抢答器PLC控制系统设计-河南工业大学.doc

抢答器PLC控制系统设计-河南工业大学

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2

个人收集整理 勿做商业用途

课程设计说明书

设计题目: 抢答器PLC控制系统设计

院系名称：机电工程学院 专业班级： 机制F09xx
学生姓名： xxx 学 号： 20094805xxxx
指导教师： xxx

2012 年 12 月 10 日

27

目 录

第1章 引言 1
1．1 PLC的由来及发展史 1
1.2 PLC的主要特点、主要功能及应用范围 3
1。2。1 PLC的主要特点 3
1。2.2 PLC的主要功能 3
1.2.3 PLC的应用范围 4
第2章 系统要求的分析与设计 5
2。1 控制要求分析，设计主电路 5
2。1。1 PLC抢答器的控制要求 5
2。2 系统设计思想设计 5
2.2。1 系统设计思想 5
第3章 PLC控制系统设计 6
3。1 I/O分配设计及硬件选择 6
3.1.1 I/O分配设计 6
3.1。2 硬件选择 7
3。2 确定I/O信号数量，选择PLC类型 7
3。2。1 系统I/O数量分析 7
3.2。2 S7-200系列PLC的CPU的技术指标 7
3。2.3 S7—200系列PLC的CPU型号的选择 7
3。3 I/O接线图 8
3。4 程序流程图 9
3。5 控制程序编制与调试 10
3。5.1 控制程序编制 10
3。5。2 程序调试 21
设计总结 25
谢 辞 26
参考文献 27

第1章 引言
1．1 PLC的由来及发展史
PLC早期主要应用于工业控制,但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大 。 可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司(DEC )为美国通用公司（GM)研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展,PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备.
虽然PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC 也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：
1． 早期的PLC(60 年代末—70 年代中期）
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC 多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等.它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O 接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施,以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此，早期的PLC 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装,体积小,能耗低，有故障指使,能重复使用等。其中PLC 特有的编程语言-梯形图一直沿用至今.
2． 中期的PLC（70 年代中期—80 年代中后期）
在70 年代微处理器的出现使PLC 发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC 的中央处理单元（CPU).
这样，使PLC 得功能大大增强.在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC 得应用范围得以扩大。
3．近期的PLC（80 年代中后期至今）
进入80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌,使得各种类型的PLC 所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片.这样使得PLC 软、硬件功能发生了巨大变化。
1。2 PLC的主要特点、主要功能及应用范围
1.2.1 PLC的主要特点
1．高可靠性
⑴所有的I/O 接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC 内部电路之间电气上隔离。
⑵ 各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰。
⑶良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CPU立即采用有效措施以防止故障扩大.
2．丰富的I/O 接口模块
PLC针对不同的工业现场信号如交流或直流、开关量或模拟量等有相应的I/O 模块与工业现场的器件或设备如按钮、行程开关等。
另外为了提高操作性能,它还有多种人-机对话的接口模块； 为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等。
3．采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC 以外，绝大多数PLC 均采用模块化结构，PLC 的各个部件包括CPU 电源I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4． 编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5． 安装简单维修方便
PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC 相应的I/O 端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。
1.2.2 PLC的主要功能
1。 顺序逻辑控制
这是PLC最基本最广泛的应用领域，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制.它既可以用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制.
2。 运动控制
在机械加工行业,可编程控制器与计算机数控(CNC）集成在一起,用以完成机床的运动控制。很多PLC机制造厂家已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模板。
3. 定时控制
PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令，一般每个定时器可实现0.1—999。9S或0。01-99.99S的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。定时精度高，定时设定方便，灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲,用于准确的实时控制。
4。 计数控制
PLC为用户提供的计数器分为普通计数器、可逆计数器、高数计数器等，用来完成不同用途的计数控制.当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时，发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出,也可在运行中进行修改。
5. 步进控制
PLC为用户提供了一定数量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步进控制功能。在一道工序完成之后，自动进行下一道工序。一个工作周期结束后，自动进行下一个工作周期。有些PLC还专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。
6. 数据处理
大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能,可以完成数据运算如:加、减、乘、除、乘方、开方等，逻辑运算如：字与、字或、字异或、求反等，移位、数据比较和传送及数值的转换等操作.
7. 模/数和数/模转换
在过程控制或闭环控制系统中，存在温度、压力、流量速度、位移、电流、电压等连续变化的物理量.过去，由于PLC机主要用于逻辑运算控制对于这些模拟量的控制主要靠仪表控制或分布控制系统DCS。目前，不但大、中型机PLC都具有模拟量处理功能，甚至很多小型PLC也具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。
8。 通信及连网
目前绝大多数PLC都具有通信功能,能够在PLC机与计算机之间进行同位链接及上位链接。通过这些通信技术，使PLC更容易构成工厂自动化系统。也可以与打印机、监视器等外部设备相连，记录和监视有关数据。
1。2.3 PLC的应用范围
开关量逻辑控制是PLC应用最广泛的也是最基本的领域是开关量逻辑控制方面，利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。在其他方面例如：运动控制、过程控制、数据处理、通信联网等方面也有很重要的应用。

