抢答器PLC控制系统设计

1、抢答器PLC控制系统设计摘要抢答器广泛应用于各种知识竞赛中，传统的抢答器大部分都是基于数字电路组成的，制作过程复杂，可靠性差。本设计以松下PLC为核心设计了系统结构图、梯形图以及输入输出端子的分配方案，并在MCGS组态软件里进行监控界面的设计，达到了同步的要求。该设计通过数码管可以实现八路抢答选手编号显示、抢答倒计时和实际抢答时间显示，并实现锁存、定时和报警，同时所有选手抢答通过主持人开始和复位按钮来控制，该设计不仅电路简单，控制方便、灵活，而且保证了抢答的公平、公正原则。关键词松下可编程控制器； 组态软件； 抢答器Responder PLC control system designAbst

2、ractResponder is widely used in a variety of knowledge contests, traditional Responder mostly digital circuits, the complexity of the production process, poor reliability. Panasonic PLC, the design as the core design of the system structure diagram, ladder, and the input and output terminals of the

3、distribution plan, and monitoring interface design MCGS configuration software to achieve the synchronization requirements. The design can be achieved through the digital tube eight Responder player number, answer in the countdown and actual answer in time, and to achieve the latch, timer and alarm,

4、 all players Responder by Moderator start and reset buttons to control the design not only simple circuit easy to control, flexible, but also to ensure the answer in the fair and just principles.KeywordPanasonic PLC； MCGS； Responder一、 设计目的和意义（一）设计的目的随着我国经济和文化事业的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，诸如证券、股票交易及各种智力竞

5、赛等,因此出现了抢答器。抢答器又称为第一信号鉴别器，其主要应用于各种知识竞赛、文艺活动等场合。过去的抢答器一般是由很多数字或模拟电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答器需要实现的功能很多时，实现起来就更为困难，且成本偏高，故障高。因此出现了以PLC为核心的新型智能抢答器，在保留了原始抢答器的基本功能的同时又增加一系列的实用功能并简化其电路结构，具有倒计时、定时、自动（或手动）复位、报警（即声响提示，有的以音乐的方式来体现）、屏幕显示、按键发光等多种功能。本设计就是利用松下PLC作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生，用PLC本身的优势使竞赛真正达到公正、公平、公开。（二）

6、设计的意义通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际的能力。既让我懂得了怎样把理论应用于实际，又让我懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计查阅资料的过程中，我要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。在设计过程中，难免会遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了，为以后的工作积累了经验，增强了信心。通过这次设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在PLC的基本原理、PLC应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都向前迈了一大步，为

7、日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。二、控制要求1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 S7表示。2）设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3）抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。4）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动“开始”键S后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。5）参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，

8、显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。6）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。三、设计方案论证方案一：采用模拟电路，数字电路或模拟与数字电路相结合的方式，这种方案虽然经济实惠，但是需要对电路相关知识要求较高，电路接线复杂，能实现的功能也较少。方案二：采用单片机的方式，这种方案只需对单片机输出端口进行定义，通过软件和硬件相结合的方式来实现，使用起来灵活性有所提高，价格也比较便宜，但是单片机系统由于稳定性不高，受干扰影响大，因此，需要长期使用的场合也不宜采用此方案。方案三：采用PLC可编程控制器的方式，这种方案具有结构简单

9、、编程方便、可靠性高等优点，同时具有对使用环境适应性强的特性，其内部定时器资源也十分丰富，可对目前使用的抢答器进行精确控制，特别是对多人抢答的控制可方便的实现。其次由于需要对监控界面进行设计，而前两种方案监控起来比较麻烦，故选用此方案。四、系统设计（一）总体设计抢答器PLC控制系统分为5部分：PLC、控制输入、抢答输入、声音输出和显示输出。它利用控制输入控制整个抢答过程的开始和终止，抢答输入各电路的抢答信号，经PLC处理，输出控制信号，控制数码管和音响提示电路工作。系统的输入输出框图如图所示。抢答输入声音输出PLC控制输入显示输出图，输入输出框图当主持人按下启动按钮后，在设定时间30s内，如果

10、某选手抢先按下抢答按钮，则驱动音效电路发出声响，并且在8段数码管显示器上显示抢答成功的选手编号，此时电路实现互锁，其他选手再按下抢答按钮无效。在抢答成功后，定时器停止工作。显示器显示选手编号和抢答时间。主持人按下复位按钮，系统清零。（二）系统流程图系统流程图是根据控制要求编写的直观的信息流向图，它从一定程度上反映了系统各过程的工作的先后顺序。本系统流程图如图2所示。开始主持人按下控制按钮系统倒计时开始，蜂鸣器响是否有选手抢答倒计时到00结束，蜂鸣器响NY倒计时停止，显示抢答时间，显示选手编号，蜂鸣器响系统复位YN结束图，系统流程图（三）系统硬件设计由控制要求可知，系统硬件包括输入部分和输出部分

