基于PLC的六路搶答器系統(tǒng)設計1

1、電氣及自動化課程設計報告題 目： 基于PLC的六路搶答器系統(tǒng)設計 課 程： PLC原理與應用 學生姓名： 學生學號： 年 級： 14級 專 業(yè)： 自動化 班 級： 2班 指導教師： 機械與電氣工程學院制2017年6月目 錄1 課程設計的任務和要求11.1 課程設計的任務11.2 課程設計的要求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)設計方案制定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)的軟件設計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 總結及心得體會14參考文獻15基于PLC的六路搶答器系統(tǒng)設計機械與電氣工程學院 自動化專業(yè)1 課程設計的任務和要求1.1 課程設計的任務使用西門子S7-200PLC編寫程序實現(xiàn)六路搶答器的系統(tǒng)設計并使用仿真軟件進行其功能的實現(xiàn)。1.2 課程設計的要求（1）主持人控制功能，具有開始搶答按鈕和復位按鈕；（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伍進行加減分控制；（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是基于電子計算機，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現(xiàn)控制，而主要靠運行存儲于PLC內存中的程序，進行入

4、出信息變換實現(xiàn)控制。PLC基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普遍計算機進行入出信息變換，多只考慮信息本身，信息的入出，只要人機界面好就可以了。而PLC則還要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的使用等問題。特別要考慮怎么適應于工業(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、輸入/輸出擴展單元、外部設備組成，各部分之間通過總線連接。其中主機主要由中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出電路、外部設備接口、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算機且實質和微機的結構相同。圖1 PLC硬件結構（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)運算的結果送入I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。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)或輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。（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

6、作，承擔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多采用單片機或專用的CPU。大型PLC的CPU多用位片式結構，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內部輸入電路作用是將PLC外部電路（如行程開關、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運算的結果變換成一定形式的功率輸出，驅動被控負載（電磁鐵、繼電器、接觸器線圈等）。PLC輸出電路結構形式分為繼電器式、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)的技術和要求，確定用戶所需的輸入、輸出設備，據(jù)此確定PLC的I/O點數(shù)。 b、外設通信接口電路 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。

8、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內部配有一個專用開關式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉化為PLC內部電源需要的工作電源（5V直流）。當輸入端子為非干接點結構時，為外部輸入元件提供24V直流電源（僅供輸入點使用）3。2.2 PLC工作原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，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將所有暫存在輸入鎖存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關閉輸入端口，進入程序執(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)相應的運算和處理后，其結果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內容隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當所有指令執(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，驅動相應輸出設備工作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成。首先PLC通過對兩個輸入信號的采取進行數(shù)字量的輸入，通過PLC內的用戶程序進行判斷將信號輸出至相應位置。 圖3 六人搶答器基本結構2.4 六人搶答器工作原理六人搶答器系統(tǒng)上電完畢后，先驗證是否有開始搶答信號，如果在沒有的情況下有隊伍進行搶答則進入違規(guī)搶答流程，在有開始搶答信號的情況下，進入正常搶答流程，搶答成功后，數(shù)碼管顯示搶答成功的隊伍編號，搶答倒計時停止計時，然后主持人根據(jù)搶答

11、成功隊伍答題的正確與否進行加減分，同時將分數(shù)顯示在數(shù)碼管上，全部完成后，主持人按下復位按鈕，將搶答器系統(tǒng)復位至最開始狀態(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)設計方案制定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)濟實惠，準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，技術成熟，價格合適，是個不二選擇。最后根據(jù)本文設計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路分數(shù)數(shù)碼管QB6搶答成功隊編號QB2

13、3路分數(shù)數(shù)碼管QB7倒計時個位數(shù)碼管QB34路分數(shù)數(shù)碼管QB8倒計時十位數(shù)碼管QB45路分數(shù)數(shù)碼管QB91路分數(shù)數(shù)碼管QB56路分數(shù)數(shù)碼管QB104 六人搶答器系統(tǒng)的軟件設計4.1 PLC編程語言梯形圖語言是PLC程序設計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。由于電氣設計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用。所以本文將采用梯形圖語言進行程序的編寫。4.2 搶答器系統(tǒng)程序4.2.1 主持人控制端主持人進行搶答開始，搶答復位，搶答定時以及加減分的控制，程序如下：（1）當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 開始搶答與復位（2）按下開始搶答按鈕后，搶答定時20S開始倒計時，搶答成功后倒計時停止并保持。圖6 搶答倒計時（3）在隊伍搶答完成后，主持人根據(jù)答案正確與否按動加分減分按鈕進行分數(shù)控制。圖7 分數(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，每個隊伍的搶答按鈕與另外五隊的按鈕進行互鎖，將搶答成功指示燈進行自鎖保持，并入搶答倒計時的常閉信號，哪個隊伍的搶答按鈕先按下，哪個隊伍的搶答成功指示燈就會亮，并隨著主持人的復位按鈕進行關閉。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，有隊伍

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

16、3搶答倒計時轉換（3）各隊伍分數(shù)數(shù)碼管顯示利用加減計數(shù)器對每個隊伍進行計分，同時將加減計數(shù)器當前值轉換給數(shù)碼管進行顯示。圖14 分數(shù)控制圖15 分數(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進行提醒，搶答犯規(guī)時，蜂鳴器常響，直至主持人按下復位按鈕結束，當答題倒計時為0時，蜂鳴器也常響，直至復位按鈕按下。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，第一個隊伍先按下?lián)尨鸢粹o，隊伍1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，隊伍1按下了搶答案按鈕I0.1，所以隊伍一搶答違規(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)碼管顯示在隊伍1搶答成功的情況下（隊伍1搶答成功指示燈Q0.1接通），主持人按下加分按鈕I1.0,隊伍一的分數(shù)加減計數(shù)器加1如圖21所示，然后經(jīng)過傳送指令將加減計數(shù)器的值傳送給VW如圖22所示，最后通過SEG轉換指令將數(shù)碼管點亮如圖23所示。圖21 分數(shù)控制仿真圖22 傳送指令仿真圖23 轉換指令仿真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，直至主持人按下復位按鈕結束如圖25。圖24 搶答倒計時仿真圖25 搶答超時報警仿真因為仿真軟件功能有限，只仿真了部分功能。6 總結及心得體會通過本次課程設計，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)設計，我學習到了在編程時最好先寫個流程圖，然后明確輸入輸出接點，整理好邏輯和需要實現(xiàn)的功能，最后在分塊進行程序編寫，編寫程序時最好給每個繼電器命名，這樣調試的時候更容易發(fā)現(xiàn)問題并進行程序的改正。從本次課程設計中，我意識到實際操作的重要性，理論要與實際操作結合，只有在實際從操作中，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，學以致用。參考文獻1 宋德玉.可編程序控制器原理及應用系統(tǒng)設