基于PLC的知识竞赛抢答器设计.pdf

工业 自 关键词 P L C控 制 中图分类号 T P 2 7 3 基于 P L C的知识竞赛抢答器设计 包 西 平 徐 州工业职业技术 学院电气工程 系， 江苏徐 州 2 2 1 1 4 0 菱 F X 2 N系列 P L C设 计知识竞赛抢答 器的方案 。采用 日本三菱公司生产的 F X 2 N- - 4 8 MR型 P L C作为核心控制 统 的设计 ．设 计出了系统结构框 图 、硬件接线 图，完成主要硬件选型 、程序 流程图及软件梯形图 。在模拟竞 统进行 了现场调试 。调试结果表 明系统运行 良好 ，性 能稳定 。 抢答 器控制 ；报警功能 ；数码显示 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 o 1 1 - 0 0 2 5 0 3 1引 言 随着生产 自动 化水 平的不 断提高 。P L C以外 围电路 简 单 、工作可靠性高 、模块化结 构 、易 于连 网 ，尤其 可以通 过方便 的编制和修 改程序来 实现相 应 的控制功 能等特 点 。 在工业现场的应用越来越广泛 。在各类竞赛 中 ，都离不 开 抢 答器 ，实现抢答器功能 的方式 有多种 。可以采用早期 的 模拟 电路 、数字 电路 或模数混合 电路 。本文 以 日本 三菱公 司生产 的 F X 2 N 4 8 MR型 P L C作 为核心设计 了一款 四路抢 答器 。该抢答 器集抢 答 、违规警示 、抢答成功 显示 、灯光 指 示 、时间 累积 、超时 警 示等 功能 于一 身 。而且 编 程 简 单 ，便 于修 改 ，便于调试和维护 ，扩展性强 ，工作稳定 可 靠 。 2抢答 器控制系统设计 2 ． 1 抢 答器控 制 要求 该抢答器的主要控制要求 和功能如下。 1 竞赛抢答器能使 4个 队同时抢 答。 2 设裁 判 台与参 赛 台 。裁判 台设 有 音响 和裁 判 台 灯 ，并设开始按钮和 复位按 钮 ；参赛 台设 有参赛 台按 钮及 参赛台灯。 3 知识抢答器 至少应满 足以下 比赛规则 。 1 出题后 ．各 队抢 答必 须在裁 判员说 出“ 开始 ”并 按下裁判 台开始按 钮后 l 5秒 内抢答 。并 由数码 管显示 时 间。若抢答 ，抢答器将发 出 “ 违规 ”信号 。 2 1 5秒 时间到 ，如无对抢 答 ，则抢答器 给出时 间已 到信号 ，该 题作 废。 3 在有 对抢 答的情况下 ，抢答 器发 出 “ 抢 答”信号 ， 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 0 5 数 码管 开始计 时 显示 ．并 由数 码管 显示抢 到题 的参赛 队 号 。 4 抢 到题 的队必须 在 3 0秒 内答 完题 ，如 3 0秒 内未 答完 ．做超时处理 。 4 赛场设 时间数码显示器 和显示抢到答题对号 的数 码 显 示 器 。 5 灯 光与音响信号的意义如 下 1 音 响叫 设 定响 1秒 某 台灯亮 ，由某对正常枪 答 2 音 响叫 设 定响 1秒 某 台灯亮 总 台灯亮 ，某 对 违 规 3 音 响叫 设 定响 1秒 裁判 台灯亮 ，无人抢答或 答 题超时。 6 某个题 目结束后 ，裁判员按下 复位按钮 ，抢答器 恢 复到原来 的状态 。为下一轮抢答做好准备 。 7 各输 出 口统一用 2 4 V电源。 2 ． 2系统总体设计 由于抢答器 的功 能由 P L C实现 。故整个系统的外围电 路非常 简单 ，系统的结构框图如图 1 所示。 S B 0 s T A R T 作为裁 判 台的开 始按钮 ，四个 参赛 队 分 别用 与之对应 号 S B 1 、S B 2 、S B 3 、S B 4抢 答按钮 。S B 5 R E S T 为 比赛 复位按钮 ，使下轮 比赛开始 。上述所 有控 制要求均 由软件实现 。 2 ． 3系统硬 件设计 知识 竞赛抢答 器有六 个输入 信号 即六个 按钮 ，二 十一个输 出信号 即五个 台灯信号 、一个音响信 号 、三个 [二] 丑二二] 自动化 S T ART RES ET SB1 S B2 S B3 S B 4 图 1 系 统 基本 结 构 框 图 数码管的驱动输出信号 。由上可知 P L C共有六个输入点 ， 二 十 一 个 输 出点 。基 于 以上 输 入 、输 出点 的 要 求 ，选 用 日 本 三 菱 公 司 F X一 4 8 MR一 0 01系 列 的 P L C作 为控 制 主 机 。 它 是 输 人点 数 2 4点 、输 出点 数 2 4点 继 电器 输 出型 小 型 P L C，多出的输人 、输出点用于抢答器参赛队数增加时系 统进行扩充。 2 ．3 ． 