基于PLC的液压闸控制系统毕业设计论文Word文档格式.docx
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同一时期，由PLC组成的PLC网络也得到飞速发展。
PLC与PLC网络成为工厂企业中首选的工业控制装置，由PLC组成的多级分布式PLC网络成为CIMS（computer-integratedmanufacturingsystem）系统不可或缺的基本组成部分。
人们高度评价PLC及其网络的重要性，认为它是现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。
1.1.3PLC的发展趋势
基于市场要求和现代企业正朝着自动化、信息化、开放化方向发展，未来它会拥有更高的集成度、更强的智能水平、更低的功耗、更好的可靠性。
1.2可编程控制器的结构
1.2.1PLC的基本组成及其相应的作用
PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，结构如图1.2.1-1所示。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
图1.2.1-1PLC的结构组成
PLC的系统程序和用户程序都存放在存储器中，现场输入信号I/O系统传送至CPU，CPU按照用户程序存储器里安放的指令，执行逻辑或算数运算，并发出相应的控制指令，该指令通过I/O口床送到现场驱动相应的执行机构工作，从而完成相应的控制任务。
下面对PLC的主要结构模块进行详细描述。
（1）中央处理单元（CPU）
CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。
CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。
这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。
CPU的功能有以下一些：
从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。
（2）存储器（RAM、ROM）
存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；
存放工作数据的存储器称为数据存储器。
常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。
RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。
RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。
掉电时，可有效地保持存储的信息。
EPROM、EEPROM都是只读存储器。
用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。
（3）输入输出接口（I/O单元）
I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。
I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。
接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。
PLC的各输出控制器往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。
（4）电源设备
PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。
PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。
（5）编程器
编程器是PLC的最重要外围设备。
利用编辑器将用户程序送入PLC的存储器，还可以有用编辑器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。
除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。
利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。
1.2.2PLC的工作原理
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。
循环过程基本如下图所示：
图1.2.2-1PLC工作方式
PLC的循环扫描工作方式，包含自诊断、输入、用户程序执行、输出和通信五个阶段。
这五个阶段并不是每个时刻都在同时执行，它们之间有着严格的时序关系。
当PLC系统处于输入阶段时，就只能执行输入操作，不能执行其他阶段的动作。
