智力抢答器PLC设计

《机电传动控制》课程设计说明书设计题目：智力抢答器的PLC控制

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提交日期2015年12月

目录

第1章绪论 (3)

第2章智力抢答器的设计方案 (4)

2.1 设计任务分析 (4)

2.1.1 设计的目的 (4)

2.1.2 设计的内容 (4)

2.2 系统设计方案 (5)

第3章智力抢答器的PLC控制系统原理 (6)

3.1 智力抢答器的PLC控制系统框图 (6)

3.2 智力抢答器PLC控制的控制原理 (6)

第4章系统硬件电路设计 (7)

4.1 电源的选择 (7)

4.2 PLC选型和配置 (7)

4.2.1 PLC的机型和容量 (7)

4.2.2 I/O模块 (7)

4.3 PLC的I/O点的分配及I/O接线图 (8)

4.3.1 PLC的I/O点的分配 (8)

4.2.2 PLC的I/O端子与输入/输出设备的连接图 (10)

第5章PLC程序设计 (10)

5.1 控制程序流程分析以及顺序功能图 (10)

5.2 脉冲信号示意图 (12)

5.3 控制程序梯形图和相应的程序指令表 (13)

第六章系统调试 (16)

参考文献 (19)

设计心得

第1章绪论

抢答器是由优先权编码器构成的逻辑电路，其运算速度慢，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更加困难。而本设计将以PLC为核心设计了顺序功能图，程序指令表以及控制程序梯形图的分配方案，在保留原始抢答器的基本功能的同时又增加了一系列实用的功能并简化了抢答器的电路结构，使得只要改变输入PLC的控制程序，便可改变竞赛抢答器的抢答方案，从而使得竞赛不断完善其公平，公正性。

通过这次课程设计，要求学生掌握一定的理论基础知识，同时具备一定的实践设计技能，并且能够利用PLC控制技术结合实际情况进行系统设计以及编程。

第2章智力抢答器的设计方案

2.1 设计任务分析

2.1.1 设计的目的

通过本课程的学习，使学生了解和掌握PLC在机电设备控制中的现状、技术

系列PLC硬件组成，控制程序的基本编写应用和发展趋势；了解并掌握三菱FX

2N

过程，掌握GX Developer编程环境的使用及调试，能够根据机电设备的功能要求独立完成控制系统的硬件设计及软件设计，培养学生的分析能力和实践动手能力。

2.1.2 设计的内容

本设计将以PLC为核心设计了顺序功能图，程序指令表以及控制程序梯形图的分配方案，在保留原始抢答器的基本功能的同时又增加了一系列实用的功能并简化了抢答器的电路结构，使得只要改变输入PLC的控制程序，便可改变竞赛抢答器的抢答方案，从而使得竞赛不断完善其公平，公正性。设计内容如下：

1)竞赛开始时，主持人按下启动/停止开关SA，指示灯HL1亮；

2)当主持人按下开始抢答按钮SB0后，如果在10s内无人抢答，赛场音响HA发出持续1.5s的声音，指示灯HL2亮，表示抢答器自动撤销此次抢答信号；

3)当主持人按下开始抢答按钮SB0后，如果在10s内有人抢答(按下抢答按钮SB3、SB4、SB5)，则最先按下抢答按钮的信号有效，相应的抢答桌上的抢答灯（HL3，HL4，HL5）亮，赛场的音响发出短促音(0.2s ON, 0.2s Off 0.2s ON)；

4)当主持人确认抢答有效后，按下答题计时按钮(SB 6),抢答桌上的抢答灯灭，计时开始，计时时间到时(1min)，赛场的音响发出持续3s的长音，抢答桌上抢答灯再次亮；

