第5章 基于PLC的自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1PLC理論基礎(chǔ)在中國的工業(yè)中我們會(huì)經(jīng)常使用應(yīng)用程序，往往采用PLC控制即（可編程控制器）如圖5-1所示。圖5-1PLC的整體認(rèn)識(shí)5.1.1PLC中的重要組成CPU,存儲(chǔ)器為其提供儲(chǔ)存功能，I/O接口，電源給其供能，編程器編譯數(shù)據(jù)這五大模塊組成了PLC，如圖5-2、5-3所示。圖5-2 PLC基本結(jié)構(gòu)圖5-3 PLC控制電氣原理圖5.1.2PLC的基本原理在下圖中有三個(gè)部分，第一輸入部分，第二輸出部分，第三控制部分，這三個(gè)構(gòu)成了整個(gè)的一個(gè)完整的PLC的電路。圖5-4PLC系統(tǒng)的等效電路圖①輸入部分本部分的作用主要是采集信號(hào)并將其輸出到下一模塊，然后外部模塊通電后開始工作，繼電器隨之也開始運(yùn)轉(zhuǎn)起來，正式開始了工作②內(nèi)部控制電路本電路是人性化的，它根據(jù)用戶的需求來進(jìn)行程序的執(zhí)行控制，并對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，最后輸出正確結(jié)果。③輸出部分輸出部分由三部分組成，有被控對(duì)象的接線端子和被控對(duì)象以及內(nèi)部控制，配置標(biāo)準(zhǔn)是在外部的電源對(duì)被控對(duì)象唯一總而言之，繼電器的線圈和等效的輸出的動(dòng)觸點(diǎn)是PLC的縮減版5.1.3PLC的工作過程①PLC的運(yùn)行方法PLC根據(jù)合理的順序依次掃描，在完成執(zhí)行工作后更完成了整個(gè)掃描工作②PLC在工作中的狀態(tài)作PLC通常使用RUN模式，它一次又一次的工作是為了讓PLC兩端信號(hào)及時(shí)響應(yīng)，不工作了是在換成STOP或有毛病時(shí)。圖5-5 循環(huán)掃描工作過程③PLC從輸入到輸出的動(dòng)作從圖中看出三個(gè)部分，如：輸入的采樣，程序的執(zhí)行，輸出的刷新。圖5-6 PLC執(zhí)行程序過程示意圖（1）輸入采樣階段（2）程序執(zhí)行階段（3）輸出刷新階段5.2PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)舉升機(jī)構(gòu)的控制器在系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，是每一項(xiàng)操作的重要的開，它不受其他的影響與作用，每一步驟的動(dòng)作可由它直接控制。在國內(nèi)的市場中，有各種各樣的PLC，但通過比較，慎重的選擇了西門子S7-200PLC，它有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：結(jié)構(gòu)緊湊，擴(kuò)展性好，指令有著強(qiáng)大的功能，價(jià)格親民，所以選擇了它，西門子PLC能夠充分發(fā)揮它的作用，也滿足了舉升機(jī)的工作需求，并且能夠順利完成本設(shè)計(jì)5.2.1舉升角監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)本文采用ZCT1180KS1-SNS-29式的不用接觸的傳感器對(duì)本設(shè)計(jì)的舉升角進(jìn)行監(jiān)控。電源電路原理如圖5-7所示。圖5-7 角度傳感器電源電路原理圖圖5-8所表示的是本節(jié)介紹的工作原理圖，在獲得比較電壓V0后，舉升角的變化是導(dǎo)致角度傳感器產(chǎn)生電壓VOUT的原因，電壓公式如4-1所示，在達(dá)到這個(gè)數(shù)值后控制器可以繼續(xù)工作圖5-8角度傳感器工作示意圖VOUT0.5%VDD（4.1）—舉升角；VOUT—輸出電壓（V）；VDD—工作電壓（V）。