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基于PLC的网球自动发射机设计

西华大学课程设计说明书
目录
1 前言......................................................................................................................................................................... 1 2 基于 PLC 网球自动发射机系统方案设计................................................................................................................ 2 2.1 系统设计要求 ................................................................................................................................................. 2 2.2 基于 PLC 网球自动发射机方案比较及论证.................................................................................................... 3
2.2.1 继电器与可编程控制器的方案比较论证 ............................................................................................... 3 2.2.2 PLC 经验设计法和顺序控制法的方案比较论证................................................................................... 3
3 基于 PLC 网球自动发射机系统分析 ...................................................................................................................... 4 3.1 系统功能分析 ................................................................................................................................................. 4 3.2 工艺流程图 .................................................................................................................................................... 4 3.3 输入控制信息分析 ......................................................................................................................................... 6 3.4 输出控制信息分析.......................................................................................................................................... 7 3.5 中间元件表..................................................................................................................................................... 8 4 基于 PLC 网球自动发射机控制系统硬件设计........................................................................................................ 9 4.1 系统总图设计................................................................................................................................................. 9 4.2 PLC 控制系统图设计...................................................................................................................................... 9 5 基于 PLC 网球自动发射机控制系统软件设计......................................................................................................11 5.1 控制流程图设计 ............................................................................................................................................11 6 基于 PLC 网球自动发射机系统调试 ......................................................................................................................12 7 基于 PLC 网球自动发射机监控系统软件设计.......................................................................................................13 7.1 上位机监控画面的组态设计 .........................................................................................................................13 7.2 实时数据库的变量设置.................................................................................................................................14 7.3 设备窗口的连接设置...................................................................................................... 错误!未定义书签。

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1 前言
现代生活越来越繁忙了,可以说竞争压力也越来越大,平时人们都为了使自己不被淘汰 而拼命努力的工作,从而使身体没有得到应该有的锻炼,很多现代化的锻炼方式也随之出现, 网球是人们都喜欢的锻炼方式,为了使想提高网球运动水平的练习人员提供方便,网球训练 机应运而生。简单的所谓网球训练机就是用一块铁绑着绳子,绳子的另一头系上网球,那绳 子要有弹性的,那样拍出去的球就还能再回来。针对网球训练项目中的技术要求和存在的问 题,提出了设计网球自动发射器的想法。 该机器主要是利用 PLC 编程系统和机械的结合而构成 的 本设计以 PLC 为设计核心,利用一定的机械结构,能自动的一不同方向发射网球,以供 练习人员练习。PLC 是一种集微机技术,自动化技术,通信技术为一体的通用工业控制装置, 它可靠性强,性价比高,使用方便。 PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。 所以本设计采用 PLC 作为控制的核心,设计一台网球发射机控制系统。该发射机主电路 由三台电机构成。第一台电机控制发球,同时分别由 PLC 输出控制继电器,已达到控制第二, 第三台电机的正反转来实现发射机上下左右移动。该设计具有手动和自动两种选择模式。手 动模式可以任意向几个方向发球,自动模式时按 PLC 预设花样发球。此外还有光电传感器以 检测球框是否有球,有球则运行,没有球则自动关闭电源。软件部分采用顺序控制法设计, 具有很强的可读性且设计清晰。最后采用易控将 PLC 与上位机相连,使系统具有远程监视功 能。

