1、電氣專業核心課程綜合課程設計報告題 目： 運動小車PLC控制系統設計 院 （系）： 機電與自動化學院 專業班級： 電氣工程及其自動化0902 學生姓名： 袁嘉駿 學 號： 指導教師： 梅秋燕 2012年06月18日至2012年07月06日華中科技大學武昌分校電氣專業核心課程綜合課程設計任務書一、設計題目HJD-4實驗教學裝置PLC控制系統設計二、設計主要內容1.控制要求控制系統主要由上位機PC機、PLC、變頻器及異步電動機組成。可編程控制器(PLC)負責處理各種信號的邏輯關系，從而向變頻器發出起、停等信號，同時變頻器也將工作狀態信號送給PLC，形成雙向聯絡關系,它是系統的核心。變頻器實現電機的

2、調速。在上機機上，按下啟動按鈕，可選擇工頻/變頻控制， 能實現自動控制和手動控制（自動轉換頻段/手動輸入頻段），并可實現調速。在系統滿足操作要求外，對于控制界面力求界面簡潔美觀，控制動作不會相互影響，狀態顯示清楚明了，便于用戶操作控制。2.主要內容（1）設計一個由組態軟件實現上位機控制，PLC為下位機的HJD-4實驗教學裝置主軸PLC控制系統。（2）根據控制要求，查閱相關技術資料，擬定課題實施方案，進行電氣控制系統硬件電路設計，包括主電路、控制電路及PLC硬件配置電路。（3）HJD-4實驗教學裝置主軸控制系統的軟件設計，包括控制程序、控制界面及動畫設計。（4）利用實驗室設備完成硬件接線及運行調

3、試。三、原始資料2. HJD-4實驗教學裝置加工中心HJD-4是機電一體化實驗教學系統。它由個人計算機（PC或上位機）、電氣控制實驗柜和微加工中心組成。其中PC機和電氣控制實驗柜是系統的主體，微加工中心為控制對象。（1）個人計算機個人計算機是整個控制系統的上位機，他和PLC構成兩級控制系統，完成兩大功能： 通過RS-232C串行通訊線與HJD-4型控制系統中的PLC串行通信板連接，形成兩級控制系統，實現對PLC的監控及兩級控制；通過SC-09編程電纜與PLC連接，實現PLC的編程、程序的輸入輸出、監控等。（2）控制系統HJD-4型的控制系統的核心是PLC，還包括繼電器接觸器控制系統、PLC、位

4、置控制模塊（1PG和20GM）、交流伺服控制系統、步進電機控制系統、交流變頻調速系統、控制面板和面板接線端子等。 PLC作為數控功能的控制核心，它采用三菱FX2N-80MT型號。通過變頻器（松下）對三相異步電動機進行變頻調速，從而控制主軸的速度及主軸的運動方向。通過步進驅動器驅動步進電機對X軸、Z軸、C軸的控制，FX2N-20GM完成對X軸、Z軸的單軸定位控制以及兩軸聯動控制。通過伺服驅動器和交流伺服電機實現對Y軸的半閉環控制。微加工中心由主軸、四軸（X、Y、Z、C）工作臺和刀庫、機械手組成。2.力控組態軟件組態軟件指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和

5、開發環境，能以靈活多樣的組態方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開發界面和簡捷的使用方法，其預設置的各種軟件模塊可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和I/O設備，與高可靠的工控計算機和網絡系統結合，可向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進行系統集成。3.系統的通信監控組態軟件與PLC的通信如圖2所示。動作界面數據庫I/O Server適配器PLC獲得現場數據RS-232RS-422/RS-485組態軟件圖2 監控組態軟件與PLC的通信關系3.實驗室提供設備（1）HJD-4實驗教學裝置；（2）PLC控制模塊；（3）PC機；（4）PLC編程電纜；（5）RS