第2章 系统要求的分析与设计
2.1 控制要求分析，设计主电路
2。1。1 PLC抢答器的控制要求
1.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛,分别用8个按钮S0—S7表示.
2。设置一个系统抢答和清除控制开关S、S8，该开关由主持人控制。
3。抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，勇士扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存,优先抢答选手的编号一直保存到主持人将系统清楚为止。
4。抢答器具有定时抢答功能,且一次抢答的时间由支持人设定（如30秒）.当主持人启动“开始”按钮后，定时器惊醒减计时，同时扬声器发出短暂的声响,声响持续的时间0.5秒左右。
5.参赛选手在设定时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢搭的时间，并保持到主持人将系统清楚为止.
6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效,系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
2。2 系统设计思想设计
2。2。1 系统设计思想
在主持人按动“开始"按钮后,计时器开始计时，同时扬声器蜂鸣0。5秒，此时各参赛选手开始抢答。各选手之间实行互锁，在一名选手抢先按下抢答按钮时,其他的选手再按抢答按钮则无效。在选手按下抢搭按钮后,扬声器蜂鸣0.5秒,在LED显示器上显示抢答选手的编号和抢答时间，一直保存到主持人清除位置，此时可以由选手来回答抢答的问题.在回答环节进行过后，由主持人对此次的抢答显示进行清除，进而进行下一轮的抢答。

第3章 PLC控制系统设计
3。1 I/O分配设计及硬件选择
3。1。1 I/O分配设计
在了解了系统工艺要求和控制要求后，接着要做的就是将I/O通道分配给PLC的指定I/O端子,具体如表3-1所示。
表3—1 I/O点的分配与编号
控制信号
信号名称

元件名称
元件符号
地址编号
输入信号
主持人开始开关
常开按钮
S
I0.0
1号选手按纽
常开按钮
S0
I0。1
2号选手按纽
常开按钮
S1
I0.2
3号选手按纽
常开按钮
S2
I0。3
4号选手按纽
常开按钮
S3
I0.4
5号选手按纽
常开按钮
S4
I0。5
6号选手按纽
常开按钮
S5
I0。6
7号选手按纽
常开按钮
S6
I0.7
8号选手按钮
常开按钮
S7
I1.0
主持人复位开关
常开按钮
S8
I1.1
输出信号
扬声器
接触器
KM1
Q0。0
数码显示0 LED管的a端
LED显示管端子
—-
Q0.1
数码显示0 LED管的b端
--
Q0。2
数码显示0 LED管的c端
——
Q0.3
数码显示0 LED管的d端
-—
Q0.4
数码显示0 LED管的e端
—-
Q0。5
数码显示0 LED管的f端
-—
Q0.6
数码显示0 LED管的g端
—-
Q0.7
数码显示1 LED管的a端
LED显示管端子
-—
Q1.0
数码显示1 LED管的b端
——
Q1。1
数码显示1 LED管的c端
——
Q1。2
数码显示1 LED管的d端
—-
Q1。3
数码显示1 LED管的e端
——
Q1.4
数码显示1 LED管的f端
—-
Q1。5
数码显示2 LED管的g端
--
Q1。6
数码显示2 LED管的a端
LED显示管端子
—-
Q2.0
数码显示2 LED管的b端
——
Q2.1
数码显示2 LED管的c端
——
Q2。2
控制信号
信号名称
元件名称
元件符号
地址编号
输出信号
数码显示2 LED管的d端
LED显示管端子
——
Q2.3
数码显示2 LED管的e端
-—
Q2.4
数码显示2 LED管的f端
—-
Q2.5
数码显示2 LED管的g端
--
Q2.6

3.1。2 硬件选择
根据对系统装置的分析,选用以下硬件如表3—2所示
表3—2 硬件选择表
名称
型号
数量
PLC主机单元
S7-200（226)
1台
控制按钮S、S0-S7、S8
配套
10个
扬声器
配套
1个
LED显示器
配套
3个

3。2 确定I/O信号数量，选择PLC类型
3.2。1 系统I/O数量分析
经分析控制系统有主持人控制开始按钮S、复位按钮S8和参赛选手S0—S7 10个输入,输出有扬声器1个和21个LED显示管端子22个输出，可以确定为10DI/22DO信号量。
3.2.2 S7—200系列PLC的CPU的技术指标
表3-3 S7-200系列PLC的CPU的技术指标
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
数字输入量（DI）
6
8
14
24
数字输出量(DO)
4
6
10
16

