81知识竞赛抢答器PLC设计

知识竞赛抢答器 PLC设计

第一章 概述

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，使用灵活方便，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。长见的几种 PLC 如下 图1-1所示：

图 1-1 三种常见的 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。

1.2PLC 的用途与特点

1.2.1 PLC的用途

PLC

的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器

芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC 的 应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、 纺织、环保等行业。PLC的应用通常可分为五种类型：

（1）顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可 应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机 械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。

（2）运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位 置控制模版。在多数情况下，PLC 把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数 轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。

相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快， 操作方便。

（3）闭环过程控制 PLC 能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID （Proportional Intergral Derivative）模块的提供使 PLC 具有闭环控制功能,即一个具有 PID 控制能力的 PLC 可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID 控制算法会 计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。

（4）数据处理 在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC） 设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制 功能作为 PLC 的一部分。为了实现 PLC 和 CNC 设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗 口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。美国GE公司的CNC 设备新机种也同样使用了具有数据处理的 PLC。预计今后几年 CNC 系统将变成以 PLC 为主体 的控制和管理系统。

（5）通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统 （FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展 PLC 之间，PLC 和上级计算机之间 的通信功能。作为实时控制系统，不仅 PLC 数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障 时的对策。

1.2.2 PLC的特点

（1）抗干扰能力强，可靠性高 继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用 了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时 受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、 时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间 继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10­­1/100， 因触点接触不良造成的故障大为减少。

而 PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电

器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。

微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁波干扰，电源波动，机械 振动，温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而 PLC 在电子线路、机械 结构以及软件结构上都吸收了生产控制经验，主要模块均采用了大规模集成电路，I/O 系统 设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、抗震等都有精确的考虑； 在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力，目前个生产厂家生产的 PLC，平均无 故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。

（2）控制系统结构简单、通用性强、应用灵活 PLC产品均成系列化生产，品种齐全， 外围模块品种也多，可有各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在 PLC 构成 的控制系统中，只需在 PLC 的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器 之类的物理电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统 功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线量很小。同一个 PLC 装置有、用于不 同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。

（3）编程方便，易于使用 PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程 技术人员的技能和习惯，PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯 形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受 现场电气技术人员的欢迎，近年来又发展了面向对象的顺序控制流程图语言，也称功能图， 使编程更加简单方便。

（4）功能完善，扩展能力强 PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件， 可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。PLC 内部具 有许多控制功能，能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。 PLC 具有通信联网功能，他不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许 多生产线。他不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。

（5）PLC 控制系统设计、安装、调试方便 PLC 中相当于继电器系统中的中间继电器、 时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品 化，故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。又由于用软件编程取代了 硬接线实现控制功能，使安装接线量大大减小，设计人员只要一台 PLC 就可进行控制系统的 设计可在实验室进行模拟调试。而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。

（6）维修方便，维修工作量小 PLC具有完善的自诊断，履历情况存储及监视功能。对 于内部工作状态、通信状态、异常状态和 I/O 点的状态均有显示。工作人员通过他可查出故 障原因，便于迅速处理，及时排除。

（7）结构紧凑 体积小、重量轻，易于实现机电一体化。

由于以上特点，使得PLC获得极为广泛的应用。

1.3PLC 的分类

1.3.1 按I/O点数容量分类

一般来说，PLC 处理的 I/O 点数比较多，反映控制关系比较复杂，用户要求的程序存储 器容量比较大，要求 PLC 的指令及其他功能比较多，指令执行的过程比较快等。按 PLC 的输 入输出点数可将PLC分为三类。

（1） 小型机 小型PLC的功能一般以开关量控制为主， 其输入、 输出总数在256点一下， 用户程序存储器容量在4K字一下。 现在的高性能小型机还具有一定的通信能力和少量的模拟 量处理能力。这类PLC价格低廉，体积小，适合于控制单台设备，开发机电一体化产品。

典型的小型机有 OMRON 公司的 CPM2A 系列、SIEMEN 公司的 S7­200 系列， MITSUBISH公司的FX系列和 AB公司的SLC500系列等整式PLC等产品。

（2）中型机 中型机 PLC 的输入、输出总点数在 256-2048 点之间，用户程序存储器容 量达到2-8K字。中型机PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能 力，他的通信功能和模拟量处理能力更强大。中型机的指令比小型机更丰富，适用于更复杂 的逻辑控制系统以及连续生产过程控制场合。

典型的中型机有SIEMENS公司的S-300系列、 OMRON公司的C200H系列、 AB公司的SLC500 系列模块式PLC等产品。

（3）大型机 大型机 PLC 的输入、输出总点数在 2048 点以上，用户程序存储器容量达 到8-6K字。大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，他具有计算、控制和调节的功能， 还具有很强的网络结构和通信联网能力。他的监视采用 CRT 显示，能够表示过程动态流程， 纪录各种曲线，PID 调节参数选择图；他配备多种智能板，构成一个多功能系统。这种系统 还可以和其他型号的 PLC 互联，和上位机相连，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控 制系统。大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。

典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7-400 系列、OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列、SB 公 司的SLC5/05系列等产品。

上述划分没有严格的界限，随着 PLC 技术的飞速发展，某些小型 PLC 也具备中型机和大 型机的功能，这也是PLC的发展趋势。

1.3.2 按结构形式分类

按PLC物理结构形式的不同，可分为整体式（也称单元式）和组合式（也称模块式）两 类。

（1）整体式结构 整体式结构的PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、电 源、通信端口、I/O 扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。内外还有独立的 I/O 扩展单元 等通过扩展电缆与主机上的扩展端口相连，以构成 PLC 不同配置与主机配合使用。整体式结 构的PLC结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。小型机常用这种结构。

（2）组合式结构 这种结构的PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能I/O 单元，通信单元等分别做成相应的电路板和扩展模块。组合式的特点是配置灵活，输入接点、 输出接点的数量可以自由选择，各种功能模块可以依需要灵活配置。大、中型 PLC 常用组合 式结构。

第二章 整体方案的选择

2.1 整体功能介绍

知识竞赛抢答器，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。抢答器应用场合效果如下图2-1所示：

图 2-1 抢答器应用场合效果

2.2 竞赛抢答器的控制要求

（1）知识竞赛抢答器能使4个队同时参加抢答。

（2）设裁判队为裁判台，参赛对为参赛台。裁判台设有音响和裁判灯，并且设有裁判台 开始按钮SB0和裁判台复位按钮SB5；参赛台设有参赛台抢答按钮以及参赛台灯。1-4号参赛 台分别对应按钮SB1-SB4及参赛台灯EL1-EL4。

（3）知识竞赛抢答器能适合以下比赛规则：出题后，各队抢答必须在裁判说出“开始” 并按下裁判台的开始按钮 SB0 后 15S 内抢答，并由数码管显示时间。如提前抢答，抢答器发 出“违规”信号。15S 时间到，如无队抢答，则抢答器给出时间已到信号，该题作废。在有 队抢答的情况下，则抢答器发出“抢答”信号，数码管开始计时，并由数码管显示出抢到题 的参考队号，抢到题的队必须在30S内答完题，如30S内未答完，则作超时处理。

