自动洗车机总体设方案毕业论.doc

摘 要摘 要随着我国汽车数量的迅速的升高，汽车清洗行业迎来了一个重要的发展的机遇，自动洗车机作为洗车工作必不可少的设备，其清洗的效果，清洗的速度清洗成本以及对节水和环境保护的要求，成为其开发和生产必须要考虑的内容。本文主要通过对自动洗车功能要求和运行过程的分析，确定了自动洗车机的总体设方案。主要进行了自动洗车机的控制系数的设计，针对自动洗车机的特点，采用喷水、洗刷、喷洒清洗剂和风干等过程，在控制部分，应用传感器和可编程序控制器技术，对汽车清洗机PLC控制系统进行了硬件设计和控制软件编程。PLC选用了西门子公司S7系列的可编程序控制器，采用梯形图编程语言，实现了汽车清洗机的传递和控制要求，满足了环保、高效、可靠和低成本的要求。关键词：自动清洗机；PLC；控制系统；硬件及软件；梯形图AbstractAbstractAs the amount of car increases very quickly, the service trades of car are facing a very important chance. Because Car Washing is the most important equipment in the process of washing car, these questions must be reflected on in the process of the design and the manufacture of the automatic car washer, such as the washing effect of washing car, the efficiency of washing car, the cost of washing car, the protect of environment, and so on.In this side, according to the analysis of the function and the operating process of car washer, the overall plan of design is determined. The detail design of the driving and controlling system of car washer are designed, according to the characteristics of the automatic car, it adopts some processes, such as the vaginal spray, spray cleaning agent, brushing, air drying and so on.In the control system, it adopts the technology of sensor and PLC to design the composition of PLC hardware and program the controlling software. The controller is Siemens S7 series PLC and the program is ladder program, it meets the requirements of the operating and controlling and also the demands of the efficiency, the cost and the environment.Keywords: automatic car; PLC; controlling system; ladder program; hardware and software program目录目录摘要1Abstract21 绪 论11.1 研究背景简介11.2 课题研究现状和发展趋势11.2.1 汽车清洗装置的国内外发展现状11.2.2 PLC控制系统的国内发展趋势21.3课题研究内容21.4汽车自动清洗装置中应用PLC的优势22 系统电气控制要求及方案的确定42.1 自动洗车机模拟装置简介42.2 系统对电气控制的要求52.3 系统的控制方案52.4 车自动清洗装置PLC控制的总体设计62.5 控制系统的设计62.6 自动洗车机的驱动控制系统72.7 PLC的工作原理92.8 PLC系统设计流程图93 系统的硬件设计123.1 PLC的选型123.1.1 欧姆龙PLC简介123.1.2西门子PLC简介123.2 可编程控制器的基本组成143.2.1 中央处理单元（CPU）143.2.2 存储器143.2.3 输入输出接口143.2.4 编程器153.2.5 PLC与继电器控制系统的比较163.3 机型选择的基本原则163.4 PLC容量选择173.5 I/O模块的选择183.6 电源模块的选择183.7 电机的选择193.7.1 直流电动机193.7.2 异步电动机193.7.3 同步电动机193.7.4 电动机的选择193.8 位置传感器的选型203.8.1 传感器的工作原理及分类203.8.2 传感器的应用214系统的软件设计224.1分析任务要求及解决方案224.2 输入输出部分244.3 I/O分配表254.4 PLC输入输出接线图264.5 程序原理分析274.6 PLC控制梯型图28总 结32致 谢33参考文献3434河北工程大学科信学院毕业设计说明书1 绪 论1.1 研究背景简介随着近几年私家车的大量涌入,汽车清洗行业发展很快。