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2 基于 PLC 网球自动发射机系统方案设计
2.1 系统设计要求
此次设计的主要内容是利用日本三菱公司的 FX2N 系列 PLC 对网球发射机进行控制,其任 务是网球发射机要能够每五秒自动发送网球,并通过对发射台高低和摆头的控制,来控制网 球发射后的落点。其设计模型图如下所示:
发射架上下移动电机 发射架左右移动电机 发射电机 M1
图 2.1 发射机装置图
该装置主要有六部分组成: 1)球框:用于存放等待发射的球。 2)发射电机 M1:该装置的动力部分,功率 0.45kW。 3)发射架:网球被加速后从该发射架发射出来,发射架可以通过配套的机械结构调整高 度和角度,以控制发射球的方向。 4)电机 M2:上下移动控制(与机械结构配合) ,功率 0.2kW。 5)电机 M3:左右移动控制(与机械结构配合) ,功率 0.2kW。 6)底架:用于支撑整个装置,并且也是安装主电路板的地方,底架没有固定,可以将整 个装置移动到需要的位置。 系统设计要求如下: 1) 进一步完善机械手控制系统的相关流程分析,画出流程图; 2) 完成全部的输入、输出信号分析,作出输入、输出表,画出输入、输出线路图设计; 3) 完成系统总体硬件线路图的设计,进行正确的选型,给出元器件清单,画出系统安 装配置图; 4) 说明程序模块结构,做出中间元件说明表,完成系统软件程序的编写,对程序进行 清晰的注释;
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5) 在工业组态软件平台上设计上位机监控界面,包括运用脚本语言编程和相关的动画 制作; 6) 完成相关的调试
2.2 基于 PLC 网球自动发射机方案比较及论证
2.2.1 继电器与可编程控制器的方案比较论证 继电器是具有隔离功能的自动开关元件,广泛用于遥控,遥测,通讯,自动控制,机电 一体化等领域。继电器一般都有能反映一定输入变量的感应机构,有能对被控电路实现通断 的执行机构,在感应机构(输入部分)和执行机构(输出部分)之间还有对输入量进行耦合 隔离,功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构(驱动部分) 。 PLC,是一种电气自动化控制装置,专为工业环境下应用而设计。它使用可编程存储器内 部存储用户设计的指令,这些指令用来实现特殊的功能。诸如逻辑运算,顺序操作,定时计 数以及算术运算和通过数字或者模拟输入/输出来控制各类机械过程。与传统的继电器相比, PLC 具有以下优点: 1)控制程序可变,具有很好的柔性:在工艺流程改变或者生产设备更新的情况下,不必改变 PLC 硬设备,只需要改变程序即可。 2)具有高度可靠性,适用于工业环境。 3)功能完善:现代的 PLC 具有数字和模拟量输入输出,逻辑和算数运算等一系列功能,使得 控制水平大大提高。 4)易于掌握,便于维修。 根据两种控制器件的特点,本次设计使用 PLC 作为控制核心。 2.2.2 PLC 经验设计法和顺序控制法的方案比较论证 用经验设计法设计梯形图时,没有一套固定的方法和步骤可以遵循,具有很大的试探性 和随意性,对于不同的控制系统,没有一种通用的容易掌握的设计方法。在设计复杂系统的 梯形图时,用大量的中间单元来完成记忆,连锁和互锁等功能,由于需要考虑的因素很多, 他们往往交织在一起。分析起来非常困难,并且容易遗漏一些应该考虑的问题,对于初设计 者来说,并不适用。 所以本次设计采用顺序控制法来设计程序。 经过以上论证,本次设计采用 PLC 作为控制的核心器件,并采用顺序控制法编写软件程 序达到设计要求。

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3 基于 PLC 网球自动发射机系统分析
3.1 系统功能分析
系统具有手动和自动功能,电机 M1 作为动力部分,其转速变化可以导致其发球频率的变 化。本设计要求每隔五秒发射一次,就是通过 PLC 定时器配合达到目的。将预先设置的花样 通过编程存储在 PLC 中,通过电机 M2,M3 的正反转来控制球发射的位置。同时,系统自动检 测是否有网球,有则运行,无则自动关闭。在运行时就可以达到想要的花样。花样如图所示:
图 3.1 网球发射花样
3.2 工艺流程图
图 3.2 系统工艺流程图

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图 3.3 手动程序工艺流程图

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图 3.4 自动程序工艺流程图
每发射完自动检测球框里是否有球,没有则就自动关断电源,等待装入网球,如果检测 有,就继续发射。
3.3 输入控制信息分析
根据系统需求,本系统的输入信号分为以下几类:启动停止开关,电机控制按钮,行 程开关和功能选择开关。其中启动停止开关控制整个系统的启动和停止,电机控制按钮通过 控制电机 M2,M3 的正反转来控制发射台的上下移动和摆头, 行程开关是为了对发射方向的定 位来确定网球的落点,而功能开关则控制了网球发射机的工作方式。其中 X20 用于手动控制 网球发射。X15 是光电开关用于检测球框中是否有球,有则继续发射,没有则停止工作。

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表 3.1 PLC 输入信号表
3.4 输出控制信息分析
根据系统要求,本系统输出信号有六个,它们分别是:Y0 控制电机 M1 启动和停止;Y1,Y2 控制电机 M2 的正转和反转来控制发射台的上升和下降;Y3 和 Y4 控制电机 M3 正反转来控 制发射机的左右摆;Y5 为报警信号灯,发射台不能自由移动时发出报警。如下图 3.2 所示。
表 3.2 PLC 输出信号表

