毕业设计（论文）基于PLC的四路抢答器的设计

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1、包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 题 目 ： 基 于 PLC 四 路 抢 答 器 设 计 班 级 ： 自 动 化 系 09 届 机 电 D1 班 姓 名 ： 指 导 老 师 ： 完 成 日 期 ： 2011.3.20 包 头 刚 铁 职 业 技 术 学 院 制 2011 年 3 月 济源职业技术学院毕业设计 I 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书成绩及评语表 姓 名 性 别 男 学 号 院（系） 自动化 专 业 机电一体化 班 级 三班 评 语 总评成绩： 指导教师（签名）： 年 月 日 系（教研室） 主 任 审 查 意 见 签字： 年 月 日 院领导 审 定

2、 意 见 签字： 年 月 日 备 注 论文（设计、报告）成绩按五级记分制（优秀、良好、中等、及格、不及格） ； 未安排答辩的学生，答辩成绩注明“未安排答辩” 。 济源职业技术学院毕业设计 II 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

3、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 S7-20

4、0 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 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 III 目 录 摘 要 .II 1 PLC 四路抢答器概述 .1 1.1 PLC 四路抢答器概述 .1 1.2 PLC 智能抢答器的工作原理 .2 2 PLC 概述 .4 2.1 PLC 的产生、定义、组成、特点及发展趋势 .4 2.2 PLC 工作原理 .9 2.3 PLC 的编程语言 .9 2.4 PLC 的分类及性能指标 .10 3 系统硬件设计 .12 3.1 控制系统选取

5、 .12 3.2 控制系统的硬件组成 .12 3.3 系统控制要求 .13 3.4 控制系统 I/O 分配表 .13 3.5 系统硬件连接图 .15 4 系统软件设计 .17 4.1 整体设计 .17 4.2 PLC 控制程序 .17 致 谢 .36 参考文献 .44 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 1 1 PLC 四路抢答器概述 1.1 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

6、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

7、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

8、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。 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 2 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

9、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

10、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

11、，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。 1.2 PLC 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 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业

12、实 践 任 务 书 3 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

13、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: 图 1.1 抢答器模型图 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 4 2 PLC 概述 2.1 PLC 的产生、定义、组成、特点及发展趋势 2.1.1 PLC 的产生 可编程序控制器(Programmable Logic Controller，简称 PLC)，是随着科学技术 的进步与现代社会生产力式

14、的转变，为适应多品种、小批量生产的需要而产牛、发展 起来的一种新型的工业控制装置。 PLC 从 1969 年问世以来，虽然至今还不到 40 年，但由于其具有道用灵活的控制性 能、可以适应各种工业环境的可靠性与简单方便的使用性能，在工业自动化各领域取 得了广泛的应用。曾经有人将 PLC 技术与数控技术(CNC)、CADCAM 技术、工业机器人 技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。 众所周知，制造业中使用的生产设备与生产过程的控制，一般都需要通过工作机 构、传动机构、原动机以及控制系统等部分实现。特别是当原动机为电动机时，还需 要对电动机的启制动、正反转、调速与定位等动作进行控制。生产设备与生

15、产过程 的电器操作与控制部分，称为电气自动控制装置或电气自动控制系统。 最初的电气自动控制装置(包括日前使用的一些简单机械)，只是一些简单的手动 电器(如刀开关、正反转开关等)。这些电器只适合于电机容量小、控制要求简单、动 作单一的场合。 随着技术的进步，生产机械对电气自动控制提出了越来越高的要求，电气自动控 制装置逐步发展成了各种形式的电气自动控制系统。 作为常用电气自动控制系统的一种，人们习惯上把以继电器、接触器、按钮、开 关等为主要器件所组成的逻辑控制系统，称为“继电接触器控制系统” 。 “继电接 触器控制系统”的基本特点是结构简单、生产成本低、抗干扰能力强、故障检修立观 方便、运用范围

