知识竞赛抢答器的PLC控制设计.doc

［摘要］知识竞赛抢答器是当今知识抢答竞赛等活动中必不可少的东丙。在科技飞速发展的 今天，一个高效率且稳定的知识竞赛抢答器保证着竞赛的公帄和公正。虽然市面上有很多种 类的知识竞赛抢答器，但其屮绝大部分都是帄期用逻辑电路设计生产的。但足由逻辑电路设 计而成的抢答器会具有一定的缺陷：比如说，当许多人同时抢答的时候，抢答器会输出优先 级相对较高的那个号码，这样就是导致比赛变成不公帄的比赛。因此，一个性价比合适、能 保证绝对公帄的知识竞赛抢答器设计对当今社会的抢答节目等十分重要。本文以PLC控制 为核心设计了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案，在保留了原始 抢答器的基本功能的同时又增加一系列的实用功能并简化其电路结构。该抢答器控制灵活、 方便，而且稳定性极好，能很好的保证比赛的公帄性。只要修改PLC的控制程序就可以改 变抢答参数，这样就可以不断完善抢答的公帄性和公正性。

［关键词］:知识竞赛抢答器；PLC;七段数码管；I/O分配

刖 目

抢答器是指在竞赛、问题娱乐活动（抢答活动）中，能够准确、公正、直观地判断出抢 答者的机器。为提高素质或竞赛选拔，各行业经常举办智力、知识竞赛，由于其竞赛没有好 的软件系统支持，在很多情况下都依靠主持人的临场发挥，选手和观众渴望的类似电视节0 的效果也难以得到实现。在科技飞速发展的今天，一个高效率且稳定的知识竞赛抢答器保证 着竞赛的公帄和公正。

第1章当前知识竞赛抢答器的现状

生活屮，竞赛抢答器的应用很多，在现在的市囬上也有很多种不同类型的抢答器，这些 抢答器大部分是早期川逻辑电路设计而成的，但是由逻辑电路设计而成的抢答器会具有一定 的缺陷：比如说，当许多人同时抢答的时候，抢答器会输出优先级相对较高的那个号码，这 样就是导致比赛变成不公帄的比赛。而且随着功能的增多，电路也越复杂，并且成本偏高, 故障率高，显示方式简单或者没有，无法准确判断抢按按钮的行为，也不便于参数调节及其 功能的升级换代。另外还有一些PLC和单片机控制的知识竞赛抢答器。当今社会，单片机 和PLC的应用不断深入，鉴于单片机和PLC控制的优点，以单片机和PLC为控制核心的部 件成为了当今社会的主流。尤其是PLC的发展，力建立一个优秀的知识竞赛抢答器提供了

条件和发展帄台。

传统的普通抢答器主要存在以丁缺点：

1. 每一次抢答的时候，普通抢答器只能捕捉违规的信号，但是无法对正常抢答的信号进 行处理，这样使正常抢答的人员成为该轮答题无效的受害者。

2. 当出现多个违规抢答的时候，优先编码电路只能选择其中一个，或利用抢答电路电子 元件的“竞争”选择其中一个。对于后者由于抢答电路制作完毕后电子元件被固定，各路抢 答信号的“竞争”能力也被固定，因而本质上也有优先权。抢答器会输出优先级相对较高的 那个号码，这样就是导致比赛变成不公帄的比赛。

3. 当出现多个违规抢答的时候，普通抢答器只能“抓住”其中一个违规者，而使其他的 违规者得以逃脱相应的处罚。因而出现了 “漏洞”。

如今兴起的以PLC为控制核心的知识竞赛抢荇器，除了能弥补传统抢荇器仅有的抢答 功能外，还会对抢答信号进行分析，nJ•以方便的实现多路抢答，并可以通过一系列的运算来 方便的显示答题队号，抢答时间等信息内容，可以让整个比赛充满视觉和听觉的效果。

第2章可编程控制器(PLC)的概念

随着当今科技的发展，PLC (可编程控制器)的发展愈发蓬勃。PLC是一种专门在工业 环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。自从美国DEC公司1968年研制成世界上第 一台可编程控制器到现在，PLC技术得到了飞速的发展，在美国、日本、德国、法国等工 业发达国家己经发展成为重要的产业。鉴于PLC具有操作简单，成本低等众多的优点，现 已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理为核心，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。

2. 1 PLC的简介

PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装賈，它采用一类可 编程的存储器，用于其P、j部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等 而向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

就PLC的本质来说，其实PLC就是一个以嵌入式系统CPU为核心并且配备了一系列 输入、输出模块从而制造出来的一个可以方便应用于工业控制的装罝。通过PLC及其相应 的机器人设备和配套的人机界面可以方便的实现现在工业领域的自动化控制。

2. 2 PLC的基本结构

鉴于PLC为专门作为工控汁算机的本质，它的基本结构跟微型计算机基本相同。它的 结构包括有：电源、CPU、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块。

