基于plc設(shè)計的知識競賽搶答器(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 不齊，很大一部分還是國外篩選出來的次等品，加上其它外圍元件（如電阻、電容等）的參數(shù)離散性也很大，批量小的產(chǎn)品不可能經(jīng)過篩選配對等技術(shù)處理，因此這樣的產(chǎn)品很難做到很好的一致性和高可靠性，因為任一元件的參數(shù)偏離設(shè)計要求都會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。另外，單片機的所有器件均不是工業(yè)級的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力很弱，而國內(nèi)的電源一般都很差，加上壓片機的變頻調(diào)速對電源的干擾很大，因此，更可能引起單片機系統(tǒng)的不穩(wěn)定 [11][12]。 單片機的可擴展性：由于單片機的線 路是根據(jù)一定的功能要求特別設(shè)計的，所以要增加一個功能就要重新設(shè)計線路，而且對應(yīng)的程序都要重新設(shè)計。這樣對于增加功能的開發(fā)成本和周期都會增加 [11]。 單片機的可維護性：一旦單片機系統(tǒng)出現(xiàn)故障，很難診斷出故障元件，最簡單的方法是更換整個系統(tǒng)，這樣維修成本增加了 [12]。 操作：現(xiàn)在國內(nèi)單片機系統(tǒng)的操作均采用自設(shè)計的鍵盤，設(shè)定數(shù)據(jù)用撥碼開關(guān)， 顯示用 LED，整個面板顯得繁鎖，而且為了減少操作鍵，設(shè)計時往往一鍵多用，操作人員很難脫開說明書操作。特別是故障顯示只能顯示故障代碼，一旦發(fā)生故障，操作人員必須翻閱說明書方 能發(fā)現(xiàn)故障所在，最終按說明書指示排除故障，這樣排除故障的時間相對較長。總之，這樣的人機對話不夠友善。 特點：不可靠，價格便宜。 可編程控制器（ PLC）： 所謂 PLC系統(tǒng)就是采用目前市場上各大工業(yè)控制廠家生產(chǎn)的可編程控制器，根據(jù)要求選用不同的模塊，在此基礎(chǔ)上設(shè)計程序以達到所設(shè)計的功能。這種形式目前在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用最為廣泛 [10]。 PLC的可靠性：進口 PLC采用的 CPU都是生產(chǎn)廠家專門設(shè)計的工業(yè)級專用處理器，其余各元件也是直接向生產(chǎn)廠家購買的，經(jīng)過嚴格挑選的工業(yè)級元件，另外它的電源模塊也是集各大公司工業(yè)控制的經(jīng) 驗而特別設(shè)計的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力有很大提高，即使在電源很差和變頻調(diào)速的干擾下仍能正常工作。 PLC的可擴展性： 要增加一個功能只要增加相應(yīng)的模塊和修正對應(yīng)的程序，而PLC的編程相對比較簡單，這樣對于開發(fā)周期會縮短。 PLC的可維護性： PLC本身有很強的自診斷功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，根據(jù)自診斷很容易診斷出故障元件，即使非專業(yè)人員也能維修，如果故障由于程序設(shè)計不合理引起，由于它提供完善的調(diào)試工具，要找出故障也較為簡單。 操作： PLC的操作采用觸摸式操作終端，人機界面，全屏顯示，上面設(shè)計了很詳盡的操作指南，即使第一次使用，也能根據(jù)提示順利操作，這就降低了對操作人員的要求，一般工人也能很快掌握。另外，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，畫面自動切換到故障提示畫面，提示故障原因和排除方法。甚至可以顯示故障在機器上的位置，維修人員可以根據(jù)提示很快排除故障。 特點：價格與前二種控制器相比略貴，可靠性好，操作簡單。 綜合以上的分析和比較，最終決定采用 PLC。 3 硬件電路設(shè)計 控制特點分析 知識競賽搶答器通過 PLC進行按控制要求編程，其主要的輸入就是通過裁判員和參賽選手的按鈕，然后將信號傳遞給信息分析中心（ PLC）， PLC將根據(jù)信號作出相應(yīng)的響應(yīng)。知識競賽搶答器有六個輸入信號（即六個按鈕），九個輸出信號（即五個臺燈信號、一個音響信號、三個數(shù)碼管輸出信號）。由上可知 PLC共有六個輸入點，九個輸出點。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如下圖 31所示： PLC機型的選擇步驟與原則 隨著 PLC技術(shù)的發(fā)展， PLC產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號的 PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選用 PLC，對于提高 PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標有著重要意義。 PLC的選擇主要應(yīng)從 PLC的機型、容量、 I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。 