江苏城市职业学院
毕业设计说明书
（ 2013 届 ）
设计（论文）题目 基于三菱FX2N的PLC抢答器控制设计
连云港 （信息工程系）
办 学 点 （系） 机电一体化 业 级 08机电（五）
专班
学号 0839010307
学生姓名
指
导教师 徐以标 职称高级技师
2012年12月22日 江苏城市职业学院教处
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【摘要】：三菱FX2N系列PLC（Programmable Logic Controller）控制四路抢答器，并且详细分析介绍了控制方案。众所周知，抢答器的应用极为广泛，在各种智力竞赛及各种娱乐上用来作为公正的竞争裁判者，促进了勤动脑、爱思考的理念。因此人们对于抢答器的需求越来越大，由于PLC具有可靠性高、体积小、通用性、使用方便等优点,具有方便灵活，维护使用方便等特点。本文采用了三菱 FX2n-32MR型PLC 作为核心控制器进行抢答器系统的设计，并且设计出了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案。同时根据抢答器的控制要求和特点,确定PLC 的输入输出分配,并进行调试。
【关键字】：PLC；四路抢答器 ;设计
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目录
1 可编程逻辑控制器PLC概述 ................................ 1 1.1PLC的简介 .............................................. 1 1.2 PLC的基本结构 ......................................... 2 1.3 PLC的工作原理 ......................................... 4 1.4 PLC的应用领域 ......................................... 5 2抢答器简介 ............................................... 7 2.1 抢答器的分类 .......................................... 7 2.2 基于PLC的抢答器的总体设计要求 ........................ 8 3基于PLC的抢答器的硬件设计 ............................... 9 3.1控制器 ................................................. 9 3.2显示设计 .............................................. 10 3.3系统结构 .............................................. 11 3.4 I/O分配 .............................................. 11 3.5按钮显示 .............................................. 12 3.6硬件控制接线图 ........................................ 13 4基于PLC的抢答器的软件设计 .............................. 14 4.1抢答器程序 ............................................ 14 4.2程序运行过程的分析 .................................... 18 总 结 ................................................... 19 参考文献 ................................................. 20 致 谢 ................................................... 21
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1 可编程逻辑控制器PLC概述
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
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，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。
1.1PLC的简介
国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义如下:
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置，是带有存储器，可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术等操作,并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形式
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一体，易于拓展其功能的原则设计。
事实上,PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以输入，输出等模块，可以方便的用于工业控制领域的装置。PLC与机器人，计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。
1.2 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，如图1所示：
图1 PLC硬件结构
1.中央处理单元（CPU）
在可编程序控制器控制系统中，CPU模块相当与人的大脑，它不断地采集输入信号执行用户程序，刷新系统的输出。
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。
3、基本I/O接口电路
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输入(Input)模块和输出(Output)模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号。数字量(或称开关量)输入模块用来接收从按钮、接近开关、光电开关、压力继电器等发出的数字量信号。模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯和报警装置等输出设备。模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。
4、接口电路
PLC接口电路分为I/O扩展接口电路和外设通信接口电路两类 (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。
5、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）。
