基于PLC的抢答器控制系统设计及仿真设计
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基于PLC的抢答器控制系统设计及仿真设计说明书目录摘要3Abstract4第一章、绪论7 1.1 课题的背景9 1.2 抢答器概述10 1.3 抢答器抢答过程的介绍13 1.4 PLC简介15 1.4.1 PLC的定义16 1.4.2 PLC的基础知识18 1.4.3 PLC的用途19 1.5 PLC的组成.20 1.5.1中央处理单元.20 1.5.2存储器.20 1.5.3输入输出单元.20 1.5.4通讯接口.21 1.5.5智能接口模块.21 1.5.6编程装置.22 1.5.7电源.22第二章、16路抢答器控制系统的设计23 2.1 16路抢答器的工作原理23 2.2 16路抢答器PLC外部接线图23 2.3 16路抢答器的结构流程图23 2.4 16路抢答器的系统控制结构框图25 2.5 16路抢答器的控制过程25第三章、16路抢答器的PLC设计27 3.1 输入输出点分配28 3.2 PLC的选择29 3.3 16路抢答器PLC控制系统接线图30第四章、16路抢答器PLC控制程序31结论32致谢33参考文献34摘 要 可编程序控制器(PLC)是一种新型的通用的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,是功能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。PLC的应用领域已经拓宽到了各个领域,PLC的发展历程在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。在传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制,顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机,印刷机,订书机,组合抢答器,磨床,包装等。目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁,石油,化工,电力,建材,机械制造,汽车,轻纺,交通运输,环保及文化娱乐等各个行业,使用广泛。 在日常生活中,智能抢答器广泛的应用于各种竞争和抢答场合。越来越多的抢答器投入市场,可是大部分的抢答器主要采用的是单片机系统;而单片机系统由于稳定性不高,所以我们设想是否可以利用PLC进行抢答器的设计,所以针对此毕业设计进行了软硬件的设计,基于此,我们采用了西门子公司的S7-300型PLC设计了一款基于PLC的抢答器供学生进行各种知识竞赛使用。 本设计将以PLC为核心设计了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案,在保留了原始抢答器的基本功能的同时又增加了一系列的实用功能并简化其电路结构,其将以控制方便,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,从而使得竞赛不断完善其公平、公正性。关键字:PLC;智能抢答器;S7-300型;梯形图。absraotePneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something,aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic .The principle, technical pare-maters, transmiting system and main parts structure of mincing ma-chine were introduced.The productingcapacity was analysed.Keywords Mincing machine Holds plate Cutting blade Transfer augerThis paper discusses the meat processing machinery - crusher working principle, main technical parameters, transmission system, the typical parts of the structure design and production capacity analysis.Key word: pneumatic manipulator;cylinder;pneumatic loop;Four degrees of freedom.第一章 绪论1.1课题的背景 随着科技的发展,各行各业设备自动化、智能化程度的不断提高,抢答器的自动化程度也越来越高。16路智能型全自动抢答器已经成为其中的代表。但是根据我国的实际情况,对现有抢答器进行全部更新换代,几乎是不可能的。因此为提高抢答器的准确率和智能化,改善在知识竞赛时候答辩的准确率,以及抢答器控制系统的可靠性,对现有抢答器进行了改造,仍然具有非常现实的意义,正是利用了PC控制技术具有功能强,速度快,可靠性高,经济实用等特点,针对16路智能型全自动抢答器的控制部分进行了设计,并分析了系统的性能。1.2 抢答器概述 在知识竞赛、文体娱乐活动(抢答赛活动)中,能准确、公正、直观地判断出抢答者的座位号。