工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)課設(shè)

1、遼寧工業(yè)大學(xué)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)（論文）題目：基于Ethernet/IP 遠(yuǎn)程交通燈控制院（系）：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化123班學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：2015.12.21-2015.12.31z Z-A系 z( 院院 學(xué) 程 X 氣 電號(hào) 學(xué)目 計(jì)題 阿±)課程設(shè)計(jì)論文>任務(wù)土 卸 O 與6 O流被量 *給怖 0 奇 圖 ，作 明 攵 對(duì)航 框器反 說 諛 紗J 方M 杉 工沏臀 卑執(zhí)！ 腋O 執(zhí)八變 總宀八工 升 扌 統(tǒng)一加彷 狀臨加 扌 J 條乙皮十希及；、 嘶負(fù)爲(wèi)心控冋鳥 , 注wO®制器規(guī)試,orC 厶冃 竝O勺煙 繪送制測(cè)式

2、05 m心OM父 并變控唸格 70 鐵 如中溫H余.測(cè)換w440+.C 芳酎士 才方盎盎 書 *62 W是爐加憂MM罰吠 區(qū)<:壟 m 原爐響WM1斂謝斂»$按范溫偏 成能計(jì)熱影黙務(wù)呵力呵彳扌數(shù)量制大 完功設(shè)加 。 、任1>2>3>4>5>蔘測(cè)控最 題現(xiàn)55化計(jì) 術(shù) 課實(shí)0.變?cè)O(shè) 技進(jìn)度計(jì)劃成完<)散 晚完分> 完室匕Q > 散驗(yàn)天仃成 分實(shí)(2完 , 室室 天天 驗(yàn)驗(yàn) 2 1 實(shí)實(shí) z( z( z(#o無 業(yè) 3z( 控、，作答完 的圖器反、散 統(tǒng)點(diǎn)行正析分 系節(jié)執(zhí)器詩(shī) , 握藝、制試天 掌工器控測(cè)1 解制制及驗(yàn) 理繪控以實(shí) #

3、,蔻器財(cái)柚明 資方送制分說 閱制變控真計(jì) 查W口、吊仿啖 免統(tǒng)感制AB打 任系傳控TT、 置定擇定A寫 布確誨確 M撰 、 、 、 、 、 、 1 2 3 4 5 6指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī)?nèi)赵履贽q:責(zé) 時(shí) 成 平 總注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20%以百分制計(jì)算I本科生課程設(shè)計(jì)（論文）Ethernet/IP是工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的縮寫，它是一種開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。以太 網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用支持技術(shù)成 熟以及能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制。目前它已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的信息層與 控制層得到了廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)基于Ethernet/IP,利用羅克韋爾公司的 Co

4、ntrolLogix5000系列的可編 程控制器來實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈的自動(dòng)控制。采用Rockwell Automation的 ControlLogix控制器和軟件，對(duì)十字路口交通燈控制進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)方法基 于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可對(duì)交通燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠適應(yīng)任何環(huán)境下的控制、監(jiān)測(cè)。通 過分析對(duì)交通信號(hào)燈的控制要求對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟件、硬件設(shè)計(jì)，對(duì)啟動(dòng)/停止按鈕進(jìn)行控制，用定時(shí)器設(shè)定交通燈亮滅的時(shí)間間隔，循環(huán)實(shí)現(xiàn)控制要求， 從而達(dá)到對(duì)十字路口交通燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控目的。交通燈控制系統(tǒng)主要由以太網(wǎng)模塊（ENB）,電源模塊（1794-P513,適配器 模塊（1794-AENT），輸入模塊（1794-IB16

5、），輸出模塊（1794-OW8）,交通燈顯 示模塊組成。關(guān)鍵詞：Ethernet/IP；定時(shí)器；遠(yuǎn)程監(jiān)控；交通燈#本科生課程設(shè)計(jì)（論文）目錄緒論 1課程設(shè)計(jì)的方案 31.1概述31.2系統(tǒng)方案論證3硬件設(shè)計(jì) 51.3硬件介紹與選型53.2器件的選型63.3控制器模塊的設(shè)計(jì)73.4以太網(wǎng)模塊的選擇 83.5輸入輸出模塊的選擇 83.5電源模塊的選擇93.61/0模塊的分配9軟件設(shè)計(jì) 111.4系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)111.5系統(tǒng)梯形圖設(shè)計(jì) 12系統(tǒng)測(cè)試與分析 151.6 MATLAB 軟件介紹 151.7MATLAB中無擾動(dòng)時(shí)仿真模型的搭建與分析 161.8 MATLAB中有擾動(dòng)時(shí)仿真模型的搭建與分析

