搶答器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要可編程序控制器(PLC)是一種新型的通用的自動控制裝置,它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體,其擁有功能強(qiáng)大、編程簡單、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)。本文采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N型PLC作為核心控制器進(jìn)行五路搶答器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、程序指令、梯形圖以及輸入輸出端子的分配方案，在保留了原始搶答器的基本功能的同時又增加一系列的實(shí)用功能并簡化其電路結(jié)構(gòu)，其將以其控制方便，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，從而使得競賽不斷完善其公平、公正性。在實(shí)時檢測和自動控制的PLC應(yīng)用系統(tǒng)中，PLC往往是作為一個核心部件來

2、使用。本設(shè)計(jì)正是以PLC為核心，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多人搶答和違例報(bào)警的自動顯示。由于PLC具有可靠性、易操作性、靈活性等優(yōu)點(diǎn)，故傳統(tǒng)答題相比，大大提高了效率和可靠性，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：PLC;競賽搶答器目 錄1 引言錯誤！未定義書簽。1.1 設(shè)計(jì)目的11.2 設(shè)計(jì)意義11.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求12 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)32.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理32.2 系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)分析42.3 PLC選型42.4 系統(tǒng)硬件接線圖設(shè)計(jì)53 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)63.1 系統(tǒng)I/O地址分配63.2 控制程序流程圖設(shè)計(jì)63.3 控制程序時序圖設(shè)計(jì)73.4 PLC控制程序設(shè)計(jì)84 上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3、114.1 組態(tài)監(jiān)控軟件選擇114.2 上位監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)114.3 實(shí)現(xiàn)效果125 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析115.1 系統(tǒng)仿真調(diào)試115.2 結(jié)果分析錯誤！未定義書簽。6 設(shè)計(jì)總結(jié)11參考文獻(xiàn)16附錄 控制程序梯形圖171 引言 1.1 設(shè)計(jì)目的搶答器，顧名思義就是用于比賽時，跟對手比反應(yīng)時間，思維運(yùn)轉(zhuǎn)快慢的新型電器。隨著社會科技技術(shù)的不斷發(fā)展，他的應(yīng)用場合也隨之增加；技術(shù)含量大大提升；更加方便可靠。搶答器被廣泛用于電視臺、商業(yè)機(jī)構(gòu)及學(xué)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。本文介紹一種數(shù)字式搶答器，能使五個隊(duì)同時參加搶答,賽場中設(shè)有1個裁判臺，5個參賽臺?？傮w設(shè)計(jì)選

4、用三菱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。用PLC進(jìn)行知識競賽搶答器設(shè)計(jì)，其控制靈活方便，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(jī)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(jī)搶答器，所謂單片機(jī)系統(tǒng)就是采用目前市場上的單片機(jī)CPU及其它外圍芯片，根據(jù)不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路板，最終設(shè)計(jì)成一臺簡易的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)程序以達(dá)到所要求的控制功能。這種形式在80年代國內(nèi)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(yīng)用已逐步被PLC所代替。1.2 設(shè)計(jì)意義 本文采用日本

5、三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列PLC作為核心控制器進(jìn)行五路搶答器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jù)知識競賽搶答器的控制要求和特點(diǎn),確定PLC的輸入輸出分配,并進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試。實(shí)現(xiàn)搶答器功能的方式有多種，可以采用早期的模擬電路、數(shù)字電路或模數(shù)混合電路。近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)、PLC的應(yīng)用不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)的控制檢測技術(shù)的不斷更新。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下： （1）知識競賽搶答器能使5個隊(duì)同時參加搶答。 （2）設(shè)裁判隊(duì)為裁判臺，參賽對為參賽臺。裁判臺設(shè)有音響和裁判燈，并且設(shè)有裁判臺開始按鈕SB0和裁判臺復(fù)位按鈕SB

6、5；參賽臺設(shè)有參賽臺搶答按鈕以及參賽臺燈。1-5號參賽臺分別對應(yīng)按鈕PO1-PO5及參賽臺燈LED1-LED5。 （3）知識競賽搶答器能適合以下比賽規(guī)則：出題后，各隊(duì)搶答必須在裁判說出“開始”并按下裁判臺的開始按鈕SB0后10S內(nèi)搶答，并由數(shù)碼管顯示時間。如提前搶答，搶答器發(fā)出“違規(guī)”信號。10S時間到，如無隊(duì)搶答，則搶答器給出時間已到信號，該題作廢。在有隊(duì)搶答的情況下，則搶答器發(fā)出“搶答”信號，數(shù)碼管開始計(jì)時，并由數(shù)碼管顯示出搶到題的參考隊(duì)號，搶到題的隊(duì)必須在30S內(nèi)答完題，如30S內(nèi)未答完，則作超時處理。 （4）燈光與音響信號的意義如下： 1音響叫（響1S）+某臺燈亮，由某參賽隊(duì)正常搶答。

