#基于PLC四路抢答器的设计43233

1、湖北工业大学商贸学院毕业设计设计任务书设计题目 :基于 PLC四路抢答器的设计设计要求:1. 抢答器可同时供四组选手参加比赛2. 主持人有三个控制按钮，用来控制抢答开始、复位和答题计时的开始。3每当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答按钮，则数码 管 1 就显示该组的编号， 同时绿色指示灯亮， 音响电路给出信箱提示信号 （持续 3S），以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不再响应。选手答题完毕后，由主 持人按下复位按钮，系统才能开始下一轮抢答。4违规抢答：若选手在未开时抢答试题时抢答了，则视为违规，违规时数码管 1 显示其编号，同时红灯亮，音响电路发出声响。5抢答限时：当主持人按下开始

2、按钮后，定时器 T0 开始计时（设定 30S）。 若 30S时限到仍无人抢答， 则黄灯亮、音响电路 3 发出声响，以示选手放弃该题。6答题限时：在抢答成功后， 主持人按下答题计时开始按钮， 同时数码管 2、上显示答题倒计时时间 （该时间设定为 50S），选手必须在设定的时间内完成答 题。否则，音响电路发出答题超时报警信号设计进度要求 :第一、二周：确定题目 , 查阅资料，根据要求分析抢答器的设计、工作原理。 第三、四周：根据工作原理画流程图并编译梯形图，并进行硬件设计。 第五、六周：对软件设计， 进行上机调试 , 找出问题 , 进行修改 ,并改进设计。 第七、八周：撰写论文 , 毕业答辩。指导

3、教师（签名）湖北工业大学商贸学院毕业设计摘要近年来随着科技的飞速发展， PLC 的使用不断地走向深入，同时带动传统 的控制检测技术的不断更新，可编程控制器由于其优良的控制性能，极高的可靠 性，在各行各业中的使用日益广泛普及。 对于抢答器其广泛用于电视台、商业机 构、企事业工会组织、俱乐部及学校等单位组织举办各种知识、技术竞赛及文娱 活动时作抢答之用，为竞赛增添了刺激性、娱乐性，在一定程度上丰富了人们的 业余生活，并且给人的视觉效果非常好，是各单位开展素质教育、精神文明、娱 乐活动的必备产品。本次设计是利用 PLC(Programmable Logic Controller )对 PLC控制的四

4、路 智力抢答器进行控制。 首先，选择这个题目之后， 我对本次设计进行了全面的思 考。使自己对本次设计有一个大致的总体思路，然后仔细分析 PLC控制的四路智 力抢答器的工作原理， 以及它的一些工作过程， 分析后得出它主要需要完成主持 人的控制、选手的抢答、报警、计时及输出显示功能等。考虑到只是 PLC控制的 四路智力抢答器则输出端口需要 25个，输入端口需要 7个，由于 PLC具有可靠性高、 体积小、通用性、使用方便等优点，因此，我决定选用 SIMATIC S7-200 系列的 CPU226和数字量扩展模块 EM223作为本次设计的 PLC。具有方便灵活， 维护使用方 便等特点。关键词： 智力控

5、制，四路抢答器， PLCII湖北工业大学商贸学院毕业设计目录 TOC o 1-5 h z 摘 要 II HYPERLINK l bookmark16 o Current Document PLC 四路抢答器概述 1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document PLC四路抢答器概述 1 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document PLC智能抢答器的工作原理 3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document PLC 概述 4 HYPERLINK l bookmark24 o Cur

6、rent Document PLC的产生、定义、组成、特点及发展趋势 4 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document PLC工作原理 9 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document PLC的编程语言 10 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document PLC的分类及性能指标 10 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 系统硬件设计 12 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 控制系统选取

7、 12 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 控制系统的硬件组成 12 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 系统控制要求 13 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 控制系统 I/O 分配表 14 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 系统硬件连接图 15 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 系统软件设计 17 HYPERLINK l bookmark46 o C

8、urrent Document 整体设计 17 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document PLC控制程序 17 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 模拟运行和调试过程 36 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 程序的模拟运行 36 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 程序的现场调试 37致 谢 42 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 参考文献 44IIIPLC

