自动洗车机控制课程设计

PLC控制系统课程设计目 录第1章 控制工艺流程分析11.1洗车机控制过程描述11.2洗车机控制工艺分析11.3 原点复位设计1第2章 控制系统总体方案设计22.1 系统硬件组成22.2 PLC IO接口、电源及显示电路32.3 系统接线图设计4第3章 控制系统梯形图程序设计63.1控制程序设计流程图设计63.2 控制自助洗车机的程序63.3 控制程序设计思路6第4章 监控系统设计124.1 PLC与上位监控软件通讯124.2 上位监控系统组态设计124.3整机监控134.4实现的效果13第5章 系统调试及结果分析145.1 系统调试及解决的问题145.2 结果分析14课程设计心得15参考文献16附录1719第1章 控制工艺流程分析1.1洗车机控制过程描述1设计投币100元自助洗车机。2有3个投币孔，分别为5元、10元及50元3种，当投币合计100元或超过时，按启动开关洗车机才会动作，启动灯亮起。7段数码管会显示投币金额（用BCD码），当投币超过100元时，可按退币按钮，这时7段数码管会退回零，表示找回余额（退币选作）。1.2洗车机控制工艺分析1）按下启动开关之后，洗车机开始往右移，喷水设备开始喷水，刷子开始洗刷。2）洗车机右移到达右极限开关后，开始往左移，喷水机及刷子继续动作。3）洗车机左移到达左极限开关后，开始往右移，喷水机及刷子停止动作，清洁剂设 备开始动作喷洒清洁剂。4）洗车机右移到达右极限开关后，开始往左移，继续喷洒清洁剂。5）洗车机左移到达左极限开关后，开始往右移，清洁剂停止喷洒，当洗车机往朽移3s后停止，刷子开始洗刷。6）刷子洗刷5s后停止，洗车机继续往右移，右移3s后，洗车机停止，刷子又开始洗刷5s后停止，洗车机继续往右移，到达右极限开关停止，然后往左移。7）洗车机往左移3s后停止，刷子开始洗刷5s后停止，洗车机继续往左移3 s后停止，刷子开始洗刷5s后停止，洗车机继续往左移，直到碰到左极限开关后停止，然后往右移。8）洗车机开始往右移，并喷洒清水与洗刷动作，将车洗干净，当碰到右极限开关时，洗车机停止前进并往左移，喷洒清水及刷子洗刷继续动作，直到碰到左极限开关后停止，并开始往右移。9）洗车机往右移，风扇设备动作将车吹干，碰到右极限开关时，洗车机停止并往左移，风扇继续吹干动作，直到碰到左极限开关，则洗车整个流程完成，启动灯熄灭。1.3 原点复位设计若洗车机正在动作时发生停电或故障，则故障排除后必须使用原点复位，将洗车机复位到原点，才能做洗车全流程的动作，其动作就是按下复位按钮，则洗车机的右移、喷水、洗刷、风扇及清洁剂喷洒均需停止，洗车机往左移，当洗车机到达左极限开关时，原点复位灯亮起，表示洗车机完成复位动作。第2章 控制系统总体方案设计2.1 系统硬件组成自助洗车机系统配置如图所示：图2-1 自动洗车机配置图PLC：该部分的功能不仅包括对各种开关信息的采集、处理，还包括对执行单元的控制。PLC是整个系统的核心及数据处理核心。从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套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。I/O模块。PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。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。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。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。人机交互和串口通信：人机交互的目的是为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入进入相应进程，而输出显示则是显示金额。串口通信的主要功能是完成PLC与上位机（比如电脑）的通信，便于进行系统的维修、改进和升级，为将来系统功能的扩展做好基础工作。自动找零投币机七段数码显示器5元控制开关10元控制开关50元控制开关PLC洗车机左右移动喷水机喷洒洗涤剂刷子风扇图2-2 系统组成图电源部分：本部分的主要功能是为PLC提供适当的工作电压，同时也为其他模块提供电源。如显示屏、按键等。硬件设计：本部分详细介绍了基于PLC的自助洗车机系统的硬件设计。硬件系统所需要完成的功能是将键盘和投币机采集到的信息通过I/O输送到PLC内部进行数据的处理，得到的结果判断是否满足开始洗车的条件，以实现对洗车电路的控制。同时数据处理时要求进行一定的数据显示和指示灯的闪动。本系统硬件设计主要包括按键电路、数码管驱动电路、电源部分的设计。