7、 2音響叫（響1S）+某臺燈亮+總臺燈亮，某參賽隊(duì)違規(guī)。 3音響叫（響1S）+裁判臺燈亮，無人搶答或答題超時。 （5）在某個題結(jié)束后，裁判員按下臺上的復(fù)位按鈕SB5，搶答器恢復(fù)原來的狀態(tài)，為下一輪搶答作好準(zhǔn)備。各臺數(shù)字顯示的消除,蜂鳴器音響及指示燈的關(guān)斷,都要通過主持人去按下復(fù)位按鈕。2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理各種PLC的組成結(jié)構(gòu)基本相同，都主要由中央處理器（CPU）、存貯器和輸入/輸出接口等構(gòu)成。因此，從硬件結(jié)構(gòu)來說，可編程控制器實(shí)際上就是計(jì)算機(jī)，圖1是其硬件系統(tǒng)的簡化框圖。從圖中可以看出PLC內(nèi)部主要部件有:（1）CPU 同一般的微機(jī)一樣，CPU是PLC的核心

8、。PLC中所配置的CPU隨機(jī)型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如Z80、8086、80286等）、單片微處理器（如8031、8096等）和位片式微處理器(如AMD29W等)。小型PLC大多采用8位通用微處理器和單片微處理器；中型PLC大多采用16位通用微處理器或單片微處理器；大型PLC大多采用高速位片式微處理器。目前，小型PLC為單CPU系統(tǒng)，而中、大型PLC則大多為雙CPU系統(tǒng)，甚至有些PLC中多達(dá)8個CPU。對于雙CPU系統(tǒng)，一般一個為字處理器，一般采用8位或16位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設(shè)計(jì)制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能，監(jiān)視內(nèi)部定時器，監(jiān)

9、視掃描時間，處理字節(jié)指令以及對系統(tǒng)總線和位處理器進(jìn)行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實(shí)現(xiàn)PLC編程語言向機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換。位處理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地滿足實(shí)時控制要求。（2）存儲器PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩種。系統(tǒng)存儲器用于存放PLC的系統(tǒng)程序，用戶存儲器用于存放PLC的用戶程序。現(xiàn)在的PLC一般均采用可電擦除的E2PROM存儲器來作為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。（3）輸入輸出組件（I/0模塊）PLC的輸入接口電路的作用是將按鈕、行程開關(guān)或傳感器等產(chǎn)生的信號輸入CPU；PLC的輸出接口電路的作用是將CPU向外輸出的信號轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動外部執(zhí)行元

10、件的信號，以便控制接觸器線圈等電器的通、斷電。PLC的輸入輸出接口電路一般采用光耦合隔離技術(shù)，可以有效地保護(hù)內(nèi)部電路。輸入的開關(guān)量信號接在IN端和0V端之間，PLC內(nèi)部提供24V電源，輸入信號通過光電隔離，通過R/C濾波進(jìn)入CPU控制板，CPU發(fā)出輸出信號至輸出端。PLC輸出有三種型式：繼電器方式、晶體管方式和晶閘管方式。（5）編程器編程器是用于用戶程序的編制、編輯、調(diào)試檢查和監(jiān)視等。還可以通過其鍵盤去調(diào)用和顯示PLC的一些內(nèi)部狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)。它通過通訊端口與CPU聯(lián)系，完成人機(jī)對話連接。編程器上有供編程用的各種功能鍵和顯示燈以及編程、監(jiān)控轉(zhuǎn)換開關(guān)。編程器的鍵盤采用梯形圖語言鍵符式命令語言助記