9、四路抢答器概述PLC 四路抢答器概述抢答器广泛用于电视台、商业机构及学校，为竞赛增添了刺激性、娱乐性，在 一定程度上丰富了人们的业余生活。本文介绍一种数字式抢答器，能使四个队同时 参加抢答 , 赛场中设有 1 个裁判台， 4 个参赛台，分别为 1 号、 2 号、3 号、4 号参 赛台. 总体设计选用西门子 PLC控制, 抢答操作方便，在很多的场所都可以使用，并 且给人的视觉效果非常好。抢答器，顾名思义就是用于比赛时，跟对手比反应时间，思维运转快慢的新型 电器。随着社会科技技术的不断发展，他的使用场合也随之增加；技术含量大大提 升；更加方便可靠。目前 , 形式多样、功能完备的抢答器已广泛使用于电

10、视台、商 业机构、学校及企事业单位 , 它为各种竞赛增添了刺激性、娱乐性 , 在一定程度上 丰富了人们的业余生活。用 PLC进行知识竞赛抢答器设计，其控制方便，灵活，只 要改变输入 PLC的控制程序，便可改变竞赛抢答器的抢答方案。PLC智能抢答器和单片机抢答器相比， 在许多方面都显示出优越性 . 首先说一下 单片机抢答器，所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片机 CPU及其它外围芯片， 根据不同系统设计电路板，最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基础上设计 程序以达到所要求的控制功能。这种形式在 80 年代国内很流行，但由于受到本身 可靠性及其它方面的限制，目前除了仪表上仍然采用外，在工业现

11、场的使用已逐步 被 PLC所代替。单片机的可靠性：由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐，很大一 部分还是国外筛选出来的次等品，加上其它外围元件（如电阻、电容等）的参数离 散性也很大，批量小的产品不可能经过筛选配对等技术处理，因此这样的产品很难 做到很好的一致性和高可靠性，因为任一元件的参数偏离设计要求都会引起系统的 不稳定。另外，单片机的所有器件均不是工业级的，抗干扰性特别是抗电源干扰能 力很弱，而国内的电源一般都很差，加上压片机的变频调速对电源的干扰很大，因 此，更可能引起单片机系统的不稳定。单片机的可扩展性：由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加一个功能就要重新

12、设计线路，而且对应的程序都要重新设计。这样对于增 加功能的开发成本和周期都会增加。单片机的可维护性：一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，最简单 的方法是更换整个系统，这样维修成本增加了。操作：现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘， 设定数据用拨码开关， 显示用 LED，整个面板显得繁锁，而且为了减少操作键，设计时往往一键多用，操 作人员很难脱开说明书操作。特别是故障显示只能显示故障代码，一旦发生故障， 操作人员必须翻阅说明书方能发现故障所在，最终按说明书指示排除故障，这样排 除故障的时间相对较长。总之，这样的人机对话不够友善。特点：不可靠，价格便宜。可编程控制器（ PLC）： 所

13、谓 PLC 系统就是采用目前市场上各大工业控制厂家 生产的可编程控制器，根据要求选用不同的模块，在此基础上设计程序以达到所设 计的功能。这种形式目前在工业现场使用最为广泛。PLC的可靠性：进口 PLC采用的 CPU都是生产厂家专门设计的工业级专用处理 器，其余各元件也是直接向生产厂家购买的，经过严格挑选的工业级元件，另外它 的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别是抗电源 干扰能力有很大提高，即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作。PLC的可扩展性：要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序，而 PLC的编程相对比较简单，这样对于开发周期会缩短。PLC 的可

14、维护性： PLC本身有很强的自诊断功能，一旦系统出现故障，根据自 诊断很容易诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修，如果故障由于程序设计不 合理引起，由于它提供完善的调试工具，要找出故障也较为简单。操作： PLC的操作采用触摸式操作终端，人机界面，全屏显示，上面设计了很 详尽的操作指南，即使第一次使用，也能根据提示顺利操作，这就降低了对操作人 员的要求，一般工人也能很快掌握。另外，一旦系统发生故障，画面自动切换到故 障提示画面，提示故障原因和排除方法。甚至可以显示故障在机器上的位置，维修 人员可以根据提示很快排除故障。特点：价格和前二种控制器相比略贵，可靠性好，操作简单。PLC 智能抢答器的工