6、-232通信模塊；（6）RS-232通信電纜；（7）力控3.6組態軟件；（8）松下變頻器。四、要求的設計成果（1）根據控制要求進行電氣控制系統硬件電路設計。（2）完成PLC、監控界面軟件設計。（3）利用實驗室設備進行運行調試。（4）編寫電氣專業核心課程綜合課程設計報告，課程設計報告內容包括： 設計方案、課程設計過程和設計思想、方法、原理。 用A4圖紙繪制PLC控制系統的電氣原理圖（用繪圖軟件）。 PLC控制程序（梯形圖或指令表），有程序說明。 參考資料、參考書及參考手冊。其他需要說明的問題，例如操作說明、程序的調試過程、遇到的問題及解決方法、對課程設計的認識和建議等。可編程控制器技術課程設計報

7、告可以手寫，也可以用電腦編排打印，報告格式按照華中科技大學武昌分校課程設計管理辦法執行。課程設計報告要求內容正確完整，圖表清晰，敘述簡明，語句通順，字數不得少于2000漢字。課程設計報告按封面、任務書、設計說明書、圖紙、實物照片貼頁（實物照片貼在A4復印紙上）、成績評定表的順序裝訂。五、進程安排內容時間下達課程設計任務書。講解課程設計的任務與要求、進度安排、指導時間、注意事項、提供參考資料。學生到實驗室熟悉設備。2天搜集資料、方案論證、初步設計。1天系統設計、繪制系統控制原理圖、接線圖及軟件編程。3天利用實驗室設備完成控制系統的硬件接線工作，運行控制程序，進行運行調試。5天方案優化、總結完善、

8、整理資料、撰寫課程設計報告3天答辯、課程設計總結。1天共計15天（3周）六、主要參考資料1 馬小軍.可編程控制器及其應用.南京:東南大學出版社，2007.2 劉恩博.組態軟件數據采集與串口通信測控應用實戰.北京：人民郵電出版社，2010. 3 巫莉.電氣控制與PLC應用.北京：中國電力出版社，2008.4 曹輝，馬棟萍.組態軟件技術及運用.北京：電子工業出版社，2009.指導教師（簽名）： 20 年 月 日目 錄 1 課程設計題目及要求11.1 設計題目11.2 控制要求11.3 系統總體方案設計12 PLC工作原理32.1 PLC工作原理及掃描工作方式32.2 FX2N-48MR型PLC33

9、 控制系統設計53.1 控制系統設計53.2 PLC (I/O) 分配53.3 程序設計64 監控界面設計84.1 組態軟件介紹84.2 監控界面開發過程95 運行調試165.1 調試過程165.2 調試中出現的問題及解決方法165.3 結果分析176 總結187 參考文獻198 附錄201 課程設計題目及要求1.1設計題目 運動小車PLC控制系統設計1.2 控制要求（1）運動小車要求自動/手動兩種控制方式（2）自動控制方式：根據上位機的監控界面，按下啟動按鈕，小車慢速左行（右行），當到達左限位（右限位）時，小車延時1秒后，向相反的方向高速運行，當到達限位時，再換向慢速運行，運行到中間位置，小

10、車停止運行。小車運行到任意位置，可隨時停車。電機采用雙速電機。（3）手動控制方式：根據上位機的監控界面，按下控制按鈕，可選擇小車左右行；運行中可任意換向；運行中高速/低速轉。1.3 系統總體方案設計（1）控制要求分析 小車具有手動和自動兩種控制模式，自動運行時，小車慢速左行（右行），當到達左限位（右限位）時，小車延時1秒后，向相反的方向高速運行，當到達限位時，再換向慢速運行，運行到中間位置，小車停止運行。手動運行時，小車在運行中可以任意轉換高、低速，左、右行。（2）確定輸入輸出設備實驗采用組態軟件設計的監控界面控制輸入，通過FX2N-48MR型PLC輸出信號控制接觸器觸頭的開關，來控制小車的方

11、向、速度。 電機采用雙速電機。（3）I/O分配 確定I/O分配，畫出硬件接線圖（4）PLC程序設計 本實驗采用順序控制設計方法設計PLC程序（5）監控界面設計 用力控組態軟件設計小車監控界面，控制小車的運行狀態，制作出小車實時動畫效果。（6）調試 調試過程分為模擬調試和聯機調試，分析調試問題，并解決（7）課程設計報告 根據要求，規范格式，正確書寫課程設計報告及心得體會開始設計控制要求分析分析確定輸入輸出設備I/O分配,硬件接線圖PLC程序設計組態監控界面開發設計模擬調試分析結果，書寫技術報告聯機調試圖1-1 系統結構圖2 PLC工作原理2.1 PLC掃描工作過程PLC的掃描工作過程除了執行用戶