（4）灯光与音响信号的意义如下：

[1] 音响叫（响1S）+某台灯亮，由某参赛队正常抢答。

[2] 音响叫（响1S）+某台灯亮+总台灯亮，某参赛队违规。

[3] 音响叫（响

1S）+裁判台灯亮，无人抢答或答题超时。

（5）在某个题结束后，裁判员按下台上的复位按钮SB5，抢答器恢复原来的状态，为下 一轮抢答作好准备。

（6）各输出端口统一采用直流24V电源。

2.3 用单片机和 PLC 分别做系统的比较

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。

单片机的可靠性：由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐，很大一部分还是 国外筛选出来的次等品，加上其它外围元件（如电阻、电容等）的参数离散性也很大，批量 小的产品不可能经过筛选配对等技术处理，因此这样的产品很难做到很好的一致性和高可靠 性，因为任一元件的参数偏离设计要求都会引起系统的不稳定。另外，单片机的所有器件均 不是工业级的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱，而国内的电源一般都很差，加上压片 机的变频调速对电源的干扰很大，因此，更可能引起单片机系统的不稳定。

单片机的可扩展性：由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加 一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。这样对于增加功能的开发成本 和周期都 会增加。

单片机的可维护性：一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，最简单的方法是 更换整个系统，这样维修成本增加了。

操作：现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘，设定数据用拨码开关，显示用 LED，整个面板显得繁锁，而且为了减少操作键，设计时往往一键多用，操作人员很难脱开说 明书操作。特别是故障显示只能显示故障代码，一旦发生故障，操作人员必须翻阅说明书方 能发现故障所在，最终按说明书指示排除故障，这样排除故障的时间相对较长。总之，这样 的人机对话不够友善。

特点：不可靠，价格便宜。

可编程控制器（PLC）： 所谓PLC系统就是采用目前市场上各大工业控制厂家生产的可编 程控制器，根据要求选用不同的模块，在此基础上设计程序以达到所设计的功能。这种形式 目前在工业现场应用最为广泛。

PLC 的可靠性：进口 PLC 采用的 CPU 都是生产厂家专门设计的工业级专用处理器，其余 各元件也是直接向生产厂家购买的，经过严格挑选的工业级元件，另外它的电源模块也是集 各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高，即使

在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作。

PLC 的可扩展性：要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序，而 PLC 的编 程相对比较简单，这样对于开发周期会缩短。

PLC的可维护性：PLC本身有很强的自诊断功能，一旦系统出现故障，根据自诊断很容易 诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修，如果故障由于程序设计不合理引起，由于它提 供完善的调试工具，要找出故障也较为简单。

操作：PLC 的操作采用触摸式操作终端，人机界面，全屏显示，上面设计了很详尽的操 作指南，即使第一次使用，也能根据提示顺利操作，这就降低了对操作人员的要求，一般工 人也能很快掌握。另外，一旦系统发生故障，画面自动切换到故障提示画面，提示故障原因 和排除方法。甚至可以显示故障在机器上的位置，维修人员可以根据提示很快排除故障。

特点：价格与前二种控制器相比略贵，可靠性好，操作简单。

综合以上的分析和比较，最终决定采用PLC。

第三章 硬件电路设计

3.1 控制特点分析

知识竞赛抢答器通过PLC进行按控制要求编程，其主要的输入就是通过裁判员和参赛选 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。知识 竞赛抢答器有六个输入信号（即六个按钮），九个输出信号（即五个台灯信号、一个音响信号、 三个数码管输出信号）。由上可知 PLC 共有六个输入点，九个输出点。系统控制结构框图如 下图3­1所示：

3.2 PLC 机型的选择步骤与原则

随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性 能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理 选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联 网能力等方面加以综合考虑。

PLC机型的选择

PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳 的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：

(一) 合理的结构型式

PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。

整体式 PLC 的每一个 I／O 点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系 统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式 PLC 的功能扩展灵活方便,在 I／O 点数、 输入点数与输出点数的比例、I／O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复 杂的控制系统。

(二) 安装方式的选择

PLC系统的安装方式分为集中式、远程I／O式以及多台PLC联网的分布式。

集中式不需要设置驱动远程 I／O 硬件，系统反应快、成本低；远程 I／O 式适用于大型 系统，系统的装置分布范围很广，远程I／O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要 增设驱动器和远程 I／O 电源；多台 PLC 联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要 相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。

(三)相应的功能要求

一般小型(低档)PLC 具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备 都可满足。

对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带 A／D 和 D／A 转换单 元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。

对于控制较复杂，要求实现 PID 运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小 及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制 和集散控制系统等场合。

(四)响应速度要求

PLC 是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次 PLC 的响应速度一般都能满足其应 用范围内的需要。如果要跨范围使用 PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应

该慎重考虑 PLC 的响应速度，可选用具有高速 I／O 处理功能的 PLC，或选用具有快速响应 模块和中断输入模块的PLC等。

(五)系统可靠性的要求

对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余 系统或热备用系统。

(六)机型尽量统一

一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑到以下三方面问题：

１)机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。

２)机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。 ３)机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成 一个多级分布式控制系统。

综上所述，基于以上思想，选用日本三菱公司FX­48MR系列的PLC作为控制主机。

3.3 流程图（见附图）

当裁判按下开始按钮时，四个参赛对处于抢答状态，假如是一号参赛队先抢到题目，PLC 先判断抢答是否成功，若成功，则进行下一部看是否在规定的抢答时间内答题，若在规定时 间内，则答题结束；若超时，则提示主持人；如果抢答没有成功，则判断是否抢答犯规，若 法规，某法规台灯亮，总台灯亮；主持人按下复位，整个答题结束。

