智能抢答器PLC课程设计-.doc

皖西学院2013届本科课程设计报告
目录
第一章 概述 1

1.1 智能抢答器的简要介绍 1

1.2 抢答器的控制要求 1

1.3 抢答器的控制特点分析 2

第二章 硬件电路设计 2

2.1 PLC机型的选择步骤与原则 2

2.2 LED显示器的设计 4

2.3 PLC与七段数码管直接连接阻值计算 4

2.4 IO分配表 5

第三章 程序设计 5

3.1 梯形图设计 5

3.2 程序运行过程分析说明 8

第四章 组态简介 9

4.1组态王的简单介绍 9

4.2关于组态的设计 10

4.3组态王的运行结果............................................................................................................................12

总结..............................................................................................................................................................13

文献参考..................................................................................................................................14

皖西学院2013届本科课程设计报告
第一章 概述
1.1 智能抢答器的简要介绍
抢答器是为智力竞赛参赛者答题时进行抢答而设计的一种优先判决器电路，广泛应用于各种知识竞赛、文娱活动等场合。在各类竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一名选手先答题，必须要有一个系统来完成这个任务。如果在抢答过程中，只靠人的视觉是很难判断出哪组先答题。利用PLC来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使有两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题；而且其控制方便、灵活，只要改变输入PLC的控制程序，便可以改变竞赛抢答器的抢答的方案。
1.2 抢答器的控制要求
（1）竞赛抢答器能使4个队同时参加竞赛抢答。
（2）设裁判队为裁判台，参赛队为参赛台。裁判台设有音响和裁判灯，并设有开始按钮SB0和复位按钮SB5；参赛台设有按钮。1-4号参赛台分别对应按钮SB1-SB4。
（3）智能抢答器能适合以下比赛规则：出题后，各队抢答必须在裁判说出“开始”并按下开始按钮SB0后30s内抢答，并由数码管显示时间。如提前抢答，抢答器将发出“违规”信号。30s时间到，如无队抢答，则抢答器给出时间已到信号，该题作废。在有队抢答的情况下，抢答器发出“抢答”信号，数码管开始计时显示，并由数码管显示出抢到题的参赛队号。抢到题的队必须在30s内答完题，如30s内还没答完，则作超时处理。赛场还设有时间数码显示器和显示抢到答题队号的数码显示器。
（4）在某个题目结束后，裁判员按下裁判台上的复位按钮SB5，抢答器恢复原来的状态，为下一轮抢答做好准备。
表1-1各硬件与座位的对应关系
座位
裁判台
参赛台1
参赛台2
参赛台3
参赛台4
按钮
SB0
SB5
SB1
SB2
SB3
SB4
指示灯
BL0
BL1
BL2
BL3
BL4
显示器
两个
无
无
无
无

1

初始状态
按下SB0
按下SB5复位
继续下一题
图1-1 结构流程图

开始抢答
违规抢答
状态：开始信号发出前抢答，数码管显示参赛队员号码
正常抢答
状态：开始信号发出30内，开始抢答，并显示抢到的参赛队员号码
无人应答
状态：开始信号发出30s内，音响叫+裁判台灯亮。

结束

1.3 抢答器的控制特点分析
智能抢答器通过PLC进行控制，按要求进行编程；其主要输入就是通过裁判员和参赛选手的按钮，然后将信号传递给信息分析中心PLC，PLC将根据信号做出相应的回应。复位

复位

第二章 硬件电路设计

2.1 PLC机型的选择步骤与原则
随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，
3

合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：
⑴ 合理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。
⑵ 安装方式的选择
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。
集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I/O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。
⑶ 相应的功能要求
一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。
对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A/D和D/A转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。
对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
⑷ 响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I/O处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
⑸ 系统可靠性的要求
对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。
⑹ 机型尽量统一
一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑到以下三方面问题：
①机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。
②机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。
③机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。
综上所述，基于以上思想，选用三菱FX2的PLC作为控制主机。
2.2 LED显示器的设计
由控制要求可知，七段数码管是由七段发光二极管（LED）组合起来显示数字0—9的，如图2-1所示，要显示数字0—9中的不同数字，就必须根据需要点亮七段数码管中不同段的LED发光。

