泛的應(yīng)用。由于其具有極高的性價比，在以下幾方面都有優(yōu)越的表現(xiàn)：極高的可靠性、程序易于掌握，實時特性功能、編程語言指令豐富，操作簡便，有豐富的擴展功能。搶答器所使用的各

37、種判斷信號均為數(shù)字量，所以用西門子 s7-200 系列就完全可以滿足電氣控制系統(tǒng)方面的要求。3.23.2 控制系統(tǒng)的硬件組成控制系統(tǒng)的硬件組成在搶答器的工作過程中，主控單元的主要控制對象首先是輸入信號，控制系統(tǒng)就是判別這個事件有沒有發(fā)生，不同的情況給出不同的結(jié)果，讓大家都很快的明。其硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖 3.1 所示:包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 13圖 3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)3.33.3 系統(tǒng)控制要求系統(tǒng)控制要求1搶答器可同時供四組選手參加比賽2給主持人設(shè)置三個控制按鈕，用來控制搶答的開始、復(fù)位和答題計時的開始。3每當(dāng)主持人發(fā)出開始搶答指令后，那組選手最先

38、按下?lián)尨鸢粹o，則數(shù)碼管 1 就顯示該組的編號，同時綠色指示燈亮，音響電路給出信箱提示信號（持續(xù) 3s） ，以指示搶答成功，并對其后的搶答信號不再響應(yīng)。選手答題完畢后，由主持人按下復(fù)位按鈕，系統(tǒng)才能開始下一輪搶答。4違規(guī)搶答：若選手在未開時搶答試題時搶答了，則視為違規(guī)，違規(guī)時數(shù)碼管 1顯示其編號，同時紅燈亮，音響電路發(fā)出聲響。5搶答限時：當(dāng)主持人按下開始按鈕后，定時器 t0 開始計時（設(shè)定 30s） 。若30s 時限到仍無人搶答，則黃燈亮、音響電路發(fā)出聲響，以示選手放棄該題。6. 答題限時：在搶答成功后，主持人按下答題計時開始按鈕，同時數(shù)碼管 2、3上顯示答題倒計時時間（該時間設(shè)定為 50s）

39、，選手必須在設(shè)定的時間內(nèi)完成答題。否則，音響電路發(fā)出答題超時報警信號3.43.4 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) i/oi/o 分配表分配表包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 143.4.13.4.1 搶答器的搶答器的 plcplc 控制系統(tǒng)的輸出端口控制系統(tǒng)的輸出端口 搶答器的 plc 控制系統(tǒng)的輸出端口如表 3.1 所示：表 3.1 輸出信號對照表信號名稱內(nèi)部地址信號名稱內(nèi)部地址數(shù)碼管 1a 段q0.0數(shù)碼管 2g 段q1.6數(shù)碼管 1b 段q0.1數(shù)碼管 3a 段q2.0數(shù)碼管 1c 段q0.2數(shù)碼管 3b 段q2.1數(shù)碼管 1d 段q0.3數(shù)碼管 3c 段q2.2數(shù)

40、碼管 1e 段q0.4數(shù)碼管 3d 段q2.3數(shù)碼管 1f 段q0.5數(shù)碼管 3e 段q2.4數(shù)碼管 1g 段q0.6數(shù)碼管 3f 段q2.5數(shù)碼管 2a 段q1.0數(shù)碼管 3g 段q2.6數(shù)碼管 2b 段q1.1音響q3.0數(shù)碼管 2c 段q1.2綠色指示燈q3.1數(shù)碼管 2d 段q1.3黃色指示燈q3.2數(shù)碼管 2e 段q1.4紅色指示燈q3.3數(shù)碼管 2f 段q1.53.4.23.4.2 搶答器的搶答器的 plcplc 控制系統(tǒng)的輸入端口控制系統(tǒng)的輸入端口搶答器的 plc 控制系統(tǒng)的輸入端口如表 3.2 所示表 3.2 輸入信號對照表信號名稱內(nèi)部地址信號名稱內(nèi)部地址搶答開始按鈕 sb1i

41、0.0第二組搶答按鈕 sb5i1.1包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 15主持人復(fù)位按鈕 sb2i0.1第三組搶答按鈕 sb6i1.2答題計時按鈕 sb3i0.2第四組搶答按鈕 sb7i1.3第一組搶答按鈕 sb4i1.03.53.5 系統(tǒng)硬件連接圖系統(tǒng)硬件連接圖根據(jù)系統(tǒng)要求和所需要的硬件，系統(tǒng)數(shù)字量輸入點總計 7 個點，輸出點總計 25 個點。綜合考慮到系統(tǒng)的性價比和系統(tǒng)的可擴展性，輸入、輸出點留出一定的富裕量，因此 plc 選擇 siemens 的 s7-200 系列的 cpu226 繼電器輸出型和數(shù)字量擴展模塊em223。輸入、輸出端子電氣接線圖如圖

