基于PLC控制的五人抢答器设计

引言
1.设计目的：
①设计出plc控制的五人抢答器。

②掌握plc的编程软件平台、定时器、计数器、传送指令、主子程序等有关指
令的编程方法；
③熟悉plc与上位机通讯、软件调试的方法；
④培养学生的综合设计设计能力、分析问题与解决问题的能力。

2.设计内容：设计出带显示的五人抢答器
3.要实现的目标：
①按下抢答按钮，开始抢答，需在15S内完成抢答，若没有完成抢答，
报警指示灯亮。

②若二号选手抢答成功，主持人按答题按钮，选手在30秒内答题，数码
管从30开始倒数。

③30秒倒计时结束，指示灯亮。

④主持人按下复位按钮，数码管显示00。

关键词：PLC,五人抢答器
目录
引言 0
一．PLC简介 (2)
1.1 基本结构PLC (2)
1.1.1中央处理单元(CPU) (2)
1.1.2存储器 (3)
1.1.3 输入接口电路 (4)
1.1.4 输出接口电路 (4)
1.1.5电源 (5)
1.2 PLC的工作原理 (5)
1.2.1输入刷新阶段 (5)
1.2.2程序执行阶段 (6)
1.2.3 输出刷新阶段 (6)
二．系统总体设计 (6)
2.1系统的硬件配置及原理图设计 (6)
2.2I/O口分配 (7)
2.3系统接线设计 (8)
2.4控制系统设计 (9)
2.4.1控制系统流程图设计 (9)
2.4.2控制系统梯形图 (9)
2.4.3程序指令语言 (15)
三．系统调试及分析结果 (18)
3.1系统调试及解决的问题 (18)
3.2运行结果 (19)
四．课程设计总结 (19)
五．参考文献 (20)
一．PLC简介
1.1 基本结构PLC
可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。

输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。

PLC的基本结构如下图所示：
图1.1 plc的基本结构
1.1.1中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制核心。

它按照PLC系统程序赋予的功能：a. 接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象寄存区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算并将结果送入I/O映象寄存区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

1.1.2存储器
可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。

存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。

PLC常用的存储器类型：
（1）RAM （Random Assess Memory）这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。

（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。

在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。

(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。

（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。

使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

PLC存储空间的分配：虽然各种 PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC 的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
（1）系统程序存储区
（2）系统RAM存储区（包括I/O映象寄存区和系统软设备等）。

（3）用户程序存储区
系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。

包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。

由制造厂商将其固化在 EPROM中，用户不能直接存取。

它和硬件一起决定了该PLC的性能。

系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象寄存区以及各类软元件，如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。

（1）I/O映象寄存区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。

因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象寄存区。

一个开关量I/O占用存储单元中的一个位，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字。

因此整个I/O映象寄存区可看作两个部分组成：开关量I/O映象寄存区；模拟量I/O映象寄存区。

（2）系统软元件存储区：除了I/O映象寄存区区以外，系统RAM存储区还包括PLC 内部各类软元件（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。

该存储区又分为具有失电保持的存储区域和失电不保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者当PLC断电时，数据被清零。

（3）用户程序存储区：用户程序存储区存放用户编制的用户程序。

不同类型的PLC，其存储容量各不相同。

1.1.3 输入接口电路
输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电路。

可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。

这也是其I/O设计的优点之处，经过了电气隔离后，信号才送入CPU执行的,防止现场的强电干扰进入。

如下图就是采用光电耦合器(一般采用反光二极管和光电三极管组成)的开关量输入接口电路：
图1.1.3接口电路
1.1.4 输出接口电路
可编程序控制器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出(SSR)
三种输出形式。

(1)输出接口电路的隔离方式
(2)输出接口电路的主要技术参数
a.响应时间响应时间是指PLC从ON状态转变成OFF状态或从OFF状态转变成ON状态所需要的时间。

继电器输出型响应时间平均约为10ms；晶闸管输出型响应时间为1ms以下；晶体管输出型在0.2ms以下为最快。

b.输出电流继电器输出型具有较大的输出电流，AC250V以下的电路电压可驱动纯电阻负载2A/1点、感性负载80VA以下（AC100V或AC200V）及灯负载100W以下（AC100V 或
200V）的负载；Y0、Y1以外每输出1点的输出电流是0.5A，但是由于温度上升的原因，每输出4合计为0.8A的电流，输出晶体管的ON电压约为1.5V，因此驱动半导体元件时，请注意元件的输入电压特性。