电源一般可以直接接到交流电网中去。

CPU作为一个系统的决策机构非常重要，为了提高可靠性，有些PLC更是采取双CPU 甚至三CPU的系统，这样在一个CPU出故障的时候，设备仍然可以运行。

存储器有两种，一种是存放系统软件的系统程序存储器，还有一种是存放应用软件的用 户程序存储器。

现场输入接口电路巾光耦合电路和微机的输入接口电路，现场输出接口电路巾输出数据 寄存器、选通电路和中断请求电路集成。

功能模块和通信模块更包括了多种功能来适应当今工业发展的要求。

2. 3 PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段：输入采样、用户程序执行和输岀 刷新。这样从输入采样到用户程序执行到输出刷新整个阶段被称为一个扫描周期。工作过程 中，PLC以一定的速度重复着一个又一个的扫描周期。

在输入采样阶段，可编程逻辑控制器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映象区屮的相应的单元6。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶 段。在这两个阶段屮，即使输入状态和数据发生变化，1/0映象区屮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, 才能保证在任何怙况下，该输入均能被读入。

在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按巾上而下的顺序依次地扫描梯形图。扫 描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的巾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存储区屮对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区屮对应位 的状态；或者确定是否要执行该梯形阁所规定的特殊功能指令。

当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器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裾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，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

2. 4 PLC的功能特点

经过多年的发展，PLC已经具备以下特点： 1. 使用方便，编程简单

采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，不需要人:W:复杂的计算机知识，因此 系统的开发周期相对短，现场调试也比较容易。另外，PLC程序的修改也十分的方便，不 需要拆动线路，只要修改相应的程序，就可以达到改变控制的效果。

2. 功能强大，性价比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非 常复

杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性价比。除了刚开始的开 关fi的控制功能外，PLC还具有运动控制、过程控制、数据处理、通信联网等众多优秀的 功能。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集屮管理。

3. 配套的硬件齐全，使用方便，适应性强

PLC产品已经实现标准化、系列化、模块化，配备有各种类型的硬件装罝给用户选用,

用户能灵活方便地进行系统配置，來组成各种不同功能和规模的系统。PLC的安装接线也 很方便，一般用接线端子连接外部接线即可。PLC能带的负载能力较为强悍，可以直接驱 动一般的电磁阀和小型交流接触器。

硬件配置确定后，可以通过修改相应的程序，从而改变相应的反应，使得系统能够很好 的适应各种环境的变化。。

4. 可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，很各易就会出现各种因 触点接触不良而引发的各类故障状况。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器， 只剩K与输入和输出有关的少量硬件元件，这样就大幅度减少了相应的接线，从而大幅度的 减少了那些因为触点接触不良而带來的M题，提高PLC的可靠性

与此同时，PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，帄均 无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC己被广大 用户公认为最可靠的工业控制没备之一。

5. 开发系统的工作量少

PLC用软件功能取代了继电器校制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等 器件，这样就免去了复杂的控制柜的设计工作，同时也节省了安装接线的时间。

PLC的梯形图程序可采用经验设计法以及顺序功能图来实现。尤其是顺序工程图的方 法，这种编程方法很有规律，所以相对比较容易掌握。当设计一个比较复杂的控制系统时, 通过梯形图的编写来实现功能相对比较界易，而传统继电器电路的设计rh于太过复杂而太费 时间。

当完成一个系统所需的PLC梯形图编程时，我们可以先用计算进使用相应的软件进行 仿真，这样可以非常直观的了解系统的功能以及所存在的问题，使用这种方法来调试整个系 统相对于调试整个继电器电路要方便的多，从而更加节约了时间。

6. 维修方便

PLC发生故障的概率非常之低，可以说是当今工业控制中，故障率最低的控制器。当 PLC发生故障或者外部连接设备发生故障时，PLC都会通过自带的发光二极管來显示相应 的信息。如果真的有相应的模块出了故障，只需要更换模块，不需要庞大的检测和维修工程。

鉴于PLC具有如此之多的功能和特点，在科技飞速发展的今天，PLC得到了非常广泛 的应用。

2. 5 PLC的种类

PLC按地域来分主要分成主要分力三大地域流派：美国产品、欧洲产品、日本产品。 当然当今科技发展迅速，我国国产的欧姆龙等PLC品牌以及其他国家的一些品牌也在迅速 的发展。其屮欧洲和美国的产品互相研发，因此差异比较大，而日本的产品技术从美国 引进，因为继承了美国产品的•-些特性。不过就三个地域流派的PLC产品而言，美国和欧 洲以巾大型PLC而闻名，日本则以小型PLC而闻名。

PLC按照I/O点数來分又分成：小型PLC、巾型PLC和大型PLC三种。点数在256点 以下的为小型PLC,它具备有PLC的所有功能，但是点数和容量等各方面参数相对较低。

