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1、. 南京工程学院南京工程学院 自动化学院自动化学院 本科毕业设计(论文)本科毕业设计(论文) 题目: 基于基于 PLC 的高空作的高空作业车业车自自动调动调平系平系统统 专 业: 自自动动化化 班 级: 自自动动化化 061 学 号: 学生姓名: 指导教师: 起迄日期: 2010.3.12010.6.18 设计地点: 工工 程程 中中 心心 _ . Graduation Design (Thesis) The high assignment car is based on PLC automatic levelling system By XXX Supervised by Xxx Schoo
2、l Of Automation Nanjing Institute of Technology June, 2010 I . 摘 要 高空作业车在世界上已有近四十年的发展历史,现已形成一个完整的专用产品研发、 生产体系如美国的 CROVE(格洛夫)、GENIE(吉尼)、英国 COLES (西蒙 ),意大利的 RICO(利高),芬兰 BRONTO(布朗托)公司等,并且它们各有侧重,如 BRONTO 侧重于高空消 防车系列,COLES 侧重于车载高空作业平台等高空作业车在世界上已有近四十年的发展历 史,现已形成一个比较完整的专用产品研发和生产体系。高空作业车是一种应用范围广 泛的工程机械;本课题主
3、要介绍了高空作业车工作平台常用调平装置的结构和调平控制 的工作原理;高空作业车自动调平控制系统由 PLC、双轴倾角传感器和 1 套液压执行机 构组成。自动调平过程中,传感器分别检测作业平台的 X、Y 轴方向作业平台水平状态, 当发生倾斜时,传感器就传出模拟信号(电压/电流)与给定精度的设定值相比较并将结 果传给 PLC。PLC 根据预置程序输出调平信号分别控制各电磁阀,经液压执行机构改变作 业平台水平倾角消除水平误差,实现自动控制调平。因此,本课题就是设计自动调平控 制系统,满足所需精度。以德国西门子(Siemens)公司生产的 SIMATIC S7-200 可编程逻 辑控制器为主控器件,设计
4、一种自动调平系统,给出系统的硬件构成,设计系统的控制 软件。 关键词:PLC;自动调平;高空作业车 II . ABSTRACT Aerial vehicles in the world ,has nearly 40years of development history,has formed a relatively complete product research and specialized production system. Aerial vehicle application is a wide range of construction machinery ;The main
5、topics on the aerial work platforms used cars leveling the structure and level control of the working principle . Aerial vehicle automatic level control system by the PLC, biaxial angle sensor and a set of performing machine.Automatic leveling process ,Sensors detect platform X, Y.axis platform stat
6、e level ,and compare to the values of error set in advance,then send the results to PLC. PLC will put the controlling signals out according to the programs designed in advance to control the solenoid valve to exchange. Hydraulic by changes in the level of operating platform inclination to eliminate
7、error level. So it will come to adjusting level automatically. The issues is to design a control system of automatic levelling ,and meet the needed accuracy in need.An automatic levelling system designed with SIMATIC S7-200 control device of SIEM ENS as master control device,the hardwares of the sys
8、tem ,and it corresponding softwares are described. Keywords:Programmable logic controller; Automatic levelling; Aerial vehicles 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) I . 目录目录 第第 1 章章 绪论绪论.1 1.1 高空作业车的现状及发展方向1 1.2 可编程控制器的产生4 1.3 可编程控制器技术的现状4 1.4 可编程控制技术的发展趋势5 1.5 PLC 与其它工业控制系统的比较5 1.5.1 PLC 与继电器控制系统的比较.5 1.5.2 PLC 与
9、单片机控制系统比较.6 1.6 PLC 在高空作业车上应用的可能性和前景6 1.7 课题研究的主要内容8 第第 2 章章 高空作业车自动调平系统的总体设计高空作业车自动调平系统的总体设计9 2.1 高空作业车自动调平系统的分析和提高.9 2.1.1 自动调平现状.9 2.1.2 自动调平存在的问题.9 2.1.3 调平控制原理.10 2.2 可编程控制系统控制方案的设计11 2.3 PLC 控制的自动调平13 2.3.1 自动调平控制系统的调平功能要求.13 2.3.2 系统硬件设计.14 2.3.3 PLC 程序设计及系统分析.14 第第 3 章章 主要测控元件参数、性能、型号的选择主要测控
10、元件参数、性能、型号的选择.19 3.1 SIMATIC S7-200 系列 PLC 介绍.19 3.2 PLC 的选择23 3.3 其它测控元件参数、性能的确定24 第第 4 章章 自动调平系统控制算法自动调平系统控制算法27 4.1 倾斜角度与电压或电流的转换.27 4.2 PLC 的数字量输出28 4.3.2 输入校准29 4.3.3 模拟量输入模块的输出值转换30 第第 5 章章 系统的编程和设置系统的编程和设置.32 5.1 PLC 的软件设计.32 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) II . 5.1.1 概述32 5.1.2 PLC 编程软件 Step7 简介 33 5.