人工输入信号包括：开始按钮、开始投币按钮、投币结束按钮、开始洗车按钮；洗车机碰到限位开关的信号包括：洗车机初始位置信号、左限位开关信号、右限位开关信号。2.2 PLC IO接口、电源及显示电路1）输入与输出接口：输入点（INPUT）：X0：左极限感测开关 X1：右极限感测开关X2：启动开关 X3：复位开关X4：退币孔 X5：5元投币孔X10：10元投币孔 X15：50元投币孔输出点（OUTPUT）：Y0：洗车机左移 Y1：洗车机右移Y2：喷水机洒水 Y3：喷洒清洁剂Y4：刷子洗刷动作 Y5：风扇吹干动作Y6：启动灯 Y7：原点复位灯Y10 Y 17：七段灯显示余额2.3 系统接线图设计1)系统外部接线图如2-3所示。其中功能键5个，指示灯3个。功能键是进行系统功能的操作。其中“洗车”按键按下时表示用户将开始使用此设备。“开始投币”按键按下时给系统信号用户将开始投入硬币。“投币结束”按钮按下时给系统信号用户硬币已经投入结束。“开始洗车”按键按下时表示用户向系统发出洗车的请求。“复位”按键按下时表示由于停电或者故障等原因，在故障排除以后向系统发出将洗车机复位的请求。洗车指示灯，用来显示用户正在洗车。复位指示灯，用来显示用户按下复位按键以后洗车机回到左极限开关时的状态。2)数码管驱动电路及电源本系统的显示采用并行显示的方式，只占用了PLC少量的输出接口就完成了系统的显示功能。3）电源部分的设计本课题采用了双电源，即市电和UPS供电的方式来驱动设备工作。市电即一般的家庭用电交流220V。UPS是UninterruptiblePowerSystem的缩写。也就是不间断电源系统。当市电正常输入时，UPS就将市电稳压后供给负载使用，同时对机内电池充电，把能量储存在电池中，当市电中断（事故停电）或输入故障时，UPS立即将机内电池的能量转换为220V交流电继续供负载使用，使负载维持正常工作并保护负载软，硬件不受损坏。UPS的应用范围很广。UPS不但可以直接用于计算机上，凡配有计算机的设备，均可使用UPS。对于精密负载设备来讲，如金融系统的计算机网络，证券公司的交易计算机，如金融系统的计算机网络如金融系统的计算机网络，证券公司的交易计算机，微波通信设备，地面卫星站，卫星发射中心，雷达站，军事通讯系统，国防军事基地等更应使用UPS做电源改善和保护。此外，办公室设备，如传真机，复印机，打印机，安全及逃生设备，以及其他不容许断电的贵重设备及工作环境，都可用UPS做为电力品质改善和断电电源保护，让我们无后顾之忧。图2-4 PLC外部接线图第3章 控制系统梯形图程序设计3.1控制程序设计流程图设计系统工作流程图如图：图3-1 系统工作流程图当用户按下洗车按钮时，系统开始初始化。其中包括将机车初始到起点即右极限开关处。用户按下开始投币按钮后系统开始等待并记录用户投入的硬币种类和个数，直到用户按下投币结束按钮。此时系统开始计算用户投入的金额，并显示出来；进而看是否达到一百元如果达到或者超过，系统开始进行余额的计算并从吐币孔把多余的钱退还给用户。如果所投金额不足一百元的话系统将继续等待用户投入硬币，直到用户按下投币结束按钮，系统又开始进行金额判断一次循环下去直到用户所投金额达到或者超过一百元。当用户按下开始洗车按钮时，系统便开始给用户洗车。如果在洗车的过程中由于故障等原因使洗车中断时，用户可以按下复位按钮，此时系统将停止洗车并将洗车机复位3.2 控制自助洗车机的程序自助洗车机的程序（在附录中）3.3 控制程序设计思路当用户按下洗车按钮后，主程序自动跳转到投币子程序，进行投币信息的处理。当用户按下后开始洗车按钮，程序自动跳转到洗车子程序，进行洗车信息的处理。EI表示允许中断，本课题中接收中断输入信号，表示按下复位键引起中断，并跳转到中断程序进行相应的处理。其中X5为5元投币孔，加1表示投入一个5元的硬币，X10为10元投币孔，加1表示投入一个10元的硬币，X15为50元投币孔，加1表示投入一个50元的硬币。自助洗车机的梯形图如图所示：图3-2 第一部分梯形图图3-3 第二部分梯形图图3-4 第三部分梯形图图3-5 第四部分梯形图图3-6 第五部分梯形图图3-7 第六部分梯形图图3-8 第七部分梯形图图3-9 第八部分梯形图图3-10 第九部分梯形图当用户按下洗车按钮后，主程序自动跳转到投币子程序，进行投币信息的处理。当用户按下后开始洗车按钮，程序自动跳转到洗车子程序，进行洗车信息的处理。EI表示允许中断，本课题中接收中断输入信号，表示按下复位键引起中断，并跳转到中断程序进行相应的处理。其中X5为5元投币孔，加1表示投入一个5元的硬币，X10为10元投币孔，加1表示投入一个10元的硬币，X15为50元投币孔，加1表示投入一个50元的硬币。当用户按下投币结束按钮后，系统开始计算金额。