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3.5 中间元件表
表 3.3 中间元器件表

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4 基于 PLC 网球自动发射机控制系统硬件设计
4.1 系统总图设计
系统主电路由 3 台电机以及接触器等元器件构成。 电机 M1 是控制发射机发球, 额定功率 为 0.45kW,电机 M2,M3 是控制电机的正反转以达到控制发射机的上下左右摆动。由 P=UI 计算出对应的空气开关的选型。选择额定电流高于电机额定电流的空气开关和接触器。
L1 L2 L3 N
FU1 FU1 FU1
L1 L2 L3 N
L1 L2 L3 N
FU3 SB10 380V SB9 KM6 220V FU2 FU2 连接到PLC PLC供电 KM6 KM6 FU3
QF1
C65NC25A3P
QF2
C65NC25A3P C65NC25A3P
QF3
C65NC25A3P
1T1
2T2
3T3
1T1
2T2
3T3
1T1
2T2
3T3
KM1
LC1D25M7C
4T1 5T2 6T3
KM2
LC1D25M7C
4T1 5T2 6T3
KM3
LC1D25M7C
4T1 5T2 6T3
1T1
2T2
3T3
1T1
2T2
3T3
KM4
LC1D25M7C
4T1 5T2 6T3
KM5
LC1D25M7C
4T1 5T2 6T3
FR1
FR2 FR3
T1
T2
T3
T1
T2
T3 T1 T2 T3
M1 ~
M2 ~
M3 ~
1#
设计 校对 批准 制图 审核 日期
2#
3# 图纸名称____主回路图1
签名 日期 制图时间
PLC X公司
图号 页号
4.2 PLC 控制系统图设计
根据输入输出控制量的多少来确定点数。最终决定选择三菱公司生产的 FX2N 系列作为 此次设计的控制核心。

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M2反转下移
M1
M2
M3
M3

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5 基于 PLC 网球自动发射机控制系统软件设计
5.1 控制流程图设计
图 5.1 控制流程图
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6 基于 PLC 网球自动发射机系统调试
系统设计完成后进行必要的硬件、软件调试。 1) 首先在 PC 机上采用三菱的 GX Developer Version 7 编程平台进行编程,编程完成后采 用 GX Simulator Version 6 PLC 模拟调试软件进行仿真调试,限位开关及温度传感检测 采用逻辑测试中的强置输入进行。 2) 仿真调试完成后进行联机调试 系统由 PC 机、通讯转换器 JH-04 或 SC-08、可编程序控制器 PLC 构成,如图 6.1 所示。 各部分的作用如下:
图 6.1 综合调试系统结构图
A. 微机首先作为 PLC 的编程硬件平台,三菱的 GX Developer Version 7 作为软件编程平台, 所有的用户程序在微机上编制完成后下载到 PLC 中运行;其次微机作为 PLC 的上位机, 对 PLC 进行监控;另外,微机通过组态软件组态后可作为 PLC 控制系统的监控界面。 B. 通讯转换器 JH-04 或 SC-08 将微机的 RS-232 串行通讯口进行转换,使 PLC 与微机相连并 可进行相关通信。 C. PLC 为日本三菱公司的 FX2N 系列可编程序控制器

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7 基于 PLC 网球自动发射机监控系统软件设计
7.1 上位机监控画面的组态设计
根据网球自动发射机的工作原理,我们列出在组态图上需要的图元: 1) 组态图上有自动控制和手动控制两种模式,因此需要有手动自动切换。 2) 方向键:控制发射架的方向。 3) 启动停止按钮。 4) 发射架上下左右移动极限位置指示灯。 5) 正常运行指示灯和无球报警指示灯。 据此,我们在 MCGS 组态软件上画出图 6.1 所示的组态图。
图 7.1 MCGS 组态图

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7.2 实时数据库的变量设置
实时数据库是 MCGS 工程的数据交换和数据处理中心。 数据变量是构成实时数据库的基本 单元,建立实时数据库的过程也即是定义数据变量的过程。在使用中我们应在工程窗口变量 目录下定义一个变量组,然后新建变量,定义数据变量的内容主要包括:指定数据变量的名 称、类型、初始值和数值范围,确定与数据变量存盘相关的参数,如存盘的周期、存盘的时 间范围和保存期限等。要想让画面动起来,图元需与实时数据库的变量连接起来。如图 6.2.1 所示为网球自动发射机的数据变量定义表。
图 7.2 变量定义表
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此次设计中的网球自动发射,要让网球能够模拟在图画中运动,指示灯和报警灯能够正 常指示和无球报警闪烁,则需设置网球、指示灯和报警灯的动画属性。而控制网球如何发射 和指示灯、报警灯何时闪烁则需要在工程窗口中的用户程序下编写程序控制。如下图 6.3 所 示为动画属性设置,图 6.4 为程序设置画面。
图 7.3 网球移动(左)和指示灯闪烁(右)动画属性设置
图 7.4 画面程序设置
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