基于PLC的轨检小车控制器设计(源码+万字报告+部署讲解等)

目录

前 言 1
第一章 绪 论 3
1.1 背景 3
1.2 国内外主要研究现状 3
1.2.1 轨检车发展历史 4
1.2.2 轨检车研究状况 5
1.3 课题研究内容 6
1.4 本文的结构 6
第二章 智能轨检小车的方案设计 7
2.1 轨检小车车体设计 7
2.2 轨检小车功能设计 10
第三章 轨检小车硬件设计 11
3.1 电机的分类及工作原理 11
3.2 轨检小车的电动机选型 11
3.3 电机驱动器选型 16
3.4 硬件电路设计 16
3.4.1 主电路设计 16
3.4.2 控制模块硬件电路设计 17
第四章 轨检小车控制模块软件的设计 19
4.1 PLC介绍 19
4.2 PLC分类及其选型 19
4.3 PLC编程软件 20
4.4 PLC软件设计 21
4.4.1 程序流程图 21
4.4.2 PLC的I/O分配 22
4.4.3 PLC程序的梯形编写 22
第五章 轨检小车控制系统调试 29
5.1 调试准备工作 29
5.2 调试系统程序 32
第六章 总结 34
致 谢 36
参 考 文 献 37

前 言

近几年，我国高铁、地铁、轻轨等轨道交通运输方面迅速发展。因此对列车安全行驶和乘客旅途舒适性的要求越来越高。因此轨道几何状态也应该保持与列车运行相互匹配的安全状态。列车速度大幅度的提高，对轨道几何形位的要求也是相对的提高，所以采取动态检测的周期也会越来越短。但是静态检测还不能够完全地由动态检测来替代，因为静态检测的可以随时对轨道的几何形位进行测量，指导施工及其维修作业这一特点。
列车运行的速度越高，允许轨道几何形位的偏差就要求越小，使用传统的轨道检测工具已经不能满足其要求。所以使用轨检小车来测量轨道几何形位这一形式是势在必得的，这也是铁路检测使用现代化技术的重要标志之一。另外，由于高速重型列车的不断增加，现在需要的是做好线路的测量、保护和保养从而来提高线路的质量。因此轨道的检测必须是要向高精度、自动化和方向发展，才能够跟得上发展。
因此很多的欧美发达国家都非常的重视应用现代高新技术来发展本国的现代化轨检车。例如：英国、美国的新型轨检车，检测速度均达到每小时200公里以上，20世纪初奥地利普拉塞公司开发出了检测速度达每小时250公里的轨检小车，这些轨检车精度高、测量项目多、检速快、投入使用后，对线路质量和维修效率、保障列车运行安全发挥了重要作用。而传统的检查方法存在检查精度低的缺点，不能够满足日益发展的提速线路、高速铁路的需要；检测项目少；耗费大量的人力资源及时间；工作效率不高，不能进行较长距离的检测等问题。两者相比，效果是截然不同的。
轨道测量中的动态检测是指轨道上有载荷的情形下来对每个轨道参数进行分解检测。而静态检测是指轨道上无没有载荷的情形下对每个参数进行检测分析。在我国，线路静态检测的结果是进行线路维修的主要依据，对铁路运营安全有着十分重要的意义。
轨道交通的建设是离不开轨道的检测的，因为轨道检测系统直接关系着乘客的安全及乘客的舒适程度。本次毕业设计的课题是轨检小车的车身结构及其运动控制系统设计，在对轨检车上的硬件和软件进行选型，选型完成后对控制模块再进行详细的设计。

