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学 号 1322041219天津 xx 大学(电气控制技术课程实训)设计说明书(用基本指令实现智能抢答器设计起止日期: 2015 年1月19日至 2015年 1月25日学生姓名班级成绩指导教师(签字)xxxx 学院2015 年 1月25 日1 / 22设计题目:用基本指令实现智能抢答器设计完成期限:自 2015 年 1月 19日至 2015 年 1月 25日共 1 周设计依据、要求及主要内容(可另加附页):指导教师(签字):系(教研室)主任(签字):批准日期:年 月 日摘要近年来随着科技的飞速发展,PLC的应用不断地走向深入, 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,在各行各业中的应用日益广泛 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:智力控制,四路抢答器, PLC目录摘 要 0一 PLC 概述 21.1 PLC 的定义 21.2 PLC 的基本结构 31.3 PLC 的特点 41.4 PLC 工作原理 5二 PLC 四路抢答器 52.1 PLC 四路抢答器概述 6三 系统硬件设计 63.1 系统硬件连接图 63.2 控制系统 I/O 分配表 7四 系统软件设计 84.1 整体设计 84.2 系统流程图 84.3 PLC 控制程序 94.4 主持人控制台控制抢答器的开始 104.5 选手的抢答 104.6 组别显示 114.7 指示灯电路 124.8 系统总程序 14总结 17参考文献 18一 PLC概述1.1 PLC 的定义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 logical Controller (PLC)。1.2 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 上与微型计算机相同,如图 1.1 所示:编程器中央处理单元(CPU)系统程序存储器T |用户程序存绪訂|电源|图 1.1 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a 输入接口单元。 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。b 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 扩展接口电路和外设通信接口电路两类。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。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 接口和电缆与计算机连接,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)。1.3 PLC 的特点1. 使用方便,编程简单2. 功能强,性能价格比高3. 硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强4. 可靠性高,抗干扰能力强5. 系统的设计、安装、调试工作量少6. 维修工作量小,维修方便1.4 PLC 工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后,其工作过程一般分为三个 阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上 述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间,可编程逻辑控 制器的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。在输入采样阶段,可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入 所有输入状态和数据,并将它们存入 I/O 映象区中的相应的单元 内。输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这 两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相 应单元的状态和数据也不会改变。因此,如果输入是脉冲信号, 则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情 况下,该输入均能被读入。在用户程序执行阶段,可编程逻辑控制器总是按由上而下的 顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时,又 总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后 右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然 后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对 应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状 态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即, 在用户程序执行过程中,只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数 据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统 RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的 梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数 据的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑 线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的 程序起作用。当扫描用户程序结束后,可编程逻辑控制器就进入输出刷新 阶段。在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新 所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。这时,才 是可编程逻辑控制器的真正输出。二PLC四路抢答器2.1 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。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2 个控制按钮, 用来控制开始、复位,每当主持人发出开始抢答指令后,哪组选 手最先按下抢答器按钮,则数码管就显示该组的编号,并对其后 的抢答信号不在响应,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以示选手放弃该题。三 系统硬件设计3.1 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 3.1 所示。图 3.1 系统硬件接线图3.2控制系统I/O分配表抢答器的PLC控制系统的输入端口 I/O分配表如表1所示。表1 输入端口表抢答器的PLC控制系统的输出端口如表2所示。表2 输出端口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SB4I0.3主持人复位按钮SB2I0.1第三组抢答按钮SB5I0.4第一组抢答按钮SB3I0.2第四组抢答按钮SB6I0.5信号名称内部地址信号名称内部地址数码管aQ0.0数码管fQ0.5数码管bQ0.1数码管gQ0.6数码管c
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