基于PLC控制的运动小车系统设计.docx
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基于PLC控制的运动小车系统设计
前言
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，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，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序控制器，称ProgrammableController（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
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．课程设计目的…………………………………………………………………1
2．课程设计题目描述和要求……………………………………………1
3．课程设计报告内容……………………………………………………………2
3.1设计过程和有关说明………………………………………………………2
3.2基于PLC的小车控制电气控制系统电路图………………………………2
3.3PLC控制程序…………………………………………………………………4
3.4电器元器件的选择和有关计算…………………………………………10
3.5电气设备明细表…………………………………………………………13
3.6小车控制系统参数的说明及设定………………………………………14
3.7利用力控软件控制界面的制作…………………………………………14
4．总结………………………………………………………………………17
参考文献………………………………………………………………………19
1、课程设计目的
1）专业课程设计的主要目的是通过运动小车设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体设计方法。
以及查阅文献资料的能力。
它是一项初步的工程训练。
2）通过专业课程设计有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。
电气设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。
3）通过课程设计，使学生了解组态软件技术在工业控制领域的应用，较快掌握组态软件编程技术，培养学生独立分析问题和解决问题的能力，提高学生的实践技能。
为今后实际工作以及撰写论文打下良好的基础。
2、课程设计题目描述和要求
1）题目描述：
（1）、设计任务
设计一个由组态软件实现上位机控制，PLC为下位机控制的小车双速系统，完成组态控制界面的设计、PLC接线图和控制梯形图的绘制。
利用实验设备实现上下位机的通讯，完成PLC端子和运动小车系统的接线工作，并利用PC机输入梯形图控制程序，在实验室进行调试。
（2）、控制要求
按下启动按钮，小车左行（右行），当到达左限位（右限位）时，小车停止，延时1秒后，小车向相反的方向运行，当到达限位时，小车停止，再换向运行，如此往返运行，能实现自动控制和手动控制，并可实现高、低速转换，电机采用双速电机。
（控制界面可实现运行仿真）
2）设计要求：
（1）态度方面：
认真对待、独立进行、按时完成任务。
（2）查看有关参考书籍、查阅相关文献资料，独立设计基于组态软件应用的控制系统的方案。
（3）根据实际系统的要求，进行简单的画面设计与编辑、简单控制程序的编写。
（4）进行程序的运行、调试与改进。
撰写课程设计报告等。
3、实验报告内容
3.1设计过程和有关说明
（1）查找资料，设计硬件电路。
（2）根据硬件电路连接图，连接设备。
（3）编写plc程序，并调试。
（4）用组态软件制作简单的控制界面并调试。
3.2基于PLC的小车控制电气控制系统电路图
相应的PLC连接图
硬件电气图
其中，KM1是控制电机的正转，KM2是控制电机的反转，KM4控制电机的慢速运行，KM3和KM5控制电机的快速运行。
因为KM3和KM5闭合时，电机定子绕组就是YY型连接，磁极对数增加一倍，所以是高速运行。
而KM4闭合时，电机定子绕组是Y型连接，磁极对数为原来的一半，所以低速运行。
双速电动机定子绕组接法:
低速运行高速运行
在多速电动机中，通过改变其绕组的连接方法来改变磁极对数，从而也就改变电动机的转速。
双速电动机定子绕组可以接为Y型，也可以接为YY型。
其中，Y型为低速，YY型为高速。
其原理如下：
双速电动机属于异步电动机变极调速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速。
根据公式n1=60f1/p可知异步电动机的同步转速与磁极对数成反比，磁极对数增加一倍，同步转速n1下降至原转速的一半，电动机额定转速n也将下降近似一半，所以改变磁极对数可以达到改变电动机转速的目的。
这种调速方法是有级的，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼式电动机。
