基于PLC控制的五人搶答器設(shè)計(jì)

引言1.設(shè)計(jì)目的：①設(shè)計(jì)出plc控制的五人搶答器。②掌握plc的編程軟件平臺(tái)、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、傳送指令、主子程序等有關(guān)指令的編程方法；③熟悉plc與上位機(jī)通訊、軟件調(diào)試的方法；④培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)能力、分析問題與解決問題的能力。2.設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)出帶顯示的五人搶答器3.要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：①按下?lián)尨鸢粹o，開始搶答，需在15S內(nèi)完成搶答，假設(shè)沒有完成搶答，報(bào)警指示燈亮。②假設(shè)二號(hào)選手搶答成功，主持人按答題按鈕，選手在30秒內(nèi)答題，數(shù)碼管從30開始倒數(shù)。③30秒倒計(jì)時(shí)結(jié)束，指示燈亮。④主持人按下復(fù)位按鈕，數(shù)碼管顯示00。關(guān)鍵詞：PLC,五人搶答器目錄引言0一．PLC簡介31.1根本結(jié)構(gòu)PLC3中央處理單元(CPU)3存儲(chǔ)器41.1.3輸入接口電路51.1.4輸出接口電路5電源61.2PLC的工作原理6輸入刷新階段6程序執(zhí)行階段71.2.3輸出刷新階段7二．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)72.1系統(tǒng)的硬件配置及原理圖設(shè)計(jì)72.2I/O口分配82.3系統(tǒng)接線設(shè)計(jì)92.4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)10控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)10控制系統(tǒng)梯形圖10程序指令語言16三．系統(tǒng)調(diào)試及分析結(jié)果193.1系統(tǒng)調(diào)試及解決的問題193.2運(yùn)行結(jié)果20四．課程設(shè)計(jì)總結(jié)20五．參考文獻(xiàn)21一．PLC簡介1.1根本結(jié)構(gòu)PLC可編程序控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)就是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個(gè)變換與以物理實(shí)現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實(shí)現(xiàn)可以說是PLC實(shí)施控制的兩個(gè)根本點(diǎn)，同時(shí)物理實(shí)現(xiàn)也是PLC與普通微機(jī)相區(qū)別之處，其需要考慮實(shí)際控制的需要，應(yīng)能排除干擾信號(hào)適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實(shí)際控制系統(tǒng)方便使用，所以PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由微處理器〔CPU〕、存儲(chǔ)器〔RAM/ROM〕、輸入輸出接口〔I/O〕電路、通信接口及電源組成。PLC的根本結(jié)構(gòu)如下列圖所示：圖1.1plc的根本結(jié)構(gòu)1.1.1中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能：a.接收并存儲(chǔ)從用戶程序和數(shù)據(jù)；b.檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式采集現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象存放區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)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(yùn)算并將結(jié)果送入I/O映象存放區(qū)或數(shù)據(jù)存放器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象存放區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出存放器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)直到停止運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。1.1.2存儲(chǔ)器可編程序控制器的存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。存放系統(tǒng)軟件〔包括監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序〕的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器；存放用戶程序〔用戶程序存和數(shù)據(jù)〕的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器，所以又分為用戶存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩局部。PLC常用的存儲(chǔ)器類型：〔1〕RAM〔RandomAssessMemory〕這是一種讀/寫存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。〔2〕EPROM〔ErasableProgrammableReadOnlyMemory〕這是一種可擦除的只讀存儲(chǔ)器。在斷電情況下，存儲(chǔ)器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲(chǔ)器內(nèi)容)?！?〕EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)這是一種電可擦除的只讀存儲(chǔ)器。使用編程器就能很容易地對(duì)其所存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改。PLC存儲(chǔ)空間的分配：

