PLC在管接件磷化生产线上的应用

xiaoxiao 13天前 17

 
PLC在管接件磷化生产线上的应用 
摘 要:本设计是基于PLC可编程逻辑控制技术的管接件磷化PLC生产线应用技术
研究。本文首先对现代可编程控制技术的应用和发展趋势作了简要介绍,然后说明了管接件磷化PLC工艺要求和控制要求,接下来简单概括了管接件磷化PLC生产线的系统总体设计方案和电气系统的整体设计的功能实现,并讲述了电控系统电路设计中电机系统设计,以及PLC控制系统设计。最后,对提高PLC控制系统安全性和可靠性设计、PLC控制系统的故障诊断作了简单探讨。此外,文中对本系统整体的设计思想和一些关键的技术以及所获得的经验都进行了介绍和讨论。本设计中综合运用了可编程控制器(PLC)等现代控制部件,所做的研究和开发工作对同类设备以及一般的工业控制都有参考价值。 
关键词:PLC控制系统,生产线,电路设计,梯形图 
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The Production of Pieces of Pipe-lane Phosphide 
PLC Control System Design 
Abstract:The design is piece of pipe Phosphatizing PLC production line application 
technical studies based on the PLC programmable logic control technology, it is a transformation of traditional relay contactor control technology. This article first briefly introduces the application and developmental trend of modern programmable control technology, and then describes the background and researching purpose of pieces of pipe Phosphatizing PLC production line. And after that it briefly sums up the whole design program, the functional fulfillment of the overall electrical system of pieces of pipe Phosphatizing PLC system, and tells the motor system desigh and PLC control system desigh in circuit design of electronical-control system . Finally, the article discusses the improvement of PLC control system safety, reliability, PLC control system fault diagnosis method and anti-jamming technology. In addition, for the overall design of the system and some critical thinking skills as well as the experiences were presented and discussed. The design comprehensively applies programmable logic controller (PLC) and other components of modern control. The researches and developmental work here have a general reference value.on the samiliar equipments and common industrial control. 
Keywords: PLC control system, production line,circuit design, trapezoidal chart 
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1  绪论 
1.1 课题设计的背景及意义 
随着大规模集成电路和计算机的发展,工业中的继电器接触器控制逐渐被PLC所取代。由于可编程控制器(PLC)具有编程软件采自易学易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、应用范围广、运行稳定可靠等优点,所以现在的磷化生产线多采用可编程控制来实现。若将原来的继电器控制改成可编程控制器来控制,可提高系统的可靠性和灵活性,并增加了一系列连锁和保护功能,以及报警显示功能,这样不但提高了生产效率和产品质量,而且改善了生产环境,大大降低了工人的劳动强度。在本课题中,实现自动化控制可以使行车和吊钩能够按照预定顺序和控制要求,自动完成一系列的工作。 
1.2 论文的主要内容和安排 
论文的主要工作是在学习PLC的基础上,编写控制系统的程序。论文主要分成以下几个部分: 
第一部分主要阐述课题研究的背景及意义。 
第二部分介绍了PLC技术的发展现况及其优点,重点讲述了PLC的工作原理。 第三部分是关于行车的设计,包括电机的选择以及行车行走路线的设计。 第四部分是系统的硬件电路设计,包含硬件器件的选择及绘画硬件电路图。 第五部分是系统的软件编写,分为手动和自动两种。 
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2 电器可编程控制技术 
2.1 PLC技术的基本工作原理 
2.1.1 PLC的基本结构 
PLC及其控制系统是从继电接触系统和计算机控制系统发展而来的,因此PLC与这种控制系统有许多相同或相似之处,PLC的输入输出部分与继电接触控制系统大致相同,PLC的控制部分用微处理器和存储器取代了继电器控制线路,其控制作用是通过用户软件来实现的。其基本结构有以下几个部分组成: 
1)输入输出部件    这是PLC与输入控制信号和被控设备连接起来的部件,输入部件接收从开关、按钮、继电器触电和传感器等输入的现场控制信号,并将这些信号转换成中央处理器能接收和处理的数字信号。输出部件接收经过中央处理器处理过的输出数字信号,并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号,以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。 
