燕大毕业设计 1.docx
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燕大毕业设计1
说明：
毕业设计（论文）模版（理工类函授学生用）
燕山大学
毕业设计（论文）
智能电脑鼠设计
学院燕山大学
年级专业三年级电气工程及自动化专业
学生姓名许智巍
指导教师赵冬梅
专业负责人
答辩日期
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
燕山大学教研室：
学
号
学生
姓名
许智巍
专业
班级
应用电气工程及其自动化
课
题
题目
PLC在工业自动化中的应用发展
来源
自撰
主
要
内
容
1）本课题的背景及发展现状
2）介绍本课题的设计理念以及各个模块的工作原理
3）本系统的总体结构，软件部分的设计
4）本课题的智能装配图以及传感器的校正
基
本
要
求
1）实现智能鼠的稳定且速度快的基本能力
2）让智能鼠可以正确判断路径
3）智能鼠拥有记忆路径的能力
4）撰写毕业论文
参
考
资
料
1）有关单片机原理与接口的相关资料
2）有关传感器应用的相关资料
3）有关C语言程序设计的相关资料
周次
1—4周
5—8周
9—12周
13—16周
17—18周
应
完
成
的
内
容
收集相关参考资料
单片机控制方面的研究
传感器原理的学习
关于C语言程序的编写
撰写毕业论文
指导教师：
教研室审批：
说明：
如计算机输入，表题黑体小三号字，内容五号字。
本任务书一式三份，教务科、教师、学生各执一份。
摘要
本文的主要的研究对象为智能电脑鼠。
所谓的智能电脑鼠即智能的小型机器人。
首先，本文实现采用了以Luminary公司生产的Cortex-M3内核的ARM处理器—LM3S615为主芯片的智能电脑鼠平台，使用两个BA6845FS集成芯片分别控制两个步进电机，使机器人实现了前进，转弯，后退等功能。
通过USBJTAG接口与电脑相连，将程序下载到电脑鼠的主控芯片中。
智能电脑鼠根据红外传感器所采集的的障碍物信息情况并用程序控制电脑鼠的自动迷宫搜索、智能选路。
其次，在研究了国内外智能机器人路径规划技术的基础上，针对迷宫的特点，设计了一个更加简单有效地程序算法来解决迷宫问题。
接着本文针对智能迷宫进行了研究，提出了智能迷宫的表示方法，为程序的仿真提供了便利。
本文分析了迷宫中存在的八种路况，并提出了相应的解决方案。
最后，对全文工作进行了总结，并对机器人路径规划技术进行了展望。
关键词 ARM处理器；红外传感器；步进电机
目录
标题、摘要、关键词6
前言 7
第一章 可编程序控制器（PLC） 8
1.1 PLC的特点8
1.2 PLC的产生 8
1.3 PLC的主要结构 9
1.4 PLC的安装与布线10
1.5 PLC的编程 11
第二章 PLC应用中需要注意的问题13
2.1 PLC的工作环境13
2.2 PLC中干扰及其来源13
2.3 PLC主要抗干扰措施 13
第三章 PLC技术应用类 16
3.1PLC在数控机床中的应用16
3.2PLC的主要应用场合 17
第四章 PLC的发展和展望 19
4.1 PCL在机床行业的应用 19
4.2 PCL在机床类行业的前景19
参考文献 22
致谢23
PLC乃是一种电子装置，在工业自动化控制方面发挥着巨大作用。
为各种各样的自动化控制设备提供了广泛、可靠的控制应用。
主要将外部的输入装置如：
按键，感应器，执行逻辑，顺序，定时，计算的方式，产生相对应的输入信号到输入装置。
PLC主要能够为自动化控制应用提供安个可靠和比较完善的解决方案，适合当前自动化工业企业的需要。
随着计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域有了翻天覆地的变化，而PLC不断地采用新技术以及增强系统的开放性，在工业自动化领域中的应用范围不断扩大。
PLC将计算机技术、自动控制技术和通讯技术融为一体，成为实现单机、车间、工厂自动化的核心设备，其具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维修方便等诸多优点。
随着技术的进步，其控制功能由简单的逻辑控制、顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制，成为自动化领域的三大技术支柱。
主要应用的技术领域有：
顺序控制、过程控制、位臵控制、生产过程的监控和管理、结合网络技术等。
把PC中的技术，如视窗操作系统和网络等向PLC领域融合、渗透和集成的技术称为PLC的商业技术。
第一章 可编程序控制器
1.1 PLC的特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统将极高的可靠性。
2.配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。
4.系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
这特别适合多品种、小批量的生产场合。
总的来说1、采用符合“EIA”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。
2、采用总线结构和模块化设计技术。
CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。
3、机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。
4、配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。
5、电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。
6、具有自诊断功能。
7、可视需要选配I/O模板。
8、设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。
9、开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。
10、可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。
11、可采用无源母板（底板），方便系统升级。
1.2 PLC的产生
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国通用汽车公司提出取代继电气控制装臵的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装臵，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。
上世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
1.3 PLC的主要结构
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配臵。
分类：
1、小型PLC
小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。
它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。
2、中型PLC
中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。
I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。
它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。
3、大型PLC
一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。
大型PLC的软、硬件功能极强。
具有极强的自诊断功能。
通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。
大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。
