基于PLC控制的智能抢答器设计.doc

课程设计
题目:基于PLC的抢答器设计
姓 名 徐伟 学号201303120024
系（院）电子电气工程学院班级P13电气二班
指导教师贲艳波职称副教授
2015年 10月24日
引言
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。
近年来随着科技的飞速发展,PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用,仅PLC方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构,以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。
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。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,所以我们小组针对此次毕业设计进行了软硬件的设计。基于此，我们采用了欧姆龙公司的PLC 来实现智能抢答器控制系统的设计。
一、可编程控制器的发展史
1。1、可编程控制器的由来
PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大 . 可编程控制器(Programmable Logical Controller）简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司（DEC )为美国通用公司(GM)研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生.随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备.
1。2、可控制编程器的发展
虽然PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现,大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC 也迅速发展,其发展过程大致可分三个阶段：
1．早期的PLC（60 年代末—70 年代中期）
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC 多少有点继电器控制装置的替代物的含义,其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O 接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求.装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路,存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式-梯形图。因此，早期的PLC 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使,能重复使用等.其中PLC 特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。
2．中期的PLC（70 年代中期—80 年代中后期)
在70 年代微处理器的出现使PLC 发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC 的中央处理单元（CPU）。
这样，使PLC 得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能.在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加,还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC 得应用范围得以扩大。
3．近期的PLC（80 年代中后期至今）
进入80 年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC 所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC 的处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC 软、硬件功能发生了巨大变化.
1。3、可编程控制器的应用
自1969年第一台可控编程控制器问世以来，目前可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器.
PLC所以被广泛应用,是由它的突出特点和优点的性能分不开的，为了满足工业生产对工业控制设备安全可靠的要求,PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触电的的半导体电路来完成，PLC选用的电子器件一般是工业机，有的甚至是军用机，平均无故障时间很长。
PLC具有良好的环境适应性，可用于十分恶劣的工业现场.再电源瞬间断电的情况下仍可以正常工作,具有很强的的抗空间电磁干扰能力,可以抗峰值高达1000V、脉宽10us的矩形波空间电磁干扰，具有良好的抗震能力和抗冲击能力。一般对环境温度要求不高，在环境温度-20—65度、相对湿度为35％-85％情况下仍可正常工作。
二．可编程控制器的主要原理和组成
2。1、可编程控制器的主要原理
CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描，CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。
PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型的PLC在一个周期中可完成以下5个扫描过程。
1。自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性，及时反应所出现的故障，PLC都具有自监视功能.自监视功能主要由时间监视器完成。WDT是一个硬件定时器,每一个扫描周期开始前都被复位。WDT的定时可由用户修改，一般在100～200ms之间。其它的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。
2。与网络进行通信的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程,配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。
3。用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一扫描周期内部包换扫描过程。该过程在机器运行中是可控的，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短,会影响过程所用的时间.
2.2、可编程控制器的组成部分
PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行I／O变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场。
1.输入寄存器
输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量,其值反映了开关量的状态，其值的改变由输入开关量驱动,并保持一个扫描周期。CPU可以读其值，但不可以写或进行修改。
2。输出寄存器
输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值。在程序执行过程中,CPU可以读其值,并作为条件参加控制，还可以修改其值，而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。
3。存储器
存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。
4.CPU单元
CPU单元控制着I／O寄存器的读、写时序,以及对存储器单元中程序的解释执行工作,是PLC的大脑.
5。其它接口单元
其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。
三、智能抢答器的电路设计
3.1、设计方案和思路
（1)PLC抢答器的控制要求:
一、在主持人按下抢答按钮之前，选手提前抢答则选手桌上的指示灯1或者2闪烁4秒，然后熄灭
二、在主持人按下抢答按钮之后15秒钟之内,选手未抢答则主持人桌上的指示灯灭，宣布抢答无效。
三、主持人按下抢答按钮以后,其中一个选手先抢答,其桌上的指示灯亮，另一个选手不能抢答桌上的指示灯不亮.
四、选手抢答后必须在40秒钟之内回答完毕,如果在40秒钟内未回答完毕则其桌上的指示灯灭，主持人桌上的指示灯亮，15秒后自动熄灭.
