【《基于S7-200PLC的举升机控制系统设计》12000字（论文）】

第5章 基于PLC的自卸汽车举升机构控制系统设计5.1PLC理论基础在中国的工业中我们会经常使用应用程序，往往采用PLC控制即（可编程控制器）如图5-1所示。图5-1PLC的整体认识5.1.1PLC中的重要组成CPU,存储器为其提供储存功能，I/O接口，电源给其供能，编程器编译数据这五大模块组成了PLC，如图5-2、5-3所示。图5-2 PLC基本结构图5-3 PLC控制电气原理图5.1.2PLC的基本原理在下图中有三个部分，第一输入部分，第二输出部分，第三控制部分，这三个构成了整个的一个完整的PLC的电路。图5-4PLC系统的等效电路图①输入部分本部分的作用主要是采集信号并将其输出到下一模块，然后外部模块通电后开始工作，继电器随之也开始运转起来，正式开始了工作②内部控制电路本电路是人性化的，它根据用户的需求来进行程序的执行控制，并对其进行检验，最后输出正确结果。③输出部分输出部分由三部分组成，有被控对象的接线端子和被控对象以及内部控制，配置标准是在外部的电源对被控对象唯一总而言之，继电器的线圈和等效的输出的动触点是PLC的缩减版5.1.3PLC的工作过程①PLC的运行方法PLC根据合理的顺序依次扫描，在完成执行工作后更完成了整个扫描工作②PLC在工作中的状态作PLC通常使用RUN模式，它一次又一次的工作是为了让PLC两端信号及时响应，不工作了是在换成STOP或有毛病时。图5-5 循环扫描工作过程③PLC从输入到输出的动作从图中看出三个部分，如：输入的采样，程序的执行，输出的刷新。图5-6 PLC执行程序过程示意图（1）输入采样阶段（2）程序执行阶段（3）输出刷新阶段5.2PLC控制系统硬件设计举升机构的控制器在系统中发挥着重要的作用，是每一项操作的重要的开，它不受其他的影响与作用，每一步骤的动作可由它直接控制。在国内的市场中，有各种各样的PLC，但通过比较，慎重的选择了西门子S7-200PLC，它有很多优点，比如：结构紧凑，扩展性好，指令有着强大的功能，价格亲民，所以选择了它，西门子PLC能够充分发挥它的作用，也满足了举升机的工作需求，并且能够顺利完成本设计5.2.1举升角监控装置设计本文采用ZCT1180KS1-SNS-29式的不用接触的传感器对本设计的举升角进行监控。电源电路原理如图5-7所示。图5-7 角度传感器电源电路原理图图5-8所表示的是本节介绍的工作原理图，在获得比较电压V0后，举升角的变化是导致角度传感器产生电压VOUT的原因，电压公式如4-1所示，在达到这个数值后控制器可以继续工作图5-8角度传感器工作示意图VOUT0.5%VDD（4.1）—举升角；VOUT—输出电压（V）；VDD—工作电压（V）。举升角的变化可被角度传感器所检测，如图5-9所示。举升高度是通过感应变化的，在此前必须使磁铁发生变化，这些是由转轴带动的，接口端子只接受电压信号。图5-9 ZCT1180KS1-SNS-29角度传感器使用装配图临界值电压是由LM339比较的。通过比较选择了LM339式，需要在满足工作电压的前提下设置一个不变的参考值V0。输出电压与举升机同时变化，设定值相对小时为“-”大于“+”电压，设定值相对大时“+”大于“-”，举升角的变化可由R1控制。本文选用的是优点为稳定的LM339比较器。图5-10 LM339比较器电路图5.2.2限位开关控制元件也是限位开关，它的作用是约束机构运动的。接近与行程开关在生活中比较常用。①行程开关它起到的是限位保护作用，有以下四种。（1）直动式它只能在速度大于0.4m/min的情况下工作，原理简单易懂。（2）滚轮式微动开关的断开时因为撞杆由一端到了一端导致推杆下推发生的。重回始态必须是被控对象的改变才能做到。单滚与双滚的分类是由于个数不同导致的。通常下使用双滚式因为其有单滚没有的记忆功能，看上去更加整洁。（3）微动式LXW-11是灵敏开关的的产物。在整个过程中不能出现差错，否则会影响到下一步电路的工作，还会造成机器里的机械点的损坏。