3.2。3 S7—200系列PLC的CPU型号的选择
根据该系统的信号输出量和输出量的数量,配合S7-200的CPU的数字量I/O数量，考虑选用CPU226型号，并且选用EM222(8点输出）作为扩展模块。
3。3 I/O接线图
抢答器I/O接线图如图3-1所示

图3-1 I/O接线图
3。4 程序流程图

图3—2 程序流程图

3。5 控制程序编制与调试
3。5.1 控制程序编制
1。硬件调试：接通电源,检查可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。
软件调试:按要求输入梯形图，转换成指令表,并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM中，进行下一步的调试.
运行调试：在硬件调试和软件调试正确的基础上，打开可编程控制器的“RUN”开关进行调试；观察运行的情况，看按下题中所说按钮时是否按要求工作。
根据以上的调试情况,本次的自动显示的PLC控制系统设计符合要求。

2。 程序设计及工作过程分析
本次抢答器的设计由于是供8个代表队参赛使用，所以用了八个按钮，分别由S0-S7来表示，主持人开关由开始开关S、复位开关S8来表示,由于此抢答器具有锁存与显示功能，所以梯形图设计中需要用互锁来实现。
当主持人按下开关I0。0时，定时器工作，扬声器发出响声，持续时间0。5秒。此时八位选手开始抢答，在规定时间内抢答有效，如果定时器时间到了以后，仍无人抢答，则扬声器发出持续蜂鸣警报，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答。
3. 梯形图程序如图3—3所示

接网络17

图3-2 程序梯形图

3。 指令语句表程序
使用简易编程器输入程序，将上述梯形图转化成指令语句表的形式,如下所示.
Network 1 // Network Title
// 主持人按下开始按钮（I0.0）
LD I0。0
EU
O M0。0
AN M1.1
= M0.0
Network 2
// 主持人清楚上一轮抢答信息（I1.1）
LD I1.1
EU
A M0.0
= M1。1
Network 3
// 定时器开始计时 通电延时定时器（30s)
LD M0.0
AN M0.1
AN M0。2
AN M0.3
AN M0.4
AN M0.5
AN M0.6
AN M0.7
AN M1。0
TON T37， +300
Network 4
// 选手1抢答控制
LD I0.1
O M0。1
AN M0.2
AN M0。3
AN M0。4
AN M0.5
AN M0.6
AN M0.7
AN M1.0
AN T37
A M00
= M0。1
SEG 1, QB0
Network 5
// 选手2抢答控制
LD I0。2
O M0。2
AN M0.1
AN M0。3
AN M0.4
AN M0.5
AN M0。6
AN M0。7
AN M1。0
AN T37
A M0.0
= M0.2
SEG 2， QB0
Network 6
// 选手3抢答控制
LD I0.3
O M0。3
AN M0。1
AN M0.2
AN M0。4
AN M0。5
AN M0.6
AN M0.7
AN M1.0
AN T37
A M0。0
= M0.3
SEG 3, QB0
Network 7
// 选手4抢答控制
LD I0。4
O M0.4
AN M0。1
AN M0.2
AN M0.3
AN M0.5
AN M0.6
AN M0。7
AN M1.0
AN T37
A M0.0
= M0.4
SEG 4， QB0
Network 8
// 选手5抢答控制
LD I0。5
O M0.5
AN M0。1
AN M0。2
AN M0.3
AN M0.4
AN M0。6
AN M0.7
AN M1。0
AN T37
A M0。0
= M0。5
SEG 5， QB0
Network 9
// 选手6抢答控制
LD I0.6
O M0.6
AN M0.1
AN M0。2
AN M0.3
AN M0.4
AN M0.5
AN M0.7
AN M1.0
AN T37
A M0.0
= M0。6
SEG 6， QB0
Network 10
// 选手7抢答控制
LD I0。7
O M0.7
AN M0.1
AN M0.2
AN M0。3
AN M0。4
AN M0.5
AN M0.6
AN M1。0
AN T37
A M0。0
= M0.7
SEG 7， QB0
Network 11
// 选手8抢答控制
LD I1。0
O M1。0
AN M0。1
AN M0。2
AN M0.3
AN M0.4
AN M0。5
AN M0.6
AN M0。7
AN T37
A M0。0
= M1。0
SEG 8, QB0
Network 12
// 主持人按下开始按钮SB0（M0。0）及选手抢答成功时扬声器蜂鸣
LD M0.0
O M0.1
O M0。2
O M0。3
O M0.4
O M0.5
O M0.6
O M0.7
O M1。0
EU
S Q0.0， 1
Network 13
// 扬声器蜂鸣定时控制扬声器蜂鸣时间（0.5s）
LD Q0。0
TON T38, +5
Network 14
// 扬声器停止蜂鸣
LD T38
R Q0。0, 1
Network 15
// 在抢答时间内没有选手抢答扬声器蜂鸣
LDN M0。1
AN M0.2
AN M0。3
AN M0.4
AN M0.5
AN M0.6
AN M0.7
AN M1.0
A T37
A M0。0
= Q0.0
Network 16
// 主持人按下开关显示器显示30
LD M0。0
MOVW 30, VW200
Network 17
// 主持人按下开关定时器倒计时开始并显示
LD M0.0
AN M0。1
AN M0.2
AN M0。3
AN M0。4
AN M0.5
AN M0。6
AN M0。7
AN M1.0
AN T37
A SM0。5
EU
—I VW200,1
Network 18
// 选手抢答成功显示并锁定抢答时间
LD SM0。0
MOVW 30， VW202
AENO
DIV VD200，10
AENO
SEG VB201， QB1
SEG VB203, QB2