舉升角的變化可被角度傳感器所檢測，如圖5-9所示。舉升高度是通過感應(yīng)變化的，在此前必須使磁鐵發(fā)生變化，這些是由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)的，接口端子只接受電壓信號(hào)。圖5-9 ZCT1180KS1-SNS-29角度傳感器使用裝配圖臨界值電壓是由LM339比較的。通過比較選擇了LM339式，需要在滿足工作電壓的前提下設(shè)置一個(gè)不變的參考值V0。輸出電壓與舉升機(jī)同時(shí)變化，設(shè)定值相對(duì)小時(shí)為“-”大于“+”電壓，設(shè)定值相對(duì)大時(shí)“+”大于“-”，舉升角的變化可由R1控制。本文選用的是優(yōu)點(diǎn)為穩(wěn)定的LM339比較器。圖5-10 LM339比較器電路圖5.2.2限位開關(guān)控制元件也是限位開關(guān)，它的作用是約束機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。接近與行程開關(guān)在生活中比較常用。①行程開關(guān)它起到的是限位保護(hù)作用，有以下四種。（1）直動(dòng)式它只能在速度大于0.4m/min的情況下工作，原理簡單易懂。（2）滾輪式微動(dòng)開關(guān)的斷開時(shí)因?yàn)樽矖U由一端到了一端導(dǎo)致推桿下推發(fā)生的。重回始態(tài)必須是被控對(duì)象的改變才能做到。單滾與雙滾的分類是由于個(gè)數(shù)不同導(dǎo)致的。通常下使用雙滾式因?yàn)槠溆袉螡L沒有的記憶功能，看上去更加整潔。（3）微動(dòng)式LXW-11是靈敏開關(guān)的的產(chǎn)物。在整個(gè)過程中不能出現(xiàn)差錯(cuò)，否則會(huì)影響到下一步電路的工作，還會(huì)造成機(jī)器里的機(jī)械點(diǎn)的損壞。②接近開關(guān)本裝置自動(dòng)控制是通過距離來衡量的不管是測量的物體距離還是距離值都是一種非接觸的開關(guān)。它可以在各種惡劣條件下工作是因?yàn)橄嗷ヅ鲇|不到。NPN與PNP是常見的三線制，比較實(shí)用，廣泛的運(yùn)用，除此外還有二線制。5.2.3I/O分配及PLC選擇①系統(tǒng)需求分析下圖5-11是控制面板，操作簡單明了，功能全且強(qiáng)大，可以根據(jù)各種情況來適應(yīng)控制的方式。圖5-11 操作臺(tái)面板布置示意圖②確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)(1)PLC的輸入信號(hào)(2)PLC的輸出信號(hào)(3)PLC的I/O地址分配表如表5-1所示是輸入輸出信號(hào)地址，并且還有原件和它的功能。③PLC的選型為了完成工作，達(dá)到目標(biāo)，而選用了CPU224的S7-200PLC。圖5-12 S7-200PLC（CPU224CN）PLC表5-1 輸入/輸出信號(hào)及PLC地址編號(hào)輸入信號(hào)輸出信號(hào)地址元件功能地址元件功能I0.0SB0系統(tǒng)急停Q0.0KM定量泵I0.1SB1泵啟動(dòng)Q0.1YA1舉升I0.2SB2泵停止Q0.2YA2下降I0.3SB3自動(dòng)操作Q0.3YA3中停I0.4SB4手動(dòng)舉升Q0.4LED1泵工作提示I0.5SB5手動(dòng)下降Q0.5LED2自動(dòng)指示I0.6SA自動(dòng)手動(dòng)選擇Q0.6LED3手動(dòng)提示I0.7KV角度檢測Q0.7LED4車廂復(fù)位I1.0SQ1下降限位在本次中選用的是S7-200PLC（CPU224CN）PLC它優(yōu)點(diǎn)十足比如結(jié)構(gòu)簡單，操作容易能滿足各種情況，其中它的組成有CPU，電源、通訊模塊等等，這是一個(gè)好的選擇，參數(shù)如表5-2所示：表5-2 