PLC機型的選擇 PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點： ⑴ 合理的結(jié)構(gòu)型式 PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。 整體式 PLC的每一個 I/O點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小，一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式 PLC的功能擴展靈活方便，在 I/O點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、 I/O模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 ⑵ 安裝方式的選擇 PLC系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠程 I/O式以及多 臺 PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。 PLC SB0 SB5 SB1 SB2 SB3 SB4 顯示器 參賽隊號碼 計數(shù)器的個位 計數(shù)器的十位 1號臺燈 2號臺燈 3號臺燈 4號臺燈 蜂鳴器 圖 31 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖 集中式不需要設(shè)置驅(qū)動遠程 I/O硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠程 I/O式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠程 I/O可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設(shè)驅(qū)動器和遠程 I/O電源；多臺 PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設(shè)備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型 PLC，但必須要附加通訊模塊。 ⑶ 相應(yīng)的功能要求 一般小型 (低檔 )PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，對于只需要開關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。 對于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換單元，具有加減算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強型低檔 PLC。 對于控制較復(fù)雜，要求實現(xiàn) PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔 PLC。但是中、高檔 PLC價格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。 ⑷ 響應(yīng)速度要求 PLC是為工業(yè)自動化設(shè)計的通用控制器，不同檔次 PLC的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用 PLC，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應(yīng)該慎重考慮 PLC的響應(yīng)速度，可選用具有高速 I/O處理功能的 PLC，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的 PLC等。 ⑸ 系統(tǒng)可靠性的要求 對于一般系統(tǒng) PLC的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。 ⑹ 機型盡量統(tǒng)一 一個企業(yè)，應(yīng)盡量做到 PLC的機型統(tǒng)一。主要考慮到以下三方面問題： ①機型統(tǒng)一，其模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理。 ②機型統(tǒng)一，其功能和使用方法類似，有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高。 ③機型統(tǒng)一，其外部設(shè)備通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計算機后易 于形成一個多級分布式控制系統(tǒng)。 綜上所述，基于以上思想，選用日本三菱公司 FX48MR系列的 PLC作為控制主機。 流程圖 當裁判按下開始按鈕時，四個參賽對處于搶答狀態(tài)，假如是一號參賽隊先搶到題目， PLC先判斷搶答是否成功，若成功，則進行下一部看是否在規(guī)定的搶答時間內(nèi)答題，若在規(guī)定時間內(nèi)，則答題結(jié)束；若超時，則提示主持人；如果搶答沒有成功，則判斷是否搶答犯規(guī)，若法規(guī)，某法規(guī)臺燈亮，總臺燈亮出指令。 PLC與七段 LED顯示器連接設(shè)計 LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及主要特性 ⑴ LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu) LED 數(shù)碼管是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，亦稱半導(dǎo)體數(shù)碼管。