3.4 程序中所使用的FX 系列 PLC的编程元件的介绍

3.4.1 三菱FX系列PLC取指令与输出指令（LD/LDI/LDP/LDF/OUT）

取指令与输出指令（LD/LDI/LDP/LDF/OUT）

（1）LD（取指令）一个常开触点与左母线连接的指令，每一个以常开触点开始的逻辑行 都用此指令。

（2）LDI（取反指令）一个常闭触点与左母线连接指令，每一个以常闭触点开始的逻辑 行都用此指令。

（3）LDP（取上升沿指令）与左母线连接的常开触点的上升沿检测指令，仅在指定位元 件的上升沿（由OFF→ON）时接通一个扫描周期。

（4）LDF（取下降沿指令）与左母线连接的常闭触点的下降沿检测指令。

（5）OUT（输出指令）对线圈进行驱动的指令，也称为输出指令。

取指令与输出指令的使用如图3-2所示。

图 3-2 取指令与输出指令的使用

取指令与输出指令的使用说明：

1）LD、LDI 指令既可用于输入左母线相连的触点，也可与 ANB、ORB 指令配合实现块逻 辑运算；

2）LDP、LDF指令仅在对应元件有效时维持一个扫描周期的接通。图3-2中，当M1有一 个下降沿时，则Y3只有一个扫描周期为ON。

3）LD、LDI、LDP、LDF指令的目标元件为X 、Y 、M 、T、C、S；

4）OUT 指令可以连续使用若干次（相当于线圈并联），对于定时器和计数器，在 OUT 指 令之后应设置常数K或数据寄存器。

5）OUT指令目标元件为Y、M、T、C 和S，但不能用于X。

3.4.2 三菱FX系列PLC触点串联指令（AND/ANI/ANDP/ANDF）

触点串联指令（AND/ANI/ANDP/ANDF）

（1）AND（与指令）一个常开触点串联连接指令，完成逻辑“与”运算。

（2）ANI（与反指令）一个常闭触点串联连接指令，完成逻辑“与非”运算。

（3）ANDP上升沿检测串联连接指令。

（4）ANDF下降沿检测串联连接指令。

触点串联指令的使用如图3-3所示。

图 3-3 触点串联指令的使用

触点串联指令的使用的使用说明：

1）AND、ANI、ANDP、ANDF 都指是单个触点串联连接的指令，串联次数没有限制，可反 复使用。

2）AND、ANI、ANDP、ANDF的目标元元件为X、Y、M、T、C和S。

3）图3-4(b)中OUT M101指令之后通过T1的触点去驱动Y4称为连续输出。

3.4.3 三菱FX系列PLC触点并联指令（OR/ORI/ORP/ORF）

触点并联指令（OR/ORI/ORP/ORF）

（1）OR（或指令）用于单个常开触点的并联，实现逻辑“或”运算。

（2）ORI（或非指令）用于单个常闭触点的并联，实现逻辑“或非”运算。

（3）ORP上升沿检测并联连接指令。

（4）ORF下降沿检测并联连接指令。

触点并联指令的使用如图3-4

所示。

图 3-4 触点并联指令的使用

触点并联指令的使用说明：

1）OR、ORI、ORP、ORF指令都是指单个触点的并联，并联触点的左端接到

LD、LDI、LDP

或LPF处，右端与前一条指令对应触点的右端相连。触点并联指令连续使用的次数不限；

2）OR、ORI、ORP、ORF指令的目标元件为X、Y、M、T、C、S。

3.4.4 三菱FX系列PLC块操作指令（ORB / ANB）

块操作指令（ORB / ANB）

（1）ORB（块或指令）用于两个或两个以上的触点串联连接的电路之间的并联。ORB 指 令的使用如图3-5

所示。

图 3-5 ORB 指令的使用

ORB指令的使用说明：

1）几个串联电路块并联连接时，每个串联电路块开始时应该用LD或LDI指令；

2）有多个电路块并联回路，如对每个电路块使用ORB指令，则并联的电路块数量没有限 制；

3）ORB指令也可以连续使用，但这种程序写法不推荐使用，LD或LDI指令的使用次数不 得超过8次，也就是ORB只能连续使用 8次以下。

（2）ANB（块与指令）用于两个或两个以上触点并联连接的电路之间的串联。ANB 指令 的使用说明如图3-6

所示。

图 3-6 ANB 指令的使用

ANB指令的使用说明：

1）并联电路块串联连接时，并联电路块的开始均用LD或LDI指令；

2）多个并联回路块连接按顺序和前面的回路串联时，ANB指令的使用次数没有限制。也

可连续使用ANB，但与ORB一样，使用次数在 8次以下。

3.4.5 三菱FX系列PLC置位与复位指令（SET/RST）

置位与复位指令（SET/RST）

（1）SET（置位指令）它的作用是使被操作的目标元件置位并保持。

（2）RST（复位指令）使被操作的目标元件复位并保持清零状态。

SET、RST指令的使用如图3-7所示。当X0常开接通时，Y0变为ON状态并一直保持该状 态，即使X0断开Y0 的ON状态仍维持不变；只有当X1的常开闭合时，Y0才变为OFF状态并 保持，即使X1常开断开，Y0也仍为OFF

状态。

图 3-7 置位与复位指令的使用

SET 、RST指令的使用说明：

1）SET指令的目标元件为Y、M、S，RST指令的目标元件为Y、M、S、T、C、D、V 、Z。 RST指令常被用来对D、Z、V的内容清零，还用来复位积算定时器和计数器。

2）对于同一目标元件，SET、RST可多次使用，顺序也可随意，但最后执行者有效。

3.4.6 传送类指令MOV SMOV CMOV BMOV FMOV

（1）传送指令MOV (D)MOV(P)指令的编号为FNC12，该指令的功能是将源数据传送到指 定的目标。如图3-8所示，当X0 为ON时，则将[S.]中的数据K100传送到目标操作元件[D.] 即 D10 中。在指令执行时，常数 K100 会自动转换成二进制数。当 X0 为 OFF 时，则指令不执 行，数据保持不变。

图 3-8 传送指令的使用

使用应用MOV指令时应注意：

1）源操作数可取所有数据类型，标操作数可以是KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z。 2）16位运算时占5个程序步，32位运算时则占9个程序步。

（2）移位传送指令SMOV SMOV(P)指令的编号为FNC13。该指令的功能是将源数据（二 进制）自动转换成 4 位 BCD 码，再进行移位传送，传送后的目标操作数元件的 BCD 码自动转 换成二进制数。 如图3-9所示， 当X1 为ON时，将D1中右起第 4位 （m1=4） 开始的2位(m2=2) BCD码移到目标操作数D2的右起第3位(n=3)和第2位。然后D2中的BCD码会自动转换为二 进制数，而D2中的第 1位和第 4位BCD

码不变。

图 3­9 移位传送指令的使用

使用移位传送指令时应该注意：

1）源操作数可取所有数据类型，目标操作数可为KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z。

2）SMOV指令只有16位运算，占11个程序步。

（3）取反传送指令CML(D)CML(P)指令的编号为FNC14。它是将源操作数元件的数据逐位 取反并传送到指定目标。如图 3-10 所示，当 X0 为 ON 时，执行 CML，将 D0 的低 4 位取反向 后传送到Y3～Y0中。

图 3-10 取反传送指令的使用

使用取反传送指令CML时应注意：

1）源操作数可取所有数据类型，目标操作数可为KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z.，若 源数据为常数K，则该数据会自动转换为二进制数。

2）16位运算占5个程序步，32位运算占 9个程序步。

（4）块传送指令 BMOV BMOV(P)指令的 ALCE 编号为 FNC15，是将源操作数指定元件开 始的n个数据组成数据块传送到指定的目标。 如图3-11所示， 传送顺序既可从高元件号开始， 也可从低元件号开始，传送顺序自动决定。若用到需要指定位数的位元件，则源操作数和目