传统抢答器只是大概判断出抢答成功或犯规选手台号,无法显示出每个选手的抢答时间。而今抢答器可以通过数据来说明裁决结果的准确性、公平性。使比赛大大增加了娱乐性的同时,也更加公平、公正。1.3抢答器抢答过程的介绍1、采用主持人开始抢答方式:主持人正确的操作是在说“开始”的同时,按下主持人按钮,这样保证此时抢答的选手是正确的抢答,而提前的抢答是违例抢答。如果按的过早,没有说“开始”就按,一旦选手按抢答按钮,会使违例抢答变成正常抢答,这样其他选手会对主持人有异议。如果按的过晚,已经说“开始”了,还没有按主持人按钮,选手抢答就会变成违例抢答,照样会遭到选手异议。这种抢答方式对主持人的要求很高。主持人如果按下按键,那么选手按抢答按钮时候,就是正常抢答,即抢答成功获得答题权。如果主持人没有按按键,选手就抢答的话,那么就是违例抢答,就要被扣分了。具体操作,用户可以利用自己的计算机,进入“抢答器”,按照界面提示,进行测试,自然就会清楚使用含义了。我们的注册用户对主持人按钮可是大加赞同的。 2、采用主持人预备方式: 第一种方式主持人按下按钮时一般要求与说“开始”同步,这就要求主持人绝对高度集中精神。一两道题可以,多了,难免会有口手不一致的时候,7.5版添加一个主持人预备功能。就是主持人读题结束后,说预备,按下主持人按钮或者由计算机操作人员按下“抢答预备”,这样,在软件界面显示3、2、1、开始。只有出现了开始的字样,抢答才有效。没有出现开始字样,抢答是无效的。这样就基本解放了主持人,不会产生选手与主持人之间的矛盾。具体样式参见软件的“抢答题”样本设置。进入“系统管理”“竞赛设置”“抢答设置”,选择主持人预备抢答方式就可以使用抢答预备功能了。 3、采用随时抢答试题暂停抢答方式:为了减轻主持人压力,为了体现公平竞争。从7.5版开始添加了取消使用主持人按钮,采用随时抢答的方式。规则规定,试题显示后,主持人读题,选手可以随时抢答,每次抢答,题目出现暂停,抢到的就回答问题。这样做,就避免了主持人与选手因抢答问题的冲突。采用这种处理方式有两条注意点:1)抢答的试题必须有一定的难度,抢答题环节选手是否能够得分,完全看其对知识的掌握和胆识。抢答题目设计必须是选手应该听完才可以抢答的,如果是题目属于复习范围内且一字不变的,会导致主持人一开口,抢答器就响了的尴尬境地。2)在显示界面要顶行显示,设计了逐字显示试题内容,根据抢答暂停。所以要求用户自行练习此操作。具体样式参见软件的“抢答题二”样本设置。应用说这是一个最合理的抢答方式,作者也是经过数次试验,才完成了该功能。用户通过界面下方四个功能按钮,来操作试题显示,只要多练几次,就可以了。这是推崇的竞赛抢答方式。1.4 PLC简介1.4.1 PLC的定义 PLC即可编程控制器(ProgrammableLogicController),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(InternationalElectricalCommittee颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义;PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器,定义是:一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC是可编程逻辑控制电路,也是一种和硬件结合很紧密的语言,在半导体方面有很重要的应用,可以说有半导体的地方就有PLC。 PLC的发展历程在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。在传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制,顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机,印刷机,订书机,抢答器,磨床,包装等。目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁,石油,化工,电力,建材,机械制造,汽车,轻纺,交通运输,环保及文化娱乐等各个行业,使用广泛。 随着应用领域的日益扩大,PLC技术及其产品仍在继续发展,主要朝着以下的方面发展。 1) 微型化、网络化、开放性;2)智能模块化;3)编程语言的标准化和高级化;4) 网络通信功能标准化。 5.7PLC的选型及硬件配备 根据上述控制特点,采用小型PLC即可满足功能要求。由于西门子S7-200系列属于小型PLC,其许多功能达到大、中型PLC的水平,而价格却和小型PLC的一样。特别是S7-2000PU22*系列PLC,由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择,所以系统的集成非常方便,并且可以很容易地组成PLC网络。可用梯形图、语句表和功能图三种语言来编程。且指令功能强,易于掌握、操作方便。近年来,S7-200PLC已在工业各领域得到了广泛的应用。S7-200CPU22*系列PLC共有五种CPU模块其各自的技术指标见表3.2。,由于存在模拟量输入输出,需要增加模拟量输入输出模块,在西门子S7-200系列PLC中有专门的模拟量I/O扩展模块。1.4.2 PLC的用途 目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。