12、程序外，在每次掃描工作過程中還要完成內部處理、通信服務工作。如圖2-1所示，整個掃描工作過程包括內部處理、通信服務、輸入采樣、程序執行、輸出刷新五個階段。整個過程掃描執行一遍所需的時間稱為掃描周期。掃描周期與CPU運行速度、PLC硬件配置及用戶程序長短有關，典型值為1100ms。在內部處理階段，進行PLC自檢，檢查內部硬件是否正常，對監視定時器（WDT）復位以及完成其它一些內部處理工作。在通信服務階段，PLC與其它智能裝置實現通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容等。 圖2-1 掃描過程 當PLC處于停止（STOP）狀態時，只完成內部 處理和通信服務工作。當PLC處于運行（RUN）狀

13、態時，除完成內部處理和通信服務工作外，還要完成輸入采樣、程序執行、輸出刷新工作。PLC的掃描工作方式簡單直觀，便于程序的設計，并為可靠運行提供了保障。當PLC掃描到的指令被執行后，其結果馬上就被后面將要掃描到的指令所利用，而且還可通過CPU內部設置的監視定時器來監視每次掃描是否超過規定時間，避免由于CPU內部故障使程序執行進入死循環。 2.2 FX2N-48MR型PLCFX2N系列是三菱PLC是FX家族中最先進的系列，集小型化，高速度，高性能和使用方便等優點，是FX系列中最高檔次的超小形程序裝置。具有高速處理及可擴展大量滿足單個需要的特殊功能模塊等特點，為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能

14、力。根據本設計的實際情況，可編程控制器需要的I/O輸入輸出單元大約為48個。因此，本設計將使用的三菱PLC的型號為FX2N-48MR-001，其參數如表2-2所示：表2-2 FX2N-48MR-001參數型號FX2N-48MR-001I/O總數48輸入數目24類型漏型輸出數目24類型繼電器尺寸mm（英寸）（寬）（厚）（高）182×87×90（7.2×3.4×3.5）3 控制系統設計3.1控制系統設計輸入電路輸入映像寄存器PLC設計程 序輸出映像寄存器接觸器雙速電機啟動按鈕停止按鈕手動、自動高速、低速左行、右行限位開關 圖3-1 系統方框圖 本次課程設計P

15、LC程序控制主體采用順序控制方法，通過X2來選擇自動、手動控制模式。在自動控制模式中，采用順序控制方法，通過X5來選擇自動模式中，小車初始位移向左還是向右行進。在手動控制模式中，加入了經驗控制法，使得小車碰觸限位開關后必須改變方向后才能啟動運行。順序功能圖見附錄1。3.2 PLC (I/O) 分配硬件接線圖見附錄1，雙速電動機接線圖見附錄1。1)輸入啟動按鈕X0停止按鈕X1左限位開關X20 X21右限位開關X22 X23自動手動選擇開關X2手動方向選擇開關X3手動速度選擇開關X4自動方向選擇開關X52)輸出小車左移Y21小車右移Y22小車低速Y23小車高速Y243.3程序設計順序控制起始選擇程

16、序,由開關X5來控制輔助繼電器M0來控制自動開始時的方向,由開關X2來控制手動或是自動。在自動控制都加入了此指令，是為了滿足在自動控制循環中，突然由自動控制轉到手動控制模式的需要。小車低速左行,碰到左邊兩個限位開關后,進行下一步。小車高速右行,碰到右邊的限位開關后進行下一步。小車第二次低速左行,同時定時器開始定時,5.5秒后小車自動停下. 此時小車正好處于中間位置。小車開始右行低速,碰到右邊限位開關后進行下一步。小車高速左行,碰到左邊的限位開關后進行下一步。小車低速右行,同時定時器開始定時,5.5秒后小車停下，此時小車正好處于中間位置。手動部分程序,通過開關X3 X4來手動調節小車的方向和速度