16、广。它不仅可以实现生产设备、生产过程的自动控制，而且还可以满 足大容量、远距离、集中控制的要求。因此，直到今天“继电接触器控制系统”仍 是工业自动控制领域最基本的控制系统之一。 但是，出于“继电接触器控制系统”的控制元件(继电器、接触器)均为独立元 件，它决定了系统的“逻辑控制”与“顺序控制”功能只能通过控制元件间的不同连 接实现，因此，它不可避免地存在以下不足： 通用性、灵活性差。 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 5 体积大，材料消耗多。 功能局限性大。 可靠性较低，性用寿命较短。 不具备现代工业控制所需要的数据通信、网络控制等功能。 正因为如此，“继电一

17、接触器控制系统”难以适应现代复杂多变的生产控制要求 与生产过程摔制集成化、网络化需要。 为了解决“继电一接触器控制系统”存在的通用性、灵活性关，功能局限性大与 通信、网络方面欠缺的问题，20 世纪 50 年代末人们曾设想利用计算机功能先备、通 用性和灵活性强的特点来解次以上问题。但由于当时的汁算机原理复杂，生产成术高， 程序编制难度大，加工业上控制需要大量的外围接口设备，可靠性问题突出，使得它 在面广量大的一般工业控制领域难以普及与应用。 到了 20 世纪 60 年代木，有人这样设想：能否把计算机通用、灵活、功能完善的 特点与“继电一接触器控制系统”的简单易懂、使用方便、生产成本低的特点结合起

18、 来，生产出一种而向生产过程顺序控制，PLC 利用简单语言编程，能让完全不熟悉计算 机的人也能方便使用的控制器呢？ 这一设想最早由美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM 公司)于 1968 年提出。 当时，该公司为了适应汽车市场多品种、小批量的生产要求，需要解决汽车生产线 “继电一接触器控制系统”中普遍存在的通用性、灵活性问题，提到了对一种新颖控 制器的十大技术要求，并面向社会进行招标。 十大技术要求具体如下： 1) 编样方使，从可以在现场方便地编辑、修改控制程序； 2) 价格便宜，性能价格比要而于继电器系统； 3) 体积要明显小于继电器控制系统； 4) 可靠性要明显高于继电器控制系统： 5)

19、 具有数据通信功能； 6) 输入可以是 AC115V； 7) 输出驱动能力在 AC115V/2A 以上； 8) 硬件维护方便，最好采即 “插接式”结构； 9) 扩展时，只需要对原系统进行很小的改动； 10) 用户存储器容量至少可以扩展到 4KB。 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 6 根据以上要求，美国数字设备公司(DEC 公司)在 1969 年首先研制比了全世界第一 台可编程序控制器，并称之为“可编程序逻辑制器”Programmable Logic Controller，简称 PLC)。试样机在 GM 公司的应用获得了成功。此后，PLC 得到了快速 发展，并

20、被广泛用于各种开义量逻辑运算与处理的场合。 早期 PLC 的硬件主要由分立元件与小规模集成电路构成，它虽然采用了计算机技 术，但指令系统、软件与功能相对较简单，一般只能进行逻辑运算的处理，同时通过 简化计算机的内部结构与改进可靠性等措施，使之能与工业环境相适应。 正因为如此，在 20 世纪 70 年代初期曾经出现过一些出二极管矩阵、集成电路等 器件组成的所谓“顺序控制器”；20 世纪 70 年末期曾经出现过以 MCl4500 工业控制单 元(Industrial control unit，简称 ICU)为核心出 8 通道数据选择器MCl4512)、 指令计数器(MCl4516)、8 位可寻址双

21、向锁存器(MCl4599)、存储器(2732)等组成的“可 编程序控制器”等产品。这些产品与 PLC 相比，虽然具有一定的价格优势，但最终还 是因可靠性、功能等多方面的原因，未能得到进一步的推广与发展；而 PLC 则随着微 处理器价格的全面下降，最终以其优良的性能价格比，得到了迅速发展，并最终成为 了当代工业自动控制技术的重要支柱枝术之一。 2.1.2PLC 的定义 PLC 技术一经出现，立即引起了全世界的广泛关注，1969 年首先将其进行商品化 并推向市场的是美国 GOULD 公司；1971 年，在引进美国技术后，日木研制出了自己的 第一台 PLC；l973 年，德国 SIEMENS 公司也

