基于PLC的小车运动控制系统设计.doc
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1、XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩 第 1 页 共 34 页 IVT-REJX-50 苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院 毕业项目毕业项目毕业项目 2011 届届 2011 年年 5 月月 20 日日 项项目目类别类别: :毕业论毕业论文文 项项目名称:目名称:基于基于 PLC 的小的小车车运运动动控制系控制系统统 专业专业名称:名称:电电子子产产品品质质量量检测检测 姓姓 名名 : : 学学 号号 : : 班班 级级: : 指指导导教教师师: : XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩 第 2 页 共 34 页 IVT-REJX-51 苏州工业园区职业技术学院苏州工
2、业园区职业技术学院 毕业项目任务书(个人表)毕业项目任务书(个人表) 系部:电子工程系 毕业项目类别:毕业论文 毕业项目名:基于 PLC 的小车运动控制系统 校内指导教师: 职称:工程师类别:专职 校外指导教师: 职称:工程师类别: 兼职 学 生: 专业:电检班级: 1、毕业项目的主要任务及目标 任务:结合工作实际,实现基于 PLC 的小车运动控制系统,完成小车 运动控制系统得软硬件设计。 目标:完成一篇 5000 字以上的论文。 2、毕业项目的主要内容 论文的主要内容: 用 plc 控制小车的要求;I/O 分配表和工作流程;小车运动系统的 控制流程和梯形图;调试过程中的问题及解决方式。 要求
3、: (1).采用学院规定的文档格式 (2).论文正文层次分明,行文流畅,易懂 (3).不得整段抄袭他人文章或技术资料 XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩 第 3 页 共 34 页 3、主要参考文献(若不需要参考文献,可注明,但不要空白) 1范次猛. 可编程控制器原理与应用M.北京:理工大学出版; 2张桂香.电气控制与 PLC 应用M.北京:化学工业出版社; 3邓则名,邝穗芳等.电器与可编程序控制器应用技术M.北京;机械工业出版社; 4曹辉.可编程序控制器系统原理及应用M.北京:电子工业出版社; 5戴冠秀.PLC 在运料小车自动控制系统中的应用J. 工矿自动化 6 期,2005 年; 6
4、李仁编.电器控制 M.北京:机械工业出版社; 7郑凤翼.图解 PLC 控制系统梯形图和语句表M. 北京:人民邮电出版社; 8廖常初.PLC 应用技术问答M.北京:机械工业出版社; 9刘柏生. PLC 编程实用指南 M. 北京:机械工业出版社; 10张万忠. 可编程控制器应用技术M.北京:化学工业出版社; 11赵华军. PLC 在生产线送料小车控制系统中的应用J.机电工程技术,第 36 卷,第三期; 12郝力文,王子文.车间运输小车的智能控制J. 机电工程.2001 年第 28 卷增刊; 13汪晓光,孙晓瑛,王艳丹.可编程控制器原理及应用M.北京:机械工业出版社.2002.5; 14张传祥.电气
5、自动控制系统M.北京:电子工业出版社. 2003; 15王国庆.现在 PLC 的发展及其在先进制造技术中的应用J.机电工程.1997 年,第四期; 16求是科技. PLC 应用开发技术与工程实践M. 北京:人民邮电出版社. 2005 年。 4、进度安排 毕业项目各阶段任务起止日期 1毕业项目的主题选择 2011/3/12011/3/10 2毕业项目资料的搜集 2011/3/102011/3/20 3毕业项目初稿的完成 2011/3/202011/4/30 4对毕业项目的修改 2011/4/302011/5/5 5依据导师建议再次修改 2011/5/52011/5/6 6. 最终完成 2011/
6、5/9-2011/5/19 注: 此表在指导老师指导下填写。 XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩 第 4 页 共 34 页 诚诚 信信 声声 明明 本人郑重声明: 所呈交的毕业项目报告/论文基于 PLC 的小车运动控制系统是本人 在指导老师的指导下,独立研究、写作的成果。论文中所引用是他人的无论 以何种方式发布的文字、研究成果,均在论文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人独自承担。 作者签名: 年 月 日 XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩 第 5 页 共 34 页 摘摘 要要 可编程序控制器(PLC)是综合了计算机技术,自动化控制技术和通信 技术的一种新型的、通用的自动