17、,同時通過碰觸限位開關來控制M1進而完成控制要求-碰到限位開關停下,需改變運行方向小車才能運行，否則小車不能運行。4 監控界面設計4.1 組態軟件介紹（1）力控組態軟件組態軟件指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，能以靈活多樣的組態方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開發界面和簡捷的使用方法，其預設置的各種軟件模塊可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和I/O設備，與高可靠的工控計算機和網絡系統結合，可向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進行系統集成。（2）系統的通信組態軟件一般都是由系統開發環境（或稱組

18、態環境）與系統運行環境兩大部分組成。系統開發環境和系統運行環境之間的聯系紐帶是實時數據庫，三者之間的關系如圖4-1所示。 組態環境：組態生成運用系統運行環境：解釋執行組態結果實時數據庫：組態結果圖4-1 三者之間的關系PLC支持N:N網絡通信、并行鏈接通信、計算機鏈接通信、無協議通信、可選編程端口五種類型的通信。在設計中可采用無協議通信和可選編程端口通信。監控組態軟件與PLC的通信如圖4-2所示。動作界面數據庫I/O Server適配器PLC獲得現場數據RS-232RS-422/RS-485組態軟件圖4-2 監控組態軟件與PLC的通信關系4.2監控界面開發過程 建立工程 打開應用管理器，選擇“

19、增加新應用”，在應用名稱對話框中輸入一個應用程序的名稱 “MonitorPLC”，按“確定”按鈕。在工程列表中會出現新建的工程，雙擊該工程，打開Draw，開始組態工作。創建點Draw導航器中雙擊“實時數據庫”項使其展開， 在展開項目中雙擊“數據庫組態”啟動組態程序DbManger，如圖所示。啟動DbManger后出現DbManger主窗口，如圖4-3所示。 圖4-3 導航器選擇菜單命令“點/新建”或在右側的點表上雙擊任一空白行，出現“指定區域和點類型”對話框，如圖4-4所示。 選擇“區域00”及“數字I/O點”點類型，然后單擊 “繼續”按鈕，進入點定義對話框，如圖所示。 圖4-4 選定點類型

20、在“點名”輸入框內鍵入點名 “MX0”，其它參數可以采用系統提供的缺省值。單擊 “確定”按鈕，在點表中增加了一個點“MX0”，如圖4-5所示。圖4-5 創建點名 重復以上步驟，創建MX1、MX2、MX3、MX4等點。如圖4-6所示。最后單擊“存盤”按鈕保存組態內容， 然后單擊“退出”按鈕，返回到主窗口。 圖4-6 創建新點定義I/O設備在Draw導航器中雙擊“實時數據庫”項使其展開，選擇“I/O設備驅動”項使其展開，在展開項目中選擇“PLC”項并雙擊使其展開，然后繼續選擇廠商名 “MITSUBISHI（三菱）”并雙擊使其展開后，選擇項目“FX系列編程口”，如圖所示。雙擊項目“FX系列編程口”出

21、現“I/O設備定義”對話框，在“設備名稱”輸入框內鍵入一個人為定義的名稱 “NEWPLC”（大小寫不限）。在通信端口下拉條中選擇 “COM1”，“設備地址”輸入框內鍵入1。其余保持默認值。點擊“完成”按鈕。如圖4-7所示。此時在導航器的“FP系列”下面增加了一項“NEWPLC” 圖4-7 選擇編程口數據連接現在將已經創建的5個數據庫點與NEWPLC聯系起來，以使這5個點的PV參數值能與I/O設備NEWPLC進行實時數據交換。這個過程就是建立數據連接的過程。如圖4-7所示，由于數據庫可以與多個I/O設備進行數據交換，所以我們必須指定哪些點與哪個I/O設備建立數據連接。 圖4-8 數據連接啟動數據