1.4 PLC的安装与布线
1.●动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。
将PLC的IO线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线最好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度。
●PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。
在柜内PLC应远离动力线（二者之间距离应大于200mm）。
与PLC装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。
●PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。
模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10.
●交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。
2.I/O端的接线 输入接线
●输入接线一般不要太长。
但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。
●输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。
●尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读
输出连接
●输出端接线分为独立输出和公共输出。
在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。
但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。
●由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板。
●采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。
●PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护
1.5 PLC的编程
PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。
系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。
系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。
用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。
标准语言梯形图语言是最常用的一种语言，它有以下特点：
梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。
梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。
内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。
PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。
1、认识梯形图和继电器控制原理图符号的区别：
继电器控制原理图中的元件符号，有常开触点、常闭触点和线圈，为了区别它们，在有关符号边上标注如KM、KA、KT等以示不同的器件，但其触头的数量是受到限制。
而PLC梯形图中，也有常开、常闭触点，在其边上同样可标注X、Y、M、S、T、C以示不同的软器件。
它最大的优点是：
同一标记的触点在不同的梯级中，可以反复的出现。
而继电器则无法达到这一目的。
而线圈的使用是相同的，即不同的线圈只能出现前，多数PLC软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了OPC功能。
OPC与现场总线技术的结合，是未来控制系统向FCS技术发展的趋势。
2、PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。
PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC均有成功能应用，PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS，从而使原来PLC（顺序控制）＋DCS（过程控制）的模式变成PLC＋IPC模式。
3、工业以太网的发展对PLC有重要影响。
以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。
目前的挑战在于1）硬件上如合适应工业恶劣环境；2）通讯机制如何提高其可靠。
以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。
但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品
第二章 PLC应用中需要注意的问题
2.1 PLC的环境
（1）温度PLC要求环境温度在0~55oC，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。
（2）湿度 为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。
（3）震动 应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。
当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。
（4）空气 避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。
对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。
（5）电源 PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。
在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。
一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。
因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。
2.3控制系统中干扰及其来源
l现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素之一，所谓治标先治本，找出问题所在，才能提出解决问题的办法。
因此必须知道现场干扰的源头。
（1）干扰源及一般分类
影响PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射;磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波。
通常电磁干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。
共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压叠加所形成。
共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流，亦可为交流。
差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度
（2）PLC系统中干扰的主要来源及途径
PLC系统的正常供电电源均由电网供电。
由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压。
尤其是电网内部的变化，刀开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。