点数在256-2048点范围内的为中型PLC,相对于小型PLC而言，它的通信功能更加强大， 指令系统也有所增加，各方面参数都有所加强。点数大于2048点以上的为大型PLC，相对 于中型PLC,它的功能又进一步加强，而且采用多CPU技术，提高PLC的可靠性。这些划 分没有十分严格和明确的界限，随着当今世界PLC技术的快速发展，一些小型PLC也慢慢 具备了中型PLC和大型PLC的功能，这是PLC的发展必然趋势。

PLC按照结构形式來分又分为：整体式（单元式）和组合式（模块式）两种类型。整 体式PLC结钩相对，整体式结构的PLC结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。这种 结构通常被小型PLC所采用。组合式PLC结构相对模块化，它将各个PLC的基本单元做成 各种类型的模块，组合式PLC配置灵活，输入/输出接点的数量可以自由选择。这种结构一 般被中大型PLC所采用。

2.6 PLC的用途

在PLC发明的初期，它的价格相对以其他继电装置来说是十分昂贵的，所以它的使用 在当时没有得到普及。但是在当今社会，随着微处理技术的提高，而且相应的设备价格也不 断的下降，PLC被越来越多地使用到各个场合。尤其在德国、法国、円本等国外发达国家, PLC的使用己经普及到工业生产的各个领域。

按照PLC在各个工业生产领域屮的应用所起到的功能而言，PLC的应用可以分成以下 儿种类型：

运动控制型：在目前的工业生产屮，拖动用的步进电机和伺服电机相应设备比较多，而 PLC能够精确地扫描目标位置的信息，然后反应给相应的与电机连接的轴，使轴移动到相 应的位置。

顺序控制型：可以说顺序控制是PLC应用最为广泛的方而。由于PLC的众多优点，用 其来替代传统的各种继电器的顺序控制是最好不过的了。就这方而而言，包拈有单机校制， 多机群控，还有各类生产线的自动化控制等。这方而的例子举不胜举，比如说：自动化的注 塑机、各类自动化的组合机床、各类自动化装备流水线以及电梯等。

数据处理型：在机械加工屮，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC） 设备紧密结合的趋肉。国外一些发达的国家正在尝试将CNC的控制功能作为PLC功能的一 部分。比如说円本FANUC公司所推fli的SystenlO、11、12系列，美国GE公司等都在尝试 能做出带有数据处理类型的PLC.

闭环过程控制型：即将PID控制模块与PLC控制结合起来的方式，来实现一个带PID 控制的PLC。这样PLC就可以以闭环控制的方式来更好的控制（温度、压力、速度等）各 类物理垃。

通信联网型：随着科技的发展，工业上很多地方逐渐需要用到PLC与PLC、PLC与上 级计算机之间的通信功能。这主要表现在集散控制系统、工厂自动化系统等。为了配合相应 的发展，PLC拓展了许多功能，通信联网只是其中的一部分而己。

现如今钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等 非常众多的行业都有在使用PLC,因为它不仅性能好，而且使用寿命长，有着非常众多的 优点。

第3章整体方案的构思

所谓知识竞赛抢答器，其主要用途就是在比赛时看谁反应敏捷，让对手们互相比思维反 应快慢的电子产品。改革开放以来科技逐渐的发展，在当代科技的发展更是日新月异，发展 的速

度十分惊人。在强大的科技女榨下，知识竞赛抢答器的使用也逐渐的增多，而且知识抢 答器的功能也逐渐的完善着，并且抢答器的可靠性也越来越高。就现在来看，知识竞赛抢答 器己经应用于电视台各种问答节目、学校和企业等各单位所举办的智力节目、股票证券等各 类金融商业机构等方而。它在提尚我们综合素质的同时也更加丰富了我们帄时的娱乐生活。 而我选择PLC来控制知识竞赛抢答器主要是因为以下儿点原因：

第一、当代抢答器功能十分多样化，PLC能为当代抢答器的多样化功能提供一个优越 的技术帄台。

第二、PLC控制非常方便、灵活，它可以在不改动布线的惜况下，修改PLC控制程序 来方便的达到各种抢答效果。

第三、PLC的布线也相对简单，可适应多种场合进行布线。

3.1知识竞赛抢答器的控制要求

(1) 本知识竞赛抢答器可以支持4个抢答小分队进行抢答。

(2) 裁判所在的位賈为裁判台，4个参赛小队所在的为各参赛台。裁判台有开始抢答 按钮SBO和复位按钮SB5, 4个参赛台上分别有各自的抢答按钮，每个参赛小队的参赛台上 还有各自的指示灯和记分牌。整个赛场还有抢答成功小队的队号示器以及示抢答时间和 答题时间的时间显示器，另外赛场还有专门的提示咅响来作为抢答成功时的提示咅。