标操作数的指定位数应相同。

图 3­11 块传送指令的使用

使用块传送指令时应注意：

1）源操作数可取KnX、 KnY、KnM、KnS、T、C、D和文件寄存器，目标操作数可取. KnT、 KnM、KnS、T、C和D；

2）只有16位操作，占 7个程序步；

3）如果元件号超出允许范围，数据则仅传送到允许范围的元件。

（5）多点传送指令 FMOV (D)FMOV(P)指令的编号为 FNC16。它的功能是将源操作数中 的数据传送到指定目标开始的n个元件中，传送后n个元件中的数据完全相同。如图3-12所 示，当X0为ON时，把K0传送到D0～D9中。

图 3­12 多点传送指令应用

使用多点传送指令FMOV时应注意：

1）源操作数可取所有的数据类型，目标操作数可取 KnX、KnM、KnS、T、C、和 D，n 小 等于512；

2）16位操作占7的程序步，32位操作则占13个程序步；

3）如果元件号超出允许范围，数据仅送到允许范围的元件中。

3.4.7 三菱FX系列PLC常数（K、H）

K 是表示十进制整数的符号，主要用来指定定时器或计数器的设定值及应用功能指令操 作数中的数值；H 是表示十六进制数，主要用来表示应用功能指令的操作数值。 例如 20 用 十进制表示为K20，用十六进制则表示为H14。

3.4.8 三菱FX系列PLC输入继电器（X）

输入继电器与输入端相连，它是专门用来接受PLC外部开关信号的元件。PLC通过输入 接口将外部输入信号状态（接通时为“1”，断开时为“0”）读入并存储在输入映象寄存器 中。如图3­13所示为输入继电器X1

的等效电路。

图 3-13 输入继电器的等效电路

输入继电器必须由外部信号驱动，不能用程序驱动，所以在程序中不可能出现其线圈。 由于输入继电器（X）为输入映象寄存器中的状态，所以其触点的使用次数不限。

FX系列PLC的输入继电器以八进制进行编号，FX2N输入继电器的编号范围为X000~X267 （184 点）。注意，基本单元输入继电器的编号是固定的，扩展单元和扩展模块是按与基本

单元最靠近开始，顺序进行编号。例如：基本单元FX2N-64M的输入继电器编号为X000~X037 （32点），如果接有扩展单元或扩展模块，则扩展的输入继电器从X040开始编号。

3.4.9 三菱FX系列PLC输入继电器（Y）

输出继电器是用来将 PLC 内部信号输出传送给外部负载（用户输出设备）。输出继电器 线圈是由 PLC 内部程序的指令驱动，其线圈状态传送给输出单元，再由输出单元对应的硬触 点来驱动外部负载。如图3-14所示为输出继电器Y0的等效电路。

图 3-14 输出继电器的等效电路

每个输出继电器在输出单元中都对应有维一一个常开硬触点，但在程序中供编程的输出 继电器，不管是常开还是常闭触点，都可以无数次使用。

FX系列PLC的输出继电器也是八进制编号其中FX2N编号范围为Y000~Y267 （184点）。 与输入继电器一样，基本单元的输出继电器编号是固定的，扩展单元和扩展模块的编号也是 按与基本单元最靠近开始，顺序进行编号。

在实际使用中，输入、输出继电器的数量，要看具体系统的配置情况。

3.4.10 辅助继电器

辅助继电器是 PLC 中数量最多的一种继电器，一般的辅助继电器与继电器控制系统中的 中间继电器相似。

辅助继电器不能直接驱动外部负载，负载只能由输出继电器的外部触点驱动。辅助继电 器的常开与常闭触点在PLC内部编程时可无限次使用。

辅助继电器采用M与十进制数共同组成编号（只有输入输出继电器才用八进制数）。

1．通用辅助继电器（M0～M499）

FX2N系列共有500点通用辅助继电器。通用辅助继电器在PLC运行时，如果电源突然断 电，则全部线圈均OFF。当电源再次接通时，除了因外部输入信号而变为ON的以外，其余的 仍将保持OFF状态，它们没有断电保护功能。

通用辅助继电器常在逻辑运算中作为辅助运算、

状态暂存、移位等。

根据需要可通过程序设定，将M0～M499变为断电保持辅助继电器。

2．断电保持辅助继电器（M500～M3071）

FX2N 系列有 M500～M3071 共 2572 个断电保持辅助继电器。它与普通辅助继电器不同的 是具有断电保护功能，即能记忆电源中断瞬时的状态，并在重新通电后再现其状态。它之所 以能在电源断电时保持其原有的状态，是因为电源中断时用 PLC 中的锂电池保持它们映像寄 存器中的内容。其中M500～M1023可由软件将其设定为通用辅助继电器。

3．特殊辅助继电器

PLC 内有大量的特殊辅助继电器，它们都有各自的特殊功能。FX2N 系列中有 256 个特殊 辅助继电器，可分成触点型和线圈型两大类

（1）触点型 其线圈由PLC自动驱动，用户只可使用其触点。例如：

M8000：运行监视器（在PLC运行中接通），M8001与M8000相反逻辑。

M8002：初始脉冲（仅在运行开始时瞬间接通），M8003与M8002相反逻辑。

M8011、M8012、M8013 和 M8014 分别是产生 10ms、100ms 、1s 和 1min 时钟脉冲的特殊 辅助继电器。

M8000、M8002、M8012的波形图如图3-15所示。

图 3-15 M8000、M8002、M8012 的波形图

（2）线圈型 由用户程序驱动线圈后PLC执行特定的动作。例如：

M8033：若使其线圈得电，则PLC停止时保持输出映象存储器和数据寄存器内容。 M8034：若使其线圈得电，则将PLC的输出全部禁止。

M8039：若使其线圈得电，则PLC按D8039中指定的扫描时间工作。

3.4.11 三菱FX系列PLC定时器（T）

PLC 中的定时器（T）相当于继电器控制系统中的通电型时间继电器。它可以提供无限

对常开常闭延时触点。定时器中有一个设定值寄存器（一个字长），一个当前值寄存器（一

个字长）和一个用来存储其输出触点的映象寄存器（一个二进制位），这三个量使用同一地 址编号。但使用场合不一样，意义也不同。

FX2N 系列中定时器时可分为通用定时器、积算定时器二种。它们是通过对一定周期的 时钟脉冲的进行累计而实现定时的，时钟脉冲有周期为 1ms、10ms、100ms 三种，当所计数 达到设定值时触点动作。设定值可用常数 K或数据寄存器D的内容来设置。

1．通用定时器

通用定时器的特点是不具备断电的保持功能，即当输入电路断开或停电时定时器复位。 通用定时器有100ms 和10ms 通用定时器两种。

（1）100ms 通用定时器（T0～T199） 共 200 点，其中 T192～T199 为子程序和中断服 务程序专用定时器。这类定时器是对100ms时钟累积计数，设定值为1～32767，所以其定时 范围为0.1～3276.7s。

（2）10ms通用定时器（T200～T245） 共46点。这类定时器是对10ms时钟累积计数， 设定值为1～32767，所以其定时范围为0.01～327.67s。