最新统计表明,我国私人汽车的保有量已经突破了1000万辆,汽车正日益发展成为一种大众消费品。汽车产业突飞猛进的发展起来了，随之而来的是带动洗车业一起火爆。中国汽车市场呈现高速增长势头，被许多业内专家公认为中国开始进入汽车社会。在车消费结构方面，家庭购买比例越来越大，已经成为市场需求的主体，随着中国汽车市场的蓬勃发展，中国人的消费热情将全面升级，与之相伴的必然是汽车清洗行业的快速发展。但传统的人工洗车效果不理想，极大的浪费人力物力和自然资源。据现在行业调查显示，车主对汽车的清洗为每周1-2次，全国每年的洗车费用超过350亿元，汽车保有量在10万以上的城市，一年的洗车费用将在1亿元以上，利润相当可观啊。现在人们将不再只是依靠经验来清洗，各种实用化的计算机软件将问世，而汽车自动清洗装置PLC控制能有效完成清洗任务，整个过程可在两分钟内完成，且启动之后无需由人控制，实现真正的全自动，且简而易懂，即使非专业出身者也能迅速掌握，其前景无限美好汽车清洗装置及PLC控制系统的国内外研究现状。1.2 课题研究现状和发展趋势1.2.1 汽车清洗装置的国内外发展现状随着汽车清洗技术的发展，国内外市场上存在各种各样的清洗方式，循环水洗车、电脑洗车、手工洗车和高压水枪清洗等。在微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展中，计算机控制已扩展到所有控制领域。其中PLC的营养广、功能大、使用方便，现在已成为当代工业自动化的主要控制设备智一，传统的人洗车方式过于繁杂，浪费人力和水利，利用PLC控制的汽车自动清洗装置，就避免了传统洗车的缺陷。洗车的过程由PLC控制住，整个过程可分在两分钟内完成，且启动之后无需有人控制，实现了真正的全自动。目前，隧道式洗车在世界各地流行，各大城市早已取代了传统的人工洗车方式，这离不开PLC技术的支撑。节水环保、增加技术含量和提高服务档次，将成为洗车液发展的必由之路。1.2.2 PLC控制系统的国内发展趋势在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.3课题研究内容本文所研究的汽车自动清洗PLC控制是以PLC为控制核心的自动控制系统，整个系统包括：系统的开发过程、硬件系统设计、软件系统设计，因此本论文的研究内容可以分为三个部分：(1)系统的开发过程；(2)硬件系统设计：包括硬件系统的结构图、接线图；(3)软件系统设计：运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序，且系统有启动、停止功能。1.4汽车自动清洗装置中应用PLC的优势随着时代的发展，人们生活水平的提高，汽车的数量也越来越多，洗车产业也越来越壮大，如何在众多的从业者中脱颖而出，抢占先机？应用了PLC的汽车自动清洗装置就成了提升服务质量的一个法宝。它可以最大限度的节省洗车的人力物力，提供客户更加快捷的服务，在这个分秒必争的时代无疑具有极其巨大的市场价值和竞争优势。同时它也可以节约更多的水资源，符合建设节约型社会的时代需要。2 系统电气控制要求及方案的确定2.1 自动洗车机模拟装置简介用洗车机实物操作不方便，代价大，所以用模拟装置代替实物。用8个LED灯分别代替电动机前进接触器，电动机后退接触器，喷水电磁阀，喷清洁剂电磁阀，刷子电动机接触器，风扇吹干器接触器，启动指示灯，原点复位指示灯，停止指示灯。用两个开关分别代替后限位开关和前限位开关。2.2 系统对电气控制的要求（1）汽车金融自动洗车机后，按下启动开关SA1，启动灯D1亮，洗车机开始从车尾限位开关SQ1出向前移动，喷水设备开始喷水，刷子开始洗刷；洗车机向前移到车前限位开关SQ2时，再向车尾限位开关移动，并继续喷水和刷子刷洗，来回移动喷水洗刷3次，进入清洗剂喷洒工序。（2）洗车机来回移动喷水洗刷3次后，停在车前限位开关SQ2处，开始向车尾移动，并向车身喷洒清洗剂，洗车机移动到车尾限位开关SQ1处时，喷清洗剂结束。（3）洗车机移动到车尾限位开关SQ1处时，开始向车前移动，每移动3秒停下，刷子开始洗刷5秒后停下，洗车机在向车前移动3秒停下，刷子开始洗刷5秒后停下直到车前限位开关SQ2，洗车机向车尾每移动3秒停下，刷子开始洗刷5秒后停下，洗车机再向车前移动3秒停下，刷子开始洗刷5秒后停下直到碰到车尾限位开关SQ1，完成洗刷一个来回结束。（4）洗车机移动到车位限位开关SQ1处时，开始向车前移动，喷水设备喷水刷子洗刷，碰到车前限位开关SQ2时，再继续返回向车尾移动，然后喷水和洗刷，来回4次，停在车位限位开关SQ1处，喷水和洗刷结束。（5）洗车机停在车位限位开关SQ1是风扇设备动作将车吹干，来回2次，洗车机碰到车尾限位开关SQ1停止移动，洗车整个流程结束，启动灯D1熄灭。（6）若洗车机运行中发生停车或故障，则故障排除后通电，必须先按下远点复位按钮SA2，洗车机的喷水、洗刷、喷洒清洗剂、吹风等均需停止，并移动到原点限位开关SQ1处，原点复位灯D2才亮，表示洗车机复位工作完成。2.3 系统的控制方案洗车机的主运动是前后循环运动，有前后限位开关控制，同时不同的循环次序伴随不同的动作，如喷水、刷子洗刷、喷清洗剂及风扇吹干动作以及过程中遇到故障的处理等。