11、符，也可以采用軟件指定的功能鍵符，通過屏幕對話方式進(jìn)行編程。編程器分為簡易型和智能型兩類。前者只能連機(jī)編程，而后者既可連機(jī)編程又可脫機(jī)編程。同時前者輸入梯形圖的語言鍵符，后者可以直接輸入梯形圖。根據(jù)不同檔次的PLC產(chǎn)品選配相應(yīng)的編程器。（6）外部設(shè)備及電源一般PLC都配有盒式錄音機(jī)、打印機(jī)、EPR0M寫入器、高分辨率屏幕彩色圖形監(jiān)控系統(tǒng)等外部設(shè)備。PLC一般使用220V交流電源或24V直流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V、12V、24V直流電源，使PLC能正常工作。圖1 硬件系統(tǒng)的簡化框圖2.2 系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)分析本次設(shè)計(jì)的是五人搶答器。至少需要一個總臺復(fù)位按鈕，

12、一個總臺開始按鈕，五個分臺按鈕，一共七個輸入控制點(diǎn)。還需要一個總臺音響，一個總臺燈，五個分臺燈，一共七個輸出控制點(diǎn)。然后，還有七段顯示器，需要使用八個輸出點(diǎn)。所以一共需要使用七個輸入點(diǎn)，十五個輸出點(diǎn)。2.3 PLC選型在進(jìn)行設(shè)計(jì)時我們要留一定的余量，方便更改設(shè)計(jì)或者擴(kuò)展，因此我們通過統(tǒng)計(jì)所要的輸入和輸出的點(diǎn)數(shù)，經(jīng)過選擇對比，我們選擇了三菱FX2N-32MR型PLC。它具有很多優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)置的集成功能、強(qiáng)大的通信能力和品種豐富的擴(kuò)展模塊等，它也正是借助這些優(yōu)點(diǎn)成為FX系列PLC家族中較先進(jìn)的系列之一。FX可以用于替代繼電器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單機(jī)運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。極強(qiáng)的通信能力使得它在網(wǎng)

13、絡(luò)控制系統(tǒng)中也發(fā)揮著重要作用；并且能適應(yīng)世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊。FX2N-32MR也以其極高的性價(jià)比，在我國占有很大的市場份額。2.4 系統(tǒng)硬件接線圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件接線圖如圖2所示：圖2 系統(tǒng)硬件接線圖3 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)I/O地址分配PLC控制系統(tǒng)I/O分配表如表1所示：PLC地址電氣符號功能說明X000P06按鈕6X001P01按鈕1X002P02按鈕2X003P03按鈕3X004P04按鈕4X005P05按鈕5X010P07按鈕7Y000FMQ蜂鳴器Y001LED指示燈Y002LED指示燈Y003LED指示燈Y004LED指示燈Y005LED

14、指示燈Y006LED指示燈Y010a數(shù)碼管a段Y011b數(shù)碼管b段Y012c數(shù)碼管c段Y013d數(shù)碼管d段Y014e數(shù)碼管e段Y015f數(shù)碼管f段Y016g數(shù)碼管g段表1 PLC控制系統(tǒng)I/O分配表3.2 控制程序流程圖設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)搶答器控制程序流程圖如圖3所示：圖3 程序流程圖3.3 控制程序時序圖設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)搶答器控制程序時序圖如圖4所示：圖4 控制程序時序圖3.4 PLC控制程序設(shè)計(jì)本次搶答器程序設(shè)計(jì)步驟表述如下：（1）首先先繪出“應(yīng)答允許”“應(yīng)答時限”“答題時限”等支路。如圖5、圖6所示：圖5 應(yīng)答允許與應(yīng)答時限支路圖6 答題時限支路（2） 設(shè)計(jì)各分臺燈梯形圖。各分臺燈啟動條件串入M2

15、的常閉觸點(diǎn)體現(xiàn)了搶答器的一個基本原則：競時封鎖，在已有人的搶答之后按按鈕是無效的。梯形圖如圖7所示：圖7 分臺燈梯形圖（3） 設(shè)計(jì)總臺燈梯形圖?？偱_燈的工作條件含有四個分支。如圖8所示：圖8 總臺燈梯形圖（4） 設(shè)計(jì)總臺音響梯形圖?？偱_音響梯形圖為了縮短音響的時間（設(shè)定為1S），在印象的輸出條件中加入了啟動信號的脈沖處理環(huán)節(jié)。如圖9所示：圖9 音響梯形圖（5） 設(shè)計(jì)七段顯示器梯形圖。需要用七段譯碼指令來完成。如圖10所示：圖10 七段顯示器梯形圖（6） 最后解決復(fù)位功能。考慮到主控觸點(diǎn)指令具有使主控觸點(diǎn)后的所有啟保停電路輸出中止的作用，將主控觸點(diǎn)M0及相關(guān)電路加在已設(shè)計(jì)好的梯形圖前部。如圖11