3.3PLC控制程序
1）左行右行启动
这是控制左行启动和左行的一段程序，第一次的时候T3不起作用，而在左行程序中M2可以启动，启动后，M9闭合，通过控制T3来实现左行控制，达到了延时的目的。
2）延时控制
在本程序的设计中，为了防止每次正反转、高低速进行切换时出现电机三相短路的情况，所以需要对每次动作正反转、高低速进行延时控制，延时时间为1s钟。
那么需要每一次切换，前一个动作迅速断电，后一个动作1s后执行。
3）辅助继电器
由于在要求中，有一段10s的启动稳定期，而启动按钮和正反转按钮相同，即正反转按钮在启动后就无需执行10s的过渡过程，所以引人辅助继电器来计数第一次。
4）计数控制
这是一段右行的程序，其中，程序中的辅助继电器M9的作用便是对正转按钮M1的一个计数控制，当第一次M1作为启动时，可以导通线圈，启动后失去作用。
同时，M9可以用在所有只启动过程中会出现动作的情况中，例如此处的定时器。
5）右转程序
右转的条件是启动时按下右启按钮，稳定后，每次按下按钮后1s后右转，当遇到左限位开关会右转。
6）左转程序
左转的条件是启动时按下左启按钮，稳定后，每次按下按钮后1s后左转，当遇到右限位开关会左转。
7）高速运行程序
使高速线圈得电的基本条件是启动后10s自动变为高速，稳定后按下高速按钮后实现高速运行，然而在硬件电路中，高速是由两个继电器控制，所以，由两个输出线圈来驱动，同样，为了防止三相短路，设置辅助继电器驱动延时线圈，当上位机的高速按钮按下，低速通道断电，经过1s后，高速线圈得电。
8）低速运行程序
同高速线圈的设计思想相同，但在实践过程中，遇到的困难是在进行电气互锁时没有理清楚两者之间的逻辑关系，则在高速运行的时候是不允许低速线圈得电运行，同理，低速运行时，高速线圈不得电，在实际调试中，在慢速支路中加Y021常闭开关则可解决这个问题，需要注意的是在高速支路中无需添加低速常闭开关。
9）各辅助继电器程序
如上分析，可知这些辅助继电器的作用就是为了实现高低速、正反转自由切换时的一个延时控制，以防止三相短路，需要注意的是这些延时的控制都是在稳定后进行的，所以，在第一次启动时，切换延时开关不起作用，等到稳定之后，每次进行正反转、高低速的切换都需延时开关控制，在这个过程中，在正反转的控制中，需要继续利用M9来实现该功能。
经调试发现，如果在辅助继电器设计过程中，没有添加M9程序运行会错误。
10）程序设计表
3.4电器元器件的选择和有关计算
1）PLC
（1）定义
可编程控制器简称PC（英文全称：
ProgrammableController），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：
ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期。
为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。
1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
（2）PLC的特点
<1>可靠性高，抗干扰能力强
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，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
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>硬件配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。
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。
<3>易学易用，深受工程技术人员欢迎
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。
<4>容易改造
系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
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。
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。
<5>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，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。
它的重量小于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。
2）力控监控组态软件的简介
力控监控组态软件是根据当前的自动化技术的发展趋势，总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计开发的高端产品，是三维力控全体研发工程师集体智慧的结晶，该产品主要定位于国内高端自动化市场及应用，是企业信息化的有力数据处理平台。
