基于三菱FX2N的PLC搶答器控制設計.doc

江蘇城市職業(yè)學院畢業(yè)設計說明書（ 2013 屆 ）設計（論文）題目 基于三菱FX2N的PLC搶答器控制設計 辦 學 點 （系） 連云港 （信息工程系） 專 業(yè) 機電一體化 班級 08機電（五） 學號 0839010307 學生姓名 指導教師 徐以標 職稱高級技師 2012年12月22日江蘇城市職業(yè)學院教處江蘇城市職業(yè)學院畢業(yè)設計【摘要】：三菱FX2N系列PLC（Programmable Logic Controller）控制四路搶答器，并且詳細分析介紹了控制方案。眾所周知，搶答器的應用極為廣泛，在各種智力競賽及各種娛樂上用來作為公正的競爭裁判者，促進了勤動腦、愛思考的理念。因此人們對于搶答器的需求越來越大，由于PLC具有可靠性高、體積小、通用性、使用方便等優(yōu)點,具有方便靈活，維護使用方便等特點。本文采用了三菱 FX2n-32MR型PLC 作為核心控制器進行搶答器系統(tǒng)的設計，并且設計出了系統(tǒng)結構圖、程序指令、梯形圖以及輸入輸出端子的分配方案。同時根據搶答器的控制要求和特點,確定PLC 的輸入輸出分配,并進行調試?！娟P鍵字】：PLC；四路搶答器 ;設計 目錄1 可編程邏輯控制器PLC概述11.1PLC的簡介11.2 PLC的基本結構21.3 PLC的工作原理41.4 PLC的應用領域52搶答器簡介72.1 搶答器的分類72.2 基于PLC的搶答器的總體設計要求83基于PLC的搶答器的硬件設計93.1控制器93.2顯示設計103.3系統(tǒng)結構113.4 I/O分配113.5按鈕顯示123.6硬件控制接線圖134基于PLC的搶答器的軟件設計144.1搶答器程序144.2程序運行過程的分析18總 結19參考文獻20致 謝211 可編程邏輯控制器PLC概述自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。 可編程控制器（PLC）是一種新型的通用自動化控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，具有控制功能強，可靠性高，用靈活方便，易于擴展等優(yōu)點而應用越來越廣泛?？删幊炭刂破鳎≒rogrammable Logic Controller)即PLC?，F(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。他以微處理為核心，用編寫的程序不僅可以進行邏輯控制，還可以定時，計數和算術運算等，并通過數字量和模擬量的輸入/輸出來控制機械設備將其正式命名為可編程控制器（Programmable Controller），簡寫為PC。后來由于PC這個名稱常常被用來稱呼個人電腦（Personal Computer），為了區(qū)別，現(xiàn)在也把可編程控制器稱為PLC。1.1PLC的簡介國際電工委員會（IEC）于1987年對PLC定義如下:PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的一種數字運算操作的電子裝置，是帶有存儲器，可以編制程序的控制器。它能夠存儲和執(zhí)行指令，進行邏輯運算，順序控制，定時，計數和算術等操作,并通過數字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械和生產過程。PLC及其有關的外圍設備,都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形式一體，易于拓展其功能的原則設計。事實上,PLC就是以嵌入式CPU為核心，配以輸入，輸出等模塊，可以方便的用于工業(yè)控制領域的裝置。PLC與機器人，計算機幫助設計與制造一起作為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱。1.2 PLC的基本結構PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，如圖1所示： 圖1 PLC硬件結構1.中央處理單元（CPU）在可編程序控制器控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當與人的大腦，它不斷地采集輸入信號執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。 2、存儲器（Memory） 可編程控制器的控制中樞，在系統(tǒng)監(jiān)控下工作，承擔著將外部輸入的信號的狀態(tài)寫入映像寄存器區(qū)域，然后將結果送到輸出映像寄存器區(qū)域。 3、基本I/O接口電路 輸入(Input)模塊和輸出(Output)模塊簡稱為I/O模塊，它們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和CPU模塊的橋梁。 輸入模塊用來接收和采集輸入信號。數字量(或稱開關量)輸入模塊用來接收從按鈕、接近開關、光電開關、壓力繼電器等發(fā)出的數字量信號。模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。數字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈和報警裝置等輸出設備。模擬量輸出模塊用來控制調節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。4、接口電路 PLC接口電路分為I/O擴展接口電路和外設通信接口電路兩類(1) I/O擴接口電路I/O擴展接口電路用連接I/O擴展單元，可以用來擴充開關量I/O點數和增加模擬量的I/O端子。I/O擴展接口電路采用并行接口和串行接口兩種電路形式。根據被控制對象對PLC控制系統(tǒng)的技術和要求，確定用戶所需的輸入、輸出設備，據此確定PLC的I/O點數。(2) 外設通信接口電路通信接口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能組成PLC的控制網絡。PLC通過PC/PPI電纜或使用MPI卡通過RS-485接口和電纜與計算機連接，可以實現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網等功能。 