基于PLC的六路搶答器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、電氣及自動化課程設(shè)計(jì)報告題 目： 基于PLC的六路搶答器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課 程： PLC原理與應(yīng)用 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 年 級： 14級 專 業(yè)： 自動化 班 級： 2班 指導(dǎo)教師： 機(jī)械與電氣工程學(xué)院制2017年6月目 錄1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求11.1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)11.2 課程設(shè)計(jì)的要求12. PLC控制器的原理與組成12.1 PLC硬件系統(tǒng)12.2 PLC工作原理32.3 六人搶答器基本組成42.4 六人搶答器工作原理43 六人搶答器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案制定53.1 PLC選型53.2 六人搶答器系統(tǒng)的I/O口分配64 六人搶答器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)74.1 PLC編程語言74.2 搶答器系統(tǒng)程序7

2、4.2.1 主持人控制端74.2.2搶答成功與搶答犯規(guī)指示燈顯示94.2.3七段數(shù)碼管顯示94.2.4 蜂鳴器電路115 六人搶答器系統(tǒng)程序仿真125.1 搶答成功仿真125.2 搶答犯規(guī)及搶答超時仿真125.3 加減分及數(shù)碼管顯示135.4 搶答超時146 總結(jié)及心得體會14參考文獻(xiàn)15基于PLC的六路搶答器系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械與電氣工程學(xué)院 自動化專業(yè)1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求1.1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)使用西門子S7-200PLC編寫程序?qū)崿F(xiàn)六路搶答器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)并使用仿真軟件進(jìn)行其功能的實(shí)現(xiàn)。1.2 課程設(shè)計(jì)的要求（1）主持人控制功能，具有開始搶答按鈕和復(fù)位按鈕；（2）主持人未按下開始搶答按鈕時搶答為違

3、規(guī)搶答，違規(guī)指示燈亮，蜂鳴器響；（3）搶答延時，超過20S無人搶答時此題作廢，蜂鳴器長鳴；（4）搶答成功后，搶答成功指示燈亮，數(shù)碼管顯示搶答成功的隊(duì)伍編號；（5）在搶答成功后，主持人根據(jù)回答的正確與否可以對該隊(duì)伍進(jìn)行加減分控制；（6）每次正確搶答時，只有第一位按下?lián)尨鸢粹o的隊(duì)伍為有效搶答。2. PLC控制器的原理與組成2.1 PLC硬件系統(tǒng)可編程控制器，英文稱ProgrammableLogicController，簡稱PLC。PLC是基于電子計(jì)算機(jī)，且適用于工業(yè)現(xiàn)場工作的電控制器。它源于繼電控制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過電路的物理過程實(shí)現(xiàn)控制，而主要靠運(yùn)行存儲于PLC內(nèi)存中的程序，進(jìn)行入

4、出信息變換實(shí)現(xiàn)控制。PLC基于電子計(jì)算機(jī)，但并不等同于普通計(jì)算機(jī)。普遍計(jì)算機(jī)進(jìn)行入出信息變換，多只考慮信息本身，信息的入出，只要人機(jī)界面好就可以了。而PLC則還要考慮信息入出的可靠性、實(shí)時性，以及信息的使用等問題。特別要考慮怎么適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，抗干擾等問題1。PLC的硬件系統(tǒng)主要由主機(jī)、輸入/輸出擴(kuò)展單元、外部設(shè)備組成，各部分之間通過總線連接。其中主機(jī)主要由中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出電路、外部設(shè)備接口、電源幾大部分組成2。PLC是一種由“事先存貯的程序”來確定控制功能的工控類計(jì)算機(jī)且實(shí)質(zhì)和微機(jī)的結(jié)構(gòu)相同。圖1 PLC硬件結(jié)構(gòu)（1）中央處理單元(CPU)中央處理單元（

5、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(yùn)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(yùn)算的結(jié)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(yùn)行，直到停止運(yùn)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

6、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(jī)和位片式計(jì)算機(jī)等。小型PLC的CPU多采用單片機(jī)或?qū)Ｓ玫腃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a、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

7、流輸入。 b、輸出接口單元。PLC輸出電路用來將CPU運(yùn)算的結(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a、I/O擴(kuò)接口電路 I/O擴(kuò)展接口電路用連接I/O擴(kuò)展單元，可以用來擴(kuò)充開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)和增加模擬量的I/O端子。I/O擴(kuò)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(diǎn)數(shù)。 b、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、文本顯示器，并能組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò)。

8、PLC通過PC/PPI電纜或使用MPI卡通過RS-485接口和電纜與計(jì)算機(jī)連接，可以實(shí)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(diǎn)結(jié)構(gòu)時，為外部輸入元件提供24V直流電源（僅供輸入點(diǎn)使用）3。2.2 PLC工作原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。即在PLC運(yùn)行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一

9、輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作4。PLC的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段5。PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運(yùn)算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定