6、19課程設(shè)計(jì)總結(jié) 21參考文獻(xiàn) 22iii本科生課程設(shè)計(jì)(論文)緒論交通燈控制系統(tǒng)的發(fā)展有著悠久的歷史，伴隨著人類工業(yè)文明的發(fā)展，汽車 以及其他各種交通工具呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。各種交通工具的大量使用使 得人們的出行更加方便，但隨之而來的是交通的壓力越來越大，各個(gè)路口對(duì)于對(duì) 于交通指揮系統(tǒng)的需求大量增加。交通問題是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)大問題， 我國(guó)的人口壓力、現(xiàn)代化建設(shè)、等都將使這個(gè)問題日益突出。交通是否便捷是衡 量一個(gè)城市生活水平與投資環(huán)境的重要指標(biāo)。目前，我國(guó)許多大城市都在考慮建 設(shè)地鐵或輕軌以緩解交通壓力。但是，建設(shè)地鐵或輕軌都需要大量的資金與時(shí)間， 這對(duì)大多數(shù)中小城市都不現(xiàn)實(shí)。而

7、且隨著我國(guó)人民生活水平的不斷提高，城市化 的推進(jìn)和私家車數(shù)量的猛增，道路交通擁擠的問題越來越嚴(yán)重。所以，改善與提 高現(xiàn)有的交通系統(tǒng)的效率已成為當(dāng)務(wù)之急，而提高交通控制系統(tǒng)的效率更是重中 之重。現(xiàn)在，我國(guó)城市十字路口的交通燈控制系統(tǒng)基本上都采用定時(shí)控制方式。 這樣必然產(chǎn)生如下弊端：當(dāng)某條道路的車流量很大卻要等待紅燈，而此時(shí)我們另 一條空道或車流量相對(duì)較少的道路卻依然按原定時(shí)間亮著綠燈，這種現(xiàn)象是未對(duì) 道路的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控造成的，這樣，交通控制系統(tǒng)效率低，容易造成交 通擁擠，而且浪費(fèi)人力、物力。因此，我們有必要在原有的交通控制系統(tǒng)上加以 改進(jìn)，提高效率，盡可能又快又好的解決交通擁擠的問題。根

8、據(jù)交通燈控制系統(tǒng) 的工作原理，做出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的城市交通燈控制系統(tǒng)的 PLC設(shè)計(jì)方案交通燈 的使用大大緩解了交通壓力，使得城市的擁堵顯現(xiàn)得到了一定程度的緩解，使人 們的出行現(xiàn)狀得到了改善。但是隨著當(dāng)今經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車的擁有量不斷上 升，傳統(tǒng)的交通燈系統(tǒng)已經(jīng)越來越不能滿足交通壓力的需求。所以為了保障城市 交通有序、安全、快速運(yùn)行。另一方面，可編程序控制器(PLC)作為一種以微電腦 技術(shù)為核心的自動(dòng)控制裝置，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、化工、能源等各種 行業(yè)。近幾年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及與推廣，以太網(wǎng)也得到了飛速的發(fā)展，特 別是以太網(wǎng)通信速率的提高、以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非

9、確定性 問題帶來了新的契機(jī)。首先，以太網(wǎng)的通信速率一再提高，從lOMpbs到lOOMpbs、 lOOOMpbs甚至lOGpbs,在相同通信質(zhì)量的條件下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò) 負(fù)荷的減輕和碰撞的減少，也就意味著確定性的提高；其次，以太網(wǎng)交換機(jī)為連 接在其端口上的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供了獨(dú)立的帶寬，連接在同一個(gè)交換機(jī)上的不同 設(shè)備不存在資源爭(zhēng)奪，這就相當(dāng)于每個(gè)設(shè)備獨(dú)占一個(gè)網(wǎng)段；再次，全雙工通信技1本科生課程設(shè)計(jì)（論文）術(shù)為每一個(gè)設(shè)備與交換機(jī)端口之間提供了發(fā)送與接收的專用通道，大大降低了（半雙工交換式以太網(wǎng)）或完全避免（全雙工交換式以太網(wǎng)）了不同以太網(wǎng)設(shè)備之間 的沖突。因此，以太網(wǎng)成為 確定性”網(wǎng)絡(luò)，

