CA-20型地下矿山自卸汽车电气系统设计【机电毕业设计含4张CAD图+说明书2万字51页】
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!【包含文件如下】【机电毕业设计类】CAD图纸+word设计说明书.doc[20000字，51页]【需要咨询购买全套设计请加QQ97666224】.bat
1-总装图-A0.dwg
2-空心轴-A1.dwg
3-PLC框图-A2.dwg
4-电气原理图-A2.dwg
引言.doc
目录.doc
设计说明书.doc[20000字，51页]
目 录
第一章 电气系统设计概述 1
第二章 电气系统设计方案 3
2.1 电气设计方案框图 3
2.2 基本思路 3
2.3主要性能特点及参数 3
第三章 电气系统设计方案的实现 5
3.1 总的工作原理 5
3.2电气系统的各部分的设计 5
3.2.1电源及启动部分 5
3.2.2照明和信号装置部分 5
3.2.3 指示仪表与传感器部分 5
第四章 可编程序控制器 10
4.1 PLC的概念及发展 10
4.1.1 PLC发展回顾 10
4.1.2 PLC在中国的发展 10
4.1.3 PLC的现状 11
4.1.4 PLC的发展趋势 12
4.1.5 软PLC技术 13
4.2 可编程序控制器的结构及工作原理 14
4.2.1可编程序控制器的基本结构 14
4.2.2 可编程序控制器的工作原理 14
4.3 PLC的应用领域 15
4.4 CA-20地下自卸汽车控制技术的选取 16
4.5控制对象的选择 17
4.6 PLC控制系统工作框图 17
第五章 硬件设计和配制 18
5.1 FX2N功能和性能介绍 18
5.2输入模块 19
5.3输出模块 20
第六章 PLC控制电气原理 22
第七章 软件设计 23
7.1发动机冷却液温度监控部分软件设计 23
7.2蓄能器压力监控部分软件设计 23
7.3液力变矩器油监控部分软件设计 24
7.4发动机转速监控部分软件设计 25
7.5 输入输出分配 25
7.6 程序清单 28
7.7程序框图 33
第八章 PLC控制系统抗干扰措施 38
8.1 硬件抗干扰措施 38
8.1.1 抑制电源系统引入的干扰 38
8.1.2 抑制接地系统引入的干扰 39
8.1.3 抑制输入输出电路引入的干扰 39
8.1.4 抑制外部配线干扰的措施 39
8.2 软件抗干扰措施 40
第九章 模拟仿真 41
小 结 48
致谢 49
参 考 文 献...................................... 50
CA-20地下自卸汽车是载重量为20t的矿用车，我们选择了底特律公司的series50系列柴油发动机，根据在本电气系统设计的要求及参数需要，需要的柴油发动机各项参数如下：
发动机排量：8.5L 额定输出功率：207kW
额定转速： 2100r/min 输出扭矩： 1186
发动机冷却剂容量：16L 压缩比率：15.0：1
引 言
CA-20型地下矿山自卸汽车是我的毕业设计题目，主要参与了其中电气系统的设计部分。在整个毕业设计期间，我所学到的了很多理论知识和实验经验，这将对我以后的学习和工作带来极大的帮助。
CA-20型地下矿山自卸汽车的电气系统PLC控制是我设计的主要部分，它也是一个较为复杂的部分，在整车的设计中占有相当重要的地位。本次设计我们主要从整机电气系统的原理入手，主要完成了对电气系统参数的计算，来选配电气系统的设计方案。通过对电气系统四大块包括电源及启动、照明及信号、指示仪表及传感器和连接导线的设计，特别对启动控制系统做了设计和改进，进一步完善了CA-20地下自卸汽车的电气系统配置。在两个多月的毕业设计过程中，我花了大量时间和精力，查阅了大量的技术资料及参考文献，从对汽车电气系统的未知到逐步熟悉并加深认识，达到能进行电气系统设计的水平。经过自己的努力和指导教师全力指导下，完成了对CA-20型地下矿山自卸汽车的整机电气系统设计，设计和编制PLC程序，并在模拟仿真软件运行的到成功，证明了PLC在地下自卸汽车使用的可行性。
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中文资料 浅析步进电机的 制技术与发展趋势 1、概述 ： 随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有一了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有一效结合，可进行模拟最控制，具有一远程通信功能等。有 即 器人， 一 ,目前可编程控制器广泛应用于冶金、矿业、机械、轻丁等领域，为工业自动化提供了有一力的工具。 制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统 ,使该单元的 控制系统成本降低。 2、步进电机的基本特点 : （ 1）、一般步进电机的精度为步进角的 3不累积。 （ 2）、步进电机外表允许的最高温度步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于小同电机磁性材料的退磁点 ;一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有一的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80完全正常 （ 3）、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势 ;频率越高 ，反向电动势越大在它的作用大，电机随频率 (或速度 )的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 （ 4）、步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有一啸叫声步进电机有一个技术参数 :空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值 .