基于PLC的自动升降减速坡设计.docx

1、基于PLC的自动升降减速坡设计一、 题目：基于PLC的自动升降减速坡设计二、 指导思想和目的要求：指导思想：毕业设计是培养学生自学能力、综合应用能力以及独立工作能力的重要教学实践环节。目的：培养学生深入实际，综合运用所学知识技能，考察学生理论联系实际和在社会实践中发现、解决实际问题的能力。培养学生独立思考问题，调查研究与信息收集、整理的能力，考察学生灵活运用专业知识的能力。培养学生严谨的治学态度及刻苦钻研的精神。要求：毕业设计选题要遵循理论联系实际的原则，一方面要结合专业特点，另一方面要结合实际工作和社会经济、科技发展的需要，以提高毕业设计的社会应用价值。内容新颖，学生要紧密结合社会经济和科学

2、技术发展的需要，调查研究，收集资料，在此基础上提出新观点、新见解。材料详实，学生深入实际，调查研究，收集材料，材料是理论的依据。论理充分，论点提出后，论述中要思路清晰，结构合理、层次分明。三、 主要技术指标：凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。与凸轮轮廓接触，并传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般做往复直线运动或摆动，称为从动件。凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就

3、可以了。凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。三菱FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合

4、。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCII co

5、de印刷，HEX ASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。四、 进度与要求：时间进度主要内容阶段要求第一阶段（4月19-20日）一、毕业设计动员会。二、指导教师和学生见面，交流论文写作想法。1、指导学生填写“毕业论文任务书”。2、制定论文写作计划。第二阶段（ 4月21-5月20日）一、收集资料，在指导老师的指导下确定论文题目。二、拟定提纲，并向指导老师做论文开题报告。围绕论文题目查阅相关书籍文献和网络信息，在此基础上明确论文思路和论点，构建论文提纲。第三阶段（5月21-6月19日）论文撰稿论文内容要有创新；论文用词恰当，语句通顺；论文逻辑严密。第四阶段（

6、6月20-25日）修改、定稿、上交1、学生在教师指导下进行论文修改、定稿。2、论文经老师审核后,按毕业论文格式要求进行排版及装订。第五阶段（6月26-29日）论文评阅评阅老师进行论文评阅，填写评阅书给出评阅成绩。第六阶段（ 6月30-7月1日）毕业设计答辩1、学生简要介绍论文，回答答辩小组提出的问题。2、答辩小组现场评议，填写答辩记录给出答辩成绩。五、 主要参考书及参考资料：城市交通规划机械零部件与传动结构可编程控制器原理及应用电机拖动与控制班级： 专 业： 学生： 指导教师： 摘 要本文介绍了一种基于可编程控制器（PLC）设计的自动升降减速坡系统，应用于路口红灯时对车辆的限行。此系统机械部分

7、由凸轮带动减速坡的升降，绿灯通行时减速坡降至与地面平行，使车辆顺利通过；红灯时减速坡升至高于路面的设计高度，以控制车辆闯红灯的现象。电气部分由PLC和控制器控制三相交流步进电机带动凸轮的运转，与红绿灯时间有机结合，使减速坡按照程序设计自动循环升降。文中给出了减速坡的机械图纸和电气控制原理图，同时介绍了可编程控制器和直流电机的一些功能及参数，并列举了相应的设计程序及流程图。关键词：可编程控制器 直流电机 MCGS 闭合式窗帘摘要 目录 第一章 绪论 1 1.1 引言 11.2 城市交通现状及存在问题 1 1.2.1 城市交通现状 11.2.2 城市交通存在的问题 11.2.3 人车混道现象 21

8、.2.4 乱闯红灯现象 31.3 有效解决车辆乱闯红灯现象 31.3.1 自动升降减速坡系统的设计 31.3.2 研究目的和意义 4第二章 系统组成 5 2.1 硬件 52.1.1 凸轮机构 52.1.2 三菱FX2N PLC 72.2 软件 122.2.1 GX-Developer编程软件 12第三章 系统设计 14 3.1 减速坡设计 143.1.1 凸轮设计 143.1.2 整体设计 153.2 电气原理 153.2.1 三相步进电机 153.2.2 PLC电气原理 18第四章 程序设计 20 4.1 程序流程图 204.2 GX程序设计 204.2.1 编程指令 20参考文献 22致