1、开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑。2、模拟量控制 在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。3、运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用16路的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、抢答器、机器人、电梯等场合。4、过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行16路的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5、数据处理 现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信号与设定的压力信号经过PID运算后,通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转速,保持供水压力的恒定,这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统;自动检测水池水位信号与设定的水位低限比较,输出水位低报警信号或直接停机。触摸屏显示器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力和泵的工作状态等信息;可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运行。该系统还设有多种保护功能,尤其是强电逻辑硬件互锁功能,从而保证正常供水,且可以做到无人值守。2、工作原理 该系统具有手动和自动两种运行方式:2.1手动运行方式 选择此方式时,按启动按钮泵或停止按钮,可根据需要而分别启停各水泵。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。2.2自动运行方式2.2.1启动程序 在自动运行方式下开始启动运行时,首先检测水池水位,若水池水位符合设定水位要求,1#泵变频交流接触器吸合,电机与变频器连通,变频器输出频率从0Hz开始上升,此时压力变送器检测压力信号反馈PLC,由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出;如压力不够,则频率上升至50Hz,延时一定时间后,将1#泵切换为工频,2#泵变频交流接触器吸合,变频启动2#水泵,频率逐渐上升,直至出水压力达到设定压力,依次类推增加水泵。2.2.2水泵切换程序 如用水量减小,出水压力超过设定压力,则PLC控制变频器降低输出频率,减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某一设定值(水泵出水频率,一般为25Hz),而出水压力仍高于设定压力值时,PLC开始计时,若在一定时间内,出水压力降低到设定压力,PLC放弃计时,继续变频调速运行;若在一定时间内出水压力仍高于设定压力,根据先投先停的原则,PLC将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵,直至出水压力达到设定值。2.2.3启动小流量泵 对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统,可设置一台小流量水泵。例如在晚上12点到凌晨5点,居民生活用水很少,一台30kW的水泵为了维持供水压力也需要长时间工作在25Hz左右,电动机不仅要消耗十几个千瓦的电能,同时还要长期工作在低频状态,大大影响电动机的寿命。若系统中设置一台5KW左右的小流量水泵,为了维持出水压力,由小流量水泵变频工作,不仅电动机工作在较高频率,而且消耗的电能也很小。在小流量水泵的选择上,其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6,扬程和主泵相同。2.2.4水池水位检测 在自动供水的过程中,PLC实时检测水池水位,若水位低于设定的报警水位时,蜂鸣器发出缺水报警信号;若水位低于设定的停机水位时,停止全部水泵工作,防止水泵干抽,并发出停机报警信号;若水池水位高于设定的水池上限水位时,自动关断水池给水管电动阀门。2.2.5自动启动 有时电源会突然断电,若无人值班,恢复供电后若系统无法启动会造成断水,为此本系统设置了通电后自动变频启动方式。在电源恢复后,PLC会发出指令,蜂鸣器发出警告,然后按自动运行方式变频启动1#泵,直到稳定地运行在给定水压值。2.2.6消防报警 当出现消防报警信号时,系统立即按照消防压力运行。2.2.7故障处理 变频故障从冗余设计原则考虑,在变频器发生故障时也要不间断供水。当变频器突然发生故障,蜂鸣器报警,PLC发指令使全部水泵停机,然后1#泵工频运行(若水泵功率大于37KW,则需要采用降压启动或其它启动方式),经一定延时后根据压力变化情况再使2#泵工频运行。此时,PLC切换泵则根据实际水压的变化在工频泵间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情况时,均能由蜂鸣器发出警报声。条件许可时可以添加MODEM模块,变频器、电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员电话,通知有关人员前来维修。