10、為它應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制消除了主 要障礙。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有多種，如 HSE、PROFINET、Ethernet/IP、MODBUS/TCP 等，他們?cè)诒举|(zhì)上仍基于以太網(wǎng)技術(shù)。對(duì)應(yīng)ISO/OSI通信參考模型，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用了 IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。Ethernet/IP通信模型是以太網(wǎng)、TCP/IP及CIP的集成，其中應(yīng)用層使用 CIP 是Ethernet/IP和其他工業(yè)以太網(wǎng)的主要區(qū)別。由于在應(yīng)用層使用CIP，Ethernet/IP也具備了 CIP網(wǎng)絡(luò)所共有的一些特點(diǎn)。（1可以傳輸多種不同數(shù)據(jù)，包括 I/O數(shù)據(jù)、配置和故障診斷、程序上下 載等。（2）面向連接，通信之間

11、必須建立連接。（3）用不同的方式傳輸不同類型的報(bào)文。（4）基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型，提供對(duì)多播通信的支持。（5）支持多種I/O數(shù)據(jù)觸發(fā)方式：輪詢、選通、周期或狀態(tài)改變。（6）用對(duì)象模型來描述應(yīng)用層的協(xié)議，方便開發(fā)者編程實(shí)現(xiàn)。（7）為各種類型的Ethernet/IP設(shè)備提供描述，以保證互操作性和互換性。 其 中，用不同的方式傳輸不同類型的報(bào)文，具體到 Ethernet/IP,用TCP來發(fā)送顯示 報(bào)文，用UDP來發(fā)送隱式報(bào)文。另外，Ethernet/IP規(guī)范規(guī)定僅可選擇10Mpbs或100Mpbs以太網(wǎng)。為了能夠 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境中工作，Ethernet/IP設(shè)備選用的物理部件要能夠經(jīng)得起考 驗(yàn)

12、。根據(jù)具體場(chǎng)合的不同，它們可能要忍受高溫或低溫、高濕度、強(qiáng)震動(dòng)、強(qiáng)電 磁干擾等惡劣條件。#本科生課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)的方案1.1概述本設(shè)計(jì)要求，信號(hào)燈接收一個(gè)啟動(dòng)開關(guān)控制，當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)接通時(shí)，信號(hào)燈系 統(tǒng)開始正常工作，南北紅燈亮的同時(shí)，東西綠燈亮。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，所有信 號(hào)燈熄滅。通過以太網(wǎng)模塊控制，由適配器模塊連接輸入輸出模塊，啟動(dòng)和停止按鈕接 入輸入模塊，交通燈接入輸出模塊。通過程序的編寫，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，交通 燈按照設(shè)計(jì)要求亮滅，并由定時(shí)器控制亮滅時(shí)間，重復(fù)循環(huán)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目的。 當(dāng)按下停止按鈕后，所有燈全部熄滅。1.2系統(tǒng)方案論證方案一：基于 Ethernet/IP 協(xié)議，采用

13、 RockwellAutomation 的 ControlLogix 控 制器和軟件，對(duì)十字路口交通燈控制進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。 這種設(shè)計(jì)方法基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)， 可對(duì)交通燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠適應(yīng)任何環(huán)境下的控制和監(jiān)測(cè)。方案二：S7-200是一種小型的可編程控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中 的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中， 或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價(jià)格比。 它具有極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集 成功能、實(shí)時(shí)特性、豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮 其強(qiáng)大功能。

14、使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。 應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域， 包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等交通燈的設(shè)計(jì)可采用PLC作為主控制器，從而能提高交通燈控制系統(tǒng)的穩(wěn)定 性、可靠性與抗干擾的能力，采用順序控制技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，能夠較好地完成交 通燈控制性能要求。但這種設(shè)計(jì)方法只能進(jìn)行近距離的控制，不能適應(yīng)任何環(huán)境 下的控制。綜合以上兩種方案比較，方案一在應(yīng)用上比較方便、簡(jiǎn)單，也更能適應(yīng)現(xiàn)代 化社會(huì)的需求。因此，選擇方案二較好。根據(jù)方案一設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)主要由以太網(wǎng)模塊（ENB），電源模塊5( 1794-P51

15、3),適配器模塊(1794-AENT),輸入模塊(1794-IB16),輸出模塊(1794-OW8),交通燈顯示模塊。其系統(tǒng)總體框圖如圖2.1所示。Ethernet/IP圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖硬件設(shè)計(jì)1.3硬件介紹與選型1. RSLogix5000 控制器RSLogix5000控制器具有小型、廉價(jià)、快速、高效的特點(diǎn)。它采用固定式控 制器，硬件的緊湊設(shè)計(jì)是 RSLogix5000能適應(yīng)有限的安裝空間。有全面的指令， 包括簡(jiǎn)單的位、計(jì)時(shí)器、和計(jì)數(shù)器指令，還包括用于序列發(fā)生器、高速計(jì)數(shù)器和 轉(zhuǎn)換寄存器的指令。本次的基于羅克韋爾PLC的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是選用的 RSLogix5000控制器，通過