15、作原理我所设计的 PLC智能抢答器是适合四个人抢答的四路抢答器，现在以四路抢答 器为例。给竞赛主持人设置了 3 个控制按钮，用来控制开始、复位、答题计时，每 当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答器按钮，则数码管就显示该 组的编号，同时绿色指示灯亮，音响电路发出声响提示信号（持续三秒）以指示抢 答成功，并对其后的抢答信号不在相应， 选手答题完毕后， 由主持人按下复位按钮， 系统开始下一轮抢答。若选手在未开始抢答时提前抢答了，则视为违规，违规时数 码管显示其编号同时红灯亮音响电路发出声响。当主持人按下抢答器按钮时定时器 T0开始计时（设定 30秒）若 30秒限制到时仍无人抢答则黄灯亮音

16、响电路发出声响， 以示选手放弃该题。在抢答成功后，主持人按下答题计时按钮，同时数码管显示答 题倒计时时间改时间可根据需要调节，此设定为 50 秒，选手必须在设定时间内完 成答题，否则，音响电路发出超时报警信号。其中以上功能都通过编制的PLC程序来控 3个制数码管和 3 个指示灯以及一个喇叭来实现，如图 1.1 所示:图 1.1 抢答器模型图PLC 概述PLC 的产生、定义、组成、特点及发展趋势PLC 的产生可编程序控制器 （Programmable Logic Controller ，简称 PLC），是随着科学技 术的进步和现代社会生产力式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要而产牛、 发展起

17、来的一种新型的工业控制装置。PLC 从 1969 年问世以来，虽然至今还不到 40 年，但由于其具有道用灵活的控 制性能、可以适应各种工业环境的可靠性和简单方便的使用性能，在工业自动化各 领域取得了广泛的使用。曾经有人将 PLC技术和数控技术 （CNC）、CAD CAM技术、 工业机器人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。众所周知，制造业中使用的生产设备和生产过程的控制，一般都需要通过工作 机构、传动机构、原动机以及控制系统等部分实现。特别是当原动机为电动机时， 还需要对电动机的启制动、正反转、调速和定位等动作进行控制。生产设备和生 产过程的电器操作和控制部分，称为电气自动控制装置或电气自

18、动控制系统。最初的电气自动控制装置 （包括日前使用的一些简单机械 ） ，只是一些简单的手 动电器（如刀开关、正反转开关等 ） 。这些电器只适合于电机容量小、 控制要求简单、 动作单一的场合。随着技术的进步，生产机械对电气自动控制提出了越来越高的要求，电气自动 控制装置逐步发展成了各种形式的电气自动控制系统。作为常用电气自动控制系统的一种，人们习惯上把以继电器、接触器、按钮、 开关等为主要器件所组成的逻辑控制系统，称为“继电接触器控制系统” 。“继电 接触器控制系统”的基本特点是结构简单、生产成本低、抗干扰能力强、故障检 修立观方便、运用范围广。它不仅可以实现生产设备、生产过程的自动控制，而且

19、还可以满足大容量、远距离、集中控制的要求。因此，直到今天“继电接触器控 制系统”仍是工业自动控制领域最基本的控制系统之一。但是，出于“继电接触器控制系统”的控制元件 （ 继电器、接触器 ） 均为独立 元件，它决定了系统的“逻辑控制”和“顺序控制”功能只能通过控制元件间的不 同连接实现，因此，它不可避免地存在以下不足：通用性、灵活性差。体积大，材料消耗多。功能局限性大。可靠性较低，性用寿命较短。不具备现代工业控制所需要的数据通信、网络控制等功能。 正因为如此，“继电一接触器控制系统”难以适应现代复杂多变的生产控制要 求和生产过程摔制集成化、网络化需要。为了解决“继电一接触器控制系统”存在的通用性

