徐州建筑职业技术学院基于plc控制的汽车力矩限制器的设计
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徐州建筑职业技术学院基于plc控制的汽车力矩限制器的设计,毕业设计
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徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 1 第 一章 概述 1.1 PLC 概述 可编程控制器（ Programmable Logic Controller）简称 PLC 或 PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。 1.1.1 PLC 的发展 历程 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，美国数字公司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 Controller（ PC）。 在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量 、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的 离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了 PLC、 DCS 与 IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有一定的百分比。 个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 2 功能特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller（ PLC），现在，仍常常将 PLC 简称 PC。 PLC 的定义有许 多种。国际电工委员会（ IEC）对 PLC 的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力 、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 PLC 是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（ IEC）颁布了对 PLC 的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 3 单等特点。可以预料：在工业控制领域中， PLC 控制技术的应用必将形成世界潮流。 PLC程序既有生产厂家的系 统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为 PLC 程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。 1.1.2 可编程控制器基本应用 最初， PLC 主要用于开关量的逻辑控制。随着 PLC 技术的进步，它的应用领域不断扩大。 如今， PLC 不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。 PLC 已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。 用于开关量控制 PLC 控制开关量的 能力是很强的。所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。 所控制的逻辑问题可以是多种多样的：组合的、时序的；即时的、延时的；不需计数的，需要计数的；固定顺序的，随机工作的；等等，都可进行。 PLC 的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。必要时，可编写多套，或多组程序，依需要调用。它很适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。 用 PLC 进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行 业都需要用到它。目前， PLC 首用的目标，也是别的控制器无法与其比拟的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。 用于模拟量控制 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 4 模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。工业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。 作为一种工业控制电子装置， PLC 若不能对这些量进行控制，那是一大不足。为此，各 PLC 厂家都在这方面进行大量的开发。目前，不仅大型、中型机可以进行模拟量控制，就是小型机，也能进行这样的控制。 PLC 进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的 A D、 D A 单元。它 也是 I/O 单元，不过是特殊的 I/O 单元。 A/D 单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送入 PLC。 D/A 单元，是把 PLC 的数字量转换成模拟量，再送给外电路。 作为一种特殊的 I/O 单元，它仍具有 I/O 电路抗干扰、内外电路隔离，与输入输出继电器（或内部继电器，它也是 PLC 工作内存的一个区。可读写）交换信息等等特点。 有了 A/D、 D/A 单元，余下的处理都是数字量，这对有信息处理能力的 PLC并不难。中、大型 PLC 处理能力更强，不仅可进行数字的加、减、乘、除，还可开方，插值，还可进行浮点运算。有的还有 PID 指令，可对偏差制量进行比例、微分、积分运算，进而产生相应的输出。计算机能算的它几乎都能算。 这样，用 PLC 实现模拟量控制是完全可能的。控制的单位值可小到 212 分之一的测量程值，多数也是足够的。 