怎样去设计一种基于PLC的知识竞赛抢答器

　　1.1 PLC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。
　　知识竞赛抢答器PLC设计
　　1.2 PLC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1/10--1/100，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
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　　（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。
　　1.3 PLC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S7-200 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。