7、控制装置。它具有功能强,可靠性高,操作 灵活,编程简单适合于工业环境等一系列优点,在工业自动化,过程控制, 机电一体化,传统产业技术改造等方面的应用越来越广泛,已成为现在工业 控制的三大支柱之一。 PLCPLC 应用技术发展迅速,在工业控制的众多领域都得到广泛的应用;特 别是在机车电气控制系统中大量运用。为此我通过课堂上所学,采用 PLC 对 小车运动系统进行控制。此举措不仅方便操作而且在电气系统运行可靠性有 了显著提高。 关键词关键词:PLC 电气 改善 控制 设计者: 指导老师: XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩 第 6 页 共 34 页 目目 录录 一、一、PLCPLC 概要概
8、要 8 8 1.1 基本概念.8 1.2 发展背景.8 1.3 发展阶段及前景.9 1.4 特点11 二、小车运动控制系统原理二、小车运动控制系统原理 1 12 2 2.1 PLC 选择及工作原理 12 2.2 直流电机与接近开关 16 2.2.1 直流电机的基本工作原理 16 2.2.2 接近开关的工作原理 18 2.3 机械传动原理和现场总线技术 19 2.3.1 机械传动原理 19 2.3.2 现场总线技术 20 三、小车运动控制系统的设计三、小车运动控制系统的设计 2121 3.1 实验器材 21 3.2 工作原理 21 3.3 控制要求 25 3.4 小车运动 I/O 分配表 28
9、3.5 梯形图 28 结结 论论 3232 参考文献参考文献 3333 致致 谢谢 3434 XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩 第 7 页 共 34 页 一一、PLC 概要概要 1.1 基本概念基本概念 PLC (Programmable Logic Controller) ,中文名称为可编程控制器,是一种电气自动 化控制装置,国际电工委员会(IEC)将 PLC 定义为:是在工业环境中使用的数字操作的 电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它使用可编程存储器内部储存用户设计的指 令,这些指令用来实现特殊的功能,诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运 算和通过数字或模拟输入/输出
10、来控制各种类型的机械或过程。可编程序控制器及其有关 的设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。 1.2 发展背景发展背景 在 PLC 发明之前,在工业控制的顺序控制领域内,常常采用诸如继电器、鼓式开关、 纸带阅读器等机械、电气式器件作为控制元件,尤其是控制继电器,在离散制造过程控 制领域内,成为“开关控制系统”中最广泛使用的器件。但是,随着工业现代化的发展,生 产规模越来越大,劳动生产率及产品质量的要求在不断提高,对于控制系统的可靠性也 提出了更高的要求,原有“继电器控制系统”已不适应需要,究其原因是: 动作缓慢;寿 命短、可靠性差;体积大、耗电多;设计制造周期长
11、、程序修改费时;不能实现与计算 机对话。 到 20 世纪 60 年代,由于美国汽车工业需要进行大规模的技术改造和设备更新,由传 统的继电器控制装置来进行控制,不仅体积庞大、故障率高、柔性差、不灵活、耗能多, 而且调试困难,可靠性也差。虽然小型计算机已日趋完善,应用领域也在不断扩大,但 小型计算机用于开关控制系统,又显然存在着“大马拉小车”的情况,这是由于小型计算机 的特点决定的:编程复杂,要求有较高水平的编程人员和操作人员; 需要配套非标准的 外部接口,对环境和现场条件的要求过高; 功能过剩,机器资源未能充分利用;造价高 昂。需要与可能性,促使人们寻求新的出路,PLC 应运而生。 1968 年
12、美国通用汽车公司提出使用新一代控制器的设想,从用户的角度考虑,该公 司对新一代控制器提了 10 点要求,为各大公司提供了明确的开发目标。第二年(1969 年) ,美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置 PDP-14,首次采用程序化 的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程控制器。这时的 PLC 用固态(集成)电路 XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩 第 8 页 共 34 页 来代替继电器逻辑电路,用存储器电路中的存储数位(程序)来代替继电器系统的布线, 以程序来规定逻辑关系;用固态 I/ O 电路来检测按钮和限位开关的信号,给出输出以控 制电机和其它执行机构。这时的 PL