PLC 进行模拟量控制，还有 A/D、 D/A 组合在一起的单元，并可用 PID 或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。 用 PLC 进行模拟量控制的好处是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制。这个优点是别的控制器所不具备的，或控制的实现不如 PLC 方便。 当然，若纯为模拟量的系统，用 PLC 可能在性能价格比上不如用调 节器。这也是应当看到的。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 5 实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有数字量。如机床部件的位移，常以数字量表示。 这是 50 年代诞生于美国的基于计算机的控制技术。当今已很普及，并也很完善。目前，先进国家的金属切削机床，数控化的比率已超过 40 80，有的甚至更高。 PLC 也是基于计算机的技术，并日益完善。故它也完全可以用于数字量控制。 PLC 可接收计数脉冲，频率可高达几 k 到几十 k 赫兹。可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。有的 PLC 还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十 k。有了这两种功能，加上 PLC 有数据处理及运算 能力，若再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环形分配器、功放、步进电机），则完全可以依 NC 的原理实现种种控制。 高、中档的 PLC，开发有运动单元，可实现点位控制。运动单元还可实现曲线插补，可控制曲线运动。 新开发的运动单元，甚至还发行了 NC 技术的编程语言，为更好地用 PLC 进行数字控制提供了方便。 1.2 PLC 的 结构和基本配置以及控制要点 1.2.1 PLC的结构 一般讲， PLC 分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块 CPU 板、 I/O 板、显示面板、内存 块、电源等，当然按 CPU 性能分成若干型号，并按 I/O 点数又有若干规格。对模块式 PLC，有 CPU模块、 I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的 PLC，都属于总线式开放型结构，其 I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。 1、 CPU 的构成 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 6 PLC中的 CPU是 PLC的核心，起神经中枢的作用，每台 PLC至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法 错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路， 与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC不可缺少的组成单元。 CPU的控制器控制 CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。 CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。 CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU虽然划分为以上几个部分，但 PLC中的 CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对 CPU 内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在 PLC 中的功能与性能，能正确地使用它就够了。 CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲， CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式 PLC 的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接 I/O 模板或底板，有内存接口，用于安装 内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。 CPU 模块上还有许多设定开关，用以对 PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。 2、 I/O 模块 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 7 PLC的对外功能，主要是通过各种 I/O接口模块与外界联系的，按 I/O点数确定模块规格及数量， I/O模块可多可少，但其最大数受 CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 I/O 模块集成了 PLC的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 3、电源模块 有些 PLC 中的电源，是与 CPU 模块合二为一的，有些 是分开的，其主要用途是为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流 220VAC或 110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为 24V。 4、底板或机架 大多数模块式 PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使 CPU 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 5、 PLC 的外部设备 外部设备是 PLC系统不可分割的一部分，它有四大类 1) 编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用 于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况。