雖然各種PLC的CPU的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：〔1〕系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)〔2〕系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)〔包括I/O映象存放區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等〕?！?〕用戶程序存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的性能。系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)：系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)包括I/O映象存放區(qū)以及各類軟元件，如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)存放器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址存放器、累加器等存儲(chǔ)器?！?〕I/O映象存放區(qū)：由于PLC投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元(RAM)以存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O映象存放區(qū)。一個(gè)開關(guān)量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位，一個(gè)模擬量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字。因此整個(gè)I/O映象存放區(qū)可看作兩個(gè)局部組成：開關(guān)量I/O映象存放區(qū)；模擬量I/O映象存放區(qū)?！?〕系統(tǒng)軟元件存儲(chǔ)區(qū)：除了I/O映象存放區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟元件〔邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)存放器和累加器等〕的存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和失電不保持的存儲(chǔ)區(qū)域，前者在PLC斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會(huì)喪失；后者當(dāng)PLC斷電時(shí)，數(shù)據(jù)被清零。〔3〕用戶程序存儲(chǔ)區(qū)：用戶程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC，其存儲(chǔ)容量各不相同。1.1.3輸入接口電路輸入輸出信號(hào)有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實(shí)習(xí)室涉及到的信號(hào)當(dāng)中，開關(guān)量最普遍，也是實(shí)驗(yàn)條件所限，在次我們主要介紹開關(guān)量接口電路。可編程序控制器優(yōu)點(diǎn)之一是抗干擾能力強(qiáng)。這也是其I/O設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之處，經(jīng)過了電氣隔離后，信號(hào)才送入CPU執(zhí)行的,防止現(xiàn)場的強(qiáng)電干擾進(jìn)入。如下列圖就是采用光電耦合器(一般采用反光二極管和光電三極管組成)的開關(guān)量輸入接口電路：圖1.1.3接口電路1.1.4輸出接口電路可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出(M)、晶體管輸出(T)、晶閘管輸出(SSR)三種輸出形式。輸出接口電路的隔離方式輸出接口電路的主要技術(shù)參數(shù)a.響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是指PLC從ON狀態(tài)轉(zhuǎn)變成OFF狀態(tài)或從OFF狀態(tài)轉(zhuǎn)變成ON狀態(tài)所需要的時(shí)間。繼電器輸出型響應(yīng)時(shí)間平均約為10ms；晶閘管輸出型響應(yīng)時(shí)間為1ms以下；晶體管輸出型在0.2ms以下為最快。b.輸出電流繼電器輸出型具有較大的輸出電流，AC250V以下的電路電壓可驅(qū)動(dòng)純電阻負(fù)載2A/1點(diǎn)、感性負(fù)載80VA以下〔AC100V或AC200V〕及燈負(fù)載100W以下〔AC100V或200V〕的負(fù)載；Y0、Y1以外每輸出1點(diǎn)的輸出電流是0.5A，但是由于溫度上升的原因，每輸出4合計(jì)為0.8A的電流，輸出晶體管的ON電壓約為1.5V，因此驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體元件時(shí)，請(qǐng)注意元件的輸入電壓特性。Y0、Y1每輸出1點(diǎn)的輸出電流是0.3A，但是對(duì)Y0、Y1使用定位指令時(shí)需要高速響應(yīng)，因此使用10—100mA的輸出電流；晶閘管輸出電流也比擬小，F(xiàn)X1S無晶閘管輸出型。c.開路漏電流開路漏電流是指輸出處于OFF狀態(tài)時(shí)，輸出回路中的電流。繼電器輸出型輸出接點(diǎn)OFF是無漏電流；晶體管輸出型漏電流在0.1mA以下；晶閘管較大漏電流，主要由內(nèi)部RC電路引起，需在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)注意。輸出公共端〔COM〕公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。FX1S有1點(diǎn)或4點(diǎn)一個(gè)公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅(qū)動(dòng)不同電源電壓系統(tǒng)的負(fù)載。1.1.5電源PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。1.2PLC的工作原理由于PLC以微處理器為核心，故具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方，假設(shè)有鍵按下或有I/O變化，那么轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，假設(shè)無那么繼續(xù)掃描等待。PLC那么是采用循環(huán)掃描的工作方式。對(duì)每個(gè)程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，那么從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個(gè)因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時(shí)間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個(gè)掃描周期主要可分為3個(gè)階段。