运动小车PLC控制系统设计.doc
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1、电气专业核心课程综合课程设计报告题 目: 运动小车PLC控制系统设计 院 (系): 机电与自动化学院 专业班级: 电气工程及其自动化0902 学生姓名: 袁嘉骏 学 号: 20091131063 指导教师: 梅秋燕 2012年06月18日至2012年07月06日华中科技大学武昌分校电气专业核心课程综合课程设计任务书一、设计题目HJD-4实验教学装置PLC控制系统设计二、设计主要内容1.控制要求控制系统主要由上位机PC机、PLC、变频器及异步电动机组成。可编程控制器(PLC)负责处理各种信号的逻辑关系,从而向变频器发出起、停等信号,同时变频器也将工作状态信号送给PLC,形成双向联络关系,它是系统
2、的核心。变频器实现电机的调速。在上机机上,按下启动按钮,可选择工频/变频控制, 能实现自动控制和手动控制(自动转换频段/手动输入频段),并可实现调速。在系统满足操作要求外,对于控制界面力求界面简洁美观,控制动作不会相互影响,状态显示清楚明了,便于用户操作控制。2.主要内容(1)设计一个由组态软件实现上位机控制,PLC为下位机的HJD-4实验教学装置主轴PLC控制系统。(2)根据控制要求,查阅相关技术资料,拟定课题实施方案,进行电气控制系统硬件电路设计,包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。(3)HJD-4实验教学装置主轴控制系统的软件设计,包括控制程序、控制界面及动画设计。(4)利用实验室
3、设备完成硬件接线及运行调试。三、原始资料2. HJD-4实验教学装置加工中心HJD-4是机电一体化实验教学系统。它由个人计算机(PC或上位机)、电气控制实验柜和微加工中心组成。其中PC机和电气控制实验柜是系统的主体,微加工中心为控制对象。(1)个人计算机个人计算机是整个控制系统的上位机,他和PLC构成两级控制系统,完成两大功能: 通过RS-232C串行通讯线与HJD-4型控制系统中的PLC串行通信板连接,形成两级控制系统,实现对PLC的监控及两级控制;通过SC-09编程电缆与PLC连接,实现PLC的编程、程序的输入输出、监控等。(2)控制系统HJD-4型的控制系统的核心是PLC,还包括继电器接
4、触器控制系统、PLC、位置控制模块(1PG和20GM)、交流伺服控制系统、步进电机控制系统、交流变频调速系统、控制面板和面板接线端子等。 PLC作为数控功能的控制核心,它采用三菱FX2N-80MT型号。通过变频器(松下)对三相异步电动机进行变频调速,从而控制主轴的速度及主轴的运动方向。通过步进驱动器驱动步进电机对X轴、Z轴、C轴的控制,FX2N-20GM完成对X轴、Z轴的单轴定位控制以及两轴联动控制。通过伺服驱动器和交流伺服电机实现对Y轴的半闭环控制。微加工中心由主轴、四轴(X、Y、Z、C)工作台和刀库、机械手组成。2.力控组态软件组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系
5、统监控层一级的软件平台和开发环境,能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法,其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能,并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备,与高可靠的工控计算机和网络系统结合,可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口,进行系统集成。3.系统的通信监控组态软件与PLC的通信如图2所示。动作界面数据库I/O Server适配器PLC获得现场数据RS-232RS-422/RS-485组态软件图2 监控组态软件与PLC的通信关系3.实验室提供设备(1)HJD-4实验教学装置;(2)PLC控制模块;(3)PC机;(4)P
6、LC编程电缆;(5)RS-232通信模块;(6)RS-232通信电缆;(7)力控3.6组态软件;(8)松下变频器。四、要求的设计成果(1)根据控制要求进行电气控制系统硬件电路设计。(2)完成PLC、监控界面软件设计。(3)利用实验室设备进行运行调试。(4)编写电气专业核心课程综合课程设计报告,课程设计报告内容包括: 设计方案、课程设计过程和设计思想、方法、原理。 用A4图纸绘制PLC控制系统的电气原理图(用绘图软件)。 PLC控制程序(梯形图或指令表),有程序说明。 参考资料、参考书及参考手册。其他需要说明的问题,例如操作说明、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。可
7、编程控制器技术课程设计报告可以手写,也可以用电脑编排打印,报告格式按照华中科技大学武昌分校课程设计管理办法执行。课程设计报告要求内容正确完整,图表清晰,叙述简明,语句通顺,字数不得少于2000汉字。课程设计报告按封面、任务书、设计说明书、图纸、实物照片贴页(实物照片贴在A4复印纸上)、成绩评定表的顺序装订。五、进程安排内容时间下达课程设计任务书。讲解课程设计的任务与要求、进度安排、指导时间、注意事项、提供参考资料。学生到实验室熟悉设备。2天搜集资料、方案论证、初步设计。1天系统设计、绘制系统控制原理图、接线图及软件编程。3天利用实验室设备完成控制系统的硬件接线工作,运行控制程序,进行运行调试。
8、5天方案优化、总结完善、整理资料、撰写课程设计报告3天答辩、课程设计总结。1天共计15天(3周)六、主要参考资料1 马小军.可编程控制器及其应用.南京:东南大学出版社,2007.2 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. 3 巫莉.电气控制与PLC应用.北京:中国电力出版社,2008.4 曹辉,马栋萍.组态软件技术及运用.北京:电子工业出版社,2009.指导教师(签名): 20 年 月 日目 录 1 课程设计题目及要求11.1 设计题目11.2 控制要求11.3 系统总体方案设计12 PLC工作原理32.1 PLC工作原理及扫描工作方式32.2 FX2