5、電源 PLC內部配有一個專用開關式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉化為PLC內部電源需要的工作電源（5V直流）。當輸入端子為非干接點結構時，為外部輸入元件提供24V直流電源（僅供輸入點使用）。1.3 PLC的工作原理掃描技術 當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 (一) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數據，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數據發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (二) 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內的狀態(tài)和數據不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內的狀態(tài)和數據都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 (三) 輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。 同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執(zhí)行的結果也不同。另外，采用掃描用戶程序的運行結果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結果有所區(qū)別。當然，如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區(qū)別了。 一般來說，PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間的總和。PLC信號傳遞過程，如圖2所示：圖2 PLC的傳遞過程1.4 PLC的應用領域目前，PLC在國內外己廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納如下幾類：（1）開關量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代了傳統(tǒng)的繼電器，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，又可用于多機群控及自動化流水線；如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床包裝生產線、電鍍流水線等。（2）模擬量控制在工業(yè)生產過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位元元和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數字量(Digital)之間的A/D轉換D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬控制。（3）運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用開關量I/O模塊連接位置感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，世界上各主要PLC廠家的產品幾科都是有運動控制功能。廣泛地用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。（4）過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。大中型PLD模塊，目前許多小型PLC也具有PID功能。PID處理一般是運用專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。（5）數據處理現(xiàn)代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成資料的采集、分析及處理。這些資料可以與儲存在內存中的參考值比較、完成一定的控制操作，也可以利用功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表，數據處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于程控系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。（6）通信及聯(lián)網PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通訊功能。紛紛推出各自的網絡系統(tǒng)。新近生產的PLC都具有通訊接口，通訊非常方便。變?yōu)槎M制碼。2搶答器簡介搶答器廣泛應用于電視臺、商業(yè)機構及學校，為競賽增添了刺激性、娛樂性，在一定程度上豐富了人們的業(yè)余生活。以下介紹一種簡單式搶答器，能使四個隊同時參加搶答,賽場中設有1個裁判臺，4個參賽臺，分別為1號、2號、3號、4號參賽臺. PLC控制,搶答操作方便，在很多的場所都可以使用，并且給人的視覺效果非常好。搶答器，顧名思義就是用于比賽時，跟對手比反應時間，思維運轉快慢的新型電器。隨著社會科技技術的不斷發(fā)展，他的應用場合也隨之增加；技術含量大大提升；更加方便可靠。目前, 形式多樣、功能完備的搶答器已廣泛應用于電視臺、商業(yè)機構、學校及企事業(yè)單位, 它為各種競賽增添了刺激性、娛樂性, 在一定程度上豐富了人們的業(yè)余生活。用PLC進行知識競賽搶答器設計，其控制方便，靈活，只要改變輸入PLC的控制程序，便可改變競賽搶答器的搶答方案。PLC智能搶答器與單片機搶答器相比，在許多方面都顯示出優(yōu)越性.首先說一下單片機搶答器，所謂單片機系統(tǒng)就是采用目前市場上的單片機CPU及其它外圍芯片，根據不同系統(tǒng)設計電路板，最終設計成一臺簡易的計算機系統(tǒng)，并在此基礎上設計程序以達到所要求的控制功能。