9、谢 23附录A 24附录B 25第一章 绪论1.1 引言近些年来，随着经济和社会快速发展，我国很多市区面积开始逐渐扩大，道路建设不断增多，出行车辆不断增加，城市交通已经进入一个快速发展的阶段。但是，很多城市市区交通却开始出现我国很多城市在发展过程中普遍遇到的城市交通拥堵问题。1.2 城市交通现状及存在问题1.2.1 城市交通现状城市中交通量激增，原始的交通方式已不能满足要求；同时，由于工业发展为城市交通提供的各种交通工具越来越多，从而加速了城市交通事业的发展。城市交通的特征因各城市的规模、性质、结构、地理位置和政治经济地位的差异而有所不同，但是它们具有的主要特点则是相同的。（1）城市交通的重点

10、是客运；（2）早晚上下班时间是城市客运高峰；（3）每个城市的客流形成都有自身的规律；（4）城市客运量大小与各该城市的总体规划和布局有直接关系。1.2.2 城市交通存在的问题当前，全国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象。概括起来，目前我们城市交通主要呈现出下列特点和问题： 1、城市规模逐步扩大，运输压力沉重。改革开放以来的20多年，我国取得了持续高速经济增长和大规模城市化的辉煌成就。而大量人员出行和物资交流频繁，使城市交通面临着沉重的压力。 2、机动车增长加快，道路容量不足。最近几年城市机动车增长速度迅速，轿车、客车、面包车以至于摩托车增幅年平均在15%以上。而与之对应的人

11、均道路面积一直处于低水平状态。3、路网不合理，交通管理水平低下。我国现有城市路网一般都是密度低、干道间距过大、支路短缺、功能混乱，属于低速的交通系统，难以适应现代汽车交通的需要，交通控制管理和交通安全管理的现代化设施不能满足现实的需求。4、公共交通萎缩，出行结构不合理。从80年代后期开始，城市公共汽车交通持续萎缩，从运营效率到经营管理，从服务水平到经济效益，出现了全面的衰退。虽然公交车辆和线路长度增长许多，但公交车辆的运营速度不断下降，新增的运力被运输效率下降所抵消。由于公共交通受到冲击，被转移出来的乘客便要寻找其它出行方式，加剧出行结构的不合理。5、部分市民交通安全意识和法制观念淡薄，交通公

12、德意识差。很多机动车违章现象突出。随意抢道、占道、掉头和停车，在没有交警管理、红绿灯的路口，各种车辆互相抢行；部分司机驾驶违反交通规则，占用停车道，阻挡了整个公交车车道，影响了整个道路交通；还有一些司机驾车时候随意左转、掉头；更有司机为了节省通行时间，本来是直行的却在红绿灯处占用左传或者右转车辆路线试图并线。部分电动自行车、自行车和行人肆意穿行。很多行人常常行走在自行车道上，自行车和电动自行车则大都行驶在机动车道上，挤压了公交车和机动车行使空间。1.2.3 人车混道现象人车混流问题主要表现在行人、非机动车乱穿人行道，机动车乱闯红灯、占道现象严重，交通设施滞后等。人车混流、人车争道等违法现象不仅

13、扰乱交通秩序，给市民带来安全隐患和出行的不便，造成市民的一种不健康的心理，也损害了城市形象，成为城市文明建设、优化环境的不和谐因素。造成人车混流的原因是多方面的，但市民守法自律意识淡薄是不可忽视的一个方面，不少行人对交通安全法律法规不够重视，不能自觉地约束自己的交通行为；驾驶员的素质普遍偏低。再加上城区车辆激增、道路功能老化、道路基础设施落后，没有办法像一些大城市那样把机动车道、非机动车道完全隔开，造成了现在人车混流的局面。1.2.4 乱闯红灯现象有一份网络调查资料显示，许多网友开车不敢闯红灯，而走路或骑自行车却会闯红灯。之所以出现这种情况，是因为开车闯红灯会收到交警的罚单，而走路或骑自行车闯