1 P L C与七段 L E D显示器连接设计 本次设计 ，由于输入输 出点并不是很多，采用 P L C控 制 L E D直接进行数据显示方案 ，可以大大降低设计成本。 根 据 L ED数 码管 每 笔 画 工 作 电 流在 5 ～1 0 mA之 间 ，若 电流过大会损坏数码管 ，因此必 须加 限流 电阻 ，其阻值可 按 下式 计 算 一 I 一，’ 其 中 为加 在 L ED两 端 上 的 电 压 ， 为 L E D数 码 管 每笔划压降 约为 2 V 。本次设计 P L C电源采用 的是直流 2 4 V．P L C的输出电压为 5 V，通过数码管电流 l 3 mA计算 可得 R 1 k n。本次设 计共用 到了三个数码 管 ，所 以须 要 2 1个 1 k Q 的限 流 电阻 R。 表 1 知识竞赛抢答器输入输出口分配表 输入信 号 输 出信号 输入点 输 出点 名称 代号 名称 代号 蝙号 编号 裁判台开始按钮 S B 0 X 0 裁判台灯 E L 0 Y O ， 号参赛 台 抢答按钮 S B l X l 1 号参赛台灯 E L l Y l 2 号参赛台 抢答按钮 S B 2 X 2 2 号参赛台灯 E L 2 Y 2 3 号参赛 台 S B 3 X 3 3 号参赛台灯 E L 3 Y 3 抢答按钮 4 号参赛 台 抢答按钮 S B 4 X 4 4 g t 参赛台灯 E L 4 Y 4 裁判 台复位按钮 S B 5 X 5 音响 B Y 5 ● 数码管1 L El Yl 0 ． Y1 6 数码管2 L E 2 Y 2 0 ． Y 2 6 数码管3 L E 3 Y 3 o _ Y 3 6 2 _ 3 ． 2外 部 硬件 接 线 图 为 了硬件 电路 接线方便 ，S B 0作为抢 答的开始按 钮 ， 图 2 系统硬件接线图 对 应 输 入 点 为 X 0 ，输 出 点 为 Y 0 。 S B 1 、S B 2 、S B 3 、S B 4分别对应 四个参 赛队抢答按 钮 ，输 入点分 别 X 1 、X 2 、 X 3 、X 4 ，输 出点 Y1 、Y 2 、Y 3 、Y 4为 对应 队抢 到灯光指示 。S B 5作为抢答的 复位按钮 ，对 应输 入点为 X 5 。音响输 出点 为 Y 5 。数 码 管 l显 示输 出点 为 Y1 0一 Y1 6 。 数 码 管 2显 示 输 出 点 为 Y 2 0 一 Y 2 6 。数 码管 3显示输 出点 Y 3 0 一 Y 3 6 P L C与数码管采用 串电阻直接连 接方式。其硬件接线图如图 2所示 。 2 ． 4系统软件设 计 2 ． 4 ． 1 抢答器控制系统 0分配表 表 1为知识 竞赛抢答 器输 入输 出 口分配表。 为了硬件 电路接线方 便和 程序 清 晰易读 ．用 S B 0作 为裁判 台的开始按 钮 ，四个 参 赛 队 分 别用 与之 对 应 号 S B 1、S B 2、S B3 、S B4抢 答 按 钮 。S B 5 为 比赛 复位 按钮 ，使 下 轮 比赛 开 始 。 输出与输入对应 ，用 Y O输出信号驱动 比赛 开 始 信 号 灯 E L 0 。 同 理 用 Y 1 、 Y 2 、Y 3 、Y 4输 出信号驱动对应的信号 工业 自 灯 E L 1 、E L 2 、E L 3 、E I A - 。Y 5输 出信 号驱动 音响 。Y I O Y 1 6输 出信 号驱 动 数 码 管 1 ，显 示 各个 参 赛 队 的 队 号 ； Y 2 0 一 Y 2 6输 出信 号驱动数码 管 2 ，显示 抢答 时问 的个位 ； Y 3 0 一 Y 3 6输出信号驱动数码管 3 ．显示抢答时间的十位 。 2 ． 4 ． 2系 统 软 件设 计 流 程 图 当裁判按 下开始按钮 时 ，四个参赛 队处于抢答 状态 ． 假 如是 一号参 赛 队先抢 到题 目，P L C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。 2 ． 4 - 3系 统软 件 设 计 梯 形 图 程序设计及运行过程分析如下 1 当裁判 台按 下开 始按钮 时 ，就将信 号 传人 P L C 继 电器 Y1 闭合 ，Y1的常开触点闭合 ，驱动 Y1 1和 Y 1 2 ， 数 码 管 l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 S B 0 X 0闭合 后 ，抢答 允许继 电器 M 0闭合并 自锁 ，同 时 抢答 限 时计 时 器 T 0通 电开 始 计 时 。 