9、N-48MR型PLC33 控制系统设计53.1 控制系统设计53.2 PLC (I/O) 分配53.3 程序设计64 监控界面设计84.1 组态软件介绍84.2 监控界面开发过程95 运行调试165.1 调试过程165.2 调试中出现的问题及解决方法165.3 结果分析176 总结187 参考文献198 附录201 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(1)运动小车要求自动/手动两种控制方式(2)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
10、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。(3)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(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(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。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组态软件设计的监控界面控制输入,通过FX2N-48MR型PLC输出信号控制接触器触
11、头的开关,来控制小车的方向、速度。 电机采用双速电机。(3)I/O分配 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(5)监控界面设计 用力控组态软件设计小车监控界面,控制小车的运行状态,制作出小车实时动画效果。(6)调试 调试过程分为模拟调试和联机调试,分析调试问题,并解决(7)课程设计报告 根据要求,规范格式,正确书写课程设计报告及心得体会开始设计控制要求分析分析确定输入输出设备I/O分配,硬件接线图PLC程序设计组态监控界面开发设计模拟调试分析结果,书写技术报告联机调试图1-1 系统结构图2 PLC工作原理2.1 PLC扫描工作过程PLC的
12、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。 图2-1 扫描过程 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P
13、LC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入死循环。 2.2 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
14、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2-2 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控制系统设计输入电路输入映像寄存器PLC设计程 序输出映像寄存器接触器双速电机启动按钮停止按钮手动、自动高速、低速左行、右行限位开关 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
15、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X5来选择自动模式中,小车初始位移向左还是向右行进。在手动控制模式中,加入了经验控制法,使得小车碰触限位开关后必须改变方向后才能启动运行。顺序功能图见附录1。3.2 PLC (I/O) 分配硬件接线图见附录1,双速电动机接线图见附录1。1)输入启动按钮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X4自动方向选择开关X52)输出小车左移Y21小车右移Y22小车低速Y23小车高速Y243.3程序设计顺序控制起始选择程序,由开关X5来控制辅助
16、继电器M0来控制自动开始时的方向,由开关X2来控制手动或是自动。在自动控制都加入了此指令,是为了满足在自动控制循环中,突然由自动控制转到手动控制模式的需要。小车低速左行,碰到左边两个限位开关后,进行下一步。小车高速右行,碰到右边的限位开关后进行下一步。小车第二次低速左行,同时定时器开始定时,5.5秒后小车自动停下. 此时小车正好处于中间位置。小车开始右行低速,碰到右边限位开关后进行下一步。小车高速左行,碰到左边的限位开关后进行下一步。小车低速右行,同时定时器开始定时,5.5秒后小车停下,此时小车正好处于中间位置。手动部分程序,通过开关X3 X4来手动调节小车的方向和速度,同时通过碰触限位开关来
17、控制M1进而完成控制要求-碰到限位开关停下,需改变运行方向小车才能运行,否则小车不能运行。4 监控界面设计4.1 组态软件介绍(1)力控组态软件组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法,其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能,并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备,与高可靠的工控计算机和网络系统结合,可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口,进行系统集成。(2)系统的通信组态软件一般都是由系统开发环境(或称组态环境)与系统运行环境两
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