13、C 系统已开始具有如下一些特点:环境适应性较强, 可以使用于车间现场;有较高的可靠性和诊断能力,维修容易;基本能适应不同的制造 过程所需,柔性度有了较大提高,只要改变系统中的程序即可改变控制“逻辑”,而无需改 造或更换控制硬件等。差不多同时,美国 MODICON 公司也研制出 084 控制器。它们的 问世,引起了全世界的瞩目,美国的其他公司和西欧、日本等工业发达国家,也相继研 究开发出类似的产品。 第一代可编程控制器最早是用于替代传统的继电器控制装置,功能上只有逻辑计算、 计时、计数以及顺序控制等,而且只能进行开关量控制。所以第一代可编程控制器取名 为可编程逻辑控制器,英文名称为 Progra
14、mmable Logic Controller,简称 PLC。 后来,随着电子科技之发展及产业应用之需要,其控制功能已经远远超出逻辑控制的 范畴,PLC 的功能也日益强大,在 PLC 中加入了模拟量、位置控制及网路等功能,其名 称也就改为可编程控制器(Programmable Controller) ,称 PC。但 PC 易与个人计算机 (Personal Computer)的简称 PC 产生混淆,所以使用 PLC 这一简称,中文仍然称“可编 程控制器”。 自 1976 年以来,微处理器开始引入 PLC 领域,大大加强了 PLC 的作用,使 PLC 由 简单地代替继电器电路,而发展为先 进的控
15、制装置。当今 PLC 具有采集与处理大量数据、 完成数学运算、与其它智能器件通信的能力,以及具有先进的人机对 话手段(如键盘、 CRT 和语音对话) ,近年来由于现场总线理念的出现和相关标准的建立,以及产品的迅速 发展,PLC 成为 现场总线的一个重要组成部分,进一步扩大了 PLC 的应用领域。 由于 PLC 同时提高了功能和柔性度,使其应用迅速增长,并普及到许多其它离散零 件制造工业领域。随后又扩展到与批量生产和连续生产过程有关的工业领域。随着 CIMS(计算机集成制造系统)的发展,PLC 当前还被人们应用于工厂通信网络、柔性制造 系统、工业机器人到大型分散型控制系统,之中,与其它智能控制器
16、和计算机系统一起 成为计算机综合控制系统中的重要组成部分,特别是单元级和工作站级。 1.3 发展阶段及前景发展阶段及前景 从 1969 年第一台 PLC 问世至今,可编程控制器大约经历了三个阶段: 第一阶段:开发的 PLC 容量较小,I/O 点数小于 120 点。用户存储区容量在 2KB 左 XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩 第 9 页 共 34 页 右,扫描速度为 2050ms/KB,指令较为简单,只有逻辑运算、计时、计数等,编程语言 采用简单的语句表语言。使用上,主要用来作开关量控制。 第二阶段:PLC 的容量有所扩展,I/O 点数从 512 点至 1024 点,用户程序存储区扩
17、 展到 8KB 以上,速度也有提高,扫描速度达到 56ms/KB,指令功能除了基本的逻辑运 算、计时、计数外,还增加了算术运算指令、比较指令,以及模拟量处理指令等,输入 输出类型也由纯开关量 I/O,扩展为带模拟量的 I/O。编程语言除了使用语句表外,还 可以使用梯形图编程语言。 第三阶段:进入 80 年代以来,随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛 发展,以 16 位和 32 位微处理器构成的 PLC 得到惊人的发展,其功能远远超出了上述两 阶段的产品。使 PLC 在概念,设计,性价比以及应用方面都有了新的突破。这一阶段的 产品向大型和小型两个方向发展: A、 大型产品的 I/O 点
18、数,超过 4000 点,有些产品达到 8000 个 I/O 点,用户存储区 容量超 32KB,配置有各种智能模块(例如温度控制模块、轴定位模块、过程控制模块等) 和通信模块,扫描速率也大大提高,达到 0.47ms/KB,指令功能除了基本的逻辑运算、计 时、计数、顺序控制外,还有算术浮点运算指令、PID 调节功能指令、图形组态功能指令、 网络和通信指令等。编程语言普遍采用梯形语言,同时也使用语句表和顺序功能图语言 (典型的有 GRAFCET 语言) 。为了提高系统的可靠性,设计上考虑了容错技术和冗余技 术等。这一阶段的小型产品向超小型化和加强型功能发展,有 16 点 I/O,24 点 I/O 的
