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3-1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FX-48MR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
4.2根据控制要求进行梯形图设计
续梯形图（一）
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。
4.4源程序
LD X0
OR M0
ANI M1
ANI X5
OUT M0 //(抢答允许)
OUT T0 K150 //(抢答限时15S)
LD X1
ANI M1
OR Y1
ANI X5
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GX-DEVELOPER7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GX-DEVELOPER7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。