，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有一负载的情况下，启动频率应更低如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有一加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频 数字化制造时代发挥着重大的用途伴 随着小同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 3、步进电机控制系统的组成 ： 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移最，从而达到确定位的目的 ;同时 ,可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的步进电机 用其没有累积误差精度为百分百的特点，泛 应用于各种开环控制。 4、步进电机的 技术 : 应使输入步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器 ;对于频率较低的控制脉冲，可以利用 定时器构成，脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器 脉冲数达到设定值时，计数器 作切断脉冲发生器回路，使其停止 ,伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用高速脉冲发生器 . 不同的 高速脉冲的频率可达 4000 6000通过 程输出一定数最的方波脉冲，控制步进电机的转角 ,可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。 件环行分配器采用软环占用的源较多，特别是步进电机绕组相数大于四时，对于大型生产线应该充分考虑采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用 输出输入点数，目前市场有一多种专用芯片可以选用 出的控制脉冲放大到几十至上百 倍 , 伏特、几安到几十几安的驱动能力 ,一般 通常的晶体管内流输出接口的负载能力仅为十几到几十伏特、几十到几百毫安 ,但对于功率步进电机则要求几十到上百伏特 ,几安到几十安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。 5、国内外电机的发展趋势 : （ 1）、继续沿着小型化的方向发展随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在 57, 42 机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向 3 9, 3 5,30, 25 方向向下延伸。 （ 2）、对电动机进行综合设计即把转速位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有一更加优越的控制性能。 （ 3）、向五相和三相电动机方向发展 泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些我国的情况有一所小同，直到 20 纪纪八十年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是 80 年代后期才开始发展，至今仍然是 两种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全 磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角与典型的磁阻式电动机的步距角不一样，用户改变这种结构小是很客易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时问内改变。这种现状对步进电动机的发展是不利的。 英文资料 LC . an by of a in he of it an to o to to is it of AM)it a, E in to is of LC of to an to a to go to of to he of 2、 of （ 1）、 of t （ 2）、 of is as a so of be by to 30 C an of be up 00C so 0（ 3）、 to go up to to a to is to in or （ 4）、 if in t a to a at of if is in be t a or up to is be if to to to an is to to of it of to to in of of an in 3、 an to is a of or an a to to to a it a to of to to an to be to be it to a to to of to to in to be a of of it t 00 to 00 of be to in a LC 4、 to be to a of of a a in L in a in in a 10 be it no be of to LC LC it of 000LC is to LC to s to on to by of a LC of go an to LC up to a to to go , is a a an of LC a to to to s of LC of s an of LC to to an to an 00 to to 00 s an an to on 5、 1）、 of is to to 7, 2 9,35,30,25 （ 2 ）、 of on to a to so it be to as a （ 3）、 to Be of in to so of is a of 0 i,80s, is of to to is 0s to is of up to in of of to a of to in to of s to of to be of is is of of is to in of is to 山东大学本科毕业设计（论文） 引 言 地下矿山自卸汽车是我的毕业设计题目，主要参与了其中电气系统的设计部分。在整个毕业设计期间，我所学到的了很多理论知识和实验经验，这将对我以后的学习和工作带来极大的帮助。 