14、红灯却不会受到任何处罚。这个现象告诉我们，光靠自我道德约束不够，必须有外在的强制力才能保障交通法规的贯彻执行。交通管理部门应打破“法不责众”的惯例，严格依法处罚那些敢于违法者。除了部分行人的文明素质有待提高之外，乱闯红灯还存在两点客观原因。一是红绿灯的设置不甚合理。有些路口绿灯通行的时间过短，行人若仅靠绿灯过马路，存在一定难度。二是机动车驾驶员谦让意识的缺失。在一些设置了机动车右转匝道的十字路口，由于机动车右转时不需要受到红绿灯的调控，几乎所有的车辆穿过行人斑马线时都不会对行人避让，反而是行人要时刻留意往来的车辆，对车辆进行避让。在这种情况下，无形中就使行人养成一种习惯，只要没有车辆就能横穿马

15、路。据统计中国交通事故死亡率世界第一，每年交通事故50万起，因交通事故死亡人数均超过10万人，相当于一个小型县，居世界第一。每5分钟就有一人丧身车轮，每1分钟都会有一人因为交通事故而伤残。每年因交通事故所造成的经济损失达数百亿元1。1.3 有效解决车辆乱闯红灯现象1.3.1 自动升降减速坡系统的设计为了有效解决车辆乱闯红绿灯的现象，针对现有的固定式减速坡所创新改进的自动升降减速坡系统。本系统使用三菱PLC、三相交流伺服电机和伺服电机控制器对凸轮进行传动控制，使凸轮带动减速坡做上下运动，通过程序设计使其与交通信号灯关联，红灯时升起减速坡，绿灯时降下减速坡。1.3.2 研究目的和意义现有的固定式减

16、速坡比较受限制，绿灯时由于减速坡距离地面一定的距离，正常行驶时因为颠簸会使驾驶人员感觉不舒适，甚至会对底盘较低的车辆造成损伤；还有些路口为了使车辆避免颠簸，会将某几块减速坡拆除，这样就造成了资源浪费，并且在关键时刻起不了预期的作用。此系统更好的使路面被合理利用，从而减缓乱闯红灯现象。第二章 系统组成2.1 硬件2.1.1 凸轮机构1.凸轮机构简介凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。与凸轮轮廓接触，并传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般做往复直线运动或摆动，称为从动件。凸轮机构在应用中的基本

17、特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。2.凸轮机构原理由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。凸轮机构结构紧

18、凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠，因此在自动机床、内燃机、印刷机和纺织机中得到广泛应用。但凸轮机构易磨损，有噪声，高速凸轮的设计比较复杂，制造要求较高。 图2.1 凸轮机构 图2.2 凸轮机构原理3、凸轮机构的分类按凸轮形状分：1）盘形凸轮 2）移动凸轮 3）圆柱凸轮按从动件型式分：1）尖底从动件 2）滚子从动件 3）平底从动件按维持高副接触分（锁合）：1）力锁合：弹簧力、重力等 2）几何锁合：等径凸轮、等宽凸轮图2.3 凸轮形状图2.4 凸轮从动件型式4、优点结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运动，因此在机床、纺织机械、轻工机械、印刷

19、机械、机电一体化装配中大量应用。5、缺点1）点、线接触易磨损 2）凸轮轮廓加工困难 3）行程不大22.1.2 三菱FX2N PLC简介：FX2N是日本三菱公司的可编程控制器(PLC),继电器输出及输入24点,输出24点。FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，内置用户存储器8K步，可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。有功能很强的数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接。特点：系统配置即固定又灵活；编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用

20、于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。项目规格备注运转控制方式通过储存的程序周期运转I/O控制方法批次处理方法(当执行END指令时)I/O指令可以刷新编程语言逻辑梯形图和指令清单使用步进梯形图能生成SFC类型程序指令数目基本顺序指令：27 步进梯形指令：2 应用指令：128最大可用298条应用指令I/O配置最大硬体I/O配置点256，依赖于用户的选择（最大软件可设定地址输入256、输出256）定时器（T）100毫秒范围：0至3276.7秒200点T0至T19910毫秒范围：0至327.67秒46点T200至T2451毫秒保持型范围：0至32.767秒4点T246至T249100毫

21、秒范围：0至3276.7秒6点T250至T255计数器（C）一般16位范围：0至32767数200点C0至C199 类型：16位上计数器锁定16位100点（子系统）C100至C199 类型：16位上计数器一般32位15点C200至C219 类型：16位上/下计数器锁定32位15点C220至C234 类型：16位上/下计数器数据寄存器 （D）一般200点D0至D199 类型：32位元件的16位数据存储寄存器对锁定7800点D200至D7999 类型：32位元件的16位数据存储寄存器对文件寄存器7000点D1000至D7999通过14块500程式步的参数设置 类型：16位数据存储寄存器特殊256点