22、研制出了欧洲第一台 PLC；1974 年，法国 随之也研制出了 PLC。 到了 20 世纪 70 年代中期，PLC 开始采用微处理器。PLC 的功能也从最初的逻辑运 算拓展到具有数据处理功能，并得到了更为广泛的应用。由于当时的 PLC 功能已经不 再局限于逻辑处理的范畴，为此，PLC 也随之改称为可编程序控制器(Programmable Controller，简称 PC)。 1980 年，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

23、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 Controller (PC)。 2.1.3 PLC 的基本结构 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 7 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 2.1 所示： 图 2.1 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

24、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

25、 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 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 8 （1）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，

26、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。 （2）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 （1）I/O 扩接口电路 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

27、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。 （2）外设通信接口电路 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

28、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） 。 2.1.4 PLC 的特点 1、软硬件功能强 2、使用维护方便 3、运行稳定可靠 4、组织灵活 2.1.5 PLC 的发展趋势 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 9 从当前产品来看，PLC 的发展仍然主要体现在提及的缩小与性能的提高两大方面。 1向高速度、大容量方向发展 2向超大型、超小型两个方向发展 3PLC 大力开发智能模块，加强联网通信能力 4增强外部故障的检测与处理能力 5编程语言多样化 2.2 PLC 工作原理 2.2.1 循环扫描的特点 1、输入映像寄存器的内容是由

29、设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入 映像寄存器的值保持不变，CPU 采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的 值来控制程序的执行。 2、扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。 3、对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。 4、各个电路和不同扫描阶段会造成输入和输出延迟，这是 PLC 的主要缺点。 在读输入阶段，CPU 对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁 入映象寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，CPU 按照先左后右、先上后下的顺序 对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序， 同时

30、将执行结果写入输出映象寄存器。 2.2.2 PLC 中的存储器 PLC 中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。 1、用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。 2、用来存储工作数据的区域称为工作数据区。 3、系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的 PLC 的指令的系统编写的系统程 序，它决定了 PLC 的功能，用户不能更改其内容。 2.3 PLC 的编程语言 PLC 是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域， 一定有其专用的语言。PLC 的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图等。梯形图 包 头 钢 铁 职 业 技 术

31、 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 10 编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言 类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是 PLC 用户程序的基础元 素。 梯形图程序让 PLC 仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决 定逻辑输出的允许条件。梯形图按逻辑关系分为“梯级”或网络。 如图 2.2 所示是用 PLC 控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机直接起、 停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。 图 2.2PLC 控制的梯形图程序 2.4 PLC 的分类及性能指标 2.4.1 按 I/O 点数容量分类 1、小型机（I

32、/O 点数小于 256 点） 典型的小型机有 SIEMENS 公司的 S7-200 系列。 2、中型机（I/O 点数在 2561024 之间） 典型的中型机有 SIEMENS 公司的 S7-300 系列、OMRON 公司的 C200H 系列。 3、大型机（I/O 点数在 1024 点以上） 典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7-400、OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列。 2.4.2 按结构形式分 根据 PLC 结构形式的不同，PLC 主要可分为整体式和模块式两类。 1、整体式结构 微型和小型 PLC 一般为整体式结构。如西门子的 S7-200。 2、模块式结构 目

33、前大、中型 PLC 都采用这种方式。如西门子的 S7-300 和 S7-400 系列 。 2.4.3PLC 的性能指标 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 11 1、I/O 点数 I/O 点数，即 PLC 面板上的 I/O 端子的个数。I/O 点数越多，外部可以连接的 I/O 器件就越多，控制规模就越大。它是衡量 PLC 性能的重要指标之一。 2、存储容量 这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、小型 PLC 的存储容量变化范围一般为 2KB2MB。 3、扫描速度 扫描速度是指 PLC 执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机

34、控制 取代继电器控制的稳合程度。可编程控制器采用循环扫描的工作方式。 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。 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实

35、 践 任 务 书 12 3 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

36、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S7-2

37、00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: 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院

38、毕 业 实 践 任 务 书 13 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

39、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 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 14 3.4.1 抢答器的 PLC 控制系统的输出端口 抢答器的 PLC 控制系统的输出端口如表 3.1 所示： 表 3.1 输出信号对照表 信号名称 内部地址 信号名称 内部