该系统的第一个控制要求是要求洗车机来回移动喷水洗刷3次，从车位限位开关向前移动，碰到撤退限位开关后后退，再向前移动，最后停在撤退限位开关；第二个控制要求是洗车机从车头限位开关向车尾移动，此过程喷清洗剂，最后停在车尾限位开关处；第三个控制要求是洗车机从车尾向前每移动3秒，刷子洗刷5秒，如此循环，直到碰到车头限位开关，再向车尾每移动3秒停下，刷子洗刷5秒，如此循环，直到碰到车尾限位开关；第四个控制要求是洗车机从车尾限位开关开观察向前移动，喷水并洗刷，来回4次，停在车位限位开关处；第五个控制要求是洗车机从车尾限位开关出向前移动，同时风扇动作，来回2次，停在车位限位开关处；第六个控制要求是在洗车机喷水、洗刷、喷清洗剂、风扇吹干等一系列过程中都有可能遭遇故障，则需采取排除故障措施。2.4 车自动清洗装置PLC控制的总体设计PLC控制系统的开发是指PLC控制系统从任务提出到设计定型、制造调试、直到使用的整个过程。在PLC控制系统的开发和设计中，首先要明确设计要求，即确定系统的功能指标，然后制定系统方案，最后是方案的实施。PLC控制的主要内容包含总体设计、硬件开发、软件开发等。硬件开发时要先设计、绘制原理图，根据系统的各项技术指标独立进行软件设计；还要根据所设计的原理电路，综合考虑系统的性能和计算要求，合理布置元器件图2-1是系统的研制开发流程，本次设计就按照此流程来进行设计开发。2.5 控制系统的设计控制系统的设计：可编程序控制器PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存命令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。经过30多年的发展，PLC已经十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。具体如下的良好特点：(1)功能完善PLC的输入、输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量信号的输入和输出。在PLC内部具备许多控制功能，注入时序、计数器、主控继电器、位移寄存器、中间继电器等。由于采用了微处理机，它能够很方便的实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等诸多功能。它不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换、顺序控制功能，而且还有模拟运算、显示、监控、打印以及报表生成等功能。此为，它还可以和其他微型计算机系统控制设备共同组成分布式或分散系统，还能够是县城组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算和快速中断等功能。因此PLC具有很强的适应性，能够满足过程控制要求的需要。(2)模块化结构，硬软件开发方便PLC的硬件结构全部采用模块化结构，可以使用大小规模不同，功能复杂程度以及现场环境各异的各种控制要求。硬件系统安装方便，接线简单，连接方便可靠，为控制系统的硬件设计提高了方便快捷的途径，可以大大缩短硬件系统的开发周期。软件编程支持梯形图逻辑语言，直观方便，只要有了通常的继电器梯形图、逻辑图或逻辑方程，就等于有了PLC系统取代原继电器控制系统，进行老设备改造时十分有利的。总之，使用PLC系统可以大大缩短整个系统设计、生产、调试周期，节约系统投资。(3)操作方便，维护改造容易PLC的输入输出系统能够直观的反映出现信号的变化状态，PLC还能够通过各种方式直观地反应控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态、电源状态等均有醒目的提示，非常有利于运行、维护人员监视系统的工作状态。PLC采用梯形图逻辑编程，有利于电器操作人员对PLC的编程，使得操作人员可以方便地调整系统的编程和组态。另外，PLC的模块化结构，可以允许维护人员方便的更换故障元件或再生产工艺流程改变时更改系统的结构和品质。(4)性能稳定，可靠性高PLC产品都有严格的计数标准，这些标准保证了PLC在恶劣的工业环境下的正常运行，它的电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期的生产控制经验，主要模块采用大规模的集成电路，I/O系列设计有完善的通道保护和信号调理电路，在机械结构对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精心的考虑，所以这些使得PLC具有较好的性能和较高的可靠性。一般平均无故障时间可达几万小时以上。另外，PLC还具有较完善的自诊断、自测试的功能。(5)具有较高的性价比综上所述，不难看出，由于汽车清洗机的运行过程非常复杂，采用一般的控制器操作起来很困难，而可编程序控制器PLC的可靠性好，通用性强，编程方便，省去大量的中间继电器，时间继电器，安装总线方便，并且当洗车机工艺过程要求变化时，一般不用改变硬件控制电路，只需改变软件控制程序即可实现，而且可在监控状态下现场检查和修改。因此，PLC是一种较理想的控制工具。2.6 自动洗车机的驱动控制系统自动洗车机的工作原理如图2-1所示PLC启动按钮复位按钮停止按钮后限位开关前限位开关电动机前进接触器电动机后退接触器喷水电磁阀喷清洁器电磁阀刷子电动机接触器风扇吹干器接触器启动指示灯原点复位指示灯停止指示灯图2-1洗车机工作原理图PLC的5个输入端分别为启动按钮、复位按钮、停止按钮、后限位开关、前限位开关；用PLC的9个输出端分别为控制洗车机电动机正/反转接触器KM1/KM2、喷水电磁阀DF1、喷清洁器电磁阀DF2、刷子电动机接触器KM3、风扇吹干器接触器KM4及启动指示灯D1、原点复位指示灯D2、停止指示灯D3。