(3) 该知识竞赛抢答器的使用规则：在出题后，各个参赛小队必须在裁判说“开始” 并按下开始抢答按钮后的0-15S内进行抢答，否则视为无效抢答。为考虑到有人提前抢答而 犯规的情况，本设计刻意考虑到了防提早抢答的动作。即只有当裁判按下开始抢答按钮时， 参赛台的抢答按钮才有功效。如在开始抢答15S PT没有参加小队抢答，则将该小题视为作 废。并由裁判按复位按钮进行复位来进行下一轮的抢答。若在开始抢答的时间A有参赛队抢 答，则参赛小队同样必须在15Sp、j回答出相应的答案，然后由裁判台判定给记分牌计分，并 按位按钮位来启动下一轮抢答。

(4) 各指示灯配合音响的含义：

丨、各小队指示灯灭：该情况下各小队的抢答按钮均无法产生效果。

2、 各小队指示灯亮但无音响提示音：该情况下是指裁判刚按下开始抢答按钮的后，即 各参赛小队开始抢答。在抢答有效时间15秒A无音响提示则该题作废，进入下一轮。

3、 一个小队指示灯亮，其他小队指示灯熄灭，II有音响提示1秒钟：该情况表示该小 队抢答成功，有15秒的时间进行回答。并在答题结束后由裁判给分。

(5) 每轮抢答结束后，裁判都需要手动按下S位按钮SB5,使知识竞赛抢答器处于准 备抢答的状态，为即将进行的下一轮抢答做好准备。

(6) PLC的每个输出端口都采用24V的直流稳压电源，保证电源的稳定性来确保PLC 使用时的稳定性。

(7) 每一轮抢答结束后由裁判手动为成功抢答的参赛队伍进行加减分。

3.2方案的选择

在现代自动化控制中，数单片机和PLC两类产品控制的效果最好。因为它们都具有强 大的功能实现能力。在对两种类型的控制系统进行比较后可以得岀最佳的选择方案。

就单片机的本质而言，单片机就是当代社会依靠超大规模的集成电路技术，将CPU和 相对应的其他外围芯片集成形成一个小型甚至微型的计算机系统。而且单片机所需要的编程 语言相对较为复杂。由于在实际的生产屮单片机具有很多的，因此当今工业屮很少有用 单片机控制的，它的应用领域主要在一些小型的仪表方而。在现代工业屮，PLC才是应用 的主流产品。

从产品可靠性、对应电路扩展性、对设备的维护、智能化程度等方而来比较单片机和 PLC可以发现众多PLC的优点：

产品可靠性：就现在的惜况来看，PLC中的CPU都是各自厂家专门设计专门用来控制 工业自动化的处理器。与PLC配套的其他各类元件也是直接向设备供应商们买的，都是专 门用来控制工业自动化的高性能元件。而且PLC的电源模块也是为了配合工业使用而专门 设计的，抗干扰性能十分的优秀。但是单片机的情况就相对较差，目前国内市场屮单片机芯 片的质:k很不稳定。虽然国內市场屮也有许许多多的单片机芯片，但是国内市场屮流通的单 片机芯片很多都是在国外筛选过以后才进入我国的次品。而且需要与单片机连接的一些元件 的参数离散性较大，比如电阻的阻值、电容的电容量等参数。另外，不是大规模批量生产的 小产品不会经过一些配对的高等技术处理，但是只要电路中有一个参数有所误差就会导致整 个系统的不稳定甚至崩溃。而且R前单片机的抗干扰性能都比较差。因此，单片机的稳定也 就大打折扣。所以说PLC的可靠性要远商于单片机的可靠性。

电路扩展性：PLC控制系统主要是通过对PLC的各个功能模块的编程来达到相应的输 出要求。如果要在PLC控制电路屮添加其他功能的话，只要添加功能模块和修改程序就可 以轻松达到目的。不需要大费周章地重新设计。但是单片机对于整个系统的控制方式就完全 不同。就单片机而言，用单片机控制所设计的电路都是因某种特定的功能需要而设计的特种 电路。如果要在单片机电路中添加其他的功能，那就必须重新设计相应的单片机电路。可见 PLC的扩展性要远高于单片机。

对设备的维护：PLC系统具有较为强大的故障检测系统，在设备运行时一旦!li现与系 统运行不符的情况，很容易通过故障的现象来确认哪里的元件出了问题。这样维护起来就十 分的方便。即使是因为编程不当而引起的故障现象也可以很方便的根据调试系统来修改程 序，不需要大费周章地对元器件进行处理。但是单片机系统没有先进的故障提示系统。如果 单片机设备在运行中fli现了问题，这将浪费维修部人员大量的时间来确认到底是哪里出了问 题。一般怡况下，当单片机设备山了问题，最简单的办法就是把整个单片机系统换掉。但是 这样做的话就会大大提高对设备的维护费用。很明显，PLC控制设备在故障时对设备进行 维护的处理也要大大简单于单片机设备，而且费用也低。