五、每一次抢答之前主持人按下复位开关，使得各选手桌上的指示灯处于熄灭状态。
六、选手回答正确以后,主持人按下加分按钮，则其对应的选手组计分灯亮一个,回答错误，按下减分按钮，则对应的选手组计分灯灭一个。主持人按下复位按钮以后，加减分指示灯不变化.
基于以上控制要求，我们小组讨论采用以欧姆龙公司的PLC为主要控制器。图2-2既是我们的控制流程图.
（2)硬件设计方案，即I/O配线图
输入设备：S1抢答启动按钮 00000 S2 1号抢答按钮 00001
S3 2号抢答按钮 00002 S4 1号加分按钮 00003
S5 1号抢答按钮 00004 S6 2号加分按钮 00005
S7 2号减分按钮 00006 S8 复位按钮 00007
输出设备：HL1 01000 HL2 01001/01002 HL3 01003/01004 HL4 01005 HL5 01006 HL6 01007
HL7 01100 HL8 01101 HL9 01102
HL10 01103 HL11 01104
3。2、软件编程及上机调试过程
根据以上设计的I/O配线图，我们用欧姆龙的软件进行的编程.主要采用了欧姆龙的编程软件进行了程序设计，主要加入了时间、计数的程序,其程序见附录一；
在小组的智能抢答器设计过程中,在我们的硬件完成制作以后,我们把程序传入PLC，进行软件调试过程中发现了一下问题:
（1)调试过程中发现硬件与PLC接线的时候,输入点和输出点的接线出现了无响应的现象,经过我们小组对硬件的检查,以及查询各方面的资料,最终我们发现时在输入点介入的时候,其公共端的电源接线上出现了差错.经过调试，最后达到了预期的要求.
（2)在小组的硬件设计完成以后，我们把程序传入PLC中，进行上机调试。
发现在不同的时间段，各个信号灯的状态如下图所示：
序号
10秒后
20秒后
30秒后
HL1
正常
正常
闪动
HL2
正常
正常
闪动
HL3
正常
正常
闪动
HL4
正常
正常
闪动
HL5
正常
正常
闪动
HL6
正常
正常
闪动
HL7
正常
正常
闪动
HL8
正常
正常
闪动
HL9
正常
正常
闪动
HL10
正常
正常
闪动
HL11
正常
正常
闪动
经过小组的讨论，我们最后找到问题的解决方案，经过一段时间的调试，恢复了正常。
3.3、本次设计在实际中的应用
基于普通的抢答器，其准确性总是无法满足现实生活的需求，总是会出现抢答失误的现象，出现抢拍的现象，针对这种现状，我们小组讨论设计了一个智能抢答器控制系统,它的设计可以应用在比较正式的场合，对于设计的准确性进行了调试运行，我们采用了欧姆龙公司的PLC进行控制，编程简单，控制灵活成了本次设计的亮点，可以不断地改进设计的性能。为此,在社会中很受欢迎，而且还可以作为教师的实物教学过程.总之，对于本次设计的完成，有利于控制以后抢答器的发展导向，会向着更优化的发展方向前进.
结论
在这次设计的制作过程中，我们小组的成员不断的设计制作方案,经过多次讨论表决,最后制定出一个实际运行的计划，并把本次设计分为了四个设计阶段:
第一阶段:我们收集相关的资料，把在制作过程中所需要的原件，进行统一整理，以备下一阶段的采购；
第二阶段：针对以上的材料准备，我们分工明细，一起购买在设计中所需要的物件.
第三阶段：在所有的物件都准备齐全以后,我们开始了水箱液位系统的制作过程，我们在陈娜老师的指导下，不断的发现问题，解决问题。最终基本完成了制作任务；
第四阶段：我们整理了与制作相关的资料，对本次制作过程中花费进行了清算，最后全身心的去写作毕业论文。
在本次设计过程中，我们学会了把理论上的知识和实际生活的需求进行了合理的融合，不断的把我们的好的想法和观点，实施于制作过程中.创新源于实际,我们真正的学会了学习，学会了适应社会的发展。老师的悉心指导，让我们从中学到了好多的知识。是我们在书本上无法学到的。
附录一:
青岛滨海学院
毕业设计评阅、评审意见表
专　　业:楼宇智能化工程技术
学生姓名：王海峰
题　　目：PLC二路抢答器
指导教师评语:
成绩:
指导教师（签字):
年　　月　　日
答辩委员会(或答辩小组）评审意见:
成绩：
组长(签字)：
年　　月　　日

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