用顺序功能图法实现四路抢答器的PLC控制设计

摘要随着科技技术的不断发展，促使人们学习科学、技术、知识的手段多种多样。抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答器的使用频率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。做为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性会影响活动的开展，因此设计了本抢答器。 顺序功能图法是PLC程序设计的一种重要方法。本文采用该方法，利用FX-30MR型PLC，成功设计了四路抢答器，并详细描述了设计方案，给出了外部接线图及梯形图程序。 关键词：顺序功能图；抢答器；三菱FXOS-30MR型PLC；工作流程图；梯形图程序Abstract With the continuous development of science and technology, encourage people to study science, technology, and knowledge of the various means. Vies to answer first device as a tool, has been widely applied in all kinds of intelligence and knowledge competition situation. But the strong atmosphere, and low frequency or make some complicated or low, reduce the reliability. As a unit, if only a contest though in economy, but can use frequency of each year, often for long-term storage that is damaged, and then purchase vies to answer first the trouble and timeliness affect activities, so this vies to answer first the design. Order functional diagram not favoured PLC program design is a kind of important method. Using this method, the use of PLC, FX - 30MR successfully, and four road vies to answer first describes the detailed design method is presented, and the external hookup lad program. Keywords: order function. Vies to answer first, Mitsubishi FXOS - 30MR type PLC, Work flowchart, Ladder-diagram program目 录第一章 概述1 1.1 三菱PLC的主要特点1 1.2 PLC的工作原理1 1.3 PLC的基本结构2 1.4 顺序功能图3第二章 抢答器的控制要求及硬件设置4 2.1抢答器的介绍4 2.2 控制要求4 2.3 硬件设计4第三章 抢答器的控制软件设置7 3.1软件设计7结束语14致谢15参考文献16第1章 概述1.1 三菱PLC的主要特点 结构灵活 不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲美。 传输质量高、速度快、带宽稳定 可以很平顺的在线观赏DVD影片，它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。最新的电力线标准HomePlug AV传输速度已经达到了200Mbps；为了确保QoS，HomePlug AV采用了时分多路访问（TDMA）与带有冲突检测机能多路访问（CSMA）协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。 范围广范 无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。虽然无线网络可以做到不破墙，但对于高层建筑来说，其必需布设N多个AP才能满足需求，而且同样不能避面信号盲区的存在。而电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方。这一技术一旦全面进入商业化阶段，将给互联网普及带来极大的发展空间。终端用户只需要插上电力猫，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电话或者是可视电话。 低成本充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了资源。无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同时也节省了人力。相对传统的组网技术，PLC成本更低，工期短，可扩展性和可管理性更强。