基于PLC的小车运动控制系统设计

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： （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2011/3/12011/3/102毕业项目资料的搜集2011/3/102011/3/203毕业项目初稿的完成2011/3/202011/4/304对毕业项目的修改2011/4/302011/5/55依据导师建议再次修改2011/5/52011/5/66. 最终完成2011/5/9-2011/5/19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 概要概要 .8 81.1 基本概念.81.2 发展背景.81.3 发展阶段及前景.91.4 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 22.1 PLC 选择及工作原理 .122.2 直流电机与接近开关 .162.2.1 直流电机的基本工作原理 .162.2.2 接近开关的工作原理 .182.3 机械传动原理和现场总线技术 .192.3.1 机械传动原理 .192.3.2 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 .21213.1 实验器材 .213.2 工作原理 .213.3 控制要求 .253.4 小车运动 I/O 分配表 .283.5 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、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 PLC 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 Programmable 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 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】执行指令；【3】顺序指令；【4】处理中断。存储器包括：只读存储器、随机存储器。XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 12 页 共 34 页输入输出单元包括：输入接口电路、输出接口电路。通常 PLC 的输入类型可以直接是直流，交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可以由 PLC 内部提供。图 2 和图 3 分别为一种型号 PLC 的直流和交流输入接口电路的电路图，采用的外接电源。图 2 描述了一个输入点的接口电路。其中输入电路的一次电路和二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由 0 变为 1.即输入映象寄存器的对应位由 0 变为1. . 图 2 直流输入电路图图 3 交流输入电路图 工作原理： PLC 采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理，与编程器等的通信处理，输入扫描，用户程序执行，输出处理，其工作过程如图 4 所示。途中当 PLC 方式开关置于 RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于 STOP（停止）XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 13 页 共 34 页时，不执行后 3 个阶段，此时可进行通信处理，如对 PLC 联机或离线编程。可编程控制器的输入处理，执行用户程序和输出处理的原理如图 5。 PLC 的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC 完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始的进行。PLC 作为一种特殊形式的计算机控制系统，是利用计算机技术对传统的硬件逻辑控制系统“继电气控制”进行“硬件软化”的结果。但在运行方式上，PLC 的软件逻辑也与继电器控制系统的硬件逻辑存在根本性的区别。 几点起控制系统的硬件逻辑采用的是并行运行的方式，即如果一个继电器的线圈通，电或者放电，该继电器的所有触电（不论是敞开还是常闭，也不论其处于继电器线路的哪个位置上）都会立即同时动作；而 PLC 的软件逻辑是通过 CPU 逐行扫描执行用户程序来实现的，即如果一个逻辑线圈被接通或者断开，该线圈的所有触点并不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的这种差异，plc 在程序运行方式，输入输出操作，特殊功能模版等方面作了特别的考虑。循环扫描：PLC 采用了一种不同于普遍微型计算机的运行方式循环扫描方式，因为继电器控制中各类触点的动作时间一般超过 100ms，因此只要 PLC 运行整个用户程序的时间“扫描周期”小于 100ms，其运行结果的继电器控制就没有什么差别。1、建立 I/O 印象区PLC 在输入输出操作上采用定时采样，定时输出的方式，即在一个扫描周期的固定时刻（一般在扫描周期的开始或者结束）采用所有的输入点，采样结果存入 RAM 中一个区（输入印象区） 。这样在执行程序时，所需的现场讯息全部从输入印象区中取用，不直接从现场取样。同时控制讯息输出也不是采取生成一个就输出一个的方法，而是先将他们存放在 RAM 中一个区域（输出映象区） ，扫描周期结束时再将输出映象区中控制讯息集中输出。通过建立 I/O 映象区，使 PLC 成为一个真正的数字采样控制系统；虽然 PLC 不可能像继电器控制那样随时根据现场输入实时控制现场输出状态，但只要采样周期够短，即采样频率足够高，这样的采样系统应该完全符合实际系统的需要。2、特殊功能模版由于 PLC 在扫描周期方面限制了用户程序的长度，这对于一般的数字控制应该不成问题。