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1、 . 1 概述1.1 PLC相关概述PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC与其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易
2、于扩展其功能的原则而设计。”PLC最初用于逻辑控制和顺序控制，面对运动控制和过程控制，PLC必须扩展自己的功能，才能满足生产的需求。机床工业、汽车工业等属于离散型制造工业，这类工业侧重于运动控制，如位置控制和速度控制。为此，生产PLC的厂家相继推出了位置控制模块、伺服定位模块、运动控制模块、电子凸轮模块、A/D转换模块、D/A转换模块以与高速计数模块等功能模块，用于速度、加速度以与位置控制等运动控制。大量的中小型企业属于混合型制造工业，这类制造业中既有运动控制又有过程控制，为了适应这些企业的需要，各厂家都在自己的PLC产品中推出了温度传感器模块、PID（比例、积分、微分）控制模块、A/D转换模
3、块、D/A转换模块、闭环控制模块以与模糊控制模块等功能模块，用于温度、压力、流量以与液位等过程控制。现代化生产的水平,产品质量和经济效益等各项指标在很大程度上取决于生产设备的先进性和电气化程度。随着大规模集成电路与微型计算机技术的发展,给电气控制技术开辟了新的前景。可编程控制器是近几十年发展起来的一种新兴工业控制器,由于它将计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰力强、价格便宜等优点结合起来,而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点,因此在工业生产过程控制中的应用越来越广泛。1.2 可编程控制器的特点PLC出现后就受到普遍的重视,其应用发展也十分的迅
4、速,原因在于现有的各种控制方式相比,它有一系列受用户欢迎的特点,主要是:1. 可靠性高,抗干扰能力强，能在恶劣的工业环境下工业生产对控制设备的可靠性提出很高的要求。PLC是专为工业控制而设计,由于采取了一系列措施,使PLC控制系统的平均无故障间隔时间一般能达到45万小时,远远超过传统继电器控制和计算机控制系统。可以说,到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可靠性能达到和超过PLC。2. 编程简单、易于掌握。这是PLC优于微机的另一个特点。梯形图编程方式是PC最常用的编程语言。它与继电器控制原理图类似，具有直观、清晰、修改方便、易掌握等优点。3. 组合灵活使用方便。由于它采用标准化得到通用模块结构
5、，能灵活方便地组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。4. 功能强，通用性好。现代PLC具备很强的信息处理功能和输出控制能力，它既可以对开关量进行控制又可以对模拟量进行控制。5开发周期短，功率高，维护方便。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计周期大大缩短，同时维护也变得容易起来。6. 体积小，重量轻，工耗低。随着电子技术的发展和应用领域日益扩大，PLC技术与其产品仍在继续发展，其结构不断改进，功能日益增强，性价比越来越高。24 / 242 系统设计要求与方案论证2.1 基本要求1. 主持人按下开始抢答按钮后,抢答开始并限定时间;2. 最先按下按钮的由七段显示
6、器显示该台台号,同时蜂鸣器发出音响,其它抢答按钮无效;3. 10S之无人回答, 蜂鸣器发出音响视抢答无效;4. 在主持人按下开始抢答按钮之前有人按下抢答器,则属违规,在显示台号同时违规指示灯亮,其它按钮不起作用;5. 各台数字显示的消除,蜂鸣器音响与违规指示灯的关断,都要通过主持人去按下复位按钮。2.2 设计任务与工作原理1. 抢答器同时为 8组选手分别提供按钮进行抢答，按钮分别为 PB0、PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6、 PB7； 2. 设置一个复位按钮 PB10，实现系统电路的复位，由主持人控制； 3. 当主持人打开启动开关后，在设定时间 T1，如果某组抢先按下抢答按钮，则
7、驱动音效电路发出声响，某分台指示灯亮，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； 4. 如果在时间 T1，无人应答，则驱动音效电路发出声响，总台灯指示灯亮，表示抢答者均放弃该题； 5. 在抢答成功后，启动计时器，在设定的时间T2回答有效，当到达设定时间T2时，驱动音效电路，总台灯指示灯亮，表示答题时间到。2.3方案论证 目前市场上已有很多类型的竞赛抢答器，但其中绝大多数是早期设计的，采用模拟电路、数字电路或者模数混合电路的产品。这抢答器已相当成熟，但是随着功能增多，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
8、按钮的行为，也不便于参数调节与功能的升级换代。数字与模拟电路组成的抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。单片机、CPLD组成的抢答器也有一定的缺陷，不够精确。近年来随着科技的飞速发展，单片机、CPLD、PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。本设计就是利用 PLC作为核心部件进行逻辑控制与信号的产生，PLC的性能优势必定会使得竞赛真正达到公正、公平、公开。2.4 系统
9、结构框图 本次设计采用的方法是用PLC做主体控制系统来控制。由音效电路、指示灯电路、数码管显示电路组成。系统结构框图如图2.1所示图2.1 系统结构框图3 控制系统的硬件设计3.1 PLC工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行部处理和通信操作服务等容。在PLC处于运行状态时，从部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫
10、描工作。 循环扫描过程如图3.1所示：内部处理通信操作输入处理程序执行输出处理停止图3.1 循环扫描流程图工作过程：主要分为部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。3.2 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一样的。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 的输出与时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序