11、1.3 PLC 程序的总体结构 34 5.1.4 PLC 控制流程图 .35 5.1.5 模拟调试36 第第 6 章章 结论与展望结论与展望40 6.1 结论.40 6.2 毕业设计的收获.40 6.3 存在的问题不足40 6.4 展望.40 参考文献参考文献.42 致致 谢谢.43 附录附录.44 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 1 . 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 高空作业车的现状及发展方向高空作业车的现状及发展方向 高空作业车在世界上已有近四十年的发展历史,现已形成一个完整的专用产品研发、 生产体系如美国的 CROVE(格洛夫)、GENIE(吉尼)、英国 COLES (西
12、蒙 ),意大利的 RICO(利高),芬兰 BRONTO(布朗托)公司等,并且它们各有侧重,如 BRONTO 侧重于高 空消防车系列,COLES 侧重于车载高空作业平台等。高空作业车发展到现在,其作业高 度最高已到达 72m(BRONT 公司生产),作业车的可靠性 、安全性、舒适性、操作方便和 简单的直接性等方面都有较大提高,而且随着电子计算机的普及和发展以及机、电、液 一体化研究的进展,国外各大公司竞相采用电脑(电子)操控系统,提高整机性能,减少整 机液压元件的使用,减小整机体积及重量,提高操控的灵敏度。 高空作业车按工作臂的型式,有四种基本型式,分别为:垂直升降式、折叠臂式、 伸缩臂式和混合
13、臂式。 在我国,虽然对高空作业车的研制、生产起步较晚,但是随着我国经济的快速发展, 高空作业车的使用面、服务领域不断扩大,现正处于较快的发展阶段,特别是各生产厂 家积极引进和消化国外先进技术,开发新品种,提高产品技术和质量水平,已有部分达 到或接近国际同类产品的水平。如浦沅集团公司已能生产作业高空 6m 到 60m 共 12 种规 格近 3 个品种的高空作业车,杭州园林机械厂引进日本先进技术和管理经验,在近几年 内开发出适合国内用户需要的 l0 多个新品种,能生产 26m 内的各种绝缘及通用高空作业 车,形成年产 350 台以上的生产能力,占有国内中小高度高空作业车市场 50左右的份 额,并有
14、部分产品出口;抚顺起重机总厂锦州重型机械股份有限公司和徐州重型机械厂 针对国内大高度消防救援作业车依赖进口状况,先后开发了 30m 以上的高空消防作业车, 产销良好,深受用户欢迎;徐工集团生产非常适合路灯、隧道维护使用的 20m 以内的高 空作业车,并完成了 67m 大高度高空消防救援车的研制。有关专家预测,我国高空作业 车在未来几年仍将保持较高的产销增长率,特别是大中城市基础设施建设和维护等方面 的需求增长更快。其生产规模不断扩大,形成了各自特色的产品系列,基本能满足国内 市场高空作业机械的需要,企业的各项主要经济指标逐步上升,经济效益也逐年提高。 主要表现为以下几点: 1、产品性能的提高
15、我国高空作业车机械行业的一些骨干企业利用自己的技术和设备优势,通过学习、 引进和消化国外先进技术开发了许多新产品,其产品的技术水平和产品质量都不断提高, 达到和接近了国际同类产品的水平,推动了高空作业车机械行业的技术进步,在国内市 场中竞争力强、市场销路好产量增加较快。如北京起重机器厂开发了自行式剪叉平台、 蜘蛛式折臂平台、箱型截面铝合金桅柱平台。其中箱型截面铝合金桅柱平台单桅柱最大 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 2 . 作业高度达到了 16.5m;杭州赛奇工程机械厂多桅柱铝合金平台达到了 22m,杭州爱知工 程车辆有限公司开发的全液压驱动型自行式高空作业平台最大作业高度可达 2
