毕业论文基于PLC的汽车用电设备测试平台设计与研究.docx
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毕业论文基于PLC的汽车用电设备测试平台设计与研究
基于PLC的汽车用电设备测试平台设计与研究
摘要
随着汽车产业的发展,控制电子部分,娱乐多媒体电子部分,导航及车载通信等越来越多,车辆复杂程度不断加大。
而这些电子零部件产品可靠性十分重要直接决定了整车的安全性及可行性。
汽车电子产品厂商也正面临着巨大的市场挑战,因此商家对汽车电子产品的测试设备的要求日益增高。
论文针对这种现象,提出了一种结合PLC与LABVIEW的测试方法。
利用PLC的编程简单,抗压能力强以及虚拟仪器在信号采集、数据处理、图形化显示等方面的优势,研究以PLC作为下位机进行控被测对象与数据采集结合信号处理等硬件电路,通过OPC技术将采集到的数据传送给以LABVIEW软件作为上位机进行数据显示的一种汽车用电设备测试系统。
本测试系统中,以汽车用电设备的电机、车灯作为测试对象,检测了电机的电压、电流、功率、转速、温度、最长工作时间,车灯的电压、电流、功率、闪烁次数以及其最长工作时间。
通过LABVIEW显示的数据与设计参数进行比较分析,验证其是否汽车用电设备的要求,从而对被测汽车的用电设备做一个合理的评价,为进一步改进和提高汽车用电设备提供依据,减少传统汽车电机测试试验所需的高劳动强度和较长的试验时间。
关键词:
汽车测试;西门子PLC;虚拟仪器;LABVIEW2012;OPC技术
Abstract
Withthedevelopmentofautomobileindustry,thecontrolelectronics,entertainmentmultimediaelectronicparts,navigationandcommunication,moreandmorecomplex,theincreasinglevelofvehicle.Whiletheseareimportantelectronicpartsreliabilitydirectlydeterminesthesafetyandfeasibilityofvehicle.Automobileelectronicproductmanufacturersarefacinggreatchallengeofmarket.Thereforethebusinessrequirementsforthetestequipmentofautomobileelectronicproductsisincreasing.
Aimingatthisphenomenon,proposedtestmethodisacombinationofPLCandLABVIEW.TheuseofPLCprogrammingissimple,compressivestrengthandadvantagesofvirtualinstrumentsignalacquisition,dataprocessing,graphicaldisplayandotheraspectsofresearchPLCmachinecontrolasthenextobjecttobemeasuredandthedataacquisitionhardwarecombinedwithsignalprocessingcircuit,viaOPCtechnologytotransmitdatacollectedgiveLABVIEWsoftwareasahostcomputersystemofanautomotiveelectricalequipmenttestdatadisplay.Thetestsystem,electricalequipment,automobilemotors,lightsasatestobject,detectingthemotorvoltage,current,power,speed,temperature,maximumworkinghours,thelightsofvoltage,current,power,frequency,andflashingthelongestworkinghours.
ThroughthecomparativeanalysisoftheLABVIEWdataandthedesignparameters,totestwhethertheelectricalequipmentforvehiclerequirements,sothemeasuredautomobileelectricequipmenttomakeareasonableevaluation,providethebasisforthefurtherimprovementandenhancementoftheautomobileelectricequipment,reducetesttimerequiredintraditionalmotortestingofhighlaborintensityandthelonger.