20、、灵活性关，功能局限性大 和通信、网络方面欠缺的问题， 20 世纪 50年代末人们曾设想利用计算机功能先 备、通用性和灵活性强的特点来解次以上问题。但由于当时的汁算机原理复杂，生 产成术高，程序编制难度大，加工业上控制需要大量的外围接口设备，可靠性问题 突出，使得它在面广量大的一般工业控制领域难以普及和使用。到了 20世纪 60 年代木，有人这样设想：能否把计算机通用、灵活、功能完善 的特点和“继电一接触器控制系统”的简单易懂、使用方便、生产成本低的特点结 合起来，生产出一种而向生产过程顺序控制， PLC利用简单语言编程，能让完全不 熟悉计算机的人也能方便使用的控制器呢？这一设想最早由美国最大

21、的汽车制造商通用汽车公司 (GM公司)于 1968年 提出。当时，该公司为了适应汽车市场多品种、小批量的生产要求，需要解决汽车 生产线“继电一接触器控制系统”中普遍存在的通用性、灵活性问题，提到了对一 种新颖控制器的十大技术要求，并面向社会进行招标。十大技术要求具体如下：编样方使，从可以在现场方便地编辑、修改控制程序；价格便宜，性能价格比要而于继电器系统；体积要明显小于继电器控制系统；可靠性要明显高于继电器控制系统：具有数据通信功能；输入可以是 AC115V；输出驱动能力在 AC115V/2A以上；硬件维护方便，最好采即 “插接式”结构；扩展时，只需要对原系统进行很小的改动；用户存储器容量至少

22、可以扩展到 4KB。根据以上要求，美国数字设备公司 (DEC公司)在 1969年首先研制比了全世界第 一台可编程序控制器，并称之为“可编程序逻辑制器”Programmable LogicController ，简称 PLC)。试样机在 GM公司的使用获得了成功。此后， PLC得到了 快速发展，并被广泛用于各种开义量逻辑运算和处理的场合。早期 PLC的硬件主要由分立元件和小规模集成电路构成， 它虽然采用了计算机 技术，但指令系统、软件和功能相对较简单，一般只能进行逻辑运算的处理，同时 通过简化计算机的内部结构和改进可靠性等措施，使之能和工业环境相适应。正因为如此，在 20世纪 70 年代初期曾经

23、出现过一些出二极管矩阵、集成电路 等器件组成的所谓“顺序控制器”； 20世纪 70 年末期曾经出现过以 MCl4500工业 控制单元 (Industrial control unit，简称 ICU) 为核心出 8 通道数据选择器MCl4512)、指令计数器 (MCl4516)、8 位可寻址双向锁存器 (MCl4599) 、存储器(2732) 等组成的“可编程序控制器”等产品。这些产品和 PLC相比，虽然具有一定的价格 优势，但最终还是因可靠性、 功能等多方面的原因， 未能得到进一步的推广和发展； 而 PLC则随着微处理器价格的全面下降，最终以其优良的性能价格比，得到了迅速 发展，并最终成为了当

24、代工业自动控制技术的重要支柱枝术之一。PLC的定义PLC技术一经出现，立即引起了全世界的广泛关注， 1969 年首先将其进行商品 化并推向市场的是美国 GOULD公司；1971 年，在引进美国技术后， 日木研制出了自 己的第一台 PLC；l973 年，德国 SIEMENS公司也研制出了欧洲第一台 PLC；1974 年， 法国随之也研制出了 PLC。到了 20 世纪 70 年代中期， PLC开始采用微处理器。 PLC的功能也从最初的逻 辑运算拓展到具有数据处理功能，并得到了更为广泛的使用。由于当时的PLC功能已经不再局限于逻辑处理的范畴，为此， PLC 也随之改称为可编程序控制器 (Progra

25、mmable Controller ，简称 PC)。1980 年 ， 美 国 电 气 制 造 商 协 会 (National Electronic Manufacture Association ，简称 NEMA对) 可编程序控制器进行了如下定义：可编程序控制器是一种带有指令存储器，数字或模拟输入 / 输出接口；以位运算为主；能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能；面向机器或生产过程 的自动控制装置”。并将其统一命名为 Programmable Controller （PC） 。PLC 的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上和微型计算机相 同，如图 2.1 所示

26、：图 2.1 PLC 硬件结构1、中央处理单元（ CPU）中央处理单元（ CPU）是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接 收并存储从编程器键入的用户程序和数据：检查电源、存储器、 I/O 以及警戒定时 器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的 方式接收现场各输入装置的状态和数据， 并分别存入 I/O 映象区， 然后从用户程序 存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的 结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输