16、6.7m。以上 产品填补了国内产品空白,达到了国际先进水平。此外,在高空作业车产品方面,抚顺 起重机总厂、锦州重型机械股份有限公司、徐州工程机械集团以及重庆大江工业 (集团) 有限公司等先后开发了 30m 以上的高空消防作业车,彻底打破了国内只能依赖进口产品 的薄弱局面。 2、产品种类和数量不断增加 我国高空作业车机械产品的需求量随着国民经济和城市建设的发展逐年增加,各种 规格的新产品近几年增加较快。如北京起重机器厂在短短几年时间先后开发了车载剪叉 式平台、剪叉自行式平台、折臂式平台、单桅柱铝合金平台和双桅柱铝合金平台、箱型 截面铝合金桅柱平台、手动铝合金桅柱平台等近 10 个品种、30 多个
17、规格的产品。杭州赛 奇工程机械厂近几年先后开发了单桅柱铝合金平台、双桅柱铝合金平台及多桅柱铝合金 平台,其中多桅柱铝合金平台完成了 10m、12m、14m、16m、18m、20m、22m 共 7 种 规格的研制。杭州爱知工程车辆有限公司开发了全液压驱动的自行式高空作业平台,为 国内船舶修造、建筑、机场及工矿企业的安装检修工程等提供了 新的品种。浦沅集团有 限公司开发了 12m、16m、20m、25m、30m 高空作业车和 QKH8198 起重及高空作 业车。锦州重型机械股份有限公司近年也完成了 22m、32m、50m 大高度高空消防救援车 的研制,徐州重型机械厂完成了 67m 大高度高空消防救
18、援车的研制。 3、高空作业车所存在的问题 (1)部分企业技术创新能力较差。 部分企业不重视产品的更新和新产品的开发产品几十年一贯制,品种规格单一、市 场经营范围窄,使企业产品产量逐年下降,企业效益差;近几年,国外高空作业机械产品 纷纷进入国内如芬兰的 Bronto 公司、美国的 JLG、Genin、Upright、Snorkel、Skyjack 等 公司以及英国、意大利、丹麦的一些著名公司在国内都相继设立了办事机构,而且在大 高度产品和特殊产品中仍然占有国内主要市场,如高空绝缘作业车、蜘蛛式大高度作业 平台、自行式高空作业平台等。这些进口产品性能好、外观美,价格与国内产品相差不 多,具有很强的
19、竞争力。 (2)缺乏高空作业车的专用底盘。 高空作业车是由汽车底盘改装而成的,属于工程车辆范畴,长期处于重载状态,行 驶距离短、车速慢,使用频率不高。为便于在各种街道行驶,要求体积小、轴距短,又 因其重心高,要求底盘大梁低。使用的底盘与一般货车底盘有所不同在汽车大梁两侧应 力集中处都进行了加强,发动机功率比一般货车大,轮胎小而载荷大,部分底盘大梁前 高后低,其它部分也作了适当的改进。我国到目前为止还没有高空作业车专用底盘,只 能选择一般货车底盘,由于选择范围比较窄,给设计 、选型带来许多困难,同样高度的 高空作业车底盘往往比国外产品的底盘大一个档次,造成车身宽、轴距长,使整车外型 又大又高,行
20、驶也不灵活。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 3 . (3)专业化生产水平低的小作坊式企业较多。 国内大部分企业以自主生产为主,专业化生产水平很低,工艺落后、劳动生产率低。 一些小公司、小作坊式企业纷纷生产高空作业机械,如在江苏、广东等地,一个地区就 有数十家企业,这些小企业的产品产量少、质量差、价格低,严重冲击和影响着正常的 市场销售。 4、高空作业车行业的发展方向 高空作业车是用于电力、通信线路工程安装和维修的专用车辆。目前国内使用的高 空作业车大多采用吊篮式车辆,工作时需设有专用支腿, 且在设计中必须考虑其稳定性。 高空作业车也是用来运送工作人员和工作装备到指定高度进行作业的
21、特种车辆,是将高 空作业装置安装在汽车底盘上组成的。高空作业装置包括工作臂、回转平台、副车架、 工作斗、液压系统和操纵装置等。现在的高空作业装置具有操作平顺、工作稳定、自动 调速、安全可靠等优点,大大提高了空中作业的工作效率。高空作业车是利用汽车底盘 作为行走机构,具有汽车的行驶通过性能,机动灵活,行驶速度高,可快速转移,转移 到作业场地后能迅速投入工作,因此被越来越多的应用在工程建设、工业安装、设备检 修、物业管理、航空、船舶、石化、电力、影视、市政、园林等许多行业,是近几年来 国内发展最快的专用汽车产品之一。 高空作业行业作为城市建设的新型产业,必须调整产品结构。要抓好供电用高空作 业机械