11、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。在部处理阶段，PLC 检查CPU 模块部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以与完成一些其他部工作。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0.5ms100ms。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
12、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。3.3 PLC的选择随着PLC控制的普与与应用，PLC产品的种类和数量越来越多、，而且功能也日趋完善。合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要的作用。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择可从以下几个方面来考虑。对输入 / 输出点的选择要先弄清除控制系统的 I/O 总点数，再按实际所需总点数的 15 20 留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需 PLC
13、的点数。 PLC 的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种 PLC 平均每点的价格较高。如果输出信号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的 PLC 。 对存储容量的选择 对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘 10 字 / 点输出总点数乘 5 字 / 点来估算；计数器 / 定时器按（ 3 5 ）字 / 个估算；有运算处理时按（ 5 10 ）字 / 量估算；在有模拟量输入 / 输出的系统中，可以按每输入 / （或输出）一路模拟量约需（ 80 100 ）字左右的存储容量来估算；有通信处理
14、时按每个接口 200 字以上的数量粗略估算。最后，一般按估算容量的 50 100 留有裕量。对缺乏经验的设计者，选择容量时留有裕量要大些。 对 I/O 响应时间的选择 PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在 2 3 个扫描周期）等。对开关量控制的系统， PLC 和 I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑 I/O 响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。 根据输出负载的特点选型 不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型
15、的。但继电器输出型的 PLC 有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的 PLC 。 对在线和离线编程的选择 离线编程是指主机和编程器共用一个 CPU ，通过编程器的方式选择开关来选择 PLC 的编程、监控和运行工作状态。编程状态时， CPU 只为编程器服务，而不对现场进行控制。在线编程是指主机和编程器各有一个 CPU ，主机的 CPU 完成对现场的控制，在每一个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描周期主机将按新的程序对
16、现场进行控制。计算机辅助编程既能实现离线编程，也能实现在线编程。在线编程需购置计算机，并配置编程软件。采用哪种编程方法应根据需要决定。 据是否联网通信选型 若 PLC 控制的系统需要联入工厂自动化网络，则 PLC 需要有通信联网功能，即要求 PLC 应具有连接其他 PLC 、上位计算机与 CRT 等的接口。大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。 对 PLC 结构形式的选择 在一样功能和一样 I/O 点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择 PLC 的结构形式。 FX2N作为主要控制元件，20世纪9
17、0年代，三菱公司在FX系列PLC的基础上推出了FX2N系列产品，该机型在运算速度，指令数量与通讯能力方面有了较大的进步，是一种小型化、高速度、高性能、各方面都相当于FX系列中最高档次的超小型的PLC；平均无故障时间可高达30万小时，具有硬件故障的自我检测功能，出现故障时可与时发出报警信息。PLC发展到今天，已经具有配套齐全，功能完善，适用性强的优点，可以用于各种规模的工业控制场合。本系统的主控制器采用日本三菱公司生产的 FX2N一32MR型 PLC，该型 PLC功能较强大，提供16个输人点和 l6个输出点，继电器输出方式，均采用 8进制编号。PLC编程可采用手持式编程器或编程软件 FXGPWI
18、NC，PLC可编程程序控制器与软件提供了完整的编程环境，可进行离线编程、在线连接和调试。三菱 PLC的编程指令简单易懂且程序设计灵活，可采用梯形图或者指令语言进行软件设计。3.3 外部接线图本次设计的外部接线图如图3. 2所示。图3.2 外部接线图4 控制系统的软件设计4.1 I/O口的分配本次设计的系统I/O口的分配表如表4.1所示。其他机器件所代表的意义如表4.2所示。表4.1 I/O口的分配输入口所接器件输出口所接器件X10SW1Y0L0X11SW2Y1L1X0PB0Y2L2X1PB1Y3L3X2PB2Y4L4X3PB3Y5L5X4PB4Y6L6X5PB5Y7L7X6PB6Y20数码管a
19、段X7PB7Y21数码管b段Y22数码管c段Y23数码管d段Y24数码管e段Y25数码管f段Y26数码管g段Y10L8Y11蜂鸣器表4.2 其他机器件所代表的意义M0公共控制触点继电器M1应答时间辅助继电器M2抢答辅助继电器M3答题时间辅助继电器M4音响启动信号继电器T1应答时间10ST2答题时间30ST3音响时限1S4.2 数码管显示控制 数码管采用共阳的，其显示规律如表4.3所示。表4.3 数码管显示真值表abcdefgh0111111001011000002110110103111100104011001105101101106101111107111000008111111119111
