开题报告-基于PLC的伺服电机控制系统开发.pdf

毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告 课 题 名 称 ：基于 PLC 的伺服电机控制系统开发 学院 ：机械工程学院 专业 ：机械制造及自动化 姓名 ：_ 学号 ： 指 导 教 师 ： 2016 年年 3 月月 8 日日 1 基于 PLC 的伺服电机控制系统开发 1、课题背景课题背景 PLC （Programmable Logic Controller）名为可编辑逻辑控制器，诞生于 上个世纪，其功能强大、使用方便、性价比高、可靠性抗干扰能力强的优异特点 使它成为了现代化工业改革中控制系统方面的一面旗帜。 而伺服电机是工厂自动 化、数控机床、机器人等机电一体化中的重要驱动部件。两者都广泛运用在工业 领域，而它们的结合更是给整个现代工业带来了翻天覆地的变化。 伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个 过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟 随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命 令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度 和位置控制非常灵活方便。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出 量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位 移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），其结构组成和其他形式的反馈 控制系统没有原则上的区别。伺服系统最初用于国防军工, 如火炮的控制, 船 舰、飞机的自动驾驶,导弹发射等,后来逐渐推广到国民经济的许多部门,如自动 机床、无线跟踪控制等 纵观我国的工业自动化水平还依旧处于发展阶段， 无论是控制系统还是网络 化程度都和发达国家之间存在明显的差距。 其中有大多数工厂依旧使用传统机床 和生产加工线，这些工厂和企业急需爆发出新的生命力来响应国家的政策。并且 近年来我国强调经济的可持续发现和现代工业化的转变，PLC 伺服控制应用将是 其中必不可少的一份子。因此从它的发展趋势来看，它在我国工业应用领域的拓 展和深入将是必然实现的。 而本课题基于 PLC 的伺服电机的控制系统，便是顺应时代的潮流。在 plc 深入改革工业世界的同时， 运用自己所学的基础知识和专业知识来设计并解决问 题。 2 2、文献调研、文献调研 2.1 PLC 伺服系统在国内发展现状 2012 年沈阳理工大学机械电子工程的王瑜硕士在导师陈白宁的辅导下研究 以钢管切割生产线中的自动定长切割设备为对象， 提出了锯片在高速旋转的过程 中变速进给切削的新理念， 研究开发了可以变速、 定长切割， 具有设备可靠性高、 结构简单、易于调试等特点的冷切割设备控制系统。该系统自动化程度高，可靠 性高，钢管的切削质量高，锯片的使用寿命长。 2013 年南京师范大学电气工程的刘佳佳硕士在导师鞠勇的指导下，根据江 苏某集团有限公司根据市场需求开发的轴承压入机项目。 针对轴承压入机的机械 结构与工作特点,采用基于 PLC 的伺服运动系统实现轴承压入控制。实现了 PLC 伺服控制系统精确定位的设计与研发,采用手动和自动两种操作方式对系统进行 精确定位。并且实际使用效果良好,达到了设计的要求。实验表明该精确定位系 统具有较高的精确性。 2010 年广西师范大学硕士喻伟闯在导师罗晓曙的指导下，研究从光纤连接 器插针的高精度研磨需求出发,与某台资光纤插针生产企业合作研发出一套光纤 连接器研磨机伺服控制系统。主要研究了伺服系统的组成结构和工作原理、光纤 连接器研磨机操作台 X 轴、Y 轴、A 轴的运动控制方式、设计了研磨机送料系 统、气动控制系统以及触摸屏人机界面,采用三菱 FX2N 系列 PLC 对整机进行编 程控制,实现光纤连接器插针研磨的全自动控制。实际应用证明,所研发的样机运 行稳定、操作简单,能满足产品各项技术指标要求。17 目前,我国钢轨焊接通常采用闪光焊,其焊接后必定会在焊接处留下一段焊 瘤。为了满足对钢轨平直度的要求，2013 年西南交通大学硕士唐茂盛在导师龚 邦命的指导下，对机床整机重新设计并采用 Q02H 高性能 PLC、MR-J3-350A 伺 服放大器和 QD75M4 定位模块组成实现对机床垂直升降机构的控制从而使钢轨 打磨机床高效稳定。16 2014 年大连理工大学硕士娄宇翔在导师韩敏的指导下对电子凸轮进行分析 与研究,总结出电子凸轮设计的一般方法。研究了机械凸轮的定义和应用,进而提 出了电子凸轮的定义和应用方面的举例,总结出电子凸轮设计的方法。并通过可 3 编程控制器 PLC 结合伺服系统实现电子凸轮功能的目标，为后续的需要运用到 电子凸轮的应用起到投石问路的作用。