11、，其中输入部分有：八名选手抢答按钮（共8个）、主持人控制开始按钮1个，系统复位按钮1个；输出部分有：蜂鸣器1个、八段数码管3个（其中一个为选手编号显示，另外两个分别为抢答时间的个位显示和十位显示），由于考虑到松下可编程控制器I/O点数的问题，因此选手编号采用8位数码管，而抢答时间的个位和十位都采用4位数码管，以节省输出端口。系统硬件设计图如图3所示。PLCHR1SB0A B C D E F G SB1HL0-HL6SB2SB3SB4 A0 B0 C0 D0 SB5HL7-HL10SB6SB7A1 B1 C1 D1SB8HL11-HL14SB9图3，系统硬件图（四）系统I/O地址分配根据八路抢答

12、器的控制要求和硬件设计得知系统有10个输入，16个输出。系统的I/O分配表如图4所示。分类器件名称I/O端子功能输入SB0X0一号抢答器按钮SB1X1二号抢答器按钮SB2X2三号抢答器按钮SB3X3四号抢答器按钮SB4X4五号抢答器按钮SB5X5六号抢答器按钮SB6X6七号抢答器按钮SB7X7八号抢答器按钮SB8X20复位按钮SB9X21开始按钮输出HL0（A段）Y0选手编号数码显示HL1（B段）Y1HL2（C段）Y2HL3（D段）Y3HL4（E段）Y4HL5（F段）Y5HL6（G段）Y6HR1Y7蜂鸣器HL7Y20时间倒计时数码显示（个位）HL8Y21HL9Y22HL10Y23HL11Y24

13、时间倒计时数码显示（十位）HL12Y25HL13Y26HL14Y27图4, I/O地址分配表（五）系统梯形图设计（附录1）无论上一次是有人抢答还是倒计时结束，都必须在主持人按下复位按钮之后，再按下开始按钮，系统才能进入下一次抢答状态，且只要主持人按下开始按钮系统就开始30s倒计时。当某位选手最先按下抢答按钮后，其他选手抢答按钮全部锁存，按键无效。 当主持人按下开始按钮或30s内有选手抢答或30s倒计时结束，蜂鸣器都会发出0.5s声响。选手编号采用8位数码管显示，当2或3或5或6或7或8号选手有效抢答时显示选手编号的A段数码管就会亮，同理可得到各段数码管亮时与选手编号的对应关系如下：A段2、3、

14、5、6、7、8号B段1、2、3、4、7、8号C段1、3、4、5、6、7、8号D段2、3、5、6、8号E段2、6、8号F段4、5、6、8号G段2、3、4、5、6、8号抢答器显示时间的程序实现是通过各种函数实现的，首先定时器TMY1的设定值寄存器值为30 ，由R21触发倒计时功能，将经过值寄存器EV1中的数送到DT1中，由F80 译码并输出。当选手摁下抢答按钮时触发中间继电器R24，将EV1中的数值送到DT3数据寄存器中，将30送给DT2，F25函数，使DT2中的数减去DT3中的数并把结果存在DT2中，再将DT2的数送给DT1中，并由F80，将DT1中的数译码输出。倒计时结束，如果没有人抢答或倒计

15、时结束，则抢答无效，显示00。（六）组态软件设计步骤：（1）打开MCGS组态软件界面。（2）新建一个工程。（3）新建一个用户窗口。（4）从旁边的工具箱中的选中所需要的蜂鸣器（指示灯）拖放入窗口中，从选取按钮。用画直线，组成八段数码管。 （5）右键单击窗口选择“属性”可进行窗口基本属性设置，从而改变窗口背景颜色。（6）给各个硬件加注释单击左侧工具箱中的，在新建的窗口中拉出合适的大小，并注释相关内容。然后再右键点击注释选择“属性”进行注释基本属性设置，包括字体、字形、大小以及填充颜色、背景颜色的设置。（7）按钮属性设置右键点击按钮，选择“属性”，弹出按钮属性窗口，在基本属性中可改变按钮标题、标题颜