但实际的生产过程对 PLC 提出了更多的要求：仿真量处理，死循环控制，网络通XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 14 页 共 34 页讯，高倍 I/O 等。对于模拟量输入输出以及简单的控制，一般是利用 PLC 的主 CPU 和一定的硬件支持。通过相应的软件来实现；其他情况由于牵涉到比较的计算量和 CPU 运算时间，以及 PLC 扫描周期的限制，一般采用自带 CPU 并行工作，由模版系统软件完成相应的控制任务。这样，这些模版与 PLC 主 CPU 并行工作，两者之间通过总线接口进行联系，主 CPU 定期向模版发送命令，模版也定期将自身的状态讯息发送给主 CPU。综合以上所述，在完成系统自身系统初始化以后，PLC 系统执行用户程序的循环扫描方式可分为三个阶段：输入扫描，程序扫描，输出扫描。而计算机比较大或者响应实时性比较高的应用则由自带 CPU 的专用模版和专用软件来实现。图 4 工作原理图XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 15 页 共 34 页图 5 程序执行原理图2.2 直流电机与接近开关直流电机与接近开关2.2.1 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器，直流接触器等）外，最重要的就是在应用在直流旋转电机中，在发电厂里，同步发电机的励磁器机，选电池充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备，大型精密机床，矿井卷扬机，市内电车，电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其他的用途，例如测速电机，伺服电机等。虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是他们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。 直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机的调速性能，并且大量代替直流电动机。不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。包括直流电动机在内的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。一条是：导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。因为，从结构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是对电，磁这两个矛盾着的对立面的统一。我们在这一章里讨论直流电机的结构和工作原理，就是讨论直流电机中的“磁”和“电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象（电枢电动势，电磁转矩，电磁功率，电枢反应等） 。（1） 直流发电机的基本工作原理。（2） 直流发电机和直流电动机具有相同的结构，只有直流发电机（一般是交流电动机）拖动旋转而发电。可见，它是把机械能变为电能的设备，直流电动机则接在直流电源上，拖动各种工作机械（机床，泵，电车，电缆设备等）工作，它是把电能变为机械能的设备。XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 16 页 共 34 页 我们首先来观察直流发电机是怎样工作的。 如图 6 所示，电刷 A，B 分别与两个半圆环接触，这时 A，B 两电刷之间输出的是直流电。我们再来看看这时线圈之间运动的情况。从图 6 可以看出，当线圈的 ab 边在 N极范围内按逆时针方向运动时，应用发电机右手定则，这时所产生的电动势是从 b 指向a。这时线圈的 cd 边则是在 S 极范围内按逆时针方向运动，依据发电机右手定则可以判断，cd 边中的感应电动势方向是从 d 到 c。从整个线圈来看，感应电动势的方向是 dcba。因此，和线圈 a 端连接的铜片 1 和电刷 A 是处于正电位；而和线圈的 d 端连接的铜片 2 和电刷 B 是处于负电位。如果接通外电路，那么电流就从电刷 A 经负载流入电刷 B，与线圈一起构成闭合的电流通路。图 6 直流电动机示意图 当线圈的 ab 转到 S 极范围内时，cd 边就转到 N 极范围内，用右手定则判断可以知道，这时线圈 cd 边中产生的电动势方向是从 c 到 d，而 ab 边转到了 S 极范围内，其中电动势的方向则是有 a 到 b，由于电刷在空间是不动的，因此和线圈 d 端连接的铜片 2 和电刷 A 接触，它的点位仍然是负。接通外电路时，电流仍然是从电刷 A 经负载流入电刷B，与线圈一起构成闭合的电流通路。不过，要注意到这时线圈内的电流已经反向了。 由此可知，当线圈不停的旋转时，虽然与两个电刷接触的线圈边不停的变化，但是，电刷 A 始终是正电位，电刷 B 始终是负电位，因此，有两电刷引出的是具有恒定方向的电动势，负载上得到的是的恒定方向的电压和电流。也就是说，尽管线圈 abcd 中感应电动势的方向不断交变，但是电刷 A 总是和处在 N 极范围内的线圈接触，电刷 B 总是和处在 S 极范围内的线圈边相接触。它们的极性始终不变。于是，线圈中的交流电经过铜片和电刷整流后，便成为外电路的直流电了。这两个半圆形的铜片就叫做换向片，它们合在一起做换向器。XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 17 页 共 34 页上面已经讨论了直流电动机的基本工作原理，现在再来讨论直流电动机的工作原理。 如果直流电机的转子不用原动机拖动，而把他的电刷 AB 接在电压为 U 的直流电源上，那么会发生怎么样的情况呢？可以看出电刷 A 是正电位 ，电刷 B 是负电位。在 N极范围内导体 ab 中的电流从 a 流向 b,在 s 极范围内的导体 cd 中的电流从 c 到 d。