22、从D8000至D8255 类型：16位数据存储寄存器变址16点V0至V7以及Z0至Z7 类型：16位数据存储寄存器表2.1 FX2N-48MR性能规格图2.5 PLC工作过程示意图图2.6 PLC系统结构图PLC硬件系统组成1.微处理器（CPU）接收并存储用户程序和数据；诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误；接收输入信号，送入数据寄存器并保存；运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户程序的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。 2.系统存储器系统程序存储器+系统数据存储器存放系统工作程序（监控程序）；存放模块化应用功能子程序；存放命令解释程序；存放功能子程序的调用管理程序；存放存储

23、系统参数。3.用户存储器RAM/EPROM/EEPROM存放用户工作程序；存放工作数据。4.输入单元带光电隔离电路多种辅助电源类型：AC电源DC24V输入 DC电源DC24V输入 DC电源DC12V输入接收开关量及数字量信号（数字量输入单元）；接收模拟量信号（模拟量输入单元）；接收按钮或开关命令（数字量输入单元）；接收传感器输出信号。5.输出单元带光电隔离器及滤波器多种输出方式：晶体管 晶闸管 继电器驱动直流负载（晶体管输出单元）；驱动非频繁动作的交/直流负载（继电器输出单元）；驱动频繁动作的交/直流负载（晶闸管输出单元）。6.通讯及编程接口采用RS-485或RS-422串行总线连接专用编程器

24、（FX-20P、FX-10P）；连接个人电脑（PC），实现编程及在线监控；连接工控机，实现编程及在线监控；连接网络设备（如调制解调器），实现远程通讯；连接打印机等计算机外设。7.I/O扩展接口采用并行通讯方式扩展I/O模块；扩展位置控制模块（如F2-30GM）；扩展通讯模块（如FX-232AW等）；扩展模拟量控制模块（如FX-2DA、FX-4AD等）。图2.7 FX系列PLC硬件配置图2.2 软件2.2.1 GX-Developer编程软件GX-Developer的功能十分强大，集成了项目管理、程序键入、编译链接、模拟仿真和程序调试等功能，其主要功能如下：1在GX-Developer中，可通过

25、线路符号，列表语言及SFC 符号来创建PLC 程序，建立注释数据及设置寄存器数据。2创建程序PLC程序以及将其存储为文件，用打印机打印。3该程序可在串行系统中与PLC进行通讯，文件传送，操作监控以及各种测试功能。4该程序可脱离PLC进行仿真调试3。图2.8 GX编程界面第三章 系统设计3.1 减速坡设计减速坡整体的机械部分设计3.1.1 凸轮设计为了更好的完成预期控制要求，降低成本，设计一款曲面对心移动的盘形偏心凸轮，此凸轮结构简单，制造方便，经济实用，往复运动轨迹固定，适用于一般较为简单的减速坡设计。图3.1 偏心凸轮此凸轮偏心距为15mm，故一个运动周期往复距离为30mm减速坡上下移动距离

26、就为30mm。此高度可有效控制车辆的限行，若车辆快速强行通过必定会损伤底盘，遇到素质较差的司机时，定会考虑到爱车的损害问题与驾驶舒适度，必然会减速停车。若强行通过也会在低速行驶的状态下，这样可以保证正常行驶车辆的安全性。凸轮内部连接方式为键槽连接，与伺服电机轴上的键槽相配合，更有效的传递动能，加工制造、安装更换简单方便。3.1.2 整体设计减速坡设计为圆弧形状，可使车辆缓慢开过，不至于对车辆底盘造成太大损伤。减速坡伸出距离与凸轮运动往复距离相同，符合设计初衷。减速坡上升下降平缓有效，此设计不存在卡位等情况，安全性、适用性良好。（a）下降状态 （b）上升状态图3.2 自动升降减速坡限位杆有效限制

27、减速坡的方向，在运动过程中不会前后左右移动，起到固定作用，同时也限制减速坡由于客观原因脱离整个系统内部。3.2 电气原理减速坡电气控制部分设计3.2.1 三相步进电机步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产

28、品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。基本原理：通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的