22、产品、建筑用自行式登高作业机械及带电绝缘高空作业机械产品的开发,室内外 轻型作业平台和 25m 以上消防救援高空作业车的开发和应用。总的发展趋势是致力于扩 大高空作业机械的作业范围,满足不同作业的需要;确保使用人员的作业安全;提高操 纵和使用性能。高空作业平台产品以往国内大多以手推式为主,体积大、质量重,更换 工作场地非常困难,给用户使用带来不便,而发达国家在产品上早已更新。因此,开发 轻便的铝合金平台和自行式平台有着广阔的前景,从国内近几年开发的铝合金平台销量 来看也证明了这一点。应该优先进行高空作业机械的自动控制和安全保护技术、室内外 轻型作业平台及自行式作业平台和大作业幅度平台及新型多功
23、能高空作业车的研究和开 发。 为了适应我国高空作业车发展的需求,要着眼于长远目标,走规模化、标准化、集 约化、产品配套化、系列化的道路;要尽快地培养高素质的专业人才,要建立一套适合 国际标准的生产体系和质量体系,在高空作业机械国际标准化组织(TC214)已有的标准范 围之外,建立适合我国的标准化质量体系,以防止国外技术垄断;各厂家要做到强强联 合,在研发上与高校及专业研究机构联合研发,加快相关产品的研制和研究成果的生产 转化,提高产品质量,避免各自为营的现象;要能带动国内基础零部件、配套产品的发 展,使之形成完整的生产体系、配套体系,同时,形成几家在技术力量、产品质量、人 才储备上能达到国际先
24、进水平的配套件生产厂家。尤其在现阶段,要优先做好以下产品 和技术的研发: l、建筑用自行式作业平台和蜘蛛式作业平台; 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 4 . 2、带电作业(10KV 以上)的绝缘高空作业车; 3、25m 以上多功能消防救援高空作业车; 4、室内外轻型作业平台; 5、大作业幅度平台及新型多功能高空作业车; 6、高空作业机械的自动控制和安全保护技术的研制; 7、机电、液一体化技术在高空作业车上的应用。 国外的高空作业车的发展比我们国发展得早,虽然我国部分高空作业车技术差不多 达到国际水平,但还是有些差距的,要达到和国外高空作业车技术水平还需要一段时间; 而目前国外的高空
25、作业车技术发展都比较成熟,主要是他们采用信息化等多方面技术相 结合,使得其性能有了大大的提高。与我国的高空作业车相比主要优点表现为: 1、车型多; 2、工作半径大; 3、精度较高; 所以,我国的高空作业车技术水平要赶上国外高空作业车技术的发展水平,还须努 力。 1.2 可编程控制器的产生可编程控制器的产生 1969 年,美国数字设备公司(DEC)研制出第一台 PLC,在美国通用汽车自动装配线 上试用,获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂,操作方便,可靠性高, 通用灵活,体积小,使用寿命长等一系列优点,很快地在美国其他工业领域推广应用。 到 1971 年,己经成功地应用于食品,饮料,冶
26、金,造纸等工业。虽然 PLC 问世时间不长, 但是随着微处理器的出现,大规模,超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术 的不断进步,PLC 也迅速发展。 1.3 可编程控制器技术的现状可编程控制器技术的现状 可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称 PC 或 PLC,是 60 年代末发明的 工业控制器件,是美国数字公司(DEC )为美国通用公司(GM)研制开发并成功应用于汽车 生产线上,可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展,PLC 软硬件水平与规 模也发生了质与量的变化,其控制技术也朝着智能化方向不断发展,同时推动了先进制 造技术的相应发