前面已经说过，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab 和 cd 两导体都要收到磁场力Fde 的作用。根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab 边受力的方向是向左，而 cd 边受到电磁力的大小相等。这样，线圈上就受到电磁力的作用而按逆时针方向转动了。当线圈继续转动，线圈转过半周之后，虽然 ab 和 cd 位置互换了，ab边转到 S 极范围内，cd 边转到 N 极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到 N 极下的 cd 边转到 S 极范围呢，cd 边转到 N 极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到 N 极下的 cd 边中电流方向也变了，是从 d 流向 c，在 s 极下的 ab 边中的电流则是从 b流向 a。因此，电磁力 Fdc 的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。可见，分别处在 N S 极范围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不听的旋转。通过齿轮或者皮带等机构的传动，便可以带动其它总做机械。从以上的分析可以看出，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个刺激范围内转到另一个异性磁极范围内时，导体中电流的方向也要同时改变。换向器和电刷就是完成这个任务的装置。在电流发动机中，换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电，可见，换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键性部件。 当然，在实际的直流电动机中，也不知有一个线圈，而是有许多线圈牢固的嵌在转子铁心槽中，当导体中通过电流，在磁场力因受力而转动，就带动整个转子转动。这就是直流电动机的基本工作原理。比较直流发电机和直流电动机的工作原理可以看出，他们的输入和输出的能量形势不同的。正如前面已经说过，直流发电机由原动机拖动，输入的是机械能，输出的是电能；直流电动机则是由直流电源供电，输入的是电能，输出的是机械能。2.2.2 接近开关的工作原理接近开关的工作原理（1）概述接近传感器可以不与目标物实际接触情况下检测靠近传感器金属目标物。操作原理，XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 18 页 共 34 页接近传感器大致可以分为以下三类：利用电磁感应高频震荡型，使用磁铁力型和利用电容变化电容型。（2）特性：非接触检测，避免了对传感器自身和目标物损坏；物触电输出，操作寿命长；有水或油喷溅苛刻环境中也能稳定检测；反应速度快；小型感测头，安装灵活。（3）类型： 1）按配置来分 2）按检测方法来分通用型：主要检测黑色金属（铁） 。所有金属型：相同检测距离内检测任何金属。有色金属型：主要检测铝一类有色金属。（3）高频振荡型接近传感器工作原理电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生涡流吸收了振荡器能量，使振荡器振荡及停振这两种状态，转换为电信号整形放大转换成二进制开关信号，经功率放大后输出。下面为详细介绍：通用型接近传感器工作原理：振幅变化程度随目标物金属种类不同而不同，检查人距离也随目标物金属种类不同而不同。所有金属型传感器工作原理：所有金属型传感器基本上属于高频振荡型。和普通型一样。它也有一个振荡电路，电路中因感应电流目标物内流动引起能量损失影响到振荡频率。目标物接近传感器时，目标金属种类如何，振荡频率都会提高。传感器检测到这个变化并输出检测信号。有色金属型传感器工作原理：有色金属传感器基本上属于高频振荡型。它有一个振荡电路。电路中因感应电流目标物内流动引起能量损失影响到振荡频率变化。当铝或铜之类有色金属目标物接近传感器时，振荡频率增高；当铁一类黑色金属目标物接近传感器时，振荡频率降低。振荡频率高于参考频率，传感器输出信号。电容式接近传感器原理：电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器检测面与大间构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。当物体接近传感器检测面对，回路电容量发生变化，使高频振荡器振荡。振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制开关信号。XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 19 页 共 34 页2.3 机械传动原理和现场总线技术机械传动原理和现场总线技术2.3.1 机械传动原理机械传动原理利用机械方式传递动力和运动的传动。机械传动在机械工程中应用中非常广泛，有多种形式，主要可分为两类：靠机件间的摩擦传动，包括带传动，绳传动的摩擦轮传动等。摩擦传动容易实现无极变速，大都能适应轴间距较大的传动场合，也不能保证准确的传动比。常用机械传动的特点：带传动：中心距离变化范围广，结构简单，传动平稳，可起安全和减震作用，缺点是外廓尺寸大，轴向受力大，寿命短传动比不能严格保证。 绳传动：中心距离变化大，传递动力大，缺点就是传动比不能严格保证。 摩擦轮传动：结构简单，易实现无极变速，缺点就是轴向受力大传动比不能严格保证。 齿轮传动：适用范围广，效率高，传动比准确，工作可靠，寿命长。缺点就是制造要求高，中心距不准确。 旋转传动；易于将回转运动变成直线运动。可用于微调机构和自锁机构，滚动旋转传动效率高。缺点，是普通滑动旋转传动效率低，不适于大功率。靠主动件和从动件齿合或借助中间齿合传递动力火运动的齿合传动，包括齿轮传动、链传动、螺旋传动和谐波传动等。啮合传动能够用于大功率的场合，传动比准确，但一般要求要求较高的制造精度和安装精度，每种机械传动都各有特色，分别适用于不同的条件。 