S7-200PLC（CPU224CN）PLC參數(shù)特性CPU224特性CPU224CN外形尺寸/mm120.5*80*62功耗/w7程序儲(chǔ)存區(qū)/字節(jié)8192供電能力/mA（+5VDC）660數(shù)據(jù)儲(chǔ)存區(qū)/字節(jié)5120供電能力/mA（+24VDC）280掉電保持時(shí)間/h190質(zhì)量/g360本機(jī)I/O14入/IO晶體管出布爾指令執(zhí)行速度0.37us/指令擴(kuò)展模塊數(shù)量7I/O影響區(qū)256（128入/128出）5.2.4PLC的外部接線輸入端子是采用的24VDC供電的，由于電壓相同，所以可以直接使用。舉升機(jī)構(gòu)的外部接線圖是由多個(gè)因素控制的，有輸入輸出負(fù)載和通過手動(dòng)來進(jìn)行自動(dòng)控制的模塊，這些都是重要因素從下圖5-16能很好的看出。圖5-13PLC控制系統(tǒng)外部接線圖5.3PLC控制程序設(shè)計(jì)5.3.1PLC的編程理論①PLC編程語言(1)PLC編程語言的特點(diǎn)它是一種獨(dú)特的編程語言，區(qū)別于其他的的編程軟件，它的優(yōu)勢在于使用者更易上手操作理解，也更便于教學(xué)，相比下，說一下它的具體優(yōu)點(diǎn)：a.更易查看的看懂的指令的結(jié)構(gòu)本項(xiàng)優(yōu)勢明顯，直擊心里，人們最想的就是能更最容易看明白并能快速上手，當(dāng)使用者編程時(shí)，復(fù)雜也不用擔(dān)心，因?yàn)槭褂谜邇H僅需要根據(jù)軟件指令中的圖形結(jié)構(gòu)就可輕松編寫。b.確定的可以改變的不變的數(shù)PLC是一種獨(dú)特的編程方式，它有許多獨(dú)特的數(shù)值讓人們選擇，在某一方面可區(qū)分其他軟件，就是PLC可將語言轉(zhuǎn)換成符號(hào)，并且還能運(yùn)算。c.使用者能學(xué)到簡單易學(xué)的程序使用者不但能了解模塊中的功能，還可以學(xué)到知識(shí)，那就是模塊式結(jié)構(gòu)d用戶在程序中調(diào)試是PLC的輔助PLC比較適合大眾，其內(nèi)容簡單易懂，操作界面一目了然，不需要像其他軟件那種復(fù)雜的編譯鏈接過程，大大縮短了時(shí)間，給人們提供了方便，不用進(jìn)一步的診斷調(diào)試。(2)PLC編程語言的分類a.編程中的梯形圖梯形圖（LadderDiagram）圖形直觀，使大部分人都能一眼就看明白，使用者用起來也更加輕松愉快，在使用者設(shè)計(jì)時(shí)，在得出結(jié)果夠會(huì)左右示意，梯形圖圖中有各種符號(hào)，它可以用來表示因果關(guān)系b.設(shè)計(jì)中的語言-BooleanMnemonic布爾助記符（BooleanMnemonic）也是一種方便的編程語言，通常也被大家所認(rèn)同，它所獨(dú)有的助記符是一種特殊的語言，是其他所沒有的，它的好處和PLC大同小異差不太多，比PLC多一個(gè)梯形圖的優(yōu)點(diǎn)。c.語言的模塊—功能功能模塊圖（FunctionBlock）通過名字也能看出來，它是通過模塊來劃分的，并展示其功能，它需要軟連接來控制和操作，用的是模塊與端子，它計(jì)較占用空間，來將模塊保存起來，所以用它的大多是些大中型的PLC?？吹较聢D5-14功能模塊與梯形圖之間可相互轉(zhuǎn)換圖5-14 功能模塊圖d.設(shè)計(jì)語言的順序順序功能圖（SepuentialFunctionChart，SFC）也可以叫做圖形法，因?yàn)樗捎玫亩际菆D形，系統(tǒng)的工作是分解系統(tǒng)進(jìn)行的，這樣既方便又不失條理性，兩全其美，也方便了使用者的檢查使用如圖5-15所示。圖5-15 功能表圖編程e.設(shè)計(jì)語言中的結(jié)構(gòu)化語句結(jié)構(gòu)化語句（StructuredText）是一種不太符合我們大眾的語言，它采用的是計(jì)算機(jī)，它經(jīng)常出現(xiàn)在大中型和集散的場合中。