10、的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)輸出設(shè)備工作6。圖2 PLC工作原理2.3 六人搶答器基本組成六人搶答器系統(tǒng)主要由主持人輸入信號、選手輸入信號、信號燈輸出信號、蜂鳴器輸出信號、數(shù)碼管輸出信號幾部分構(gòu)成。首先PLC通過對兩個輸入信號的采取進(jìn)行數(shù)字量的輸入，通過PLC內(nèi)的用戶程序進(jìn)行判斷將信號輸出至相應(yīng)位置。 圖3 六人搶答器基本結(jié)構(gòu)2.4 六人搶答器工作原理六人搶答器系統(tǒng)上電完畢后，先驗(yàn)證是否有開始搶答信號，如果在沒有的情況下有隊(duì)伍進(jìn)行搶答則進(jìn)入違規(guī)搶答流程，在有開始搶答信號的情況下，進(jìn)入正常搶答流程，搶答成功后，數(shù)碼管顯示搶答成功的隊(duì)伍編號，搶答倒計(jì)時停止計(jì)時，然后主持人根據(jù)搶答

11、成功隊(duì)伍答題的正確與否進(jìn)行加減分，同時將分?jǐn)?shù)顯示在數(shù)碼管上，全部完成后，主持人按下復(fù)位按鈕，將搶答器系統(tǒng)復(fù)位至最開始狀態(tài)，等待下次搶答。圖4 搶答器系統(tǒng)流程圖3 六人搶答器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案制定3.1 PLC選型六人搶答器對時間間隔的要求很高，同時需要有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，準(zhǔn)確性和精確性高的要求，西門子S7-200PLC是個不錯的選擇，其可可靠性高，體積小，通用性好，使用方便，技術(shù)成熟，價格合適，是個不二選擇。最后根據(jù)本文設(shè)計(jì)的六人搶答器的輸入輸出接口數(shù)量對比表1的西門子S7-200的規(guī)格最終選擇西門子S7-200CPU226和EM223擴(kuò)展模塊。表1 S7-200系列選型表3.2 六人搶答器系統(tǒng)的I/O口分

12、配六人搶答器的輸入端口如表2所示：表2 輸入端口搶答器一按鈕I0.1搶答器六按鈕I0.6搶答器二按鈕I0.2開始搶答按鈕I0.0搶答器三按鈕I0.3復(fù)位按鈕I0.7搶答器四按鈕I0.4加分按鈕I1.0搶答器五按鈕I0.5減分按鈕I1.1六人搶答器的輸出端口如表3所示：表3 輸出端口搶答器一指燈Q0.1搶答犯規(guī)指示燈1Q1.1搶答器二指燈Q0.2搶答犯規(guī)指示燈2Q1.2搶答器三指燈Q0.3搶答犯規(guī)指示燈3Q1.3搶答器四指燈Q0.4搶答犯規(guī)指示燈4Q1.4搶答器五指燈Q0.5搶答犯規(guī)指示燈5Q1.5搶答器六指燈Q0.6搶答犯規(guī)指示燈6Q1.6蜂鳴器Q0.72路分?jǐn)?shù)數(shù)碼管QB6搶答成功隊(duì)編號QB2

13、3路分?jǐn)?shù)數(shù)碼管QB7倒計(jì)時個位數(shù)碼管QB34路分?jǐn)?shù)數(shù)碼管QB8倒計(jì)時十位數(shù)碼管QB45路分?jǐn)?shù)數(shù)碼管QB91路分?jǐn)?shù)數(shù)碼管QB56路分?jǐn)?shù)數(shù)碼管QB104 六人搶答器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 PLC編程語言梯形圖語言是PLC程序設(shè)計(jì)中最常用的編程語言。它是與繼電器線路類似的一種編程語言。由于電氣設(shè)計(jì)人員對繼電器控制較為熟悉，因此，梯形圖編程語言得到了廣泛的歡迎和應(yīng)用。所以本文將采用梯形圖語言進(jìn)行程序的編寫。4.2 搶答器系統(tǒng)程序4.2.1 主持人控制端主持人進(jìn)行搶答開始，搶答復(fù)位，搶答定時以及加減分的控制，程序如下：（1）當(dāng)主持人按下開始搶答按鈕后，開始搶答信號M0.1置1，按下復(fù)位按鈕后，開始搶答信號

14、M0.1置0.置1狀態(tài)下M0.1接通。圖5 開始搶答與復(fù)位（2）按下開始搶答按鈕后，搶答定時20S開始倒計(jì)時，搶答成功后倒計(jì)時停止并保持。圖6 搶答倒計(jì)時（3）在隊(duì)伍搶答完成后，主持人根據(jù)答案正確與否按動加分減分按鈕進(jìn)行分?jǐn)?shù)控制。圖7 分?jǐn)?shù)控制4.2.2搶答成功與搶答犯規(guī)指示燈顯示（1）在開始搶答信號接通的前提下，每個隊(duì)伍的搶答按鈕與另外五隊(duì)的按鈕進(jìn)行互鎖，將搶答成功指示燈進(jìn)行自鎖保持，并入搶答倒計(jì)時的常閉信號，哪個隊(duì)伍的搶答按鈕先按下，哪個隊(duì)伍的搶答成功指示燈就會亮，并隨著主持人的復(fù)位按鈕進(jìn)行關(guān)閉。圖8 搶答成功指示燈顯示（2）開始搶答信號沒有接通的情況下，即主持人未按下開始搶答按鈕，有隊(duì)伍