智能化程度：PLC控制系统通过触摸式的操作帄台，有十分和谐的人机界而，相应的 显示器也比单片机的LED显示器大得多，因此可以在人机界而上设计各种相应设备的操作 说明。一般情况來说，就算是一个没有接触过PLC控制系统的新人也可以按照对应的提示 來对设备进行操作。操作的相对简单，容易上手。而这个特点更是符合了当代工业对操作工 的要求。在最初设备程序设定的时候，nJ以设定成当设备发生故障和各类问题时，界面自动 跳转到故障提示画

面，并在画面上显示问题的所在以及排除对应闷题的方法。这样维修部的 人员可以快速的将出现的问题处理掉，更甚至一些小问题只要有公司授权的情况下不需要维 修部的人员，操作工就可以A己來解决。这对提高公司的生产效率和节省成本方面具有明显 的促进作用。而单片机系统采用A己设计的传统键盘來进行操作，用传统的拨码方式来进行 各种参数的设定，用LED显示器來显示系统的内容。整个系统的控制面板看起来十分的复 杂。而且单片机的操作按键往往比较少，很多时候用一个按键来表示不同的功能。不懂具体 控制电路的人可以说根本无法操作，即使宥操作说明书在手，操作起来也十分的麻烦。就H 前单片机和PLC的发展情况來看，PLC要比单片机先进很多。

从以上两种控制器的比较来看，简单得可以将单片机的特点描述为价格便宜、不可靠、 发展空间小、维护麻烦、操作复杂，而PLC的特点为价格较贵、可靠性高、发展空间巨大、 容易维护、操作简单。因此，最终我决定采用PLC控制系统作为本抢答器没计的控制系统。

第4章控制系统硬件设计

4. 1控制方案

川PLC作力控制器来设计的知识竞赛抢答器，其本质就是以裁判台和参赛台的抢答按 钮作力输入信号，然后通过事先对PLC进行合适的编程从而得出相应的输出结果。而本次 设计有叫个参赛队伍，因此，本知识竞赛抢答器有裁判台的开始抢答、复位和叫个参赛台的 抢答按钮这六个输入信号，有一个音响、四个参赛台的指示灯、一个队号显示数码管、两个 时间显示数码管这八输出信号。也就是说PLC总共有6个输入信号和8个输出信号。

由此可以得出大概的系统控制结构图如下图所示：

显 参赛队队号

开始抢答按钮

SBO |—

_____ \\ ＞示

厂 器

时间显示十位 时间显示个位

1队抢答按钮 2队抢答按钮 3队抢答按钮

SB1 SB2

□ => PLC [

=^> 蜂鸣器

SB3

1队台灯

4队抢答按钮

SB4 SB5 r—

f—

□ --------

2队台灯 3队台灯 4队台灯

图4.1系统控制结构图

4.2选择合适的PLC型号

目前在市场上流通的PLC多种多样，他们的参数功能也有较大的差异，它们的价格也 有较大的差异，因此选择一个合适的PLC机型能很好的降低成本，以保证整个控制系统有 一个良好

的性价比。

进行PLC系统设计时，在确定PLC的控制方案后，第二步要做的就是PLC的选型。工 艺流程的特点和应用要求是对PLC进行选型的主要依据。在对PLC进行工程设计选型的时 候，必须仔细分析各个工艺流程和控制要求，制定出完成整个控制过程所需要的步骤。然后 按照控制要求来具体估算确定需要用到的PLC的输入输出点数、所需PLC的存储容以、所 需PLC的功能要求以及外部连接设备的一些要求。通过以上一系列的分析，然后确定出性 价比最为合适的PLC型号以及整个控制系统。具体的估算方法如下：

(1) 输入输岀点数的估算：在完成当前控制所需点数的基础上再增加10%-20%以保证 PLC有足够的扩展空间。

(2) 存储容量估算：存储容的估算没有什么具体的计算公式，只要做到程序容量小 于存储容量就可以了。存储容量与输入输出点数一样，也需要增加一定的余U来保证PLC 有足够的扩展空间。

在满足功能要求的情况下就要试着考虑价格，使设计的系统达到一个最好的性价比。主 要我们需要考虑到以下几点：

PLC可靠性的选择：需在可靠性要求很高的系统中采用冗余系统或热备用系统。 PLC机型的选择：在一个企业内，PLC的选择最好是同一个机型的。因为机型统一的 话就可以使各个PLC模块互为备用，方便采购和管理；而且机型统一的话各个PLC的功能 和操作没有太大的区别，这样方便技术人员的培养，也有助于技术的提岛；机型统一的情况 下，它们就更加容易互相联网通信，形成一个多级控制系统。