②PLC中的編程規(guī)則(1)觸點(diǎn)具有唯一性，水平位置是它的唯一選擇。(2)在編程過程中。導(dǎo)致產(chǎn)生誤差犯錯(cuò)的一個(gè)大原因是重復(fù)使用，所以請(qǐng)不要重復(fù)使用，在連接過程中，輸出部分只能并聯(lián)，線圈也不能直接連接左母線。(3)由于相互相影響產(chǎn)生了所示圖形。(4)繪圖是一個(gè)重要環(huán)節(jié)需要多觀察各個(gè)零件，例如觸點(diǎn)的狀態(tài)是開還是閉。繼電器在控制中，SB1常開，常閉SB2這兩個(gè)按鈕。在PLC接入時(shí)，必須全都開放。這一切都是為了保持狀態(tài)能的始終如一。假設(shè)輸入端子互相連接在了一起，在內(nèi)部查看觸點(diǎn)時(shí)始終如一，I0.1I0.2由于系統(tǒng)的要求都將其設(shè)置為常開。因?yàn)橥Ｖ拱粹o有一個(gè)作用是可以控制繼電器這要是在常閉狀態(tài)下，并且被按的地方始終停為止按鈕，在按下按鈕，電路被成功的接通，這就是動(dòng)觸電。5.3.2舉升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的程序總體設(shè)計(jì)①程序設(shè)計(jì)分析在我們的程序控制中，有兩部分，考慮到單一性的問題，所以可以把它分為自動(dòng)與手動(dòng)兩部分。本工作可以分為兩個(gè)工作方式，在控制方面考慮，可分為手動(dòng)與自動(dòng)，在本實(shí)驗(yàn)中不但要兼顧安全性還有考慮到實(shí)際的操作情況，經(jīng)過查看，我們需要進(jìn)行如下操作，①使用轉(zhuǎn)換器SA，②自動(dòng)控制為默認(rèn)狀態(tài)，手動(dòng)與自動(dòng)在I0.6上有所區(qū)別，手動(dòng)模式為0，自動(dòng)模式則為1，如圖5-16所示。圖5-16 舉升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖在下圖中可看出舉升機(jī)構(gòu)的工作流程，大致總結(jié)就是第一步液壓泵首先啟動(dòng)，開始做舉升運(yùn)動(dòng)，在中途可以停止，工作完后下降至初始位置，從前到后依次的進(jìn)行，通過查看和查閱資料，考慮到控制要求，舉升機(jī)構(gòu)從原點(diǎn)出發(fā)，如圖5-17所示的是自動(dòng)作業(yè)流程。 圖5-17舉升機(jī)構(gòu)自動(dòng)流程圖 圖5-18舉升機(jī)構(gòu)手動(dòng)流程圖在我們身邊的施工工作時(shí)，自動(dòng)操作不是萬能和什么都能解決的，若那樣人就顯得作用很小，在遭遇施工道路崎嶇、危險(xiǎn)和機(jī)器發(fā)生故障需要進(jìn)行修理二不能正常使用時(shí)，這時(shí)就需要手動(dòng)的控制來進(jìn)行操作。介紹手動(dòng)操作的步驟，分為三部分舉升，中止停下，下降。中停狀態(tài)是在到達(dá)最大舉升角時(shí)，接受到信號(hào)，I0.7=ON時(shí)才能發(fā)生，在完成它的工作后，需要將其歸位，也就是說使它下降，下降的操作是在閉合I0.5時(shí)開始的，當(dāng)歸位后，發(fā)生信號(hào)I1.0,此時(shí)講才算是正式完成，整個(gè)操作才算是完整。②舉升機(jī)構(gòu)總體流程圖下圖的5-18一眼可看出是一個(gè)流程圖而且是一個(gè)舉升機(jī)控制的流程圖，包含了常規(guī)的開始，工作內(nèi)容等步驟，這些都是通過考察實(shí)際，才得出的流程圖。圖5-19 舉升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)流程圖5.3.3PLC控制系統(tǒng)梯形圖程序?yàn)榱送瓿刹僮?