目前国内已开通电力宽带上网的地方，其包月使用费用一般为50-80元/月左右，这样的价格和很多地方的ADSL包月相持平。 适用面广PLC作为利用电力线组网的一种接入技术，提供宽带网络“最后一公里”的解决方案，广泛适用于居民小区，酒店，办公区，监控安防等领域。它是利用电力线作为通信载体，使得PLC具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，就立即可享受4.545Mbps的高速网络接入，来浏览网页拨打电话，和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的“四网合一”。1.2 PLC工作原理 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。1.3 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，基本构成为： 电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。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，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，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。 存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 输入输出接口电路 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 功能模块 如计数、定位等功能模块 通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等1.4 顺序功能图顺序功能图又成为状态转移图，它是PLC的一种编程语言，也是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形。它主要由状态（步）、有向连线、转换、转换条件和动作（命令）组成。顺序功能图的主要特点是：新的状态置位，前一状态自动复位。因此，它特别适合设计PLC的顺序控制程序。在编程时，状态继电器S是构成顺序功能图的基本元件。顺序功能图从结构上来分，可分为单流程结构、选择性分支结构、并行分支结构、循环结构和复合结构五种。 单流程结构它是最简单的一种结构，这种结构没有分支，每个状态后只有一个状态。状态与状态之间只有一个转换条件。 选择性分支状态它的特点是：有多个分支，每个分支都有互不相同的转换条件，每次只能执行其中一个分支，而其他分支被屏蔽。 并行分支结构它的特点是：有多个分支，他们具有相同转换条件，当转换条件满足时，多个分支同时执行。 循环结构循环结构用于一个顺序过程的多次反复执行。 复合结构它是集单流程结构、选择性分支结构、并行分支结构、循环结构于一体的结构。用于设计复杂的PLC顺序控制程序。第二章 抢答器的控制要求及硬件设置2.1 抢答器的介绍抢答器是一种典型的电气控制产品，广泛地应用在各种智力抢答竞赛中。现在市面上的抢答器种类繁多，功能各异，控制方式也不尽相同。其中，用PLC控制的抢答器是一种比较常见的控制方式。用PLC控制抢答器，普遍采用的是基本逻辑指令加互锁的方式来实现的。本文提出了一种新方法顺序功能图法。和上述方法相比，编程更清晰、直观，更易于实现复杂的逻辑控制。下面以三菱FXOS-30MR型PLC控制四路抢答器为例，介绍一下顺序功能图法的实际应用。2.2控制要求设计一个有四组参赛组的抢答器，主持人通过控制台的按钮控制比赛的进行。为了方便观众了解比赛情况，抢答器应设置必要的显示。抢答器的功能如下： 比赛开始之前，主持人要按一次复位按钮，是所有参赛组的显示均灭； 比赛开始后，主持人要按一次开始按钮，当开始灯（绿灯）亮之后才允许参赛组抢答； 比赛开始后，如果参赛组在开始灯（绿灯）亮之前按下按钮开始抢答，则视为抢答犯规。此时蜂鸣器响并延时1秒，红灯亮，同时数码管显示参赛组的序号； 比赛开始后，如果参赛组在开始灯（绿灯）亮之后按下按钮进行抢答，数码管显示先抢到的参赛组的序号，然后主持人请此参赛组回答问题； 为了控制比赛时间，回答问题必须在20秒内完成，超时按错位论处。当时间进行到11秒时，绿灯开始闪亮，同时数码管进行倒计时，提醒抢答者快没时间了；当时间进行到20秒时，红灯亮，蜂鸣器响并延时1秒，提示抢答者回答“错误”。 答对一次加十分，答错一题或违规一次扣十分，按积分的多少论胜负。 2.3 硬件设计PLC选型功能适当由于抢答器是属于小型单机且仅需要开关量控制的普通设备，因此，一般的微型PLC即可满足其功能要求。 I/O点数输入端：主持人需要开始和复位按钮，四个参赛组需要四个抢答按钮，因此，PLC至少应该有6个输入点。输出端：采用一个共阴极的七段数码管显示参赛组的序号，七段数码管直接由PLC输出端驱动，占7个输出点；再加上一个绿灯、一个红灯、一个蜂鸣器共三个负载，因此，PLC至少应该有10个输出。由于其输入/输出信号无需特殊处理，对程序存储器容量没有特殊要求，PLC的响应时间远小于输入信号的周期，不影响输入信号的可靠接受，再考虑到未来的功能扩展，因此，选用三菱FXOS-30MR型PLC来控制抢答器。FX-30MR型PLC简介FXOS系列是适应于极小模块，广泛用途的卡片尺寸的超小型PLC。 特别是直流电流与交流电源型相比，体积又进一步细少了一半，即使在以往安装困难空间，也可以从容地安装。