2.7 PLC的工作原理与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常地工作。软件分为系统软件和应用软件两部分。PLC的基本工作如下：(1)输入现场信息：在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点的状态；(2)执行程序：顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算；(3)输出控制信号：根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC的扫描周期通常为几十毫秒。在实 际应用中，大多数机械设备的工作过程可以分为一系列不断重复的If序操作，PLC的工作方式与此相似。因此，PLC的程序可与机器的动作一一对应，程序编制简单、直观，不容易出错，而且容易修改，从而大大减少了软件的开发费用，缩短了软件的开发周期。为了提高工作的可靠性，及时接收外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成与编程器等的通信。每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障.此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行实时控制的一种方式。此外，计算机用于控制还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。显然，中断方式与扫描方式是不同的。在中断方式下，计算机能得到充分利用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，如果同时来了几个都要处理的任务该怎么办呢？优先级高的还好办，低的呢？可能会出现照顾不到之处。所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。但是，PLC在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。即，大量控制都用扫描方式，个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。这样，可做到所有的控制都能照顾到，个别应急的也能进行处理。PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。有关人员如果能把上面介绍的入出变换、物理实现-信息处理、I/O电路-空间、时间关系-扫描方式并辅以中断方式，作为一种思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎样去实现控制的，也就好把握住PLC基本原理的要点了。2.8 PLC系统设计流程图(1)根据被控制对象的控制要求，确定整个系统的输入、输出设备的数量，从而确定PLC的I/O点数，包括开关量I/O，模拟量I/O以及特殊功能模块等。(2)充分估计被控制对象今后发展的需要，所选的PLC的I/O的点数应留有一点的余量。另外，在性价比变化不大的情况下，尽可能的选用同类型中功能强的新一代PLC。(3)确定选用的PLC机型。(4)建立I/O分配表，绘制PLC控制系统输入、输出接线图。(5)根据控制要求绘制用户程序的流程图。(6)编制用户程序，并借助编程器将用户程序装入PLC的用户程序存储器。(7)在实验室模拟调试用户程序。(8)进入现场联机调试用户程序。(9)整个系统的调试工作结束后，编程技术文件。(10)交付使用。因此，PLC控制系统设计流程如图2-2所示开始分析控制要求确定用户I/O设置PLC硬件系统分配I/O绘制流程图设计梯形图设计安装控制台程序输入PLC软件测试现场施工连线开始修改程序整体测试测试正常满足要求交付使用编程技术文件否是否否是图2-2 PLC控制系统设计流程图3 系统的硬件设计3.1 PLC的选型3.1.1 欧姆龙PLC简介日本OMRON（立石公司）电机株式会社是世界上生产PLC的著名厂商之一。SYSMACC系列PLC产品以其良好的性能价格比被广泛地应用于化学工业、食品加工、材料处理和工业控制过程等领域，其产品在日本其销量仅次于三菱，居第二位，在我国也是应用非常广泛的PLC之一。OMRONC系列PLC产品门类齐、型号多、功能强、适应面广。大致可以分成微型、小型、中型和大型四大类产品。整体式结构的微型PLC机是以C20P为代表的机型。叠装式（或称紧凑型）结构的微型机以CJ型机最为典型，它具有超小型和超薄型的尺寸。小型PLC机以P型机和CPM型机最为典型，这两种都属坚固整体型结构。具有体积更小、指令更丰富、性能更优越，通过I/O扩展可实现10140点输入输出点数的灵活配置，并可连接可编程终端直接从屏幕上进行编程，CPM型机是OMRON产品用户目前选用最多的小型机系列产品。OMRON中型机以C200H系列最为典型，主要有C200H、C200HS、C200HX、C200HG和C200HE等型号产品。中型机在程序容量，扫描速度和指令功能等方面都优于小型机，除具备小型机的基本功能外，它同时可配置更完善的接口单元模块，如模拟量I/O模块、温度传感器模块、高速记数模块、位置控制模块、通讯联接模块等。可以与上位计算机、下位PLC机及各种外部设备组成具有各种用途的计算机控制系统和工业自动化网络。在一般的工业控制系统中，小型PLC机要比大、中型机的应用更广泛。