2)中央处理单元    微处理器又称中央处理单元(CPU),它是PLC的核心部件,整个PLC的工作过程都是在中央处理器的统一智慧和协调下进行的,它的主要任务是按一定的规律和要求读入被控对象的各种工作状态,然后根据用户所编制的应用程序的要求去处理有关数据,最后再向被控对象送出相应的控制(驱动)信号。PLC中所采用的CPU通常有三种:通用微处理器(如8086、80386等)、位片式微处理器(如AMD-2900等)、单片机芯片(如8031、8096等)。CPU位数越多,PLC功能越强。 
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图2.1  PLC基本结构示意图 
    3)存储器    存储器是保存系统程序和用户程序的器件。系统存储器主要用于存放系统正常工作所必须的程序,如管理、监控、指令解释程序,这些程序与用户无直接关系,已由厂家直接固化进RPROM中。用户存储器主要用于存放用户按控制要求所编写的程序,可通过编程器进行必要的修改。 
4)电源部件    电源部件是把交流电转换成直流稳压电源的装置,它向PLC提供所需要的直流电源(一般为5V)和外部输入设备所需直流稳压电源(一般为24V)。 
2.1.2 PLC的基本工作原理 
PLC的工作过程一般可分为三个主要阶段:输入扫描阶段、执行扫描阶段、输出扫描阶段。 
1)输入扫描阶段    PLC以扫描工作方式按顺序将所有输入信号,读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中存储,这一过程成为输入扫描。在本工作周期内这个扫描结果的内容不会改变,而且这个扫描结果将在PLC执行程序时被使用。 
2)执行扫描阶段    PLC按顺序对程序进行扫描,即从上到下、从左到右地扫描每条指令,并分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器中获得所需的数据进行运算、处理,再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。 
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图2.2  PLC的工作过程 
    3)输出扫描阶段    在执行完用户所有程序后,PLC将输出映像寄存器中的内容送入到寄存输出状态的输出锁存器中,再去驱动用户设备,这就是输出扫描。 
PLC重复执行上述三个阶段,每重复一次的时间为一个扫描周期。 
2.2 PLC与其它工业控制系统的比较 
2.2.1 PLC与继电接触控制系统的比较 
从某种意义上看,PLC是从继电接触控制发展而来的。两者既有相似性又有不同之处。 
1)继电接触控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接,为全硬件控制;PLC内部大部分采用“软”接点和“软”线连接,为软件控制。 
2)继电接触控制系统体积大;PLC控制系统结构紧凑,体积小。 
3)继电接触控制全为机械式触点,动作慢;PLC内部全为“软节点”,动作快。 4)继电接触控制功能改变,需拆线、接线乃至更换元器件,比较麻烦;PLC控制功能改变,一般仅修改程序即可,极其方便。 
5)PLC控制系统的设计、施工与调试比继电接触控制系统周期短。 6)PLC控制的自检和监控功能比继电接触控制的强。 7)PLC的适用范围比继电接触控制的广泛。 
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8)PLC可靠性比继电接触控制的高。 2.2.2 PLC与微型计算机的比较 
PLC也是随着微型计算机的发展而发展,PLC实质上就是一台专为工业生产控制设计的专用计算机。两者既有相近性又有差别,主要差别表现在以下几个方面: 
1)PLC输入输出接口较多,中大型PLC输入输出接口更多,便于多路多点控制。 2)PLC编程简便,因为PLC是采用易于用户理解、接收和使用的梯形图编程语言,指令又不太多,而计算机使用汇编语言或其它高级语言编程,比PLC编程复杂。 
3)PLC可靠性高,因为PLC是为工作环境条件比较恶劣的工业控制设计的,设计与制造PLC时已采取了多种有效的抗干扰和提高可靠性的措施。 
4)PLC技术容易掌握,使用维护方便,对使用者的技术水平要求比使用计算机时低。 
5)PLC采用扫描方式进行工作,加之其它一些原因,所以PLC输入输出响应比计算机慢。 
【2】6)此外PLC体积较小,调试周期短。
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3  总体方案设计 
3.1 设计任务 
使用PLC实现管接件磷化生产线上工件的自动传送。 3.1.1 工艺要求 
由下表可知,1号酸洗槽酸洗时间为6-8分钟;2、5、6、11、12号槽为水洗槽,水洗时间不限,工件可根据时间要求在此槽中多做停留;3号槽为预脱脂,4号槽为脱脂槽,7号表跳槽,13号为防锈槽均为5-8分钟;8号槽为磷化,时间20-25分钟。 
表3.1  管接件磷化工艺流程表 
序号 名  称 时  间 1#  酸  洗 2#  水  洗 3#  预脱 脂 4#  脱  脂 5#  水  洗 6#  水  洗  7#  表  调 8#  磷  化 9#  水  洗 10# 11#   水  洗  防  锈 5-8 分钟 6-8  分钟 5-8 5-8  分分钟 钟 5-8 20-25  分分 钟 钟 3.1.2 控制方案设计 
8号槽由于时间较长,故把它分成3个相同槽位,方便生产。磷化生产线采用专用行车,行车架上装有可升降的吊钩。行车和吊钩各由一台电动机拖动。行车的进退和吊钩的升降均由相应的限位开关SQ定位。一条具有13个槽、15个工位(包含人工上架和下架)的某管接件磷化生产自动线,需要设计一个单钩双行车的运行系统,完成工件的传输任务,实现生产线的自动控制。试以可编程序控制器(PLC)为核心,设计单钩双行车运行系统的电气控制部分。每个槽位之间相距2米,有两台行车(A车和B车)及各自装有的吊钩(行车速度为18"20米每分钟,吊钩速度为8"10米每分钟,行车重1000KG,吊钩重250KG,摩擦系数为0.1)。除了工件的上架和下架需要人工操作外,整个流程按上表的工艺要求自动进行。因为是单钩,所以规定在进行磷化过程中一个槽中只能存放一个加工篮。同时行车和吊钩的正反向运行均能进行点动控制,以便对设备进行调整和检修。 
 