42、3.2 所示。 （具體請參考表 3.1 和表 3.2）包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 16圖 3.2 控制系統(tǒng)外部 i/o 接線圖包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 174 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.14.1 整體設(shè)計整體設(shè)計根據(jù) plc 智能搶答器的控制要求，應(yīng)用程序采用一體化結(jié)構(gòu)。通過 plc 控制程序來實現(xiàn)整體的運行，系統(tǒng)僅需要少量的按鈕和接口，一般的 plc 配置都可運行。該系統(tǒng)本著簡單易懂、可靠性強、適應(yīng)性強等方面進行設(shè)計。在搶答時只需按動按鈕即可數(shù)碼管在系統(tǒng)程序的控制下自動顯示組號以及倒計時時間。安全、可靠、省時、省力、

43、價格便宜?？刂栖浖?yīng)用 siemens 編程軟件，采用梯形圖語言編寫,工作系統(tǒng)自動控制流程框圖如圖 4.1.所示。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，進行針對性設(shè)計，要充分保證系統(tǒng)的安全，保證整個系統(tǒng)的運行安全可靠。自動條件下，必須復(fù)位后在滿足自動條件下才能進行自動運行程序，當(dāng)中充分應(yīng)用各個過程的互鎖來保證系統(tǒng)的安全。如下圖所示，有主程序和若干子程序組成，其整體設(shè)計工作系統(tǒng)自動控制流程圖如圖 4.1 所圖 4.1plc 工作系統(tǒng)自動控制流程圖4.24.2 plcplc 控制程序控制程序為了編程結(jié)構(gòu)的簡單、明了在主程序中引用了中間繼電器，i1.0i1.3 分別為四包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實

44、實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 18組選手的搶答信號， 同時我們用中間繼電器 m0.0、m0.1、m1.0m1.3 進行自鎖和互鎖功能，以保證每個選手公平搶答。主持人控制臺有 i0.0 按鈕用以搶答開始，i0.2 按鈕用以控制答題時間地開始，i0.1 按鈕為復(fù)位按鈕。4.2.14.2.1 主持人控制臺控制搶答器的開始、答題計時和復(fù)位主持人控制臺控制搶答器的開始、答題計時和復(fù)位當(dāng)主持人按下 i0.0 按鈕后，選手才能正常搶答，否則視為違規(guī)搶答開始程序如下圖 4.2 所示：圖 4.2 搶答開始當(dāng)選手搶答成功后，主持人按下答題計時開始按鈕 i0.2 后，答題計時開始，程序如圖 4.3 所示：圖 4.3 答題計時

45、開始搶答完畢，當(dāng)主持人按下按鈕 i0.1，系統(tǒng)才能進行下一輪的搶答，如圖 4.4 所示：圖 4.4 復(fù)位包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 194.2.24.2.2 組別顯示組別顯示每當(dāng)主持人發(fā)出開始搶答指令后，那組選手最先按下?lián)尨鸢粹o，則數(shù)碼管 1 就顯示該組的組號，如圖 4.5 所示：包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 20圖 4.5 組別顯示4.2.3 選手的搶答選手的搶答主持人發(fā)出搶答開始指令后，選手開始搶答，否則搶答無效視為違規(guī)搶答，四組選手的搶答程序如圖 4.6 所示：圖 4.6 四組選手的搶答4.2.44.2.4

46、 答題限時答題限時包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 21在搶答成功后，主持人按下答題計時開始按鈕，同時數(shù)碼管 2、3 上顯示答題倒計時時間（該時間設(shè)定為 50s） 。如圖 4.7 所示：包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 22包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 23包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 24包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 25圖 4.7 倒計時程序4.2.54.2.5 音響電路音響電路每當(dāng)主持人發(fā)出開始搶答

47、指令后，那組選手最先按下?lián)尨鸢粹o音響電路給出音響提示信號（持續(xù) 3s） ，以指示搶答成功，并對其后的搶答信號不再響應(yīng)；若選手在未開包包頭頭鋼鋼鐵鐵職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)實實踐踐任任務(wù)務(wù)書書 26時搶答試題時搶答了，則視為違規(guī)，音響電路發(fā)出聲響警告；當(dāng)主持人按下開始按鈕后，若 30s 時限時到仍無人搶答，音響電路發(fā)出聲響，以示選手放棄該題；在搶答成功后，主持人按下答題計時開始按鈕，選手必須在設(shè)定的時間內(nèi)完成答題，否則音響電路發(fā)出答題超時報警信號。如圖 4.8 所示：圖 4.8 音響電路4.2.64.2.6 指示燈電路指示燈電路每當(dāng)主持人發(fā)出開始搶答指令后，若有選手最先按下?lián)尨鸢粹o，則綠色指示燈亮以指示其搶答成功；若選手在未開時搶答試題時搶答了，則視為違規(guī)，同時紅燈亮以示其違規(guī)搶答；當(dāng)主持人按下開始按鈕后，定時器 t0 開始計時（設(shè)定 30s） ，若 30s 時限時到仍無人搶答，則黃燈亮，以示選手放棄該題。每當(dāng)主持人發(fā)出開始搶答指令后，若有選手最先按下?lián)尨鸢粹o，則綠色指示燈亮以指示其