5)如果抢答者在规定时间内正确回答问题，主持人或助手按下加分按钮，为抢答者加分，同时抢答桌上的指示灯快速闪烁3s(闪烁频率为0.3sON，0.3sOFF)；

6)如果抢答者不能在规定时间内正确回答问题，主持人或助手按下减分按钮，为抢答者减分。

图2.1

2.2 系统设计方案

智力抢答器，顾名思义就是用于比赛时，跟对手反应时间，思维运转快慢的新型电器。与传统抢答器不同，在PLC的控制下可以弥补传统抢答器的很多不足。PLC是由工业微型计算机、输入，输出设备，是保护及抗干扰隔离电路等构成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特征，从应用角度看PLC具有如下特点：可靠性高、体积小、通用性好、使用方便。

第3章智力抢答器的PLC控制系统原理

3.1 智力抢答器的PLC控制系统框图

PLC系统结构框图如下图3.1所示：

·

图3.1 PLC系统结构框图

3.2 智力抢答器PLC控制的控制原理

从上述的任务分析中可以看出来，本课程设计主要要解决的问题有以下几点：

1)在主持人按下抢答按钮后，10s内的抢答情况。10s内是否有人抢答是抢答是否继续的关键。无人抢答则撤销抢答信号，否则就继续下面的环节，因此需要在这个环节设置一个撤销抢答信号的输出与继续抢答信号的输出的互锁，即其中一个输出得电，另一个就立即断开电路。有人抢答则最先按下抢答按钮的信号有效，所以我们在这个环节也需要设置三个抢答信号之间的互锁；

2)赛场音响发出的短促音以及抢答桌上的指示灯的闪烁。对于这两个要求，我们是通过设置一个脉冲信号来完成的，脉冲上升沿时，相应环节的音响发出声音及指示灯亮；反之，音响不响、指示灯灭；整个电路的保护，过载及短路保护。

第4章系统硬件电路设计

4.1 电源的选择

电源模块的选择仅对于模块式结构的PLC而言，整体式的PLC不用考虑电源的选择。对电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。

4.2 PLC选型和配置

4.2.1 PLC的机型和容量

本设计中PLC的型号我们选择的是课本上有介绍的日本三菱公司FX2N系列的FX2n-80MR系列的产品。

硬件系统分别选择1个额定电压为2V的电铃音响，5个额定电压为24V灯泡。3个七段数码显示管（七段数码显示管用7位的信号驱动，在实际应用中可以用三菱PLC指令SEGD,只需要用一个数据寄存器D）。I/O接口分别为8个输入继电器X、12个输出继电器Y和20%接口裕量，所以选择三菱FX2n-80MR系列。

另外，三菱FX2N系列高速大容量的特点也是我们选择它作为PLC的型号的原因之一。高速大容量：a. 超高速程式处理；b. 大容量存储器，内附8k步RAM （RUN过程中可更改程序），最大可达16k；c. 可选择性：可使用RAM（8k），EPROM（8k），或带实时时针的存储器卡盒；d. 多种功能：包括27种基本指令，2种步进指令和128种应用指令。

4.2.2 I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分I/O来完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映其输入信号状态，输出点反映其输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO）；模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

FX系列PLC输入特性表如下表4.1：

表4.1 PLC输入特性表

4.3 PLC的I/O点的分配及I/O接线图4.3.1 PLC的I/O点的分配

I/O点的输入点有8个，输出点有12个。

①PLC的I/O口端口地址分配表如下表3.1。

表4.2 I/O端口地址的分配

②时间继电器T及计数器C的使用说明（如表4.3所示）。

表4.3 时间继电器及计数器的使用说明

③中间辅助继电器M的使用说明（如表4.4所示）。

表4.4中间辅助继电器的使用说明

4.2.2 PLC的I/O端子与输入/输出设备的连接图

I/O外接线图如下图4.1。

图4.1 I/O外接线图

第5章PLC程序设计

5.1 控制程序流程分析以及顺序功能图

根据任务分析，可画出流程图和顺序功能图分别如下图5.1和5.2。

图5.1 流程分析图

图5.2 顺序功能图

5.2 脉冲信号示意图

控制赛场音响发出短促音（0.2sON,0.2sOFF,0.2sON）和抢答桌上的指示灯快速闪烁3s（频率为0.3sON,0.3sOFF）的脉冲信号如下图5.3和5.4所示。