Keywords:
automobiletesting;SiemensPLC,;virtualinstrument,;LABVIEW2012communicationprotocol;OPC
第一章 绪论
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1课题研究的背景
随着半导体技术的飞速发展和软件技术的广泛应用,汽车用电设备在汽车工业中的所占的比重增也越来越大。
电子控制,娱乐多媒体电子零件,导航和通信,越来越复杂,也是这些汽车的用电设备部分它的可靠性直接决定了整个车辆性能和它的安全性,并且这些用电设备在汽车产业中发挥的作用也越来越广泛,汽车电子产品厂商也因此面临着巨大的市场挑战,其测试要求也随着汽车电子产品要求的测试设备的增加,增加的要求主要体现在以下几个方面:
1、复杂的测试要求
在当代的汽车生产过程中,整车系统中汽车用电设备的比例和实现的功能也是不断地增加,导致了汽车的用电设备在出厂前都需要经过复杂的参数和功能测试过程,进而保证这些用电设备能够满足汽车的厂商所需要的在质量和相应的功能上的诸多要求。
2、严格的质量管理流程
为了能保证厂商对汽车整体性能能进行有效的分析,汽车的测试设备要求除了能实现汽车用电设备的测试功能,还要求能够进行对测试数据进行在线检测与分析,对测量过的数据进行保存并且能够便利的根据所测得的数据进行生产的过程统计,比如工序的能力指数等等。
3、开发与测试周期
在现今时代,汽车更新的变化速度愈来愈快,它的生产周期也是变得愈来愈短。
就国内的汽车用电产品而言,我们往往会需要测试线不仅能够在出厂前进行测试,还要求它能承担部分检验任务,所以在产品的开发阶段就应实现系统的测试,与此同时,还要考虑到因为产品更换而引起的测试设备的变换。
就需要进行大批量的产品测试而言,以前的功能单一、不能进行自动化操作的测试设备已经很那满足要求,因此需要开发出新的测试设备。
4、成本控制
许多的汽车电子厂商对汽车测试设备的重复性需求高,它们旺旺会需要生产出不同种类、不同型号的产品,如果设备的测试系统可重复性高,就可以实现同一条测试线可以测试不同种类的产品,从而达到降低生产成本以及设备维护成本的目的。
1.1.2课题研究的意义
通过对汽车用电设备测试系统的研究,从而可以开发出一种适合现代汽车用电设备测试的系统,从而大大减少汽车用电设备测试的时间,满足其复杂的测试要求,减少汽车用电设备测试的成本等等。
可编程控制器(ProgrammableLogicController,简称PLC)已经被广泛应用,作为一种强大的自动控制的设备,它基本上都结合了自动控制技术,通信技术及计算机技术等等,在可靠性、工号、抗干扰等方面具有非常明显的优势,保证其在温度和湿度都较高、空间较小、工作环境恶劣的环境下稳定、可靠、长时间连续地工作。
本次设计的汽车用电设备测试系统所采用的方法是将PLC与LABVIEW结合起来,将它们结合起来时,不但可以很大程度上的节省成本,还可以缩短测试系统的开发时间,而且界面也很美观,操作也方便。
1.2汽车用电设备测试现状
汽车用电设备测试系统的发展与我国汽车工业的发展息息相关,日前我国的汽车检测已基本上形成了一种制度化的模式,能够依据汽车运输管理部门制定的管理制度来对进行性能方面的检测。
例如国家的强制性标准《机动车运行安全技术条件》就是是我国机动车安全性能检测以及车辆的管理工作时最基本的标准。
汽车测试系统在我国发展的比较晚,由于在测量方面,我国的测试系统一般都是采用单一的参数进行测量,精度相对来说也是比较低,总体来说,技术水平都不先进。
像在国内,几乎大半部分的生产仪器仪表的厂家都是把半成品转给专门的质检部门或者是根据自己一些测试经验进行人工的测试,因此必然会消耗巨大的人力物力,开发出新的测试系统已经迫在眉睫。
日前,各种研究方面的机构等都在进行着相关方面的研究。
随着电子技术和传感器技术的发展,汽车可控制的信息量越来越多,汽车的智能化等等方面的水平也越来越高。
传统的一些测试系统已经不能满足现代汽车测试的要求,一种基于专门的计算机软硬件平台的汽车电子现代开发和测试模式已经形成。
1.3论文的主要工作
1、研究目标
(1)参考书籍或文献研究得出汽车用电设备测试的研究现状和未来发展。
(2)基于PLC对汽车的用电设备主要是汽车的电机和车灯的技术参数进行控制测试,再结合虚拟仪器LABVIEW进行显示从而方便各厂商进行汽车用电设备测试。