图2-1 常见LED数码管的外形及内部结构
2.3 PLC与七段数码管直接连接阻值计算
根据LED数码管每笔画工作电流I在5～10 mA 之间，若电流过大会损坏数码管，因此必须加限流电阻，其电阻可按下式计算
R=（V0-V1）/I
其中V0为加在LED两端上的电压，V1为LED数码管每笔划压降（约为2V）。
本次设计PLC电源采用的是直流24V，PLC的输出电压为5V，通过数码管的电流I=3mA计算可得R=1KΩ。本次设计共用到了三个数码管，所以须要21个1KΩ的R，以及5个EL灯和一个音响。
2.4 IO分配表
表2-1 智能抢答器输入输出口分配表
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点标号
名称
代号
输出点标号
裁判台开始按钮
SB0
X0
裁判台灯
EL0
Y0
1号赛台抢答器按钮
SB1
X1
1号参赛台灯
EL1
Y1
2号赛台抢答器按钮
SB2
X2
2号参赛台灯
EL2
Y2
3号赛台抢答器按钮
SB3
X3
3号参赛台灯
EL3
Y3
4号赛台抢答器按钮
SB4
X4
4号参赛台灯
EL4
Y4
裁判台复位按钮
SB5
X5

Y5

显示器1
LE1
Y0-Y6

为了硬件电路接线方便和程序清晰易读，用SB0作为开始按钮，四个参赛队分别用与之对应号SB1、SB2、SB3、SB4、设置按钮。SB5为比赛复位按钮，使下轮比赛开始。输出与输入对应，用YO输出信号驱动比赛开始信号灯EL0，同理用Y1、Y2、Y3、Y4、输出信号驱动对应的信号灯EL1、EL2、EL3、EL4。Y5输出信号驱动音响。Y0-Y6输出信号驱动数码管1显示各个参赛队的队号。

第三章 程序设计
3.1 梯形图设计

图3-1 智能抢答器梯形图程序（1）

图3-1 智能抢答器梯形图程序（2）

3.2 程序运行过程分析说明
⑴ 当裁判台按下开始按钮时，就将信号传入PLC中，同时四个参赛队处于抢答状态。然后根据哪个队最先抢到题目，然后在规定的答题时间内作答，或者答题超时。（由规定显示电路作出反应。）例如，1号参赛队抢到题目，同时抢答继电器M1 通电并自锁，抢答继电器M1与其它参赛台按钮输入触点相串联的常闭触点断开，使得在有抢答按钮按下的情况下，其它按钮均无效。抢答继电器M1闭合，答题限时继电器M2 闭合并自锁，使得答题限时计时器T 1开始计时。
①若1号参赛台答题超时，抢答继电器M1通电闭合，答题限时计时器T1计时到，其常开触点闭合。在答题超时的情况下，M1的常开触点与T1的常开触点串联驱动裁判台的灯和音响。
②若1号参赛台违规抢答，抢答允许继电器M0未闭合，裁判员未按下开始按钮SB0(X0 未闭合)，而抢答继电器M1闭合。在违规抢答的情况下，M0和M1是“与”的关系，即M0的常闭触点与M1的常开触点串联驱动裁判台灯和音响。
③无参赛队抢答，抢答继电器M1未通电闭合(无人抢答)，抢答限时计时器T0计时到，常开触点闭合。当无人抢答时，M1的常闭触点与T0的常开触点串联驱动裁判台灯。
综上所述，当1号参赛队违规抢答、无人抢答、答题超时驱动裁判台灯及正常抢答时答题驱动音响的梯形图。
⑵ 抢答参赛队号显示，选用输出继电器Y0～Y6驱动数码管1的七段发光管，即当有人抢答时即可显示抢到题的队号。
① 当1 号参赛台抢到题，则1号参赛台灯驱动输出继电器Y1闭合，Y1 的常开触点闭合，驱动Y001 和Y002，数码管1 即显示“1”的字符。
② 当2号参赛台抢到题，则2号参赛台灯驱动输出继电器Y2闭合，驱动Y000、Y001、Y003、Y004和Y006，数码管1 即显示“2”的字符。
③ 当3号参赛台抢到题，则3号参赛台灯驱动输出继电器Y3闭合，驱动Y000、Y001、Y002、Y003、和Y006，数码管1 即显示“3”的字符。
④ 当4号参赛台抢到题，则4号参赛台灯驱动输出继电器Y4闭合，驱动Y001 、Y002、Y005和Y006，数码管1 即显示“4”的字符。
(3) 计时显示程序。观察梯形图上的T0时间继电器时间变化即可。

9

在抢答允许继电器M0闭合后，若在30S内有人抢答，由M0常开触点和M1常开触点组成的抢答计时显示触点闭合，使得M5闭合一个扫描周期。同理，若有人抢答但答题超时，则由M0常开触点和T0的常开触点组成的答题超时触点组闭合，按下复位按钮SB5，X5闭合，各输出继电器辅助继电器全部释放，为下一次抢答作准备。

