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1、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，
2、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
3、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。(4PLC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
4、(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：“ PL(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
5、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 PLC的机外电路来说,使用 PLC构成控制系统，和同等规模的
6、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。PLC的安装接线也很方便，一般 用接线端子连接外部接线。P
7、LC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，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便
8、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，重量轻,能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底
9、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1100mso 在内部处理阶段，进行PLC自检，检查内部 硬件是否正常，
10、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，避免由于CPU内部故障使程序执行进
11、入死循环。2.3 FX2N-48MR 型 PLCP 陀血系列是三菱PLC是FX家撲中墨先进的系列架小7化高詔度.啬性廃 報便用方便等优点，圧空系列中塢烏栉空的趙小形程装豐.具仃高速处理从期 扩展衣駄酒足难个需耍的特珠功能蟆块零特点力I J FI动化应用提供最大的兎 活性和揑制能丿矢叔抿本BUI的宾际苗呪.呵编程悴制器需嚼的I/O输入输出单冗人旳为拥牛.因此.本设计将使用的PLC的型号FX2M-4ei-00L其参数如农2-2所可孔車 27 FX2N-44fc-0C1eiFX2N-18KR-C014821输入娄唱涮里输出堆电器耳寸mttt（英寸 宽、|苧)f IJ 182XB7X90(7.2X3.
12、 1X3. 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321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/O接口硬件接线图如下图3.2 I/O接口硬件接线图322输出
13、KMI小车右行Y20KM2小车左行Y21KM3小车高速行驶KM4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 是丫型连接，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 丫型，也可以接为丫丫型。其中,Y型为低速,YY 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
14、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
15、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，丫21,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10M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右行咼速程序图这是控制右行高速运行的一段程序。丫20控制小车反向，丫22,