，設(shè)計(jì)了如圖5-20所示的程序結(jié)構(gòu)圖,這些操作都是JMP指令來實(shí)現(xiàn)的，在考慮了總體的控制系統(tǒng)，可將其分為兩部分，還是和上面相同兩種工作模式手動(dòng)與自動(dòng)，當(dāng)SA開關(guān)被選擇時(shí)，它對(duì)應(yīng)的為I0.6。圖5-20 舉升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)程序總體結(jié)構(gòu)圖①梯形圖程序—手動(dòng)圖5-21是手動(dòng)模式的操作，手動(dòng)模式可以幫我們解決很大問題，當(dāng)在工作時(shí)遭遇不可逆的狀況，如：遭遇險(xiǎn)阻復(fù)雜的路面，機(jī)器車輛損壞時(shí)，這時(shí)就可以使用手動(dòng)操作來完成舉升機(jī)的控制，完成施工任務(wù)。在前面的文字中我們已經(jīng)分析過了，通過程序也可以看出，手動(dòng)模式需要我們將開關(guān)SA調(diào)至手動(dòng)位置，來控制舉升機(jī)的工作，當(dāng)I0.6有輸入信號(hào)時(shí)才證明手動(dòng)才真正被我們使用，在工作時(shí)，我們需要將車上的車廂舉起進(jìn)行裝卸貨物，這只需要使I0.4接收到信號(hào)即可，當(dāng)I0.7為ON使者證明了車廂已經(jīng)到了最大的舉升角經(jīng)過角度監(jiān)督，在達(dá)到最大位置時(shí)，PLC發(fā)出指令，使其不再移動(dòng)，換向閥置于中位，將油路切斷，此時(shí)車廂可以休息，進(jìn)入了不工作模式。圖5-21 舉升機(jī)構(gòu)手動(dòng)操作舉升梯形圖當(dāng)完成一次舉升工作達(dá)到最大位置時(shí)，需要復(fù)位來完成下一次工作。這時(shí)，只需閉合SB5按鈕，將下降控制的I0.5改為ON，它會(huì)回歸到開始工作前靜止的位置，來完成下一次的工作。圖5-22舉升機(jī)構(gòu)手動(dòng)操作下降梯形圖舉升操作的實(shí)現(xiàn)需要閉合SB4開關(guān)，在達(dá)到它所要舉升的貨物高度時(shí)，把SB4松開后便可開始工作，假如沒有按下SB4開關(guān)使其一直上升，也不用擔(dān)心，當(dāng)它達(dá)到最大舉升角時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止，并通過角度監(jiān)控裝置傳入PLC中，PLC便可發(fā)出命令使其在最高點(diǎn)保持不動(dòng)，通過符號(hào)表示就是I0.7為ON，當(dāng)工作完成后，SB5按鈕閉合，舉升裝置開始下降到原位，經(jīng)過這個(gè)過程，舉升裝置和車廂成功回歸原位，并觸發(fā)開關(guān)，I0.1為ON，這使車廂靜止保持在原味，等待它的下一次舉升工作。②梯形圖程序—自動(dòng)控制介紹了手動(dòng)操作后，需要介紹一下方便受歡迎的控制方法—自動(dòng)控制，這種控制方法大大節(jié)約了時(shí)間和人力的浪費(fèi)，只需要按下SB3自動(dòng)控制按鈕，即I0.3為ON便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，舉升機(jī)自己完成上升下降保持這些工作狀態(tài)，通過分析其的工作流程，得出如圖5-23所示的梯形圖。圖5-23自動(dòng)操作舉升階段梯形圖當(dāng)達(dá)到最高舉升位置或者達(dá)到原位是，通過輸入I0.7為ON可以使車廂停止，舉升裝置不在上升或者下降，處于靜止?fàn)顟B(tài)，即保持階段，如下圖5-24所示。