27、展。现代 PLC 已经成为真正的工业控制设备。最初,PLC 主要是用在生 产线控制和大型机械的控制上。但不久,西德的西门子(SIEMENS)公司、BBC 公司就开 始研制 PLC,当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。70 年代初,日本的 OMRON 也推出了他们的 PLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加 入了 PLC 制造者的行列。70 年代中期,美国和西德首先出现了微电脑化的小型 PLC。由 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 5 . 于 PLC 是为工业控制所生产的通用性很强,适合于大批量生产的装置,所以成本迅速下 降;加上其是专为工业控制所设计,所以具有
28、极好的抗干扰性能;并且他的使用和维护都极 为方便,实现了低水平的操作、高性能的控制,所以在机械制造业深受欢迎。小型 PLC 开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域,其 成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战,更 有全面取代传统继电器控制屏的趋势。据国外资料介绍:1982 年美国 PLC 用户中,有 48%来 自自动程序操作部门(如汽车、拖拉机工业、机械工业等) 、13%来自石油化工业、9%来 自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门1。近年 来,随着我国对外开放,日、美、西德等国生产的 PLC 己
29、通过多种途径进入了我国,引 起了各方面的重视并得到应用。如宝钢工程应用了数百台 PLC,首钢、武钢、开滦煤矿 也分别应用了美国和西德的 PLC。 1.4 可编程控制技术的发展趋势可编程控制技术的发展趋势 长期以来,PLC 始终处于工业自动化控制领域的主战场,为各种各样的自动化控制 设备提供了非常可靠的控制应用。随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求, 可编程控制技术得到了飞速的发展,其技术和产品日趋完善。仅仅将 PLC 理解为开关量 控制的时代己经过去,PLC 不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要,而且将通 信技术和信息处理技术融为一体,其功能也日趋完善。今后,PLC 将主要朝着
30、以下两个 方向发展:一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向高速多功能和分布式自 动化网络方向发展。 1.5 PLC 与其它工业控制系统的比较与其它工业控制系统的比较 在现代工业设备及自动化项目中,我们会遇到大量的开关量、脉冲量及模拟量等控 制装置。如电机的启动与停止,电磁阀的开闭,工件的位置、速度、加速度的测定,产 品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等。传统的工业自动控制主要 是由继电器或分离的电子线路来实现的。这种控制方式虽然造价便宜,但却存在许多致 命的弱点:只适用于简单的逻辑控制,仅适用某种控制项目,缺乏通用性,一旦要实现 改动或者优化,只能通过硬件的重新组合来
31、实现。目前,工业界比较有代表性的控制方 式主要有以下几个类别:继电器控制系统,单片机控制系统,微型计算机系统,集散型 控制系统,而继电器和单片机控制系统较为典型。 1.5.1 PLC 与继电器控制系统的比较与继电器控制系统的比较 继电器控制是采用硬接线逻辑,利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动 作来组成控制逻辑,其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场做一 些更改和扩展更是难以实行。而 PLC 是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储 起来的,所以只要改变 PLC 内存储器的内容,也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 6 .