②接近开关本装置自动控制是通过距离来衡量的不管是测量的物体距离还是距离值都是一种非接触的开关。它可以在各种恶劣条件下工作是因为相互碰触不到。NPN与PNP是常见的三线制，比较实用，广泛的运用，除此外还有二线制。5.2.3I/O分配及PLC选择①系统需求分析下图5-11是控制面板，操作简单明了，功能全且强大，可以根据各种情况来适应控制的方式。图5-11 操作台面板布置示意图②确定PLC的I/O点数(1)PLC的输入信号(2)PLC的输出信号(3)PLC的I/O地址分配表如表5-1所示是输入输出信号地址，并且还有原件和它的功能。③PLC的选型为了完成工作，达到目标，而选用了CPU224的S7-200PLC。图5-12 S7-200PLC（CPU224CN）PLC表5-1 输入/输出信号及PLC地址编号输入信号输出信号地址元件功能地址元件功能I0.0SB0系统急停Q0.0KM定量泵I0.1SB1泵启动Q0.1YA1举升I0.2SB2泵停止Q0.2YA2下降I0.3SB3自动操作Q0.3YA3中停I0.4SB4手动举升Q0.4LED1泵工作提示I0.5SB5手动下降Q0.5LED2自动指示I0.6SA自动手动选择Q0.6LED3手动提示I0.7KV角度检测Q0.7LED4车厢复位I1.0SQ1下降限位在本次中选用的是S7-200PLC（CPU224CN）PLC它优点十足比如结构简单，操作容易能满足各种情况，其中它的组成有CPU，电源、通讯模块等等，这是一个好的选择，参数如表5-2所示：表5-2 S7-200PLC（CPU224CN）PLC参数特性CPU224特性CPU224CN外形尺寸/mm120.5*80*62功耗/w7程序储存区/字节8192供电能力/mA（+5VDC）660数据储存区/字节5120供电能力/mA（+24VDC）280掉电保持时间/h190质量/g360本机I/O14入/IO晶体管出布尔指令执行速度0.37us/指令扩展模块数量7I/O影响区256（128入/128出）5.2.4PLC的外部接线输入端子是采用的24VDC供电的，由于电压相同，所以可以直接使用。举升机构的外部接线图是由多个因素控制的，有输入输出负载和通过手动来进行自动控制的模块，这些都是重要因素从下图5-16能很好的看出。图5-13PLC控制系统外部接线图5.3PLC控制程序设计5.3.1PLC的编程理论①PLC编程语言(1)PLC编程语言的特点它是一种独特的编程语言，区别于其他的的编程软件，它的优势在于使用者更易上手操作理解，也更便于教学，相比下，说一下它的具体优点：a.更易查看的看懂的指令的结构本项优势明显，直击心里，人们最想的就是能更最容易看明白并能快速上手，当使用者编程时，复杂也不用担心，因为使用者仅仅需要根据软件指令中的图形结构就可轻松编写。b.确定的可以改变的不变的数PLC是一种独特的编程方式，它有许多独特的数值让人们选择，在某一方面可区分其他软件，就是PLC可将语言转换成符号，并且还能运算。c.使用者能学到简单易学的程序使用者不但能了解模块中的功能，还可以学到知识，那就是模块式结构d用户在程序中调试是PLC的辅助PLC比较适合大众，其内容简单易懂，操作界面一目了然，不需要像其他软件那种复杂的编译链接过程，大大缩短了时间，给人们提供了方便，不用进一步的诊断调试。(2)PLC编程语言的分类a.编程中的梯形图梯形图（LadderDiagram）图形直观，使大部分人都能一眼就看明白，使用者用起来也更加轻松愉快，在使用者设计时，在得出结果够会左右示意，梯形图图中有各种符号，它可以用来表示因果关系b.设计中的语言-BooleanMnemonic布尔助记符（BooleanMnemonic）也是一种方便的编程语言，通常也被大家所认同，它所独有的助记符是一种特殊的语言，是其他所没有的，它的好处和PLC大同小异差不太多，比PLC多一个梯形图的优点。c.