 
3.2 电动机的选择 
行车和吊钩的电动机均要求快速频繁的起动和制动,负载保持,紧急停止,防止惰性,准确定位等要求,故选用YPE系列的三相异步盘式制动电动机。 
YPE系列盘式制动电动机是一种封闭,自冷式新型异步电动机。具有技术性能先进,结构新颖,紧凑,体积小,轴向尺寸短,制动力矩大,制动迅速,定位准确,运行可靠,维护方便等优点。电源电压为三相交流50HZ,380V,采用Y联结,电动机的防护等级为IP44。 
3.2.1 行车电机的选择 (1)机械及工艺参数 
选定行车行走速度为v=20m/min=0.33m/s,行车重m=1000Kg,滚动摩擦系数μ=0.1,传动效率?=71%,?=90rad/s,折算到电动机轴上的静负载转矩为: 
T1?Fvmg?v1000?10?0.1?0.33???5.16NM           (3-1)              ????90?0.71(2)选择电动机 
由机械传动方面要求电动机的转速nN=1380n/min,根据负载转矩计算公式: PL = T1nN/9550=
5.16?1380?0.75KW                            (3-2)               
9550选择电动机的额定功率PN?PL,取PN=0.8KW,故初选YPE-4-800型号电动机,
其数据为:PN=800W,nN=1380n/min,连续工作方式,IN =2.25A,堵转电流Ib=6A,转子转动惯量J=0.04Kgm2,临界转矩Tm=2NM,最大转矩Tmax=2.5NM。 
(3)校验电动机的过载 
               ?Tmax?KTTN                                                  (3-3)
KT =(0.8"0.85) Km                                           (3-4)               
Km=Tm/TN                                                   (3-5)               
               ?Tmax?KTTN=(0.8"0.85)( Tm/TN) TN = (0.8"0.85) Tm            (3-6)取0.83Tm,代入数据得:0.83?2NM=1.66NM>1011
图3.1 行车行走线路图 
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4  控制系统的硬件设计 
4.1 器件的选择 
 管接件磷化生产线电气控制系统主要器件包括PLC芯片、电动机、行程开关、热继电器、断路器、熔断器等。 
4.1.1 PLC的选择 
    随着PLC控制的普及与应用,PLC产品的种类和数量越来越多,而且功能也日趋完善。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨,可以从以下几个方面来考虑。 
1)对输入/输出点的选择  根据输入输出接线图我们可知系统要求输入点数和输出点数分别为18点和8点,再按照实际所需总点数的15-20%留出备用量后,确定输入点数为22点,输出为10点。PLC的输入输出点均采用汇点式。 
2)对I/O响应时间的选择  PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟等,对于本设计中开关量控制的系统,PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求。 
3)对输出负载的特点选型  继电器输出型的PLC有许多优点,如导通压降小,有隔离作用,价格相对便宜,承受瞬时过电压和过电流的能力较强 ,其负载电压灵活(可交流可直流)且电压等级范围大等。所以选择继电器输出型。 
4)对PLC结构形式的选择  在相同功能和相同I/O点数的情况下,整体式比模块式价格低。整体式结构紧凑、体积小、重量轻、价格低,但主机I/O点数固定,使用不灵活。小型PLC常使用这种结构。 
5)对PLC厂家的选择 
PLC在世界小型PLC市场上,日本产品约占市场份额的70%,居垄断地位。三菱公司是日本国生产PLC的主要厂家之一。三菱公司依其合理的价位、良好的性能及完善的售后服务系统使其小型PLC的销量在中国占有大量的市场。为了硬件间更好的兼容,系统能正常的运行,本设计选用了三菱PLC。 
由于本系统主要由开关量控制,速度要求不高,宜选用低档机,且工艺过程比较稳定,采用离线编程的整体式结构的PLC,根据上述分析,在该系统中我们将选择F1-40MR-E型号的芯片两个进行设计。 F1系列PLC设计合理,结构紧凑,体积小,重量轻,具有很强的抗干扰能力和负载能力及优良的性能价格比,在我
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国是应用比较多,影响比较广的PLC之一。  
4.1.2 其它器件的选择 
1)热继电器的选择    选择依据:热继电器的整定电流大于等于电动机的额定电流,对行走电动机IN=2.25A,所以选择型号为JR16-20/3D的热继电器,额定电流值20A,热元件额定电流值3.5A。 
额定电流:接触器的额定电流是指主触头的额定电流?负载的额定电流,行走电动机IN=2.25A,吊钩电动机IN=4.46A,选CJ20-10/03型号。 
额定工作电压:380V,额定工作电流10A。 
2)行程开关的选择    选择GDFS0100行程开关(光电),非接触的开关所以用GDFS,0100是指在100mm内都有效。 
熔断器额定电压选择:根据UN?Uxn,其中UN为熔断器的额定电压;Uxn为线路额定电压。现Uxn=380V,故选UN=380V。 
3)熔断器的选择    熔断器额定电流选择:根据Im?TRN,其中Im为熔断器额定电流;TRN为熔体电流。 
熔体电流的选择:考虑到电动机受起动电流的冲击,按公式TRN ?(1.5"2.5)IN
进行计算,其中IN为电动机额定电流;对于行车电动机起动?取2.5,对于吊钩电动机起动?取2。 
因为螺旋式熔断器常用于机床电气控制设备中,故初选RL1系列螺旋式熔断器,额定电压UN=380V,额定电流Im=60A,熔体额定电流有:20、25、30、35、40A。对于行车电动机,取熔断器型号为:RL1-60系列,额定电压380V,熔断器额定电流60A,熔体额定电流20A。 
4)刀开关的选择    刀开关的额定电流大于等于尖峰电流15A,选用HK1系列胶壳刀开关,额定电流值15A,极数3(与电源进线相数相等),额定电压值380V,可控制电动机最大容量值2.2KW。触刀极限分断能力为30A,熔丝极限分断能力为500A。胶壳刀开关是一种结构简单、应用广泛的手动电器。用作电路的电源开关和小容量电动机非频繁起动的操作开关。 
5)接触器的选择    额定电压:接触器的额定电压是指主触头的额定电压=负载的额定电压UN=380V。 
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4.2 硬件电路图的设计 
4.2.1 拖动系统的设计 
 
