搶答器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要可編程序控制器(PLC)是一種新型的通用的自動(dòng)控制裝置,它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體,其擁有功能強(qiáng)大、編程簡(jiǎn)單、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)。本文采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N型PLC作為核心控制器進(jìn)行五路搶答器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、程序指令、梯形圖以及輸入輸出端子的分配方案，在保留了原始搶答器的基本功能的同時(shí)又增加一系列的實(shí)用功能并簡(jiǎn)化其電路結(jié)構(gòu)，其將以其控制方便，靈活，只要改變輸入PLC的控制程序，便可改變競(jìng)賽搶答器的搶答方案，從而使得競(jìng)賽不斷完善其公平、公正性。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的PLC應(yīng)用系統(tǒng)中，PLC往往是作為一個(gè)核心部件來使用。本設(shè)計(jì)正是以PLC為核心，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多人搶答和違例報(bào)警的自動(dòng)顯示。由于PLC具有可靠性、易操作性、靈活性等優(yōu)點(diǎn)，故傳統(tǒng)答題相比，大大提高了效率和可靠性，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：PLC;競(jìng)賽搶答器目錄TOC\o"1-3"\h\u1引言 錯(cuò)誤！未定義書簽。1.1設(shè)計(jì)目的 11.2設(shè)計(jì)意義 11.3設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 12PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 32.1系統(tǒng)硬件配置及組成原理 32.2系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)分析 42.3PLC選型 42.4系統(tǒng)硬件接線圖設(shè)計(jì) 53PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 63.1系統(tǒng)I/O地址分配 63.2控制程序流程圖設(shè)計(jì) 63.3控制程序時(shí)序圖設(shè)計(jì) 73.4PLC控制程序設(shè)計(jì) 84上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 114.1組態(tài)監(jiān)控軟件選擇 114.2上位監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì) 114.3實(shí)現(xiàn)效果 125系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析 115.1系統(tǒng)仿真調(diào)試 115.2結(jié)果分析 錯(cuò)誤！未定義書簽。6設(shè)計(jì)總結(jié) 11參考文獻(xiàn) 16附錄控制程序梯形圖 171引言1.1設(shè)計(jì)目的搶答器，顧名思義就是用于比賽時(shí)，跟對(duì)手比反應(yīng)時(shí)間，思維運(yùn)轉(zhuǎn)快慢的新型電器。隨著社會(huì)科技技術(shù)的不斷發(fā)展，他的應(yīng)用場(chǎng)合也隨之增加；技術(shù)含量大大提升；更加方便可靠。搶答器被廣泛用于電視臺(tái)、商業(yè)機(jī)構(gòu)及學(xué)校，為競(jìng)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，能使五個(gè)隊(duì)同時(shí)參加搶答,賽場(chǎng)中設(shè)有1個(gè)裁判臺(tái)，5個(gè)參賽臺(tái)?？傮w設(shè)計(jì)選用三菱PLC控制,搶答操作方便，在很多的場(chǎng)所都可以使用，并且給人的視覺效果非常好。用PLC進(jìn)行知識(shí)競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì)，其控制靈活方便，只要改變輸入PLC的控制程序，便可改變競(jìng)賽搶答器的搶答方案。

PLC智能搶答器與單片機(jī)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(jī)搶答器，所謂單片機(jī)系統(tǒng)就是采用目前市場(chǎng)上的單片機(jī)CPU及其它外圍芯片，根據(jù)不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路板，最終設(shè)計(jì)成一臺(tái)簡(jiǎn)易的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)程序以達(dá)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(chǎng)的應(yīng)用已逐步被PLC所代替。1.2設(shè)計(jì)意義

本文采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列PLC作為核心控制器進(jìn)行五路搶答器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、程序指令、梯形圖以及輸入輸出端子的分配方案。同時(shí)根據(jù)知識(shí)競(jìng)賽搶答器的控制要求和特點(diǎn),確定PLC的輸入輸出分配,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。實(shí)現(xiàn)搶答器功能的方式有多種，可以采用早期的模擬電路、數(shù)字電路或模數(shù)混合電路。近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)、PLC的應(yīng)用不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)的控制檢測(cè)技術(shù)的不斷更新。1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：（1）知識(shí)競(jìng)賽搶答器能使5個(gè)隊(duì)同時(shí)參加搶答。

（2）設(shè)裁判隊(duì)為裁判臺(tái)，參賽對(duì)為參賽臺(tái)。裁判臺(tái)設(shè)有音響和裁判燈，并且設(shè)有裁判臺(tái)開始按鈕SB0和裁判臺(tái)復(fù)位按鈕SB5；參賽臺(tái)設(shè)有參賽臺(tái)搶答按鈕以及參賽臺(tái)燈。1-5號(hào)參賽臺(tái)分別對(duì)應(yīng)按鈕PO1-PO5及參賽臺(tái)燈LED1-LED5。

