基于三菱PLC的知识竞赛抢答器4路抢答器设计

摘 要:本文介绍了利用三菱FX2N系列PLC对知识竞赛抢答器的控制,阐述了控制方案。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。近年来随着科技的飞速发展，单片机、PLC的应用不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。本文采用日本三菱公司生产的FX2N-48MR型PLC 作为核心控制器进行四路抢答器系统的设计，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。同时根据知识竞赛抢答器的控制要求和特点,确定PLC 的输入输出分配,并进行现场调试。

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：

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。

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3-1所示：

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

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、Y14和Y16，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。