力控监控组态软件对相对于历史版本对历史数据库、人机界面、I/O驱动调度等主要核心部分进行了大幅提升与改进，重新设计了其中的核心构件，力控6面向.NET开发技术，开发过程采用了先进软件工程方法：
“测试驱动开发”，产品品质将得到充分保证。
本课程设计就是利用力控监控组态软件实现上位机界面的组成设计，也实现对整个运动系统的监控。
3）有关公式
n1=60f1/p
可知异步电动机的同步转速与磁极对数成反比，磁极对数增加一倍，同步转速n1下降至原转速的一半，电动机额定转速n也将下降近似一半，所以改变磁极对数可以达到改变电动机转速的目的。
3.5电气设备明细表
电源控制屏：
提供三相四线制380V、220V电压
小车运动系统装置
继电接触箱
三菱PLC主机
力控监控组态软件实战指南
力控监控组态软件
3.6小车控制系统参数的说明及设定
左启/左行
右启/右行
快速
慢速
停止
3.7利用力控软件控制界面的制作
1）本部分采用力控监控软件进行制作，熟悉和了解力控软件，完成I/O通讯、数据库组态等模块，使其可以实现监测控制系统的功能。
设计的基本界面如上图所示：
2）在I/O设备组态里进行设定
在打开的窗口里选定三菱系列，然后选择FX系列编程口，再进行设备配置设置，按照方法完成后，运行时会有这样的通讯界面：
在这个页面中的说明和提示证明通讯可以进行，通讯口保持畅通，此时完成了PLC与运动小车装备的连接。
3）每个按钮的鼠标按键设置
设定了通讯之后，可以进行每个按钮的鼠标按键设置，在设置过程中注意语法的正确性，同时，分别设置按下鼠标和松开鼠标的相应动作，每条语句结束后要以分号结束。
设置中非常重要的一个环节就是设置数据库组态，在设置的过程中，注意合理的使用输入、输出点数，能达到最佳配置。
以下是设置过程中的数据库分配：
完成各个部分后，一个简单的上位机界面就可以完成。
4.总结
通过这次的课程设计，我学到了很多东西。
因为以前上课时学PLC学的不是特别好，理论知识不是特别扎实，真正这次课程设计时发现自己的技能不到家。
于是，在知道我们课程设计的课题后，我是赶紧翻阅相关的资料。
因为我们是做小车那个设计的，并且课堂上梅老师讲过相关的知识，所以我又把上课的课件看了一遍。
毕竟我自己理解只是一个人的事，要做好这次的课程设计必须要跟同组的组员合作好。
所以我们先在组内进行了有关内容的讨论。
在我们第一次讨论时，我觉得我们用经典设计法设计比较好，理由是容易实现功能，而组里有其他同学觉得用顺序语句设计可能好点，因为他们觉得他们对顺序语句的掌握更熟练一些。
最后我们同意了用顺序语句编写程序。
但真正在编写语句时发现，我们的程序的随时停,随时左行，随时右行，换而言之就是我们的操作是没有时间先后顺序的，全是随机的，也就意味着顺序语句无法实现。
这在我们第一次讨论时竞无一人能意识到。
说明我们刚开始认识问题还不够深入。
所以最后我们只能还采用经典设计法。
我们暂时把工作分配下去一部分人做力控界面，一部分人写梯形图。
经过组内多名成员的探讨，我们也很快把经典设计法的梯形图设计出来了。
另外一部分人在经过一天的研究后也把力控的界面做出来了。
于是我们在周二去实验室运行了程序和力控的界面。
程序基本正确，稍微修改了一下就没问题了。
但力控的界面就不那么完美了。
虽然力控的界面做出来了，但已点击相关的按钮没有反应。
界面和没点击时一模一样，而且在PLC上也看不出相应的灯亮。
这样试验了几次都是这样。
我们就慢慢研究问题出在哪儿。
后来我们组经过长达2小时的摸索才解决了这个问题。
现在想想大家真的蛮敬业的啊。
在我们把所有的准备工作都做好后就是调试了。
在调试时总是出现各种各样的问题，这些问题都是我们之前没有认真考虑的。
简单说就是我们之前考虑问题时太理想化了，没有考虑实际情况。
这样我们又不断的修改，最后才让小车完美的运行起来了。
这次课程设计大家都蛮认真的，我们有时候为了解决一个问题中午也都在实验室，不断的探索，讨论。
总之，我觉得大家这段时间的辛苦也是值得的，我们都从中学到了不少东西。
最后我要再次感谢梅老师的指导和组员的通力合作。
参考文献：
[1]巫莉.电气控制与PLC应用.北京：
中国电力出版社，2008.5
[2]姚锡禄.变频器技术应用.北京：
电子工业出版社，2009.1
[3]马国华.监控组态软件及其应用.北京：
清华大学出版社，2001.8
[4]马小军.可编程控制器及其应用.南京:
东南大学出版社，2007.4
[5]袁秀英.组态控制技术，北京：
电子工业出版社，2003
附录：
课程设计成绩:
项目
业务考核成绩（70%）
（百分制记分）
平时成绩（30%）
（百分制记分）
综合总成绩
（百分制记分）
注:
教师按学生实际成绩（平时成绩和业务考核成绩）登记并录入教务MIS系统，由系统自动转化为“优秀（90～100分）、良好（80～89分）、中等（70～79分）、及格（60～69分）和不及格（60分以下）”五等。
指导教师评语:
指导教师（签名）:
20年月日
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