学士学位论文--基于s7300的数字抢答器的设计说明书.doc

四川信息职业技术学院

毕业设计说明书(论文)

设计(论文)题目: 智能抢答器控制系统的设计（PLC）
专 业:　　　电气自动化　　 　
班 级:　　　　电气１1－1　　　　　　 　
学 号:　　　 1140021 　　　　　
姓 名:　　　　　刘佳伟　　　　　　　
指 导 教 师:　　　　　王 刚　　　　　　

２０１3年 １１月 0１日

目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题背景和设计目的 1
1.2 PLC智能抢答器的工作原理 3
第二章 硬件设计及PLC控制组态 4
2.1控制系统选取 4
2.2控制系统的硬件组成 5
2.3硬件组态 5
第三章 控制程序设计 6
3.1控制要求 6
3.2 功能FC1和FC2的程序设计 6
3.2.1 功能FC1的程序设计 6
3.2.2 功能FC2的程序设计 8
3.3 OB1的程序设计 11
3.4 利用仿真程序对程序进行方案调试 12
3.4.1 打开仿真工具PLCSIM 12
3.4.2 下载PLC硬件信息和PLC控制程序程序 12
3.4.3 调试智能抢答器PLC控制系统 13
结论 15
致 谢 16
参考文献 17

3

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控制的智能抢答器进行控制。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控制的智能抢答器的工作原理，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、违规、计时及输出显示功能等。考虑到只是PLC控制的智能抢答器则输出端口需要5个，输入端口需要5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： 智能控制；抢答器；PLC
　　　　四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)
第一章 绪论
1.1 选题背景和设计目的
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个主持人台，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。
PLC智能抢答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。
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，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，现在以四路抢答器为例。4人抢答器有5个按钮作为输入信号，分别接I0.1、I0.2、I0.3、I0.4，主持人的复位按钮I0.5与启动按钮对应I0.6，违规输出灯为Q0.1。要求：1.当主持人按下启动按钮后开始抢答，并限定时间，最先按下按钮的由7段数码显示管显示该台台号，其他抢答按钮无效。2.如果在限定的时间内各参赛选手在30秒内没有按下抢答按钮，此后再按下抢答按钮则无效。3.如果主持人未按下启动按钮之前，有人按下抢答按钮，则属违规，在显示该台台号时，违规指示灯亮，其它抢答按钮无效；4.各台台好数字显示的消除，及违规指示灯的关断，都要通过主持人去按下复位按钮。
工作原理图如图1.1所示。

图1.1 智能抢答器工作原理图

第二章 硬件设计及PLC控制组态
2.1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S7-300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S7-300系列就完全可以满足电气控制系统方面的要求。
2.2控制系统的硬件组成
抢答器控制系统有4个答题人抢答按钮，一个主持人复位与开始按钮，5个抢答信号灯，5个输入信号，5个输出信号，PLC系统可选择以下配置。
1）PS 307（5A）电源模块一只，订货号为6ES7 307-1EA00-0AA0。
2）CPU 315T-2 DP（1）模块一只，订货号为6ES7 315-1AF03-0AB0。
3）DI8/DO8*24V/0.5A数字输出模块一只，订货号为6ES7 323-1BL00-0AA0。
2.3硬件组态
如图2.1所示。

图2.1 PLC硬件组态
抢答器控制系统的I/O端子分配如表2.2所示：
图2.2 PLCI/O端子分配表

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第三章 控制程序设计
3.1控制要求
参与抢答的四人中只要一人按下抢答按钮，便会接通本组抢答信号灯，改组的抢答信号灯亮，告诉主持人和观众该组获得抢答权，同时切断其他各组信号灯电路；其他组的答题人不能继续抢答，每题的答题时间为5秒，不论答题人是否回答完整，都将进入下一轮抢答，这时主持人第一次按下SB5按钮，清除上一轮抢答信号，主持人的信号灯亮，当主持人再次按下SB5按钮，主持人信号灯灭，这时下一轮抢答开始，选手开始抢答。
3.2 功能FC1和FC2的程序设计
3.2.1 功能FC1的程序设计
SB1按钮可以作为SR触发器的置位信号，而且要串入其他3路的互锁信号，否则就不止一盏灯亮，中间储存位地址为M0.0.其他3路的工作原理相同，中间存储地址分别为M0.1、M0.2、M0.3，FC1程序如图3.1，图3.2，图3.3，图3.4所示。如果置位和复位信号同时满足，复位信号优先，即主持人优先。

图3.1 第一组抢答成功

图3.2 第二组抢答成功

图3.3 第三组抢答成功

图3.4 第四组抢答成功
3.2.2 功能FC2的程序设计
在FC2中，设计SB5的下降沿触发接通延时定时器T1，在FC1中每一路串入T1的常闭触点。SB5的上升沿用于复位定时器T1，为下次延时做准备，如图3.5，图3.6，图3.7，图3.8，图3.9，图3.10所示。

图3.5

图3.6

图3.7

图3.8

图3.9

图3.10
3.3 OB1的程序设计
抢答器程序采用模块式结构，在组织块OB1中编写主程序，FC1、FC2在其中是子程序，主程序如图3.11所示。

图3.11 OB1中的主程序

3.4 利用仿真程序对程序进行方案调试
完成了四路数字抢答器的控制系统的程序后，用仿真工具PLCSIM进行调试。
3.4.1 打开仿真工具PLCSIM
如图3.12所示。

图3.12 打开仿真工具
3.4.2 下载PLC硬件信息和PLC控制程序程序
如图3.13所示。

图3.13 下载程序到仿真系统
3.4.3 调试四路抢答器PLC控制系统
抢答开始，第一组选手抢答成功，如图3.14所示。

图3.14 第一组选手抢答成功
第一组选手抢答成功5秒时间到，第一组灯熄灭，进入下一题，如图3.15所示。

图3.15 回答时间5秒到
上一题回答后，进入下一题，主持人清除上一轮抢答信号，HL5亮，如图3.16所示。

图3.16 主持人清除上一轮信号
主持人再次按下SB5，下一轮抢答开始，HL5熄灭，如图3.17所示。

图3.17 主持人再次按下SB5，下一轮开始

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结论
本次设计通过利用PLC（Programmable Logic Controller）对PLC控制的四路数字抢答器进行控制。我对本次设计经过了全面的思考，整理总体思路，然后仔细分析PLC控制的四路数字抢答器的工作原理，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、计时及输出显示功能等。我选用了SIMATIC S7-300作为本次设计的PLC。通过多次对程序的修改和仿真调试，最终实现了基于S7-300的数字抢答器的设计。

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王刚老师给予我的指导，在设计过程中王刚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，在此谨向王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四川信息职业职业技术学院，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。
感谢评阅和阅读本设计论文的老师为此付出的辛勤劳动！
在此还要感谢四川信息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

参考文献
[1] 林明星.电气控制及可编程序控制器[M ].机械工业出版社，2004
[2] 周淑珍、高鸿斌.PLC分析与设计应用.电子工业出版社，2004
[3] 王玉中.电气控制及PLC应用技术.河南科学技术出版社，2006
[4] 张新军.电气控制与PLC技术及应用.济源职业技术学院出版社，2006
[5] 邹其洪、黄智伟、高嵩、等.电工电子实验与计算机仿真[M].电子工业出版社，2005
[6] 王成福.可编程序控制器原理及应用.机械工业出版社，2006