同时，程序存储采用EEPROM，作为不需要维护的程序装置，不但在FA机器上，而且在所有场合都广被使用。品种丰富，可只有选择而且体积虽小却具有令人心安的高性能，编程方法简单，由于将程序、参数、数据存储器等纳入内附的EEPROM中，故不用备用电源即可保存。在安装后，不必进行维护，也可放心使用。与其他的FX系列PLC可共用外部设备。更有充实的内置功能运行/停止动作的方便RUN/STOP开关 内部附有模拟定时器，即使不熟悉程序装置，也能顺利进行计时器的调整。 便利功能 关键字登记以防止对程序进行读写 恒量扫描可以消除输出处理的混乱 高速处理 脉冲接受器可捕捉75us的短脉冲 高速计数器有1相7KHz4点 2相2KHz1点 输入中断不用担心运算滞后影响机械控制 特殊指令 除简单的程序指令外，还可具备有特殊功能的应用指令。 脉冲序列输出（PLSY）根据编程可直接控制步进电机或伺服电机用的驱动。 脉冲宽度调制（PWM指令）可改变脉冲宽度，进行温度控制或照明灯的调光控制。与其他的FX系列PLC可共用外部设备PLC的I/O地址的分配及外部接线图2-1 PLC的I/O地址的分配表名 称代号输入点编号输出点编号代号名 称开始抢答按钮SB1X1Y0HA蜂鸣器第一组抢答器开关SB2X2Y1L1七段数码管a段第二组抢答器开关SB3X3Y2L2七段数码管b段第三组抢答器开关SB4X4Y3L3七段数码管c段第四组抢答器开关SB5X5Y4L4七段数码管d段复位按钮SB6X6Y5L5七段数码管e段Y6L6七段数码管f段Y7L7七段数码管g段Y10L8绿灯Y11L9红灯 图2-1PLC的外部接线图第3章 抢答器的控制软件设置3.1软件设计 工作流程图 根据控制要求，绘制抢答器的工作流程图运行初始状态开始状态：绿灯亮开始答题状态：显示答题组号，答题11秒后绿灯闪亮，20秒后红灯亮，蜂鸣器报警。正规抢答违规状态：显示违规组号，同时红灯亮，蜂鸣器报警。违规抢答复位复位 图3-1 工作流程图 程序设计 设计方案根据抢答器的控制要求和工作流程图，可知抢答器的特点是：显示先抢答者的信息，同时屏蔽后抢答者；属于顺序步进控制。因此，应该选用选择性分支结构复合循环结构的顺序功能图来编程。七段数码管显示程序设计显示“1”则输出Y2、Y3；显示“2”则输出Y1、Y2、Y4、Y5、Y7；显示“3”则输出Y1、Y2、Y3、Y4、Y7；显示“4”则输出Y2、Y3、Y6、Y7；显示“5”则输出Y1、Y3、Y4、Y6、Y7；显示“6”则输出Y3、Y4、Y5、Y6、Y7；显示“7”则输出Y1、Y2、Y3；显示“8”则输出Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7；显示“9”则输出Y1、Y2、Y3、Y4、Y6、Y7；梯形图 “同名线圈重复输出”的问题在用户程序中，同一编程元件的线圈使用的两次或多次，成为“同名线圈重复输出”。一半而言，“同名线圈重复输出”后输出的线圈状态会覆盖前面输出的“同名线圈”的状态，从而导致控制逻辑出错。 本文中的顺序功能有多处出现了“同名线圈重复输出”。但由于在顺序功能图中，不存在并行分支结构，所有，在同一时刻，只能有一个状态继电器为ON。因为只有当某一个状态继电器为ON时，PLC才执行它控制的程序。因此，不会导致控制逻辑出错。结束语抢答器是一种典型的电气控制产品，广泛地应用在各种智力抢答竞赛中。现在市面上的抢答器种类繁多，功能各异，控制方式也不尽相同。其中，用PLC控制的抢答器是一种比较常见的控制方式。用PLC控制抢答器，普遍采用的是基本逻辑指令加互锁的方式来实现的。本文提出了一种新方法顺序功能图法。和上述方法相比，编程更清晰、直观，更易于实现复杂的逻辑控制。从软硬件两方面详细论述了用顺序功能图实现四路抢答器的PLC控制的方法。对于顺序步进控制而言，采用顺序功能图法比其他方法，编程更清晰、直观，更易于实现复杂的逻辑控制，值得大力推广。致谢 本论文从11月份开题以来，到目前为止已经有快1个多月的时间了，这次毕业设计中，虽然都没太多的经验，但是在老师的指导下，同学鼓励、帮助下，相互奋勉，最终圆满的完成了设计任务。在整个过程当中，有许多人给了我启发和帮助，在毕业论文完成之际，我要在此表达对他们最诚挚的感谢。首先，最需要感谢的人是我的指导老师沈志君。老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，方案可行的确定和论文纲领细节的修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。每一次的批评和教育，使我受益非浅，值此论文完成之际,谨向老师再一次向他致以衷心的谢意，感谢他为学生营造的浓郁学术氛围,以及学习上的耐心细致帮助!最后我还要感谢我的同学与朋友，他们也给我很大的帮助，给我提供了不少的建议，让我少走了许多的弯路。参考文献1陈乾伟。巧用计数器节省PLC输入点。电子工程，2006，3：29312廖常初。PLC应用技术问答。北京：机械工业出版社，20063张凯。可编程控制器教程。南京：东南大学出版社，20044邓则名，邝穗芳电器与可编程控制器应用技术M北京：机械工业出版社，19995彭利标，徐耀生，王芯可编程控制器原理及应用M西安：西安电子科技大学出版社，20006陈宇可编程控制器基础及编程技巧M广州：华南理工大学出版社， 19997阮友德. 电气控制与PLC 实训教程.北京：人民邮电出版社，2006第 17 页 共 22 页