地下矿山自卸汽车的电气系统 制是我设计的主要部分，它也是一个较为复杂的部分，在整车的设计中占有相当重要的地位。本次设计我们主要从整机电气系统的原理入手，主要完成了对电气系统参数的计算，来选配电气系统的设计方案。通过对电气系统四大块包括电源及启动、照明及信号、指示仪表及传感器和连接导线的设计，特别对启动控制系统做了 设计和改进，进一步完善了 下自卸汽车的电气系统配置。在两个多月的毕业设计过程中，我花了大量时间和精力，查阅了大量的技术资料及参考文献，从对汽车电气系统的未知到逐步熟悉并加深认识，达到能进行电气系统设计的水平。经过自己的努力和指导教师全力指导下，完成了对 地下矿山自卸汽车的整机电气系统设计，设计和编制 序，并在模拟仿真软件运行的到成功，证明了 地下自卸汽车使用的可行性。 山东大学本科毕业设计（论文） is of my in of of I a of LC is of my it is a in s an of of to to of to of of to s In of I a of a of to a to be to of of LC to a LC in of 山东大学本科毕业设计（论文 ) 目 录 第一章 电气系统设计概述 . 错误 !未定义书签。 第二章 电气系统设计方案 . 错误 !未定义书签。 气设计方案框图 . 错误 !未定义书签。 本思路 . 错误 !未定义书签。 要性能特点及参数 . 错误 !未定义书签。 第三章 电气系统设计方案的实现 . 错误 !未定义书签。 的工作原理 . 错误 !未定义书签。 气系统的各部分的设计 . 错误 !未定义书签。 源及启动部分 . 错误 !未定义书签。 明和信号装置部分 . 错误 !未定义书签。 示仪表与传感器部分 . 错误 !未定义书签。 第四章 可编程序控制器 . 错误 !未定义书签。 概念及发展 . 错误 !未定义书签。 展回顾 . 错误 !未定义书签。 中国的发展 . 错误 !未定义书签。 现状 . 错误 !未定义书签。 发展趋势 . 错误 !未定义书签。 术 . 错误 !未定义书签。 编程序控制器的结构及工作原理 . 错误 !未定义书签。 编程序控制器的基本结构 . 错误 !未定义书签。 编程序控制器的工作原理 . 错误 !未定义书签。 山东大学本科毕业设计（论文 ) 应用领域 . 错误 !未定义书签。 下自卸汽车控制技术的选取 . 错误 !未定义书签。 制 对象的选择 . 错误 !未定义书签。 制系统工作框图 . 错误 !未定义书签。 第五章 硬件设计和配制 . 错误 !未定义书签。 能和性能介绍 . 错误 !未定义书签。 入模块 . 错误 !未定义书签。 出模块 . 错误 !未定义书签。 第六章 制电气原理 . 错误 !未定义书签。 第七章 软件设计 . 错误 !未定义书签。 动机冷却液温度 监控部分软件设计 . 错误 !未定义书签。 能器压力监控部分软件设计 . 错误 !未定义书签。 力变矩器油监控部分软件设计 . 错误 !未定义书签。 动机转速监控部分软件设计 . 错误 !未定义书签。 入输出分配 . 错误 !未定义书签。 序清单 . 错误 !未定义书签。 序框图 . 错误 !未定义书签。 第八章 制系统抗干扰措施 . 错误 !未定义书签。 件抗干扰措施 . 错误 !未定义书签。 制电源系统引入的干扰 . 错误 !未定义书签。 制接地系统引入的干扰 . 错误 !未定义书签。 制输入输出电路引入的干扰 . 错误 !未定义书签。 山东大学本科毕业设计（论文 ) 制外部配线干扰的措施 . 错误 !未定义书签。 件抗干扰措施 . 错误 !未定义书签。 第九章 模拟仿真 . 错误 !未定义书签。 小 结 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 错误 !未定义书签。 参 考 文 献 . . 错误 !未 定义书签。 山东大学本科毕业设计（论文） 第 1 页 共 51 页 第一章 电气系统设计概述 下矿山自卸汽车电气系统的设计在整个地下自卸汽车的设计项目中占有相当重要的地位，这是由 电气系统的功能 决定的， 下矿山自卸汽车电气系统不仅要为车辆的运行提供电力能源，而且要对车辆从启动到熄火的全过程进行实时监控，并以信号报警方式提醒驾驶员操作。 该 电气系统控制突出体现了机电一体化在自卸车上的应用，它能满足人们对自卸汽车安全性、可靠性、操作简便性等多种要求。 下矿山自卸汽车属于矿山工程机械，输出功率大， 且受工作环境条件和运行要求的限制，这就要求地下自卸汽车 的电气系统能适应特殊的工作环境、湿度、振动、雨淋和尘埃等条件，并具有较高的可靠性，需要时有防止对无线电通讯和电子设备干扰的措施。 因此 其整机电气系统的设计与一般汽车电气系统的设计有很大的不同。主要区别之处如下： 1、地下自卸汽车采用柴油机为动力，具有功率大、启动扭矩大的特点，且柴油机转速变化大而频繁，因而发电机供电质量相当差，但没有蓄电池点火系统； 2、地下自卸汽车在矿坑作业，工况差，油、水、泥、振动和高温等，对整机电气设备，线束及连接形式有较高的要求。 3、由于工况复杂，要求地下自卸汽车的控制尽量简单，也可以来简 化驾驶员的操作，减轻驾驶员负担。这就要求地下自卸车的自动控制部分具有很高的可靠性，且易于维护。 根据 下矿山自卸汽车电气系统要实现的主要功能，通常可把 下矿山自卸汽车的电气系统分为五大部分： 1、电源及启动部分：主要由启动机、蓄电池和发电机及其电压调节器组成。启动部分的作用是通过启动机将蓄电池的电能转换成机械运动来起动发动机，从而带动发电机发电并联合蓄电池供给整机电力能源。 2、照明和信号装置部分：照明系统是为了保证自卸汽车在夜间行驶及阴暗的矿坑里工作时的照明及安全需要，信号装置是通过声 响和灯光向其它车辆的司机和行人发出警告，以引起注意，确保行驶和工作安全。其包括：前大灯、后大灯、驾驶室内灯、倒车灯、转向灯、制动灯、示廓灯、电喇叭、报警批示灯等。 3、指示仪表与传感器部分：作为司机了解车辆工作状况的“眼睛”，对确保车辆行车安全、及时排除故障和避免发动机出现严重故障起着重要的作用，通常包括车速表、时钟、燃油表、温度表、电流表、温度传感器、压力传感器等。从而对需要监视的信号点进行检测，通过信 山东大学本科毕业设计（论文） 第 2 页 共 51 页 号处理，利用以上表盘、指示灯显示，或输往后续控制系统。各种仪表都合理的布置在仪表盘，仪表盘安装在驾驶座前 面便于观看的位置，使司机能随时了解车辆的行驶情况和发动机工作状况。