將條狀發(fā)光二極管按照共陰極（負極）或共陽極（正極）的方法連接，組成 “ 8”字，再把發(fā)光二極管另一電極作筆段電極，就構(gòu)成了 LED 數(shù)碼管。若按規(guī)定使某些筆段上的發(fā)光二極管發(fā)光，就能顯示從 0～ 9 的一系列數(shù)字。同熒光數(shù)碼管（ VFD）、輝光數(shù)碼管（ NRT）相比，它具有：體積小、功耗低、耐震動、壽命長、亮度高、單色性好、發(fā)光響應(yīng)的時間短，能與 TTL、 CMOS 電路兼容等優(yōu)點。現(xiàn)已廣泛用作數(shù)字化儀表、數(shù)控裝置、家用電器中的數(shù)顯器件。 常見 LED 數(shù)碼管的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 314所示。圖 314屬于共陽極結(jié)構(gòu)，圖320采用共陰極結(jié)構(gòu)。分別表示公共陽極和公共陰極。 a～ g 是 7 個筆段電極， DP 為小數(shù)點。另有一種字高為 mm 的超小型 LED 數(shù)碼管，管腳從左右兩排引出，小數(shù)點則是獨立的。 圖 32 常見 LED數(shù)碼管的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu) ⑵ LED數(shù)碼管的主要特性 ①工作電壓 ～ 5V，一般為 ～ ，工作電流 5～ 10mA，高亮度管可在低電壓和小電流（ 1mA左右）條件下工作。 ②單色性好，亮度高、高頻特性優(yōu)良，發(fā)光響應(yīng)時間非常短，通常小于 。 好，工作溫度范圍為 30～ +80℃，使用壽命可達 5M小時以上。 ③ LED數(shù)碼管每筆畫工作電流 I在 5～ 10 mA 之間，若電流過大會損壞數(shù)碼管，因此必須加限流電阻，其阻可按下式計算 R=（ V0V1） /I 其中 V0為加在 LED兩端上的電壓， V1為 LED數(shù)碼管每筆劃壓降（約為 2V）。 PLC與七段數(shù)碼管方案選擇 PLC (可編程控制器 ) 具有體積小、抗干擾能力強以及運行可靠等諸多優(yōu)點。PLC 的梯形圖語言清晰直觀、可讀性強， 易于掌握。在工業(yè)控制中， PLC作為面向控制對象的下位機，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。但對于一般的中小型的專用設(shè)備，采用工業(yè)控制計算機作為上位機會使成本大大提高，同時不便于在操作現(xiàn)場直接讀取或輸入數(shù)據(jù) .在顯示數(shù)據(jù)較少時，采用 PLC 控制 LED直接進行數(shù)據(jù)顯示，可以降低成本，使得數(shù)據(jù)顯示直觀。而當欲顯示的數(shù)據(jù)較多時， PLC 直接進行數(shù)據(jù)顯示，會使得所需 PLC 輸出點數(shù)大大增加，同時由于 PLC 梯形圖的局限性，abcdefg1 2 5431 09876g f bae d D Pc++● D PОООООООО+aD PgfedcbООООООООaD Pgfedcb( a ) ( c )( b )會使得顯示程序的編制變得非常復(fù)雜，這不僅增大了程序編制的難度，而且增加了程序的執(zhí)行時間，從而大大地降低了顯示速度。 在應(yīng)用可編程序 控制器 (PLC)構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，除要求 PLC完成指定的控制功 能外，往往還要求附帶有輸出顯示，對一些參數(shù)進行動態(tài)實時顯示，以利于操作者監(jiān)控生產(chǎn)過程。 PLC通過輸出模塊外接顯示電路，一般要求少占用輸出點數(shù)、外接電路簡單、輸出顯示速度盡可能快。 OMRON公司推出的 CQM1型 PLC指令中設(shè)置了 7段輸出顯示指令 7SEG(2)，該指令有 4位和 8位兩種方式，輸出 8位數(shù)時要占用13 個輸出點，若要求輸出顯示 5 位數(shù)時，需選用 8位方式，占用 13個輸出點。 PLC輸出模塊接 LED數(shù)碼管顯示的方法已應(yīng)用在一實際 CQM1型 PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)中。 PLC 驅(qū)動的顯示電路配合 PLC 程序，可以實現(xiàn)如下的指標的數(shù)據(jù)顯示 [7]: ⑴ 在僅占用 PLC16點輸出的情況下，顯示的 LED可多達 128 個。 ⑵ 所有的顯示單元的電路結(jié)構(gòu)完全相同，可以互換。 ⑶ 所有的顯示單元與 PLC之間的連線完全相同，硬件連線簡單。 ⑷ 采用靜態(tài)顯示方式，顯示沒有閃爍感。 ⑸ 每一位 LED數(shù)據(jù)更新顯示僅需 2個 PLC 掃描周期。 ⑹ 在沒有新數(shù)據(jù)顯示時，程序進行循環(huán)顯示，使顯示電路的抗干擾能力增強。 由上述可知，結(jié)合本次設(shè)計，由于輸入輸出點并不是很多，采用 PLC 控制 LED 直接進行數(shù)據(jù)顯示方案，可以大大降低設(shè)計成本。 PLC與七段數(shù)碼管直接連接阻值計算 根據(jù) LED數(shù)碼管每筆畫工作電流 I在 5～ 10 mA 之間，若電流過大會損壞數(shù)碼管，