16、對(duì)該控制器操作實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。2 輸入輸出模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成 了 PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀 態(tài)。輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信 號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng) 考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、 壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率 因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出 和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致。3電源部

17、件根據(jù)PLC輸出端所帶的負(fù)載是直流型還是交流型，是大電流還是小電流，以 及PLC輸出點(diǎn)動(dòng)作的頻率等，從而確定輸出端采用繼電器輸出，還是晶體管輸 出，或品閘管輸出。不同的負(fù)載選用不同的輸出方式，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是很重 要的。電源模塊的選擇主要考慮電源輸出額定電流和電源輸入電壓電源模塊的輸出額定電流必須大于CPU模塊、I/O模塊和其它特殊模塊等消耗電流的總和，同時(shí) 還應(yīng)考慮今后I/O模塊的擴(kuò)展等因素；電源輸入電壓一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要而 定。直流輸入電源對(duì)于輸入電壓一般都是寬范圍：如5V為4.5-9V,12V為9-18V,24V 為 18-36V,48V 為 36-72V,110V 為 60-16

18、0乂 交流輸入電源一般為 220VAC（176-264V） 和三相三線（四線）,并帶有PFC功率因數(shù)校正功能。4 存儲(chǔ)器由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用 項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求 PLC的存儲(chǔ)器容量，按256個(gè)I/O點(diǎn)至少選8K存儲(chǔ)本科生課程設(shè)計(jì)（論文）器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。選擇PLC時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比?？紤]經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、 投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點(diǎn)數(shù)對(duì)價(jià)格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費(fèi)用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到 某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲(chǔ)器

19、容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點(diǎn)數(shù)的增 加對(duì)CPU選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時(shí)應(yīng) 充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。3.2器件的選型（1）網(wǎng)橋模塊1756-ENBT為ControlLogix控制器通過Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備通信，或 作為 Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)1756I/O 模塊適配器模塊。1788-ENBT為FlexLogix和 DriveLogix控制器通過Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備通信。（2）適配器模塊1794-AENT 作為 Ethernet/IP 網(wǎng)絡(luò) FLEX I/O 模塊適配器模塊；1734-AENT

20、 作 為Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)POINT I/O模塊適配器模塊。（3）I/O設(shè)備I/O設(shè)備包括傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、數(shù)字量輸入/輸出單元、模擬量輸入/輸出單 元，產(chǎn)品有羅克韋爾自動(dòng)化公司 1791D系列輸入/輸出模塊、1794 Flex I/O系列、 900光電開關(guān)系列、855-T-D塔燈系列、Point I/O系列；SMC公司的 Valve Manifold SIU EX230-SDNI : KD Corporation 公司的 OPP I/O 系 列； Ailes Electronics 公司的 DeviceNet I/O Tetminal Block ADT-TY01、ADT-TY02、

21、 ADT-TY03及Daniel Woodhead公司的DeviceNet輸入/輸出模塊TDN系列等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及實(shí)驗(yàn)室條件， 選用Rockwell Automation公司ControlLogix系 列PLC及相關(guān)軟件，主要設(shè)備有以太網(wǎng)模塊（ENB），電源模塊（1794-P513）， 適配器（1756-ENBT），Logix5561 控制器（CPU），Ethernet/IP 模塊，輸入模塊 1756-IB16 （FlexI/O），輸出模塊1756-OW8 （FlexI/O），接線端子，以及電纜和導(dǎo)線 等。如圖3.1所示，從左到右依次為電源模塊，適配器模塊，輸入模塊，輸出模 塊。7圖3.1系

22、統(tǒng)模塊3.3控制器模塊的設(shè)計(jì)控制器是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 PLC至少有一個(gè)控制器， 它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集 由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序 存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去 指揮有關(guān)的控制電路?？刂破髦饕蛇\(yùn)算器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線 構(gòu)成，控制器單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程 序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元?？刂破魉俣?/p>