2、研究内容
(1)PLC的选择
PLC在整个控制系统的设计过程中占主要地位,在选择PLC的时候,应考虑包括PLC的机型,整个系统所需要的I/O点数,相应的I/O模块等等;
(2)分配I/O点,从而绘制出系统所需要的I/O连线图;
(3)设计系统的控制程序。
控制程序的设计包括控制的流程图设计以及梯形图的设计,梯形图的设计可以在西门子编程软件中编译看是否有错,最后进行相应的仿真,看能否达到系统设计的目的。
(4)选择合适的数据采集模块
在本次汽车用电设备测试系统的设计中,PLC不仅需要对被测量进行控制,还需要进行数据的采集。
(5)LABVIEW与PLC通讯设计。
(6)LABVIEW的显示面板、程序框图的设计。
3、研究方法和手段
(1)查找与本次汽车用电设备测试系统设计有关的资料并且安装好PLC编程软件和LABVIEW软件。
(2)参考相关的资料或者网络资源,进行程序设计。
4、研究参数
(1)车灯的电压、电流、功率、车灯的闪烁次数以及车灯工作的最长时间。
(2)电动机工作时的电压、电流、功率、转速、温度及其最长工作时间。
图1-1为本次汽车用电设备测试系统的工作流程图:
图1-1系统工作流程图
5、论文的框架图如下图1-2:
图1-2论文的框架图
第一章重要介绍了本次毕业设计的研究背景以及研究意义、汽车用电设备测试现状以及本次设计的系统工作流程图、论文框架图等。
第二章重要介绍了PLC的概念、其基本结构以及工作原理、应用前景等,并且进行了PLC的硬件选型和控制程序设计等。
第三章重要介绍了PLC的外部接线图、传感器的选型及进行的相关硬件电路的设计。
第四章重要介绍了虚拟仪器的概念,LABVIEW中数据库的建立,各面板的设计包括数据显示模块和数据查询模块等。
第五章重要介绍了PLC与LABVIEW之间的数据通信及PLC、LABVIEW的仿真等。
1.4本章小结
本章首先介绍了汽车用电设备的概念及其的基本组成,其次明确了本次设计的汽车用电设备中所要测试的对象(汽车的电机及车灯),再者介绍了本次课题研究的背景以及意义,汽车用电设备的测试现状,然后介绍了论文的主要工作,明确了课题研究方法、被测对象的相关参数、系统工作的流程以及本次设计中所需要设计的软件、硬件部分,最后通过系统工作的流程图,明确了本次设计论文
的整体框架图,为后面的论文设计奠定基础。
第二章PLC程序设计
2.1PLC简介
2.1.1PLC的概念
一种利用数字运算进行操作的电子系统则被称为PLC,又称为可编程控制器,英文名称为ProgrammableLogicController,专为在工业环境下应用而设计。
PLC的存储器用来存储指令比如顺序控制、计数定时以及一些逻辑运算等等,通过控制程序,进行数字式的输入输出从而进行被控对象的控制等,S7-200的外观图可见图2-1。
图2-1S7-200外观图
2.1.2PLC基本结构
其硬件的基本构成为:
1、电源
在PLC内部有24DC等电源,外部可直接接上220V的直流电源或者交流电源。
2、中央处理单元(CPU)
CPU相当于PLC的大脑,在PLC的控制系统中,CPU进行着控制执行的部分,它首先会扫描下输入模块的信号,经过用户编辑的程序进行判断以及运算执行,传送给输出模块,达到控制目的。
3、编程器
编程器是用于用户的程序编辑,用户通过编程器,将自己设计的程序传送给CPU,在程序没有实现相应的功能时,也是通过编程器进行修正,它还具有监视程序执行情况的功能。
4、I/O模块
I/O模块即输入输出模块,是用来将外部设备与CPU进行连接的部件。
PLC的控制系统示意图见图2-2:
图2-2PLC的控制系统示意图
2.1.3PLC的工作原理
在PLC上电了以后,则开始对其进行一些软件和硬件相关方面的初始化,完成初始化以后,PLC则会开始按一定的工作方式进行各种不同人物的处理,并且周而复,而这种工作方式就被成为PLC的扫描工作方式,具体见图2-3所示:
运行PLC以后,PLC便开始分阶段的进行工作,一般来讲,有三个阶段,第一为对输入进行采样阶段,第二为执行用户的程序阶段,第三为对输出进行刷新的阶段,执行完这三个阶段就被称为执行完一个扫描周期,这三个过程一般有PLC的CPU进行工作。
1、输入采样阶段
在读取输入的信号时,PLC的CPU会以设定好的或默认的速度进对输入模块的信号进行相应的读取,然后再将其存放在相应的I/O映象区。