举例说明通用定时器的工作原理。如图3­16所示，当输入X0接通时，定时器T200从0 开始对 10ms 时钟脉冲进行累积计数，当计数值与设定值 K123 相等时，定时器的常开接通 Y0，经过的时间为123×0.01s=1.23s。当X0断开后定时器复位，计数值变为0，其常开触点 断开，Y0也随之OFF。若外部电源断电，定时器也将复位。

图 3-16 通用定时器工作原理

2

．积算定时器

积算定时器具有计数累积的功能。在定时过程中如果断电或定时器线圈 OFF，积算定时 器将保持当前的计数值（当前值），通电或定时器线圈 ON 后继续累积，即其当前值具有保 持功能，只有将积算定时器复位，当前值才变为0。

（1）1ms积算定时器（T246～T249） 共4点，是对1ms时钟脉冲进行累积计数的，定 时的时间范围为0.001～32.767s。

（2）100ms 积算定时器（T250～T255）共 6 点，是对 100ms 时钟脉冲进行累积计数的 定时的时间范围为0.1～3276.7s。

以下举例说明积算定时器的工作原理。如图3­17所示，当X0接通时，T253当前值计数 数器开始累积100ms的时钟脉冲的个数。 当X0经t0后断开， 而T253尚未计数到设定值K345， 其计数的当前值保留。当X0再次接通，T253 从保留的当前值开始继续累积，经过t1时间， 当前值达到 K345 时，定时器的触点动作。累积的时间为 t0+t1=0.1×345=34.5s。当复位输入 X1接通时，定时器才复位，当前值变为0，触点也跟随复位。

图 3-17 积算定时器工作原理

3.4.12 微分指令（PLS/PLF）

（1）PLS（上升沿微分指令） 在输入信号上升沿产生一个扫描周期的脉冲输出。 （2）PLF（下降沿微分指令） 在输入信号下降沿产生一个扫描周期的脉冲输出。 微分指令的使用如图3­18所示，利用微分指令检测到信号的边沿，通过置位和复位命令 控制Y0

的状态。

图 3-18 微分指令的使用

PLS、PLF指令的使用说明：

1）PLS、PLF指令的目标元件为 Y和 M；

2）使用 PLS 时，仅在驱动输入为 ON 后的一个扫描周期内目标元件 ON，如图 3­18 所 示，M0仅在 X0的常开触点由断到通时的一个扫描周期内为ON；使用PLF指令时只是利用 输入信号的下降沿驱动，其它与PLS相同。 3.4.13 位右移和位左移指令

移位指令是PLC的一条重要指令，可用于步进顺序控制，利用这种顺序控制方式可实现其 它一些控制功能。位右、左移指令SFTR(P)和SFTL(P)的编号分别为FNC34和FNC35。它们使 位元件中的状态成组地向右（或向左）移动。n1指定位元件的长度，n2指定移位位数，n1和 n2的关系及范围因机型不同而有差异，一般为n2≤n1≤1024。位右移指令使用如图3­19所示。

图 3-19 位右移指令的使用

使用位右移和位左移指令时应注意：

1）源操作数可取X、Y、M、S，目标操作数可取Y、M、S。 2）只有16位操作，占 9个程序步。

3.5 PLC 与七段 LED 显示器连接设计

3.5.1 LED数码管的结构及主要特性

1. LED数码管的结构

LED 数码管是由发光二极管构成的，亦称半导体数码管。将条状发光二极管按照共阴极 （负极）或共阳极（正极）的方法连接，组成“ 8”字，再把发光二极管另一电极作笔段电 极，就构成了LED 数码管。若按规定使某些笔段上的发光二极管发光，就能显示从0～9 的一 系列数字。同荧光数码管（VFD）、辉光数码管（NRT）相比，它具有：体积小、功耗低、耐 震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应的时间短，能与TTL、CMOS 电路兼容等优点。 现已广泛用作数字化仪表、数控装置、家用电器中的数显器件。

常见LED 数码管的外形及内部结构如图3-20所示。图3-20属于共阳极结构，图3-20采用 共阴极结构。分别表示公共阳极和公共阴极。a～g 是7 个笔段电极，DP 为小数点。另有一

种字高为7.6 mm 的超小型LED 数码管，管脚从左右两排引出，小数点则是独立的。

图3-20 常见LED 数码管的外形及内部结构

2. LED数码管的主要特性

（1）工作电压1.5～5V，一般为1.5～2.5V，工作电流5～10mA，高亮度管可在低电压和 小电流（1mA左右）条件下工作。

（2）单色性好，亮度高、高频特性优良，发光响应时间非常短，通常小于0.1us。 （3）能与4000B系列CMOS电路或74/54系列TTL电路中的七段译码驱动器兼容、产品分为 共阳、共阴两大类型，适应性强。

（4）体积小、重量轻、抗冲击性能好，工作温度范围为-30～+80℃，使用寿命可达5M 小时以上。

（5）LED数码管每笔画工作电流I在5～10 mA 之间，若电流过大会损坏数码管，因此必 须加限流电阻，其阻可按下式计算

R=（V0-V1）/I

其中V0为加在LED两端上的电压，V1为LED数码管每笔划压降（约为2V）。 3.5.2 PLC与七段数码管方案选择

PLC (可编程控制器) 具有体积小、抗干扰能力强以及运行可靠等诸多优点。PLC 的梯形 图语言清晰直观、可读性强， 易于掌握。在工业控制中，PLC作为面向控制对象的下位机， 已广泛应用于工业控制的各个领域。但对于一般的中小型的专用设备，采用工业控制计算机 作为上位机会使成本大大提高， 同时不便于在操作现场直接读取或输入数据.在显示数据较少 时，采用PLC 控制LED直接进行数据显示，可以降低成本，使得数据显示直观。而当欲显示 的数据较多时， PLC 直接进行数据显示， 会使得所需PLC 输出点数大大增加， 同时由于PLC 梯 形图的局限性，会使得显示程序的编制变得非常复杂，这不仅增大了程序编制的难度，而且 增加了程序的执行时间，从而大大地降低了显示速度。

在应用可编程序控制器(PLC)构成的控制系统中，除要求PLC完成指定的控制功能外，往 往还要求附带有输出显示，对一些参数进行动态实时显示，以利于操作者监控生产过程。PLC

通过输出模块外接显示电路，一般要求少占用输出点数、外接电路简单、输出显示速度尽可 能快。OMRON公司推出的CQM1型PLC指令中设置了7段输出显示指令7SEG(2)，该指令有4位和8 位两种方式，输出8位数时要占用13 个输出点，若要求输出显示5 位数时，需选用8位方式， 占用13个输出点。 PLC输出模块接LED数码管显示的方法已应用在一实际CQM1型PLC构成的控制 系统中。

PLC 驱动的显示电路配合PLC 程序，可以实现如下的指标的数据显示: 1) 在仅占用PLC16点输出的情况下，显示的LED可多达128 个。 2) 所有的显示单元的电路结构完全相同，可以互换。

3) 所有的显示单元与PLC之间的连线完全相同, 硬件连线简单。 4) 采用静态显示方式，显示没有闪烁感。 5) 每一位LED数据更新显示仅需2个PLC 扫描周期。