23、和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，I/O 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。如圖 3.1是RSLogix 5000控制器的外圍 電路圖。#4本科生課程設(shè)計(jì)（論文）RSLogix 5000控制器圖3.1 RSLogix 5000外圍電路圖3.4以太網(wǎng)模塊的選擇ControlLogix系列以太網(wǎng)通訊模塊，用于控制輸入輸出模塊，在以太網(wǎng)鏈路 上作為適配器連接分布式輸入輸出，用消息方式在以太網(wǎng)上和其他設(shè)備通訊，作 為網(wǎng)橋?qū)⑾鬏數(shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)用于工廠管理，在一個(gè)單一、高速網(wǎng)絡(luò)上 進(jìn)行配置、數(shù)據(jù)采集、控制；對(duì)時(shí)間要求苛刻的應(yīng)用，有規(guī)律的數(shù)據(jù)發(fā)送，連接 Internet/

24、lntranet。本次課設(shè)應(yīng)用的以太網(wǎng)模塊為1756-ENBT。3.5輸入輸出模塊的選擇輸入模塊和輸出模塊簡(jiǎn)稱I/O模塊，他是聯(lián)系外部設(shè)備和 CPU模塊的橋梁。 PLC的對(duì)外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點(diǎn)數(shù)確定 模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU所能管理的基本配置的 能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了 PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊用來接收和采集輸入信號(hào)，輸出模塊用來送出PLC運(yùn)算后得出的控制信息，并通過機(jī)外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各類控制。PLC有多重I/O模塊。I/O分

25、為數(shù)字量輸入（DI）,數(shù)字量輸出（DO），模擬量輸入（AI）， 模擬量輸出（AO）等模塊。本課題選用數(shù)字量輸入輸出模塊。輸入/輸出（I/O）模塊種類繁多，其中的數(shù)字量模塊分為交流、直流兩大類，本 系統(tǒng)采用 16點(diǎn)陣斷型數(shù)字量直流輸入模塊1756-IB16D和直流輸出模塊1756-OB32D,在面板上對(duì)應(yīng)有4個(gè)按鍵輸入，和6個(gè)指示燈輸出。3.5電源模塊的選擇PLC配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源，用來將外部供電電源轉(zhuǎn)換成供PLC內(nèi)部的CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口等電路工作所需的直流電源。PLC使用AC 220V電源或DC 24V 電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供不同等級(jí)的直流電源。小型的PLC可以為輸電路和外部

26、的電子傳感器（例如接近開關(guān)）提供 DC 24V電源，驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的 直流電源一般由用戶提供。小型 PLC的電源往往和CPU單元合為一體，大中型 PLC都有專門的外部電源部件，驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。為防 止PLC內(nèi)部重要數(shù)據(jù)的丟失，PLC還帶有鋰電池作為后備電源。3.6I/O模塊的分配PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成 了 PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀 態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸

27、出（AO）等 模塊。常用的I/O分類如下有，開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC , 按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA ）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。交通燈控制系統(tǒng)共有兩個(gè)輸入點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)按鈕、停止按鈕。輸出信號(hào)有東西方 向、南北方向個(gè)兩組指示燈驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于每一個(gè)方向的指示燈中，同種顏色的 指示燈運(yùn)行情況相同，為節(jié)省輸出點(diǎn)數(shù)，采用并聯(lián)輸出法。由此確定，系統(tǒng)所需 的輸入點(diǎn)數(shù)為2,輸出點(diǎn)數(shù)為6，全部為開關(guān)量。選用Rockwell公司

28、ControlLogix 系列PLC作為控制器可滿足控制要求。如表 3.1所示為該系統(tǒng)的I/O分配表。表3.1系統(tǒng)的I/O分配表輸入單元輸入地址輸出單元輸出地址啟動(dòng)按鈕Local:0:I.Data.0南北綠燈Local:9:0:Data.O停止按鈕Local:0:I.Data.1南北黃燈Local:9:O:Data.1南北紅燈Local:9:O:Data.2東西綠燈Local:9:O:Data.3東西黃燈Local:9:O:Data.4東西紅燈Local:9:O:Data.513軟件設(shè)計(jì)1.4系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)PLC的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)是相輔相成的，就像一個(gè)人的骨骼和血肉一樣。 骨骼是支撐整個(gè)身軀