要求各个仪表结构简单、工作可靠、显示数据清晰、准确、指示值受电源的电压波动和环境温度变化的影响小，除此之外，仪表的抗震、耐冲击性能也要好。 4、电气系统控制部分：这部分是实现自动控制的关键，它组成了自卸汽车的操纵系统。电气系统控制部分主要包括：电源总开关、启动开关、预热开关、钥匙开关、照明及指示灯开关、制系统及继电器的选取，及 制系统的程序设计。 5、线束设计部分：电线束是自卸汽车的神经系统，通过合理地设计布置，连接电源，以及各种控制器、用电器、显示器、保护器和报警器等电气设备与装置，使之实现其功能。因此，电线束是自卸车的关键系统之一。 山东大学本科毕业设计（论文） 第 3 页 共 51 页 第二章 电气系统设计方案 气设计方案框图 图 气系统原理图 本思路 按照上述方框图图 系统的主要功能部分，照明指示电路、传感器电路、仪表显示电路、声光报警电路以及 制电路都由电源系统提供工作电源，传感器把检测到的各种数据，一路采用仪表盘并结合声光报警单元在 数据超过报警极限时发送电信号到发光报警电路，直观的显示出来并发出报警信号，以利于驾驶员实时监控整机的工作状况，采取相应的操作。另一路则把传感器所测得的各检测点的实时数据信号，通过合适的模块传输到 制器内部，在程序的运行中，使 出指令实现实时的自动控制。由于驾驶员通过仪表显示的数据可以通过各种开关及 制系统来做出合理操作，从而使整个汽车可以在各种工况下都可以安全可靠的运行。 要性能特点及参数 下自卸汽车是载重量为 20t 的矿用车，我们选择了底特律公司的 列柴 油 山东大学本科毕业设计（论文） 第 4 页 共 51 页 发动机，根据在本电气系统设计的要求及参数需要，需要的柴油发动机各项参数如下： 发动机排量： 额定输出功率： 207定转速： 2100r/ 输出扭矩： 1186 发动机冷却剂容量： 16L 压缩比率： 1 山东大学本科毕业设计（论文） 第 5 页 共 51 页 第三章 电气系统设计方案的实现 的工作原理 根据需要，本电气系统采用标称电压为 24V，单线负极搭铁制。整机电气系统设计的电气原理图如图 气系统的各部分的设计 源及启动部分 作为 下自卸汽车电气设备的能源核心，电源与启动部分的设计主要由三部分组成：启动机、蓄电池和发电机及其电压调节器。地下自卸汽车采用蓄电池与发电机并联组成的标称电压为 24V 的直流系统供电。发电机未工作前，发动机启动时，蓄电池放电，向启动机供电以启动发动机；在发动机工作后，由发动机带动发电机给车辆用电设备供电，并同时向蓄电池充电。 明和信号装置部分 为了保证汽车行使安全和工作可靠，在汽车上装有各种照明和信号装置，用以照明道路，标示 车辆宽度，照明车厢内部及仪表指示和夜间检修等。此外，在转弯、制动和倒车等工况下，还应发出光信号和音响信号。 汽车的照明和信号装置部分主要包括两大部分：照明装置（有前大灯、后大灯、倒车灯、驾驶室内照明灯等）和信号装置（转向灯、刹车灯、倒车灯、示廓灯、位置灯、电喇叭、报警指示灯等）。灯、喇叭与其他用电设备之间是并联在电路中的，以保证他们需要的供电电压，并可单独控制各个用电设备的接通和断开，从而便于实现它们的单独控制。 示仪表与传感器部分 山东大学本科毕业设计（论文） 第 6 页 共 51 页 山东大学本科毕业设计（论文） 第 7 页 共 51 页 图 地下矿山自卸汽车电气系统原理图 1）汽车用传感器的简介和发展趋势 随着微电子技术和传感器电子学的高速的发展，汽车 完善汽车的功能，保证汽车的可靠、安全、舒适性，微机、 传感器技术的发展加速汽车开发的重要内容。特别是在当今传感器的发展落后于计算机、 情况下加速开发汽车用传感器就更为重要。 汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。汽车传感器在汽车上主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、 车身控制系统和导航系统中。 特别传感器是一种转换器，它把物理量、电量、化学量等被测量转换成容易处理和传输的电信号。由下面的图 统信息的信息处理过程框图可知，传感器是控制系统的关键性部件。如果没有各种传感器， 算机或微处理控制则根本无法实现。而汽车用传感器是用于汽车显示和电控系统的各种传感器的统称，与其它用传感器相比有自己的特点。 图 统信息的处理过程 由于汽车传感器在汽车电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求，世界各国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都都非常重视。未来的汽车 用传感器技术，总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。 微型传感器基于从半导体集成电路技术发展而来的 微电子机械系统 )，微型传感器利用微机械加工技术将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一快芯片上，由于具有体积小、价格便宜、便于集成等特点，可以明显提高系统测试精度。目前该技术日渐成熟，可以制作各种能敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器。由于基于 术的微型传感器在降低汽车电子系统成本及提高其性能方面的优势，它们已开始逐步取代基于传统机电技术的传感器 。 智能化是指传感器与大规模集成电路相结合，带有 有智能作用，以减少 少其体积，并降低成本。 总之，随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛，汽车传感器市场需求 山东大学本科毕业设计（论文） 第 8 页 共 51 页 将保持高速增长，微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器，成为汽车传感器的主流。 2）传感器的种类及介绍 针对 下自卸汽车工况检控要求采用的传感器种类大致有两类，一类是使司机了解汽车各部分状态的传感器，另一类传感器是用于控制汽车运行状态的控制传感器。 