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1.3 PLC的工作原理
扫描技术 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。
(一) 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。
(二) 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。
(三) 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。
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同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。
一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。
PLC信号传递过程，如图2所示：
图2 PLC的传递过程
1.4 PLC的应用领域
目前，PLC在国内外己广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳如下几类：
（1）开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控及自动化流水线；如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流
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量、液位元元和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量(Digital)之间的A/D转换D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟控制。
（3）运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，世界上各主要PLC厂家的产品几科都是有运动控制功能。广泛地用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLD模块，目前许多小型PLC也具有PID功能。PID处理一般是运用专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
（5）数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成资料的采集、分析及处理。这些资料可以与储存在内存中的参考值比较、完成一定的控制操作，也可以利用功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表，数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于程控系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（6）通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通讯功能。纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通讯接口，通讯非常方便。变为二进制码。
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2抢答器简介
抢答器广泛应用于电视台、商业机构及学校，为竞赛增添了刺激性、娱乐性，在一定程度上丰富了人们的业余生活。以下介绍一种简单式抢答器，能使四个队同时参加抢答,赛场中设有1个裁判台，4个参赛台，分别为1号、2号、3号、4号参赛台. PLC控制,抢答操作方便，在很多的场所都可以使用，并且给人的视觉效果非常好。
抢答器，顾名思义就是用于比赛时，跟对手比反应时间，思维运转快慢的新型电器。随着社会科技技术的不断发展，他的应用场合也随之增加；技术含量大大提升；更加方便可靠。目前, 形式多样、功能完备的抢答器已广泛应用于电视台、商业机构、学校及企事业单位, 它为各种竞赛增添了刺激性、娱乐性, 在一定程度上丰富了人们的业余生活。用PLC进行知识竞赛抢答器设计，其控制方便，灵活，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。
PLC智能抢答器与单片机抢答器相比，在许多方面都显示出优越性.首先说一下单片机抢答器，所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片机CPU及其它外围芯片，根据不同系统设计电路板，最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能。这种形式在 80年代国内很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面的限制，目前除了仪表上仍然采用外，在工业现场的应用已逐步被PLC所代替。
2.1 抢答器的分类
（1）电子抢答器 电子抢答器的中心构造一般都是由抢答器由单片机以及外围电路组成，其搭配的配件不同又分为，非语音非记分抢答器和语音记分抢答器。多适
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用于学校和企事业单位举行的简单的抢答活动。非语音记分抢答器构造很简单，就是一个抢答器的主机和一个抢答按钮组成，在抢答过程中选手是没有记分的显示屏。语音记分抢答器是有一个抢答器的主机和主机的显示屏和选手的记分显示屏。
（2）电脑抢答器 电脑抢答器又分为无线电脑抢答器和有线电脑抢答器。无线电脑抢答器的构成是由：主机和抢答器专用的软件和无线按钮。无线电脑抢答器利用电脑和投影仪，可以把抢答气氛活跃起来，一般多使用于电台等大型的活动。有线电脑抢答器也是由主机和电脑配合起来，电脑在和投影仪配合起来，利用专门研发的配套的抢答器软件，可以十分完美的表现抢答的气氛。
2.2 基于PLC的抢答器的总体设计要求
本设计总结实际比赛的经验，由总控制台控制四路抢答选手的各项操作。A.B.C.D四个人桌上各有一个抢答按钮，分别接到PLC的X0.X1.X2,X3输入端，通过Y0,Y1,Y2,Y3,用四个灯L1,L2,L3,L4显示他们的抢答信号。在具体说明如下：
1）当控制按下开始开关SB0时，抢答开始，最先按下按钮的抢答者对应的亮，与此同时，另外三个抢答者的灯不亮。
2）在Y0,Y1,Y2,Y3的控制电路中，分别用了常开触点实现自锁，为了实现互锁(即某个灯亮后另外两个灯不能亮)，将各输出继电器的常闭触点与另外两个输出继电器的线圈分别串联。
注意事项
1）当抢答允许开关SB0没有接通时，各抢答器按钮是否是对应灯亮。它接通后，按某一个按钮是否能是对应的灯亮。
2）某一抢答者的灯亮后，另外两个抢答者的灯是否还能被点亮。 3）断开抢答允许开关SB0，是否是否使已亮的灯熄灭。
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1.根据要求绘制的流程图
3基于PLC的抢答器的硬件设计