所有故障解决、恢复正常后,自启动前也要发出报警信号。3、控制系统配置及软件编程3.1控制系统硬件配置3.1.1PLC的选择 可编程序控制器采用SIEMENS的S7-300系列CPU-226主机,I/O点数为40点(24个输入点和16个输出点),具有2个RS-485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。自由通讯口方式是S7-200PLC的一个很有特色的功能,它使S7-200PLC可以由用户自己定义通讯协议。利于自由通讯口方式,在本系统中PLC可以与变频器和触摸屏方便连接。模拟量输入采用4路12位A/D模拟量输入的EM231模块,具有较高的精度。PLC编程采用STEP7-Micro/WIN编程软件,它提供一个完整的编程环境,可进行离线编程和在线连接和调试,并能实现梯形图与语句表的互相转换。3.1.2变频器及控制方式选择 在传统的变频控制系统中,变频器的启动/停止由PLC通过开关量输出控制,变频器频率是由PLC通过模拟量输出端口输出05(10)V或420mA信号控制的,这需要购买PLC比较昂贵的模拟量输出端口模块。对变频器故障的检测是只是由PLC读取变频器的故障报警触点,只是知道变频器出现故障,但具体什么故障并不清楚,需操作人员查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才知道,这对于一般值班人员来说太难了。 因此在本系统中PLC对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的,变频器选用SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列风机/泵类16路变频器,它们具有RS-485通讯接口,性价比较高。PLC通过自由通讯口方式与变频器通讯,控制变频器的运行,读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数,并通过触摸屏显示出来,这比通过外部端口控制变频器的运行具有较高的可靠性,节省了PLC宝贵的I/O端口,又获的了大量变频器的信息。3.1.3触摸屏 触摸屏选用台湾HITCH公司生产的PWS系列,它具有丰富的驱动程序,可方便地通过串口与S7-200系列PLC通讯。通过触摸屏可以直观地显示各泵的运行状态、管网实际出水压力、设定压力、变频器的电压、电流、功率及各种故障信息等参数;操作人员通过触摸屏可以方便的在线设置生活供水压力、消防 供水压力、变频器加减速时间、各泵的在线/检修状态等参数,并可以通过触摸屏控制各水泵的运行。3.1.4控制电路设计 在控制电路设计中,注意到系统自动/手动转换、每台水泵的变频接触器和工频接触器、各水泵的变频接触器在电气上的连锁,防止系统中出现一台水泵工频和变频电源同时接通或多台水泵同时接通变频电源的现象。系统主要控制回路3.2PLC软件编程 整个系统PLC既有开关量和模拟量的输入/输出,又有与变频器和触摸屏的通讯,因此在PLC控制软件编程上采用模块式结构,各种功能的程序模块通过主程序有机地结合起来,使系统运行稳定可靠。 在主程序中,PLC上电初使化,检测系统各部分状态信息,若有报警信息则首先发出警告,若无报警信息,则开始从1#泵(1#泵被切除出系统,则从泵号最小的在线泵)变频启动,实时检测出水压力并进行PID运算,控制变频器的输出频率,保持供水压力恒定;变频器频率达到50Hz延时几秒后,出水压力仍低于设定压力,则将1#泵切换为工频,变频启动2#泵以保持压力恒定并依此类推。若出水压力超过设定压力,则变频器降低输出频率来稳定出水压力。若变频器输出频率低于设定水泵出水频率而出水压力仍高于设定压力值时,延时一 段时间后根据先投先停的原则,停止正在运行水泵中运行时间最长的工频泵,至出水压力达到设定值。若系统只有一台水泵变频运行且连续一段时间频率低于设定出水频率,则切除变频运行主泵,投入小流量泵,既保护主泵电动机,又节约能源。1.5 PLC的组成 PLC的硬件主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中,CPU是PLC的核心,输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路,通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。 对于整体式PLC,所有部件都装在同一机壳内,其组成框图如图1所示;对于模块式PLC,各部件独立封装成模块,各模块通过总线连接,安装在机架或导轨上,其组成框图如图所示。无论是哪种结构类型的PLC,都可根据用户需要进行配置与组合。尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样,但各部分的功能作用是相同的,下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。1.5.1中央处理单元(CPU)同一般的微机一样,CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU 随机型不同而不同,常用有三类:通用微处理器(如Z80、8086、80286等)、单片微处理器(如8031、8096等)和位片式微处理器(如AMD29W等) 。