2、用户程序执行阶段
执行完对输入信号的以后,便开始进行用户程序的执行,在程序的执行过程中,CPU对用户设计的梯形图进行相应的扫描,一般来说是从左到右、从上到下的进行读取,然后进行外部设备比如触点线圈、开关按钮以及限位开关等等的状态进行读取,对比梯形成图后,通过运算与判断对输出装置进行输出或者输出结果进行刷新,控制外部接线电路的触点线圈或者执行机构,从而达到控制目的。
RUN模式STOP模式
图2-3PLC工作的扫描过程
3、通信处理
在某些控制系统中会要求PLC能够与其他的设备进行通信,在处理通信请求的时候,CPU会从一些接口设备等读取到相应的信息,然后在相关的控制程序设定下再指定的信息传送给要进行通信的那方。
4、CPU自诊断测试
5、改写输出
6、中断程序的处理
若用户在设计的程序中使用了中断,那么在中断发生的时候,CPU会停止当前进行的工作而立即执行中断程序。
7、立即I/O处理
2.1.4PLC的应用领域与前景
1、PLC的应用领域
(1)数字量的逻辑控制
(2)运动控制
(3)闭环的过程控制
(4)数据处理
(5)通信联网
2、PLC应用前景可以分为以下几个方面:
(1)功能会进一步增强
(2)人机界面将更加友好
(3)网络通信能力将会大大的加强
(4)开放性会有很大的发展
2.2PLC控制系统的设计
2.2.1PLC控制系统设计的原则和基本内容
2、控制系统设计的基本内容
PLC控制系统的设计基本内容包括:
(1)用户输入设备
本次课程设计中PLC所用到的输入设备中有传感器、按钮,输出设备为继电器。
(2)PLC的选择。
对PLC进行适当的选择在整个控制系统过程中是很重要的一环,选择PLC时,应当包括其电源的选择、机型选择、I/O模块选择以及容量选择等等。
(3)对系统所涉及到的I/O点进行分配,然后绘制相关的I/O接线图。
(4)对本次汽车用电设备的测试系统进行相应的PLC梯形图和控制流程图的设计等等。
3、图2-4是PLC控制系统的一般设计步骤
图2-4PLC控制系统一般设计步骤
2.2.2PLC硬件选型
1、CPU型号的选型
S7-200涵括了多种不同型号的CPU,不同的CPU它的性能参数等等都是不一样的,比如它的扩展能力,I/O点的个数等等,所以在选择CPU的型号是,需要考虑到自己设计的系统中所需要的I/O点数,模拟量/数字量的扩展能力,性价比怎样等等。
在本次的汽车用电设备测试系统中设计选择的CPU的型号是CPU226,相应的CPU226的结构图以及它的本地、扩展I/O地址见图2-5和表2-1。
2、I/O模块的选型
在选择I/O模块前,首先得确定设计的系统会涉及到哪些输入输出信号,输入输出的信号又是什么类型的,有什么信号是要传递给CPU的,又有那些信号要有PLC进行驱动的等等。
图2-5CPU226的结构图
表2-1CPU226的本地和扩展I/O地址
CPU226CN
DC/DC/DC
数字量输入
模块EM231
数字量输出
模块EM222
模拟量输入模块EM231
模拟量输出模块EM232
24输入
端口
16输出
端口
8输入
端口
8输出
端口
4输入
端口
2输出
端口
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
I0.6
I0.7
I1.0
...
I2.7
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7
Q1.0
...
Q1.7
I3.0
I2.1
I2.2
I2.3
I2.4
I2.5
I2.6
I2.7
Q2.0
Q3.1
Q3.2
Q3.3
Q3.4
Q3.5
Q3.6
Q3.7
AIW0
AIW2
AIW4
AIW6
AQW0
AQW2
2.3PLC程序设计
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点编号
名称
代号
输出点编号
启动电机工作按钮
SB1
I0.1
电动机工作
KM1
Q0.1
启动车灯工作按钮
SB2
I0.2
车灯工作
KM2
Q0.2
停止测试按钮
SB3
I0.3
蜂鸣器
KM10
Q1.0
启动车灯闪烁次数测试
SB4
I0.4
车灯闪烁次数测定
KM4
Q0.4
启动电机参数测试
SB1
I0.1
电机参数测试
KM5
Q0.5
启动车灯参数测试
SB2
I0.2
