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1、湖南软件职业学院毕业设计（论文）竞赛抢答器的设计COMPETITION VIES TO THE DESIGN专 业 名 称：计算机应用技术指 导 教 师：毕业生姓名：毕业生学号：20081050论文提交日期：2010年12月分类号： 学校代码：4711密 级：无 毕业生学号：20081050竞赛抢答器的设计COMPETITION VIES TO THE DESIGN专 业 名 称：计算机应用技术指 导 教 师：毕业生姓名：毕业生学号： 论文课题来源：毕业设计论文提交日期：2010年12月论文评审单位：湖南软件职业学院摘 要本次设计是利用PLC（Programmable Logic Contro
2、ller）对六路抢答器进行控制。考虑到只是对六组智能抢答器进行控制，则输出端口需要9个，输入端口需要29个，所以需要有一个CPU226的模块和两个EM222数字量扩展模块，考虑到还要实现声光功能需要两个喇叭和三个指示灯。由于抢答时要显示组号和倒计时故还需要三个数码管，以上的器件价格不贵并且容易买到，另外PLC具有可靠性高、体积小、通用性、使用方便等优点，因此，我决定选用SIMATIC S7-200 系列的CPU226和数字量扩展模块EM222作为本次设计的PLC。另外，系统设计可分硬件设计和软件设计，并采用手动控制一种方式，具有方便灵活，维护使用方便等特点。关键词：竞赛抢答器 PLC PLC程
3、序设计I目 录第一章 PLC概述11.1 PLC的定义、组成及特点11.2 PLC工作原理41.3 PLC的编程语言51.4 PLC的分类及性能指标51.5 PLC的用途6第二章 PLC抢答器的介绍82.1 PLC与单片机的对比82.2 PLC抢答器的工作原理9第三章 系统硬件设计103.1 系统控制要求103.2 控制系统选取103.3 控制系统的硬件组成113.4 控制系统I/O分配表113.5 系统硬件连接图13第四章 系统软件设计144.1 整体设计144.2 自动控制程序14第五章 模拟运行与调试过程245.1 程序的模拟运行245.2 程序的现场调试25致 谢27参考文献27II湖
4、南软件职业学院毕业设计（论文） 第一章 PLC概述第一章 PLC概述1.1 PLC的定义、组成及特点一、概述可编程控制器（PLC）是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制功能强，可靠性高，使用灵活方便，易于扩展等优点而应用越来越广泛。可编程控制器(Programmable Logic Controller)即PLC。现已广泛应用于工业控制的各个领域。他以微处理为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时，计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。美国电气制造商协会经过4年调查，与1980年将其正式
5、命名为可编程控制器（Programmable Controller），简写为PC。后来由于PC这个名称常常被用来称呼个人电脑（Personal Computer），为了区别，现在也把可编程控制器称为PLC【1】。二、PLC的定义：PLC一直在快速发展中，因此到现在为止，还未能对其下一个十分确切的定义。1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器（PLC）的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和
6、生产过程。PLC及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计【2】。三、PLC的基本结构：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相同，如下图2.1所示：图2-1 PLC硬件结构1、中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢【3】。它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：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接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序
7、，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内。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，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC 的可靠性，灵活性，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。2、存储器（Memory）可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入的信号的状态写入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域【4】。CPU常用的微处理器有通用型微处理器，单片机和位片式