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器;中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器;大型PLC大多采用高速位片式微处理器。目前,小型PLC为单CPU系统,而中、大型PLC则大多为双CPU系统,甚至有些PLC中多达8 个CPU。对于双CPU系统,一般一个为字处理器,一般采用8位或16位处理器;另一个为位处理器,采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器,用于执行编程器接口功能,监视内部定时器,监视扫描时间,处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器,主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了PLC的速度,使PLC更好地满足实时控制要求。 在PLC中CPU按系统程序赋予的功能,指挥PLC有条不紊地进行工作,归纳起来主要有以下几个方面:1) 接收从编程器输入的用户程序和数据。2) 诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。3) 通过输入接口接收现场的状态或数据,并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。4) 从存储器逐条读取用户程序,经过解释后执行。5) 根据执行的结果,更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容,通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。1.5.2存储器存储器主要有两种:一种是可读/写操作的随机存储器RAM,另一种是只读存储器ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM。在PLC中,存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由PLC 的制造厂家编写的,和PLC的硬件组成有关,完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能,提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能,而且在PLC使用过程中不会变动,所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中,用户不能访问和修改。编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序,也可在线监控PLC内部状态和参数,与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器,也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产,专供该厂家生产的某些PLC产品使用,它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。简易型编程器只能联机编程,而且不能直接输入和编辑梯形图程序,需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜,它可以直接插在PLC的编程插座上,或者用专用电缆与PLC相连,以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒,可用来储存用户程序,如三菱的FX-20P-E简易编程器。智能编程器又称图形编程器,本质上它是一台专用便携式计算机,如三菱的GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程,又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序,使用更加直观、方便,但价格较高,操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器,提供录音机接口和打印机接口。 用户程序是随PLC的控制对象而定的,由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改,用户程序一般存于CMOS静态RAM中,用锂电池作为后备电源,以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏,当用户程序经过运行正常,不需要改变,可将其固化在只读存储器EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM中,以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中,设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区,这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要,部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态,这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。