图4.1 拖动系统图 
本设计中,行车水平运动和吊钩升降运动各由一台三相异步电动机拖动,拖动控制系统如图4.1所示。其中,行车的前进和后退、吊钩的上升和下降控制通过电动机的正反转来实现。在行车水平运动中,升降电机采用电磁抱闸制动,以防止吊篮因自重下滑。接触器KM1和KM2控制升降电动机M1的正反转,实现吊钩B的上升和下降;接触器KM3和KM4控制前后电动机M2,实现行车B的前进和后退,FR1、FR2为热继电器,起过载保护作用。两部行车及吊钩都采用上述控制。 
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行车的电动机控制电路如图4.2所示,该控制线路必须要求KM3与KM4不能同时通电,否则会引起主电路电源短路,为此要求线路设置必要的联锁环节。图上所示,将其中一个接触器的常闭触头串入另一个接触器线圈电路中,则任何一个接触器先通电后,即使按下相反方向的起动按钮,另一个接触器也无法通电,这是利用了电气互锁。另外,该线路只能实现“正-停-反”或“反-停-正”控制,即必须按下停止按钮后,再反向或正向起动。这对需要频繁改变电动机运转方向的设备来说,是很不方便的,为了提高生产率,简便正、反向操作,故利用复合按钮组成“正-反-停”或“反-正-停”的互锁控制,这样就是机器互锁。这样有双重互锁,使操作方便,安全可靠。该线路操作方便,安全可靠,故广泛应用。 
 图4.2   行车控制电路图 
吊钩的控制电路图原理和行车的一致,控制吊钩升降的是电机M1,线圈是KM1和KM2。 
4.2.2 PLC输入输出配置设计 
    下图为控制系统的操作面板: 
 