16、色及标题字体；在操作属性中可设置按钮的数据对象值操作（包括置1、置0、按1松0、按0松1等），由于PLC梯形图设计时都考虑的是点动按钮，且当按钮按下时接通，松手即断开，所以选择按1松0型。在设计时按钮的基本属性是可以不作更改的，但是数据对象值操作必须要结合梯形图设计和组态中的实时数据库来作相应的设置。（8）蜂鸣器属性设置右键点击蜂鸣器（指示灯），选择“属性”，弹出单元属性设置窗口，点击动画连接，在连接表达式中点击选择对应的数据对象名称，再点击进入动画组态属性设置窗口，在属性设置中可改变蜂鸣器的基本属性，然后在特殊动画连接中选中的可见度，进入可见度表达式设置。设置前： 设置后：蜂鸣器可见度表达式

17、：（9）选手编号显示数码管属性设置右键点击数码管的各段，选择“属性”，弹出如下窗口，可进行数码管的基本属性设置和可见度表达式设置（注意：数码管的每一段都需要分别进行可见度表达式的设置）。由于选手编号显示采用的是8位数码管（A-G段），对应PLC的输出端口是Y0-Y6，在组态监控界面中对应的通道连接是读写Y0000-Y0006,对应的数据对象是数码管1-数码管7，故每段的可见度表达式为：段号输出端口可见度表达式（对应图符见）A段Y0数码管1=1B段Y1数码管2=1C段Y2数码管3=1D段Y3数码管4=1E段Y4数码管5=1F段Y5数码管6=1G段Y6数码管7=1（10）抢答时间显示数码管属性设置

18、抢答时间显示数码管的基本属性（边线颜色、边线线型）设置同上，但是它的可见度表达式设置相对较麻烦。由于它对应的I/O端口为Y20-Y27,每一个数码管用的是4位BCD码显示，故段号、显示的数字、BCD码、端口号之间的对应关系如下（此处只对个位进行说明，十位类似）：段号显示数字BCD码端口号（Y23-Y20）A段02357890000001000110101011110001001Y23=0，Y22=0，Y21=0,Y20=0Y23=0，Y22=0，Y21=1,Y20=0Y23=0，Y22=0，Y21=1,Y20=1Y23=0，Y22=1，Y21=0,Y20=1Y23=0，Y22=1，Y21=1,

19、Y20=1Y23=1，Y22=0，Y21=0,Y20=0Y23=1，Y22=0，Y21=0,Y20=1B段0123478900000001001000110100011110001001Y23=0，Y22=0，Y21=0,Y20=0Y23=0，Y22=0，Y21=0,Y20=1Y23=0，Y22=0，Y21=1,Y20=0Y23=0，Y22=0，Y21=1,Y20=1Y23=0，Y22=1，Y21=0,Y20=0Y23=0，Y22=1，Y21=1,Y20=1Y23=1，Y22=0，Y21=0,Y20=0Y23=1，Y22=0，Y21=0,Y20=1C段013456789000000010011

20、010001010110011110001001Y23=0，Y22=0，Y21=0,Y20=0Y23=0，Y22=0，Y21=0,Y20=1Y23=0，Y22=0，Y21=1,Y20=1Y23=0，Y22=1，Y21=0,Y20=0Y23=0，Y22=1，Y21=0,Y20=1Y23=0，Y22=1，Y21=1,Y20=0Y23=0，Y22=1，Y21=1,Y20=1Y23=1，Y22=0，Y21=0,Y20=0Y23=1，Y22=0，Y21=0,Y20=1D段023568000000100011010101101000Y23=0，Y22=0，Y21=0,Y20=0Y23=0，Y22=0，Y2

21、1=1,Y20=0Y23=0，Y22=0，Y21=1,Y20=1Y23=0，Y22=1，Y21=0,Y20=1Y23=0，Y22=1，Y21=1,Y20=0Y23=1，Y22=0，Y21=0,Y20=0E段02680000001001101000Y23=0，Y22=0，Y21=0,Y20=0Y23=0，Y22=0，Y21=1,Y20=0Y23=0，Y22=1，Y21=1,Y20=0Y23=1，Y22=0，Y21=0,Y20=0F段045689000001000101011010001001Y23=0，Y22=0，Y21=0,Y20=0Y23=0，Y22=1，Y21=0,Y20=0Y23=0，Y

22、22=1，Y21=0,Y20=1Y23=0，Y22=1，Y21=1,Y20=0Y23=1，Y22=0，Y21=0,Y20=0Y23=1，Y22=0，Y21=0,Y20=1G段23456890010001101000101011010001001Y23=0，Y22=0，Y21=1,Y20=0Y23=0，Y22=0，Y21=1,Y20=1Y23=0，Y22=1，Y21=0,Y20=0Y23=0，Y22=1，Y21=0,Y20=1Y23=0，Y22=1，Y21=1,Y20=0Y23=1，Y22=0，Y21=0,Y20=0Y23=1，Y22=0，Y21=0,Y20=1故个位A段的可见度表达式设置为(y