各个触点在输入（INPUT）、用户程序执行（EXECUTE）、输出（OUTPUT）三个阶段的高低电平状态。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU
以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
如图1.2.2-2所示为PLC的运行阶段。
图1.2.2-2PLC的运行阶段
下面对PLC的三个运行阶段进行分析。
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；
或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；
相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
（3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
1.2.3PLC的编程语言
PLC的编程语言包括以下五种：
梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块图语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）及结构化文本语言（ST）。
其中最常用的是梯形图语言，本文在后面的编程部分做详细介绍。
1.2.4S7-200PLC特点
S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
S7-200系列出色表现主要包括以下几个方面：
（1）可靠性高-抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2）功能强大-成本低
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合，几乎能满足所有工业控制领域的需要。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
由于其转为工业应用而设计，所以PLC控制系统中的I/O系统、HMI系统等可以直接和现场信号连接、使用。
系统也不需要进行专门的抗干扰设计。
所以和其他的控制系统（如DCS、IPC）相比，其成本较低，而且这种趋势还将继续持续下去。
（3）结构简单-适用性强
大部分情况下，一个PLC主机就能组成一个控制系统。
对于需要扩展的系统，只要选好扩展模块，经过简单连接即可。
PLC扩展模块品种多，可以灵活组成各种大小和不同要求的控制系统。
PLC控制系统实质性的好处是当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，只需对程序进行简单的修改，对硬件部分稍作改动即可，而不是像继电气控制系统那样，在一个装配好的控制盘上，对系统进行修改几乎是不可能的事情。
同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入/输出组件和应用软件的不同。
所以说PLC系统具有极高的柔性，即通用性强。
（4）编程简单
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（5）项目周期短-调试方便
用继电器控制完成一项控制工程，首先必须按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器柜的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。
而PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
因为PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有枪支和仿真的功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（6）维护方便
PLC的输入/输出端子能够直观的反映出现场信号的变化状态，通过编程工具可以直观的观察控制程序和控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，极大的方便了维护人员查找故障，缩短了对系统维护的时间。
（7）体积小-重量轻-能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域。
除此之外，S7-200系列PLC可提供5个不同的基本型号的8种CPU供需求者使用。
2液压闸控制系统工作机制概述
2.1闸门概述
液压闸系统以重量轻、体积小、惯性小、响应速度快、无级调速、易布置回路、易实现自动化、易于实现过载保护和液压元件已标准化等诸多优点，在汽车、航空、机床、冶金等领域获得了广泛应用。
随着工业领域对液压技术的要求越来越高，液压系统正在向着高压、高精度、高可靠性方向发展。