2 若 l 号参赛 台正常抢答 ，抢答允许 继电器 M0闭合 裁 判 员 按 下 S B 0，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 l 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 T l 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 T 1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 M 0未 闭 合 ，裁 判员未按下开始按钮 S B 0 X 0未闭合 ，而抢答继 图 3 系 统 软件 流程 图 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 MI 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 l开始计时 。则 1号参赛 台灯驱 动输 出 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 M 0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 计 时 到 ．常 开 触 点 闭 合 。当无人抢答 时 。M1的常闭触点 与 T O的常 开触点 串联驱动裁判 台灯 和 音 响 。 综 上 所 述 ， 当 l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 的梯形图如图 2所示 。其 中 M3为音 响 驱 动 继 电 器 ．当 四 种 条 件 中有 一 种符合 时 。M3闭合 一个 扫描周 期 ， 使得音 响驱 动输 出继 电器 Y 5闭合 ， 音响发 出声 音 ，同时音 响 限时计 时 器 T 2通 电计 时 ．经 过 l s后计 时 器 T 1动作 ，其 常闭触 点断 开 Y 5及 T 2 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 Y1 0 ～ Y1 6驱 动 数 码 管 1 的 七 段 发 光 管 ， 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 l号参赛 台灯 驱动输 出 继 电器 Y 1闭合 ，Y 1的常 开触 点闭合 。驱动 Y 1 1和 “ Y 1 2 ， 数码管 l 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 Y 2闭合 ，驱动 Y1 0 、Y1 1 、Y1 3 、Y1 4和 Y1 6 ，数 码管 1 即显示“ 2 ”的字符 。 3 当 3号参赛 台抢到题 ，则 3号参 赛台灯驱 动输 出 下 转 第 4 5页 r● - _ T _ r ． - - - _ _ _ 鬈_ ● J ’7 I L - _ ___ _ __ 兰二 上 - _ ■ 研究 与 同时 ，在加工仿真系统 中进行 N C程 序验证和优化 ．可以 提 高 数 控 机 床 利 用 率 ，保 证 零 件 安 全 生 产 ， 降 低 企 业 制 造 成 本 ，这 对 推 动 我 国 汽 车 制 造 业 的 发 展 有 着 较 高 的实 用 价值 。 参 考 文 献 [ 1 ]李云龙 ，曹岩．数控机床 加 工仿 真 系统 V E R I C U 一 1 第 1版 [ M]．西安 西安 交通大 学出版社 ，2 0 0 5 ． [ 2 ]王 勇，高翔 ，寇金 宝，等．基 于VE R I CU T包装容 器模具数控 加工仿真及优化技术[ J ]．包装_T - 程 ，2 0 0 7 5 7 7 7 9 ． [ 3 ]元 宇鹏 ，阳林．基 于 V E R I C U T的汽缸 盖模具数 控加 工仿 真 [ J ]．机械工程师 ，2 0 1 0 1 6 4 6 5 ． [ 4 ]邓先智 ，黄泽森．在 V E R I C U T中优化 刀具路径[ J ]． 实验 科 学 与技 术 ，2 0 0 7 1 2 5 4 5 5 ． 第一作者简介 詹沛枝 ，男 ，1 9 8 4年生 ，广东东莞 人，硕 士研究 生 。研究领域 电动汽车关键技术。 f 编 辑 向 飞1 I 、 ； ＼ ＼ - 、 ． 、 l 、 - 、 - 、 - 、 lI 、 ll 、 _l 、 l- 、 _． 、 _． 、 1 上接 第 2 7页 继 电器 Y 3闭 合 ，驱 动 Y 1 0 、Yl 1 、Y 1 2 、Yl 3 、和 Yl 6 ， 数码管 l 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 Y 4闭合 ，驱动 Y1 1 、Y1 2、Y1 5和 Yl 6 ．