15、按下?lián)尨鸢粹o，搶答犯規(guī)指示燈會進(jìn)行顯示并自鎖保持。圖9 搶答犯規(guī)指示燈顯示4.2.3七段數(shù)碼管顯示（1）搶答成功隊(duì)伍編號顯示搶答成功后，程序會將搶答成功的那個隊(duì)伍的編號值傳送給VB1，然后將VB1中的值轉(zhuǎn)換為七段數(shù)碼管的值進(jìn)行顯示，無搶答成功信號時，數(shù)碼管顯示為0.圖10 賦值程序圖11 轉(zhuǎn)換數(shù)值并使數(shù)碼管顯示程序（2）20S倒計(jì)時數(shù)碼管顯示主持人按下開始搶答按鈕后，減計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，每1S減1，然后將減計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器C20的當(dāng)前值進(jìn)行除法運(yùn)算儲存于VD100中，個位為余數(shù)儲存于VB101中，十位數(shù)為商儲存于VB103中，并利用轉(zhuǎn)換指令SEG，將兩個值轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管顯示值。圖12 搶答倒計(jì)時圖1

16、3搶答倒計(jì)時轉(zhuǎn)換（3）各隊(duì)伍分?jǐn)?shù)數(shù)碼管顯示利用加減計(jì)數(shù)器對每個隊(duì)伍進(jìn)行計(jì)分，同時將加減計(jì)數(shù)器當(dāng)前值轉(zhuǎn)換給數(shù)碼管進(jìn)行顯示。圖14 分?jǐn)?shù)控制圖15 分?jǐn)?shù)傳送顯示4.2.4 蜂鳴器電路主持人按下開始搶答按鈕時，蜂鳴器響1S進(jìn)行提醒，搶答犯規(guī)時，蜂鳴器常響，直至主持人按下復(fù)位按鈕結(jié)束，當(dāng)答題倒計(jì)時為0時，蜂鳴器也常響，直至復(fù)位按鈕按下。圖16 蜂鳴器電路5 六人搶答器系統(tǒng)程序仿真5.1 搶答成功仿真主持人按下開始搶答按鈕后，第一個隊(duì)伍先按下?lián)尨鸢粹o，隊(duì)伍1搶答成功指示燈亮，搶答成功數(shù)碼管顯示1.圖17 搶答成功指示燈顯示仿真圖18 指示燈及數(shù)碼管顯示仿真5.2 搶答犯規(guī)及搶答超時仿真在主持人未按下開始

17、按鈕I0.0的情況下，隊(duì)伍1按下了搶答案按鈕I0.1，所以隊(duì)伍一搶答違規(guī)指示燈Q1.1亮，如圖19；蜂鳴器Q0.7接通，如圖20.圖19 搶答違規(guī)指示燈仿真圖20 搶答違規(guī)蜂鳴器報警仿真5.3 加減分及數(shù)碼管顯示在隊(duì)伍1搶答成功的情況下（隊(duì)伍1搶答成功指示燈Q0.1接通），主持人按下加分按鈕I1.0,隊(duì)伍一的分?jǐn)?shù)加減計(jì)數(shù)器加1如圖21所示，然后經(jīng)過傳送指令將加減計(jì)數(shù)器的值傳送給VW如圖22所示，最后通過SEG轉(zhuǎn)換指令將數(shù)碼管點(diǎn)亮如圖23所示。圖21 分?jǐn)?shù)控制仿真圖22 傳送指令仿真圖23 轉(zhuǎn)換指令仿真5.4 搶答超時主持人按下開始搶答按鈕后M0.1置1，T37定時器開始定時20S后無搶答信號接

18、通如圖24，然后T37接通蜂鳴器，直至主持人按下復(fù)位按鈕結(jié)束如圖25。圖24 搶答倒計(jì)時仿真圖25 搶答超時報警仿真因?yàn)榉抡孳浖δ苡邢?，只仿真了部分功能? 總結(jié)及心得體會通過本次課程設(shè)計(jì)，我對PLC的工作原理及其編程方法掌握的更加牢固了，根據(jù)基于PLC六人搶答器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我學(xué)習(xí)到了在編程時最好先寫個流程圖，然后明確輸入輸出接點(diǎn)，整理好邏輯和需要實(shí)現(xiàn)的功能，最后在分塊進(jìn)行程序編寫，編寫程序時最好給每個繼電器命名，這樣調(diào)試的時候更容易發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行程序的改正。從本次課程設(shè)計(jì)中，我意識到實(shí)際操作的重要性，理論要與實(shí)際操作結(jié)合，只有在實(shí)際從操作中，才能更加牢固的記住理論知識，加深對理論知識的理解，明白理論知識的原理，學(xué)以致用。參考文獻(xiàn)1 宋德玉.可編程序控制器原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)