在电气设备的控制应用方面，一般采用小型PLC都能够满足需求。3.1.2西门子PLC简介德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。(1)SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。 (2)SIMATIC S7-300 PLC S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。 (3) SIMATIC S7-400 PLC S7-400 PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。(4)人机界面（HMI）硬件 HMI硬件配合PLC使用，为用户提供数据、图形和事件显示，主要有文本操作面板TD200（可显示中文），OP3，OP7，OP17等；图形/文本操作面板OP27，OP37等，触摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。个人计算机（PC）也可以作为HMI硬件使用。HMI硬件需要经过软件（如Protocol）组态才能配合PLC使用。3.2 可编程控制器的基本组成3.2.1 中央处理单元（CPU）中央处理单元是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分等任务。可编程控制器采用的CPU一般有三大类，一类通用微处理器，如80286、80386等；一类为单片机芯片，如8031、8096等；另外还有位处理器，如AMD2900、AMD2903等。一般说来，可编程控制器的档次越高，CPU的位数越多运算速度也越快，指令功能也越强。现在常见的可编程机型一般多为8位或者16位。为了提高PLC的性能，一台PLC可采用多个CPU。3.2.2 存储器存储器是可编程控制器存放系统程序、拥护程序及运算数据的单元。和一般计算机一样，可编程控制器的存储器有只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）两大类，只读存储器是用来保存那些需要永久保存，即使机器掉电后也需保存程序的存储器，一般为掩膜只读存储器和可编程电擦写只读存储器。只读存储器用来存放系统程序。随机读写存储器的特点是写入与擦除都很容易但在掉电情况下存储的数据就会丢失，一般用来存放用户程序即系统运行中产生的临时数据，为了能使用户程序及某些运算数据在可编程控制器脱离外界电源后也能保持，在实际使用中都为一些重要的随机读写存储器配备电池或电容等掉电保护装置。可编程控制器的存储器区域按用途不同，又可分为程序区及数据区。程序区用来存放用户程序，一般有数千个字节。存放用户数据的区域一般要小一些。在数据区中，各类数据存放的位置都有严格的划分。由于可编程控制器是为熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用的，可编程控制器的数据单元都叫做继电器，如输入继电器、时间继电器、计数器等。不同用途的继电器在存储区占有不同的区域。每个存储单元有不同的地址编号。3.2.3 输入输出接口输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。输入口用来接受生产过程的各种参数。输出口用来送出可编程控制器运算后得到的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。由于可编程控制器字工业生产现场工作，对输入输出接口有两个主要的要求，一是接口有良好的抗干扰能力，二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求。可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元，主要有以下几种。(1)开关量输入接口开关量输入借口的作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。开关量输入接口可接纳的外信号电源的类型的不同分为直流输入单元和交流输入单元。输入接口中都有滤波电路及藕合隔离电路。滤波有抗干扰的作用，藕合有抗干扰及产生标准信号的作用。(2)开关量输出接口开关量输出接口的作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。开关量输出接口编程机内使用的器件可分为继电器型、晶体管型及可控硅型。各类输出接口也都具有隔离藕合电路。这里特别要指出的是，输出接口本身都不带电源，而且在考虑外驱动电源时，还需要考虑输出器件的类型。继电器式的输出接口可用于交流及直流两种电源，但接通断开的频率低，晶体管式的输出接口有较高的接通断开频率，但只适用于直流驱动的场合，可控硅型的输出接口仅适用于交流驱动场合。(3)模拟量输入接口模拟量输入接口的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程控制器内部处理的由若干位二进制数字的信号。模拟量输入接口接受标准模拟信号，无论是电压信号或是电流信号均可。这里标准信号是指国际标准的通用交互电压电流信号值，如4-20mA的直流电流信号，1-10V的电流电压信号等。工业现场中模拟量信号的变化范围一般是不标准的，在送入模拟量接口时一般都需经交换处理才能使用。