第四章 组态简介

4.1 组态王的简单介绍
 “组态”的概念是伴随着集散型控制系统（DCS）出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊且重要的地位。
组态软件，又称组态监控软件系统软件。译自英文SCADA,即Supervisory Control and Data Acquisition(数据采集与监视控制)。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTU System,Remote Terminal Unit)。
本作品选用的组态软件为组态王软件，组态王软件经过七年开发，五年的各种突发环境的真实考验，九千例工程（钢铁，化工，电力，国属粮库，邮电通讯，环保，水处理，冶金等各行业）的现场运行（包括"中华世纪坛"国家标志性工程），现已成为国内组态软件的客户首选，并且作为首家国内组态软件应用于国防，航空航天等重大领。
  组态王的特点：
 （1）工程管理
 （2）画面制作系统
 （3）报警和事件系统
 （4）报表系统
 （5）控件

11

 （6）OPCopc 
（7）通讯系统
 （8）安全系统
 （9）网络功能
 （10）冗余系统
4.2 关于组态的设计 
1.设备的选择
本设计所使用的组态软件为组态王
首先先新建一个设备，需要设置的参数有：
（1） 厂家设备名称通讯方式分别为PLC,三菱FX2，编程口。
（2）逻辑名称选用默认的“新IO设备”。
（3） 选择串口COM1。
（4）设备地址设置指南“0”。

图a.设备配置

11

图b. 数据词典

图c.抢答器组态画面

图d.指示灯向导

13

4.3组态王的运行结果 
实验步骤一： 
点击主持人按钮，相应的指示灯变为红色，选手可以开始抢答。若1组选手最先点击按钮，相应的指示灯变红色。若其他组的选手点击对应的按钮，其相应的指示灯不变色，表示没有抢到。主持人再次按下其相应按钮所有状态撤销。 
实验步骤二： 
点击主持人按钮，相应的指示灯变为红色，选手可以开始抢答。若第2组选手最先点击按钮，相应的指示灯变红色。若其他组的选手点击对应的按钮，其相应的指示灯不变色，表示没有抢到。主持人再次按下其相应按钮所有状态撤销。 
实验步骤三： 
点击主持人按钮，相应的指示灯变为红色，选手可以开始抢答。若4组选手最先点击按钮，相应的指示灯变红色。若其他组的选手点击对应的按钮，其相应的指示灯不变色，表示没有抢到。主持人再次按下其相应按钮所有状态撤销。 
实验步骤四： 
主持人按钮，相应的指示灯变为红色，选手可以开始抢答。过30秒无选手按下抢答器按钮，4盏选手指示灯均未变色，主持人指示灯不再显示为红色，表示无人抢答。主持人再次点击其按钮，所有状态撤销。 

总 结
本次的抢答器的设计将我们学到的知识应用到了实践，深化了对可编程控制梯形图设计的认识，组态王的认识以及上器位机和下位机连接技巧，使我们在设计的实践中获得新知。该项目主要以三菱FX2 PLC为核心器件，通过计算机按项目要求，用梯形图编程并输入PLC，按预定的输入输出接点接入了所需的按钮及指示灯，由于后期需要用组态王模拟，PLC中加入了通信格式及移位指令，组态王通过设备的选择、数据词典、组态画面及其连接设置，经过几次对照实验所设计的抢答器能可靠实现项目要求。
我们这次的毕业设计，基本上完成了抢答器的设计要求，原本想拓展其功能，通过程序的设定显示选手的组号，但由于时间太匆忙，没来得及做，只是将设计要求完成。此外我还遇到了许多知识上的不理解，有的是自己看书，有的是问周围的老师和同学，最后还是把不懂的地方学会学懂了，知识结构框架更加立体了，感觉非常充实。

参考文献
[1] 常斗南.可编程控制器原理[M].机械工业出版社，2003.
[2] 陆运华，胡翠华.图解PLC控制系统梯形图及指令表[M].中国电力出版社，2007.
[3] 刘玉娟.PLC编程技能训练[M].高等教育出版社，2005.
[4] 李国厚.PLC原理与应用[M].清华大学出版社，2005.
[5] 王兆义.小型可编程控制器实用技术[M].机械工业出版社，2001.
[6] 孙政顺，曹京生.PLC技术[M].高等教育出版社，2005.
[7] 郑凤翼，郑丹丹，赵春江.图解PLC控制系统梯形图和语句表[M].人民邮政出版社，2006.
[8] 何衍庆.常用PLC应用手册[M].电子工业出版社，2008.
[9] 张永飞.可编程控制器应用技术[M].中国电力出版社，2004.

指导教师意见及成绩评定
对学生设计过程、设计质量的评分依据
总评成绩

指导教师（签名）：
年 月 日
教研室及系审定意见

教研室主任（签名）：
年 月 日
（系公章）

17