（3）知識(shí)競(jìng)賽搶答器能適合以下比賽規(guī)則：出題后，各隊(duì)搶答必須在裁判說出“開始”并按下裁判臺(tái)的開始按鈕SB0后10S內(nèi)搶答，并由數(shù)碼管顯示時(shí)間。如提前搶答，搶答器發(fā)出“違規(guī)”信號(hào)。10S時(shí)間到，如無隊(duì)搶答，則搶答器給出時(shí)間已到信號(hào)，該題作廢。在有隊(duì)搶答的情況下，則搶答器發(fā)出“搶答”信號(hào)，數(shù)碼管開始計(jì)時(shí)，并由數(shù)碼管顯示出搶到題的參考隊(duì)號(hào)，搶到題的隊(duì)必須在30S內(nèi)答完題，如30S內(nèi)未答完，則作超時(shí)處理。

（4）燈光與音響信號(hào)的意義如下：

[1]

音響叫（響1S）+某臺(tái)燈亮，由某參賽隊(duì)正常搶答。[2]

音響叫（響1S）+某臺(tái)燈亮+總臺(tái)燈亮，某參賽隊(duì)違規(guī)。

[3]

音響叫（響1S）+裁判臺(tái)燈亮，無人搶答或答題超時(shí)。

（5）在某個(gè)題結(jié)束后，裁判員按下臺(tái)上的復(fù)位按鈕SB5，搶答器恢復(fù)原來的狀態(tài)，為下一輪搶答作好準(zhǔn)備。各臺(tái)數(shù)字顯示的消除,蜂鳴器音響及指示燈的關(guān)斷,都要通過主持人去按下復(fù)位按鈕。

2PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)硬件配置及組成原理各種PLC的組成結(jié)構(gòu)基本相同，都主要由中央處理器（CPU）、存貯器和輸入/輸出接口等構(gòu)成。因此，從硬件結(jié)構(gòu)來說，可編程控制器實(shí)際上就是計(jì)算機(jī)，圖1是其硬件系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。從圖中可以看出PLC內(nèi)部主要部件有:（1）CPU

同一般的微機(jī)一樣，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU隨機(jī)型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如Z80、8086、80286等）、單片微處理器（如8031、8096等）和位片式微處理器(如AMD29W等)。小型PLC大多采用8位通用微處理器和單片微處理器；中型PLC大多采用16位通用微處理器或單片微處理器；大型PLC大多采用高速位片式微處理器。