由于系统程序及工作数据与用户无直接联系,所以在PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用,许多PLC还提供有存储器扩展功能。1.5.3输入/输出单元输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块,是PLC与工业生产现场之间的连接部件。 PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据,以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据;同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象,以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的,而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平,所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能,以提高PLC的抗干扰能力。另外,I/O接口上通常还有状态指示,工作状况直观,便于维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口,有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有:数字量(开关量)输入、数字量(开关量)输出、模拟量输入、模拟量输出等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型:直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口,其基本原理电路如图3所示。1.5.4通信接口PLC配有各种通信接口,这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接,可将过程信息、系统参数等输出打印;与监视器连接,可将控制过程图像显示出来;与其它PLC连接,可组成多机系统或连成网络,实现更大规模控制。 与计算机连接,可组成多级分布式控制系统,实现控制与管理相结合。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。1.5.5智能接口模块智能接口模块是一独立的计算机系统,它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块,通过总线与PLC相连,进行数据交换,并在PLC的协调管理下独立地进行工作。PLC的智能接口模块种类很多,如:高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。1.5.6编程装置编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序,也可在线监控PLC内部状态和参数,与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器,也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产,专供该厂家生产的某些PLC产品使用,它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。简易型编程器只能联机编程,而且不能直接输入和编辑梯形图程序,需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜,它可以直接插在PLC的编程插座上,或者用专用电缆与PLC相连,以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒,可用来储存用户程序,如三菱的FX-20P-E简易编程器。智能编程器又称图形编程器,本质上它是一台专用便携式计算机,如三菱的GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程,又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序,使用更加直观、方便,但价格较高,操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器,提供录音机接口和打印机接口。专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程,使用范围有限,价格较高。同时,由于PLC产品不断更新换代,所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此,现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置,用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样,用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC程序开发系统。基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序,又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。