23、23=0 and y22=0 and y21=0 and y20=0) or (y23=0 and y22=0 and y21=1 and y20=0) or (y23=0 and y22=0 and y21=1 and y20=1) or (y23=0 and y22=1 and y21=0 and y20=1) or (y23=0 and y22=1 and y21=1 and y20=1) or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20=0) or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20=1)，其他段同理（见附录3）。（11）在实

24、时数据库中新增所需数据并选择数据类型并设置单击工作台，单击实时数据库，点击新增对象，双击窗口中新增对象进行属性设置，将对象名称改为需要的名称，对象类型选为开关型。 （12）添加硬件设备在工作台中选择设备窗口，双击设备窗口，点击工具栏中的图标，进行设备的设置，选择设备管理，选择可选设备。再从PLC设备中选取松下FP系列PLC，点击确定。然后在设备窗口中点击设备（松下FP系列PLC）进行属性设置，点击内部属性栏-设置设备内部属性旁边的图标，进行通道属性的设置。可以点击增加通道，增加X输入继电器、R中间继电器、Y输出继电器。注意X输入继电器只能为只读，R中间继电器和Y输出继电器最好都选为读写，方便监

25、控界面中硬件与软件的相互控制。在设备属性设置窗口中点击通道连接，然后在对应数据对象栏中选择相应的数据对象与通道进行连接。（13）通用串口父设备属性设置点击设备组态窗口中通用串口父设备进行基本属性设置，其中主要指串口端口号、通讯波特率、数据校验方式与PLC通讯设置中的对应值相同。整个组态软件的设置基本上就已经完成了。然后点击工具栏中的，就可以进入调试。用户窗口界面如下：调试窗口界面如下：五、设计结果及分析整个PLC程序和组态监控界面设计好后就进入调试状态，当主持人按下开始按钮，系统就开始30s倒计时，同时蜂鸣器指示灯亮0.5s。在30s之内有选手按下抢答按钮，则倒计时结束，显示选手实际抢答时间（

26、30s-倒计时时间=选手实际抢答时间）和抢答选手编号，同时蜂鸣器指示灯也亮0.5s。如果30s倒计时结束也无任何选手抢答，则抢答时间显示00，选手编号数码管不显示，同时蜂鸣器指示灯亮0.5s。此时若其它选手再按抢答按钮或主持人再按开始按钮，系统都不会有反映，只有当主持人按下复位按钮之后再按开始按钮，系统才进入下一次抢答状态。最终监控界面和硬件的实际工作情况（4号选手抢答的时候）如下所示：监控界面如下： 硬件界面如下：结束语通过本次对抢答器的控制系统设计，了解了PLC计算机控制系统的设计方法、步骤及设计原则。也知道了学以致用，巩固书本知识的重要性。通过设计，具有了初步设计PLC控制系统的能力，从

27、而也培养和提高了独立工作和创造能力，充分地发挥了对学习的主动性和创造性。以及培养了查阅书籍、查询信息的能力，从而提高了在实际运用中解决实际工程技术问题的能力。通过本次的课程设计，很大的提高了对系统的分析能力和操作能力，但在这次的课程设计中，也遇到了不少的困难。比如在梯形图设计的时候，最初倒计时时间显示始终没有找到一套最优的方法，同时又受到输出点数的限制，就觉得更加困难了，后来经过不断的查阅资料、学习，了解到每一个定时器内部都有一个设定值寄存器SV和一个经过值寄存器EV与之对应，设定值寄存器的值即定时器的初始值，它始终保持不变，而经过值寄存器的值跟随定时器的时间变化而变化，因此，要想实现倒计时只

28、需将EV的值输出即可，再利用松下PLC编程指令中的BCD码转换与位传送指令，就很容易得到倒计时时间显示，这样既编程方便，又节约了输出点数。其次，在监控界面调试的时候，通过软件控制硬件时，蜂鸣器指示灯始终没有显示，经过检查，发现可见度表达式，通道连接等都没有错，而且抢答器控制系统的其它部分工作也完全正常，这让我感到非常疑惑，后来，突然想到是不是因为蜂鸣器的设定时间太短，而通讯串口的采样周期较长，以至于还没开始采样，蜂鸣器工作就已经结束，然后就把梯形图中蜂鸣器的持续时间T0由0.5s改为2s，再进行调试，果然，蜂鸣器就能正常工作了。最后，为了满足控制要求，为了保持蜂鸣器声响0.5s，采用的是修改采

