运动小车PLC控制系统设计

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）182×87×90（7.2×3.4×3.5）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

15、统方框图 本次课程设计PLC程序控制主体采用顺序控制方法，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

16、序设计顺序控制起始选择程序,由开关X5来控制辅助继电器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

17、手动调节小车的方向和速度,同时通过碰触限位开关来控制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

18、是由系统开发环境（或称组态环境）与系统运行环境两大部分组成。系统开发环境和系统运行环境之间的联系纽带是实时数据库，三者之间的关系如图4-1所示。 组态环境：组态生成运用系统运行环境：解释执行组态结果实时数据库：组态结果图4-1 三者之间的关系PLC支持N:N网络通信、并行链接通信、计算机链接通信、无协议通信、可选编程端口五种类型的通信。在设计中可采用无协议通信和可选编程端口通信。监控组态软件与PLC的通信如图4-2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4-2 监控组态软件与PLC的通信关系4.2监控界面开发过程 建立工程

19、 打开应用管理器，选择“增加新应用”，在应用名称对话框中输入一个应用程序的名称 “MonitorPLC”，按“确定”按钮。在工程列表中会出现新建的工程，双击该工程，打开Draw，开始组态工作。创建点Draw导航器中双击“实时数据库”项使其展开， 在展开项目中双击“数据库组态”启动组态程序DbManger，如图所示。启动DbManger后出现DbManger主窗口，如图4-3所示。 图4-3 导航器选择菜单命令“点/新建”或在右侧的点表上双击任一空白行，出现“指定区域和点类型”对话框，如图4-4所示。 选择“区域00”及“数字I/O点”点类型，然后单击 “继续”按钮，进入点定义对话框，如图所示。

20、 图4-4 选定点类型 在“点名”输入框内键入点名 “MX0”，其它参数可以采用系统提供的缺省值。单击 “确定”按钮，在点表中增加了一个点“MX0”，如图4-5所示。图4-5 创建点名 重复以上步骤，创建MX1、MX2、MX3、MX4等点。如图4-6所示。最后单击“存盘”按钮保存组态内容， 然后单击“退出”按钮，返回到主窗口。 图4-6 创建新点定义I/O设备在Draw导航器中双击“实时数据库”项使其展开，选择“I/O设备驱动”项使其展开，在展开项目中选择“PLC”项并双击使其展开，然后继续选择厂商名 “MITSUBISHI（三菱）”并双击使其展开后，选择项目“FX系列编程口”，如图所示。双击

21、项目“FX系列编程口”出现“I/O设备定义”对话框，在“设备名称”输入框内键入一个人为定义的名称 “NEWPLC”（大小写不限）。在通信端口下拉条中选择 “COM1”，“设备地址”输入框内键入1。其余保持默认值。点击“完成”按钮。如图4-7所示。此时在导航器的“FP系列”下面增加了一项“NEWPLC” 图4-7 选择编程口数据连接现在将已经创建的5个数据库点与NEWPLC联系起来，以使这5个点的PV参数值能与I/O设备NEWPLC进行实时数据交换。这个过程就是建立数据连接的过程。如图4-7所示，由于数据库可以与多个I/O设备进行数据交换，所以我们必须指定哪些点与哪个I/O设备建立数据连接。 图

22、4-8 数据连接启动数据库组态程序DbManager，双击 “MX0”，切换到“数据连接”一页，出现如图4-9所示对话框。点击参数“PV”，在“连接I/O设备”的“设备”下拉框中选择设备“NEWPLC”。点击“增加”按钮，出现如图所示的“FX2n PLC组点”对话框。 图4-9 I/O设备连接 在“I/O类型”选择框中选择每个点对应的类型，在“地址”输入框中输入0，“位偏移”输入框中输入0，点击“确定”返回。如图4-10所示 ，重复上述步骤，可连接所有定义过的点。在重复上述步骤时，对于同一个继电器，位偏移依次加1。最终结果如图4-11所示。单击“退出”按钮，返回DRAW主窗口。 图4-10 I

23、/O类型选择 图4-11 数据库 创建窗口 选择“文件F/新建”命令出现“窗口属性”对话框，如图4-12所示。 图4-12 创建窗口全部保持默认值，点击“确定”按扭，建立了一个新的窗口按图4-13所示绘制窗口图形。 图4-13 窗口· 制作动画连接 前面已经做了很多事情，包括：制作显示画面、创建数据库点，并通过一个自己定义的I/O设备“NEWPLC”把数据库点的过程值与设备NEWPLC连接起来。现在再回到开发环境Draw中，通过制作动画链接使显示画面活动起来。定义数据源界面系统除了可以访问本地数据库（即与界面系统运行在同一台PC机上的数据库）外，还可以通过网络访问安装在其它计算机上的

24、ForceControl数据库中的数据。因此，当在界面系统Draw中创建变量时，如果变量引用的是外部数据源（包括：ForceControl数据库，DDE服务器或其它第三方数据提供方），首先对要引用的外部数据源进行定义。 激活Draw菜单“特殊功能S/数据源定义”，出现“数据源定义”列表框， 列表框中已经存在了一个数据源：“本地数据库（DB）”。这是系统缺省定义的数据源，它指向本机上的DB数据库。 动画连接 有了变量之后就可以制作动画连接。一旦创建了一个图形对象，给它加上动画连接就相当于赋予它“生命”使其“活动”起来。双击“X0”上面的图形，弹出如图所示的“动画连接”对话框。按图4-14所示。