车灯参数测试
KM6
Q0.6
启动车灯工作按钮
SB2
I0.2
车灯闪烁次数测试
KM12
Q1.2
启动电机最长工作测试按钮
SB5
I0.5
电机最长工作测试
KM7
Q0.7
启动车灯最长工作测试按钮
SB6
I0.6
车灯最长工作测试
KM3
Q0.3
启动车灯闪烁次数测试
SB4
I0.4
周期为10S波形
KM11
Q1.1
表2-2I/O点分配
PLC梯形图如下:
STEP7-Micro/WIN是专门为S7-200设计的,它是一种可以在个人的电脑上进行运行的变成软件,具有非常强大的功能而且使用起来也是极为的方便。
西门子PLC的CPU可以通过PC/PPI电缆或者插在计算机上的一些CP通讯卡等等进行相关的通信,在本次小汽车用电设备测试系统的程序设计中,它的流程可以见表2-3。
Q1.1为本次汽车用电设备测试系统所设计的对用来对车灯闪烁次数测试的10S的周期波,T37设置为定时10秒:
表2-3程序设计工作流程
按下启动按钮I0.1
Q0.1线圈充电,常开触点闭合,电机工作
Q0.5线圈充电,开始电机基本参数测试
按下启动按钮I0.2
Q0.2线圈充电,敞开触点闭合,车灯工作;Q1.1开始产生周期为10S的波形,其敞开触点闭合
Q0.6线圈充电,开始车灯基本参数测试
按下停止按钮测试按钮I0.3
Q0.1断开,电机停止工作
Q0.2断开,车灯停止工作
按下车灯闪烁次数测试按钮I0.4
Q0.4线圈充电,其常闭出点断开,停止车灯基本参数测试,敞开触点闭合,计数器Q1.1进行技术。
Q1.1为高电平时,AIW2开始电流模拟量数据采集,当采集到的数据大于或等于VW20时,Q1.2接通从而开始将AIW2采集到的电流模拟量传送到VW20;Q1.1为低电平时,停止数据采集,一次重复,当AIW2小于VW20时,蜂鸣器Q1.0工作报警,其常闭触点断开,测试通知。
通过对计数器C1技术的数据,便可以得到车灯的闪烁次数。
按下电机最长工作时间测试按钮I0.5
Q0.7线圈充电,其常闭出点断开,停止电机基本参数测试并开始采集电流模拟量。
当从AIW2采集到的电流值小于VW10时,蜂鸣器Q1.0开始工作并报警,从而得到电机的最长工作时间。
按下车灯最长工作时间测试按钮I0.6
Q0.3线圈充电并开始采集当前车灯的电流数据,当从AIW2采集到的数值小于先前车灯闪烁次数测试时采集到的数据VW20时,蜂鸣器Q1.0工作并报警,从而得到车灯的最长工作时间。
图2-5Q1.1波形产生图
程序开始时Q0.2接通,变为高电平,T37进行计时,当达到10秒后,T37定时时间到,变为高电平并保持,Q1.1接通变为高电平,T38开始计时,经过10秒以后后,T38的定时时间到,信号变为高电平,所以T38的常闭触点断开,导致T37变为低电平,Q1.1断开,继而T38又重新变为低电平,T38的常闭触点断开,T37接通开始计时,又定时10秒,如此循环,则产生Q1.1即为周期为10秒的脉冲,如图2-5所示:
2.4本章小结
本章首先对PLC的概念,它的基本结构以及工作原理,应用领域及前景等等都进行了介绍,然后对PLC的控制系统的设计原则以及设计内容进行了描述。
最后进行了PLC的程序设计。
在PLC的控制程序设计中,首先进行了对PLC的CPU、I/O模块的选型,然后对所选的CPU模块(CPU226)和I/O模块进行了介绍,其次是本次设计中PLC的程序设计,包括PLC的梯形图,I/O点分配。
本次设计PLC的程序设计主要是对汽车电机、汽车车灯的被测对象进行控制,其中I0.1控制汽车电机进行参数测定,I0.2控制汽车车灯进行参数测定,I0.3停止测试,I0.4是对汽车车灯的闪烁次数进行测定,I0.5是对汽车电机最长工作时间进行测试,I0.6为对车灯最长时间工作测试。
第三章硬件电路设计
3.1PLC的硬件电路设计
3.1.1EM235和EM231的结构与功能
西门子PLC的模拟量扩展模块提供了相应的输入与输出的功能,它拥有了如下几个优点:
1、最佳的适应性,可以适用于繁琐的控制场合
2、可直接与传感器和执行器相连
3、高灵活性
当在系统所需要的测试目标变换时,它也可以进行相应的变换,而且速度快,响应快。
1、一般在西门子PLC中常见的模拟量的扩展模块是EM235,它具备4路的模拟量输入和1路的
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