29、样周期，将串口的最小采样周期由1000ms改为100ms，同样也能达到相同的效果。参考文献（递增引用，引用相关内容）1陈建明.电气控制与PLC应用(第2版).M.北京：电子工业出版社.2010.12 袁秀英. 组态控制技术 电子工业出版社. 2003-83段苏振.提高PLC控制系统可靠性的设计因素.J.电气传动.2003，54 王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天出版社，20035 段然.可编程控制技术采样机控制系统中的应用研究.西北工业大学，2001.6 路林吉.PLC应用开发技术与工程实践.人民邮电出版社,1999.57 平志韩.可编程序控制器及其在包装机械中的应用初探

30、.1989. 2附录1（梯形图程序）附录2（组态软件监控界面）附录3（组态软件中抢答时间显示数码管可见度表达式）个位A段:(y23=0 and y22=0 and y21=0 and y20=0) or (y23=0 and y22=0 and y21=1 and y20=0) or (y23=0 and y22=0 and y21=1 and y20=1) or (y23=0 and y22=1 and y21=0 and y20=1) or (y23=0 and y22=1 and y21=1 and y20=1) or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20

31、=0) or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20=1)个位B段:(y23=0 and y22=0 and y21=0 and y20=0) or (y23=0 and y22=0 and y21=0 and y20=1) or (y23=0 and y22=0 and y21=1 and y20=0) or (y23=0 and y22=0 and y21=1 and y20=1) or (y23=0 and y22=1 and y21=0 and y20=0) or (y23=0 and y22=1 and y21=1 and y20=1) or (y23=

32、1 and y22=0 and y21=0 and y20=0) or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20=1)个位C段:(y23=0 and y22=0 and y21=0 and y20=0) or (y23=0 and y22=0 and y21=0 and y20=1) or (y23=0 and y22=0 and y21=1 and y20=1) or (y23=0 and y22=1 and y21=0 and y20=0) or (y23=0 and y22=1 and y21=0 and y20=1) or (y23=0 and y22=1

33、and y21=1 and y20=0) or (y23=0 and y22=1 and y21=1 and y20=1)or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20=0) or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20=1)个位D段:(y23=0 and y22=0 and y21=0 and y20=0) or (y23=0 and y22=0 and y21=1 and y20=0) or (y23=0 and y22=0 and y21=1 and y20=1) or (y23=0 and y22=1 and y21=0 and

34、 y20=1) or (y23=0 and y22=1 and y21=1 and y20=0) or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20=0) 各位E段:(y23=0 and y22=0 and y21=0 and y20=0) or (y23=0 and y22=0 and y21=1 and y20=0) or (y23=0 and y22=1 and y21=1 and y20=0) or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20=0) 个位F段:(y23=0 and y22=0 and y21=0 and y20=0) o

35、r (y23=0 and y22=1 and y21=0 and y20=0) or (y23=0 and y22=1 and y21=0 and y20=1) or (y23=0 and y22=1 and y21=1 and y20=0) or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20=0) or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20=1) 个位G段:(y23=0 and y22=0 and y21=1 and y20=0) or (y23=0 and y22=0 and y21=1 and y20=1) or (y23=0 an

36、d y22=1 and y21=0 and y20=0) or (y23=0 and y22=1 and y21=0 and y20=1) or (y23=0 and y22=1 and y21=1 and y20=0) or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20=0) or (y23=1 and y22=0 and y21=0 and y20=1)十位A段:(y27=0 and y26=0 and y25=0 and y24=0) or (y27=0 and y26=0 and y25=1 and y24=0) or (y27=0 and y26=0 and

37、y25=1 and y24=1) or (y27=0 and y26=1 and y25=0 and y24=1) or (y27=0 and y26=1 and y25=1 and y24=1) or (y27=1 and y26=0 and y25=0 and y24=0) or (y27=1 and y26=0 and y25=0 and y24=1)十位B段:(y27=0 and y26=0 and y25=0 and y24=0) or (y27=0 and y26=0 and y25=0 and y24=1) or (y27=0 and y26=0 and y25=1 and y24=0) or (y27=0 and y26=0 and y25=1 and y24=1) or (y27=0 and y26=1 and y25=0 and y24=0) or (y27=0 and y26=1 and y25=1 and y24=1) or (y27=1 and y26=0 and y25=0 and y24=0) or (y27=1 and y26=0 and y25=0 and y24=1)十位C段:(y27=0 and y26=0 and y25=0 and y24=0) or (y27=0 and