實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】

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述1、研究進展早期試驗軌道小車電氣控制系統(tǒng)多為繼電器接觸器組成的復雜系統(tǒng)，這種系統(tǒng)存在設(shè)計周期長、體積大、成本高等缺陷，無數(shù)據(jù)處理和通信功能，必須有專人負責操作，將PLC應(yīng)用1到軌道小車電氣控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)軌道小車的自動化控制，降低系統(tǒng)的運行費用，PLC軌道小車電氣控制系統(tǒng)具有連線簡單，控制速度快，可靠性和可維護性好，易于安裝、維修和改造等優(yōu)點。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，軌道小車不斷擴大到各個領(lǐng)域，從手動到自動，逐漸形成了機械化、自動化。目前，軌道小車的控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況，最早被應(yīng)用的技術(shù)是基于單片機的控制系統(tǒng)。在單片機的基礎(chǔ)上，通過研發(fā)實現(xiàn)了一種以光電傳感器為敏感原件以AT89C51單片機為控制核心的電動循軌小車的智能控制系統(tǒng)；在基于單片機的基礎(chǔ)上，使小車的電動機采用PID算法閉環(huán)調(diào)速，形成了對小車調(diào)速的另一種控制系統(tǒng)。隨著智能控制的不斷發(fā)展，繼而又有人提出了模糊PID控制算法2，是控制系統(tǒng)的性能又有了進一步的提升；當然，還有在工業(yè)中被普遍應(yīng)用的PLC控制系統(tǒng)。針對控制系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)在工業(yè)控制中有著非常中重要的作用，由于PLC的功能非常強大，能夠抵抗較強的干擾，可靠性比較高，同時編程簡單，操作方便，因此在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。目前，隨著科技的不斷進步，自動控制系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)越來越多的唄應(yīng)用于各種行業(yè)當中，西門子控制電機，基于PLC系統(tǒng)的電機自動控制采用國際標準PROFIBUS現(xiàn)場總線標準3，保證了系統(tǒng)的高效性與實時性，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備數(shù)據(jù)采集的獨立完成，同時其抗干擾性的能力比較強，可靠性高，具有非常高的控制精度。將PLC應(yīng)用到軌道小車電氣控制系統(tǒng)4，可實現(xiàn)軌道小車的自動化控制，降低系統(tǒng)的運行費用。它功能強大，可擴展到多達128I/O點，且能增加特殊功能模塊或擴展板。通信和數(shù)據(jù)連接功能選項使得FX1N在體積、通信和特殊功能模塊等重要的應(yīng)用方面非常完美。本課題主要包括：分析被控對象和明確系統(tǒng)控制要求；PLC選型；確定系統(tǒng)的I/O5設(shè)備的數(shù)量及種類；控制流程設(shè)計；控制程序設(shè)計。PLC在軌道小車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，已經(jīng)在國內(nèi)外工程6、工廠中得到實際應(yīng)用，具有巨大的經(jīng)濟和社會價值，其智能化和自動化的思路值得以后繼續(xù)深入研究和推廣。實驗軌道小車可以認為是半自動控制7小車的一種，而自能控制小車將是未來的總體趨勢。目前市場上有應(yīng)用于物流的運料只能控制小車，傳統(tǒng)的運料小車大都是繼電器控制，而繼電器控制有著接線繁多，故障率高的缺點，且維護維修不易等缺點。作為目前國內(nèi)控制市場上的主流控制器8，plc在市場、技術(shù)、行業(yè)影響等方面有重要作用，利用PLC控制來代替繼電器控制已是大勢所趨。在國際上PLC迅速發(fā)展的形勢下，我國多數(shù)PLC廠家還沒有擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，能夠參與國際競爭的PLC產(chǎn)品，其中之一就是研發(fā)實力不夠。雖然資金投入、生產(chǎn)和質(zhì)量管理等因素也占有非常大的比重，但對產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性作用的是研發(fā)投入、研發(fā)成果產(chǎn)品化以及生產(chǎn)工藝等。而技術(shù)則是貫穿著其中每一個環(huán)節(jié)，PLC核心技術(shù)的開發(fā)、產(chǎn)品的后續(xù)開發(fā)、生產(chǎn)工藝的技術(shù)水平是決定產(chǎn)品質(zhì)量的前提，如何在技術(shù)上進一步增強自己的實力，將是國產(chǎn)品牌取得市場競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵。依據(jù)得到的樣本分析，初步得出正在使用的眾多PLC的品牌中，西門子、三菱及omron9占據(jù)絕對的優(yōu)勢，60%左右的用戶使用了這些品牌的PLC產(chǎn)品，而rockwell/ab10、ge-fanuc11和富士等品牌也占有相當?shù)氖袌龇蓊~。我國可編程控制器的引進、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。2.選題依據(jù)雖然目前軌道小車很多，但是具有局限性，針對不同的用途和環(huán)境等都有著較大的影響。本次選題是針對國家高速列車實驗室試驗用途針對性設(shè)計的實驗軌道小車控制系統(tǒng)設(shè)計?；赑LC的控制系統(tǒng)能夠精確的控制軌道小車的運行速度和運行距離，并且操作簡單，運行平穩(wěn)，安全性較好，能夠滿足軌道小車裝載精密儀器在實驗室條件下的各項具體參數(shù)要求。3.選題目的通過參考其他比較好的控制系統(tǒng)，基于PLC的試驗軌道小車運動控制系統(tǒng)設(shè)計能夠滿足國家高速列車實驗室試驗用途，提高測試條件下小車的運行平穩(wěn)精度，為測試條件下測試所得數(shù)據(jù)更加可靠和簡便，改善試驗條件下參數(shù)的可靠性和準確性。4選題意義PLC運動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。