第一章绪 论
1.1 背景
高速铁路是铁路运输发展的趋势，随着国民经济的飞速发展，城市轨道交通的便利，铁路运输的任务将越来越重。在此之前我国铁路已经成功的完成了5次大提速，从时速每小时48公里提升到部分线路每小时200公里,而目前，我国铁路正面临着第6次提速的考验，而且在不久的将来还将会进行进一步的提速。铁路的提速在带给国人的生活出行方便的同时，我国的铁路技术也在接受着挑战，而到时轨道检测技术将会是铁路技术中的重中之重，因为旅客乘车的安全程度和舒适程度都是受轨道检测工作所影响的。因为现在的铁路越来越多，轨道铺设地区的地形复杂程度也越来越高，花费大量的人力和资源来进行检测也不是长久之事，这种情况就使铁路的维护工人有着越来越大的工作强度。因此提高铁路的运行精度，减轻工人的劳动强度，保证铁路运行的安全，它需要研究开发出一款智能的、便于使用，能够克服地形困难，高精度的轨检小车来促进中国铁路的发展。
过去的轨道检测是不可能达到高速轨道铺设的精度验收标准的要求和轨道整体平顺性的要求，所以高速铁路建设的高质量标准要求，从节省时间、成本和线路整体的平滑性的方面，是需要建设设计者出发去探索一些更加有效可行的方式，来适应未来当中高速铁路大规模化的建设和轨道检测向自动化方向发展。而随着便携式的轨检小车的成功研发出来，铁路轨道检测的工作效率得到提高，铁路路线的测量精度得到了提高，为铁路运行的安全做出了及其重要的贡献，同时轨道的检测效率大大地提高，也为正在和以后要进行的提速提供了很好的条件。
1.2 国内外主要研究现状
目前，许多欧美的发达国家都已经相继地开发出了高精度效率的高速自动化轨道轨检小车，测量的时速可达到大约每小时160到300公里。轨检车是用来检测轨道的几何状态和不平顺状况，是通过检测能够保证轨道行车安全、平稳舒适和进行轨道保养维修的重要方面。国外的高速轨检车对轨道的不平顺测量基本都是采用的惯性基准法原理来进行。
1.2.1 轨检车发展历史
T2和T4型轨检车是上世纪70年代美国联邦铁路局进行研发的，T6和T10轨检车在上世纪80年代又成功开发出。T2型轨检车使用了无线接触惯性测量系统，检测速度可以达到每小时250公里，配备了实时电子数据处理系统，除了左右水平，高度，方向，三角坑，轨距等方面测量，也可以测量温度，车辆加速度，噪声，如弯曲率，倾斜度，正面的压力数据。T6型轨检车最高检测速度为每小时192公里，惯性测量其轨道高度，确定真正的波形，前后19米弦正矢量就是采用惯性测量法计算的，计算19米弦正矢量的实际波形。轨距是通过用固定在了左右轮中的伺服型传感器，对横向加速度矢量的二次积分后进行横向位移，并且通过光束和轨道四周信号的相对位置计算出的轨道方向的内侧不光滑。
1968年英国成功研制出F2和F4型两种轨检小车，又在1975年研制出新型高速轨检车，检测速度达到了每小时200公里，将其放置在高速列车上，在列车运行中检测铁路轨道几何状态。检测项目有高低面及其变化率，平滑性、纵坡、竖横向的舒适性、转向架竖横向的加速度、速度以及距离等项目。
德国铁路广泛使用BR725编组列车型号轨检车。其配有两个重9吨主要轴，三个测试用的小轮轴可以于单轴上进行移动。每个测试轴都有单独的起落转架，便于检查测量高度、水平、平滑性、轨距、超高率和曲率等项目，高低和水平都采用了弦偏心矢量距的检测方法。轨距的评估采用了先进的Mauzin系统，平滑性以间距2.6m作为测试的基准，曲率则采用10m弦处矢量距离的方法。轨检车自身配备了AV522设备，通过此设备来进行数据的处理，分析设备测试到的波形和评定其轨道质量。