6) 在没有新数据显示时，程序进行循环显示，使显示电路的抗干扰能力增强。 由上述可知，结合本次设计，由于输入输出点并不是很多，采用PLC 控制LED 直接进行 数据显示方案，可以大大降低设计成本。 3.5.3 PLC与七段数码管直接连接阻值计算

根据LED数码管每笔画工作电流I在5～10 mA 之间，若电流过大会损坏数码管，因此必须 加限流电阻，其阻可按下式计算

R=（V0-V1）/I

其中V0为加在LED两端上的电压，V1为LED数码管每笔划压降（约为2V）。

本次设计PLC电源采用的是直流24V，PLC的输出电压为5V，安通过数码管的电流I=3mA计 算可得R=1KΩ。本次设计共用到了三个数码管，所以须要21个1KΩ的R，以及5个EL灯和一个 音响。

3.5.4 外部硬件接线图（见附图）

为了硬件电路接线方便， SB0作为抢答的开始按钮， 对应输入点为X0， 输出点为Y0。 SB1、 SB2、SB3、SB4分别对应四个参赛对号，输入点分别X1、X2、X3、X4，输出点分别为Y1、Y2、 Y3、Y4。SB5作为抢答的复位按钮，对应输入点为X5。音响输出点为Y5。数码管1显示输出 点为 Y10-Y16。数码管 2 显示输出点为 Y20-Y26。数码管 3 显示输出点为 Y30-Y36。PLC 与数 码管采用串电阻直接连接方式。

第四章 软件设计

4.1 IO 分配

为了硬件电路接线方便和程序清晰易读，用 SB0 作为裁判台的开始按钮，四个参赛队分 别用与之对应号SB1、SB2、SB3、SB4设置按钮。SB5为比赛复位按钮，使下轮比赛开始。输 出与输入对应，用 YO 输出信号驱动比赛开始信号灯 EL0，同理用 Y1、Y2、Y3、Y4 输出信号 驱动对应的信号灯EL1、EL2、EL3、EL4。Y5输出信号驱动音响。Y10-Y16输出信号驱动数码 管1显示各个参赛队的队号。 Y20-Y26输出信号驱动数码管2， 显示抢答时间的个位， Y30-Y36

输出信号驱动数码管3，显示抢答时间的十位。

4.2 根据控制要求进行梯形图设计

X0 M0

T0

X1

Y1

X2

Y2

X3

Y3

X4

Y4

X1 X2 X3 X4 M1 M1 M2

T1

M1 T0 T1

Y0

M0 T0 T1 M1

M1

PLS

M1

M3

M0 M1

X5

K130

T1

X5

M2

X5

M1

M1

X5

Y4

M1

X5

Y3

M1

X5

Y2

M1

X5

Y1

M1

X5

抢答允许

抢答限时

1号参赛台

二号参赛台

三号参赛台

四号参赛台

抢答继电器

答题限时继电器 答题限时

(裁判台灯状态)

Y0 违规抢答 无人抢答

M1

答题超时 (裁判台 灯状态)

正常抢答 无人抢答

M1 M0

答题超时 违规抢答

M3 Y5

T2

X5

Y5

音响驱动

T2

Y2

Y10

Y3 Y1

Y11

Y2 Y3 Y4 Y1

Y12

Y3 Y4 Y2

Y13

Y3 Y2

Y14

音响限时

数码管1显 示参赛台队 号

Y4

Y15

Y2

Y16

Y3 Y4 M0

T4

T3

K5

计时秒脉冲信号产生程 序

T3

T4

T4

M4

M0 M10 M13 M15

M16K5

秒个位移位继电器

M19

数码管2计时 器个位显示程 序

续梯形图（一）

M4

M9

M25 M5 Y20

M11 M12 M14 M15 M16 M17 M18 Y21

M10 M11 M12 M13 M16 M17 M18 Y22

M10 M12 M13 M14 M15 M16 M17 M1

PLS

M5

ZRST M10

M10 M18

K10

K1

续梯形图（二）

M9

Y23

M11 M12 M14 M15 M17 M18 Y24

M11 M15 Y25

M13 M14 M20 M25 M5

SFTL M21 M22

M23

K1

PLS

M20

M21 Y26

数码观3计时器 十位显示程序 秒个位移位继 电器

续梯形图（三）

续梯形图（四）

4.3 程序运行过程分析说明

1.当裁判台按下开始按钮时，就将信号传入 PLC 中，同时四个参赛队处于抢答状态。然 后根据哪个队最先抢到题目，然后在规定的答题时间内作答，或者答题超时。（由规定显示电 路和音响作出反应）例如，1号参赛队抢到题目，同时抢答继电器M1 通电并自锁，抢答继电 器M1 与其它参赛台按钮输入触点相串联的常闭触点断开，使得在有抢答按钮按下的情况下， 其它按钮均无效。抢答继电器M1闭合，答题限时继电器M2 闭合并自锁，使得答题限时计时 器T 1 开始计时。则1 号参赛台灯驱动输出继电器Y1闭合，Y1 的常开触点闭合，驱动Y11 和Y12，数码管1 即显示“1”的字符。

（1）抢答允许、抢答限时程序。裁判员按下抢答按钮SB0(X0 闭合)后,抢答允许继电器 M0 闭合并自锁,同时抢答限时计时器T0 通电开始计时。

（2）若1号参赛台正常抢答，抢答允许继电器M0闭合(裁判员按下SB0，X0 闭合)，抢 答继电器 M1 闭合(有人抢答)。在正常抢答的情况下，M0 的常开触点与 M1 的常开触点串联 驱动音响。

（3）若1号参赛台答题超时，抢答继电器M1 通电闭合(有人抢答)，答题限时计时器T1 计时到，其常开触点闭合。在答题超时的情况下，M1 的常开触点与T1 的常开触点串联驱动 裁判台的灯和音响。

（4） 若1号参赛台违规抢答， 抢答允许继电器M0未闭合， 裁判员未按下开始按钮SB0(X0 未 闭合)，而抢答继电器M1闭合(有人抢答)。在违规抢答的情况下，M0 和M1 是“与”的关系， 即M0的常闭触点与M1 的常开触点串联驱动裁判台灯和音响。

（5）无参赛队抢答，抢答继电器M1 未通电闭合(无人抢答)，抢答限时计时器T0计时到， 常开触点闭合。当无人抢答时，M1 的常闭触点与T0 的常开触点串联驱动裁判台灯和音响。

综上所述，当1号参赛队违规抢答、无人抢答、答题超时驱动裁判台灯及正常抢答、答题 驱动音响的梯形图如附图二所示。其中M3为音响驱动继电器，当四种条件中有一种合符时， M3闭合一个扫描周期，使得音响驱动输出继电器Y5闭合，音响发出声音，同时音响限时计时 器T2通电计时，经过1S后计时器T1动作，其常闭触点断开Y5及T2的电源，音响停止发出声音。