其中记录投入5元硬币总钱数，投入10硬币总钱数，投入50元硬币总钱数，并且计算所有投入的总钱数。其中识别投入钱数的百位数字，投入钱数的十位数字，投入钱数的个位数字总余额，别且纪律余额中50元硬币的个数，余额中10元硬币的个数，余额中5元硬币的个数。用计数器对三个吐币孔吐币个数进行计数，依次为50元吐币孔吐硬币，10元吐币孔吐硬币，5元吐币孔吐硬币。当所有计数完成后使M3置“1”，其作用是保证只有在投币满足100元时才可以进行洗车。按下启动开关X5之后，洗车机开始往右移，喷水设备开始喷水，刷子开始洗刷。洗车机右移到达右 极限开关后，开始往左移，喷水机及刷子继续动作。洗车机左移到达左极限开关后，开始往右移，喷水机及刷子停止动作，清洁剂设备开始动作喷洒清洁剂。洗车机右移到达右极限开关后，开始往左移，继续喷洒清洁剂。洗车机左移到达左极限开关后，开始往右移，清洁剂停止喷洒，当洗车机往右移3s后停止，刷子开始洗刷。刷子洗刷5s后停止，洗车机继续往右移，右移3s后，洗车机停止，刷子又开始洗刷5s后停止，洗车机继续往右移，到达右极限开关停止，然后往左移。洗车机往左移3s后停止，刷子开始洗刷5s后停止，洗车机继续往左移3s后停止，刷子开始洗刷5s后停止，洗车机继续往左移，直到碰到左极限开关后停止，然后往右移。洗车机开始往右移，并喷洒清水与洗刷动作，将车洗干净，当碰到右极限开关时，洗车机停止前进并往左移，喷洒清水及刷子洗刷继续动作，直到碰到左极限开关后停止，并开始往右移。洗车机往右移，风扇设备动作将车吹干，碰到右极限开关时，洗车机停止并往左移，风扇继续吹干动作，直到碰到左极限开关，则洗车整个流程完成，启动灯熄灭。第4章 监控系统设计4.1 PLC与上位监控软件通讯PLC选用Modbus RTU主通讯模块（master）。Pakscan IIE主站控制器是一个远程终端单元，做为Modbus从设备（slave）。PLC的CPU通过Modbus RTU主通讯模块控制Pakscan IIE主站控制器的读写，被称为Modbus host。系统采用单Modbus host两线通讯方式，该方式最多可以连接32个Pakscan IIE主站控制器。 主通讯模块的程序设计有3部分内容：初始化通讯模块;读写Modbus/RTU数据;监测通讯状态。 通讯模块的初始化工作主要是配置3个初始化控制块的参数：Slave控制块（SCB），信息控制块（MCB）和通讯要求参数块（COM_REQ）。SCB是一个15个寄存器长的数据块，功能是定义与其通讯的Slave的型号、个数、状态等参数，每一个Slave需要定义一个SCB块。MCB是一个6个寄存器长的数据块，功能是定义Master要求每个Slave执行的命令信息，包括命令类型、RTU引用地址偏移、PLC引用地址偏移、主机号等参数，每一种命令需要定义一个MCB块。COM_REQ是一个17个寄存器长的数据块，功能是定义通讯方式、端口控制字及监测SCB和MCB的状态参数等，每一端口需要定义一个COM_REQ块。所有这些初始化参数在PLC上电或冷启动初始化的第一个扫描周期内加载到RTU主通讯模块，此后RTU主通讯模块负责与PakscanIIE主站控制器通讯，而PLC则与RTU主通讯模块交换数据。 读写Modbus/RTU数据和监测通讯状态的编程相对简单，只要读写初始化时定义的相应的PLC参数地址即可。4.2 上位监控系统组态设计 1） 监控软件设计上位监控站可以准确的监测和控制储运过程的所有信息和设备。通过编程、组态、连接，形象地反映实际工艺流程、显示动态数据，设置PID控制参数以及过程参数，并可以查看历史趋势、报警历史报表等。 Rotork的现场电动阀配置在流程的输油管线上，通过按钮可以人工启动、停止和关闭任一个阀门，并显示任意时刻的阀门状态和阀位值。设计良好的人机界面使操作简便、直观。2） 故障报警系统设计在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。为防止指示灯灯泡损坏不能正确反映设备工作情况，专门设置了故障复位/灯测试按钮，系统运行任何时间持续按该按钮3s，所有指示灯应全部点亮，如果这时有指示等不亮说明该指示灯已坏，应立即更换，改按钮复位后指示灯仍按原工作状态显示设备工作状态。2级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。3级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。4.3整机监控整个系统监控顺序按照先硬件后软件，先局部后全部的顺序，当软件与硬件都监控无误之后，就可以整机监控，整机监控也就是整个系统设计的功能测试。