(精品)基于PLC控制的抢答器完整版毕业论文论文

基于PLC

控制的抢答器毕业设计 李晓 宁

焦作大学机电工程学

院

基于PLC 控制的抢答器毕业设计

专业名称： 应用电子技术 学生姓名： 导师姓名：

职 称：

讲 师

焦作大学机电工程学院

2012年 12 月

中图分类号：密级：

UDC：单位代码：

基于PLC控制的抢答器设计Based on PLC control responder design

焦作大学机电工程学院

摘要

PLC的应用领域已经拓宽到了各个领域，在日常生活中，智能抢答器广泛的应用于各种竞赛和抢答场合。由于PLC系统的抢答器相对稳定，所以设想可以利用PLC进行抢答器的设计。

开始抢答前，主持人首先通过复位按钮实现电路复位，在提问之后，打开选择开关启动定时器。在抢答限时内，当某一组抢先按下抢答按钮后，对应的辅助继电器接通，同时切断其它抢答回路，实现互锁。抢答成功后，辅助继电器接通，启动音效电路和某分台指示灯，驱动外部数码显示器显示抢答成功组号。抢答成功后，同时启动定时器，当定时器计时结束，启动音效电路和指示灯提示回答时间到。如果在限时内无人抢答，则启动音效电路和总台指示灯。关键词抢答器；可编程控制器；

ABSTRACT

PLC application field broaden from various fields, in daily life, intelligent vies to answer first device widely used in various competitions and vies to answer first occasion. Due to the PLC system responder relative stability, so imagine can use PLC for the design of the responder.

Before start vies to answer first, the first through the reset button realize circuit reset, the questions later, open the selector switch start timer. In vies to answer first time, when a group of preemptive press vies to answer first button, the corresponding auxiliary relay on, at the same time cut off other vies to answer first circuit, realize interlock. Vies to answer first after the success of the auxiliary relay on, start sound circuit and some points table lamp, drive external digital display shows vies to answer first successful group number. After the success of the vies to answer first, and the launch of the timer, when the timer timing over, start sound circuit and light scanning flow

chart

工作过程：主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几

个阶段。

（1）内部处理阶段：

在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。

（2）通信服务阶段

在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容 1．输入处理

输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。

2．程序执行

根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。

3．输出处理

程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。

4.PLC的工作状态

PLC 有两种工作状态，即运行(RUN)状态与停止(STOP)状态。运行状态是执行应用程序的状态。停止状态一般用于程序的编制与修改。图2.7给出了运行和停止两种状态下PLC 不同的扫描过程。由图可知，在这两个不同的工作状态中，扫描过程所要完成的任务是不尽相同的。

在运行状态，PLC 通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC 的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC 停机或切换到停止(STOP)工作模式。

在内部处理阶段，PLC 检查CPU 模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其他内部工作。

在通信服务阶段，PLC 与其他带微处理器的智能装置通信以更新编程器的显示内容。当PLC 处于停止模式时，只执行以上两种的操作。PLC 处于运行(RUN)模式时，还要完成另外三个阶段的操作。

5.扫描周期和响应时间

PLC 在运行状态时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为0.5ms～100ms。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：CPU 执行指令的速度，执行每条指令占用的时间；程序中指令条数的多少。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU 执行速度有很大关系，一般说来，一个扫描过程中，输入采样和输出刷新所占时间较少，执行指令的时间占了绝大部分。

PLC的响应时间是指从PLC外部输入信号发生变化的时刻起至由它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔，也叫做滞后时间(通常滞后时间为几十毫秒)。它由输入电路的时间常数、输出电路的时间常数、用户语句的安排和指令的使用、PLC 的循环扫描方式以及PLC 对IO 的刷新方式等部分组成。这种现象称为IO 延迟响应或滞后现象。由于PLC 的这种周期循环扫描工作方式，决定了响应时间的长短与收到输入信号的时刻有关。响应时间可以分为最短响应时间和最长响应时间。

（1）最短响应时间

如果在一个扫描周期刚结束之前收到一个输入信号，在下一个扫描周期之前进入输入采样阶段，这个输入信号就被采样，使输入更新，这时响应时间最短。

（2）最长响应时间

如果收到一个输入信号经输入延迟后，刚好错过IO 刷新的时间，在该扫描周期内这个输入信号无效，要到下一个扫描周期输入采样阶段才被读入，使输入更新，这时响应时间最长。由于PLC 采用循环扫描的工作方式，即对信息串行处理方式，必定导致输入、输出延迟响应，产生滞后现象。对于一般工业控制要求，这种滞后现象是允许的。但是对那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以使用智能输IO单元(如快速响应IO模块)或专门的指令(如立即IO指令)，通过与扫描周期脱离的方式来解决。

3.2 PLC机型选择步骤与原则

PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。对于开关量控制以及以开关量控制为主、带

少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带AD转换、DA转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。

而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID 运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。

(一) 合理的结构型式

PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。

整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。

(二) 安装方式的选择

PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。

集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO

式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程IO电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。

(三)相应的功能要求

一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。

对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD和DA转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。

对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。

(四)响应速度要求

PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。

(五)系统可靠性的要求

对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。

3.3 PLC的容量包括IO点数和用户存储容量两个方面

(一)IO点数的选择

PLC平均的IO点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的IO点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的IO点最少，但必须留有一定的裕量。