3。5。2 程序调试
1.为了模拟抢答的操作过程，利用手动模拟出各种输入信号，用输出灯的亮灭表示系统在运行程序后的输出(选手抢答扬声器接触器线圈的得失电情况和数码显示LED管的各端子等），以便观察仿真器运行程序得到的输出与实际想要得到的结果的匹配程度，进而对程序进行修改与完善。具体作法如下：
1）主持人开始按钮的调试
设PLC进入运行方式后，经过3s的准备时间,按下开关S（I0），即输入信号I0。0，模拟支持人按下“开始”按钮。
Q0。0响起起,待0。5秒后熄灭.
2）对抢答选手抢答开关的调试：
在模拟支持人按下“开始”按钮后，任意按下8个开关SB1—SB8(I1—I8）中得任意一个，模拟选手的抢答，抢答成功显示选手编号与时间。
3）如果在计时器停止计时,仍无选手抢答开关按下，则Q0.0会持续响着。
2。若在系统在调试得过程中,出现与上述结论不一致的结果，要根据出现的情况针对性的对程序进行分析，修改、完善程序至输出结果与上述的结论一致为止,反复运行程序若干次，保证程序能够成功运行。

1。调试运行没有操作时
2.主持人按下开关时
3.选手1抢答成功

4。选手1抢答成功之后其他选手都不可以抢答实现了锁定

5。显示选手编号和抢答时间

6。 30s后无人抢答扬声器蜂鸣抢答结束选手再按按钮无作用

7.主持人按下开关复位

设计总结
通过本次课程设计使我比较系统地掌握有关PLC控制系统的设计思想和设计方法，主要对PLC（西门子S7—200）的结构、功能、内部资源等了解并对其进行测试和加以应用的知识得到学习.经过多次的反复实验与分析,可以对电路的原理及功能更加熟悉，同时提高了设计能力与及对电路的分析能力。同时在软件的编程方面得到更到的提高,对编程能力得到加强.同时对所学的知识得到很大的提高与巩固.
我在这次课程设计中，刚开始我没有完全明白设计要求走了不少错路耽误了不少时间，在老师的指导下我才慢慢的弄明白。经过这次设计我学会了怎么去发现问题,解决问题。遇到不明白的问题都会去找寻相关的资料或者的去询问老师.从中学到了很多知识。
这次课程设计我们把我们的课堂理论知识运用到实际生活中,贴近生活,实现我们的人生价值。并且通过对知识的综合利用,加入个人的分析和比较，加深了了我们对理论知识的理解和运用。
也让我了解了关于PLC设计原理.有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。遇到问题和同学互相讨论交流。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想,这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。通过这次PLC控制抢答器设计，让我对PLC梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解。

谢 辞
经过两个星期的PLC课程设计，在老师的指导和同学们的帮助下，完成了本次课程设计,由于缺乏设计经验，在设计中有许多忽略或考虑不周全的地方，多亏老师的指点和同学的提醒让我能及时纠正。
在这论文完成之时，首先衷心感谢我的指导老师王宗才老师。在王老师的悉心指导下，本课题的设计任务才能最终完成。另外,要感谢我的同学积极的帮助，能及时一起讨论发现错误改正错误使设计少走错路。在课下我反复的阅读课本，弄清楚PLC的工作原理,对每条指令都争取理解清楚，这也是我这次课程设计能够完成的重要因素之一。
其次，也要感谢那些帮助过我们的同学，是他们不厌其烦的回答我们的疑问，解决了不少我们不太明白的设计上的难题，使我们能够顺利的完成调试工作。
总之，本次毕业设计能够能顺利完成，王老师倾注了大量的心血和汗水，在此，我向王老师致以最诚挚的谢意。

参考文献

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［10] 罗伟、邓木生。PLC与电气控制.北京：中国电力出版社，2009。