27、出装置， 如此循环 运行，直到停止运行。为了进一步提高 PLC 的可靠性，灵活性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构 成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个 系统仍能正常运行。2、存储器（ Memory）可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入的信号的状 态写入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。 CPU常用的微处理 器有通用型微处理器，单片机和位片式计算机等。小型 PLC的 CPU多采用单片机或 专用的 CPU。大型 PLC的 CPU多用位片式结构，具有高速数据处理能力。3、基本 I/O 接口电路（ 1）输入

28、接口单元。 PLC内部输入电路作用是将 PLC外部电路（如行程开关、 按钮、传感器等）提供的、符合 PLC输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至 PLC内部电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入 响应时间一般在 0.115ms 之间。多数 PLC的输入接口单元都相同，通常有两种类 型。一种是直流输入，一种是交流输入。（2）输出接口单元。 PLC输出电路用来将 CPU运算的结果变换成一定形式的功 率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等） 。PLC输出电路结构形式 分为继电器式、晶闸管式和晶体管输出型等三种。4、接口电路PLC接口电路分为 I/O 扩展接口电

29、路和外设通信接口电路两类（ 1） I/O 扩接口电路I/O 扩展接口电路用连接 I/O 扩展单元，可以用来扩充开关量 I/O 点数和增加 模拟量的 I/O 端子。 I/O 扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。根据被控制对象对 PLC控制系统的技术和要求，确定用户所需的输入、输出设 备，据此确定 PLC的 I/O 点数。（ 2）外设通信接口电路 通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成 PLC的控制网络。 PLC通过 PC/PPI 电缆或使用 MPI卡通过 RS-485接口和电缆和计 算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能。5、电源PLC内部配有一个专用

30、开关式稳压电源， 将交流/ 直流供电电源转化为 PLC内部 电源需要的工作电源（ 5V 直流）。当输入端子为非干接点结构时，为外部输入元件 提供 24V直流电源（仅供输入点使用） 。PLC 的特点1、软硬件功能强2、使用维护方便3、运行稳定可靠4、组织灵活PLC 的发展趋势从当前产品来看， PLC的发展仍然主要体现在提及的缩小和性能的提高两大方 面。1向高速度、大容量方向发展2向超大型、超小型两个方向发展3PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力4增强外部故障的检测和处理能力5编程语言多样化PLC 工作原理循环扫描的特点1、输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内 输入

31、映像寄存器的值保持不变， CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像 寄存器的值来控制程序的执行。2、扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。3、对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。4、各个电路和不同扫描阶段会造成输入和输出延迟，这是PLC的主要缺点。在读输入阶段， CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状 态锁入映象寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段， CPU按照先左后右、先上后 下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行 用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。2.2.2 PLC 中的存储

32、器PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存 储器。1、用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户使用程序。2、用来存储工作数据的区域称为工作数据区。3、系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的 PLC 的指令的系统编写的系 统程序，它决定了 PLC的功能，用户不能更改其内容。PLC 的编程语言PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其使用领 域，一定有其专用的语言。 PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图等。 梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表 编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各

33、种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素。梯形图程序让 PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果 决定逻辑输出的允许条件。梯形图按逻辑关系分为“梯级”或网络。如图 2.2 所示是用 PLC控制的梯形图程序， 可完成和继电器控制的电动机直接 起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。图 2.2PLC 控制的梯形图程序PLC 的分类及性能指标按 I/O 点数容量分类1、小型机（ I/O 点数小于 256 点）典型的小型机有 SIEMENS公司的 S7-200 系列。2、中型机（ I/O 点数在 2561024 之间）典型的中型机有 SIEMENS公司的 S7-300系列、

34、OMRO公N司的 C200H系列。3、大型机（ I/O 点数在 1024 点以上）典型的大型 PLC有 SIEMENS公司的 S7-400、 OMRO公N司的 CVM1和 CS1系列。10按结构形式分根据 PLC结构形式的不同， PLC主要可分为整体式和模块式两类。1、整体式结构微型和小型 PLC一般为整体式结构。如西门子的 S7-200。2、模块式结构目前大、中型 PLC都采用这种方式。如西门子的 S7-300和 S7-400系列。 2.4.3PLC 的性能指标1、I/O 点数I/O 点数，即 PLC面板上的 I/O 端子的个数。 I/O 点数越多，外部可以连接的 I/O 器件就越多，控制规