PLC功能的选择：一般来说只需要幵关控制的系统每个PLC都可以满足要求。但是 现代控制中需要具有的功能越来越多，因此选择一个功能合适的PLC也十分重要。小型PLC 一般有逻辑运算、计数、定时等功能，还有一些功能增强型的具有数据传送、加减法运算等 功能。这类PLC通常运用在开关量为主但是有一定模拟量控制的系统。另外的一些中大型 PLC功能更为强大，还具有通信联网等功能，因此它们的价格也十分昂贵。这类PLC主要 应用在需要闭环控制、PID控制、需要通信联网的一些大型系统屮。

PLC结构类型的选择.• PLC的类型按结构分为整体式和模块式两大类。就整体式而言 输入输出点数固定较少，对于我们来说没有多少的选择余地，一般用于小型PLC控制系统。 模块式就相对较为灵活，选择余地也较大，一般用于中大型PLC控制系统。

PLC安装方式的选择：PLC控制系统的安装方式有集中式、远程I/O式和多台PLC联 网的分布式三种类型。每种安装方式都有自己的优缺点。就集中式而言，集中式不需要考虑 到远程I/O问题，整个系统的反应快、系统的成本也较低；而远程I/O式主要应用于大型系 统，整个系统屮所有装置的分布范围相对较大，远程I/O式的主要特点是整个系统的控制需 要相应的驱动器和远程I/O专用的电源；多台PLC联网的分布式主要应用在各个设备分别 控制，但是又耑要有相互联系的情况，它的特点是PLC必须具备通信功能才有可能实 现。

PLC响应速度的选择：一般来说每个PLC都能够满足它所在应用范围内的响应耑要。 但是一旦出现要跨范围使用PLC时，就要慎重考虑这一点，比如要将小型PLC应用到大型 复杂的工业控制系统中。简单來说，PLC的响应速度绝对不能慢丁•系统控制要求。

按照以上工程没计对PLC选型的原则以及我们帄时所学的三菱PLC的知识，最终我确 定用

三菱公司的FX-2N-48MR型号的PLC作为本次知识竞赛抢答器没计的控制器。

4.3整个PLC控制系统的流程

为了避免在裁判按下开始抢答按钮前有参赛队伍抢先抢答,我们用相应的编程措施将这 种惜况下的抢答按钮变为无效。当裁判按下开始抢答按钮，四个参赛队的指示灯都会亮起, 四个参赛队就处于可以抢答的阶段。然后看有无参赛队伍进行抢答，如果没有队伍抢答，则 等抢答时间结柬后巾裁判复位进入下一轮。如果有队伍抢答，则PLC会判定哪个队伍为最 先抢答的并通过指示灯和音响提示，并巾队号显示器显示队号。如果抢答成功的队伍在规定 时间内答题成功，则该轮答题结來，由裁判进行给分，复位进入下一轮。如果抢答成功的队 伍在规定时间P、j没有回答出相应答案，则答题失败，该轮抢答结束，巾裁判进行减分，复位 进入下一轮。

4.4整个PLC抢答器控制电路的设计

按照抢答器的基本构思，指示灯和提示音响可以直接接在PLC的输出端。在设计中采 用七段LED数码管来作为抢答器的时间、队号显示器。由于流入七段LED数码管每段的电 流必须控制在5-lOmA，因此在七段数码管与PLC连接的时候必须加以限流电阻，从而保证 数码管不会因为电流过大而烧坏。

1. LED数码管简介

LED数码管是一种半导体发光器件，它的基本单元就是发光二极管。现在市场上流通 的LED数码管分为七段数码管和八段数码管两种。顾名思义，八段数码管比七段数码管要 多一个发光二极管单元。LED码管的本质就是将发光二极管的单元按共阴极或者共阳极的 接法，组成一个“8”字形状，然后将另一段作为笔段电极。按照输入信号的不同可以使七 段LED数码管S示出0-9的数字I々容。与其他类型的数码管相比，LED数码管具有使用寿命 长、能耗低、体积小、响应时间短、亮度髙等众多优点，而且很重要的一点是LED数码管 能够与TTL、CMOS电路兼容。如此一来，它的应用范围就变得十分广泛，可以应用在当 代工业的多个领域。

LED数码管的常见结构图如下图所示，其中(b)图为共阴极接法、(c)图为共阳极

接法。

g f a b ■I I III a D

a b c d e f 0 o o o 0 0 g i

1 0 < 1 11 » 1 (b)棚极後法

a b c d e f g ⑷共隨接法

图4. 2 LED数码管的常见结构图

2丄ED数码管的工作特点

LED数码管的工作特点有以下儿点：

第一、功耗低。工作电压1.5-5V，工作电流为5-10mA，如果是高亮度管的话工作电压 和电流更小。这一特点非常符合当代社会节能减排的要求。

第二、亮度高、响应时间短、使用寿命忪。这一特点表明了 LED数码管的高性能水准。 第三、LED数码管的每笔画工作电流为5-10mA,电流过大就会烧毁。闪此在连接时需 要加限流电阻。这一特点表明了 LED数码管在使用时必须谨慎考虑流过电流的大小。