目前，小型PLC為單CPU系統(tǒng)，而中、大型PLC則大多為雙CPU系統(tǒng)，甚至有些PLC中多達(dá)8個(gè)CPU。對(duì)于雙CPU系統(tǒng)，一般一個(gè)為字處理器，一般采用8位或16位處理器；另一個(gè)為位處理器，采用由各廠家設(shè)計(jì)制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能，監(jiān)視內(nèi)部定時(shí)器，監(jiān)視掃描時(shí)間，處理字節(jié)指令以及對(duì)系統(tǒng)總線和位處理器進(jìn)行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實(shí)現(xiàn)PLC編程語言向機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換。位處理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地滿足實(shí)時(shí)控制要求。（2）存儲(chǔ)器PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩種。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用于存放PLC的系統(tǒng)程序，用戶存儲(chǔ)器用于存放PLC的用戶程序。現(xiàn)在的PLC一般均采用可電擦除的E2PROM存儲(chǔ)器來作為系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器。（3）輸入輸出組件（I/0模塊）PLC的輸入接口電路的作用是將按鈕、行程開關(guān)或傳感器等產(chǎn)生的信號(hào)輸入CPU；PLC的輸出接口電路的作用是將CPU向外輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行元件的信號(hào)，以便控制接觸器線圈等電器的通、斷電。PLC的輸入輸出接口電路一般采用光耦合隔離技術(shù)，可以有效地保護(hù)內(nèi)部電路。輸入的開關(guān)量信號(hào)接在IN端和0V端之間，PLC內(nèi)部提供24V電源，輸入信號(hào)通過光電隔離，通過R/C濾波進(jìn)入CPU控制板，CPU發(fā)出輸出信號(hào)至輸出端。PLC輸出有三種型式：繼電器方式、晶體管方式和晶閘管方式。（5）編程器編程器是用于用戶程序的編制、編輯、調(diào)試檢查和監(jiān)視等。還可以通過其鍵盤去調(diào)用和顯示PLC的一些內(nèi)部狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)。它通過通訊端口與CPU聯(lián)系，完成人機(jī)對(duì)話連接。編程器上有供編程用的各種功能鍵和顯示燈以及編程、監(jiān)控轉(zhuǎn)換開關(guān)。編程器的鍵盤采用梯形圖語言鍵符式命令語言助記符，也可以采用軟件指定的功能鍵符，通過屏幕對(duì)話方式進(jìn)行編程。編程器分為簡(jiǎn)易型和智能型兩類。前者只能連機(jī)編程，而后者既可連機(jī)編程又可脫機(jī)編程。同時(shí)前者輸入梯形圖的語言鍵符，后者可以直接輸入梯形圖。根據(jù)不同檔次的PLC產(chǎn)品選配相應(yīng)的編程器。（6）外部設(shè)備及電源一般PLC都配有盒式錄音機(jī)、打印機(jī)、EPR0M寫入器、高分辨率屏幕彩色圖形監(jiān)控系統(tǒng)等外部設(shè)備。PLC一般使用220V交流電源或24V直流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供5V、12V、24V直流電源，使PLC能正常工作。圖1硬件系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖2.2系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)分析本次設(shè)計(jì)的是五人搶答器。至少需要一個(gè)總臺(tái)復(fù)位按鈕，一個(gè)總臺(tái)開始按鈕，五個(gè)分臺(tái)按鈕，一共七個(gè)輸入控制點(diǎn)。還需要一個(gè)總臺(tái)音響，一個(gè)總臺(tái)燈，五個(gè)分臺(tái)燈，一共七個(gè)輸出控制點(diǎn)。然后，還有七段顯示器，需要使用八個(gè)輸出點(diǎn)。所以一共需要使用七個(gè)輸入點(diǎn)，十五個(gè)輸出點(diǎn)。2.3PLC選型在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)我們要留一定的余量，方便更改設(shè)計(jì)或者擴(kuò)展，因此我們通過統(tǒng)計(jì)所要的輸入和輸出的點(diǎn)數(shù)，經(jīng)過選擇對(duì)比，我們選擇了三菱FX2N-32MR型PLC。它具有很多優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)置的集成功能、強(qiáng)大的通信能力和品種豐富的擴(kuò)展模塊等，它也正是借助這些優(yōu)點(diǎn)成為FX系列PLC家族中較先進(jìn)的系列之一。FX可以用于替代繼電器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單機(jī)運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。極強(qiáng)的通信能力使得它在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也發(fā)揮著重要作用；并且能適應(yīng)世界各國不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊。FX2N-32MR也以其極高的性價(jià)比，在我國占有很大的市場(chǎng)份額。