25、图4-14 动画连接单击“颜色相关动作”一列中的“条件”按扭，弹出“颜色变化”对话框如图4-15所示。 图4-15 颜色变化如图4-15所示，选择“MX0”和“PV”，设定真假值的颜色，设定鼠标按键点击和松开后的动作。然后“确认”每一个对话框，则按键的动画连接就制作完成。同理，按上述步骤定义其余图形的动画连接。注意变量选择与相应的标注相同，即MX0为监视PLC中的M0的接点，依次类推。保存制作结果单击“变量选择”按扭，弹出“变量选择”对话框，如图4-16所示。图4-16 变量选择如图4-17所示，设定按键程序，鼠标点击后，点的变化。 图4-17 按键程序设定 图4-18 水平位移设定 图4-1

26、9 小车运行脚本设定 图4-20 小车位置初始值设定如上图所示，设定初始变量carmove，双击小车，在水平移动上选择carmove，设定小车变量的最大值和水平移动的距离，设定小车程序运行的脚本，进入程序的初始值及程序扫描的周期。小车运行脚本程序如下：if MY21.PV=1 then 判断如果小车向左走，再次判断。 if MY23.PV=1 then 如果小车以低速运行，则小车的 carmove=carmove-1; 位置变量自减1。 endif if MY24.PV=1 then 如果小车以高速运行，则小车的 carmove=carmove-2; 位置变量自减2。 endifendifif

27、 MY22.PV=1 then 判断如果小车向右走，再次判断。 if MY23.PV=1 then 如果小车以低速运行，则小车的 carmove=carmove+1; 位置变量自加1 。 endif if MY24.PV=1 then 如果小车以高速运行，则小车的 carmove=carmove+2; 位置变量自加2。 endif endif· 配置系统在导航器中选择“配置”、“初始启动设置”，弹出“初始启动设置”对话框，如图4-21所示。点击“增加”按扭，选择“DRAW1”，“确定”该对话框。 图4-21 初始启动配置 到现在为止，上位机的组态程序已经制作完成。连接PLC和计算机，

28、启动FPWIN-GR，将编写好的PLC程序下载到PLC中并让其运行，再切换到“离线”状态。然后在ForceControl工程管理器中选择应用程序“MonitorPLC”，进入“运行系统”。接通PLC的硬件线路可以看到组态画面上的图形颜色随PLC上接点的变化而变化。5 运行调试5.1调试过程设计好PLC程序后，首先在PLC试验台上调试程序是否正确，连接好外部电路。清楚PLC内部存储器，将PLC程序下载到PLC中，控制PLC运行。打开自动控制，按下开始按钮，观察PLC实验台上的指示灯是否按预期的亮灭。将自动控制切换到手动控制，按下开始按钮，用调速开关和转向开关分别控制，观察实验台上输出指示灯是否正

29、常输出。在自动和手动过程中按下停止按钮，观察程序是否正常停止，再按下启动按钮，观察程序能否再次启动。 PLC实验程序调试好后，再在双速电动机上调试程序结果。连接好双速电动机和硬件接线图。清楚PLC内部存储器，将PLC程序下载到PLC中，控制PLC运行。按照调试PLC程序的过程调试，观察电动机在不同状态下反应，电动机是否按实验要求运行。 设计好组态监控界面后，将PLC程序中的输入继电器X全部用辅助继电器M代替。首先在PLC试验台上调试监控界面是否正常运行。打开自动控制，按下开始按钮，观察监控界面上小车是否按预期运行，相应界面上的指示灯是否变色。再将运行模式调到手动控制，重复观察上述结果。实验台上

30、调试正确后，再在双速电动机上调试程序结果。打开自动控制，按下开始按钮，观察监控界面上小车是否按预期运行，相应界面上的指示灯是否变色，监控界面上的小车运行是否与实际中的同步。碰触限位开关后，监控界面上的限位开关是否变色。 5.2调试中出现的问题及解决方法 在调试PLC程序时，发现按下启动按钮，PLC没有输出。经过检查和排除后发现PLC试验台上停止按钮是一个常闭按钮，再设计程序是没有注意到这个问题。而在做组态监控界面调试时，这个停止按键，鼠标点击后应该是置0，松开后置1。 在做双速电动机调试验中时发现在手动过程中，小车左右转向能够正常转换，但是在速度转换时，小车的速度转换的同时方向也转换了。在经过

31、了老师的指导和小组成员的细心检查后反现，原来是高速中有两相的相序接错了。将这两相相序修正过来后电动机能正常运行。 在做组态监控界面设计时，发现组态上小车的速度和位移不好控制。再认真分析了组态软件以及老师给的例题后发现，小车的位移和速度与四个因素有关还有脚本程序再分别测量了小车高速和低速从左至右运行的时间后，相应地设计出了这个数据，使得监控上的小车能够实际上的同步。5.3结果分析 自动过程:按下启动,同时按下自动按钮后,组态上的自动左移按钮和低速按钮由绿变红,这反映出小车是低速左移的,碰到限位开关后,自动右移按钮和高速按钮由绿变红,说明小车高速右行,当X22变红色时,自动左移按钮和低速按钮重新由绿变红,定时器开始计时5.5秒,到时间后,停止按钮会变红,及小车低速左移5.5秒后自动停止. 同理，向左自启动，会出现相反结果，最终停在轨道中间。 手动过程: 只要碰到相应限位开关，小车动作全部停止。在运行的过程中，可以随意切换高低速度，同时进行随意方向任意切换，相应的指示灯也随之变化。6 总结三周的课程设计转眼间结束了，在这次课程设计的实验中，不仅检验和加