汽车用传感器的主要种类如下表 示： 表 车用传感器种类 项目 检测量、检测对象 温度 冷却水、发动机油、吸入及排出气体、室内外空气 压力 制动压、发动机油压、各种泵压、轮胎压 液量 燃料油量、冷却液高度、机油量、制动液量 转速 曲柄转角、曲柄转数、车轮转速 （加）速度 车速、负加速度 流量 吸入空气量、燃油流量、排气量、二次空气量 位移方位 节流阀开度、行驶距离、行驶方位 排出气体 合物、柴油烟 其它 转矩、湿度、电池电压、蓄电池容量、荷重、轮胎失效率 温度传感器 温度是表 示汽车系统工作状态的基本参数之一。为了弄清发动机及其它零部件的热状态、计算进气的质量、流量以及排气净化处理，需要有能够连续、精确地测量冷却液温度、 吸入气体温度 与排气温度及 检测发动机温度、燃油温度以及催化温度 的传感器，通常采用 温度用传感器有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热敏电阻式温度传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适应温度较低；热偶电阻式温度传感器的精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端 处理一起使用。 当前，汽车传感器中用量最大的是温度传感器（如：吸气温度、水温、油温、燃料温度、车内温度、车外温度等），在一般的汽车中，通常需要使用 10 多支温度传感器。 已实用化的产品有热敏电阻式温度传感器 (通用型 130 ，精度 响应时间 山东大学本科毕业设计（论文） 第 9 页 共 51 页 10温型 600 1000 ，精度 5，响应时间 10铁氧体式温度传感器 (，120 ，精度 )、金属或半导体膜空气温度传感器 (150 ，精度 5，响应时间 20。 压力传感器 压力传感器 主要用来测量气体和流体的压力，而车用压力传感器用来检测汽缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、发动机油压、汽缸内压、制动压、轮胎压等。 吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。汽车用压力传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变压器式（ 表面弹性波式（ 电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压，测量范围 20100有输入能量高，动态响应特性好、环境适应性好等特点；压阻式压力传感器受温度影响较大，需要另设温度补偿电路，但适应于大量生产； 压力传感器有较大的输出，易于 数字输出，但抗干扰性差； 压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、分辨率高、数字输出等特点，用于汽车吸气阀压力检测，能在高温下稳定地工作，是一种较为理想的传感器。 转速传感器 转速传感器主要用于检测曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等。目前汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等，其测量范围 0 360 ，精度 下，测弯曲角达 车速传感器种类繁多，有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动 的，还有敏感差速从动轴转动的。当车速高于 100km/h 时，一般测量方法误差较大，需采用非接触式光电速度传感器，测速范围 50km/h，重复精度 距离测量误差优于 。 4） 下自卸汽车主要传感器及电路的设计 在 下自卸汽车的电气系统设计中，传感器电路设计中最重要的部分是发动机冷却水温度和液力变矩器油温的测量与监控以及制动系统中制动液压力的测量与监控。这就需要车用温度和压力传感器 /变送器来提取信号并转换成容易识别的电信号，如：电流、电压等。在本设计中，温度和压力传感器 /变送器电路是重点设计部分，全部是转换成 电流信号输出 。 山东大学本科毕业设计（论文） 第 10 页 共 51 页 第四章 可编程序控制器 概念及发展 可编程控制器 (称 是 1 种数字运算操作的电子系统，是在 20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，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指令，并通过数字的、模拟的输入和输出， 取代 各种类型的机械或生产过程的 继电器控制系统 。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。 展回顾 现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。 在中国，大约从 1974年、 1975年在北京和上海开始开发采用位片式微处理芯片的可编程顺序控制器，并有所应用。但一直未能形成批量生产。在改革开放刚起步的 1979年，在当时的机械 部仪表局的推动下，开始从美国 84的 首先在电站的辅机如输煤、除灰除渣、水处理系统以及水泥厂等控制系统中成功应用，从而大大推动了 憾的是，花了很大一笔外汇的这个项目并不曾形成良性的有后续的发展。 自 1985年开始，小型 到 3、 4年时间，小型 1990年以后， 据中、大型的 1995年后形成了大型 型 型 至今没有很大改变。 并末建立批量生产、有持续开发发展能力的 应指出的是：在国内， 主设计、系统集成和现场投运的能力，可以说与国际主流水平同步； 盖冶金、电力、化工、石油化 山东大学本科毕业设计（论文） 第 11 页 共 51 页 工、机械、轻工、电子、电工、建材水泥等工业，以及现代农业机械和其它应用。近年来环保工业也有广泛应用，发展势头很 猛；在国内有一支庞大的 务、应用、系统集成队伍，遍布全国大部分地区。 有充足的理由说 ,此， 3的发展，无可争辩地成了十分令人关注的事情。 随着 动了 在系统体系结构上，从传统的单机向多 在编程语言上，文本化和图形化的语言多样性，创造了更具表达控制要求、文字处理、通信能力的编 程环境。 