16、所示：圖11 主控觸點(diǎn)梯形圖4 上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 組態(tài)監(jiān)控軟件選擇因?yàn)镻LC選擇的是三菱FX2NPLC，所以可以選擇使用MCGS組態(tài)軟件或者是GT組態(tài)軟件，為了方便監(jiān)控使用，在這里我選用了三菱GT組態(tài)軟件來進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。三菱觸摸屏編程軟件GT Designer 3是用于三菱電機(jī)自動化GOT1000系列圖形操作終端的畫面設(shè)計(jì)軟件，并且集成有GT Simulator3仿真軟件，具有仿真模擬的功能。 GT Designer3 進(jìn)行工程和畫面創(chuàng)建、圖形繪制、對象配置和設(shè)置、公共設(shè)置以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊能浖?GT Simulator3 是在PC機(jī)上模擬GOT運(yùn)行的仿真軟件。4.

17、2 上位監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)首先，我先使用GT建立一個畫面，作為首頁。在首頁上寫上“歡迎使用搶答器”等字，來作為一個開始頁面，并放上一個覆蓋全頁面的畫面切換開關(guān)，使其可以切換至畫面2。效果圖如圖12所示：圖12 首頁效果圖然后，再新建一個畫面2，作為搶答器的操作頁面，在上面放上相應(yīng)的位開關(guān)元件，指示燈元件。因?yàn)闆]有蜂鳴器這個元件，所以音響的狀態(tài)變化用一個指示燈來代替。并將相應(yīng)的軟元件地址一一對應(yīng)輸入。效果圖如圖13所示：圖13 搶答器操作頁效果圖4.3 實(shí)現(xiàn)效果完成上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的效果。當(dāng)開始鍵沒有按下時，一至五號搶答鍵任意按下，對應(yīng)的分臺燈亮，總臺燈亮，音響工作

18、1S，也就是對應(yīng)音響的指示燈亮1S。當(dāng)按下開始鍵后，10S內(nèi)沒人按下一至五號按鈕，總臺燈亮，音響工作1S。當(dāng)按下開始鍵，有人按鍵答題，對應(yīng)的分臺燈亮，超過30S沒有答對，則總臺燈亮，音響工作1S。每一次操作都必須按復(fù)位鍵才能復(fù)位，重新開始工作。5 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析5.1 系統(tǒng)仿真調(diào)試?yán)肎T組態(tài)軟件的仿真功能來進(jìn)行仿真調(diào)試以及上位機(jī)的監(jiān)控。首先打開所有的需要打開的軟件，進(jìn)入仿真調(diào)試狀態(tài)。然后進(jìn)入GT仿真的操作頁，按照需要實(shí)現(xiàn)的要求，一一進(jìn)行仿真調(diào)試。先驗(yàn)證主持人沒有按下開始，搶答報(bào)警的效果。對應(yīng)的分臺燈亮，總臺燈亮，音響工作1S。效果圖如圖14所示： 圖14 搶答違例效果圖然后驗(yàn)證主持人按下

19、開始，沒人搶答的情況。效果如圖15所示： 圖15 無人應(yīng)答效果圖 再驗(yàn)證主持人按下開始，有人答題，但答題超時的情況。效果圖如圖16所示： 圖16 答題超時效果圖5.2 結(jié)果分析最后仿真結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，完成了這次搶答器的設(shè)計(jì)。但是因?yàn)镚T組態(tài)軟件仿真，不支持七段碼譯碼指令SEGD,所以沒有辦法在仿真中調(diào)試將七段顯示器仿真出來，有點(diǎn)可惜。不過還是圓滿的完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。6 設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過一段時間的課程設(shè)計(jì)，在雷老師的帶領(lǐng)下，我們參與了設(shè)計(jì)的各個方面的討論和動手實(shí)踐，獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，也學(xué)到了很多知識。可編程控制器這門課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)踐環(huán)節(jié)至關(guān)重要。只有通過設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)際操作，才能學(xué)通學(xué)透可編程序控制器技術(shù)。在做課程設(shè)計(jì)的組態(tài)設(shè)計(jì)時，由