通常IO点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10％

~15％的裕量来确定。

(二) 存储容量的选择

用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25％之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。

PLC的IO点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在IO点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20％~30％的裕量。

存储容量（字节）＝开关量IO点数×10 ＋模拟量IO通道数×100

另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。

3.4 控制要求分析

当主持人打开启动开关后，在设定时间T1 内，如果某组抢先按下抢答按钮，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出抢答成功的组号，此时电路实现互锁，其他组再按下抢答按钮为无效;

在抢答成功后，定时器停止工作。显示器显示选手的编号和抢答的时间。主持人打开开关S，系统清零。

3.5 抢答电路分析

图3.2 系统结构框图

Figure 3.2 system structure diagram

图3.3 系统外部接线图

Figure 3.3 system outside wiring diagram 3.6 程序流程图

4 软件设计4.1 IO分配表

4.2根据控制要求进行梯形图设计

(一号选手抢答按钮)

(二号选手抢答按钮)

(三号选手抢答按钮)

(四号选手抢答按钮)

(五号选手抢答按钮)

(六号选手抢答按钮)

(七号选手抢答按钮)

(八号选手抢答按钮)

（主持人闭合抢答开关Ｓ，即I1.0闭合，抢答开始。8组选手任一选手按其抢答按钮，将其输出自锁。当抢答结束或无人抢答时，主持人打开开关S,即I1.0打开，系统清零）

（1号选手指示灯）

（2号选手指示灯）

（3号选手指示灯）

（4号选手指示灯）

（5号选手指示灯）

（6号选手指示灯）

（7号选手指示灯）

（8号选手指示灯）

（优先抢答的选手对应的指示灯亮。该段梯形图使用互锁。一旦有选手选中，其他选手抢答无效）.

（T1为特殊的定时器，其定时为30秒，输出16进制。8位选手一旦其中一位抢答成功，M1.0常闭触电断开，T1以BCD输出）

数码管1——选手编号数码管2——计时器十位

数码管3——计时器个位

5 仿真与调试

5.1 仿真软件GX Developer8.0概要

GX Developer8.0编程软件是FX系统PLC专用的编程软件，其编程界面和帮助文档均已汉化，占用空间小，安装好后仅占用约90MB的空间，功能较强，在Windows982000XP系统下均可运行。

GX Developer主要是指能执行以下功能的软件包：

1. 程序的创建

2. 对可编程控制器CPU进行写入、读出

3. 监视(例如：软元件批量监视)

监视有梯形图监视、软元件批量监视、软元件登录监视功能。

4. 调试

将所创建的顺控程序写入到可编程控制器CPU中，对顺控程序能否正常动作进行测试。此外，通过使用新开发的GX Simulator,可以在单台个人计算机中进行调试。

5. PLC诊断

由于显示了当前的出错状态以及故障记录等，因此可以在短时间内完成除错。此外，通过系统监视(仅为QCPU(Q模式))可以获取关于特殊功能的详细信息，因此在出错时可以在更短的时间内完成除错。

5.2 系统的仿真

1）抢答情况（假如是第1组）仿真图如图5.1所示

X011 主持人开始 TS1 定时器T1

指示灯（Y000）、蜂鸣器（Y010）、数码管显示（Y021、Y022）为组号1

图5.1 正常抢答仿真图

Figure 5.1 normal vies to answer first the simulation diagram

2）无人应答及答题超时的情况

X011 主持人开始、蜂鸣器（Y10）仿真图如图5.2所示

规定时间内无人抢答，系统自动报警，显示00

图5.2 无人应答及答题超时仿真图

Figure 5.2 nobody reply and answer timeout simulation diagram

5.3 工作过程分析

1)开始抢答前，主持人在提问之后，接通开关（S）X0111启动定时器 T1,本程序预设为 30s)。

2)在抢答限时内，当某一组抢先按下抢答按钮后，对应的辅助继电器接通，同时切断其它抢答回路，实现互锁。如一组接通后，其他组再按下将不会起作用。

3)抢答成功后，辅助继电器 M2接通，启动音效电路和指示灯，输出驱动信号，驱动外部数码显示器显示抢答成功的组号。

4)如果在限时内无人抢答，则启动音效电路和指示灯显示“00”。

5)抢答成功后，主持人断开开关S ，系统则清零本次抢答结束。

致谢

通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们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。

在这次毕业设计中我也遇到了许多困难得到了学校里其他老师的帮助和指导，我也要感谢我的母校焦作大学，是她提供了良好的学习环境和生活环境，让我的三年大学生活丰富多彩，为我的人生留下精彩的一笔。

经过一个多月的时间，在老师、同学的帮助下，在我的不断努力下，我的毕业设计终于要完成了。从设计中我学到许多知识，也理解了做任何事都要细心的道理。知识的积累是一点一滴的，在设计中我也感受颇深。在此我要真诚的感谢我的导师老师，赵老师及时的帮我解决我在设计中遇到的各种问题和困难，并主动为我提供各种相关技术资料，在赵老师的帮助和指导下我顺利完成了本次毕业设计，也让我在这次毕业设计中受益匪浅，在此向赵老师致以深切的谢意！祝愿老师：工作顺利！身体健康！

附录IO接线原理图