1.5.7电源PLC配有开关电源,以供内部电路使用。与普通电源相比,PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高,一般允许电源电压在其额定值15% 的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源,用于对外部传感器供电。第二章、16路抢答器控制系统的设计2.1 16路抢答器的工作原理 本次设计的任务是16路抢答器的设计,采用西门子S7-300型PLC,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,从而使得竞赛不断完善其公平、公正性。 抢答器就是三个带有互锁功能的数字逻辑电路。只要简单的与非门电路加上几个触发器就可以实现了。 电路组成:三个触发器都有4个输入信号,输入信号一路连接每队抢答按钮,一路连接主持人的抢答允许开关,还有两路分别接到另外两个抢答输出端,4个输入信号通过与门接入同一个触发器。其中,抢答器的工作原理过程如下: 最初,三个触发器都是被锁定的主持人没有宣布抢答之前主持人输入端一路信号是0,与门电路使得输入触发器信号是0。当主持人宣布开始抢答时,他按下自己面前的按钮,三个触发器各自4路输入中都有一个是状态1,并且通过辅助的触发器使得互锁输入信号端都输入1,抢答开始。当三个触发器中有一个被按下,由于之前已有3个输入是1,所以按下后再输入一个1,四个1相与运算后输出为1,此时数字逻辑阵列会输出一个相应的数值(或者叫做状态)到输出电路(小灯、LCD、LED、振铃电路等,用来表示某组抢答成功)。同时,在一个触发器触发时,其余两路触发器被锁死。锁死是通过被触发一个触发器输出的信号1取非即变为0,加到另外两个触发器并列输入端的,输入信号是与的关系。一次抢答完成后,主持人再按一次自己的按钮,将四路输入中互锁端变为0,主持人输入信号端也变0,这样触发器恢复抢答前的状态,可以准备开始下一次抢答,通俗来讲,抢答器是一个电路,有三个输入开关,当某队希望抢答时,按下开关,表示本队抢答成功的灯亮(或者是喇叭鸣叫,或者其他形式);而因为同时抢答的队伍不只是一支,为了区分是哪一方先按下开关,最先按下开关的一方按下按钮将会使对方的开关失去作用,即对方只要是在你后面按下的开关,他们的灯就不会亮,因此也就不会抢到机会。2.2 16路抢答器PLC外部接线图 如上所述,画出16路抢答器的PLC的外部接线图如图2.1所示:2.3 16路抢答器的结构流程图抢答器广泛应用于知识竞赛等场合,主持人正确的操作是在说“开始”的同时,按下主持人按钮,这样保证此时抢答的选手是正确的抢答,而提前的抢答是违例抢答。如果按的过早,没有说“开始”就按,一旦选手按抢答按钮,会使违例抢答变成正常抢答,这样其他选手会对主持人有异议。如果按的过晚,已经说“开始”了,还没有按主持人按钮,选手抢答就会变成违例抢答,照样会遭到选手异议。这种抢答方式对主持人的要求很高。主持人如果按下按键,那么选手按抢答按钮时候,就是正常抢答,即抢答成功获得答题权。如果主持人没有按按键,选手就抢答的话,那么就是违例抢答,就要被扣分了。具体操作,用户可以利用自己的计算机,进入“抢答器”,按照界面提示,进行测试,自然就会清楚使用含义了。根据以上介绍,作出抢答器的结构流程图如下:2.4 16路抢答器的系统控制结构框图 系统初始上电后,主控人员在总控制台上点击“开始”按键后,允许各队人员开始抢答,即各队抢答按键有效;抢答过程中,14队中的任何一队抢先按下各自的抢答按(S1、S2、S3、S4)后,该队指示灯(L1、L2、L3、L4)点亮,LED数码显示系统显示当前的队号,并且其他队的人员继续抢答无效;主控人员对抢答状态确认后,点击“复位”按键,系统又继续允许各队人员开始抢答;直至又有一队抢先按下各自的抢答按键;其系统控制结构框图如图所示: 2.5 16路抢答器的控制过程 抢答器的控制过程是一个智力抢答器系统的操作过程,主持人有一个开关控制五个抢答组,当主持人说出题目后,任一组抢先按下按钮,则通过七段数码管显示该最先按下按钮组的编号,使蜂鸣器发出响声,同时锁住抢答器,使其它四组抢答组抢答无效。只有主持人再次按下按钮之后,五组数码管所显示的编号被复位,蜂鸣器停止发出响声,抢答者方可重新开始抢答。第三章、16路抢答器的PLC设计3.1输入输出点分配列出16路抢答器PLC的输入输出点分配表,见表4.13.2 PLC的选择由表3.1可知,24个输入点,16个输出点,根据电压的不同选用输入有4个点的输入模块,分别为M1、M2、M3、M4、M5、M6;S输出有4个点的模块分别为L1、L2、L3、L4。3.3 16路抢答器PLC控制接线图根据表3.1和如上所述,画出16路抢答器PLC控制接线图如图4.3所示:第四章 16路抢答器PLC控制程序根据以上条件可知,16路抢答器的控制过程实际上就是对其与非门控制电路的操作过程,程序运行过程分析:主持人宣布开始,并且按下“抢答开始”按钮X0后,点亮启动指示灯Y11。在启动指示灯被点亮的前提下,按下X1,显示管b、c亮,显示数字1,即Y12、Y1、Y2有输出,并与Y13、Y14、Y15、Y16、Y17的常闭触点串联构成互锁,保证b、c亮时,a、d、e、f、g不亮,串联复位开关X7常闭触点,用于停止。X1与输出继电器Y12并联,用于自保持,锁住抢答器,使其他按钮无效。