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论文题目 基于PLC的拔河比赛设计

学院 电子技术学院
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指导教师 王艳华

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目录

一、绪论 - 1 -
（一） 概述 - 1 -
（二） PLC的发展和应用 - 1 -
（三）西门子S7-200PLC简介 - 3 -
（四）拔河比赛的设计方案 - 3 -
二、PLC的结构及原理 - 4 -
（一） PLC的分类 - 4 -
（二） PLC的结构 - 4 -
（三）plc的工作方式 - 4 -
（四）本次设计采用的PLC器件 - 5 -
三、梯形图的设计与编程方法 - 6 -
（一）输入输出元件及控制功能 - 6 -
（二）电路设计 - 6 -
（三）控制原则 - 7 -
四、程序设计 - 8 -
五、PLC拔河比赛设计总结 - 10 -
谢 辞 - 11 -
参考文献 - 12 -

基于PLC的拔河比赛设计

摘 要
PLC可编程序控制器是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计,可编程控制器是自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为,可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一,PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。拔河比赛是一项趣味性和竞技性极强的比赛，传统的拔河比赛都是人与人之间进行的力量的较量，通过对传统拔河比赛的思考，设计一种基于PLC技术的拔河比赛，该设计采用的是德国SIEMENS公司的S7-200PLC为主控器，并且改变了以前的的比赛方式，拥有较高的娱乐和竞技意义。
关键词：拔河 比赛 PLC

一、绪论
（一） 概述
拔河比赛是人数相等的双方对拉一根粗绳以比较力量的对抗性体育娱乐活动。有人认为中国古代的"牵钩"就是早期的拔河运动，源于春秋战国时期。最初拔河主要用以训练兵卒在作战时钩拉或强拒的能力，后来被水乡渔民仿效，成为一项民间体育娱乐活动。唐宋以后，拔河渐在民间盛行。712~756年，唐玄宗时曾作过千人参加的拔河比赛活动。拔河活动不仅在民间流传，而且在皇宫中也有举行。在科技日新月异的今天，中国的传统文化和传统体育项目依然有着无限的升级和趣味，通过过对于我们传统的拔河比赛的思索，进行深层次的创新设计，设计了一套基于PLC的拔河比赛。这种设计不仅可以进一步的发扬我们的传统文化，也可以给我们的生活增添更多的乐趣，同时也能够锻炼我们的反应能力以及身体素质。
可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
（二） PLC的发展和应用
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。微了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一，使用情况大致可归纳为如下几类。
1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、 模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3 、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4 、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5 、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6 通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
（三）西门子S7-200PLC简介
西门子公司具有品种非常丰富的PLC产品。S7系列是传统意义的PLC，S7-200属于小型PLC，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，其特点如下：
1、功能强大。S7-200有5种CPU模块，最多可扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间；
2、先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件；
3、灵活方便的寻址方法；
4、强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面；
5、 有竞争力的价格；
6、完善的网上技术支持等。
（四）拔河比赛的设计方案
用七个灯排成一条直线，开始时，按下开始按钮，中间一个灯亮表示拔河绳子的中点，游戏双方各持一个按钮。游戏开始后，双方快速不断地按动按钮，每按一次按钮，亮点向本方移动一位。当亮点移动到本方的端点时，这一方获胜，并保持灯一直亮，并得1分，双方的按钮不再起作用。一轮比赛结束后，若重新按下开始按钮，亮点回到中间，即可重新开始下一局比赛；若按下复位按钮，则结束比赛，比分复位。用两个数码管显示双方得分。

图1-1
二、PLC的结构及原理
（一） PLC的分类
1、按plc的结构形式分类：1）整体式；2）模块式。
2、按plc的I/O点数分类：1）小型256点以下；2）中型256点以上，2048点以下；3）大型2048点以上。
3、按plc功能分类：抵挡型，中挡型，高档型。
（二） PLC的结构
PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
PLC的基本结构框图如下：

接口部件输出

输入接口部件
中央处理单元CPU板
接受 驱动
现场信号 受控元件

电 源 部 件

图2-1
（三）plc的工作方式
1、输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。
2、 程序执行阶段：plc对用户程序扫描。
3、输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。
（四）本次设计采用的PLC器件
对于基本单元来说，S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用。对于扩展单元来说，S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数。通过对于实际设计考虑以及对各个不同单元的性质的认识，本次设计中用到是分别是型号为226的CPU以及EM222输出扩展模块，如图2-2和图2-3所示。西门子CPU226的I/O口有24输入，16输出，根据型号的不同，有两种类型的输出方式，分别是继电器输出和24V的直流输出。由于本次的设计需要总共21个输出端口，因此需要在串接一个8输出口的EM222，同时EM222也根据选型的不同拥有两种输出方式，即继电器输出和24V的直流输出。