雖然試驗軌道小車運動控制系統(tǒng)設(shè)計還只是滿足實驗室用，但基于PLC的控制系統(tǒng)會被運用在各個行業(yè)，同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。參考文獻1汪志峰PLC控制器原理及應(yīng)用M北京電子工業(yè)出版社2007。2楊東,黃永紅,張新華,吉敬華.用PLC基本指令實現(xiàn)自動運動定位控制的研究J.微計算機信息,2010,26(2-1):62-64.3徐世許可編程控制器原理應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)M長沙：中國科學技術(shù)大學出版社,2000。4W.Bolton.Programmable Logic Controllers andControl System M.Journal of computerand structure2007。5張強,文懷興,陳嬋娟.數(shù)字量I/O卡在快速成型機多軸控制中的應(yīng)用J.控制與檢測,2008,4（64）:64-70.6薛開,王平,王文斌.基于多軸運動控制器的二軸轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)J.哈爾濱工程大學學報,2006,27(4):570-573.7劉建峰.基于PAC的多軸運動控制系統(tǒng)的研究J.機械制造與自動化,2007(6):125-127.8朱華征,范大鵬,龐新良.基于可編程多軸控制器的三軸轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)J.兵工自動化,2004,23(01):55-57.9MatsushitaElectricWorksLtd,AutomationControlGroup.FPOprogrammingmanualEB/OL.(2004-10-05)2008-09-10.10秦琴,王忠慶.利用PLC的高速計數(shù)功能實現(xiàn)軸的精確定位控制.電氣技術(shù).2009(3).11Heyongyi.AControlSystemofMaterialHandlinginFMS.Journalofshanghaiuniversity.Vol.1.No.1.1997.12RenSheng-le.DevelopmentofPLC-basedTensionControlSystem.ChineseJournalofAeronautics20(2007)266-271.13松下PLC（中國）FP系列用戶手冊.201014松下PLC（中國）FP系列編程手冊.201015魏大忠,徐健,吳任東等.基于MCT運動控制器的快速成型機數(shù)控系統(tǒng)研究J.組合機床與自動化加工技術(shù),2003(4).16 MS-3直流無刷電機控制器技術(shù)資料M.上海:常州邁控有限公司 2014.07.17鄧則名,鄺穗芳等.電器與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2004,102-199.18 松下GT系列參考手冊.201019 松下GT系列觸摸屏編程軟件GTWIN操作手冊.2010 2本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)設(shè)計是基于松下PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計。采用松下PLC邏輯控制器實現(xiàn)對實驗軌道小車運動速度V、運行距離S檢測并反饋的全閉環(huán)控制。松下PLC控制器已經(jīng)使用比較成熟，采用Mewtocol通訊協(xié)議且穩(wěn)定性和安全性可靠，經(jīng)濟性好，可以選為控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備。該控制系統(tǒng)可以有效地解決控制復雜、操作不便，控制輸出不穩(wěn)定、控制精度不高等控制系統(tǒng)問題。 本控制系統(tǒng)可以大概分為五個部分：PLC邏輯控制器部分、直流無刷電機控制器部分、編碼器檢測反饋部分、觸摸屏人機交互界面部分、外部硬件控制部分。 PLC邏輯控制器部分：實時接收和處理從編碼器、外部觸發(fā)硬件傳送過來的信號，內(nèi)部計算處理數(shù)據(jù)形成相應(yīng)的參數(shù)分別輸送至模擬量插件：形成相對應(yīng)的控制電壓，再將控制電壓輸送至直流無刷電機控制器調(diào)控電機轉(zhuǎn)速n；直流無刷控制器：前進、后退和制動數(shù)據(jù)信號。直流無刷控制器部分：接收模擬量插件和PLC傳輸過來的信號，控制電機的轉(zhuǎn)速n、前進、后退和制動，即控制實驗軌道小車的運行速度V、前進、后退和制動。編碼器檢測反饋部分：實時檢測實驗軌道小車的運行速度V和運行距離S并將數(shù)據(jù)反饋至PLC邏輯控制器。觸摸屏人機交互界面部分：參數(shù)設(shè)置小車運行速度V和運行距離S參數(shù)，軟件按鈕控制實驗軌道小車的前進、后退和制動，并實時顯示小車的運行速度V和運行距離S。外部硬件控制部分：包括前進、后退中的行程開關(guān)和緊急制動按鈕。通過人機交互界面觸摸屏設(shè)定運行速度V和運行距離S并以最大且恒定的加速度加速啟動，編碼器開始不斷的檢測反饋，比較是否達到了設(shè)定運行速度和運行距離，若沒有達到時則繼續(xù)以加速，當達到時則保持運行速度運行直至達到指定運行距離制動停止。該運行過程中觸摸屏可實時顯示運行速度V和運行距離S，運行遇危險時刻可按下硬件的緊急制動按鈕，同時軌道兩端安裝了行程開關(guān)，小車不能在指定地點制動而觸碰到行程開關(guān)時，行程開關(guān)被觸發(fā)發(fā)出制動信號，直流無刷控制器控制小車制動停止。閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能，有效的避免了由于設(shè)備、環(huán)境等外部因素影響產(chǎn)生的誤差，并且能夠較穩(wěn)定的輸出和較精確的達到技術(shù)要求。1、 控制系統(tǒng)原理方框圖 ：GT01觸摸屏直流無刷控制器行程開關(guān)旋轉(zhuǎn)編碼器電機（實驗軌道小車）P L C緊急制動按鈕2、控制流程圖指導教師意見：1對“文獻綜述”的評語：2對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測： 指導教師： 年 月 日所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日- 8 -