15 2008 年兰州理工大学硕士刘丽荣在导师罗生梅、赵学的指导下研究和开发 基于 PLC 的全自动纸纱复合制袋机生产线。设计改进了剪切刀的结构和传动路 线,由伺服电机单独驱动;在硬件电路方面,以 PLC 为控制核心,并带一个位置控制 模块,实现了剪切刀速度与走袋速度的协调控制。整个硬件电路图的设综合运用 了可编程控制器(PLC)、 变频器、 编码器、 伺服驱动等现代控制部件,实现了以 PLC 为控制核心的纸纱复合制袋工艺的自动化生产,解决了原制袋机使用中存在的问 题和不足。14 2008 年设计与应用第四期吴晨曦、蒋嵘提出了 PLC-伺服系统进行位置 控制的结构原理,分析了各环节的作用;并以两轴联动控制为例.给出了软硬件设 计、实现方法及部分应用程序;调试结果表明,该系统具有结构简单、控制灵活、 响应快速、定位精准等特点,满足位置控制的性能要求,有推广应用价值。13 2010 年青岛大学硕士王世红在导师徐世宏的指导下设计了自动剪切生产线 的 PLC 控制系统,主要研究了自动剪切生产线的组成及工作原理、根据生产线的 工艺流程,设计其控制系统、根据生产工艺要求,设计控制程序,包括触摸屏画面和 PLC 程序。12 2011 年华中科技大学黄灿灿在导师彭涛的指导下设计并实现了基于 PLC 的 脉冲磁体绕线机伺服电机控制系统。 主要对绕线机技术实现方案进行了研究综述; 分析脉冲磁体绕线过程,结合实验室原有脉冲磁体绕线机的性能,分析原有设备在 绕线过程中存在的不足;提出了新绕线机系统需要实现的功能和解决的问题;分析 了步进电机和交流伺服电机的原理和特点,对它们应用于绕线机系统的优势及劣 势进行分析;分析了 PLC 的原理及特点,对 PLC 应用于绕线机控制系统的可行性 和可靠性进行了研究。11 试验与研究2014 年 01 期，张贵、黄静华、夏永胜三人囿于传统的 PID 控制器用于比例伺服液压缸位置控制时出现超调大、稳态精度低、响应时间较长 等缺点,提出参数在线自整定模糊PID控制方法,并对模糊PID控制器的PLC实现 进行分析。针对汽车板簧试验台的比例伺服缸实际控制进行试验,结果表明:用 4 PLC 实现的模糊 PID 控制器简单实用,控制精度高,适应性好,抗干扰能力强,从而 提高了控制品质,满足了控制要求.10 2.2 PLC 伺服系统在国外发展现状 2013 年 Gurney, Michael 在InTech上发表了一偏通过 PLC 伺服控制系统 改造原有控制系统延长了旧贴标机的寿命， 并且提高了吞吐量 25%。 新的系统包 括的组件从一个供应商，包括可编程逻辑控制器（PLC），一个伺服运动控制器， 五伺服驱动器和电机（对于运动的五种不同的轴），和与人 - 机接口的触摸屏 的 PC（HMI）软件和诊断工具。因为旧的系统没有显示有意义的工艺参数，操 作者有时不知道哪个方向移动的参数校正过程。而新的系统则清晰明了，大大提 高了产量。 2011 年 Aasness, Lance 在Snack Food 如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，则可选用速 度控制。根据电动机的 类型，调速控制系统也分不同类型，如异步电动机的变 频调速和同步电动机的变频调速异 步电动机的变频调速分为笼型异步电动机 的变频调速和 PWM 型变频调速。 （2）位置控制 在有上位控制装置的外环 PID 控制时速度模式也可以进行定位，但必须把 电动机的位置 信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也 支持直接负载外环检测位置 信号，电动机轴端的编码器只检测电动机转速。由 于位置模式对速度和位置都有很严格的控 制，因而其主要应用于定位装置，如 数控机床、印刷机械等。 6 （3）转矩控制 转矩控制方式实际上就是通过外部模拟量的输入或直接的地址賦值来设定 电动机轴 输出转矩。例如 10V 对应 5N m 的话，当外部模拟量设定为 5V 时， 电动机轴输出为 2.5N m.如果电动机轴负载低于 2.5N.m 时电动机正转， 外部负 载等于 2.5N m 时电 动机不转，大于 2.5N*m 时电动机反转(通常在有重力负载 情况下产生)。可以通过即 时改变模拟量的设定来改变设定力矩大小，也可通过 通信方式改变对应的地址的数值来 实现。转矩控制主要应用在对材质的受力有 严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线 装置或拉光纤设备。 4.3 人机界面的开发 使用组态王进行人机界面的设计。 