）m:
N;@1o:
T%N;R#c9[%a,X 柜内干扰 控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对PLC造成一定程度的干扰。
来自信号线引入的干扰
与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。
此干扰主要有两种途径：
一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。
由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。
来自接地系统混乱时的干扰
a接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。
正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。
来自PLC系统内部的干扰
主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。
变频器干扰
一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量;二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。
2.3主要抗干扰措施
1.电源的合理处理，抑制电网引入的干扰
PLC发展的对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1：
1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路。
2.正确选择接地点，完善接地系统
良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。
接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。
完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。
接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。
例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。
此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内又会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。
若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。
PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。
模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。
●安全地或电源接地
将电源线接地端和柜体连线接地为安全接地。
如电源漏电或柜体带电，可从安全接地导入地下，不会对人造成伤害。
●系统接地
PLC控制器为了与所控的各个设备同电位而接地，叫系统接地。
接地电阻值不得大于4Ω，一般需将PLC设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起，作为控制系统地。
-
●信号与屏蔽接地
一般要求信号线必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地环路”。
信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地;不接地时，应在PLC侧接地;信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地;多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接点。
3.对变频器干扰的抑制
变频器的干扰处理一般有下面几种方式：
加隔离变压器，主要是针对来自电源的传导干扰，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。
使用滤波器，滤波器具有较强的抗干扰能力，还具有防止将设备本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能。
使用输出电抗器，在变频器到电动机之间增加交流电抗器主要是减少变频器输出在能量传输过程中线路产生电磁辐射，影响其它设备正常工作。
第三章 PLC技术的应用
3.1 PLC在数控机床中的应用形式
1、 PLC在数控机床中的应用形式
数控机床中所用的PLC可分为两类：
一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型PLC（built-in Type），另一类是那些输入输出技术规范，输入输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的独立型PLC（Stand-alone Type）。
内装式PLC也称集成式PLC，采用这种方式的数控系统，在设计之初就将NC和PLC结合起来考虑，NC和PLC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的较高交换速度和较宽的信息通道。
它们可以共用一个CPU也可以是单独的CPU这种结构从软硬件整体上考虑, PLC 和NC 之间没有多余的导线连接, 增加了系统的可靠性, 而且NC 和PLC 之间易实现许多高级功能。
PLC 中的信息也能通过CNC 的显示器显示, 这种方式对于系统的使用具有较大的优势。
高档次的数控系统一般都采用这种形式的PLC。
独立式PLC也称外装式PLC，它独立于NC装置，具有独立完成控制功能的PLC。
在采用这种应用方式式，可根据用户自己的的特点，选用不同专业PLC厂商的产品，并且可以更为方便的对控制规模进行调整。
2、PLC与数控系统及数控机床间的信息交换
相对于PLC，机床和NC就是外部。
PLC与机床以及NC之间的信息交换，对于PLC的功能发挥，是非常重要的。
PLC与外部的信息交换，通常有四个部分：
（1）、机床侧至PLC：
机床侧的开关量信号通过I/O单元接口输入到PLC中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所配置的输入地址，均可由PLC程序编制者或者是程序使用者自行定义。
数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配置，对PLC程序和地址分配进行修改。
（2）、PLC至机床：
PLC的控制信号通过PLC的输出接口送到机床侧，所有输出信号的含义和输出地址也是由PLC程序编制者或者是使用者自行定义。
（3）、CNC至PLC:
CNC送至PLC的信息可由CNC 直接送入PLC的寄存器中,所有CNC送至PLC的信号含义和地址（开关量地址或寄存器地址） 均由CNC 厂家确定,PLC编程者只可使用不可改变和增删。
如数控指令的M、S、T 功能,通过CNC译码后直接送入PLC相应的寄存 器中。
（4）、 PLC至CNC:
PLC 送至CNC 的信息也由开关量信号或寄存器完成,所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC 厂家确定,PLC 编程者只可使用,不可改变和增删。
3、PLC在数控机床中的工作流程
PLC在数控机床中的工作流程，和通常的PLC工作流程基本上是一致的，分为以下几个步骤：
（1）、输入采样：
输入采样，就是PLC以顺序扫描的方式读入所有输入端口的信号状态，并将此状态，读入到输入映象寄存器中。
当然，在程序运行周期中这些信号状态是不会变化的，除非一个新的扫描周期的到来，并且原来端口信号状态已
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