4.4实现的效果 最后，我们在实验室里进行监控，先将监控结果记录如下：硬件监控中我们没有发现问题，接连结果比较满意，美观性比较强。软件监控过程中我们发现了两个问题：第一个是洗车子程序的入口。我们在写程序的过程中将P12错误写成了P13导致了程序调试的错误。第二个问题是断电以后无法继续洗车。我们分析的原因是所采用的数据寄存器没有断电保持功能。因此我们加上去了有断电保持功能的数据寄存器D512。整机监控过程中我们没有发现任何问题，达到了预期的结果，也满足此课题的要求。第5章 系统调试及结果分析 5.1 系统调试及解决的问题在程序编写完成后，先检验其是否符合设计初衷，是否能达到相应的指标。首先是投币程序的调试，检验投币时程序是否能得到信号，在满足条件的情况下能否得到响应。然后是洗车程序的调试，通过假定输入一定的初值来检验程序是否正常。由于实验室条件有限，故改用三菱仿真软件和触摸屏仿真软件来调试。通过多次的调试和修改，最终程序达到了控制要求。5.2 结果分析经过软件调试程序后把程序输入到PLC编程器里面，把外部的接线接好，然后开始进行硬件调试，在调试过程中，把其中的不足进行修改，经过多次的调试，最终使这个程序达到了部分设计的要求，实现了部分控制要求，运行过程还算正常。课程设计心得通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。感谢指导老师两位指导老师，正因为在他们的指导与帮助下，我学到了更多关于PLC方面的知识，以至我能顺利地完成本次课程设计和论文。导师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。参考文献1李建兴可编程序控制器及其应用M北京：机械工业出版社，19992邱公伟可编程控制器网络通信及应用M北京：清华大学出版社，20003邹益仁等现场总线控制系统的设计和开发M北京：国防工业出版社，2003附录自助洗车机整体程序：LD X003RST Y002RST Y003RST Y004RST Y005RST Y001SET Y000LD X000OUT Y007RST Y000LD M8000CMP D0 K100SEGL D0 Y010LD X005 ADDP K5 D0LD X010 ADDP K10 D0LD X015 ADDP K50 D0LD X004SET M20SET M100LD M20CMP D0 K50OUT T8 K20LD T8CMP D0 K10OUT T9 K20LD T9CMP D0 K5LD M15OR M16AND M8013 SUBP D0 K50LD M17LD M12OR M13ANDAND M8013SUBP D0 K10LD M14AND M10AND M8013SUBP D0 K5LD M100CMP D0 K0LD M25OUT T10 K10LD T10RST M20RST M100RST M25LD M1OR M0OUT S20STL S2LD M8002SET S20STL S20LD X002AND Y007SET Y006SUB D0SET S21STL S21LD Y006OUT Y001SET Y002SET Y004LD X001SET S22STL S22OUT Y000LD X000SET S23STL S23OUT Y001RST Y002RST Y004SET Y003LD X001SET S24STL S24OUT Y000LD X000SET S25STL S25OUT Y001RST Y003SET Y004OUT T0 K50LD T0SET S26STL S26OUT T1 K100LD T1SET S27STL S27OUT Y001OUT T2 K50LD T2SET S28STL S28OUT T3 K100LD T3SET S29STL S29OUT Y001LD X001SET S30STL S30OUT Y000OUT T4 K50LD T4SET S31 STL S31OUT T5 K100LD T5SET S32STL S32 OUT Y000OUT T6 K50LD T6 K50SET S33STL S33OUT T7 K100LD T7SET S34STL S34OUT Y000LD X000SET S35STL S35SET Y002OUT Y001LD X001SET S36STL S36OUT Y000LD X000SET S37RST Y002OUT Y001RST Y004SET Y005LD X001SET S38 STL S38OUT Y000LD X000SET S39STL S39RST Y005RST Y006SET M100RET END