2.4系統(tǒng)硬件接線圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件接線圖如圖2所示：圖2系統(tǒng)硬件接線圖3PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)I/O地址分配PLC控制系統(tǒng)I/O分配表如表1所示：PLC地址電氣符號(hào)功能說明X000P06按鈕6X001P01按鈕1X002P02按鈕2X003P03按鈕3X004P04按鈕4X005P05按鈕5X010P07按鈕7Y000FMQ蜂鳴器Y001LED指示燈Y002LED指示燈Y003LED指示燈Y004LED指示燈Y005LED指示燈Y006LED指示燈Y010a數(shù)碼管a段Y011b數(shù)碼管b段Y012c數(shù)碼管c段Y013d數(shù)碼管d段Y014e數(shù)碼管e段Y015f數(shù)碼管f段Y016g數(shù)碼管g段表1PLC控制系統(tǒng)I/O分配表3.2控制程序流程圖設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)搶答器控制程序流程圖如圖3所示：圖3程序流程圖3.3控制程序時(shí)序圖設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)搶答器控制程序時(shí)序圖如圖4所示：圖4控制程序時(shí)序圖3.4PLC控制程序設(shè)計(jì)本次搶答器程序設(shè)計(jì)步驟表述如下：（1）首先先繪出“應(yīng)答允許”“應(yīng)答時(shí)限”“答題時(shí)限”等支路。如圖5、圖6所示：圖5應(yīng)答允許與應(yīng)答時(shí)限支路圖6答題時(shí)限支路設(shè)計(jì)各分臺(tái)燈梯形圖。各分臺(tái)燈啟動(dòng)條件串入M2的常閉觸點(diǎn)體現(xiàn)了搶答器的一個(gè)基本原則：競(jìng)時(shí)封鎖，在已有人的搶答之后按按鈕是無效的。梯形圖如圖7所示：圖7分臺(tái)燈梯形圖設(shè)計(jì)總臺(tái)燈梯形圖?？偱_(tái)燈的工作條件含有四個(gè)分支。如圖8所示：圖8總臺(tái)燈梯形圖設(shè)計(jì)總臺(tái)音響梯形圖?？偱_(tái)音響梯形圖為了縮短音響的時(shí)間（設(shè)定為1S），在印象的輸出條件中加入了啟動(dòng)信號(hào)的脈沖處理環(huán)節(jié)。如圖9所示：圖9音響梯形圖設(shè)計(jì)七段顯示器梯形圖。需要用七段譯碼指令來完成。如圖10所示：圖10七段顯示器梯形圖最后解決復(fù)位功能。考慮到主控觸點(diǎn)指令具有使主控觸點(diǎn)后的所有啟—?！ｋ娐份敵鲋兄沟淖饔茫瑢⒅骺赜|點(diǎn)M0及相關(guān)電路加在已設(shè)計(jì)好的梯形圖前部。如圖11所示：圖11主控觸點(diǎn)梯形圖4上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1組態(tài)監(jiān)控軟件選擇因?yàn)镻LC選擇的是三菱FX2NPLC，所以可以選擇使用MCGS組態(tài)軟件或者是GT組態(tài)軟件，為了方便監(jiān)控使用，在這里我選用了三菱GT組態(tài)軟件來進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。三菱觸摸屏編程軟件GTDesigner3是用于三菱電機(jī)自動(dòng)化GOT1000系列圖形操作終端的畫面設(shè)計(jì)軟件，并且集成有GTSimulator3仿真軟件，具有仿真模擬的功能。GTDesigner3進(jìn)行工程和畫面創(chuàng)建、圖形繪制、對(duì)象配置和設(shè)置、公共設(shè)置以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊能浖TSimulator3是在PC機(jī)上模擬GOT運(yùn)行的仿真軟件。4.2上位監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)首先，我先使用GT建立一個(gè)畫面，作為首頁。在首頁上寫上“歡迎使用搶答器”等字，來作為一個(gè)開始頁面，并放上一個(gè)覆蓋全頁面的畫面切換開關(guān)，使其可以切換至畫面2。效果圖如圖12所示：圖12首頁效果圖然后，再新建一個(gè)畫面2，作為搶答器的操作頁面，在上面放上相應(yīng)的位開關(guān)元件，指示燈元件。因?yàn)闆]有蜂鳴器這個(gè)元件，所以音響的狀態(tài)變化用一個(gè)指示燈來代替。并將相應(yīng)的軟元件地址一一對(duì)應(yīng)輸入。效果圖如圖13所示：圖13搶答器操作頁效果圖4.3實(shí)現(xiàn)效果完成上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的效果。當(dāng)開始鍵沒有按下時(shí)，一至五號(hào)搶答鍵任意按下，對(duì)應(yīng)的分臺(tái)燈亮，總臺(tái)燈亮，音響工作1S，也就是對(duì)應(yīng)音響的指示燈亮1S。當(dāng)按下開始鍵后，10S內(nèi)沒人按下一至五號(hào)按鈕，總臺(tái)燈亮，音響工作1S。當(dāng)按下開始鍵，有人按鍵答題，對(duì)應(yīng)的分臺(tái)燈亮，超過30S沒有答對(duì)，則總臺(tái)燈亮，音響工作1S。每一次操作都必須按復(fù)位鍵才能復(fù)位，重新開始工作。5系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析5.1系統(tǒng)仿真調(diào)試?yán)肎T組態(tài)軟件的仿真功能來進(jìn)行仿真調(diào)試以及上位機(jī)的監(jiān)控。首先打開所有的需要打開的軟件，進(jìn)入仿真調(diào)試狀態(tài)。然后進(jìn)入GT仿真的操作頁，按照需要實(shí)現(xiàn)的要求，一一進(jìn)行仿真調(diào)試。先驗(yàn)證主持人沒有按下開始，搶答報(bào)警的效果。對(duì)應(yīng)的分臺(tái)燈亮，總臺(tái)燈亮，音響工作1S。效果圖如圖14所示：圖14搶答違例效果圖然后驗(yàn)證主持人按下開始，沒人搶答的情況。效果如圖15所示：圖15無人應(yīng)答效果圖再驗(yàn)證主持人按下開始，有人答題，但答題超時(shí)的情況。效果圖如圖16所示：圖16答題超時(shí)效果圖5.2結(jié)果分析最后仿真結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，完成了這次搶答器的設(shè)計(jì)。但是因?yàn)镚T組態(tài)軟件仿真，不支持七段碼譯碼指令SEGD,所以沒有辦法在仿真中調(diào)試將七段顯示器仿真出來，有點(diǎn)可惜。不過還是圓滿的完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。6設(shè)計(jì)總