8、计算机等。小型PLC的CPU多采用单片机或专用的CPU。大型PLC的CPU多用位片式结构，具有高速数据处理能力。3、基本I/O接口电路（1）输入接口单元。PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的、符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至PLC内部电路。（2）输出接口单元。PLC输出电路用来将CPU运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。PLC输出电路结构形式分为继电器式、晶闸管式和晶体管输出型等三种。在继电器式输出中，CPU可以根据程序执行的结果，使PLC内设继电器线圈通电，带动触点闭合，通过继电器闭和的触
9、点，由外部电源驱动交、直流负载。优点是过载能力强，交、直流负载皆宜。但存在动作速度较慢，且为有触点系统，使用寿命有限等问题【5】。双向晶闸管和晶体管输出型输出分别具有驱动交、直流负载的能力。晶闸管输出型CPU通过光耦电路的驱动，使双向晶闸管通断，可以驱动交流负载；晶体管输出型CPU通过光耦电路的驱动，使双晶体管通断，驱动直流负载。优点是两者均为无触点开关系统，不存在电弧现象，而且开关速度快，缺点是半导体器件的过载能力差。以上列举了六类输入和输出电路形式，各类PLC产品的输入、输出电路结构形式均有所不同，但光耦隔离及阻容滤波等抗干扰措施是相似的。3、接口电路PLC接口电路分为I/O扩展接口电路和
10、外设通信接口电路两类【6】。（1）I/O扩接口电路I/O扩展接口电路用连接I/O扩展单元，可以用来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。I/O扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。根据被控制对象对PLC控制系统的技术和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。（2）外设通信接口电路通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口和电缆与计算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能。4、电源PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内
11、部电源需要的工作电源（5V直流）。当输入端子为非干接点结构时，为外部输入元件提供24V直流电源（仅供输入点使用）。四、PLC的特点：1、软硬件功能强PLC的功能非常强大，其内部具备很多功能，如时序、计数器、主控继电器、移位寄存器及中间寄存器等，能够方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等功能。PLC不仅可进行逻辑运算，算术运算，数据转换以及顺序控制，还可实现模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能，并具有完善的输入输出系统。PLC能够适应各种形式的开关量和模拟量的输入控制、输出控制，还可以和其他计算机系统、控制设备共同组成分布式控制系统，实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表
12、、函数运算及快速中断等功能。PLC的编程语言丰富，它可以分为梯形图语言、逻辑功能语言、指令表、和顺序功能四种。特别是梯形图语言，它直观、方便，我们只要有了通常的继电接触器电路图、逻辑图或逻辑方程，就等于它有了PLC系统的用户程序，很适合电器工程技术人员操作和使用【7】。2、使用维护方便PLC不需要像用计算机控制那样在输入输出接口上做大量的工作。PLC的输入接口和输出接口是已经按不同需求做好的，可直接与控制现场的设备相连的接口。如输入借口可以与各种开关、传感器连接；输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等连接。不论是输入接口或输出接口，使用都很简单。PLC具有很强的监控功能
13、，利用编程器、监视器或触摸屏等人机界面可对PLC的远行状态进行监控。3、运行稳定可靠由于PLC采用了微电子技术，大量的开关动作有无触点的半导体电路来完成，同时还采用了屏蔽，滤波，隔离等抗干扰措施，所以其平均无故障时间在2万小时以上。特别是在制造工艺上加强了抗干扰措施，例如输入输出都采用光电隔离，能有效的隔离PLC内部电路与输入输出电路之间的联系，从而避免了有输入输出通道串入的干扰信号引起的误动作。PLC还采用屏蔽，输入延时滤波等软、硬件措施，有效的防止空间电磁干扰，特别多高频传导干扰信号具有良好的抑制作用。所以这一切措施，都有效的保证了PLC在恶劣的工作环境下能正常地远行。4、组织灵活可编程控
14、制器品种很多,小型PLC为整体结构，并外接I/O扩展机箱构成PLC控制系统。中大型PLC采用分体模块式结构，设有各种专有功能模块（开关量、模拟量输入/输出模块、位控模块、伺服、步进驱动模块等）供选用和组合，由各种模块组成大小和要求不同的控制系统。外部控制电路虽然仍为硬接线系统，但当受控对象的控制要求改变时，可以在线使用编程器进行修改用户程序来满足新的控制要求，最大限度地缩短工艺更新所需要的时间【8】。1.2 PLC工作原理一、循环扫描的特点：1、输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行【9】。2、扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。3、对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。4、各个电路和不同扫描阶段会造成输入和输出延迟，这是PLC的主要缺点。在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。二、PLC中的存储器：PLC中的存储器按用途分为系统