29、的硬性指標(biāo)，沒有骨骼其他的就無從說起，而血肉也是一個(gè) 人正?；顒?dòng)所必須的。PLC的軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)程序和用戶程序。1系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序是由PLC生產(chǎn)廠家提供，并且固化在EPROM中，用戶不能直接讀 取。系統(tǒng)程序由管理程序、編譯程序、標(biāo)準(zhǔn)程序三個(gè)部分組成。管理程序用于對(duì) PLC輸入、輸出、運(yùn)算等操作的時(shí)間順序的管理，規(guī)定數(shù)據(jù)和程序的存放地址。 編譯程序則是把程序語言翻譯成機(jī)器語言的程序。標(biāo)準(zhǔn)模塊程序由多個(gè)獨(dú)立的程 序模塊組成，每個(gè)程序模塊完成一種獨(dú)立的功能。根據(jù)要完成不同的共組來選擇 不同的功能模塊。2用戶程序用戶程序是指根據(jù)不同的工作要求，用戶用 PLC程序語言編制的應(yīng)用程序， 以實(shí)現(xiàn)各種控制要

30、求。小型的PLC很簡(jiǎn)單，整個(gè)程序不用分段，按順序編制。但 是大型的PLC的用戶程序很復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化用戶編程的難度，可以把用戶程序劃 分為程序模塊，通過模塊的組合來組成一個(gè)大的完整的用戶程序。用戶程序的模塊：（1）組織模塊。用于控制主程序的運(yùn)行方式及個(gè)組織模塊的組織關(guān)系。（2）程序模塊。按電氣控制的要求，把不同的控制內(nèi)容劃分為程序段。（3） 功能模塊。用來描述特定功能的程序模塊。它的使用使得PLC超出了傳統(tǒng) 的順序邏輯、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。（4）步進(jìn)模塊。用于步進(jìn)順序操作。（5） 數(shù)據(jù)模塊?？捎脕泶娣艛?shù)據(jù)，可以是固定的數(shù)據(jù)或者是可變的數(shù)據(jù)，類似于 寄存器本文所設(shè)計(jì)的交通燈系統(tǒng)是適用于一般的十字路口

31、，1、北紅燈亮維持30秒，在南北紅燈亮的同時(shí)，東西綠燈也亮，并維持 25 秒，到25秒時(shí)，東西方向綠燈閃，閃亮3秒后，綠燈滅。在東西綠燈熄滅的同 時(shí)，東西黃燈亮，并維持2秒，到2秒時(shí)，東西黃燈滅，東西紅燈亮。同時(shí)，南 北紅燈熄滅，南北綠燈亮。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）2、西紅燈亮維持30秒。南北綠燈亮維持25秒，然后閃亮3秒，再熄滅。同時(shí)南北黃燈亮，并維持2秒后熄滅，這時(shí)南北紅燈亮，東西綠燈亮。到停止按鈕被按下為止。系統(tǒng)工藝流程圖如圖 4.1所示。圖4.1系統(tǒng)程序流程圖1.5系統(tǒng)梯形圖設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)中，一般采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。把一 個(gè)多功能的復(fù)雜的程序劃分為若干個(gè)簡(jiǎn)單的、功

32、能單一的程序模塊，有利于程序 的設(shè)計(jì)和調(diào)試，有利于程序的優(yōu)化和分工，提高了程序的閱讀性和可靠性，使程 序的結(jié)構(gòu)層次一目了然。先設(shè)計(jì)東西干道車輛通行的梯形圖再編寫南北干道車輛 通行的梯形圖。對(duì)于每一個(gè)干道，又可分為紅燈、綠燈、黃燈。主程序流程圖如圖4.2示。17aanMJmiM亞恒n <Ji£WTi2iridi|£bM 'TOW TirwOh(W TWnPrsriAtrumIENT1：D£It2TTTFdn i5-rTfJ 型EMim心|11少IfLF17.HTE1fflJT TIDTTt?>4IBTTFtWI rei On Mb?Tiriffi

33、17告藍(lán)雖左曲十H忙1AAAQ*AEMI21QJ仰)此r訂i亠.un_IFmer Cn 0 YgWIBHrtSIf ®Id4<CW> fctutU*1OH1Fner CiiDaiiTrrnfIB*VJiM0*0I?3457S甲ID1112Itsa.1TE-DId"Ttf i C H XlSyJ 1ilttrHDXli;肋仲AcoimiQ«ABClIZf LITti- P5i >圖4.2系統(tǒng)整體梯形圖本科生課程設(shè)計(jì)(論文)系統(tǒng)測(cè)試與分析1.6 MATLAB件介紹MATLAB （矩陣實(shí)驗(yàn)室）是 MATrix LABoratory的縮寫，是一款由美國(guó)T