2.2液压系统动态特性简介
随着液压技术的发展，各应用领域已经不断成熟和壮大，液压控制系统与传动机制本身也越来越复杂，要求的控制精度和传动动力也越来越高了，采用完成执行机构预定动作和满足系统静态性能要求的系统设计已经不再实用了。
因此，对液压控制系统与液压传动动态性能研究，提高其相应特性，是非常必要的。
研究动态性能的主要方法有：
传递函数法、模拟仿真法、实验研究法和数字仿真法等。
传递函数法一般适用于单输入—单输出线性系统的稳定性和频率响应的分析，不足以描述系统内部各变量的特征，也不易处理液压系统中普遍存在的非线性问题，不可避免会出现误差。
模拟仿真法是用模拟计算机或模拟电路来进行液压系统动态性能的模拟分析，它把实际物理量用电压量来表示，通过连续运算，求解描述系统动态特性的微分方程。
此方法接近实际情况，系统参数调整简单，运算快，但缺点就是精度太低。
实验研究法可以直观真实的了解到系统动态特性。
但这种分析方法系统周期长、费用大、通用性差。
，如今一般作为研究结果的验证手段。
数字仿真法通过建立液压系统动态过程的数字模型—状态方程，然后在计算机上求出系统主要变量的实域解。
它对线性与非线性系统均适用，可以模拟出任何输入函数作用下系统个参数的变化情况。
与其它方法相比，它拥有精确、可靠、实用性强、周期短和费用低等优点。
2.3液压系统基本组成
液压系统包括主液压系统和转向液压系统，两个系统共用一液压油箱。
一般由动力部分、执行部分、控制部分及辅件部分四部分组成，其最大特点是元件单位重量传递的功率大、布局灵活，易实现远距离操作和自动控制，自润滑性好。
能够实现系统的过载保护与保压，动作迅速，可实现无级调节，被广泛用于自动化设备上。
2.3.1主液压系统
主液压系统为设备调整和钻修作业时提供液压动力，配置有各种阀件，控制操作各液压机具正确安全运行。
2.3.2转向液压系统
转向液压系统为液压助力转向提供液压动力，配置有各种阀件，控制液压系统压力、流向和稳定最高流量，确保转向轻便灵活，安全可靠。
3液压闸控制系统硬件设计
3.1系统硬件
在传统水闸启闭机控制系统中，由于电器触点数量多，可靠性较差，闸门开度仅凭肉眼观察，误差大，难以达到所期望的控制要求。
利用可编程序控制器抗干扰能力强，工作可靠性高以及平均无故障时间长等特点，对液压闸控制系统进行设计。
在液压水闸启闭机的整个控制系统中，除了以开关量控制外，还要检测系统水闸内外的水位高度、水流流速等模拟量，因此，可以选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带D/A转换的模拟量输入模块。
同时，为了实现人机对话，系统需要配接相应的传感器、变送器和其他驱动装置。
其中，电器控制部分的核心采用日本OMRON公司的CQMI型可编制程序控制器，包括CPU模块、电源模块、输入模块和输出模块。
用户可以根据生产现场中每个水闸启闭机的控制要求灵活的配置输入和输出点。
对于闸门开启高度的检测，可以选用行程检测装置采集信号，结合OMRON公司的E6CP-AG5C旋转编码器，通过传动机构将闸门的位移换位脉冲信号，该项设计具有连接简单，维护方便的特点。
其系统硬件框架图如下所示：
图3.1-1系统硬件框图
3.1.1系统总体构造
系统准备设计一套以可编程控制器为主控设备并配置手动操作与执行设备组成的分层分布式计算机监控系统。
监控信息通过闸门至上级网络之间传送至上级单位，以便及时了解闸门的运行状况。
控制中心的控制指令，通过计算机网络传至本地的执行系统，从而对闸门进行启闭控制。
3.1.2系统组成
闸门监控子系统由一台上位机、一套现地监控单元、现场传感部件和执行机构等设备组成。
现地监控单元采用可编程控制器作为作为主控设备，在监控单元上有2孔涵闸的手动集中控制与显示，同时保留现场的手动操作。
闸门位置和上下游水位信号的采集采用专用传感器。
控制系统框架图如下所示：
图3.1.2-1控制系统框架图
PLC使用梯形图逻辑图设计，程序一旦写好，我们可以通过上位机的Rs-232串口和PLC上的Rs-485串口将程序下载到PLC主板上。
PLC从闸门开度传感器获得反馈信息，以控制坝门的开度，水位传感器用来测把体两侧的水位。
PLC采集模拟信号、数字输入信号和数字输出信号以保证对系统持续的监控。
3.1.3硬件简介
（1）传感器
在现代工业系统设计中，能否选择一台合适的传感器是关键。
传感器的选择依靠于所测量的目标、要求、精确性和使用环境等。
设计选用的事HMC—MRIB传感器，它主要用于水库、河道、渠道的水位监测及闸门行程的自动监测。
主要有光敏元件、反光板、数据处理器、机械传动装置等部件组成。
采用光电隔离以防止雷击，绝对位移测量不怕掉电，随时反应及时数据。
内置RS—485通信接口与PC机相连，实现数据自动监测。
（2）交流电动机
电动机被广泛使用在一个高速运动系统中，
（3）启动器
电机在使用过程中必须随时都能及时控制，而最基本的控制是对电机启停的控制。