模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A/D转换，再经光电藕合后为可编程控制器提供一定的数字量信号。(4)模拟量输出接口模拟量输出接口的作用是将可编程控制器运算处理后的若干数字量信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、D/A转换和信号驱动等环节组成。为了适应较复杂的控制工作的需求，可编程控制器还有一些智能控制单元。如PID其中工作单元、高速计数器工作单元、温度控制单元等。这类单元大多是独立的工作单元，它们和普通输入输出接口的区别在于一般带有单独的CPU，有专门的处理能力。在具体的工作中，每个扫描周期智能单元和主机的CPU交换一次信息，共同完成控制任务。从近期的发展来看，不少新型的可编程控制器本身也带有PID功能及高速计数器接口，但它们的功能一般专用单元的功能弱。3.2.4 编程器可编程控制器的特点是其中的程序是可变更的，能方便地加载程序，也可方便地修改程序。编程设备就成了工作中不可缺少的设备。可编程控制器的编程设备一般有两类，一类是专用的编程器，有手持的、台式的，也有的可编程控制器机身上自带编程器。其中手持式的编程器携带方便，适合工业控制现场应用。另一类是个人计算机。在个人计算机上运行可编程控制器相关的编程任务。借助软件编程比较容易，一般编好了以后再下载的可编程控制器中去。编程器除了编程以外，一般都还具有一定的调试及监视功能，可以通过键盘调取及显示PLC的状态、内部器件及系统参数，它经过接口与处理器联系，完成人机对话操作。按照功能强弱，手持编程器又可分为简易及智能型两类。前者只能联机编程，后者既可联机编程又可脱机编程。所谓脱机编程是指在编程时，把程序存储在编程器本身存储器中的一种编程方式，它的优点是在编程及修改程序时，可以不影响PLC机内原有程序的执行。它可以在远离主机的异地编程后再到主机所在地下载程序。3.2.5 PLC与继电器控制系统的比较几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业领域中大量地应用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和发展，与PLC相比较，存在着质的差别。比较项目继电器控制PLC控制功能的实现，通过对继电器进行硬接线完成相应的控制功能对PLC进行编程实现所需控制要求：适应性差 只需对程序进行修改适应性强 可靠性元器件多、触点多，容易出现故障。采用大规模集成电路，绝大部分是软继电器，可靠性高柔韧性与灵活性差具有种类齐全的扩展单元，扩展灵活控制的实时性机械动作时间常数大，实时性差。微处理器控制，实时性非常好。继电器占用空间与安装控制柜体积大、笨重，安装施工工作量大，但复杂控制能力极差；PLC体积小，重量轻，安装工作量小使用寿命易损，复杂控制能力强，但价格较高，维护复杂。3.3 机型选择的基本原则机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑因素如下：(1)结构合理对于工艺过程比较固定、环境条件好、维修量较小的场合，选用单元式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC。(2)功能强弱适当对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC。如西门子公司的S7系列机。对于以开关量控制为主、带少量模拟控制的工程项目，可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档PLC。对于控制比较复杂、控制功能要求较高的工程项目，如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂的程度，选用中挡或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。当系统的各个控制对象分布在不同地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，以组成一个分布式的控制系统。(3)机型统一选用PLC时，尽量要做到机型统一。由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布控制系统，相互通信，集中协调管理。3.4 PLC容量选择PLC容量包括两个方面：一是I/O点数；二是用户存储器的容量（字数）。(1)I/O点数是基础I/O点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控制对象的输入信号和输出信号的总数并考虑今后调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用量。多数小型PLC为单元式，具有体积小，价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比单元式方便灵活，维修更快模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多，控制要求复杂的系统。(2)用户存储器容量的估算根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%-25%考虑裕量。