基于PLC四人抢答器系统设计

渤海船舶职业学院（毕业论文）专用纸题目：基于PLC四人抢答器系统设计内容:……目录第一章PLC四路抢答器概述 1第二章PLC概述 4第三章系统硬件设计 9第四章系统软件设计 13第五章模拟运行与调试过程 24结论 27参考文献 28前言目前国内外市场上已有很多类型的知识竞赛抢答器，其大致采用模拟电路、数字电路、单片机或者PLC芯片、计算机控制系统等四类产品。对于采用模拟电路或者数字电路的产品，其技术相当成熟。但是随着功能的增多，电路也越复杂，并且成本偏高，故障率高，显示方式简单或者没有，无法准确判断抢按按钮的行为，也不便于参数调节及其功能的升级换代。对于计算机控制系统来说，其程序简单，反应灵敏，便于参数调节及其功能的升级换代，但鉴于其必须配合计算机实用，可操作性差，没有得到广泛的应用。而对于科技飞速发展的今天，PLC、单片机应用的不断深入，带动了传统控制检测技术的不断更新，并鉴于其本身具有的优点，以PLC、单片机为核心的部件成为主流[1]。传统的普通抢答器主要存在一下缺点：(1)在一次抢答过程中，当出现超前违规抢答时，只能处理违规抢答信号，而对没有违规的有效信号不能进行处理，因而使该次抢答过程变为无效。(2)当有多个违规抢答时，优先编码电路只能选择其中一个，或利用抢答电路电子元件的“竞争”选择其中一个。对于后者由于抢答电路制作完毕后电子元件被固定，各路抢答信号的“竞争”能力也被固定，因而本质上也有优先权。普通抢答器存在不公平性。(3)当有多个违规抢答时，普通抢答器只能“抓住”其中一个违规者。因而出现了“漏洞”。现在大多抢答器都是以PLC、单片机为控制核心的智能抢答器，它对采样获得的各种抢答信号进行分析。但仅有抢答功能的抢答器已经不能满足当今社会的需要，因此该设计采用基于PLC控制来设计四路抢答。第一章PLC四路抢答器概述1.1四路抢答器概述抢答器广泛应用于电视台、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。以下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，他的应用场合也随之增加；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应用于电视台、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智能抢答器与单片机抢答器相比，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，在工业现场的应用已逐步被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应用最为广泛。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：价格与前二种控制器相比略贵，可靠性好，操作简单。1.2PLC智能抢答器的工作原理我所设计的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: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与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。第三章系统硬件设计3.1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，从应用角度看可编程控制器具有如下特点：1、可靠性高：由于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应用。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。3.2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。其硬件组成结构图如图3.1所示:图3.1系统硬件结构3.3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。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、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3.4控制系统I/O分配表表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SB7I1.3第一组抢答按钮SB4I1.03.5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如图3.2所示。（具体请参考表3.1和表3.2）图3.3控制系统外部I/O接线图第四章系统软件设计4.1整体设计根据PLC智能抢答器的控制要求，应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。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。控制软件应用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，当中充分应用各个过程的互锁来保证系统的安全。图4.1PLC工作系统自动控制流程图4.2PLC控制程序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、M1.0—M1.3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，I0.2按钮用以控制答题时间地开始，I0.1按钮为复位按钮。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4.2.2组别显示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就显示该组的组号，如图4.5所示：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，选手开始抢答，否则抢答无效视为违规抢答，四组选手的抢答程序如图4.6所示：图4.6四组选手的抢答4.2.4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：图4.7倒计时程序4.2.5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，否则音响电路发出答题超时报警信号。如图4.8所示：图4.8音响电路4.2.6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：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违规抢答第五章模拟运行与调试过程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、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与输出量之间的关系完全符合要求。5.2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