这项工作通常由一个启动器来实现，该启动器是由一个电流接触器和一个过载继电器组成。
（4）闸门开度仪
设计采用WTM—A型荷重开度综合监测仪，它由MS51单片机系统为核心组成的一种智能化仪器，是专门用于测量、显示和控制启闭机、门机、吊车等起重装置起重量、开度（即高度）的自动化测控仪器。
它是起重设备数字化及控制自动化不可缺少的现代自动化设备。
（5）测量仪器
测量仪器的作用就是把传感器所传过来的数据加工处理后，反应给PLC，再由PLC去执行改变系统的运行状态。
3.2测量仪器的选择
本文采用GP1312RL/XH闸门开度仪，实物如下图。
这个测量仪器中包含了许多继电器，这些继电器作为仪器的开关。
图3.3—1闸门开度仪
GP1312RL/XH闸门开度仪说明如下：
联接各个品牌的SSI信号传感器；
SSI信号可同时冗余设备连接PLC的SSI模块和本款仪表；
强大的信号与电源抗干扰功能，更可靠安全；
智能化面板设定，多种功能位移控制应用；
10—26位可调，格雷码、纯二进制码可选等。
4PLC编程设计
4.1闸门开度设计
要计算开度首先要设计水流量，只有在水流量一定的情况下再对闸门的开度进行选择才有意义。
针对本系统三闸门的具体情况，做出如下三种控制开度的方案。
方案1：
一个闸门开方案2：
两个闸门开方案3：
三个闸门全开
在开度和流量都设计好后，启动电机工作后，我们可以通过下图看到系统的具体工作情况。
图4.1-1闸门开度的计算
4.2上下水位调节
监控中，如果监视器的上下水位值与实际水位值不相符合，则点击调整按钮输入实际的水位值，然后点击校正即可。
如图所示：
图4.2—1水位调节
4.3PLC的编程
可编程逻辑控制器是基于输入设备的逻辑要求，而不是数字计算算法。
大部分程序有“开或关”两种状态，改变他们工作方式的命令来自于逻辑请求。
PLC提供了一个灵活的可编程方式的模拟装置来替代以继电器为基础的底气控制系统。
在STEP7软件中我们可以改变PLC的编程，从一种语言到其他。
PLC系统提供了一个设计环境，以便对软件工具上运行的主机电脑终端的开发、验证、测试及诊断。
图是对闸门进行开或关的控制。
为了保证闸门在工作时不会因为出现故障而造成不必要的损失，图中特意对闸门开启过程中运行状态进行了判断，判断模块在图4.3-1中表示为T107
图4.3-1闸门开关控制梯形图
继电器的工作状态对系统的工作情况至关重要。
图4.3-2为继电器工作状态的控制。
系统先通过T37判断，正确后M1.2工作；
T38先判断，正确后M1.3工作。
图4.3-2继电器工作状态梯形图
从图4.3-3中梯形图可以看出，只要M1.2、M1.3、I0.4、M0.6中任意一个正常工作，M1.4都能正常工作。
图4.3-3闸门错误判断
通过图4.3-4可以看出：
只要M1.4工作，则指示灯Q0.2就会亮，表示系统工作错误。
还有，当闸门完全开时，限位器I0.5工作；
闸门电机M1.7工作，闸门完全开。
图4.3-4闸门开/关判断梯形图
5总结与展望
5.1总结
论文设计的是基于PLC的液压闸控制系统的开发。
通过闸门开度仪和水位传感器采集闸门的运行参数，经PLC处理后，远程监控闸门的开启状态。
论文中主要完成了整个系统的硬件设计，以及硬件系统的PLC编程。
经过不断的查阅资料、与同学交流讨论和导师的细心指导，在不断的总结过程中，最终在三月底顺利完成了此系统的设计工作。
设计中遇到最难的问题是硬件系统的PLC编程。
由于我的PLC编程学得不精，本次编程量又较大，最终我选择了梯形图和分块式编程方式来设计，先对系统各硬件用梯形图模块化编写，在采用分块式整体化整合整个系统程序，运用了“整—分—整”模式。
在这次设计过程中，我遇到过很多平时无法想象的难题。
在不断的克服这些难题的过程中，使自己对所研究的课题产生了浓厚的兴趣。
也就这样我成功的完成了本次论文设计。
实践证明，基于PLC的液压闸控制系统能够正常稳定运行。
测试结果显示PLC技术已经成功地应用在自动控制系统中，获得的工作效率远超过传统方法。
5.2展望
虽然本次设计还算比较顺利，达到了预期的基本目标，但是由于知识、能力、经验、时间等的不足，设计还存在一些考虑不够全面的地方，有待改善。
主要有以下几个方面：
（1）本次设计没有考虑到器件的节约问题，只追求了实现系统功能的愿望。
例如，手动控制中继电器使用过多，这使得系统显得复杂化，增加了调试的难度，而且也让系统出现故障的机会增多。
（2）设计中尚未将闸门监控与水位监测联系起来，若彼此结合，会使系统更简化，操作变得更智能化，系统内硬件就会更吻合，效率也会提高。
（3）利用编程控制器技术对已有额度继电器控制系统进行改进。
采用旋转编码技术，实施对闸门自动提升和闸门位置信号的运转，使闸门工作的可靠性和自动化程度大为提高。
（4）整个系统的具体运行中可能会出现开关
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