22、庫組態程序DbManager，雙擊 “MX0”，切換到“數據連接”一頁，出現如圖4-9所示對話框。點擊參數“PV”，在“連接I/O設備”的“設備”下拉框中選擇設備“NEWPLC”。點擊“增加”按鈕，出現如圖所示的“FX2n PLC組點”對話框。 圖4-9 I/O設備連接 在“I/O類型”選擇框中選擇每個點對應的類型，在“地址”輸入框中輸入0，“位偏移”輸入框中輸入0，點擊“確定”返回。如圖4-10所示 ，重復上述步驟，可連接所有定義過的點。在重復上述步驟時，對于同一個繼電器，位偏移依次加1。最終結果如圖4-11所示。單擊“退出”按鈕，返回DRAW主窗口。 圖4-10 I/O類型選擇 圖4-11

23、 數據庫 創建窗口 選擇“文件F/新建”命令出現“窗口屬性”對話框，如圖4-12所示。 圖4-12 創建窗口全部保持默認值，點擊“確定”按扭，建立了一個新的窗口按圖4-13所示繪制窗口圖形。 圖4-13 窗口· 制作動畫連接 前面已經做了很多事情，包括：制作顯示畫面、創建數據庫點，并通過一個自己定義的I/O設備“NEWPLC”把數據庫點的過程值與設備NEWPLC連接起來。現在再回到開發環境Draw中，通過制作動畫鏈接使顯示畫面活動起來。定義數據源界面系統除了可以訪問本地數據庫（即與界面系統運行在同一臺PC機上的數據庫）外，還可以通過網絡訪問安裝在其它計算機上的ForceControl

24、數據庫中的數據。因此，當在界面系統Draw中創建變量時，如果變量引用的是外部數據源（包括：ForceControl數據庫，DDE服務器或其它第三方數據提供方），首先對要引用的外部數據源進行定義。 激活Draw菜單“特殊功能S/數據源定義”，出現“數據源定義”列表框， 列表框中已經存在了一個數據源：“本地數據庫（DB）”。這是系統缺省定義的數據源，它指向本機上的DB數據庫。 動畫連接 有了變量之后就可以制作動畫連接。一旦創建了一個圖形對象，給它加上動畫連接就相當于賦予它“生命”使其“活動”起來。雙擊“X0”上面的圖形，彈出如圖所示的“動畫連接”對話框。按圖4-14所示。 圖4-14 動畫連接單擊

25、“顏色相關動作”一列中的“條件”按扭，彈出“顏色變化”對話框如圖4-15所示。 圖4-15 顏色變化如圖4-15所示，選擇“MX0”和“PV”，設定真假值的顏色，設定鼠標按鍵點擊和松開后的動作。然后“確認”每一個對話框，則按鍵的動畫連接就制作完成。同理，按上述步驟定義其余圖形的動畫連接。注意變量選擇與相應的標注相同，即MX0為監視PLC中的M0的接點，依次類推。保存制作結果單擊“變量選擇”按扭，彈出“變量選擇”對話框，如圖4-16所示。圖4-16 變量選擇如圖4-17所示，設定按鍵程序，鼠標點擊后，點的變化。 圖4-17 按鍵程序設定 圖4-18 水平位移設定 圖4-19 小車運行腳本設定 圖

26、4-20 小車位置初始值設定如上圖所示，設定初始變量carmove，雙擊小車，在水平移動上選擇carmove，設定小車變量的最大值和水平移動的距離，設定小車程序運行的腳本，進入程序的初始值及程序掃描的周期。小車運行腳本程序如下：if MY21.PV=1 then 判斷如果小車向左走，再次判斷。 if MY23.PV=1 then 如果小車以低速運行，則小車的 carmove=carmove-1; 位置變量自減1。 endif if MY24.PV=1 then 如果小車以高速運行，則小車的 carmove=carmove-2; 位置變量自減2。 endifendifif MY22.PV=1 t

27、hen 判斷如果小車向右走，再次判斷。 if MY23.PV=1 then 如果小車以低速運行，則小車的 carmove=carmove+1; 位置變量自加1 。 endif if MY24.PV=1 then 如果小車以高速運行，則小車的 carmove=carmove+2; 位置變量自加2。 endif endif· 配置系統在導航器中選擇“配置”、“初始啟動設置”，彈出“初始啟動設置”對話框，如圖4-21所示。點擊“增加”按扭，選擇“DRAW1”，“確定”該對話框。 圖4-21 初始啟動配置 到現在為止，上位機的組態程序已經制作完成。連接PLC和計算機，啟動FPWIN-GR，將