编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。 2) 监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。 3) 存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如 EPROM、 EEPROM 写入器等。 4) 输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入 模nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 8 拟量的电位器，打印机等。 1.2.2 可编程控制器实现控制的要点 1、 入出信息变换、可 靠物理实现，可以说是 PLC 实现控制的两个基本要点。 入出信息变换靠运行存储于 PLC 内存中的程序实现。 PLC 程序既有生产厂家的系统程序 (不可更改 )，又有用户自行开发的应用（用户）程序。系统程序提供运行平台，同时，还为 PLC 程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。可靠物理实现主要靠输人（ INPUT）及输出（ OUTPUT）电路。 PLC 的 I/O 电路，都是专门设计的。输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。而且与内部计算机电路在电上 是隔离的，靠光耦元件建立联系。输出电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。 I/O 电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个 输入 或 输出 电路。 PLC 有多 少 I/O 用点，一般也就有多少个 I/O 用电路。但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。 输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。 输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。输出锁存器与 输出点也是一一对应的 这里的输入暂存器及输出锁存器实际就是 PLC 处理器 I/O 口的寄存器。它们与计算机内存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序实现。把输人暂存器的信息读到 PLC 的内存中，称输入刷新。 PLC 内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的每一对应位（ bit）称之为输入继电器，或称软接点。这些nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 9 位置成 1，表示接点通，置成 0 为接点断。由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。 输出锁存器与 PLC 内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存位（ bit）与其对应，这个位 称为输出继电器，或称输出线圈。靠运行系统程序，输出继电器的状态映射到输出锁存器。这个映射也称输出刷新。输出刷新主要也是靠运行系统程序实现的。这样，用户所要编的程序只是，内存中输入映射区到输出映射区的变换，特别是怎么按输入的时序变换成输出的时序。这是一个数据及逻辑处理问题。由于 PLC 有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全可能的，而且也是较为容易的。 2 、 可编程控制器实现控制的过程 简单地说， PLC 实现控制的过程一般是： 输入刷新 再运行用户程序 再输出刷新 再输入刷新 再运行用户程序 再输出刷新 永不停止地循环反复地进行着。 有了上述过程，用 PLC 实现控制显然是可能的。因为：有了输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入 PLC 的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化的。只是响应的时间上，略有滞后。当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制不那么及时，也就失去控制的意义。 为此， PLC 的工作速度要快。速度快、执行指令时间短 ，是 PLC 实现控制的基础。事实上，它的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几，或零点零几微秒。而且这个速度还在不断提高中。 除了 I/O 刷新及运行用户程序，还要做些公共处理工作。 公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通讯处理等。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 10 监控循环时间的目的是避免 死循环 ，避免程序不能反复不断地重复执行。办法是用 看门狗 （ Watching dog）。只要循环超时，它可报警，或作相应处理 。 外设服务是让 PLC 可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备如打印机输出数据 。 通讯 处理是实现 PLC 与 PLC，或 PLC 与计算机，或 PLC 与其它工业控制装置或智能部件间信息交换的。这也是增强 PLC 控制能力的需要。 也就是说，实际的 PLC 工作过程总是：公共处理 I/O 刷新 运行用户程序 再公共处理 反复不停地重复着。 