中国在1953年生产出第一辆客车式机械轨检车，这辆轨检车是由我国自行设计和制造的。在1971年又成功研制了客车式电气轨检车。2004年我国铁道部引进美国ENSCO公司的T10轨道检测车加以改进后就有了第四代轨检车CJ-4。第四代的轨检车能够检测轨道高低性、水平率、曲率、左右轨向、曲率变化率、超高等铁路的几何参数，还可以检测车体和轴箱之间的振动加速度、车体左右滚动的幅度、振动及其位移位置等相互作用的参数，还可以自动检测出列车在运行路线中道路通口、桥梁、道路岔口等地面物体的位置并且能自动化地绘制出多少的公里数和进行标记。后来随着轨道检测技术的不断发展和完善，我国在2004年又从美国引进了最新型号的GI-5型轨检小车，CJ-5型轨检小车采取激光摄景系统，同时结合惯性性能进行轨道检测，现在主要应用于铁路提速路段的线路检测。
1.2.2 轨检车研究状况
国内有一批拥有先进人才的优秀企业，通过引进国外的技术，不断地克服各种困难，同时买入一批国外的产品，努力地学习后，国内也推出了不少的轨检小车。只是相对于国外的智能轨检小车来讲，国内的技术还是差了一些。国内也研制出过不少的轨检小车，例如，由江西日月明开发铁路设备公司研发的GJY系列轨道检查仪。此轨道检查仪采检测轨道的运行程度采用的是光纤陀螺精密测角原理，能够检测轨道之间的距离、水平性能、、轨距变化率、左右轨方向、左右高低性能和里程数。系统采用精密机械传动、高精度传感器及开放式智能数据采集模块、软件集成处理数据三种高级配置，是国内首创的高精度、轻便式、全数字化轨道几何状态检测系统。
功能特点：
检测对象：能够检测轨道之间的距离、水平性能、轨距变化率、左右轨方向、左右高低性能和里程数。
测量精度：通过铁道部门的技术认证和制造许可，各项检测指标都是满足铁道部测量行业的标准。
处理数据：检测轨道数据结果和检测出的矢量波形图可与工作过程同步显示，可以在线发现超限额度并且自动预警。
样本采集间隔：每0.125米采集1个样本点。
工作持续时间：一次性充电可供工作时间长达10小时以上。
由北京中西远大科技有限公司开发的，其M285405轨道几何参数自动检测仪/轨道检查仪，原理与上述的轨道检查仪相同，同样是采用的光纤陀螺精密测角原理测量检查轨道的几何性能。
本次毕业设计的课题通过对上述的轨道检测小车的原理研究，再结合现有的资料，打下了一定的基础。
1.3 课题研究内容
本文主要解决以下几点：
1、对轨检小车的车身结构进行分析，研究小车在轨道上工作时如何进行方向的转变，设计轨检小车的导向机构；
2、研究轨检小车的动力来源，整理小车的重量数据，选择合适的电动机来带动小车，加上及其相匹配的驱动器选型分析；
3、控制轨检小车的PLC控制器选型和分析；
4、分析轨检小车主电路，硬件控制电路的电气原理并画出其原理图；
5、分析轨检小车在工作轨道所需要使用到的功能，将其编写成PLC程序，来实现其功能。
1.4 本文的结构
本次毕业设计的方案主要是采用了PLC程序控制器，步进电机，与步进电机相匹配的驱动器所组成的开环的控制系统，实现了运动的控制设计。1、首先分析轨检小车的车身结构，并画出其基本的三维图。2、设计出轨检小车电源电路和步进电机的电气控制原理图3、进行PLC控制步进电机调速的程序设计。4、再进行整体的连接调试。
通过对轨检小车控制器进行设计，分为六个章节：
第一章：对轨检小车的背景、发展和研究现状进行说明
第二章：研究轨检小车的功能需求，对小车车身进行设计
第三章：研究轨检小车的硬件，并完成对电气原理图的设计
第四章：研究轨检小车控制器的控制软件设计
第五章：对PLC程序进行调试
第六章：对本次毕业设计的总结