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此，在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内存大致如下：开关量输入所需存储器字数 = 输入点数10开关量输出所需存储器字数 = 输出点数8定时器/计数器所需存储器字数 = 定时器/计数器2模拟所需存储器字数 = 模拟量通道数100通信接口所需存储器字数 = 接口个数300根据存储器的总字数再加上一个裕量。3.5 I/O模块的选择PLC是一种控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工业环境是工业生产现场。PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。同时控制器有通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也不相同，而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需要经过一定距离。为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好抗干扰能力。根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。3.6 电源模块的选择电源模块的选择一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流总和。选择电源模块一般规则如下。(1)确定电源的输入电压；(2)将框架中每块I/O模块所需的总电流相加，计算出I/O模块所需的总电流值；(3)I/O模块所需的总电流值再加上以下各电流：框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值；当框架中带有远程适配器模块或扩展本地I/O适配器模块时，应加上其最大电流值；(4)如果框架中留有空槽用于将来扩展时，可做以下处理：列出将来要扩展的I/O模块所需的电流；将所有扩展的I/O模块的总电流值与步骤。(5)在框架中是否有用于电源的空槽，否则将电源装到框架的外面；(6)根据确定好的输入电压要求和所需的总电流值，从用户手册中选择合适的电源模块。3.7 电机的选择3.7.1 直流电动机直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于收音机、录音机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表、玩具等。直流电动机具有调速性能好，启动容易，能够载重起动等优点，所以目前直流电动机的应用仍然很广泛，尤其在可控硅直流电源出现以后。3.7.2 异步电动机异步电动机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系，还随着负载的大小发生变化。负载转矩越大，转子的转速越低。异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。感应电机应用最广，在不致引起误解或混淆的情况下，一般可称感应电机为异步电机。异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。异步电机主要广泛应用于驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械等大多数工农生产机械以及家用电器盒医疗器械等。3.7.3 同步电动机同步电动机主要用于大型机械，如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机以及小型、微型仪器设备或者充当控制元件。其中三相同步电动机是主体。此外，还可以当调相机使用，向电网输送电感性或者电容性无功功率动机Y132M-4。3.7.4 电动机的选择经过对集中电动机的应用、价格、可靠性、转速和实验室的实际情况考虑等各方面因素的考虑，本系统设计选异步电。其参数如下表3-1所示：表3-1 电机参数型号功率（KW）马力（hp）电流(A)转速(r/min)效率(%)堵转电流额定电流(A)堵转矩额定转矩重量(kg)功率因数Y132M-47.51015.41440877.02.2860.853.8 位置传感器的选型3.8.1 传感器的工作原理及分类光电传感器具体是由发送器、接收器和检测电路组成，是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电开关的结构元件中有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，激光二极管、LED及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电池、光电二极管、光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如光圈和透镜等。检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。光电传感器一般分为：反光板型光电开关、扩散反射型光电开关、槽型光电传感器、对射型光电传感器这四种类型的光电传感器，(1)槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。(2)对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个