圖5-24自動(dòng)操作保持階段梯形圖通常我們會(huì)設(shè)置一個(gè)等待時(shí)間，設(shè)置了一個(gè)中停60s的時(shí)間，在時(shí)間達(dá)到后，舉升機(jī)又開始了它的工作，繼續(xù)下降，經(jīng)過幾分鐘的時(shí)間，車廂又回到了最初的位置，觸發(fā)限位開關(guān)被觸發(fā)；輸入I1為ON時(shí)，車廂開始下降被送回原位，靜止的等待下一次工作的開始。 圖5-25自動(dòng)操作下降階段梯形圖總結(jié)①在第一章中學(xué)到了對(duì)自卸車領(lǐng)域的理解和了解到了它的發(fā)展史與市場前景，給自己以后打下了基礎(chǔ)②在控制方案中，設(shè)計(jì)了液壓的回路系統(tǒng)以及所需要的元件，③對(duì)舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，如何工作，需要的東西及所需要的相關(guān)參數(shù)，寺選用了S7-200的控制系統(tǒng)與元件，使操作更加簡單與方便了，得出了通過PLC控制所要的數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)了原理圖，梯形圖等。⑤本文重要的監(jiān)控系統(tǒng)，使其更加安全可靠，通過傳感器與電壓比較器來監(jiān)控舉升裝置中角的大寫，控制其上升下降。⑥本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)出的舉升機(jī)優(yōu)點(diǎn)有很多，提高了方便快捷性，使人也不在如此勞累，節(jié)省了人力物力財(cái)力，兼顧了多方面的情況，設(shè)計(jì)出了本文中的舉升機(jī)控制系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[1]栗燦..基于虛擬樣機(jī)的自卸車舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]:[碩士學(xué)位論文].重慶:重慶交通大學(xué),2014[2]趙美云,嚴(yán)厚林,汪杰,等．基于ADAMS的自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[J]．機(jī)械工程與自動(dòng)化,2017(2)：64-66[3]王曉,黃宗益,汪洪,等.一種新型壓縮式食物垃圾收集車[J].工程機(jī)械與維修,2018(1):70-71.[4]孫海霞,劉大維,嚴(yán)天一,等.公礦自卸車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2016,36(3):33-36.[5]王登峰,郝赫,劉盛強(qiáng),等.車架彈性對(duì)重型載貨汽車行駛平順性的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2019,41(12):7-12.[6]麻士琦,周亮,邢海軍.重型自卸車傾卸機(jī)構(gòu)受力分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2018,15(2):50-54.[7]常思勤,王元良,王書亭,等.自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)及CAD系統(tǒng)[J].重型汽車,2015(2):10-13.[8]趙劍.自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)及其整車動(dòng)力學(xué)分析[D].重慶交通大學(xué),2017.[9]李繼良.基于CAN總線的自卸車舉升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]:[碩士學(xué)位論文].重慶:重慶交通大學(xué),2017[10]張新春.自卸車自舉升現(xiàn)有技術(shù)分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)探討[J].經(jīng)營