2.3.2 现场总线技术现场总线技术现场总线技术是 80 年代末。90 年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域和现场智能设备互联通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现在及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新形式全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 20 页 共 34 页际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性能好、成本低的特点；具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还有具网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层告诉数据通信网络的特色。一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称为 FCS-现场总线控制系统。人们一般把 50 年代前的气动信号控制系统 PCS 称作第一代，把 420mA 等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把 70 年代中期以来的集散式分布控制系统 DCS 称作第四代。现场总线控制系统 FCS 作为新一代控制系统，一方面，突破了 DCS 系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方式，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把 DCS 的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。现场总线技术在历经群雄并起和分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合作，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有FF、Lonworks、Profibus、CAN、Dupline 等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。本文将在简要描述现场总线的发展趋势与技术展望。三、小车运动控制系统的设计三、小车运动控制系统的设计3.1 实验器材实验器材小车运动控制型实物教学模型；计算机；电线；可编程控制器。3.2 工作原理工作原理1、传感器（1） 接近开关，接近开关有三根接线，三根接线分别接电源的正极负极，和输出信号。当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平，与 PLC 之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通，PLC 信号输入有效，连接电路如图 7。XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 21 页 共 34 页 图 7 PLC 的接线图 2、光耦电路 光隔离是一种很常用的信号隔离形式。常用光耦器件及其外围电路组成，由于光耦电路简单，在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到，如 UART 协议的 20mA 电流环。对于模拟信号，光耦因为输入输出的线形较差，并且随温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离的应用。对于高电频交流模拟号，变压器隔离是最常见的选择，但对于直流信号却不合适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如 ADI 的 AD202，能够提供从直流到几 K 的频率内提供 0.025%的线性度，但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离的效果。集成的隔离放大器内部电路复杂，体积大，成本高，不适合大规模应用。 模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线形光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍微加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特征都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线形隔离的目的。本系统中，滑块经过时，输出一个低电平。给 PLC 输入信号。电路连接如下图 8 所示：XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 22 页 共 34 页 图 8 电路连接3、直流电机驱动单元 本装置中直流电机驱动模板是有两个继电器的吸合与断开来控制电机的转换动方向的。在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点：功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由 4 个功率元件组成的 H 桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调整，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，效应管灯开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。对于 PWM 调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。