第二章 智能轨检小车的方案设计

根据课题的要求，确定如下方案：分析研究轨检小车的行驶要求，设计出轨检小车车身基本模型，要求满足小车的行驶需求，要考虑到实际。
通过这种方案能够对轨检小车的运动方向进行控制，而且可以对小车进行灵活的和精度高的控制，这种方案是对于行进于轨道上的轨检小车来讲是相对稳定，能满足对系统的基本要求。
2.1 轨检小车车体设计
在开始设计轨检小车车体的框架的过程中，查找相关资料，再从现有的轨道检测车的车身结构来看，现有的小车结构大致可以分为两类：H型车身结构和T型车身结构。
方案1：车身结构是H型的结构的话，小车就能够对左右两条轨道的高低和轨道的方向对其进行检测，使用常用的递推法来推算测量数据。H型车身结构有几个优点：工作时方便装拆，可以不费事的重复装拆，其有4只车轮，且相对的两只轮子之间有轴连接着，所以导向性好。不过也正是因其有4只车轮，H型车身结构的轨检小车结构刚度比较地差。
方案2：同样刚度的条件下，车身结构是T型的轨检小车对比H型，前者结构的轨检车会显得较为灵活，而且十分方便人员的操作。T型轨检小车有装拆方便，结构相对的紧凑，在对抗振动的时候刚度会很大，重量较轻便于人员的携带。而现有的轨道检测车车身结构也是T型综合以上的原因，本次设计考虑采用车身结构为T型。通过UG设计的小车模型，如图2.1所示。
轨检小车车轮中间需要开出一个孔来，这样可以保留轮子的整体强度，也降低了整个车轮的重量，便于安装。本次设计的车轮外圈要比内圈厚一些，这样的好处是当轨检小车进行加速的时候，小车的平稳性很好，保持在高速运行的时候，小车有较大的惯性。设计轨检小车的车轮如图2.2所示。

图2.2 小车车轮

图2.3 车轮导向装置

轨检小车在轨道上运行，当遇到弯道时，需要转向，所以要给小车车轮加上一个导向装置，其是决定着小车是否能沿着铁路弯道平稳得行走。图2.3为小车车轮的导向装置。
小车要求结构紧凑，要有足够的刚度和较高的强度。导向装置的结构要布置合理，使小车的运动平顺可行。图2.4为小车的支撑结构。

图2.4 小车的支撑结构

图2.1 轨检小车车身结构

轨检车主要结构有行走机构、衡梁、纵梁、导向机构、支撑架、控制计算机、步进电机等组成。通过三个行走轮将轨检车支承与铁轨踏面上方。左侧的纵向大梁下有一只导向轮，其作用是使轨检小车纵向大梁沿铁路轨道进行行进。导向轮弹簧刚度系数要大，以保证导向作用。轨检小车的驱动系统采用步进电机，其对行走滚轮进行驱动，从而驱动小车运行，行走滚轮和导向轮均采用硬橡胶以增加滚轮与轨道之间的滚动摩擦，让小车不存在打滑现象，这样使小车的定位精度更高。笔记本电脑通过专用支架固定于支架上，可以使检测人员能时刻观察小车的动态和检测的动态。直流电动机将代替以前人工的手推，使检测人员节省体力和方便干其他的事情。为了便于拆卸，所有连接采用普通螺栓连接。
2.2 轨检小车功能设计
轨检小车在轨道上工作时，需要执行检查轨道的各项指标和参数，例如轨道的平整性，零件的规格等等。首先需要让小车在轨道上进行行进，要考虑其导向的问题，对小车车轮进行研究，要让小车有速度，就得选择一种功率足够、结构紧凑、续航能力较强切重量轻的电机来带动其运行，需要对电动机及其所匹配的硬件进行选型。电动机选型结束后，就要对主电路电源选型，接着画出主电路原理图，要满足小车动力的要求。完成动力需求之后，就要选择控制电动机的软件，来通过其控制轨检小车的工作过程，选型要求是自动化的控制小车，还要选取匹配的电源模块，设计出选型软件的程序，来适应轨检小车在不同工作环境下的工作方式，例如小车的速度，小车的前进后退，这需要满足其检测方式的需求。
现代轨道检测车还是以人力工作方式的情况较多，本次毕业课题的设计要将其原有的工作模式打破，通过软件控制电动机来控制小车进行运行。