20、101104.5 系统支路的设计4.5.1应答开始控制应答开始是当主持人按下开始按钮（X011）之后才能够抢答。在主持人按下开始按钮的同时定时器（T1）开始计时，程序梯形图如图4.1所示。图4.1 应答开始控制程序梯形图4.5.2抢答控制在开始抢答后，任意一组都可以开始抢答，抢答成功后对应的分台灯就会亮，同时接通抢答辅助继电器（M2）对其他各组进行互锁让其他各组的抢答无效。程序梯形图如图4.2所示。图4.2 抢答控制程序梯形图4.5.3 答题时限控制： 在抢答成功后定时器（T2）开始计时，如果在设定的时间没有完成答题，则总台灯（Y011）、音响启动信号继电器（M2）接通，总台灯亮并且驱动音响（
21、Y010）。程序梯形图如图4.3所示。图4.3 抢答时限控制程序梯形图4.5.4 违例： 在主持人按下开始按钮（X011）之前如果有人按下抢答按钮就会接通分台灯、总抬灯与音响，程序梯形图如图4.4所示。图4.4 抢答伪例控制程序梯形图系统整体程序梯形图与指令表见附录。5 致 毕业设计除了针对我们理论课程掌握的同时，也是对我们大学生进行综合性实践训练的过程，是对整个专业知识的综合，可以使我们的理论知识与实践紧密的相结合，锻炼我们独立思考和解决实际问题的能力。在这次毕业设计的过程中，使我学到许多以前在课本和课堂上无法学到的知识与技术能力，特别是在查找资料的过程中体会到许多的乐趣，从而丰富了自己。在
22、设计的过程中，自己能在指导老师的提点下独立的分析问题、找出问题并解决问题，同时能够更加用心的思考每个细节，把专业知识和实际操作更好的结合起来，使自己能够自每天的学习过程中都有新的收获。我的毕业论文设计能够顺利的完成，是两位指导老师悉心指导的结果。在程序的时候，老师给了我指出了许多错误，引导我该如何去做。在我调试的过程中，每次遇到不懂或不会的地方，老师都会耐心地给我讲解，老师以其严谨的治学态度，高度的敬业精神，兢兢业业的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要的影响。在此我向老师表示感。这次的毕业设计我可以顺利如期的完成，使我有了很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。在
23、本次设计中取得的点滴进步，都来自于各方面的帮助、指导，感大家！参考文献1 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例M.:人民邮电，20042 宫淑贞等.可编程控制器原理与应用M.：人民邮电，2002.3 邹金慧等.可编程控制器与其系统M.：大学，2002.4 钟肇新、建东.可编程控制器原理与应用M.：华南理工大学，20035 江国强.可编程逻辑器件实验M.：电子工业，2005.9 6 黄庭有、贺玮.可编程控制器原理与应用M.：国防工业，2005，7 群.基于PLC控制的八路抢答器J.电工技术，2007年12期8 郭选明、淑娟、王伟.基于PLC技术的抢答器的设计J.工会博览，2009年3期9 吴启
24、红等.变频器、可编程序控制器与触摸屏综合应用技术实操作指导书M.：机械工业，200710 王瑞云.竞赛抢答器的PLC控制应用J.科技信息，2009年18期11 祥、周海涛.PLC程序设计在六路抢答器中的应用J.科技资讯，2008年8期12 华龙、刁金霞.图解PLC与电器控制入门M.2008 13 胡育林.用PLC程序设计的八路抢答器J.大众科技，200814 Huang, Y.S.: Design of Traffic Light Control System Using Statecharts. Computer Journal 49, 634649 (2006)15 Paul Planat
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26、ORY00120OUTY001 分台灯输出21LDX00222ANI M223ORY00224OUTY00225LDX00326ANI M227ORY00328OUTY00329LDX00430ANI M231ORY00432OUTY00433LDX00534ANI M235ORY00536OUTY00537LDX00638ANI M239ORY00640OUTY00641LDX00742ANI M243ORY00744OUTY00745LDX00046ORX00147ORX00248ORX00349ORX00450ORX00551ORX00652ORX00753ORM254OUTM2 答题辅
27、助控制55LDM256ORM357ANI T258OUTM3 答题时间控制59OUTT2K30062LDM263ANI M164LDT165ANI M266ORB67LDT268ANDM269ORB70ORY01171OUTY011 总台灯控制72LDM273LDT174ANI M275ORB76LDT277ANDM278ORB79PLSM4 音响驱动信号81LDM482ORY01083ANI T384OUTY010 总台音响控制85OUTT3K1088LDY00189ORY00290ORY00491ORY00592ORY00693ORY00794ORY02095OUTY020显示数码管a段9
28、6LDY00097ORY00198ORY00299ORY003100ORY006101ORY007102ORY021显示数码管b段103OUTY021104LDY000105ORY002106ORY003107ORY004108ORY005109ORY006110ORY007111ORY022112OUTY022显示数码管c段113LDY001114ORY002115ORY004116ORY005117ORY007118ORY023119OUTY023显示数码管d段120LDY001121ORY005122ORY007123ORY024124OUTY024显示数码管e段125LDY003126ORY004127ORY005128ORY007129ORY025130OUTY025显示数码管f段131LDY001132ORY002133ORY003134ORY004135ORY005136ORY007137ORY026138OURY026显示数码管g段139MCRN0指令返回141END