35、模就越大。它是衡量 PLC性能的重要指标之一。2、存储容量 这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、小 型 PLC的存储容量变化范围一般为 2KB 2MB。3、扫描速度扫描速度是指 PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控 制取代继电器控制的稳合程度。可编程控制器采用循环扫描的工作方式。4、指令系统它是衡量 PLC能力强弱的标志，决定了 PLC的处理能力、控制能力的强弱。限 定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。5、通信功能通信有 PLC之间的通信和 PLC和计算机或其它设备之间的通信。主要涉及通信 模块、通信接口、通信协议、通信指令等。6、扩

36、展能力扩展能力包括 I/O 点数的扩展和 PLC功能的扩展两方面的内容。7、特殊功能单元特殊功能单元种类多， 也可以说 PLC的功能多。典型的特殊功能单元有模拟量、 模糊控制连网等功能。11系统硬件设计控制系统选取抢答器对时间间隔的要求很高， 而且多在会议、 答辩赛等一些正规的需要进行抢 答的场合中使用， 所以对设备的精准性和可靠性要求很高。 为此， 我们对将采用的控 制系统进行了全面的分析对比。 可编程控制器 （PLC）是由工业微型计算机、 输入, 输 出设备、保护及抗干扰隔离电路等构成的微机控制装置， 具有顺序、 周期性工作的特 征，从使用角度看可编程控制器具有如下特点：1、可靠性高：由于

37、可编程控制器的输入 , 输出端口均采用继电器或光电耦合 器件，采取了隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在恶劣环境 下可靠工作。2、体积小：由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替 了硬连线，便于安装，实现了小型化。3、通用性好：由于可编程控制器采用模块化结构，一般有 CPU 模块、电源模块、 PID模块、模拟输入和输出模块等， 可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统， 对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性。4、使用方便：对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，如果输入、输出作很 小的变动时， 只需修改相应程序即可， 无需对系统连线做

38、较大的修改， 减少了现场调 试的工作量， 使用起来灵活方便。 基于可编程控制器的上述优点能够适应和满足立体 车库高性能的使用要求，所以我确定该车库控制系统为 PLC（西门子 S7-200系列） 。S7-200 系列的 PLC在各种行业的检测及控制的自动化都得到广泛的使用。 由于 其具有极高的性价比，在以下几方面都有优越的表现：极高的可靠性、程序易于掌 握，实时特性功能、编程语言指令丰富，操作简便，有丰富的扩展功能。抢答器所 使用的各种判断信号均为数字量，所以用西门子 S7-200 系列就完全可以满足电气 控制系统方面的要求。控制系统的硬件组成在抢答器的工作过程中，主控单元的主要控制对象首先是输

39、入信号，控制系统 就是判别这个事件有没有发生，不同的情况给出不同的结果，让大家都很快的明。12其硬件组成结构图如图 3.1 所示 :图 3.1 系统硬件结构系统控制要求1抢答器可同时供四组选手参加比赛 2给主持人设置三个控制按钮，用来控制抢答的开始、复位和答题计时的开 始。3每当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答按钮，则数码管1 就显示该组的编号，同时绿色指示灯亮，音响电路给出信箱提示信号（持续3S），以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不再响应。选手答题完毕后，由主持人按下 复位按钮，系统才能开始下一轮抢答。4违规抢答：若选手在未开时抢答试题时抢答了，则视为违规，违规时数码管 1

40、显示其编号，同时红灯亮，音响电路发出声响。 5抢答限时：当主持人按下开始按钮后，定时器 T0 开始计时（设定 30S）。若 30S 时限到仍无人抢答，则黄灯亮、音响电路发出声响，以示选手放弃该题。答题限时：在抢答成功后，主持人按下答题计时开始按钮，同时数码管2、3 上显示答题倒计时时间 （该时间设定为 50S），选手必须在设定的时间内完成答题。否则，音响电路发出答题超时报警信号控制系统 I/O 分配表3.4.1 抢答器的 PLC控制系统的输出端口抢答器的 PLC控制系统的输出端口如表 3.1 所示：表 3.1 输出信号对照表信号名称内部地址信号名称内部地址数码管 1a 段Q0.0数码管 2g