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图4.3  控制面板 
根据拖动系统的设计和工艺要求,绘出PLC输入输出接点对应表4.1和PLC的输入输出配置图4.5。  
表4.1   PLC输入输出接点对应表 输入 编号 X400 X401 X402 X403 X404 X405 X406 X407 X410 X411 X412 X413  
功能 起动按钮SB1 停车按钮SB2 行车的行程开关SQ1 吊钩的行程开关SQ2 上限位开关SQ3 下限位开关SQ4 左限位开关SQ5 右限位开关SQ6 手动选择开关 自动选择开关 吊钩上升按钮SB3 吊钩下降按钮SB4 编号 X500 X501 X502 X503 X504 Y430 Y341 Y432 Y433 Y530 Y531 Y532 输出 功能 行车前进按钮SB5 行车后退按钮SB6 热继电器FR1 热继电器FR2 自动起动按钮SB7 吊钩上升 吊钩下降 行车前进 行车后退 原位指示 运行指示 故障显示  16 
 
 
图4.4  输入输出接线图 
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5  系统的软件设计 
根据工艺控制要求和行车行走路线,画出各行车的控制流程图,再编写控制程序,包括点动控制和自动控制。 
5.1 手动挡的程序设计 
设有行车前进和后退点动操作按钮,吊钩上升和下降点动操作按钮。点动控制梯形图见图5.1中CJP700-EJP700逻辑行间程序段。当工作方式选择开关Q置于“点动”时,X411常闭接点断开,转移条件不成立,执行“点动”控制程序。按下按钮SB3时,X412常开接点接通Y430线圈,KM1得电吸合,电动机正转,吊钩上升;按下按钮SB4时,X413常开接点接通Y431线圈,KM2得电吸合,电动机反转,吊钩下降;按下按钮SB5时,X500常开接点接通Y432线圈,KM3得电吸合,电动机正转,行车前进;按下按钮SB6时,X501常开接点接通Y433线圈,KM4得电吸合,电动机反转,行车后退。吊钩升降和行车进退均有互锁和限位保护。 
图5.1  点动控制梯形图 
5.2 控制流程图设计 
以行车A为例简单说明控制流程: 
 