32、 PLC 来讲,只要用 PLC 配备的编程器在现场就可以完成更改。至于 PLC 对外部的联系, 只有 I/0 点,只要输入输出对象不变,就无须对硬接线作任何改动。继电器控制逻辑是依 靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低。一次动作般为数十毫秒。对于复杂的控制, 使用的继电器越多,反应就越慢。而 PLC 是以微型计算机为基础的控制装置,其运行速 度为每个指令步数十微秒(对于高速 PLC 则是 5 微秒以下)。并且内部有严格的同步,所 以不会出现抖动的问题。 对于限时控制,继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。由于时间继电器是 利用空气阻力,半导体延时电路来实现延时的,所以其定时精度低,调整不
33、方便。且环 境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而 PLC 则是由晶体振荡器所产生的脉 冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的,定时范围一般为 0.1 秒,也有 0.01 秒的,精度一般高于 10 毫秒,只要根据需要由编程器送入时间常数即可实现定时时间的 设定或更改。由于 PLC 的定时是对时基脉冲进行计数来实现的,所以如果是对外脉冲进 行计数,就成为计数器。现代的 PLC 一般都具有定时器和计数器功能。 从可靠性和可维护性方面来看,继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点,连接 线也多,触点开闭时产生的电弧会使触点损坏,动作时的机械振动还可能使接线松动, 所以可靠性和可维护性都较
34、差。而 PLC 则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点, 确切地说是用存贮器内的数据来代替触点,因此不存在上述缺点。而且体积小、功耗小、 寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能,使程序的运行过程成为透明1。 PLC 一般还具有步进控制指令,可以进行步进控制,而继电器逻辑就比较困难。继电 器逻辑只能对开关量进行控制。而 PLC 除了具有开关量控制功能外,有些功能较全的 PLC 还具有 A/D、D/A 转换装置,可以用来对模拟量进行控制。 1.5.2 PLC 与单片机控制系统比较与单片机控制系统比较 虽然单片机的配置较微机系统简单,成本也较易接受,但它仍然不是为工业控制而 设计的。同样存在着
35、编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作,可靠性仍较差,成本 高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力,但工业控制都为开关量控制,所以其长处仍 得不到发挥。单片机与 PLC 的比较:在很大程度上,单片机是专为工业控制而设计的。 因此,它具有较好的环境适应性。事实上,现代 PLC 的核心就是单片微处理器。用单片 机作控制部件在成本方面具有优势。但是不可否认,从单片机到工业控制装置之间毕竟 有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然 PLC 也有必不可少的软件开发过程,但两者所 用的语言差别很大,单片机主要使用汇编语言开发软件。而 PLC 用专用的指令系统来编 程的。前者复杂而易出错,开发周期长。后者简便易学
36、,现场就可以开发调试。 单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受 CPU、内存容量及 I/O 接口的限制;软件上主要受限于与 CPU 类型有关的编程语言。一般说来单片机或单片机系 统的应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都相当差9。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 7 . 1.6 PLC 在高空作业车上应用的可能性和前景在高空作业车上应用的可能性和前景 目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应 用都得到了长足的发展。自 PLC 发展及应用以来,在工业自动化方面随着计算机科学的 发展和工业自动化愈来愈高的需求,可编程控
37、制技术得到了飞速的发展,其技术和产品 日趋完善。PLC 在许多领域中都得到广泛的应用。高空作业车是在高空中进行作业,为 了能够保证工作的方便和人员的人身安全和工作效率,我们必须要保证其作业平台的稳 定,之前大多数都是使用手动调平,这样不仅使调平精度得不到保证,而且随着工作时 间的长久以后会产生很多的误差,导致作业平台发生倾斜,容易导致事故的发生,甚至 会造成工作人员的伤亡。这样会造成不必要的损失。所以为了避免该事故的发生,我们 采用 PLC 来对高空作业车作业平台进行自动控制调平系统,这样作业平台就不会随作业 时间推移而导致作业平台不平衡或者发生事故。因为 PLC 会在作业平台发生倾斜时自动
38、调节使之平衡而且还将保持很长的一段时间不改变。之所以它能够自动控制使作业平台 自动调平,那是我们采用一种闭环控制,在作业平台上装上双轴倾角传感器,在工作过 程中如作业平台发生倾斜的话,双轴传感器会反馈信息给 PLC,而 PLC 会通过人们给定 的标准值来对比进而对其作业平台进行调平,从而实现自动控制调平。所以 PLC 技术在 高空作业车的自动调平系统上得到广泛的应用而且在一段漫长的时间里将被延续的发展 趋势。 高空作业车的最大特点是动作复杂、频繁,且有较多的执行元件。在这种场合使用 继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器,而这些中间继电器在用 PLC 控制的情况下, 就可以对其内部的辅助继电器
39、进行编程后来取代。从物理介质方面来讲,前者是要用具 体的电气元件来组合,而后者只是 PLC 的内部寄存器,在 PLC 编程容量许可的范围内, 可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的 PLC 都有上百点内部辅助继电器 甚至更多,且还有多种专用的内部电器,足可以应付一般的控制要求,唯一需要做的工 作就是对 PLC 进行编程。事实上 PLC 用于这种场合是最能显现出其经济性。当然我们不 仅忽视了 PLC 的另一个优点,那就是其运行速度及可靠性和寿命远远高于继电器控制方 式,从上述意义上来讲,PLC 最适合于需要大量中间继电器的场合。且 PLC 与其他工业 控制系统比较具有许多优点: 1).