图2-2 图2-3

三、梯形图的设计与编程方法
（一）输入输出元件及控制功能
根据设计的控制要求，所有的器件有：西门子S7-200系列PLC,型号为226的CPU以及EM222输出扩展模块、复位按钮SB1、开始按钮SB2、甲方按钮SB3、乙方按钮SB4、甲方记分数码管、乙方计分数码管、7个灯。输入输出元件及控制功能如表3-1所示。

表3-1

PLC软元件
元件文字符号
元件名称
控制功能
输入
I0.0
SB1
按钮
模拟甲方拔河
I0.1
SB2
按钮
模拟乙方拔河
I0.2
SB3
按钮
拔河开始
输出
Q0.0-Q0.6
HL1-HL7
灯1-灯7
模拟绳子的运动
Q1.0-Q1.6

七段数码管
显示甲方得分
Q2.0-Q2.6

七段数码管
显示乙方得分
（二）电路设计
输入／输出端口接线如图3所示。由图可见：甲方按钮SB1接于输入I0.0端，乙方按钮SB2接于输入I0.1端，开始按钮SB3接于输入I0.2端，复位按钮SB4接于输入I0.3端。灯1至灯7分别接CPU226的Q0.0-Q0.6，Q1.0-Q1.6接七段数码管进行甲方得分的显示，Q2.0-Q2.6也接七段数码管，用于显示乙方得分。电路接线图如图3-1。

图3-1
（三）控制原则
首先裁判员按‘下开始按钮I0.2, Q0.0 - Q0.7全部复位后，再将Q0.3置位，中间一个灯亮表示拔河绳子的中点。  游戏开始，甲方按按钮I0.0，侮按·次，亮点向甲方右移一位，乙方按按钮I0.1. 每按一次，亮点向乙方左移  一位。双方都快速不断地按动按钮，每按一次按钮，亮点向本方移动一位。假如甲方移动快，当亮点移动到甲方的端点，Q0.0=1，Q0.0常闭接点断开，不执行移位指令，双方的按钮不再起作用。Q0.0常开接点闭合，执行加1指令，并得1分，并保持Q0.0灯一直亮，经SEG译码，数码管显示得分。 同理，假如乙方移动快，当亮点移动到乙方的端点，Q0.6=1，Q0.6常闭接点断开。不执行移位指令。.双方的按钮不再起作用，Q0.6常开接点闭合，执行加1指令，并得1分，并保持Q0.6灯一直亮，经SEG译码.数码管显示得分. 再按下开始按钮I0.2时。亮点回到中间，即可重新开始.， 比赛结束时，再按下复位按钮I0.3时，比分复位。
·

四、程序设计
PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40编程软件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。本次设计程序如下：
·

图4-1

五、PLC拔河比赛设计总结
在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。
我趁着做课程设计的同时也对课本知识有了巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
经过两个星期的设计里，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时的满富激情到后来汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

谢 辞
当我以学子的身份踏入大学校门的那天起，便已注定我将在这里度过人生中最美丽的青春年华。提笔写下“谢辞”，我才惊觉自己即将真正离开，人生亦从此展开新的画卷。尽管不舍，却更珍惜，因为我的生命中有那么多可爱的人值得感激。他们使我的大学生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我来说都是一笔宝贵的财富。
三年的大学生活不知不觉中就要结束了，在这段难忘的生活中，有我许多美好的回忆。在这份大学的最后一页里，首先感谢学院给我们提供这个能自我展示的平台，感谢我们的指导老师，你们从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。给我提供了大量数据资料和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。谢谢我们班主任和在我三年的学习中无私传授我知识的各位老师，是你们将自己宝贵的财富无私地奉献给了我们，让我们能在学业上有所成绩；是你们让我倍感教师职业的伟大，交给我们知识，又不忘教育我们如何做人！在此，我还要感谢寝室的兄弟们在我完成论文的过程中给予我的帮助和鼓励，也是他们陪我度过这三年的生活。

参考文献
[1] 廖常初主编.《PLC基础及应用》 ，北京：机械工业出版社， 2004
[2] 廖常初等.《PLC的顺序控制编程方法.工业自动化》，（香港），1997
[3] 廖常初主编.《 PLC基础及应用》.北京：机械工业出版社，2002
[4] 廖常初.《PLC梯形图的顺序控制设计法》.电工技术杂志，2001
[5] 廖常初.《电机及拖动》.高等教育出版社
[6] 耿红旗,吕冬艳.《可编程序控制器应用教程》[M].北京:中国水利水电出版社,2001,45-60
[7] 罗志海,杨润泽,尹晓春.  《基于PLC控制系统设计的工程应用》，新技术新工艺. 2011(02)

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