同样,按下X2,显示管a、b、d、e、g亮,显示数字2,即Y13、Y0、Y1、Y3、Y4、Y6有输出,串联Y12、Y14、Y15、Y16、Y17的常闭触点构成互锁,保证a、b、d、e、g亮时,c、f不亮。按下X3,显示管a、b、c、d、g亮,显示数字3,即Y14、Y0、Y1、Y2、Y3、Y6有输出,串联Y12、Y13、Y15、Y16、Y17的常闭触点构成互锁,保证a、b、c、d、g亮时,e、f不亮。按下X4,显示管b、c、f、g亮,显示数字4,即Y15、Y1、Y2、Y5、Y6有输出,串联Y12、Y13、Y14、Y16、Y17的常闭触点构成互锁,保证b、c、f、g亮时,a、d、e不亮。按下X5显示管a、c、d、f、g亮,显示数字5,即Y16、Y0、Y2、Y3、Y5、Y6有输出,串联Y12、Y13、Y14、Y15、Y17的常闭触点构成互锁,保证a、c、d、g亮时,b、e不亮。按下X6,显示管a、c、d、e、f、g亮,显示数字6,即Y17、Y0、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6有输出,串联Y12、Y13、Y14、Y15、Y16的常闭触点构成互锁,保证a、c、d、e、f、g亮时,b不亮。用Y12、Y13、Y14、Y15、Y16、Y17常开触点并联控制蜂鸣器Y10,同时并联T0常开触点,表示定时时间到时,蜂鸣器发出响声。其控制梯形图和指令表分别如下: 系统梯形图指令表结 论本文所设计的基于PLC的16路抢答器控制系统的设计原比较简单,功能比较简单,设计比较合理。在论文完成之际,我首先向我的导师致以衷心的感谢和崇高的敬意!在这期间,导师在学业上严格要求,精心指导,在生活上给了我无微不至的关怀,给了我人生的启迪,使我在顺利的完成学业阶段的学业的同时,也学到了很多做人的道理,明确了人生目标。导师严谨的治学态度,渊博的学识,实事求是的作风,平易近人、宽以待人和豁达的胸怀,深深感染着我,使我深受启发,必将终生受益。经过近半年努力的设计与计算,论文终于可以完成了,我的心里无比的激动。虽然它不是最完美的,也不是最好的,但是在我心里,它是我最珍惜的,因为它是我用心、用汗水成就的,也是我在大学四年来对所学知识的应用和体现。四年的学习和生活,不仅丰富了我的知识,而且锻炼了我的能力,更重要的是从周围的老师和同学们身上潜移默化的学到了许多。在此,向他们表示深深的谢意与美好的祝愿。致 谢 合上漫溢墨香的设计论文,已是夜凉如水,遥望夜空,星光灿烂。历时半业设计撰写工作,终于告了一个段落,掩卷而思,心中却惶恐不安,唯恐这份代我四年本科学习成果的毕业论文有负师长与亲友的厚望。我深知前进的每一都凝聚着众多的关怀与爱护。在此,我只能借本文一隅表达自己内心感激之情。 感谢我的导师,他将我收入门下,不弃粗砺,悉心教诲。从他那里我不仅学到了许多知识,而且也被他严谨的治学态度、广博的学识、敏捷的洞察力与谦和的人格魅力深深的感染。指导老师对我的论文倾注了大量的心血,从选题、提纲的拟订、初稿、修改稿直至最后定稿,每一个环节都得到了他悉心指导和帮助。师恩似海,终生难忘! 感谢在我大学学习期间给予我帮助和关爱的所有同学,特别是同寝的同学为本文写过程中搜集各种资料,提出各种合理的意见和建议,特别感谢他们!衷心感谢我的母亲,在我的学习和生活中,她给了我无私的关怀和帮助,面对她始终如一的理解、宽容和鼓励,我的感激之情难以用言语表达,但愿学有所成,能报于万一。最后,感谢百忙之中抽出时间评阅的老师和参加论文答辩的老师,并向他们致以深深的谢意!参考文献1张福学编著.基于PLC的16路抢答器控制系统的设计及其应用.北京:电子工业出版社,2000。2何发昌著,邵远编著.智能 西门子PLC控制系统的原理及应用.北京:高等教育出版社,1996。3张利平著. 控制技术速查手册. 北京:化学工业出版社,2006.12。4李宝仁著. 控制技术低成本综合自动化. 北京:机械工业出版社,1999.9。5宋学义著. 16路抢答器控制系统的设计速查手册. 北京:机械工业出版社,1995.3。6陈奎生著. 控制与气压传动. 武汉:武汉理工大学出版社,2008.5。7SMC(中国)有限公司. 16路抢答器控制系统的设计实用技术. 北京:机械工业出版社,2003.108徐文灿著. 16路抢答器控制系统的设计. 北京:机械工业出版社,1995。9曾孔庚.控制系统的发展趋势. 机器人技术与应用论坛。10寿庆丰.一种多指多关节机器手爪. 机械设计1999年第3期,第3卷。11高微,杨中平,赵荣飞等.16路抢答器控制系统的设计. 机械设计与制造2006.1。12孙兵,赵斌,施永辉.16路抢答器控制系统的设计与研制. 中国期刊全文数据库。13马光,申桂英.工业机器人的现状及发展趋势. 中国期刊全文数据库2002年。14李如松.控制系统的应用现状与展望. 中国期刊全文数据库1994年第4期。15李明.抢答器控制系统的设计.制造技术与抢答器2005年第7期。16李杜莉,武洪恩,刘志海.西门子PLC控制系统的运动学分析. 煤矿机械2007年2月17成大先主编.机械设计手册(第三版).北京:化学工业出版社,1994。18Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space. IEEE Transactions on Robotics and Automation.Vo1.9.No.1.1993。
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