1、PLC课程设计报告双速运动小车控制系统设计1 课程设计题目及要求1.1 设计题目 运动小车PLC控制系统设计1.2 控制要求运动小车要求自动/手动两种控制方式:（1） 自动控制方式：根据上位机的监控界面，按下启动按钮，小车慢速左行（右行），当到达左限位（右限位）时，小车延时1秒后，向相反的方向高速运行，当到达限位时，再换向慢速运行，运行到中间位置，小车停止运行。小车运行到任意位置，可随时停车。电机采用双速电机。（2） 手动控制方式：根据上位机的监控界面，按下控制按钮，可选择小车左右行；运行中可任意换向；运行中高速/低速转。1.3 系统总体方案设计及步骤（1） 控制要求分析小车具有手动和自动两种
2、控制模式。自动运行时，小车慢速左行，当到达第一个左限位时，小车延时1秒后，向相反的方向高速运行，当到达第一个右限位时，小车再延时1秒再换向慢速运行，当到达第二个左限位时，小车延时1秒后，向相反即向右的方向高速运行，当到达第二个右限位时，再换向向左慢速运行，运行到中间位置，小车停止运行。手动运行时，小车在运行中可以任意转换高、低速，左、右行。（2） 确定输入输出设备实验采用三菱全系列PLC编程软件进行编程控制，通过PLC设备与外设相连，同时通过对PLC设备输入接口的开关控制接触器使之按照实验要求进行自动/手动控制，高/低速控制，左行/右行控制。电机采用双速电机。（3） I/O分配 设置5个输入量
3、对5个接触器控制以实现电机进行高低速，左右行工作，同时设置四个输出量，对电机进行实际控制。确定I/O分配，画出硬件接线图。（4） PLC程序设计 本实验采用顺序控制设计方法设计PLC程序，一共采用11个状态对电机进行状态控制，（5） 调试 调试过程分为自动调试和手动调试，也可分为前期的程序调试和后期的机械调试，调试得出问题，并且分析调试问题，最后加以解决。（6） 课程设计报告 根据任务书要求，规范设计报告格式，正确，认真书写课程设计报告及心得体会。2 PLC工作原理2.1 PLC简介2.1.1 定义可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller），它经历了可编程
4、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：Programmable Logic Controller）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（International Electrical Committee）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
5、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。”2.1.2 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1/101/100，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P
6、LC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。PL
7、C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，
8、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，
9、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1/21/10。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。2.2 PLC扫描工作过程PLC的扫描工作过程除了执行用户程序外，在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务工作。如图2-1所示，整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关，典型值为1100ms。在内部处理阶段，进行
10、PLC自检，检查内部硬件是否正常，对监视定时器（WDT）复位以及完成其它一些内部处理工作。在通信服务阶段，PLC与其它智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。 当PLC处于停止（STOP）状态时，只完成内部 处理和通信服务工作。当PLC处于运行（RUN） 状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。 PLC的扫描工作方式简单直观，便于程序 图2-1 扫描过程的设计，并为可靠运行提供了保障。当PLC扫描到的指令被执行后，其结果马上就被后面将要扫描到的指 令所利用，而且还可通过CPU内部设置的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，避
11、免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。 2.3 FX2N-48MR型PLCFX2N系列是三菱PLC是FX家族中最先进的系列，集小型化，高速度，高性能和使用方便等优点，是FX系列中最高档次的超小形程序装置。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。根据本设计的实际情况，可编程控制器需要的I/O输入输出单元大约为48个。因此，本设计将使用的三菱PLC的型号为FX2N-48MR-001，其参数如表2-2所示：表2-1 FX2N-48MR-001参数型号FX2N-48MR-001I/O总数48输入数目24类型漏型输出数目24类型继电器尺寸