34、he MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可 視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。以矩陣為基本編程單元的一種程序設(shè)計(jì)語言，它提供了各種矩陣的運(yùn)算與操作，并有較強(qiáng)的繪 圖功能，是目前國(guó)際上最流行的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。新版本的推出， 使得Matlab的應(yīng)用范圍更加廣泛，而且增加了許多工具箱，如信號(hào)處理、通信 系統(tǒng)、虛擬實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)辨識(shí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、實(shí)時(shí)空間等科學(xué)領(lǐng)域的工具 箱，以供不同專業(yè)的科研技術(shù)人員開發(fā)利用。MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用 MATLAB的函數(shù)和文 件，其中許多工具采用的是圖形用戶界

35、面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件 的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶 界面也越來越精致，更加接近 Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更 簡(jiǎn)單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便 了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。Simulink是Matlab軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，可 以用連續(xù)采樣時(shí)間離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣

36、時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速 率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。它和Matlab語言的主要區(qū)別在于，與用戶的交互接口是基于 Windows模型化圖形輸入，使得用戶可以把 更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建而非編程上。目前mathworks公司已經(jīng)把Simulink 發(fā)展成為一個(gè)系列的產(chǎn)品。例如 MATLAB/Simulink 中 SimPower Systems 是專為電力電子和電氣傳動(dòng)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)的，包含有少數(shù)開關(guān)裝置和簡(jiǎn)單電力電 子轉(zhuǎn)換器件。轉(zhuǎn)化器的開關(guān)器件是基于由 V-R-L支路組成的微模型結(jié)構(gòu)，為使開 關(guān)器件正常工作，在開關(guān)器件兩端并接 R-C吸收電路。Simulink提供了

37、一種更快 捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到仿真結(jié)果。1.7 MATLAB中無擾動(dòng)時(shí)仿真模型的搭建與分析在工業(yè)生產(chǎn)控制中，控制過程往往伴隨著擾動(dòng)的影響。判定一個(gè)自動(dòng)控制系 統(tǒng)的好壞往往要看其克服擾動(dòng)的能力，當(dāng)加入擾動(dòng)作用后，自動(dòng)控制系統(tǒng)是否還 能穩(wěn)定在要求輸出值，自動(dòng)控制系統(tǒng)的超調(diào)量是否滿足技術(shù)指標(biāo)，自動(dòng)控制系統(tǒng) 的穩(wěn)態(tài)誤差是否在允許范圍內(nèi)，這些技術(shù)指標(biāo)都成為了衡量一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的 標(biāo)準(zhǔn)。串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)干擾串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路的存在，能夠迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，從而極大的減小副回路干擾對(duì)住被控參數(shù)的影響；副回路的存在提高 了系統(tǒng)調(diào)節(jié)器對(duì)進(jìn)入主回路干擾控制的快速性；由于副回路的存在，總

38、放大系數(shù) 提高了，抗干擾能力和控制性能都比單回路控制系統(tǒng)有明顯提高，經(jīng)過試驗(yàn)得到 下列近似傳遞函數(shù)及系數(shù)。(1)已知副對(duì)象傳遞函數(shù)：1 G(s)=-( 5-1)(10s 1)(s 1)(2)主控制對(duì)象的傳遞函數(shù):G(s)=1(30s 1)(3s 1)(5-2)我們采用臨界比例度法來整定控制器參數(shù)。臨界比例度法又稱穩(wěn)定邊界條件 法，它是先讓控制器在純比例作用下，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)找到等幅振蕩的過渡過程， 記下此時(shí)的比例度和等幅振蕩周期Tk，再通過簡(jiǎn)單的計(jì)算，求出衰減振蕩時(shí)控制器的參數(shù)，本次課程設(shè)計(jì)使用Matlab仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行仿真， 在Simulink下搭建的無擾動(dòng)時(shí)仿真圖形如圖 5.

39、1所示。#4本科生課程設(shè)計(jì)（論文）圖5.1無擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)仿真模型信號(hào)源Step為系統(tǒng)輸入60C溫度信號(hào)，經(jīng)傳感器檢測(cè)變送器變送后轉(zhuǎn)換為 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入到比較點(diǎn)(在本次設(shè)計(jì)中傳感器與變送器用比例環(huán)節(jié)代替)，與系統(tǒng) 反饋信號(hào)比較后輸入到PID控制器。PID控制器輸出控制信號(hào)經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，作用到被控對(duì)象。下面進(jìn)行子模塊分析：(1) 圖5.1中信號(hào)源Step相當(dāng)于實(shí)際控制系統(tǒng)的溫度輸入值，本次系統(tǒng)需 要輸入溫度為60 r，所以其參數(shù)設(shè)置為60。(2) 圖5.1中比例放大器Gain相當(dāng)于實(shí)際控制系統(tǒng)的傳感器與變送器，由 于本次設(shè)計(jì)時(shí)間滯后系數(shù)較小，所以傳感器與變送器用比例代替即可