从应用范围和应用水平上，除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外，则是发展以 控和数据采集 性制造系统 全联锁保护 动控制系统等，全方位地产提高 在应用领域方面，发达的工业国家， 油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各行各业。随着 些过去使用专用计算机的场合，也转向使用 归纳为如下几个 方面。 1)开关量的逻辑控制 这是 现逻辑控制。例如：机床电气控制，汽车配装线、电视机和收音机的生产线控制等。 2)运动控制 期直接用开关量 I 在一般使用专用的运动控制模块。世界上各主要 如：金属切削机床、金属成型机械、配装机械、机器人和电梯等。 3)闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。 ， D/对模拟量进行闭环 用 可使用专用的 热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力和建材等行业。 4)数据处理 现代的 据传递、转换、排序和查表、位操作等功能， 山东大学本科毕业设计（论文） 第 12 页 共 51 页 可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存贮在存储器中的参考值比较，也可以用通讯功能传送到别的智能 装置，或将其打印制表。数据处理一般用在大、中型控制系统，如柔性制造系统、过程控制系统等。 5)机器人控制 机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未来工业生产自动化的 3大支校之一。现在许多机器人制造公司，选用 着 能进一步增强， 6)通讯联网 双绞线、同轴电缆或光缆将其联成网络，以实现信息的 交换，并可构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。目前 些 向标准通讯协议靠拢。 传统 1)技术发展迅速，产品更新换代快 随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的不断发展， 产厂家不断推出功能更强的 均 3 5次。 个重要趋势：向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微型化发展，以适应复杂单机 、数控机床和工业机器人等领域的控制要求，实现机电一体化；向大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式工厂全自动网络化方向发展。例如：美国 仅具有逻辑运算、计时、计数等功能，还具有数值运算、模拟量控制、监控、计算机接口、数据传递等功能，而且还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。该系统配置了 上能与上位计算机进行数据通讯，向下不仅能直接控制 器人，还可通过下级 操作台上如果配备该公司的 管理、控制整个工厂十分方便。 2)开发各种智能模块，增强过程控制功能 智能 I/们的 用主机 利于提高 能模块主要有模拟量 I/O、 信控制、机械运动控制等，高速计数、中断输入、 语言组件等。智能 I/过程控制功能增强。某些 东大学本科毕业设计（论文） 第 13 页 共 51 页 有自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控 制精度提高。 3)与个人计算机相结合 目前，个人计算机主要用作 作站或人 /机接口终端，其发展是使 型 逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通讯功能紧密结合在一起。这样， 业控制计算机、集散控制系统在功能和应用方面相互渗透，使控制系统的性能价格比不断提高。 4)通讯联网功能不断增强 成一个统一的整体，实现分散集中控制。 5)发展新的编程 语言，增加容错功能 改善和发展新的编程语言、高性能的外部设备和图形监控技术构成的人 /机对话技术，除梯形图、流程图、专用语言指令外，还增加了 ：双机热备、自动切换 I/O、双机表决 (当输入状态与 动断开该输出 )、 I/对 I/ 2台相同的 )等，以满足极高可靠性要求。 6)不断规范化、标准化 益向制造自动化协议 (拢，并使 如输入输出模块、接线端子、 通讯协议、编程语言和编程工具等 )的技术规范化、标准化，使不同产品互相兼容、易于组网，以真正方便用户，实现工厂生产的自动化。 进入 90年代后期，人们逐渐认识到，传统 称硬 身存在着这样那样的缺点：由于传统 少明确一致的标准，造成难以构建开放的硬件体系结构；各厂商产品的编程方法差别很大，技术专有性较强，工作人员必须经过较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程方法；传统 成 这些问题都成了制约传统 控领域的研究人员也一直在寻求解决这些问题的途径。近年来，随着计算机技术的迅猛发展以及 项打破传统 项技术就是软 是 阶段。其特征是：在保留 用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通信接口，如以太网、高速串口等。采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准。全部用软件来实现传统 就是国际上出现的高新技术 东大学本科毕业设计（论文） 第 14 页 共 51 页 软 编 程序控制器的结构及工作原理 可编程序控制器 (称 近代在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业自动控制装置 ,它是按照用户控制要求编写的程序来工作的。和继电 接触器控制相比较 ,继电 接触器控制是将各自独立的器件及触点以固定接线方式来实现控制要求 ,而 控制要求以程序的形式 (软件编程 )存储在其内部。送入存储器中的程序内容就相当于继电 接触器控制的各种线圈、触点和接线 ,这种存储程序的控制 ,当需要改变控制要求时 ,只要改变程序 ,而不用改变接线。因而 增加了控制的灵活性和通用性。 编程序控制器的基本结构 可编程序控制器一般由中央处理器、存储器、输入输出组件、编程器及电源五部分组成。 存储器是可编程序控制器的重要组成部分 ,有了它可编程序控制器才能有记忆功能 ,才能预先把待解决问题的一步步操作 ,用命令的形式 即一条条指令保存起来。