3、 可编程控制器实现控制的方式 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nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 11 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。至于更深入的问题，在进一步学习中，将再作具体介绍。 4、 可编程控制器基本特点 从讨论 PLC 的工作原理知， PLC 的输入与输出在物理上是彼此隔开的，其间的联系是靠运行存储于它的内存中的程序实现。它的入出相关，不 是靠物理过程，不是用线路；而是靠信息过程，用软逻辑联系。它的工作基础是用好信息。 信息不同于物质与能量，有自身的规律。信息便于处理，便于传递，便于存储；信息还可重用，等等。正是由于信息的这些特点，决定了 PLC 的基本特点。 下面介绍 PLC 的特点： （ 1） 功能丰富 PLC 的功能非常丰富。这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。 它的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题的处理，还可进行各种类型数据的运算。凡普通计算机能做到的，它也都可作到。 它的内部器件，即内存中的数 据存储区，种类繁多，容量宏大。 I/O 继电器，可以用以存储入、出点信息的，少的几十、几百，多的可达几千、几万，以至 10几万。这意味着它可进行这么多 I/O 点的入出信息变换，进行这么大规模的控制。 它的计数器、定时器也很多，是继电电路所望尘莫及的。小小的箱体或模块，其内部定时器、计数器可达成百、成千。 而且，这些内部器件还可设置成丢电保持的，或丢电不保持的，即上电后予以清零的。以满足不同的使用要求。这些也是继电器件所难以做到的。 它的数据存储区还可用以存储大量数据，几百、几千、几万字的信息都可以存，而且，掉电后还 不丢失。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 12 PLC 还有丰富的外部设备，可建立友好的人机界面，以进行信息交换。可送入程序，送入数据，可读出程序，读出数据。而且读、写时可在图文并茂的画面上进行。数据读出后，可转储，可打印。数据送入可键入，可以读卡入，等等。 PLC 还具有通讯接口，可与计算机链接或联网，与计算机交换信息。自身也可联网，以形成单机所不能有的更大的、地域更广的控制系统。 PLC 还有强大的自检功能，可进行自诊断。其结果可自动记录。这为它的维修增加了透明度，提供了方便。 丰富的功能为 PLC 的广泛应用提供了可能；同时，也为工业系统的自动化、远动化及其控制的智能化创造了条件。 像 PLC 这样集丰富功能于一身，是别的电控制器所没有的；更是传统的继电控制电路所无法比拟的。 （ 2） 使用方便 用 PLC 实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：首先 PLC 控制逻辑的建立是程序 , 用程序代替硬件接线。编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多！ 其次 PLC 的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。而且，这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。种种控制系统所需的模块， PLC 厂家多有现货供应，市场上即可购得。所以，硬件系统配置与建造也非常方便。 正因如 此，用可编程序控制器才有这个 可 字。对软件讲，它的程序可编，也不难编。对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。 （ 3） 工作可靠 用 PLC 实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为 PLC 在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果 PLC 工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为 PLC 了。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 13 1） 在硬件方面： PLC 的输入输出电路与内部 CPU 是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且， CPU 板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保 PLC 程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。 PLC 使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。 在机械结构设计与制造工艺上，为使 PLC 能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保 PLC 耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏 50 多度，有的 PLC可高达 80-90 度。 有的 PLC 的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。 还有更进一步冗余的，采用三取一的设计， CPU、 I/O 模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者 中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。 2） 在软件方面： PLC 的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的 冒险竞争 ，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了 PLC 对应急情况的及时响应，使 PLC 能可靠地工作。 为监控 PLC 运行程序是否正常， PLC 系统都设置了 看门狗 （ Watching dog）监控程序。