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 T 3 、． r 4组成 。当抢答允 许继 电器 M O闭合 时 ，计 时器 T 3 开 始 计 时 ，经 过 0 ． 5 s后 ，T 3的常 开 触 点 闭 合 ，接 通 计 时 器 T 4 的 电 源 ； 在 经 过 0 ． 5 S后 ，T 4动 作 ， 其 常 闭 触 点 断 开 ，使 T 3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 r r 4的常开触 点断升 ，M 4复位 。 4 计 时 显 示 程 序 。 计 时 显 示 程 序 由 输 出 继 电 器 Y2 0 一 Y2 6，Y3 0 一 Y3 6驱 动数 码 管 2和 数 码 管 3完 成 。 其 中 输 出继 电 器 Y2 0 一 Y2 6驱 动 数 码 管 2，担 任 秒 个 位 的显 示 Y3 0 一 Y3 6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 M 9闭合 ，输 出继 电 器 Y2 0、Y2 1 、Y2 2、Y2 3、Y2 4、Y2 5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 1 s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 M1 0中．M1 0闭合 ，输 出继 电器 Y 2 1 、Y 2 2闭合 ，驱动 数码管 2显示“ 1 ”字符 ，同 理 ，随着左指令 S F T L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 Ml 8时 ．数 码 管 2显 示 “ 9 ”字符 当 “ 1 ”的状态 移位至继 电器 MI 9巾时 ．继 电 器 Ml 0 一 M1 8全 部 复 位 ，M9又 闭合 ，数 码 管 2又 显 示“ 0 ” 字 符 。 同 时 M1 9闭合 ，使 得 继 电 器 M2 0产 生 一个 扫 描 周 期 脉 冲 ，这 个 脉 冲将 M2 1中 的“ 1 ” 状 态 移 位 至 M2 2中 ， 继 电器 M2 2闭 合 ．输 出 继 电 器 Y3 l、Y3 2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 1 5 s内 有 人抢 答 ， 南 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 M 5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 ，则南 M1常开 触点和 T 1的常开触点组成 的答 题超 时触 点组闭合 ．使继 电器 M 2 5闭合 ，数码管 2和数码管 3复位清零 。 按下复位按钮 S B 5 ，X 5闭合 ，各输 m继 电器辅助继电 器全部释放 ，为下一次抢答作准备。 3系统模 拟调试 根 据所设 计 的 四路 抢答 器梯形 图 ，采用 型号 为 F X 一 4 8 MR一 0 01的 P L C。把 P L C方 式 开 关 置 于 运 行“ S HO P”． 通过数据线把程序写到 P L C中再把 P L C方式开关置 于运 行“ RU N”档 ．进 行 调 试 1 主 持 人 未 按 下 开 始 按 钮 S B O，有 人 违 规抢 答 。报 警器 Y H报警并显示其组号 2 主持人按下 开始按钮 S B 0 ，电源抢答指示 灯 E L D 亮 ，无人 抢 答 ，1 5 s 后 抢 答 无 效 3按 下 各 个 抢 答 按 钮 ，看 显 示 器 显 示 数 字 是 否 正 常 4 检查各数码 显示器显示是否 正常 ．各 指示 灯指示 是否 正 常 4小 结 该抢答器具有硬件结构简单 、控制程序修 改和调试方 便 、 系统 扩 充 容 易 等 优 点 ，并 且 由主 持 人 操 纵 停 止 和开 始 抢 答 控 制 ，具 有 准 确 地 定 时 功 能 ，能 准 确 、公 正 、直 观 地 判断 出第 1 抢答者 ，具有很强的实用性 ．在各种竞赛场合 有广泛的推广应用价值。 参 考 文 献 [ I ]廖常初．F X 系列 P L C编 程及应用 [ M]．北京机械工业 出 版 社 ． 2 0 0 5 ． [ 2 ]钟肇新 ，范建 东．可编程控制器原理及应用 [ M]．广州 华 南理 工 大 学 出版 社 ．2 0 0 3 ． 第一作者简介 包西平 ，男 ，1 9 7 2年生 ，山东 蒙阴人 ，硕士 ，讲 师。研 究领域 电力 电子技 术应 用及 自动化控制 。已发表论文 8 篇 。 f 编 辑 吴智 恒1