实现一定功能的若干条指令组成一个程序 ,根据程序作用的不同 ,可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器两种。系统程序存储器主要存储系统管理和监控程序 ,并能对用户程序作编译处理。其永久保留在可编程序控制器中 ,不 因关机、停电或其他部分出现故障等而改变其内容。用户程序存储器用来存储由编程器或磁带输入的用户控制程序。用户控制程序是根据生产过程和工艺要求编制的 ,可以通过编程器修改或增删。 中央处理器简称 大脑。其主要的用途是处理和运行用户程序 ,针对外部输入信号作出正确的逻辑判断 ,并将结果输给有关部门 ,以控制生产机械按既定程序工作。另外 并协调 部分工作 ,如有差错 ,它立即停止运行。 输入、输出部分是 被控设备连接起来的部件。用户设备需要输入 各种控制信号 ,如位置开关 、按钮、传感器等 ,通过输入部件将这些信号转换成中央处理器能接受和处理的数字信号。输出部件将中央处理器送出的弱电信号转换成现场所需要的强电信号并输出 ,以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。 编程器是开发、维护 动控制系统不可缺少的外部设备。 要用编程器输入、检查、修改、调试用户程序 ,也用以监视 工作情况。 编程序控制器的工作原理 可编程序控制器对用户程序的执行过程采用循环扫描的工作方式。这种工作方式是在系 山东大学本科毕业设计（论文） 第 15 页 共 51 页 统软件控制下 ,顺次扫描各输入点的状态 ,按用户程序进行运算处理 ,然后顺序向各输 出点发出相应的控制信号。为了提高运行的稳定性和可靠性 ,并及时接收外来的控制命令 ,每次扫描期间 ,还进行故障自诊断和处理与编程器的通讯 ,其工作主要分以下五个阶段。 （ 1）自诊断阶段。 每次扫描用户程序以前 ,都先执行故障自诊断程序 ,一般包括输入输出、存储器、 部分的故障判断。一旦发现异常 ,即起动关机程序 ,保留现场的工作状态 ,把所有的输出点置成“ 状态后停机 ,并发出报警信号和显示出错误信号。若自诊断正常 ,则继续向下扫描。 （ 2）与编程器等通讯阶段。自诊断后 ,如果没有发现故障 ,检 查是否有编程器等的通讯请求 ,若有则进行相应处理。 （ 3）读入现场信号阶段。完成和外界通讯后 ,开始扫描各输入点 ,读入各点的状态和数据 ,并把这些数据按顺序写入到存储器的状态表中 ,供执行用户程序时使用。因此该阶段也称输入采样阶段。 （ 4）执行用户程序阶段。一般是从用户程序存储器的最低地址所存放的第一条程序指令开始执行。在无中断和跳转控制的前提下 ,按存储器地址递增的方向依次执行 (扫描 )用户程序。直到用户程序结束或用户程序的末地址为止。在这种工作方式下工作 ,每扫描一次 ,所有的用户程序都被执行一次。 （ 5）输出控 制信号阶段。 执行用户程序的同时 ,更新输出缓冲区的内容。程序执行完毕 ,把缓冲区的内容按规定的次序 ,通过输出模块把内部逻辑信号变换成与执行机构相适应的电信号输出 ,驱动生产现场的执行机构完成控制任务。 依次完成上述五步操作 ,称为一个扫描周期 ,之后 从自诊断开始进行下一次扫描。就这样不断反复循环 ,完成生产的连续控制 ,直到收到停止操作命令、停电、出现故障等才停止工作。 由于 用了反复扫描的工作方式 ,使之与工业现场的机器需要反复执行一系列操作的工作方式相似。因此 程序可以与机器的动 作一一对应 ,直观明了 ,易于编写和修改 ,所以成为现代工业电气自动化的领先技术。 应用领域 随着科学技术的不断进步， 自动控制技术中的应用越来越广泛，主要 （ 1）开关逻辑控制 山东大学本科毕业设计（论文） 第 16 页 共 51 页 开关逻辑控制是 基本控制功能，可用它来代替传统的继电器控制装置，如机床的电气控制、电动机的控制等；也可以取代顺序控制和程序控制，如高炉上料系统、电梯控制、输送货物控制、自动化生产线作业流程控制等。 （ 2）闭环过程控制 早期的 具有简单的逻辑控制功能，现代的 能日益强大，大型 具有模拟量控制单元 ，具有用于过程控制的各种专用模块或子程序（如 制模块等）。 司的 1771组态流量计模块，可用于电力管理、自动化、食品饮料和石油与天然气中各种流量的测试和控制。此外，还有 1771矩控制模块、 1771度控制模块等。 司的 程控制器，可执行 制、比例控制和级联控制，且有单回路、多回路和自动调试的三种方式。 （ 3）机械加工的数字控制 机械加工中的数字控制（ 计算机数控（ 成一体，实现数值控制如著名的日本 司推出的 11、 12 系列，已将 能与 为一体，专家预言， 统将变成以 主体的控制与管理系统。 （ 4）机器人控制 随着工厂自动化网络的形成，工业机器人应用领域越来越广，机器人的控制同样可用 美国 司焊接自动生产线上使用的 29 个机器人，每台都用一个 制。 （ 5）构成多级分布式控制系统 随着计算机技术和网络通信技术的发展，国外正在兴起工厂自动化（ 络系统，许多著名的 造商都建立了自己的多级分布式控制系统，并开始逐步向制造自动化通信协议 拢。 多级分布式控制系统一般分为四级：第一级为实时控制，主要是顺序控制；第二级为协调控制，用于协调各种机械的配合问题；第三极为 装入、管理数据的采集与之调度；第四极为数据处理，由上位计算机处理各种数据。 下自卸汽车控制技术的选取 地下自卸车常时间工作在工矿复杂的矿井下，在传统的汽车工业中通常是利用车内设置的传感器实时检测相关参数反映车况，以模拟电路和传统的中间继电器来实现控制，此种控制方式的电路结构复杂，接触器和辅助触点较多，容易出现故障。而 制技术不仅可以 山东大学本科毕业设计（论文） 第 17 页 共 51 页 实现实时监控，同时能实现 故障的迅速自动控制切除故障部件，以防出现重大事故，使地下车控制系统的可靠性和安全性上了一个新的台阶。 结合对 下自卸汽车设计要求的分析，考虑利用 术来控制 传感器模拟信号的输入和输出，实现实时监控，数据处理，故障动作。 制对象的选择 在 下自卸汽车的电气系统设计中，地下车发动机冷却液温度和液力变矩器油温的极限最大值必须得到限制，当它们的温度达到极限最大值时，地下车必须停车或采取其它的必要措施以使温度降低回到地下车工作的允许的温度范围之内，并同时给出警示信号提醒驾驶 者。