运行用户程序开始时，先清 看门狗 定时器，并 开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过 100ms），则报警。严重超时，还可使 PLC 停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程， PLC 将正常工作。显然，有了这nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 14 个 看门狗 监控程序，可保证 PLC 用户程序的正常运行，可避免出现 死循环 而影响其工作的可靠性。 PLC 还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对 PLC 的工作状况，以及 PLC 所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。 PLC 每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。 正是 PLC 在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了 PLC 具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。 曾有人做过为什么要使用 PLC 的问卷调查。在回答中，多数用户把 PLC 工作可靠作为选用它的主要原因，即把 PLC 能可靠工作，作为它的首选指标。 1.3 力矩限制器介绍 1.3.1 力矩限制器的应用状况 在国民 经济建设中，施工的机械化程度越来越高，起重机的应用越来越广，起重机的安全性也越来越受到人们的重视。为实现起重机的安全工作，操作者必须随时了解起吊情况，对于载荷极限值固定的起重机，如门机等，可只对起吊的重量进行估计，对于汽车吊、履带吊、固定回转吊等臂杆长度、角度可变的起重机，其起吊重量极限值是变化的，这样就要求在操作过程中，随时估计、查表获 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 15 知起重机当前额定起吊重量，一旦估计不准，就容易超载，以致发生事故，同时降低了工作效率。通过安装起重机专用的超载保护装置 力矩限制器，可使操作者从高度紧张的估算查表中解 脱出来，使其按力矩限制器的指示作业，减轻了劳动强度，同时消除了安全隐患。力矩限制器是通过传感器实时检测起重机的起吊重量、臂杆长度、角度等参数，经过计算处理，自动显示保证起重机安全作业的参数，并根据起重机的当前状况进行判断：当起重机接近非安全作业范围时，系统发出预警报，超过安全工作范围时，系统报警进行安全保护控制，禁止起重机向危险方向动作。实践证明，使用力矩限制器可有效预防翻车、超载断臂等恶性事故的发生，充分利用起重机的工作能力，避免误操作对起重机的损坏，减轻操作者的劳动强度，大大提高工作效率。 国内 外很多起重机制造厂商进行了力矩限制器的研究与应用，他们大多采用单片机作为核心部件设计力矩限制器。目前国外生产的单片机力矩限制器工作可靠性较高，但价格昂贵，一般起重机厂家和起重机用户承受不起；国内生产的单片机力矩限制器虽价格便宜，但由于起重机现场工作环境十分恶劣，力矩限制器故障率很高，且操作不便。力矩限制器厂商出于各种原因，一般不给用户提供力矩限制器的原理图和程序清单，以致力矩限制器出现故障后，用户无法自己解决维修保养问题，这些工作非请该力矩限制器生产厂家解决不可，以致单片机力矩限制器出现故障后维修保养困难。 很多用户在力矩限制器出现故障后干脆不再使用了，起重机作业过程中就缺少了安全保障，这给起重机安全作业埋下了极大的隐患，极易造成重大安全事故，另外，单片机力矩限制器一旦完成硬件电路后，对于起重机对力矩限制器的一些特殊功能要求就难以实现。在安全生产受到各有关部门高度重视的今天，起重机的安全作业同样不容忽视，鉴于单片机力矩限制器存在故障率高和维修困难等问题，开发一款可靠性高、使用维护方便、价格低廉的起重机力矩限制器迫在眉睫。可编程控制器 (PLC)的强大控制、模拟量处理、nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 16 数学运算和扩展灵活等功能使其能够应用于起重机超 载力矩保护中。 1.3.2 力矩限制器的研究及现状 目前，国际上起重机制造行业主要有德玛克、格鲁夫、多田野和加藤等十几家制造商，其产品占据国际起重机市场的大部分份额。他们大都根据自己的起重机产品研制并配套专用的力矩限制器，考察这些制造商的产品，基本上反映了国外力限器技术的发展历程、现状和趋势。早期力矩限制器采用机械式结构，使用很多的齿轮、凸轮、行程开关、电机等，通过这些机械部件的配合运动计算出载荷率等参数，并通过模拟指针表显示。显然，这种机械式的采样及计算、显示都较粗糙，而且功能单一，设计、制造、 维护、调整难度都很大，寿命也较短。这种机械式的力矩限制器已被淘汰。 日本 LS24811 履带吊的力限器是七十年代末设计的产品，采用了大量的模拟电路对传感器信号进行处理计算，仍用模拟表显示。它相对机械式是个很大的进步，但一定程度上仍存在精度低、设计维修难度大、易损坏等问题。进入八十年代，随着微处理技术的迅速发展，力限器的设计水平上了新台阶。 神户 MLS330A 型履带吊力限器，采用 Z80 CPU 及其它数字处理技术，通过A/D 变换来完成模拟信号到数字量的转换，利用软件来完成复杂的计算工作，系统的集成 度和综合精度都得到了很大提高。而且通用性好，对于不同型号的同系列起重机，只需更改相应的软件参数和传感器量程。具有系统自检功能，当系统硬件或工况设定出现问题，能及时报警及显示故障代码。通常采用数码管显示，拨码盘设定工况，手动电位器进行调节标定。 KATO LS248V 型力限器作了进一步的改进。具有零点记忆功能，当显示载荷零点变动时通过简单操作即可记忆零点数据，及时调整。还可以方便地记忆某工况下空载时不同幅度下零点数据。经过内部分析处理，可减小摩擦等误差因素对nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 17 测量精度的影响。内部电路更具合理性，采用开关 电源技术，提高了抗干扰及防护能力。采用新型高性能单片机及外围芯片，性能更加稳定，功耗更低，系统集成度更高。 