12、mm（英寸）（宽）（厚）（高）1828790（7.23.43.5）3 控制系统设计3.1 控制系统设计 图3-1 系统方框图 本次课程设计PLC程序控制主体采用顺序控制方法，通过X2来选择自动、手动控制模式。在自动控制模式中，采用顺序控制方法，通过X0来控制开始操作，通过X1来控制停止操作。在手动控制模式中，加入了经典经验控制法，使得小车在行驶过程中任意状态都可以改变方向和速度，实现纯粹手工控制。3.2 PLC I/O分配3.2.1 输入表3.1 输入开关列表启动按钮X0停止按钮X1左限位开关X20 X21右限位开关X22 X23自动手动选择开关X2手动方向选择开关X3手动速度选择开关X4I/
13、O接口硬件接线图如下： 图3.2 I/O接口硬件接线图3.2.2 输出表3.2 输出接口列表KM1小车右行Y20KM2小车左行Y21KM3小车高速行驶Y22KM4小车低速行驶Y23KM5小车高速行驶Y24电机主接线图如下： 图3.3 电机主接线图其中，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可以接为Y型，也可以接为YY型。其中，Y型为低速，YY
14、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。双速电动机定子绕组接法:低速运行 高速运行 图3.4 双速电动机定子绕组接法图4 PLC控制程序设计4.1 程序梯形图设计 主体程序设计采用顺序控制方法，通过12个状态对小车过程进行控制，其中手动为最后一
15、个状态，但通过X2来选择自动、手动控制模式可以在程序自动方式的任意状态时刻转换为手动方式。在手动控制模式中，结合经典经验控制法，使得小车在行驶过程中任意状态都可以改变方向和速度，实现纯粹手工控制。状态一：左行低速启动图4.1 左行低速程序图这是控制左行低速启动的一段程序。通过X0开始控制工作，X2控制是否进入手动控制方式，Y21，Y23控制小车左行，低速，并且对小车右行高速状态进行互锁，防止相间短路。通过第一个左限位开关X021进入第二状态。状态二：延时换向图4.2 延时换向程序图 这是延时的一段程序。在本程序的设计中，为了防止每次正反转、高低速进行切换时由于机械速度赶不上软件速度而出现电机三
16、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，后一个状态1s后执行。状态三：随时跳转手动控制模式图4.3 随时跳转手动程序图这是一条可控制小车随时从自动控制状态跳转到手动控制状态的程序，在自动控制的每一个状态后都应有此条程序。状态四：右行高速运行图4.4 右行高速程序图 这是控制右行高速运行的一段程序。Y20控制小车反向，Y22,Y24共同控制小车由低速转换为高速，同时与左行低速状态进行互锁。通过第一个右限位开关实现对下一个状态的跳转。状态五：延时换向图4.5 延时换向程序图程序同状态二的延时程序，实现功能也一致。对向左换
17、向换速进行延时操作，1S后进入下一个状态。状态六：左行低速运行图4.6 左行低速程序图 程序与状态一类似，同样由Y21,Y23实现小车左行低速控制，同样实现与右行高速互锁。不同的是，小车通过第二个左限位开关实现对下一个状态的跳转。状态七：延时换向图4.7 延时换向程序图程序同状态二的延时程序，实现功能也一致。对向右换向换速进行延时操作，1S后进入下一个状态。状态八：右行高速运行图4.8 右行高速程序图程序与状态四类似，同样由Y20,Y22，Y24实现小车右行高速控制，同样实现与左行低速互锁。不同的是，小车通过第二个右限位开关实现对下一个状态的跳转。状态九：延时换向图4.9 延时换向程序图程序同
18、状态二的延时程序，实现功能也一致。对向右换向换速进行延时操作，1S后进入下一个状态。状态十：左行低速运行图4.10 左行低速程序图程序与状态六一致，同样由Y21,Y23实现小车左行低速控制，同样实现与右行高速互锁。状态十一：左行低速停止图4.11 左行低速停止程序图程序左行低速运行部分与状态十一致，但在运行过程中通过增加一个计时器对运行时间进行了控制，即延时3.5S后自动过程结束，小车恰好停在中间位置。状态十二：手动运行状态图4.12 手动运行程序图 这段程序结合了经典控制理论，对小车实现了随时换速换向的控制。通过X3实现对小车方向的随意变换，通过X4实现对小车高低速的相互转换，有增加一个辅助
19、继电器M1，使用限位开关也可以对小车方向和速度进行保护，形成了手动控制的后备保护。 状态十三：全过程停止图4.13 全过程停止程序图此程序实现由X1控制的全过程停止功能，实用ZRST语句功能实现对全程序任意状态清零操作，即结果是当X1接通时小车无论出于什么状态都会立即停止。4.2 程序清单 程序清单如下：4.3 实验硬件图片图4.14 实验硬件图片1图4.15 实验硬件图片2图4.16 实验硬件图片3图4.17 实验硬件图片4图4.18 实验硬件图片55 运行调试5.1 调试过程设计好PLC程序后，首先在PLC试验台上调试程序是否正确，连接好外部电路。清除PLC内部存储器，将PLC程序下载到P