（1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。（2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热，要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H 桥或推换电路可能出现的一个问题，即两个功能效率器件同时导通使电源短路）入手。（3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光耦合器实现隔离。（4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。（5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的，下图 9 为三极管-电阻作栅极驱动电路。XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 23 页 共 34 页 图 9 三极管-电阻作栅极驱动电路 本模型的两个行程开关是模板的硬件保护。当滑块把右侧行程开关压下时，左行失效。何为行程开关呢？见图 10，就是一种有物体的位移来决定电路通断的开关，在日常生活中我们最易碰到的例子就是冰箱了。不知你注意到没有，当你打开冰箱时，冰箱里面灯就会亮起来，而关上门就熄灭了，这是因为门框上的开关，被门压紧时灯的电路断开，门一开就放松了，对于就自动把电路闭合使灯点亮。这个开关就是行程开关。 行程开关的应用方面很多，很多电器里面都有他的身影。那么这么简单的开关能起什么作用呢？它主要是起连锁的作用。最常见的例子莫过于与其在洗衣机和录音机（录像机）中应用了。 在洗衣机的门或盖上装了个电接点，一旦有人开启洗衣机的门和盖时，就自动把电机断电，甚至还要靠机械办法联动，使门或盖一打开就立刻“刹车” ，强迫转动着的部件停下来，免得伤害人身。 在录音机和录像机中，我们常常使用到快进或者倒带，磁带急速的转动，但是当到达磁带的端点时会自动停下来。在这里行程开关又一次发挥了作用，不过这一次不是靠碰撞而是靠磁带的张力的突然增大引起动作的。 行程开关真正的用武之地是在工业上，在那里它与其他设备配合，组成更复杂的自动化设备。 机床上很多这样的行程开关，用它控制工件运动或自动进刀的行程，避免发生碰撞事故。有时利用行程开关使被控物体在规定的两个位置之间自动换向，从而得到不断的往复运动。比如自动运料的小车到达终点碰到行程开关，接通了翻车机构，就把车里的物料翻倒出来，并且退回到起点。到达起点之后又碰到着起点的行程开关，把装料机构XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 24 页 共 34 页的电路接通，开始自动装车。总是这样下去，就成了一套自动生产线，用不着人管，日以继夜得工作，节省了人的体力劳动。 图 10 硬件保护电路3.3 控制要求控制要求模型按以下要求动作： 当按下任意 SB 按钮时，小车则运动到相应 SQ 的位置。 在任何站点，按下复位按钮，小车回到起始点。 任意按下 SB，数码管即显示小车在的位置。XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 25 页 共 34 页 图 11 控制对象小车图 12 显示小车的位置XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 26 页 共 34 页图 13 开关与显示灯3.4 小车运动小车运动 I/O 分配表分配表 功能12输入地址输出地址SB10CP100SB21.01DIR100.02SB31.02七段数码构成 a101SB41.03七段数码构成 b101.01SB51.04七段数码构成 c101.02SQ10.01七段数码构成 d101.03SQ20.02七段数码构成 e101.04SQ30.03七段数码构成 f101.05SQ40.04七段数码构成 g101.06SQ50.05复位0.06暂停1.06XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 27 页 共 34 页3.5 梯形图梯形图XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 28 页 共 34 页XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 29 页 共 34 页图 14 控制小车的梯形图XXX 职业技术学院 2011 届论文答辩第 30 页 共 34 页结结 论论通过毕业设计，能使我们综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的训练。本小车具有智能控制功能即自动判断呼叫方向，自动判断呼叫位置。智能控制功能通过 PLC 的软件编程来实现，不需要任何连接导线和控制电器，因而系统故障率低，可靠性高。对小车的控制，只通过操作一个呼叫按钮即可实现，因而操作极为方便。本设计小车的停车工位共 5 个，工位的个数可根据生产的需要通过改变梯形图，增加少量的输入电路即可，因而系统适应性强。而且本系统可以方便的扩展更多的站点。随着经济的不断发展自动生产线上使用的运料小车, 是常用的生产设备,它运行正常与否, 对生产影响很大。该系统稳定可靠, 操作简便, 设备维护量小, 而且程序控制具有可扩展性, 对自动仓库等工业生产中物料小车的控制有一定的借鉴意义和参考价值，在今后的设计中还可以加入报警，装料，卸料等功能，使该系统更加完善。致致 谢谢经过一段时间的努力，完成了我的毕业设计。在制作我的毕业设计时，遇到很多问题，这些都得到了处理和解决。在此，我特别感谢的人是朱利军老师，是朱老师对此毕业设计的反复提出意见和建议，提供帮助，我才可以顺利的完成。同时也要感谢我的同学和学校，让我获得更多 plc 的知识，和在实验室的操作。至此，我的设计成功的完成，大学学习生涯也画上了句号。谢谢我的指导老师朱老师，和众多给予我帮助的老师们和同学们！