语言的模块—功能功能模块图（FunctionBlock）通过名字也能看出来，它是通过模块来划分的，并展示其功能，它需要软连接来控制和操作，用的是模块与端子，它计较占用空间，来将模块保存起来，所以用它的大多是些大中型的PLC。看到下图5-14功能模块与梯形图之间可相互转换图5-14 功能模块图d.设计语言的顺序顺序功能图（SepuentialFunctionChart，SFC）也可以叫做图形法，因为它采用的都是图形，系统的工作是分解系统进行的，这样既方便又不失条理性，两全其美，也方便了使用者的检查使用如图5-15所示。图5-15 功能表图编程e.设计语言中的结构化语句结构化语句（StructuredText）是一种不太符合我们大众的语言，它采用的是计算机，它经常出现在大中型和集散的场合中。②PLC中的编程规则(1)触点具有唯一性，水平位置是它的唯一选择。(2)在编程过程中。导致产生误差犯错的一个大原因是重复使用，所以请不要重复使用，在连接过程中，输出部分只能并联，线圈也不能直接连接左母线。(3)由于相互相影响产生了所示图形。(4)绘图是一个重要环节需要多观察各个零件，例如触点的状态是开还是闭。继电器在控制中，SB1常开，常闭SB2这两个按钮。在PLC接入时，必须全都开放。这一切都是为了保持状态能的始终如一。假设输入端子互相连接在了一起，在内部查看触点时始终如一，I0.1I0.2由于系统的要求都将其设置为常开。因为停止按钮有一个作用是可以控制继电器这要是在常闭状态下，并且被按的地方始终停为止按钮，在按下按钮，电路被成功的接通，这就是动触电。5.3.2举升机构控制系统的程序总体设计①程序设计分析在我们的程序控制中，有两部分，考虑到单一性的问题，所以可以把它分为自动与手动两部分。本工作可以分为两个工作方式，在控制方面考虑，可分为手动与自动，在本实验中不但要兼顾安全性还有考虑到实际的操作情况，经过查看，我们需要进行如下操作，①使用转换器SA，②自动控制为默认状态，手动与自动在I0.6上有所区别，手动模式为0，自动模式则为1，如图5-16所示。图5-16 举升机构控制系统总结构图在下图中可看出举升机构的工作流程，大致总结就是第一步液压泵首先启动，开始做举升运动，在中途可以停止，工作完后下降至初始位置，从前到后依次的进行，通过查看和查阅资料，考虑到控制要求，举升机构从原点出发，如图5-17所示的是自动作业流程。 图5-17举升机构自动流程图 图5-18举升机构手动流程图在我们身边的施工工作时，自动操作不是万能和什么都能解决的，若那样人就显得作用很小，在遭遇施工道路崎岖、危险和机器发生故障需要进行修理二不能正常使用时，这时就需要手动的控制来进行操作。介绍手动操作的步骤，分为三部分举升，中止停下，下降。中停状态是在到达最大举升角时，接受到信号，I0.7=ON时才能发生，在完成它的工作后，需要将其归位，也就是说使它下降，下降的操作是在闭合I0.5时开始的，当归位后，发生信号I1.0,此时讲才算是正式完成，整个操作才算是完整。②举升机构总体流程图下图的5-18一眼可看出是一个流程图而且是一个举升机控制的流程图，包含了常规的开始，工作内容等步骤，这些都是通过考察实际，才得出的流程图。图5-19 举升机构控制系统流程图5.3.3PLC控制系统梯形图程序为了完成操作，设计了如图5-20所示的程序结构图,这些操作都是JMP指令来实现的，在考虑了总体的控制系统，可将其分为两部分，还是和上面相同两种工作模式手动与自动，当SA开关被选择时，它对应的为I0.6。图5-20 举升机构控制系统程序总体结构图①梯形图程序—手动图5-21是手动模式的操作，手动模式可以帮我们解决很大问题，当在工作时遭遇不可逆的状况，如：遭遇险阻复杂的路面，机器车辆损坏时，这时就可以使用手动操作来完成举升机的控制，完成施工任务。