這種形式在 80年代國內很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面的限制，目前除了儀表上仍然采用外，在工業(yè)現(xiàn)場的應用已逐步被PLC所代替。2.1 搶答器的分類（1）電子搶答器 電子搶答器的中心構造一般都是由搶答器由單片機以及外圍電路組成，其搭配的配件不同又分為，非語音非記分搶答器和語音記分搶答器。多適用于學校和企事業(yè)單位舉行的簡單的搶答活動。非語音記分搶答器構造很簡單，就是一個搶答器的主機和一個搶答按鈕組成，在搶答過程中選手是沒有記分的顯示屏。語音記分搶答器是有一個搶答器的主機和主機的顯示屏和選手的記分顯示屏。（2）電腦搶答器 電腦搶答器又分為無線電腦搶答器和有線電腦搶答器。無線電腦搶答器的構成是由：主機和搶答器專用的軟件和無線按鈕。無線電腦搶答器利用電腦和投影儀，可以把搶答氣氛活躍起來，一般多使用于電臺等大型的活動。有線電腦搶答器也是由主機和電腦配合起來，電腦在和投影儀配合起來，利用專門研發(fā)的配套的搶答器軟件，可以十分完美的表現(xiàn)搶答的氣氛。2.2 基于PLC的搶答器的總體設計要求本設計總結實際比賽的經驗，由總控制臺控制四路搶答選手的各項操作。A.B.C.D四個人桌上各有一個搶答按鈕，分別接到PLC的X0.X1.X2,X3輸入端，通過Y0,Y1,Y2,Y3,用四個燈L1,L2,L3,L4顯示他們的搶答信號。在具體說明如下：1）當控制按下開始開關SB0時，搶答開始，最先按下按鈕的搶答者對應的亮，與此同時，另外三個搶答者的燈不亮。2）在Y0,Y1,Y2,Y3的控制電路中，分別用了常開觸點實現(xiàn)自鎖，為了實現(xiàn)互鎖(即某個燈亮后另外兩個燈不能亮)，將各輸出繼電器的常閉觸點與另外兩個輸出繼電器的線圈分別串聯(lián)。注意事項1）當搶答允許開關SB0沒有接通時，各搶答器按鈕是否是對應燈亮。它接通后，按某一個按鈕是否能是對應的燈亮。2）某一搶答者的燈亮后，另外兩個搶答者的燈是否還能被點亮。3）斷開搶答允許開關SB0，是否是否使已亮的燈熄滅。1.根據要求繪制的流程圖3基于PLC的搶答器的硬件設計3.1控制器FX2n系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2n-32MR（系列具備如下特點最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，有高速處理及可擴展大量滿足單個需要的特殊功能模塊，靈活性和控制能力強，可擴展到256點。定位控制達到16軸，脈沖串輸出或為J和K型熱電偶或Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。主單元可配置總計達38個特殊功能模塊。輸入點數16，輸出點數16，輸入輸出點總數32。3.2顯示設計發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關如圖3發(fā)光二極管構造圖圖3發(fā)光二極管構造圖3.3系統(tǒng)結構搶答器通過PLC進行按控制要求編程，其主要的輸入就是通過主持人和參賽選手的按鈕，然后將信號傳遞給信息分析中心（PLC），PLC將根據信號作出相應的響應。圖4系統(tǒng)控制結構框圖3.4 I/O分配PLC的I/O分配如表：PLC端子功能說明PLC端子功能說明X0搶答選手按鈕L1Y0控制二極管顯示X1搶答選手按鈕L2Y1控制二極管顯示X2搶答選手按鈕L3Y2控制二極管顯示X3搶答選手按鈕L4Y3控制二極管顯示X10主持人開關按鈕Y13控制電路通與斷主機COM0、COM1、COM2、COM3、COM4等接電源GND3.5按鈕顯示圖5按鈕顯示圖3.6硬件控制接線圖圖6硬件控制接線圖4基于PLC的搶答器的軟件設計4.1搶答器程序主持人提出問題后，按下開始開關SB0，選手開始搶答，X0常開觸點閉合并自鎖。在X0閉合后仍保持在ON狀態(tài)（自鎖）。同時，將其常閉觸點串入其他各回路中，在Y001接通后，他的常閉觸點打開，切斷其他搶答回路（互鎖）；根據控制要求進行梯形圖繪制，梯形圖如圖7圖7搶答器梯形圖語句指令YOO0梯形圖Y000語句指令Y001梯形圖Y001語句指令Y002梯形圖Y002語句指令Y003梯形圖Y003語句指令4.2程序運行過程的分析（1）由于一組的線圈Y000使用他的自身觸點（常開觸點），在X000閉合后仍保持在ON狀態(tài)（自鎖）。同時，將其常閉觸點串入其他各回路中，在Y000接通后，他的常閉觸點打開，切斷其他搶答回路（互鎖）；（2）二組的線圈Y001，三組的線圈Y002和四組的線圈Y003以同樣方式動作，再次動作時將清零；（3）主持人按下開關SB0使X010閉合后，使PLC通電工作；（4）如果Y000，Y001，Y002和Y003任何一個閉合，則以示搶答成功。（5）觸點X010斷開后，PLC清零，為下一輪搶答做好準備總 結本次的搶答器的設計將我們學到的知識應用到了實踐，深化了對可編程控制器梯形圖設計的認識，在設計的實踐中獲得新知。該項目主要以三菱FX2n-32MRPLC為核心器件，通過計算機按項目要求，用梯形圖編程并輸入PLC，按預定的輸入輸出接點接入了所需的按鈕及指示燈，經過幾次對照實驗所設計的搶答器能可靠實現(xiàn)項目要求。我這次的畢業(yè)設計，基本上完成了搶答器的設計要求，原本想拓展其功能，通過程序的設定顯示選手的組號，但由于時間太匆忙，沒來得及做，只是將設計要求完成。在整個論文的完成中遇到了很多的困難，剛開始從網上搜索了很多相關的內容及排版，又根據自己的想法寫了些提綱，結果徐老師給我說了很多很多不合理的地方，主要還是結構不清晰、不調理。后來我又在網上找了個思路非常清晰的論文提綱，老師又說必須按照系格式寫，我才從學校網站下載下論文格式。后來經過自己一步步的歸納總結以及徐老師的耐心輔導，才完成了現(xiàn)在的論文，自我感覺寫的還可以。此外我還遇到了許多知識上的不理解，有的是自己看書，有的是問周圍的老師和同學，最后還是把不懂的地方學會學懂了，知識結構框架更加立體了，感覺非常充實。參考文獻1湯自春.PLC原理及應用技術 高等教育出版社 20062林明星.電氣控制及可編程序控制器M 。北京：機械工業(yè)出版社，2004 3殷洪義.可編程控制器選擇設計與維護.北京：機械工業(yè)出版社.2002 4余雷聲. 電氣控制與PLC應用M，北京. 機械工業(yè)出版社. 19925鄭成.現(xiàn)代可編程序控制器原理及應用.北京：科學出版社.19996江秀漢.可編程序控制原理及應用.西安：西安