40、。由于傳感 器檢測(cè)溫度范圍為-40100C，而控制系統(tǒng)中信號(hào)的傳輸形式為 05V。(3) 圖5.1中PID控制器PID Controller相當(dāng)于實(shí)際控制系統(tǒng)的控制器，它 負(fù)責(zé)接收變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 05V，通過對(duì)PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，輸出控制信息， 作用于執(zhí)行器。(4) 圖5.1中比例放大器Gain2相當(dāng)于實(shí)際控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，也就是本次 設(shè)計(jì)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過對(duì)其參數(shù)設(shè)置，使得將控制器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)自身 輸出閥位的信號(hào)，通過改變操縱變量改變被控對(duì)象。(5) 圖5.1中Transfer Fon相當(dāng)于實(shí)際控制系統(tǒng)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，它是由實(shí)際控制過程中對(duì)被控變量進(jìn)行數(shù)學(xué)建模得到。經(jīng)過調(diào)試確定

41、PID參數(shù)為：P=4.75、1=0.001、D=1.5。系統(tǒng)仿真后輸出波形圖如圖 5.2所示。在系統(tǒng)輸出仿真波形圖中，水平曲線代表輸入信號(hào)值 60C,另一條曲線代表 系統(tǒng)輸出值。仿真開始后，曲線迅速上升達(dá)到最大峰值后回歸到穩(wěn)定值，與規(guī)定輸出信號(hào)值60 C相重合。為了進(jìn)一步確定誤差是否滿足技術(shù)參數(shù)規(guī)定，可在輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間加一個(gè)比較點(diǎn)，把做差后的波形輸入到示波器，這樣就可以直 觀的看到誤差的大小。其仿真最大偏差如圖5.3、5.4所示。圖5.3整體仿真誤差圖整體方針誤差圖表示曲線從開始仿真到結(jié)束后整體的誤差情況。局部誤差圖 表示曲線從開始到上升到最大高度時(shí)的系統(tǒng)輸出情況，由局部仿真誤差圖可清晰

42、地得知，系統(tǒng)的最大峰值與 60C之間的偏差小于 2C,由系統(tǒng)整體仿真誤差圖可知系統(tǒng)穩(wěn)定后與 60T的偏差小于0.5C，故所設(shè)計(jì) 系統(tǒng)在沒有擾動(dòng)時(shí)符合本次設(shè)計(jì)所要求的技術(shù)參數(shù)。輸出曲線最終穩(wěn)定在 60 ±05C。圖5.4局部仿真誤差圖1.8 MATLAB中有擾動(dòng)時(shí)仿真模型的搭建與分析加熱爐是生產(chǎn)中常用的設(shè)備之一。 工藝要求被加熱物料的出口溫度保持在 60 ± 05C。影響爐出口溫度的因素：被加熱物料的流量和初溫、燃燒壓力的波動(dòng)、 流量的變化等。本次課程設(shè)計(jì)將被加熱物料的流量和初溫作為擾動(dòng)量，判斷當(dāng)加 入擾動(dòng)信號(hào)后，設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)能否克服擾動(dòng)的影響，滿足技術(shù)指標(biāo)。其帶 有擾

43、動(dòng)的仿真模型如圖5.5所示。圖5.5有擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)仿真模型由圖5.5可知擾動(dòng)信號(hào)加入的時(shí)間由信號(hào)源 Stepl來決定，當(dāng)仿真剛開始是, 信號(hào)源Stepl發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，此信號(hào)相當(dāng)于擾動(dòng)信號(hào)，在擾動(dòng)信號(hào)的作用下, 加熱爐出口溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真輸出波形如圖 5.6所示。圖5.6有擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)仿真輸出波形圖由仿真圖可知，當(dāng)仿真開始后，系統(tǒng)輸出值迅速增大并達(dá)到一個(gè)峰值，然后輸出值趨于穩(wěn)定，與期望輸出值 60C曲線基本重合。在仿真剛開始時(shí)，由于擾動(dòng) 信號(hào)的加入，輸出曲線明顯打破了原有的穩(wěn)定值，迅速向上升高至最大峰值，然 后又開始下降并趨于穩(wěn)定，最終與期望輸出值60C曲線基本重合。為了更好地觀 察曲線誤差是否滿足技術(shù)指標(biāo)，我們還是采取將輸出曲線