Grove 公司的 DS359GW 型力矩限制器的设计更突出体现了人机界面的优化。选用点阵字符 LCD 显示器，显示信息量大，强光下读数清晰，而且功耗极低。具有各种英文提示，发生时故障时，可显示故障内容及处理方法。采用薄膜印刷面板，更加美观且防水。通过薄膜轻触按键进行工况参数的设定或操作一些辅助功能，操作灵活、方便。 国内也有部分单位在从事起重机力矩限制器的产品开发和制造工作，但较早的产品主要是 仿照国外公司的产品，技术上缺少创新，而且实践证明，质量不稳定，返修率较高。国内较新的起重机力矩限制器基本上是采用单片机作为主控制器的，而且开发出了大量的产品，功能和性能也有了很大的改善，但仍然存在不少问题。据国内很多用户反映，国内产品的最主要问题是可靠性问题和维护维修的问题，存在故障率高和维护维修困难的问题，在解决可靠性和维护维修问题的前提下还需提高力矩限制器整机性能及系统功能的完善。 纵观机电一体化技术的发展趋势和潮流，起重机力矩限制器的技术有以下的发展方向： 1、在电路设计上采用先进的 计算机技术、电子技术和性能优异的新型集成电路元器件，提高整机集成度、电气性能、抗干扰性和故障防护能力。如采用开关电源技术，将电源的输入与输出进行隔离，有效防止高电压脉冲对后续电路的冲击；选用可自恢复的保险丝器件将系统电路分块保护，当某部分发生故障过电流时，自动切断，故障解除后自动恢复；使用数字电位器免除机械噪音等。 2、功能设计趋于完善，如具有超载记录功能，当发生超载时，自动记录时间、日期、工况，以及工作参数等，可为事故分析和设备管理部门维护保养提供参考nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 18 依据。增加检测量，如重要液压回路的温度、油压、 发动机的工作情况等。虽然这些已超出了力矩限制的范围，但这些参数也是使用单位和操作者所非常关心的。 3、改善人机接口。采用先进的显示方式 (如 LCD 点阵显示器 )，增加显示信息量，提示更直观；使用声光报警代替数字显示提高人机交流的和谐性；设计更简便的操作方式，具有灵活的在线动态标定功能，简化调试、标定工作量。 4、性能进一步提高。具有吊重测量动态修正功能，减少起吊、摆动，振荡等对吊重测量精度的影响 ;考虑结构变形、摩擦力等误差因素，建立更准确的数学模型和完善的标定方式，提高系统精度。 5、在 电路设计上简化器件的组成，实行模块化、标准化设计，选用可靠性更高的控制器作主控，以便于系统的测试、维修保养和扩展，提高系统的开放性，实现产品的系列化生产。 1.4 本设计的任务要求 设计一个基于可编程控制器的 QY50B 汽车起重机力矩限制器，要求通过汽车起重机臂长、变幅角度、起重量的测量完成对工作幅度、吊臂角度、额定起重量、实际起重量、负荷百分率的计算和显示。当起重量达到或超过允许的范围时，能自动报警或自动停止起重机向危险方向运行的功能。控制精度 5%。 其它要求：系统抗干扰及可靠性好；操作简单，带声光报警。 2具体要求： （ 1）建立系统的数学模型。 （ 2）完成臂长、变幅角度、起重量传感器选型及放大电路设计。 （ 3）完成输出电路设计。 （ 4）完成可编程控制器的选型设计，及硬件电路图的设计。 （ 5）梯形图设计。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 19 第二章 力矩限制器的硬件选型 2.1 电流变送器的选型 功能：测量电流信号，隔离变送 输出单路电流信号。 产品规格： SMIDC 直流电流变送器 电流变送器 技术性能 : 表 2-1 性 能 / 规 格 精度等级 输 入 电源 SMIDC 0.2级 标称值 过程量 吸收功率 频 率 辅助电源 功 耗 绝缘强度 持续 瞬时 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 20 0.1A、 1.2倍 10倍/5秒 0.3W - DC24V 3.5VA 2kV/50Hz/1min 表 2-2 性能规格 精度等级 输出 SMIDC 0.2 级 标 称 值 负载能力 最大输出信号 输出纹波 0-20mA 电流输出时 为 0 1 k ; 额定值30mA 不大于 2 倍的基本误差值 图 2-1 接线方式： 图 2-2 (1)校零： 信号输入为零，调节前面板上的“ 0”电位器，使输出信号为低刻度（如：0 或 4 mA）。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 21 (2)校满刻度 信号输入端加入标称信号后，调节面板上的电位器，使输出信号为满刻度（如：20 mA）。 (3)有时需反复几次校零和校满刻度。 注意事项： 1、变送器需预热 30 分钟方能作精确测量。 2、信号输入、变送输出、辅助电源的接线 一定要正确。 3、若要校验仪表，校验仪器应优于 0.1 级才能保证校验精度。 4、标注“ 0”和电位器为变送器校准时所用，无标准仪器及非专业人员切勿进行调校。 5、密排安装时，变送器之间至少有 1cm 间隙，以利于通风散。 2.2 传感器的选型 2.2.1 角度传感器 角度传感器： MAS 系列无触点角度传感器采用本公司自主生产的锑化铟薄膜磁敏电阻为敏感元件，以磁场为媒介将机械角度、角位移转化为电信号。产品内部配置标准变送器，对应所测量的角度范围，输出信号为标准的电流信号（ 0100mA），能方便地与二次仪表、 PLC等接口使用。本系列产品广泛应用于机械变化频繁、环境恶劣、使用寿命长、可靠性高的场合。 表 2-3 角度传感器 型 号 应 用 特 点 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 22 无触点角度传感 器 用于液压升降台、挖土机、装载机械和行走式起重机。 可靠性高、使用寿命长 抗冲击和振动 防护等级达到 IP67 温度范围宽： -40C/+80C 信号输出 0 100mA 角度范围为 0 90o 本设计选用表 2-3 所示的 无触点 传感器一组，数据指标如表所示。由以上数据并结合本设计可 得数据 0.9o/mA。 2.2.2 拉力（重量）传感器 拉力传感器： 其（两端都是螺纹）用于需要测量拉伸力和压缩力的任何场所。 表 2-4 拉力传感器 型号 应用 特点 拉力传感器 用 于 提 升 系统，如：起重机（提供 力矩）、升降机和桥梁建筑 机械，也可用于普 通 工 程 机械。 