在前面的文字中我们已经分析过了，通过程序也可以看出，手动模式需要我们将开关SA调至手动位置，来控制举升机的工作，当I0.6有输入信号时才证明手动才真正被我们使用，在工作时，我们需要将车上的车厢举起进行装卸货物，这只需要使I0.4接收到信号即可，当I0.7为ON使者证明了车厢已经到了最大的举升角经过角度监督，在达到最大位置时，PLC发出指令，使其不再移动，换向阀置于中位，将油路切断，此时车厢可以休息，进入了不工作模式。图5-21 举升机构手动操作举升梯形图当完成一次举升工作达到最大位置时，需要复位来完成下一次工作。这时，只需闭合SB5按钮，将下降控制的I0.5改为ON，它会回归到开始工作前静止的位置，来完成下一次的工作。图5-22举升机构手动操作下降梯形图举升操作的实现需要闭合SB4开关，在达到它所要举升的货物高度时，把SB4松开后便可开始工作，假如没有按下SB4开关使其一直上升，也不用担心，当它达到最大举升角时，会自动停止，并通过角度监控装置传入PLC中，PLC便可发出命令使其在最高点保持不动，通过符号表示就是I0.7为ON，当工作完成后，SB5按钮闭合，举升装置开始下降到原位，经过这个过程，举升装置和车厢成功回归原位，并触发开关，I0.1为ON，这使车厢静止保持在原味，等待它的下一次举升工作。②梯形图程序—自动控制介绍了手动操作后，需要介绍一下方便受欢迎的控制方法—自动控制，这种控制方法大大节约了时间和人力的浪费，只需要按下SB3自动控制按钮，即I0.3为ON便可实现自动控制，举升机自己完成上升下降保持这些工作状态，通过分析其的工作流程，得出如图5-23所示的梯形图。图5-23自动操作举升阶段梯形图当达到最高举升位置或者达到原位是，通过输入I0.7为ON可以使车厢停止，举升装置不在上升或者下降，处于静止状态，即保持阶段，如下图5-24所示。图5-24自动操作保持阶段梯形图通常我们会设置一个等待时间，设置了一个中停60s的时间，在时间达到后，举升机又开始了它的工作，继续下降，经过几分钟的时间，车厢又回到了最初的位置，触发限位开关被触发；输入I1为ON时，车厢开始下降被送回原位，静止的等待下一次工作的开始。 图5-25自动操作下降阶段梯形图总结①在第一章中学到了对自卸车领域的理解和了解到了它的发展史与市场前景，给自己以后打下了基础②在控制方案中，设计了液压的回路系统以及所需要的元件，③对举升机构进行了分析，如何工作，需要的东西及所需要的相关参数，寺选用了S7-200的控制系统与元件，使操作更加简单与方便了，得出了通过PLC控制所要的数据，并设计了原理图，梯形图等。⑤本文重要的监控系统，使其更加安全可靠，通过传感器与电压比较器来监控举升装置中角的大写，控制其上升下降。⑥本设计设计出的举升机优点有很多，提高了方便快捷性，使人也不在如此劳累，节省了人力物力财力，兼顾了多方面的情况，设计出了本文中的举升机控制系统。参考文献[1]栗灿..基于虚拟样机的自卸车举升机构优化设计研究[D]:[硕士学位论文].重庆:重庆交通大学,2014[2]赵美云,严厚林,汪杰,等．基于ADAMS的自卸汽车举升机构设计与仿真[J]．机械工程与自动化,2017(2)：64-66[3]王晓,黄宗益,汪洪,等.一种新型压缩式食物垃圾收集车[J].工程机械与维修,2018(1):70-71.[4]孙海霞,刘大维,严天一,等.公矿自卸车车架结构强度有限元分析[J].机械设计与制造工程,2016,36(3):33-36.[5]王登峰,郝赫,刘盛强,等.车架弹性对重型载货汽车行驶平顺性的影响[J].农业机械学报,2019,41(12):7-12.[6]麻士琦,周亮,邢海军.重型自卸车倾卸机构受力分析[J].石家庄铁道大学学报自然科学版,2018,15(2):50-54.[7]常思勤,王元良,王书亭,等.自卸汽车举升机构的优化设及CAD系统[J].重型汽车,2015(2):10-13.[8]赵剑.自卸汽车举升机构及其整车动力学分析[D].重庆交通大学,2017.[9]李继良.基于CAN总线的自卸车举升机构控制系统的研究与开发[D]:[硕士学位论文].重庆:重庆交通大学,2017[10]张新春.自卸车自举升现有技术分析及创新设计探讨[J].经营