2.抢答参赛队号显示，选用输出继电器Y10～Y16 驱动数码管1 的七段发光管，即当有人 抢答时即可显示抢到题的队号。

（1） 当1 号参赛台抢到题， 则1号参赛台灯驱动输出继电器Y1闭合， Y1 的常开触点闭合， 驱动Y11 和Y12，数码管1 即显示“1”的字符。

（2）当2号参赛台抢到题，则2号参赛台灯驱动输出继电器Y2闭合，驱动Y10、Y11 、Y13、

（3）当3号参赛台抢到题，则3号参赛台灯驱动输出继电器Y3闭合，驱动Y10、Y11 、Y12、 Y13、和Y16，数码管1 即显示“3”的字符。

（4）当4号参赛台抢到题，则4号参赛台灯驱动输出继电器Y4闭合，驱动Y11 、Y12、Y15 和Y16，数码管1 即显示“4”的字符。

3.计时脉冲产生程序。计时脉冲产生程序由计时器T3、T4组成。当抢答允许继电器M0闭 合时，计时器T3开始计时，经过0.5S后，T3的常开触点闭合，接通计时器T4的电源；在经过 0.5S后，T4动作，其常闭触点断开，使T3复位，常开触点闭合，接通秒个位移位继电器M4。 经过一个扫描周期后T4的常开触点断开，M4复位。

4.计时显示程序。计时显示程序由输出继电器Y20-Y26，Y30-Y36驱动数码管2和数码管3 完成。其中输出继电器Y20-Y26驱动数码管2，担任秒个位的显示；Y30-Y36驱动数码管3，担 任秒十位的显示。

在抢答允许继电器M0闭合后，继电器M9闭合，输出继电器Y20、Y21、Y22、Y23、Y24、Y25 闭合，驱动数码管2显示“0”字符，同时秒脉冲信号产生程序开始工作。经过1S后，秒脉冲 继电器M4闭合一个扫描周期，将M9中“1”的状态移位至M10中，M10闭合，输出继电器Y21、 Y22闭合，驱动数码管2显示“1”字符，同理，随着左指令SFTL的运行，数码管将接着显示“2、 3、4、5……………………9”字符。

当“1”状态移位至继电器M18时，数码管2显示“9”字符；当“1”的状态移位至继电器 M19中时，继电器M10-M18全部复位，M9又闭合，数码管2又显示“0”字符。同时M19闭合，使 得继电器M20产生一个扫描周期脉冲，这个脉冲将M21中的“1”状态移位至M22中，继电器M22 闭合，输出继电器Y31、Y32闭合，数码管3显示“1”字符。

在抢答允许继电器M0闭合后，若在15S内有人抢答，由M0常开触点和M1常开触点组成的抢 答计时显示触点闭合，使得M5闭合一个扫描周期，数码管2和数码管3复位清零。同理，若有 人抢答但答题超时，则由M1常开触点和T1的常开触点组成的答题超时触点组闭合，使继电器 M25闭合，数码管2和数码管3复位清零。

按下复位按钮SB5，X5闭合，各输出继电器辅助继电器全部释放，为下一次抢答作准备。

4.4 源程序

LD X0 OR M0 ANI M1 ANI X5 OUT M0

//(抢答允许)

OUT T0 K150 LD X1 ANI M1 OR

Y1

ANI X5 OUT Y1 LD X2 ANI M1 OR Y2 ANI X5 OUT Y2 LD X3 ANI M1 OR Y3 ANI X5 OUT Y3 LD X4 ANI M1 OR Y4 ANI X5 OUT Y4 LD X1 OR X2 OR X3 OR X4 OR M1 ANI X5 OUT M1 LD M1 OR M2 ANI T1 ANI X5 //(抢答限时15S)

//(一号参赛台)

//(二号参赛台) //(三号参赛台) //(四号参赛台) //(抢答继电器)

OUT T1 K300 //(答题限时,裁判台灯状态)

LD M1 ANI M0 LD T0 ANI M1 ORB LD T1 AND M1

ORB OR Y0 ANI X5 OUT Y0 LD M0 AND M1 LD T0 ANI M1 ORB LD T1 AND M1 ORB LD M1 ANI M0 ORB PLS M3 LD M3 OR Y5 ANI T2 ANI X5 OUT Y5 OUT T2 K10 LD Y2 OR Y3 //(违规抢答,无人抢答,答题超时)

//(正常抢答,无人抢答,答题超时,违规抢答)

//(音响驱动,音响限时)

OR Y2 OR Y3 OR Y4 OUT Y11 LD Y1 OR Y3 OR Y4 OUT Y12 LD Y2 OR Y3 OUT Y13 LD Y2 OUT Y14 LD Y4 OUT Y15 LD Y2 OR Y3 OR

Y4

OUT Y16 LD M0 ANI T4 OUT T3 K5 LD T3 OUT T4 K5 LD T4 OUT M4 LD M0 ANI M10 ANI M11 ANI M12 ANI M13 //(计时脉冲信号产生程序)

//(秒个位移位继电器) //(数码管二计时个位显示程序)

ANI M16 ANI M17 ANI M18 OUT M9 LD M4

SFTL M9 M10 K10 K1 LD M19 OR M25 OR M5

ZRST M10 M18 LD M0 AND M1 PLS M5 LD M9 OR M11 OR M12 OR M14 OR M15 OR M16 OR M17 OR M18 OUT Y20 LD M9 OR M10 OR

M11

OR M12 OR M13 OR M16 OR M17 OR M18 OUT Y21

OR M12 OR M13 OR M14 OR M15 OR M16 OR M17 OR M18 OUT Y22 LD M9 OR M11 OR M12 OR M14 OR M15 OR M17 OR M18 OUT Y23 LD M9 OR M11 OR M15 OR M17 OUT Y24 LD M9 OR M13 OR M14 OR M15 OR M17 OR M18 OUT Y25 LD M10 OR M11 OR M12

OR M15 OR M17 OR M18 OUT Y26 LD M19 PLS M20 LDI M22 ANI M23 OUT M21 LD M20

SFTL M21 M22 K3 K1 LD M24 OR M25 OR M5 ZRST M22 M23 LD M23 OR M24 OUT Y30 LD M22 OR M23 OR M24 OUT Y31 LD M22 OR M24 OUT Y32 LD M23 OR M24 OUT Y33 LD M23 OUT Y34 LD M23 //(数码管三计时器十位显示程序)

//(秒十位移位继电器)

OUT Y36

LD M0

AND T0

LD T1

ORB

OUT M25

END //(抢答超时显示复位,答题超时显示复位)

4.5 程序的下载、安装和调试

将各个输入输出端子和实际控制系统中的按钮、所需控制设备正确连接，完成硬件的安 装。知识竞赛抢答器的程序是由三菱 PLC 编程软件 GX­DEVELOPER7 编制完成，正常工作 时程序存放在存储卡中，若要修改程序，先将PLC设定在STOP状态下，运行三菱PLC编程 软件GX­DEVELOPER7编程软件，打开知识竞赛抢答器的程序，即可在线调试，也可用编程 器进行调试。