19、整 体型小型 PLC 在小型 PLC 上配置模拟量 I/O、通信口、高速计数,指令上也设置有算术 运算、比较指令以及 PID 调节指令。 B、 小型 PLC 使用的手握式编程器使用大面积液晶显示器,也可以用梯形图和 GRAFCET 语言进行编程。 这一阶段 PLC 的软件设计也有很大改进,普遍实现了软件模块化设计,在 PLC 产品 上提供大量的通用和专用软件功能模块,用户通过简单的功能调用就可实现复杂的控制 任务给使用带来极大的方便。使用的编程器越来越完善,专用编程器实际上已经是一台 个人计算机,可以实现离线编程或在线编程及监控,程序打印以及程序固化,实现图形 组态,可以联网(即挂在 PLC
20、网络上) ,有些编程器还可以使用高级语言除了专用编程器 外,很多 PLC 可以使用通用的笔记本电脑实现编程,开发一些专用软件,充分利用个人 计算机的能力,完成各种高级的编程功能,省却了专用编程器,既便于推广又节省投资。 随着技术的进步,PLC 的功能越来越强,应用范畴越来越广,与其它工业控制机,如分 XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩 第 10 页 共 34 页 散型控制系统(DCS)的界限已经不十分明显,很多以往必须由分散型控制系统来完成的 控制,现在用 PLC 都能实现,因此在应用上“交错”已经成为普遍现象。 PLC 技术代表了当今电气程序控制的最先进水平。通过 PLC 与各种单元
21、自动化装置 (如智能仪表、数字化传单装置、智能的液压和气动阀组等)以及现场总线、计算机网 络系统,构成了车间和工厂自动化的完整体系。 PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特 点。PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。 1.4 特点特点 PLC 之所以越来越受到自动控制界人士的重视,是由于它具有令通用计算机望尘莫及 的特点。 (1 1) 应用简便应用简便 (1)应用灵活、安装方便 (2)编程简化 (3)操作方便,维修容易 (2 2)可靠性高)可靠性高 (1)在硬件设计方面,首先是选用优质器件,再者是合理的系统结构,简
22、化安装, 使它易于抗震动冲击。 (2)在软件设计方面也采用了许多很特殊措施,设置了警戒时钟 WDT。 (3 3)抗电磁干扰性能好,环境适应性强)抗电磁干扰性能好,环境适应性强 PLC 是按直接应用于工业环境设计的,产品在相当宽的环境温度(055或 060) ,湿度(相对90) ,规定的机械振动,冲击以及额定的电源电压与频率变化, 电源瞬间中断,电源电压降低等因素作用下,均能正常运行。 (4 4)功能完善)功能完善 PLC 的基本功能包括逻辑运算,定时,计数,数制换算,数值计算,步进控制等。 其扩张功能还有 A/D,D/A 转换,PID 闭环回路控制,高速计数,通信联网,中断控制及 特殊函数运算
23、功能,可以通过上位机进行显示,报警,记录,人机对话,使控制水平大 XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩 第 11 页 共 34 页 大提高。 (5 5)成熟的工控网络体系,通信便捷,易于远程实时监控成熟的工控网络体系,通信便捷,易于远程实时监控 设备层网络 控制层网络 信息层网络 二、小车运动控制系统原理二、小车运动控制系统原理 2.1 PLC 选择及工作原理选择及工作原理 本系统采用欧姆龙公司 CP1H 系列 PLC。PLC 是机电一体化设备中的控制器,机电 一体化设备中的控制器,机电一体化理念强调系统中各个部分之间的配合与协调。其目 标是整体性能最佳。CP1H 系列 PLC 正是为了
24、实现这一目标而研制的一款小型一机体, 并可扩展 CPM1A 系列 I/O 单元和 CJ1 系列高功能 I/O 单元及 CPU 总线单元。CP1 系列 PLC 的特点是其内置有四轴高速技术功能,四轴脉冲输出功能,四路模拟量输出功能以 及串行通信功能。 PLC 专为工业场合设计,采用了典型的计算机结构,主要是由 CPU,电源,存储器 和专门设计的输入输出接口电路等组成。图 1 为典型的 PLC 结构简图。 图 1 典型的 PLC 结构简图 中央处理单元:中央处理单元(CPU)一般由控制器,运算器和寄存器组组成,这些 点都集中在一个芯片上。 CPU 的主要功能包括:【1】从存储器中读取指令;【2】执
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