3.1控制器
FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2n-32MR（系列具备如下特点最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块，灵活性和控制能力强，可扩展到256点。定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。主单元可配置总计达38个特殊功能模块。输入点数16，输出点数16，输入输出点总数32。
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3.2显示设计
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关如图3 发光二极管构造图
图3发光二极管构造图
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3.3系统结构
抢答器通过PLC进行按控制要求编程，其主要的输入就是通过主持人和参赛选手的按钮，然后将信号传递给信息分析中心（PLC），PLC将根据信号作出相应的响应。
图4系统控制结构框图
3.4 I/O分配
PLC的I/O分配如表： PLC端子 X0 X1 X2 X3 X10 功能说明 抢答选手按钮L1 抢答选手按钮L2 抢答选手按钮L3 抢答选手按钮L4 主持人开关按钮 PLC端子 Y0 Y1 Y2 Y3 Y13 功能说明 控制二极管显示 控制二极管显示 控制二极管显示 控制二极管显示 控制电路通与断
主机COM0、COM1、COM2、COM3、COM4等接电源GND 11
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按钮显示
图5按钮显示图
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3.6硬件控制接线图
图6硬件控制接线图
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4基于PLC的抢答器的软件设计
4.1抢答器程序
主持人提出问题后，按下开始开关SB0，选手开始抢答，X0常开触点闭合并自锁。在X0闭合后仍保持在ON状态（自锁）。同时，将其常闭触点串入其他各回路中，在Y001接通后，他的常闭触点打开，切断其他抢答回路（互锁）； 根据控制要求进行梯形图绘制，梯形图如图7
图7抢答器梯形图
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语句指令
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YOO0梯形图
Y000语句指令
Y001梯形图
Y001语句指令
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Y002梯形图
Y002语句指令
Y003梯形图
Y003语句指令
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4.2程序运行过程的分析
（1）由于一组的线圈Y000使用他的自身触点（常开触点），在X000闭合后仍保持在ON状态（自锁）。同时，将其常闭触点串入其他各回路中，在Y000接通后，他的常闭触点打开，切断其他抢答回路（互锁）；
（2）二组的线圈Y001，三组的线圈Y002和四组的线圈Y003以同样方式动作，再次动作时将清零；
（3）主持人按下开关SB0使X010闭合后，使PLC通电工作；
（4）如果Y000，Y001，Y002和Y003任何一个闭合，则以示抢答成功。
（5）触点X010断开后，PLC清零，为下一轮抢答做好准备
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总 结
本次的抢答器的设计将我们学到的知识应用到了实践，深化了对可编程控制器梯形图设计的认识，在设计的实践中获得新知。该项目主要以三菱FX2n-32MRPLC为核心器件，通过计算机按项目要求，用梯形图编程并输入PLC，按预定的输入输出接点接入了所需的按钮及指示灯，，经过几次对照实验所设计的抢答器能可靠实现项目要求。
我这次的毕业设计，基本上完成了抢答器的设计要求，原本想拓展其功能，通过程序的设定显示选手的组号，但由于时间太匆忙，没来得及做，只是将设计要求完成。
在整个论文的完成中遇到了很多的困难，刚开始从网上搜索了很多相关的内容及排版，又根据自己的想法写了些提纲，结果徐老师给我说了很多很多不合理的地方，主要还是结构不清晰、不调理。后来我又在网上找了个思路非常清晰的论文提纲，老师又说必须按照系格式写，我才从学校网站下载下论文格式。后来经过自己一步步的归纳总结以及徐老师的耐心辅导，才完成了现在的论文，自我感觉写的还可以。此外我还遇到了许多知识上的不理解，有的是自己看书，有的是问周围的老师和同学，最后还是把不懂的地方学会学懂了，知识结构框架更加 立体了，感觉非常充实。
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参考文献
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致 谢
首先，我要感谢我的指导老师徐老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，给了起到了指明灯的作用；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次我要感谢同组同学对我的帮助和指点，没有他们的帮助和提供资料，没有他们的鼓励和加油，这次毕业设计就不会如此的顺利进行。
毕业设计，帮助我们总结大学五年收获、认清自我。同时，还帮助我们改变一些处理事情时懒散的习惯。每一步都是环环相扣，衔接紧密，其中任何一个步骤产生遗漏或者疏忽，就会对以后的设计带来很多的不便。五年的大学生活在这个季节即将划伤一个句话，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始，五年来的求学生涯，在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获颇丰，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能瓶颈，伟人，名人为我所崇拜。可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给每一位教过我的老师，尤其是指导徐老师，虽然我不是您最出色的学生，但我保证我今后肯定是您最为之骄傲的学生。在跟相处的日子中，您严谨的治学，渊博的学识，深邃的思想，雄阔的视野，为我营造了一种良好的精神氛围，授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式从论文题目的选定到论文写作的指导，经由您悉心的点拨，再经思考后的领悟，常常让我有山重水复疑无路，柳暗花明又一村。
在此再次感谢你们，祝愿你们在今后工作生活中一帆风顺，心想事成。
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