40、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

41、码管 2e 段 Q1.4 红色指示灯 Q3.3 数码管 2f 段 Q1.5 3.4.2 抢答器的 PLC 控制系统的输入端口 抢答器的 PLC 控制系统的输入端口如表 3.2 所示 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 SB1 I0.0 第二组抢答按钮 SB5 I1.1 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 15 主持人复位按钮 SB2 I0.1 第三组抢答按钮 SB6 I1.2 答题计时按钮 SB3 I0.2 第四组抢答按钮 SB7 I1.3 第一组抢答按钮 SB4 I1.0 3.5 系统硬件连接图 根据系统要求和所需

42、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） 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 16 图 3.2 控制系统外部 I/O 接线图 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 17 4 系统软件设计 4.1 整体设计 根据 PLC 智能抢答器的控制

43、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。该系 统本着简单易懂、可靠性强、适应性强等方面进行设计。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。安全、可靠、省时、省力、 价格便宜。 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。

44、如下图所示，有主程 序和若干子程序组成，其整体设计工作系统自动控制流程图如图 4.1 所 图 4.1PLC 工作系统自动控制流程图 4.2 PLC 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，I1.0I1.3 分别为四 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 18 组选手的抢答信号， 同时我们用中间继电器 M0.0、M0.1、M1.0M1.3 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

45、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 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 19 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： 包 头 钢 铁 职 业 技 术

46、 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 20 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 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 21 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： 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 22 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 2

47、3 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 24 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 25 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 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 26 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

48、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）

49、 ，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： 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 27 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 4.2.7 抢答器控制程序 为了便于读懂和了解抢答器的控制过程，其详细控制程序如图 4.11 所示： 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 28 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 29 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕

50、 业 实 践 任 务 书 30 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 31 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 32 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 33 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 34 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 35 图 4.11 四路抢答器的总程序 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 36 致 谢 经过几个月的时间，在各位老师、同学的帮助下，在我的不断努力下，我的毕业 实践任务书

51、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郭继 红老师给予我的指导，在设计过程中徐桂岩老师严格督促我的毕业设计速度，及时的 帮我解决我在设计中遇到的各种问题和困难，在设计中一直对我严格要求，在整个毕 业设计过程中都给我耐心的指导和讲解，并主动为我提供各种相关技术资料，在徐老 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， 在此谨向徐老师致以深切的谢意！ 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 也要感谢我的母校包头钢铁职业职业技术学院，是她提供

52、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。 感谢评阅和阅读本设计论文的老师为此付出的辛勤劳动！ 在此还要感谢包头钢铁职业技术学院的全体老师，感谢他们对我的培养！ 最后祝愿各位老师：合家欢乐！工作顺利！身体健康 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 44 参考文献 1 蒋圣平、 颜景龙、 裴焕斗等。 PLC 在抢答器中的应用J 。测试技术学报， 2000 2 林明星。电气控制及可编程序控制器M 。北京：机械工业出版社，2004 3 周淑珍、高鸿斌。PLC 分析与设计应用。北京：电子工业出版社，2004 5 王玉中。电气控制及

53、 PLC 应用技术。河南：河南科学技术出版社，2006 6 孙平。可编程序控制器原理及应用，北京：高等教育出版社，2003 7 张新军。电气控制与 PLC 技术及应用。济源：济源职业技术学院出版社，2006 8 王芳。立体车库及其控制J。电器传动，1998 9 邹其洪、黄智伟、高嵩、等编著。电工电子实验与计算机仿真M。电子工业出版 社，2005 10 王成福主编。可编程序控制器原理及应用。北京：机械工业出版社，2006 11 张进秋主编。可编程控制器原理及应用实例M。北京：机械工业出版社，2004 12 江秀汉、汤楠主编。可编程序控制器原理及应用。西安：西安电子科技大学出版 社，2003 13 陈新华主编。电工技术与可编程序控制器实践。北京：机械工业出版社，2002 包 头 钢 铁 职 业 技 术 学 院 毕 业 实 践 任 务 书 45