基于plc的小车运动控制系统设计

基于plc的小车运动控制系统设计内容摘要：

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） 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）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）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（ 0~55℃或0~60℃），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）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，使控制水平大大提高。 （ 5） 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 XXX 职业技术学院 2020 届论文答辩 第 11 页 共 34 页 控制层网络 信息层网络 二、小车运动控制系统原理 PLC 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。 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。 XXX 职业技术学院 2020 届论文答辩 第 12 页 共 34 页 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 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）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。 XXX 职业技术学院 2020 届论文答辩 第 13 页 共 34 页 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。 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。 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XXX 职业技术学院 2020 届论文答辩 第 14 页 共 34 页 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 图 5 程序执行原理图 XXX 职业技术学院 2020 届论文答辩 第 15 页 共 34 页 直流电机与接近开关 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。 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。