4.4 PC 与 PLC 之间的通讯 （1）PC 与 PLC 实现通信的意义 （2）PC 与 PLC 实现通信的方法 （3）PC 与 PLC 实现通信的条件 （4）PC 与 PLC 互联的结构形式 （5）PC 与 PLC 互联通信方式 5、进度安排进度安排 序序 号号设计（论文）各阶段名称设计（论文）各阶段名称日日期期备备注注 1课题调研 2015 年 12 月 5 日 2015 年 12 月 30 日 2专业外文翻译 2015 年 12 月 20 日 2016 年 1 月 5 日 3 学习 PLC 原理与应用，伺服电机控制等基 本知识，完成控制系统数学模型分析 2016 年 12 月 25 日 2016 年 3 月 16 日 4 设计 PLC 程序，完成速度和定位等控制功 能 2016 年 3 月 11 日 2016 年 4 月 10 日 5实现上位机组态监控功能 2016 年 4 月 10 日 2016 年 4 月 30 日 6实验联调、撰写相关文档 2016 年 5 月 1 日 2016 年 5 月 8 日 7撰写论文、答辩 2016 年 5 月 8 日 2016 年 5 月 24 日 7 7、参考文献参考文献 1 张东明，文友先，PLC 的发展历程及其在生产中的应用，华中农业大学工程 技术学院，430070, 60,62,63 页 2 国内 plc 厂商的发展之路，市场研究专栏 （2011 年 02 期） 3 刘锐，米欣，基于专利文献检索的我国伺服电机发展浅析，科技成果纵横 2012.01 。 4 王瑜.PLC 及伺服系统在冷切切割设备中的应用D. 沈阳理工大学 2012 5 胡文莉,周亚军.运动平滑处理技术在伺服控制系统中的应用J. 机电工程. 2009(10) 6 黄建新,刘建群,旷辉,吴石林.触摸屏与 PLC 组成的伺服电机控制系统J. 仪表技术与传感器. 2005(02) 7 侴俊欣，PLC 发展及未来趋势探析J. 现代商贸工业. 2013(11)，172 页 8 叶云岳， 国内外直线电机技术的发展、 近况与趋势J. 电气时代. 2012(04) 9 曹金华，分析 PLC 在电气自动化中的应用现状及未来发展趋势J. 科技与 企业. 2012(15) 10 张贵,黄静华,夏永胜.基于PLC的电液比例伺服系统模糊PID控制研究J. 机床与液压. 2014(01) 11黄灿灿.基于 PLC 的脉冲磁体绕线机伺服电机控制系统的设计与实现D. 华中科技大学 2011 12王世红.自动剪切生产线的 PLC 控制系统设计D. 青岛大学 2010 13吴晨曦,蒋嵘.基于 PLC伺服驱动的位置控制系统设计J. 制造业自动化. 2008(04) 14刘丽荣.基于 PLC 的全自动纸纱复合制袋机生产线的研究与开发D. 兰州 理工大学 2008 15娄宇翔.基于 PLC 与伺服系统控制的电子凸轮应用研究D. 大连理工大学 2014 16唐茂盛.基于Q系列PLC的钢轨精磨机垂直伺服控制系统设计D. 西南交通 大学 2013. 8 17 喻伟闯.基于 PLC 的光纤连接器研磨机伺服控制系统研究D. 广西师范大 学 2010. 18 祝永华,郁炜,叶文通.PLC 的网络化发展趋势J.电气时代,2003(6). 19陈建龙，小型可编程控制器 PLC 发展方向探讨J. 电工文摘. 2009(04) 20李德才，可编程序控制器 PLC 发展及应用J. 医药工程设计. 1994(01) 21张东明,文友先，PLC 的发展历程及其在生产中的应用J. 现代农业装备. 2007(09) 22赵有洁，国外 PLC 发展综述J. 工业仪表与自动化装置. 1991(01) 23万伟,周伟，基于 IEC61131-3 的 PLC 编程软件的设计J. 可编程控制器与 工厂自动化. 2007(01) 24冯清华，伺服电机运动控制器的研制D. 西安理工大学 2004 25海涛,王超，基于 PLC 的 PID 控制系统J. 计算机系统应用. 2012(09) 26卞洪元， 基于 PLC 控制的工业机器人系统的研究与实现D. 东南大学 2005 27 Anonymous. PLC versus PC battle heats up. Food engineering. 2002-11. Vol. 74, Iss. 11; pg. 13, 1pgs. 28 杨庆柏 PLC 的发展方向 1995-2006 Tsinghua TongfangOpticalDisc Co., Ltd. All rights reserved. 7-8, 11 29 Gab Seon Rho, Kyeong-hoon, Koo, Naehyuck Chang,JaehyunPark,Yeong-giKimandWookHyunKwon.ImplementationofaRIS Cmicroprocessor forprogrammable logic controllers. Microprocessors and Microsystems Volume19Number10December1995:599-608. 30Sanjay B. JoshiandMark R. Supinski. The development of a generic PC-based programmable logic controller simulator. INT. J. PROD. RES, 1992,VOL. 30,NO.1, 151-168. 31Martin, Vaughn D. Programmable logic controllers.Electronics Now; Apr96, Vol. 67 Is