1.2.1輸入刷新階段在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)存放器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)存放器的內(nèi)容也不會(huì)改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。1.2.2程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部輔助存放器和輸出狀態(tài)存放器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。1.2.3輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)存放器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路〔輸出映像存放器〕，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。二．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的硬件配置及原理圖設(shè)計(jì)圖2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理圖2.2I/O口分配用plc設(shè)計(jì)搶答器控制程序，現(xiàn)在有無路輸入開光X1,X2,X3,X4,X5實(shí)現(xiàn)優(yōu)先搶答，任一組搶答器按下按鍵后，顯示器能及時(shí)顯示該組的編號(hào)〔由于輸出口個(gè)數(shù)的限制，本實(shí)驗(yàn)用五個(gè)指示燈代替〕，同時(shí)鎖住該搶答器使其它組按鍵使其無效，主持人有搶答器復(fù)位開關(guān)，復(fù)位后可重新?lián)尨?。并且每次搶答和答題時(shí)都用數(shù)碼管顯示其搶答和答題時(shí)間。搶答時(shí)間為15秒，答題時(shí)間為30秒，時(shí)間一到報(bào)警指示燈亮，進(jìn)行報(bào)警。輸入口：X0開始搶答按鈕；X1第一位選手搶答按鈕；X2第二位選手搶答按鈕；X3第三位選手搶答按鈕；X4第四位選手搶答按鈕；X5第五位選手搶答按鈕；X6主持人復(fù)位按鈕；X7開始答題按鈕。輸出口：Y0第一組搶答指示燈；Y1第二組搶答指示燈；Y2第三組搶答指示燈；Y3第四組搶答指示燈；Y4第五組搶答指示燈；Y5電源指示燈；Y6報(bào)警指示燈；Y10–Y19個(gè)位數(shù)字；Y20–Y23十位數(shù)字。2.3系統(tǒng)接線設(shè)計(jì)圖2.3系統(tǒng)接線圖2.4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.4.1控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)圖2.4.1系統(tǒng)流程圖2.4.2控制系統(tǒng)梯形圖2.4.2程序梯形圖2.4.3程序指令語言三．系統(tǒng)調(diào)試及分析結(jié)果3.1系統(tǒng)調(diào)試及解決的問題按2.3中的系統(tǒng)接線圖進(jìn)行接線，先將電源的正極相連接，將電源負(fù)極與plc的輸出端相連接，八段數(shù)碼管的輸出端a,b,c,d,e,f,g,h,接試驗(yàn)臺(tái)的輸出端Y0,Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6.最后將所有的com端子接在一起，與電源的正極相連接，構(gòu)成外圍電路。數(shù)碼管接線如下：3.1數(shù)碼管引腳定義當(dāng)翻開電源之后數(shù)碼管不亮，但按下開始搶答按鈕后，plc的輸出端顯示正常，當(dāng)搶答時(shí)間到時(shí)，報(bào)警燈不亮，但主持人按下復(fù)位按鈕或開始答題按鈕后，指示燈本應(yīng)熄滅但還是亮著，對(duì)此我們做如下處理：a電源開啟后數(shù)碼管不亮，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)com端接反了，將com端接好數(shù)碼管亮。b為了解決報(bào)警器指示燈在主持人按下開始答題按鈕后還亮著的問題，我們將T14T44Y6并了之后，將其在介入復(fù)位開關(guān)X6的的前面，使得復(fù)位開關(guān)按下后，將指示燈Y6熄滅。c在程序中有一些功能指令難以輸入，為此在輸入中還輸錯(cuò)了一條mov指令，經(jīng)仔細(xì)查找終于修復(fù)程序。d試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)上的X0是開關(guān)而不是按鈕，因此需要手動(dòng)給他斷電，使系統(tǒng)正常工作。3.2運(yùn)行結(jié)果主持人按下?lián)尨鸢粹oX0后，數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)從15秒內(nèi)開始倒計(jì)時(shí)，在十五秒之內(nèi)，無名選手沒有搶答者，主持人按復(fù)位按鈕X6，數(shù)碼管顯示00.主持人再次按下?lián)尨鸢粹oX0后，倒計(jì)時(shí)開始計(jì)時(shí)，選手二號(hào)X2搶答成功，報(bào)警燈亮，其他選手按下按鈕不起作用，主持人按下答題按鈕X7后，數(shù)碼管從30開始倒計(jì)時(shí)，給選手30秒的答題時(shí)間，完后后報(bào)警燈亮，主持人再次按下復(fù)位按鈕X6后開始下輪的搶答！四．課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過兩周的課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)plc有了更深入的了解，從剛開始的任務(wù)下到達(dá)梯形圖設(shè)計(jì)，我們一起討論，一起思考，并且查閱了大量的資料，參考了有關(guān)文獻(xiàn)。本次課程設(shè)計(jì)主要闡述了帶顯示的五路搶答器的plc控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。其中對(duì)于數(shù)碼管的顯示方面我們遇到了些困難，但最終通過和其他組同學(xué)的討論，我們的不懈努力克服了這一難點(diǎn)。雖然在設(shè)計(jì)梯形圖的這一過程中困難重重，然而我們的組成員的想法都不一樣，經(jīng)過一番討論，我們達(dá)成一致，確立了簡潔可行的方案。當(dāng)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里運(yùn)行成功的時(shí)候，每個(gè)人都非常沖動(dòng)，使我認(rèn)識(shí)到理論