3. 连接PLC与LED数码管的限流电阻阻值计算

由于LED数码管的一般工作电流为5-10mA,因此必须在连接时添加一个阻值合适的限 流电阻R。而我们对于限流电阻的计算有以下公式：

R= (Vo-V!) /I

VQ为加在整个LED数码管上的电压，V,为加在LED数码管每一个笔画上的压降。一 般来说¥1取21。

而本次设计的PLC采用的电源为24V直流稳压电源，PLC的输岀电压为5V,通过数 码管的电流为3mA,由上而的计算公式计算可得R的阻值约为1KQ。因为我们有两个时间 显示数码管、一个队号显示数码管，一共三个七段数码管，所以需要21个1KQ的电阻。

4. PLC外部接线阁

为了电路接线的方便，我将SBO作为裁判台的开始抢答按钮，与之相对应的输入信号 为X0。将SB1、SB2、SB3、SB4作为一至四队各个参赛队伍的抢答按钮，与之——对应的 输入信号为XI、X2、X3、X4。将SB5作为裁判台的复位按钮，与之对应的输入信号为X5。 然后用Yl、Y2、Y3、Y4四个输出信号来控制一至四队各个参赛队伍的指示灯，用输出信 号Y5來控制提示音响。用Y10-Y16七个输出信号来控制S示抢答成功的参赛队伍的队号的 数码管。用Y20-Y26七个输出信号來控制显示时间十位数的数码管。用Y30-Y36七个输出 信号來控制S示时间个位数的数码管。三个LED数码管通过串联电阻的方法直接与PLC相 连接。可得PLC外部接线图如K图所示：

•

||

v(;c

SPI-AKhK

SBO Q-

COM SB1 3XI -

Yi SB2 X2 Y2 Y3 SB3 5Q COW Y4 SB4

Y5 X4 COfvP -4

ll〈 +7

SB5

Y10 X5 Yll 9

Y12 Y13 COM4 YI4 YI5 Y16 C(JK>P 11<*7

Y20 Y21 Y22 Y23 C()MS Y24 Y25 Y26 COM? Y30 1K + 7

DIV

Y3I OC)M) Y32 Y33 Y34 Y35 Y36 e ILEDud

cc)ive FX-2N4S*M<

图4.3PLC外部接线图

第5章控制系统软件设计

5.1系统的I/O分配表

按知识竞赛抢答器的控制要求，得出下表所示的I/O分配表：

表5. 1 I/O分配表

:o

cf cl

c

[LECMil

丄l

&

输入信号 输出信号

名称 代号 对应输入点 X0 XI X2 X3 X4 X5 名称 一队指示灯 二队指示灯 三队指示灯 四队指示灯 提示音响 队号显示器 时间十位数显示器 代号 对应输出点 ELI EL2 EL3 EL4 B LE1 LE2 LE3 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y10-Y16 Y20-Y26 Y30-Y36 裁判台开始按钮 SB0 一队抢答按钮 SB1 二队抢答按钮 三队抢答按钮 四队抢答按钮 SB2 SB3 SB4 裁判台复位按钮 SB5 时间个位数显示器 为了电路接线的方便，我将SBO作为裁判台的开始抢答按钮，与之相对应的输入信号 为X0。将SB1、SB2、SB3、SB4作为一至四队各个参赛队伍的抢答按钮，与之 ----- 对应的 输入信号为XI、X2、X3、X4。将SB5作为裁判台的复位按钮，与之对应的输入信号为X5。 然后用Yl、Y2、Y3、Y4四个输出信号来控制一至四队各个参赛队伍的指示灯，用输出信 号Y5来控制提示咅响。用Y10-Y16七个输出信号来控制显示抢答成功的参赛队伍的队号的 数码管。用Y20-Y26七个输出信号来控制显示时间十位数的数码管。用Y30-Y36七个输出 信号来控制显示时间个位数的数码管。

5.2控制用的PLC梯形图

因为本次设H•我采用了三菱公司的FX-2N-48MR型号的PLC,因此我采用三菱公司的 gx-developer软件进行相应的梯形图编写，并通过安装gx-simulator插件来进行相应的仿真。

按系统控制要求所编写的梯形图如下图所示：

一队指示灯

)

二队指示灯 三队指示灯 四队指示灯

X001 co

MO TO

25

—IHh

FHI X002

——

CO

X003 CO

^1—— X004

CO

I——

Y005 —IH

48

51

60

M

4

K10 K2

(CO

(Y010

)

(Y011

)