地下车液压制动系统压力的大小直接决定着地下车是否能够及时、迅速的停车制动，当其压力小于某一极限值时，地下车自动控制系统必须提醒司机检查液压制动系统，找出制动压力降低的原因并采取措施解决，使地下车能够回复正常作业。发动机的转速也是反映地下车正常工作的重要信号，在发动机在工作的过程中其运转的速度必须控制在一定范围之内，超过此限时发动机必须停止工作。 利用 术设计的控制系统能同时满足警示和自动控制的功能。在地下车的众多监控传感器中，本设计的 动控制系统选择温度、压力和转速作为控制对象，又由于 以在较高的监控要求下，还可以利用现有的控制系统进行功能扩展来实现。 制系统工作框图 根据选择的控制对象利用传感器采集实时信号通过数模转换输入 体， 用技术人员所编制的程序进行内部处理，完毕后把处理信号输入执行机构，开展系统的框图。 图 制系统框图 山东大学本科毕业设计（论文） 第 18 页 共 51 页 第五章 硬件设计和配制 作可靠，抗干扰能力强，各功能模块配套方便，可减少大量的继电器，实现传统继电器控制难以实现的复杂控制，可充分利用 件，使电器控制严格执行互锁，对许多涉 及安全问题或比较重要的互锁不易采用软件互锁而应尽量采用硬件互锁，提高系统的可靠性。 件应用的要求： 要应用好 止产生不应有的损坏，其硬件必须符合和满足如下应用的要求： （ 1） 物理环境 1、环境温度： 0 60，最好 40，在 装处，要安装一个通风排气扇散热。 2、环境湿度：一般在 35 85 以下并无凝结现象。 3、止空气中含有金属粉尘或腐蚀性气体以及太阳紫外线直射，将控制柜进行封闭。 4、免 机直接受到震动或撞击，远离震动、冲击源。 （ 2）电气环境 1、音措施：采取屏蔽电缆 线、屏蔽层和远离带噪音的电磁开关等。 2、磁波干扰：采取可靠接地和封闭方法。 分析地下车电气控制系统电路，是由模拟电路和继电器控制电路构成。传感器输入电路，是由传感器、传感器外部电路和变送装置组成，输出的检测信号是 420经过多方对比，确定选择用三菱 列 为它功能强大、模块齐全，有传感器输出的模拟信号可直接接入模块，且有较好的性价比，还具有很强的扩展性和网络功能。 能和性能介绍 经过分析我选择 列 16001，有 8 个输入点、 8 个输出点，可充分满足系统需要。其主要参数如下： 储存容量 8K 的内置 存器，用一个寄存器盒可扩充到 16K 的 时器 256 个 199 100围： 0 245 10围： 0246持型 范围： 025000持型 范围： 0山东大学本科毕业设计（论文） 第 19 页 共 51 页 计数器 235 个 199 一般 16 位 范围： 0 至 32767 199 锁定 16 位 100 点（子系统） 219 一般 32 位 范围： +2147483647 234 锁定 32 位 15 点 辅助继电器 499 一般 500 3071 锁定 2572 点 8255 特殊 256 点 行标志 (行时监控接道 00钟脉冲 s 时钟脉冲 数据寄存器 199 一般 200 点 7999 锁定 7800 点 编程语言 逻辑梯形图和指令清单 程式容量 8000 步内置 运转处理时间 基本指令： s/指令 应用指令： 几百 s/指令 指令数目 基本顺序指令： 27 步进梯形指令： 2 应用指令： 128 I/O 配置 最大硬体 I/O 配置点 256，依赖于用户的选择（最大软 件可设定地址输入 256、输出 256） 入模块 由于我们外接传感器 ,所以这里我们选择了 列的 拟量输入模块，它的主要参数如下： 输入通道 4 条 山东大学本科毕业设计（论文） 第 20 页 共 51 页 模拟量输入范围 10V（电压输入） 20流输入） 数字量输出范围 带符号位的 16 位二进制（有效位 11 位） 数值范围 2047 综合精确度 1%(在 10V 范围 ) 1%(在 20围 ) 转换速度 每通道 15速转换方式为每通道 6 I/O 占有点数 程序上为 8 点（计输入或输出点均可），由 电的消耗功率为 5V 30缓冲寄存器（ 介： 通道输入模拟量值控制范围通道位 是由 16 位制 4 位数字 各通道初始化，最低位数字控制通道 1，最高位控制通道 4。 X=0：设定输入范围 0V X=1：设定输入范围 +4+20=2：设定输入范围 20X=3：关闭该通道 4 指定各通道平均值取样次数，取样次数范围 14096，缺省值为 8 8 平均值输入位 12 当前值输入位 9 出错位 0 特殊功能模块识别码存放位 出模块 模拟量输出选择 列 的主要参数如下： 输出通道 4 条 模拟量输出范围 10V 压输出） +4+20C（电流输出） 山东大学本科毕业设计（论文） 第 21 页 共 51 页 数字输入 电压 =2047 电流 =0+1024 综合精确度 满程量 10V 的 1% 满程量 20 1% 转换速度 每通道 9速转换方式为每通道 I/O 占有点数 程序上为 8 点（计输入或输出点均可），由 电的消耗功率为 5V 30缓冲寄存器（ 介： 通道输入模拟量值控制范围通道位 是 由 16 位制 4 位数字 各通道初始化，低 位数字控制通道 位控制通道 X=0：电压输出（ 10V） X=1：电流输出（ +4+20 2 输出数据存储位 9 出错位 0 特殊功能模块识别码存放位 山东大学本科毕业设计（论文） 第 22 页 共 51 页 第六章 制电气原理 如图 示， 制系统中，传感器检测到模拟信号是通过 拟量输入模块，输入 体通过计时器、辅助继电器的组合达到设计要求，在通过模拟量输出模块出。 四 路传感器采集的模拟信号，发动机冷却液温度信号，通过 拟量输入模块的通道 #1 输入 体；蓄能器压力信号，通过 拟量输入模块的通道 #2 输入 力矩器冷却油温信号，通过 拟量输入模块的通道 #3 输入 体；发动机转速信号，通过 拟量输入模块的通道 #4 输入 体。 体采集到的信号与标定量比较，当发动机冷却液温度超过控制温度时， 1， 电控制水泵运行，加快冷却液循环；当蓄能器压力超过控制压力时， 出输出信号给外部继电器 电控制油泵运行，给蓄能器蓄能；当液力矩器冷却油温超过控制温度时， 出输出信号给外部继电器 电控制水泵运行，加快冷却液循环；当发动机转速超过控制转速时， 出输出信号给外部继电器发动机，发动机停转。采集的信号与标定的量比较后，发动机冷却
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