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1)行车在原位 
按下自动起动按钮SB7后,X504闭合,接通移位寄存器M100输入回路,于是M100线圈接通,M100接通Y531,是原位指示灯亮。开机运行时,M71使移位寄存器复位。 
2)行车前进 
按下起动按钮SB1,X400接通产生以为信号,使移位寄存器移位,M101为“1”,M100为“0”,M101接通Y432线圈,KM3通电,电机正转,行车前进。 
3)吊钩下降 
行车前进直到行程开关触碰到6号槽位上方位置撞块后,计数器C060计数次数到,其常开触点闭合,接通移位寄存器移位M102为“1”,M100-M101为“0”,M101断开Y432线圈,行车停止前进,M102接通Y431线圈,KM2通电,点击反转,吊钩下降。 
4)行车后退 
吊钩下降到吊钩行程开关触碰到下方位置撞块后,计数器C061计数次数到,其常开触点闭合,接通移位寄存器移位M103为“1”,M100-M102为“0”,M102断开Y431线圈,吊钩停止下降,M103接通Y433线圈,KM4通电,电机反转,行车后退。 
5)吊钩上升 
行车后退直到行程开关触碰到4号槽位下方的撞块后,计数器C062计数次数到,其常开触点闭合,接通移位寄存器移位M104为“1”,M100-M103为0,M103断开Y433线圈,行车停止后退,M104接通Y430线圈,KM1通电,电机正转,吊钩上升。 
之后电机继续前进—下降—后退—上升,周而复始。最后,行车退到原位下方,机构回到原位,X402,X403接通,M100为“1”,原位指示。此时M231为“1”,使寄存器M220复位,即M220-M237为“0”。在此之前,所有寄存器都已复位,如果按起动按钮SB1,则开始下一个工作循环。自动运行时,按下自动起动按钮SB7后,系统自动运行,一轮循环结束后,行车后退计数器C665计数次数到,再次使移位寄存器M100的输入接通,系统就可连续循环工作下去。 
按下停止按钮SB2,X401接通,使寄存器复位,此时所有动作都停止。 在本设计中,用计数器来定位,计数器采取自复位,而采用移位寄存器可以使上一工序转入下一道工序时,上一个工序动作自动停止不必另设互锁保护。移
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位寄存器的移位条件采用输入条件和接通计数器接点相串联的缘故,在梯形图中,即使有计数器动作,但其对应的移位寄存器却断开,不会误操作。另外当起动按钮按下时所有计数器全部复位,计数器在新的循环中又开始重新计数。 
 
图5.2 行车A部分控制流程图 
5.3 自动档的程序设计 
5.3.1 计数器C 
PLC中均设有计数器,用于计数。F1系列PLC中共有32个计数器C,全部计数器均有机内电池支持,起断电保护作用。用3位八进制数编号,这32个计数器的编号为: 
C060"C067,C460"C467,C560"C567,C660"C667 
除C660和C661以外,其余30个计数器的计数范围为0"999,计数值的大小通过编程器来设定。这30个计数器C的用法如图5.3所示。当计数器小号输
 
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目录 
中文摘要 ............................................................ 1 英文摘要 ............................................................ 2 1  绪论 ............................................................. 3 
1.1 课题设计的背景及意义 ........................................ 3 1.2 论文的主要内容和安排 ........................................ 3 2 电器可编程控制技术 ................................................ 4 
2.1 PLC技术的基本工作原理 ....................................... 4 2.2 PLC与其它工业控制系统的比较 ................................. 6 3 行车的设计方案 ................................... 错误!未定义书签。 
3.1 设计任务 .................................................... 8 
3.2 电动机的选择 ................................................ 9 3.3 行车吊钩运动路线设计 ....................................... 10 4 控制系统的硬件设计 ............................................... 12 4.1 器件的选择 ................................................. 12 4.2 硬件电路图的设计 ........................................... 14 5  系统的软件设计 .................................................. 18 
5.1 手动挡的程序设计 ........................................... 18 5.2 控制流程图设计 ............................................. 18 5.3 自动档的程序设计 ........................................... 20 结论 ............................................................... 24 谢辞 ............................................................... 25 [参考文献] ......................................................... 26 附录 1 控制流程图 .................................................. 27 附录 2 行车A自动控制软件 .......................................... 37 
 
 

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[参考文献] 
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附录 1 控制流程图 
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