28、編寫好的PLC程序下載到PLC中并讓其運行，再切換到“離線”狀態。然后在ForceControl工程管理器中選擇應用程序“MonitorPLC”，進入“運行系統”。接通PLC的硬件線路可以看到組態畫面上的圖形顏色隨PLC上接點的變化而變化。5 運行調試5.1調試過程設計好PLC程序后，首先在PLC試驗臺上調試程序是否正確，連接好外部電路。清楚PLC內部存儲器，將PLC程序下載到PLC中，控制PLC運行。打開自動控制，按下開始按鈕，觀察PLC實驗臺上的指示燈是否按預期的亮滅。將自動控制切換到手動控制，按下開始按鈕，用調速開關和轉向開關分別控制，觀察實驗臺上輸出指示燈是否正常輸出。在自動和手動過程

29、中按下停止按鈕，觀察程序是否正常停止，再按下啟動按鈕，觀察程序能否再次啟動。 PLC實驗程序調試好后，再在雙速電動機上調試程序結果。連接好雙速電動機和硬件接線圖。清楚PLC內部存儲器，將PLC程序下載到PLC中，控制PLC運行。按照調試PLC程序的過程調試，觀察電動機在不同狀態下反應，電動機是否按實驗要求運行。 設計好組態監控界面后，將PLC程序中的輸入繼電器X全部用輔助繼電器M代替。首先在PLC試驗臺上調試監控界面是否正常運行。打開自動控制，按下開始按鈕，觀察監控界面上小車是否按預期運行，相應界面上的指示燈是否變色。再將運行模式調到手動控制，重復觀察上述結果。實驗臺上調試正確后，再在雙速電動

30、機上調試程序結果。打開自動控制，按下開始按鈕，觀察監控界面上小車是否按預期運行，相應界面上的指示燈是否變色，監控界面上的小車運行是否與實際中的同步。碰觸限位開關后，監控界面上的限位開關是否變色。 5.2調試中出現的問題及解決方法 在調試PLC程序時，發現按下啟動按鈕，PLC沒有輸出。經過檢查和排除后發現PLC試驗臺上停止按鈕是一個常閉按鈕，再設計程序是沒有注意到這個問題。而在做組態監控界面調試時，這個停止按鍵，鼠標點擊后應該是置0，松開后置1。 在做雙速電動機調試驗中時發現在手動過程中，小車左右轉向能夠正常轉換，但是在速度轉換時，小車的速度轉換的同時方向也轉換了。在經過了老師的指導和小組成員的

31、細心檢查后反現，原來是高速中有兩相的相序接錯了。將這兩相相序修正過來后電動機能正常運行。 在做組態監控界面設計時，發現組態上小車的速度和位移不好控制。再認真分析了組態軟件以及老師給的例題后發現，小車的位移和速度與四個因素有關還有腳本程序再分別測量了小車高速和低速從左至右運行的時間后，相應地設計出了這個數據，使得監控上的小車能夠實際上的同步。5.3結果分析 自動過程:按下啟動,同時按下自動按鈕后,組態上的自動左移按鈕和低速按鈕由綠變紅,這反映出小車是低速左移的,碰到限位開關后,自動右移按鈕和高速按鈕由綠變紅,說明小車高速右行,當X22變紅色時,自動左移按鈕和低速按鈕重新由綠變紅,定時器開始計時5.5秒,到時間后,停止按鈕會變紅,及小車低速左移5.5秒后自動停止. 同理，向左自啟動，會出現相反結果，最終停在軌道中間。 手動過程: 只要碰到相應限位開關，小車動作全部停止。在運行的過程中，可以隨意切換高低速度，同時進行隨意方向任意切換，相應的指示燈也隨之變化。6 總結三周的課程設計轉眼間結束了，在這次課程設計的實驗中，不僅檢驗和加深