在孔处安装轴承配合使用安装方便 保护等 级达到 IP69K 温度范围广 -40C/+80C EMC（电磁兼容性） 200 V/m 信号输出 0 100mA 重量范围为 0 5t nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 23 本设计选用表 2-4 所示的绝对传感器，数据指标如表所示。由以上数据并结合本设计可得数据 0.8t/mA。 2.2.3 长度传感器 长度传感器： 其主要用于在建筑机械上精确地测量长度。 表 2-5 长度传感器 型号 应用 特点 长度传感器 用于伸缩式起重机，升降机作业平台，也可用于钻床和高架推码机。 可选择配置：多极集合环和角度传感器。 安装方便 能传输来自提升限位开关的信号 坚固金属外壳 角度传感器（可选） 信号输出 0 100mA 最大量程范围为 50m 本设计选用表 2-5 所示的长度传感器，数据指标如表所示，由以上数据并结合本设计可得数据 0.4m/mA 2.3 LED显示器和 A/D模块 2.3.1 LED 显示器 为了降低成本，小型系统中的显示一般采用数码管（ LED）组成。常见 的数码管有 7 段、 8 段、 16 段。如下图所示是 8 段数码管。 7 个发光二极管构成 7 笔字形“ 8”。一个发光二极管构成小数点。 8 位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。通常将控制发光二极管的 8 位字节数据称为段选码。如下nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 24 图 2-3 所示，图（才）所示为 LED 的外形图，图（ a）所示为共阴极型，图（不）所示为共阳极型， 图 2-3 8 段数码管 本设计选用共阴极型数码管（ LED）。 引脚序号和其所对应的电位和字符如下表 2-6 所示。 表 2-6 序号 显示数据 引脚排列 二进制段码 十六进制码 0 0 abcdefg 1111110 7E 1 1 abcdefg 0110000 30 2 2 abcdefg 1101101 6D 3 3 abcdefg 1111001 79 4 4 abcdefg 0110011 63 5 5 abcdefg 1011011 5B 6 6 abcdefg 1011111 5F 7 7 abcdefg 1110000 70 8 8 abcdefg 1111111 7F 9 9 abcdefg 1111011 7B nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 25 2.3.2 A/D 转换模块 本设计选用如表 2-7 所示型号的 A/D 转换模块 表 2-7 类型 性能说明 工作电压 型号 FP0 A/D转换单元 模拟输入通道： 4 通道 /单元 模拟输入范围： 0 20mA 数字输出范围： K0 K4000 24VDC AFP0401 关于通道说明： 模拟电压输入端子 V 公共端子 C 模拟电流输入端子 I 2.4 FP0 模块 本设计使用的松下 FP0 系列 PLC 晶体管输出的主机，具有高速运算能力， PID调节功能。 2.4.1 FP0 的功能 1 高速 CPU：执行每个 基本指令只需 0.9 毫秒，脉冲捕捉和中断输入满足了高速响应的需要。 2 容量：具有 8000bit 的大容量内存，内部设备也具有大容量。 3 控制功能：具备两路脉冲输出，可单独进行位置控制，互不干扰，具备双相、nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 26 双通道高速计数功能。 4 安装方便：无论是端块还是连接器，仅仅移动终端部分即可简单布线。 5 维护简单：程序内存使用 EEPROM，此外，程序甚至在运行过程中可被修改。 2.4.2 FP0 的特点 超小型尺寸：一个控制单元只有 25 毫米宽，甚至扩充到 I/O 128 点，宽度也只有 105 毫米。可选择三种安装方式： DIN 轨条 /底面直接安装 /附面直接安装（不可用于扩展模块 /O32。） 控制单元宽度： 30mm 控制单元尺寸：宽 25高 90长 60 毫米，最大可扩充至 128 点。 此时尺寸：宽 105高 90长 60 毫米，超小型外形设计打破了以往人们对小型 PLC 的看法，由于 FP0 具有世界上最小的安装面积，故可安装在小型机器，设备及越来越小的控制面板上。 轻松扩展：扩展单元不需任何电缆即可轻松连接上（最多可用三个扩展单元）扩展单元可直接连接到控制单元上，扩展单元可使用单 元表面的扩充连接器和锁定单排触头即可形成层叠系统，而无需特殊扩展电缆，底板等等。 应用广泛：由于它的超小型尺寸和高度兼容性， FP0 拥有广泛的应用领域，如：继电器顺序控制、室内检测、传送控制、自动货架、给料机、食品加工和包装机，停车器、行车跟距仪。 表 2-8 电源、输入输出规格 项目 规格 电源 24VDC 输入 24VDC 公共 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 27 输出 继电器 2A（电阻负载） /晶体管 0.1A（按机种） 表 2-9 性能规格 项目 规格 （继电器型 /晶体管型） 控制 I/O 点数 10 点、 14 点 /16 点、 32 点 扩 展 最大 3 单元 最大总点数 128 点 2.4.3 FP0 的选型 本设计共需 30 个输入、输出点，由于力矩限制器系统所采用的 FP0 系统输入输出节点较少，所以需要扩展单元，考虑到电气控制部分体积要小，成本要低等问题，故采用 FP0-C16 控制单元， 2 个 E8 扩展单元。如表 2-10 和表 2-11 所示，共有 32 个接点，其中 6 个输入点， 24 个输出点。 表 2-10 FP0-C16控制单元 EEPROM （ 2.7k步） 16点 输入8 点 输出8 点 24V DC 公共 晶体管输出 NPN0.1A MIL 连接器 FP0-C16T AFP02343 表 2-11 FP0-E8 8点 输出 8 24V 晶体管输 MIL 连接 FP0-E8T AFP03543 nts徐州建筑职业技术
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