第五章 总结与展望

本抢答器系统虽是针对四路参赛选手设计的，但通过原理分析可知，它也完全适用于多 于四路选手的抢答场合。当然，如果对外围电路及程序稍加修改，就很容易使之扩展成更多 路的抢答器。若去掉程序中的互锁功能，可以将本抢答器改成呼叫器，用在医院病房等多种 地方。由此可见，只要我们运用恰当，PLC技术能实现许多复杂的功能，能极方便的控制我们 所需要控制的对象，给我们生产和生活带来极大的方便。

知识竞赛的一个最重要的硬件设备就是抢答器。以往的电子抢答器，许多功能也达不到 的，比如播放视频题，抢答视频暂停再继续功能等。

但是，随着科学技术飞速的发展，抢答器由硬件化逐步向软件化发展。抢答器竞赛软件 利用计算机搞知识竞赛，经过调查，利用抢答器竞赛软件办一次类似电视台效果的知识竞赛， 其费用仅仅是到电视台演播厅举办一次竞赛费用的十分之一还少。更关键的是，抢答器竞赛 软件不是一次性产品，可以多次重复使用，这是一次拥有长期受益的软件。

采用抢答器竞赛软件是大势所趋

对于一个每年都有赛事的单位企业，只要单位有计算机和投影仪，搞知识竞赛不利用抢 答器竞赛软件，如同是有好马没有配好鞍。

以往企业自己搞知识竞赛，都是主持人读题，观众选手得安静仔细听题目，有条件的 花上万元买个电子抢答器，算是给知识竞赛赛场添彩了。大多依靠主持人发挥水平，选手和 观众渴望的类似电视台的节目效果难以实现。与电视播放的那些竞赛场面对照——选手坐在 显示器前答题，观众看着大屏幕显示题目和答案，大屏幕有抢答显示计分排行等，绚丽的画 面有节奏的音乐——差距很大，但这些都不是电视台的专利，利用抢答器竞赛软件，用户自 己就可以实现这样的视觉效果。运用互动式多媒体技术，将竞赛题目制作成演示程序。通过 投影仪大屏幕或电视墙在现场播放，给观众强烈的视听感受，凝聚竞赛现场气氛。通过选手 面前的显示器，为参赛队员提供最直接的看题效果，保证队员对题目的正确理解。 抢答器 竞赛软件就是简单利用计算机及投影仪设备资源，通过软件来实现专业效果的竞赛系统。它 实现竞赛的成本低，便于组织，通用性好。毫不夸张，除了电视台专业制作外，抢答器竞赛 软件是所有同类软件中功能最全的！最适宜普通知识竞赛操作的！将会全面发展到社会各个 企事业单位。

致谢

几个月的毕业设计即将结束，在整个毕业设计过程中，我在曾老师的带领下，基本完成 了本学期毕业设计的任务，通过设计我学到了很多新的知识，学到了很多书本上没有的东西， 同时，对以前所学的专业知识，有了进一步的加深和巩固。在设计前，通过曾老师的悉心指 导，我制定了设计计划，借阅相关资料，做好设计准备。在设计过程中，我遇到了许多专业

上的问题，这些问题都在老师的直接指导下，得以解决，使我们的设计能够顺利地进行，并 最终得以完成。

总结几个月来的设计，体会如下：

首先，团队精神，毕业设计也不例外。这就需要我们充分的利用好各自的优势，充分的 协作，针对设计中出现的问题，站在不同的思考点分析问题，然后加以讨论，汇结大家的意 见，最终达成一致，发挥了团结协作的精神。

其次，对待任何工作，都要全力以赴，不能畏首畏尾。通过这次毕业设计，我深有体会。 然更重要的是，在责任心的驱使下，如何采用何种方法更省时省力，解决问题的方案很多， 永远坚信“方向总比努力重要” ，首先分析课题任务本身，就拿毕业设计来说，课题有了，关 键是往哪个方向着手。怎样去查找相关资料等等，寻找突破口充分的解决好问题。

再次，遇到不懂的问题，及时请教老师。抓紧设计的宝贵时间，需要调整和改变的地方 及时做出改动，而不能墨守成规，做人也是同样的道理。

第四，时刻保持上进的头脑，不断接受新事物，挑战新的问题。 “活到老，学到老” ，我 们的思想也应不断的修正提高。

对于以上之几点体会，进一步的总结和提高需要有更多的社会实践基础，我相信在不久 的将踏入社会之际，只要我们努力学习，勇于实践，勤学好问，我就会把以前模糊的问题弄 明白。我也相信，凭着我自强不息，勇于拼搏的精神，定能很快适应类似设计的需要，适应 这个多变的社会。

在此，我要感谢在整个设计过程中，给与我及大帮助的老师们，无论是在论文内容的选 择、资料的收集，还是在具体的设计过程中，老师都给与了我们细心的教导和无微不至的关 怀，尤其在论文的整理过程中，曾老师提出了大量宝贵的意见和建议，使我们的设计得以更 加完善，曾老师严谨的治学态度，真诚的处世哲学，也将是我们一生学习的财富，在此，请 允许我向尊敬的曾老师，致以最真诚的谢意！

其次，我还要向机电技术学院的各位领导和老师，在三年的时间里对我的教诲和帮助表 示感谢！

最后，想在百忙之中抽身来评阅我的论文的各位老师、教授致以最衷心的感谢！由于时 间仓促，水平有限，论文中难免有不完善之处，真诚地希望各位老师、教授对我的论文提出 宝贵意见！

谢谢！

参考文献

1 陈远龄、机床电气自动控制[M]、重庆：重庆大学出版社，2004.

2 廖常初、PLC 的编程方法与工程应用[M]、重庆：重庆大学出版社，2001. 3 贺哲荣、流行PLC 实用程序及设计[M]、西安：西安电子科技大学出版社，2006. 4 三菱FX2NPLC 使用手册.

5 邱公伟、可编程控制器网络通信及应用[M] 、北京：清华大学出版社，1992. 6 郑 成、现代可编程序控制器原理及应用[M]、北京：科学出版社，1999. 7 江秀汉、可编程序控制原理及应用[M]、 西安：西安电子科技大学出版社，1998. 8 王 红、可编程控制器使用教程[M] 、 北京：电子工业出版社，2002.

9工业可编程控制器的现状与发展趋势 [J]、航天技术与民品，1999，(5)：30­31.

10 王振民、PLC原理及应用[M] 、大庆石油学院.14­61.

11谢克明、夏路易、可编程控制器原理与程序设计 [M] .北京：电子工业出版社，2005.1­20. 12刘常、用低压电器与可编程序控制器 [M]、西安：西安电子科技大学出版社，2005.175­180. 13王永华、 现代电气控制及PLC应用技术 [M] 、 北京：北京航空航天大学出版社，2003.80­96.  14殷洪义、可编程控制器选择设计与维护 [M] 、北京：机械工业出版社，2002.24­49. 15 http：//www.plc100.com/