图5.3 音响短促音脉冲信号时序图

图5.4 抢答灯闪烁脉冲信号时序图

5.3 控制程序梯形图和相应的程序指令表

经过软件GX-Words的模拟调试后，最终确认的梯形图如下图 5.5（由FXGPWIN3.3中文免安装版画出）。

图5.5 梯形图

通过FXGPWIN3.3，可将梯形图转换为下述指令表（如图5.6所示）：

图5.6 指令表

第六章系统调试

用GX-Words软件来调试梯形图时，音响短促音（0.2sON,0.2sOFF,0.2sON）以及指示灯闪烁3s时候频率（0.3ON,0.3OFF）过短，调试现象不明显，因此我们在调试时把它们的时间调大十倍，以便更加清晰、直接的观察到调试的结果。

另外，在让音响发出短促音及指示灯闪烁这个环节是利用脉冲信号来实现的。但是在调试过程中发现，脉冲在结束一个周期后会自动开始下一个周期，一直循环不停。所以，在经过多次的讨论和修改后，决定在脉冲前分别加上计数器C0和C1来控制它的循环次数，避免无限周期循环。

1) a. 按下启动/停止按开关SA（即X0），指示灯HL1亮（输出为Y1）；

b. 主持人按下开始抢答按钮SB0，假设3号抢答者在10s内按下抢答按钮SB3（输入为X3），则中间辅助继电器M5得电，抢答灯HL3亮（相应的输出为Y3，Y3的常闭触点断开，常开触点闭合，Y3自锁）；Y2/Y4/Y4线圈不得电，相应的抢答灯不亮。同时辅助继电器M1得电，常开触点闭合，使抢答按钮信号能够自锁。调试图如下图6.1。

图6.1

2)假设10s内3号桌抢答者按下抢答按钮，则Y3常开触点闭合，计数器C0开

始计数（计数2次），时间继电器T2、T3一起控制周期为0.6s的脉冲信号；

中间辅助继电器M3得电，赛场音响HA（输出为Y0）发出由脉冲信号控制的短促音（0.2sON,0.2sOFF,0.2sON）。计数器计数2次，自动断开回路，音响不再发出声音。调试图如下图6.2。（脉冲信号图如第五章图5.3。）

图6.2

3)主持人按下答题计时按钮SB6（输入信号为X6），时间继电器T4开始计时1min,

计时时间到，辅助继电器M4得电，赛场音响HA发出声音（相应的输出为Y0），同时T5开始计时3s，3s过后，T5常闭触点断开，M4失电，音响停止发出声音。调试图如下图6.3.

图6.3

4)假设3号抢答者在1min内正确回答问题，则主持人按下加分按钮SB1（输入

为X1）给3号抢答者加分（输出为Y13）；计数器C1开始计数（计数5次），T6、T7配合控制抢答桌上的抢答灯闪烁的周期为0.6s的脉冲信号（闪烁频率为0.3ON,0.3OFF，闪烁3s）；每当辅助继电器M10得电，3号桌上的抢答灯就会亮（相应输出为Y3）。调试图为下图6.4。

图6.4

5)若3号抢答者在1min内没有正确回答问题，则主持人按下减分按钮SB2（相

应输入为X2），给3号抢答者减分（输出为Y23）。调试如下图6.5。

图6.5

参考文献

【1】余雷声，等. 电气控制与PLC应用. 北京：机械工业出版社，1998.

【2】海心，赵华，等. 机电传动控制. 北京：高等教育出版社，2007.

【3】周军，等. 电气控制及PLC. 北京，机械工业出版社，2001.

【4】郁汉琪，等. 电气控制与可编程控制器应用技术. 南京：东南大学出版社，2003.