Y0、Y1每输出1点的输出电流是0.3A，但是对Y0、Y1使用定位指令时需要高速响应，因此使用10—100mA的输出电流；晶闸管输出电流也比较小，FX1S 无晶闸管输出型。

c.开路漏电流开路漏电流是指输出处于OFF状态时，输出回路中的电流。

继电器输出型输出接点OFF是无漏电流；晶体管输出型漏电流在0.1mA以下；晶闸管较大漏电流，主要由内部RC电路引起，需在设计系统时注意。

输出公共端（COM）公共端与输出各组之间形成回路，从而驱动负载。

FX1S有1点或4点一个公共端输出型，因此各公共端单元可以驱动不同电源电压系统的负载。

1.1.5电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。

如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

1.2 PLC的工作原理
由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。

PLC则是采用循环扫描的工作方式。

对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。

扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。

一个扫描周期主要可分为3个阶段。

1.2.1输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。

完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。

在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。

1.2.2程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。

当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。

1.2.3 输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。

二．系统总体设计
2.1系统的硬件配置及原理图设计
图2.1系统设计及原理图
2.2I/O口分配
用plc设计抢答器控制程序，现在有无路输入开光X1,X2,X3,X4,X5实现优先抢答，任一组抢答器按下按键后，显示器能及时显示该组的编号（由于输出口个数的限制，本实验用五个指示灯代替），同时锁住该抢答器使其它组按键使其无效，主持人有抢答器复位开关，复位后可重新抢答。

并且每次抢答和答题时都用数码管显示其抢答和答题时间。

抢答时间为15秒，答题时间为30秒，时间一到报警指示灯亮，进行报警。

输入口：
X0开始抢答按钮；X1第一位选手抢答按钮；
X2第二位选手抢答按钮；X3第三位选手抢答按钮；
X4第四位选手抢答按钮；X5第五位选手抢答按钮；
X6主持人复位按钮；X7开始答题按钮。

输出口：
Y0第一组抢答指示灯；Y1第二组抢答指示灯；
Y2第三组抢答指示灯；Y3第四组抢答指示灯；
Y4第五组抢答指示灯；Y5电源指示灯；
Y6报警指示灯；Y10 –Y19个位数字；
Y20 –Y23十位数字。

图2.3系统接线图
2.4.1控制系统流程图设计
图2.4.1系统流程图2.4.2控制系统梯形图
2.4.2程序梯形图
2.4.3程序指令语言
三．系统调试及分析结果
3.1系统调试及解决的问题
按2.3中的系统接线图进行接线，先将电源的正极相连接，将电源负极与plc的输出端相连接，八段数码管的输出端a,b,c,d,e,f,g,h,接试验台的输出端Y0,Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6.最后将所有的com端子接在一起，与电源的正极相连接，构成外围电路。

数码管接线如下：
3.1数码管引脚定义
当打开电源之后数码管不亮，但按下开始抢答按钮后，plc的输出端显示正常，当抢答时间到时，报警灯不亮，但主持人按下复位按钮或开始答题按钮后，指示灯本应熄灭但还是亮着，对此我们做如下处理：
a 电源开启后数码管不亮，经检查发现com端接反了，将com端接好数码管亮。

b 为了解决报警器指示灯在主持人按下开始答题按钮后还亮着的问题，我们将T14 T44 Y6并了之后，将其在介入复位开关X6的的前面，使得复位开关按下后，将指示灯Y6熄灭。

c 在程序中有一些功能指令难以输入，为此在输入中还输错了一条mov指令，经仔细查找终于修复程序。

d 试验台台上的X0是开关而不是按钮，因此需要手动给他断电，使系统正常工作。

3.2运行结果
主持人按下抢答按钮X0后，数码管倒计时从15秒内开始倒计时，在十五秒之内，无名选手没有抢答者，主持人按复位按钮X6，数码管显示00.
主持人再次按下抢答按钮X0后，倒计时开始计时，选手二号X2抢答成功，报警灯亮，其他选手按下按钮不起作用，主持人按下答题按钮X7后，数码管从30开始倒计时，给选手30秒的答题时间，完后后报警灯亮，主持人再次按下复位按钮X6后开始下轮的抢答！
四．课程设计总结
通过两周的课程设计，使我对plc有了更深入的了解，从刚开始的任务下达到梯形图设计，我们一起讨论，一起思考，并且查阅了大量的资料，参考了有关文献。

本次课程设计主要阐述了带显示的五路抢答器的plc控制系统的设计过程。

其中对于数码管的显示方面我们遇到了些困难，但最终通过和其他组同学的讨论，我们的不懈努力克服了这一难点。

虽然在设计梯形图的这一过程中困难重重，然而我们的组成员的想法都不一样，经过一番讨论，我们达成一致，确立了简洁可行的方案。

当我们在实验室里运行成功的时候，每个人都非常激动，使我认识到理论与实践相结合的重要性，和团队团结一致，和谐相处的人
际关系的重要性，在此感谢老师的指导，感谢学校为我们提供了这次宝贵的实践机会，让我对plc的实践能力又有了一个新的提升。

五．参考文献
[1] 张凤珊．电气控制及可编程序控制器．2版 [M]．北京: 中国轻工业出版社，2003．
[2] 马志溪．电气工程设计 [M]．北京: 机械工业出版社，2002．
[3] 刘增良，刘国亭．电气工程CAD [M]．北京: 中国水利水电出版社，2002．
[4] 齐占庆，王振臣．电气控制技术 [M]．北京: 机械工业出版社，2002．
[5] 孙振强．可编程控制器原理及应用教程[M]．北京: 清华大学出版社，2008
20。