(Y012 {Y013

提示音响

抢答计数器

有队伍抢答 后的队号显 示

复位功能 进入第二轮抢答

X001 co 71

-1(-

Ml —)1-

75

X002 co

—H

M2 —IH

79

X003 co

—1H

M3

-H H

83

X004HI-

co

M4

H卜

X005

T15 A7 —1 Hh

T1 T4 了 2

T3

T4

T5

M0 C1 139 H- — T1 I 1 1 R T1 145 ___ 1 1 ___ 1 1 Til T14

~~

T8 Til T14 ————

T4

T8 if T8

T14

Yui

3

-------- [ZRST

Ml

M4

-------- [ZRST CO C2

---------------------- [RST TO

---------------------- [RST T15

------------------------------------- (YO21

------------------------------------- (Y022

------------------------------------- (YO3O

------------------------------------- (Y032

------------------------------------- (Y033 T13

T14

—— --------------- (腿

T12

------------------------------------- (YO36

T15

:H

K1O

--------------------------------------(T1

K1

--------------------------------------(C1

一队抢答继电器

二队抢答继电器

三队抢答继电器

ptl队抢答继电器

按下开始抢答 按钮时间显示 器倒计时显示

231

T9

238

TIO —Ih

{RST T8

K1O {RST T7

K1O T1O

245

{RST T9

Til

K1O

252 259 266

{RST T10

K10

{RST Til K10 {RST T12

K10

{RST

T13

K10

280

[KST

C2

T14

K2

283

按下抢答按钮重 賈时间显示器

298

图5.1 PLC梯形图

5.3控制用的PLC指令表

5.4程序运行分析

为节约能源，本设计采用了不在工作状态下不进行指示灯和显示器的显示功能。即当裁 判台还没有按下开始抢答按钮的情况下，各个参赛台的指示灯都是熄灭的且所有的时间示 器和队号S示器也是熄灭的。

当裁判台按下开始抢答按钮SBO后，X000的输入信号输入PLC,即各个参赛台都处于 可以抢答的状态，各个参赛台的指示灯都亮起且时间显示器开始15秒开始抢答时间的倒计 时，但是这个时候队号显示器还是熄灭不显示队号的状态。同时为防止裁判台第二次误按开 始抢答按钮，用中间继电器M0采用了一个互锁的设定，使在裁判台没按下S位按钮的情况 下，第一次以后按下的开始抢答按钮变为无效。

同样，对各个参赛台用计数器C0采用了互锁设定，即在裁判台没按下复位按钮SB5的 情况下，四个参赛台只有第一个按下的抢答按钮有效。当第一个参赛台按下抢答按钮后，队 号显示就是显示该参赛队的队号，同时重賈时间示器并直接进入15秒抢答时间的倒计时， 与此同吋赛场的提示咅响也会发出1秒钟的提示咅来提醒成功抢答参赛队的诞生，并熄灭另

外三个没有成功抢答的参赛台的指示灯來表示这些参赛队在该轮抢答失去抢答权。 如果在开裁判台按K开始抢答按钮SBO后的15秒内，没有参赛队进行抢答，则视为该

轮抢答无效，然后由裁判台按卜*复位按钮SB5,进行复位。当复位按钮SB5被按下的时候 各个时间继电器、中间继电器和计数器都被重置，从而进入卜一轮的答题。

本没计采用时间继电器计算时间的方法来进行队号的显示，并通过参赛队按下抢答按钮 來重置时间继电器。

当参赛台按下抢答按钮时，会有相应的输入信号输入PLC,与此同时会有相应的输出 信号输出來驱动数码管的显示。当1队按卜'抢答按钮SB1时，输入信号为X001,驱动队号 显示器数码管的输出信号为Y011和Y012。这样数码管就会显示1來表示1号队抢答成功; 同样2队按下抢答按钮SB2时，输入信号为X002,输出信号为Y010、YOU、Y013、Y014 和Y016,数码管就是显示2來表示2队抢答成功；当3队按卜‘抢答按钮SB3时，输入信号 为X003,输出信号为Y010、Y011、Y012、Y013和Y016,数码管显示3來表示3队抢答 成功；当4队按下抢答按钮SB4时，输入信号为X004,输出信号为Y011、Y012、Y015和 Y016,数码管显示4来表示4队抢答成功。

5.5程序调试方法

按照外部电路图，将六个相应的按钮、21个限流电阻、提示音响、4个指示灯和3个七 段数码管与PLC完成接线。然后通过三菱工控编程软件gx-developer 8.86版创建工程进行 程序编写。正常工作的情况下相应的程序存在与存储卡里，一旦要修改原有的程序，必须先 将PLC停止，然后运行三菱工控编程软件gx-developer 8.86版，并打开本设计创建的工程 程序，可以川可编程器调试也可以使川在线调试的方法进行调试。只要进行相应的程序修改 就可以达到修改参数的目的，无耑改动外部电路。