41、段Q1.6数码管 1b 段Q0.1数码管 3a 段Q2.0数码管 1c 段Q0.2数码管 3b 段Q2.1数码管 1d 段Q0.3数码管 3c 段Q2.2数码管 1e 段Q0.4数码管 3d 段Q2.3数码管 1f 段Q0.5数码管 3e 段Q2.4数码管 1g 段Q0.6数码管 3f 段Q2.5数码管 2a 段Q1.0数码管 3g 段Q2.6数码管 2b 段Q1.1音响Q3.0数码管 2c 段Q1.2绿色指示灯Q3.1数码管 2d 段Q1.3黄色指示灯Q3.2数码管 2e 段Q1.4红色指示灯Q3.3数码管 2f 段Q1.5抢答器的 PLC控制系统的输入端口抢答器的 PLC控制系统的输入端口

42、如表 3.2 所示： 表 3.2 输入信号对照表信号名称内部地址信号名称内部地址抢答开始按钮 SB1I0.0第二组抢答按钮 SB5I1.1主持人复位按钮 SB2I0.1第三组抢答按钮 SB6I1.2答题计时按钮 SB3I0.2第四组抢答按钮 SB7I1.314第一组抢答按钮 SB4I1.0系统硬件连接图根据系统要求和所需要的硬件， 系统数字量输入点总计 7 个点，输出点总计 25 个点。综合考虑到系统的性价比和系统的可扩展性，输入、输出点留出一定的富裕 量，因此 PLC选择 SIEMENS的 S7-200 系列的 CPU226继电器输出型和数字量扩展模 块 EM223。输入、输出端子电气接线图

43、如图 3.2 所示。 （具体请参考表 3.1 和表 3.2）15图 3.2 控制系统外部 I/O 接线图16系统软件设计整体设计根据 PLC智能抢答器的控制要求，使用程序采用一体化结构。通过 PLC控制程 序来实现整体的运行，系统仅需要少量的按钮和接口，一般的 PLC配置都可运行。 该系统本着简单易懂、可靠性强、适应性强等方面进行设计。在抢答时只需按动按 钮即可数码管在系统程序的控制下自动显示组号以及倒计时时间。安全、可靠、省 时、省力、价格便宜。控制软件使用 SIEMENS编程软件，采用梯形图语言编写 , 工作系统自动控制流 程框图如图 4.1. 所示。根据系统控制要求，进行针对性设计，要充

44、分保证系统的安 全，保证整个系统的运行安全可靠。自动条件下，必须复位后在满足自动条件下才 能进行自动运行程序，当中充分使用各个过程的互锁来保证系统的安全。如下图所 示，有主程序和若干子程序组成，其整体设计工作系统自动控制流程图如图 4.1 所图 4.1PLC 工作系统自动控制流程图PLC 控制程序17为了编程结构的简单、 明了在主程序中引用了中间继电器， I1.0 I1.3 分别为 四组选手的抢答信号， 同时我们用中间继电器 M0.0、M0.1、M1.0M1.3 进行自锁 和互锁功能，以保证每个选手公平抢答。主持人控制台有 I0.0 按钮用以抢答开始，按钮用以控制答题时间地开始， I0.1 按

45、钮为复位按钮。4.2.1 主持人控制台控制抢答器的开始、答题计时和复位当主持人按下 I0.0 按钮后，选手才能正常抢答，否则视为违规抢答开始程序如下图 4.2 所示：图 4.2 抢答开始当选手抢答成功后，主持人按下答题计时开始按钮 I0.2 后，答题计时开始， 程序如图 4.3 所示：图 4.3 答题计时开始抢答完毕，当主持人按下按钮 I0.1 ，系统才能进行下一轮的抢答，如图 4.4 所示：图 4.4 复位组别显示1就每当主持人发出开始抢答指令后，那组选手最先按下抢答按钮，则数码管显示该组的组号，如图 4.5 所示：19图 4.5 组别显示4.2.3 选手的抢答主持人发出抢答开始指令后，选手