40、更改控制逻辑只需修改软件,无需对硬件作改动; 2).程序可以复制,批量生产很容易; 3).电气硬件设计大大简化; 4).由于 PLC 除有继电器功能外,尚有多种其它功能,可以实现继电器无法实现的控制 功能,实现某种程度上的智能化,并有可能使机构简化; 5).可靠性高; 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 8 . 6).成本相对于继电控制而言稍高,但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加,成 本急骤上升,而 PLC 控制几乎保持不变,这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟 的优越性; 7).具有扩展单元或扩展模块,当需要较多 I/0 时可以方便地扩展。 如果用 PLC 来控制的话,则可以简
41、化机械结构,机械和电气设计都可以得到简化。 更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现,使机器在某种程度上实现智能化。 所以,我们决定采用 PLC 控制自动调平系统。 从技术上看,计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上, 会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现;从产品规模上看,会进一步 向超小型及超大型方向发展;从产品的配套性上看,产品的品种会更丰富、规格更齐全, 完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求;而 PLC 又有 可靠性高,抗干扰能力强、配套齐全、易学易用、系统的设计、建造工作量小,维护方 便、体积小,重量轻等特点;因为 P
42、LC 种种优点使得其良好的性能够得到工业生产中的 广泛应用,而且将在高空作业车等高空机械行业中发挥越来越大的作用。 1.7 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 以德国西门子(Siemens)公司生产的 SIMATICS7-200 可编程逻辑控制器为主控器件, 设计高空作业车自动调平系统,给出系统的硬件构成,设计系统的控制软件。本课题主 要设计 PLC 对高空作业车的作业平台进行自动控制调平系统。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 9 . 第第 2 章章 高空作业车自动调平系统的总体设计高空作业车自动调平系统的总体设计 2.1 高空作业车自动调平系统的分析和提高高空作业车自动调平系统
43、的分析和提高 根据高空作业车的服务范畴和工作原理及其构造,本设计主要是在其基本性能上改善, 设计一种高空作业车的自动调平系统,使其的性能更加稳定、舒适、可靠等。 2.1.1 自动调平现状自动调平现状 工作平台的调平系统主要是应用在军用机动雷达、导弹战车、激光武器发射平台以及 工业过程中的高空机械行业等领域。 纵观国内、外此类平台的调平系统,其形式是多种多样的:按支承结构方式分有三点 支承调平、四点支承调平和六点支承调平;按自动化程度分有手动调平和自动调平;按执行 机构分有机电式和电液式;其中三点支承调平大多采用手动调平,而四点、六点都采用自 动控制。三支撑调平容易实现,但抗倾覆能力差。四支撑、
44、六支撑抗倾覆能力强,但存 在静不定问题,容易产生“虚腿” ,静不定次数越高,系统越复杂 。 上世纪八十年代以前一般用三点支承、手动调平,如原苏制的 5A-2 防空导弹发射具 的调平系统和法制响尾蛇主战车。 随着计算机技术和控制技术的发展,目前应用 PLC 技术控制已经非常普遍,一般使 用 PLC 作为控制中心,以电磁阀控制液压缸作为执行机构4。四点、六点支承的电液调 平系统,比如用在导弹发射车平台的调平系统和车载雷达的调平系统,都是用 PLC 来控 制整个电液系统;而高空作业车一般都是四点支承其工作平台,自动调平系统采用 PLC 技 术来控制。 近年来,随着高科技发展与进步,要求车载平台有更高