20、LC中，控制PLC运行。打开自动控制，按下开始按钮，观察PLC实验台上的指示灯是否按预期的亮灭。将自动控制切换到手动控制，按下开始按钮，用调速开关和转向开关分别控制，观察实验台上输出指示灯是否正常输出。在自动和手动过程中按下停止按钮，观察程序是否正常停止，再按下启动按钮，观察程序能否再次启动。 PLC实验程序调试好后，再在双速电动机上调试程序结果。连接好双速电动机和硬件接线图。清楚PLC内部存储器，将PLC程序下载到PLC中，控制PLC运行。按照调试PLC程序的过程调试。自动控制过程中，观察电动机在自动状态下的反应，即小车是否按照预订运行动作自动运行，手动过程中，观察小车是否按照开关动作正确运
21、行。5.2 调试中出现的问题及解决方法 在调试PLC程序时，发现按下启动按钮，PLC没有输出。经过检查和排除后发现PLC试验台上停止按钮是一个常闭按钮，再设计程序是没有注意到这个问题，于是在程序中将X1作了修改。在做双速电动机调试中时发现在自动运行过程中，小车在同时换向换速时速度能够正常转换，但是方向并不能正常转换，在经过了老师的指导和小组成员的细心检查后反现，原来是KM4中有两相的相序接错了。将这两相相序修正过来后电动机能正常运行。最严重的一个问题是在做双速电动机调试中，因为在程序设计中没有考虑在小车换向换速过程中的延时，从而导致机械来不及反应而相间短路是的试验台跳闸。后来我们在吴蕾老师，姚
22、裕安老师以及连建华老师的共同启发下，发现机械动作存在其故有延时，反应时间要远远大于程序的运行时间，导致两个状态的反应造成了重叠，造成相间短路。在认真分析原因之后对程序和硬件都做了正确的改进：一是在程序中的每一次状态转换时，都增加一个延时1S的状态程序，从而规避了反应时间不一致的问题；二是在程序和硬件上都实现了两种状态的互锁，进一步避免了相间短路等故障的发生，确保了程序，硬件的安全。5.3 结果分析经过多次的调试和修改，此次试验在运动小车PLC控制系统课程设计实验中取得了很大的成功，并且获得了老师和同学们的一致赞誉。小车在自动运行时可以很顺利的按照预定运行方案运行并且停止，在手动运行时，通过设定
23、的方向和速度开关可以对小车左行，右行，高速，低速进行随意转换。实验过程中，通过对问题的检查和修改，通过对调试过程的思考和讨论，我们学到了课本上学不到的东西，我们也增加了实际操作的经验，同时在设计中我们也融入了很多经典的PLC设计理念，从而对PLC技术有了更为直观深刻的理解和学习，这将使我们今后的工作和学习受益匪浅。总 结大约两周的课程设计转眼间结束了。这次课程设计的实验，不仅检验和加深了我们平时书本上学习的知识，也锻炼了我们的动手的能力以及自己独立思考解决问题的能力。更重要的是，在实验课上，我们学习到了关于PLC可编程软件的很多设计理念和设计方法，这对我们是很有好处的。我们将来要面对来自社会社
24、会的的诸多挑战，这次课程设计实验中我们对所学知识的使用与探索让我们深刻体会到，只有不断的学习、实践，再学习、再实践，把课本的理论知识与实践相结合，把实用已学知识与探索未知理念相结合，我们才能勇敢积极的面对挑战，并且赢得未来。在课程设计过程中，我们小组成员积极查找资料，请教老师，通过不懈的努力，终于在在运动小车控制系统的课题中率先取得了成功。在设计过程中，我与与其他小组成员分工合作，相互探讨，相互学习，相互监督，这也是我们最后能够迅速成功的完成此次课程设计任务的一个重要原因。当我们拿到课程设计题目的时候，出于我们小组成员的兴趣，我们一致选择运动小车控制系统的设计，我们都觉得这个题目实用性和操作性
25、都很强，能让我们更多的体验设计和操作带来的愉悦过程和现实经验。前期，我们对控制要求进行了仔细分析和讨论，小车的左行右行，高速低速应当怎么实现，他们之间的相互转换又该怎么实现，怎么样结合限位开关实施变向变速操作，对于这些问题我们进行了大量的讨论和前期设计，结合课本知识与老师的教导和启发，我们终于完成了前期的设计程序和硬件连线图。随及我们便开始了调试和准备工作，按照硬件连接图接线，并且将软件程序在PLC软件上进行多次调试和修改，并且结合硬件对实验进一步调试，这个过程中，我们发现了很多令我们疑惑的问题，这已是我们最迷茫的时候，不过，我们在相互积极的讨论和老师的指导帮助下很快发现了设计和硬件中存在的问
26、题并正确修改过来。在实验的后期，我们再次对我们的设计进行了完善和补充，最后很正确的调试出了结果，这是我们觉得异常高兴和欣慰。整个课程设计中，我要感谢吴蕾，连建华以及指导老师姚裕安老师，他们在我们的设计与操作中作了重要的指导和启发，其次，我要感谢和我同一小组的成员，使他们激励我监督我影响我，让我毫不懈怠，努力钻研。参考文献：1 巫莉.电气控制与PLC应用.北京：中国电力出版社，2008.52 姚锡禄.变频器技术应用.北京：电子工业出版社，2009.13 马国华.监控组态软件及其应用.北京：清华大学出版社，2001.84 马小军.可编程控制器及其应用.南京:东南大学出版社，2007.45 袁秀英.
27、组态控制技术，北京：电子工业出版社，20036 王兆义.小型可编程控制器实用技术.北京：机械工业出版社，20137 刘恩博.组态软件数据采集与串口通信测控应用实战.北京：人民邮电出版社，2010. 8 曹辉，马栋萍.组态软件技术及运用.北京：电子工业出版社，20099 初航.零基础学三菱FX系列PLC.北京：机械工业出版社，201010 阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2009课程设计成绩评定表成绩评定项 目比例得 分平时成绩（百分制记分）30%业务考核成绩（百分制记分）70%总评成绩（百分制记分）100%评定等级优 良 中 及格 不及格指导教师（签名）：20 年 月 日