46、开始抢答，否则抢答无效视为违规抢答，四图 4.6 四组选手的抢答20答题限时在抢答成功后，主持人按下答题计时开始按钮，同时数码管2、3 上显示答题倒计时时间（该时间设定为 50S）。如图 4.7 所示：21乙乙()9LO丄HlSV1aneti6E1Sfrl3V12324图 4.7 倒计时程序音响电路每当主持人发出开始抢答指令后， 那组选手最先按下抢答按钮音响电路给出音响提示信号（持续 3S），以指示抢答成功，并对其后的抢答信号不再响应；若选手在未开时抢答试题时抢答了，则视为违规，音响电路发出声响警告；当主持人按下 开始按钮后， 若 30S时限时到仍无人抢答， 音响电路发出声响， 以示选手放弃该

47、题； 在抢答成功后， 主持人按下答题计时开始按钮， 选手必须在设定的时间内完成答题，图 4.8 音响电路否则音响电路发出答题超时报警信号。如图 4.8 所示：指示灯电路每当主持人发出开始抢答指令后，若有选手最先按下抢答按钮，则绿色指示灯 亮以指示其抢答成功；若选手在未开时抢答试题时抢答了，则视为违规，同时红灯 亮以示其违规抢答；当主持人按下开始按钮后，定时器 T0 开始计时（设定 30S）， 若 30S 时限时到仍无人抢答，则黄灯亮，以示选手放弃该题。每当主持人发出开始抢答指令后，若有选手最先按下抢答按钮，则绿色指示灯 亮以指示其抢答成功；当主持人按下开始按钮后，定时器 T0 开始计时（设定

48、30S）， 若 30S 时限时到仍无人抢答，则黄灯亮，以示选手放弃该题。如图 4.9 所示：26图 4.9 成功、无人抢答若选手在未开时抢答试题时抢答了， 则视为违规，同时红灯亮以示其违规抢答。如图 4.10 所示：图 4.10 违规抢答抢答器控制程序为了便于读懂和了解抢答器的控制过程，其详细控制程序如图 4.11 所示：27282930()9LO丄HlSV1aneti6E1Sfrl3V1323335模拟运行和调试过程5.1 程序的模拟运行将设计好的程序写入 PLC后，首先要做的就是仔细检查程序，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，一般不用接PLC实际的负载 （ 如接触器、

49、电磁阀等 ） 。也可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际 的反馈信号。在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、 有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不 能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和 PLC中的程序，直到在各种可能的情况下 输入量和输出量之间的关系完全符合要求，下面图 5.1 5.3 是程序运行调试中 的几个过程图。图 5.1 程序下载36图 5.2 程序运行图 5.3 程序停止如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调 试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。在设计和模拟调试程

50、序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜， PLC之外的其他硬件的安装、接线工 作也可以同时进行。程序的现场调试完成上述的工作后，就可以进行现场的调试工作立刻 , 首先将 PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中有可能将会显示出系统中原先可能存在的传感 器、执行器和硬接线等方面的问题，以及 PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的 问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，则可以对相应硬 件和软件部分设计作适当调整，通常只需要略微修改程序就可能出现实际效果。全 部调试通过后，再经过一段时间的实验，系统才可以投入到实际运用当中。在调试过程中出现的问题：1、在计算机上编程通过后，程序无法下载，经过认真检查后，发现内存没有 初始化，对内存进行清理后，下载程序进行调试。2、在刚开始调试检验的时候发现程序一直无法通过，最后发现我在编写程序 时误把程序中的数字 0 写成了英文 O。3、在载入程序后，发现数码管不亮，经过认真检测后，发现数码管和电源之 间未连成回路，连接后数码管正常显示。4、编译成功后，在模拟实验调试时，按下启动按钮 I0.0 运行后发现抢答超 时时黄灯不亮，而违规抢答时黄灯和红灯一起亮。经过认真检测后发现是程序中中 间继电器的动断和动合触点弄错，程序经修改后回复正常。下面为未修改前程序如 图 5.4 修改后程序如图 5.