45、的调平精度和稳定性,采用 继电器控制系统已经不能满足系统精度的要求,随之出现了用 PLC 控制系统来代替继电 器控制。特别是计算机技术、传感器技术的发展,使高精度、高稳定性的调平系统得以 实现。 综上所述,车载平台经历了从手动调平到自动精确调平的阶段,同时相应的计算机 技术、传感技术和自动控制技术也有了长足的发展。 2.1.2 自动调平存在的问题自动调平存在的问题 (1).调平容易产生“虚腿” ,导致工作平台不稳定; (2).调平精度不够高,不能满足工作要求; (3).调平使用时间过长,影响工作效率。 所以,目前国内外高空作业技术的发展方向主要是克服这些缺点去发展,而且随着 高科技发展与进步,
46、特别是计算机技术、传感器技术的发展,我想在不久的将来将实现 高空作业车工作平台的高精度、高稳定性的调平系统得以实现。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 10 . 2.1.3 调平控制原理调平控制原理 PLC 是该系统的控制器。其控制过程为:在 PLC 调平功能启动后,由双轴倾斜传感 器不断地监测车身的倾斜角,将监测信号不断地传回 PLC 中,将该路信号与 PLC 中的给 定值进行比较,计算出偏差值,将偏差值按照一定的程序算法进行计算处理发出相应的 使误差向减小的方向变化的控制信号,经功率放大器放大后,驱动四块电磁阀中相应的 阀开启或关闭,控制相应的腿油缸的升降,减小车身的倾斜角,再经
47、水平传感器的检测, 将监测信号传回 PLC 中计算出偏差值,进行内部控制计算处理,当误差信号达到指定的 误差范围内时,PLC 发出停止命令,从而达到控制车身自动调平的作用。根据调平系统 实际情况,可以考虑 2 种调平算法: (1).开环调节,即计算出工作低边与高边的垂直高度差,直接控制低边撑腿上升或高边 下降到这一高度; (2).闭环调节,在低边撑腿上升过程中不断地测量工作台的倾角,且不断调整,当工作 台的倾角符合调平要求时,撑腿停止运动,调平过程结束。开环调节算法要求工作台是 一理想的刚性平面,工作台无扭曲变形,4 条撑腿安装一致且与工作台面垂直,调节过程 中工作台绝对无变形。上述条件在实际
48、中是难于保证的,而闭环调节算法对控制对象的 一些软参数要求不高,实际调节效果好。因此,调平控制系统采用闭环调节方法,其控 制框图如图 2.1 所示。控制器根据监测工作平台的水平传感器来控制执行机构的动作和位 移,使调平系统成为一闭环控制系统。图 2.1 如下: 图 2.1:自动调平闭环控制系统 本系统主要采用闭环恒值控制方式。被控对象是高空作业车的作业平台,被控量是 高空作业车作业平台的水平倾斜角度,比较元件和反馈元件可以由两个高精度电子倾角 传感器组成或者用单个双轴倾角传感器即可实现,这里考虑到经济的问题,我采用双轴 倾角传感器,其主要功能是分别检测作业平台 X 轴(纵向)和 Y 轴(横向)
49、水平状态, 与我们给定初始设定值(理想值为零)相比较,并将比较结果作为输入信号传给 PLC。 执行机构是支承作业平台的 5 个液压缸。控制元件由安装在液压控制回路上的与支承作 南京工程学院自动化学院本科毕业设计(论文) 11 . 业平台的液压缸分别相连的 5 个电磁阀组成,其控制作用由 PLC 根据预设的控制程序进 行控制。自动调平控制系统的工作原理如图 2.2。在系统进入自动调平程序时,双轴倾角 传感器分别检测出高空作业车作业平台的 X 轴(纵向)和 Y 轴(横向)方向水平状态 (如图 2.2) ,当误差值超出允许值后,就会产生一个电信号,经放大电路传给 PLC,PLC 根据预先设定的调平程序输出控制信号,传给控制 5 个柱塞式支承油缸动作的电磁阀, 产生开启或关闭,支承油缸就会在油泵液压动力或车身重力作用下,产生向上或向下的 位移量,从而带动作业平台水平倾斜角向着相反的方向改变,实现自动消除水平误差的 目的。通过倾角传感器多次的检测,PLC 控制的调节致使最终达到自动控制调平的过程, 调平结束后应使此状态保持;这样就能使高空作业车在作业过程中总保持平衡稳定的状 态。实现高空作业车的可靠性、稳定性、舒适性的优越性能。 电磁阀N支腿液压缸N 作 业 平 台 双轴倾角传感器
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