第三章 轨检小车硬件设计
电机称其为电动机，也俗称马达，是一种与电能密切相关的能量转换装置，可以将电能与机械能互相转换，也可以将电能和电能之间进行转换。其主要作用是利用机械能转化为电能，电机是作为用电器械和各种机械的动力源。和其他形式的能量相比而言，电能生产方便，来源多，便于输送等等优点。雅比克在1834年造出了世界上的第一台电动机，后来电动机在结构上与生产机械进行密切的配合，从而进一步的简化机构，容易实现生产的自动化。随着生活水平的不断提高，工业自动化程度的提高，需要采用各种各样的电机作为自动化系统的基本组成元件，此外在国防，医疗以及日常生活中电动机也会越来越广泛地被应用起来。
3.1 电机的分类及工作原理
电动机根据用途来分：控制电机、功率电机、信号电机。功率电机分为直流电机和交流电机。信号电机分为位置信号电机和速度信号电机。控制电机主要是应用在精确的转速、位置控制上，在控制系统中作为“执行机构”。可分成伺服电机、步进电机、力矩电机、开关磁阻电机、直流无刷电机等几类。
步进电机的特点：步进电机其精度为步距角的3-5%，而且不会累积多余的步进角。步进电机外部允许的最高温度取决于磁性材料的不同，低频振动，在没有负载但是有频空载启动频率的情况下，步进电机是可以正常启动的等等。步进电机在通过细分步进角之后，其原有的性能会增强很多。这种电机是没有固定的功率的，其功率随着频率和电机的运行速度变换而变换，它的力矩在低速是很大的。
3.2 轨检小车的电动机选型
因为对轨检小车来说，驱动轮的驱动电机的选择显得十分重要，因为本设计要实现对路径控制定位和速度测量要求不是很高，而且精度也要求不是很高，所以我将采用步进电机来作为本次毕业设计的驱动电机。
首先驱动轨检小车的电机使用步进电机。由于良好的步进电机的准确度为3%-5%，而且不会将误差从一个步骤累积到下一步，所以步进电机能够精确定位和重复性地运动，而这一特点可以进行轨检小车前进路线和其位置的精准定位。步进电机的旋转角度是与PLC输入的脉冲成正比，当绕组通电时，电机转矩处于完全静止状态，并且步进电机对启动/停止/换向有着极好的反应，能够随时控制轨检小车的前进和后退。
根据轨检小车在工作时的需求，在检测列车轨道的过程中，小车有慢快速两个挡位的速度工作，即快速档V=0.8m/s，慢速档V=0.5m/s，在同样的条件下，可以看出电机在快速档的工作条件下消耗更大的功率，所以要以快速档电机消耗的功率来进行选型。下面是对估算负载。
(1)计算负载数据:
小车在运行过程中会受到摩擦力的作用，摩擦力为

其中：为小车运行时轨道所受到的压力，为滚动摩擦系数。
作用在铁路轨道上面的力为

其中，供电的电池重量约为。步进电机质量约为，小车车架的重量约为，加上一些个余量，。
由资料可知滚轮在轨道上的滚动系数，因此小车滚轮所受到的摩擦力

又因为滚轮的半径为，所以小车所受的摩擦力为

当小车工作在快速检测时,又因为

所以求得小车滚轮转速

所以此时小车克服摩擦力所作的功为：
，
故所选电机的标称功率必须大于此值。
（2）电机的选型
应该步进电机的功率是达不到轨检小车运动工作条件的，还是要选用功率高的直流电机来驱动小车的运作。所以本次使用的只是在学校中所有的步进电机来进行试验步进电机的功率可由转速、转矩决定；

T–转速 N–转矩；
额定输出功率由额定转速和额定转矩决定；
同步转速由电机的频率和极数所决定（如图3中1所示）；

f--电源频率   P--极数 ； 

空载时的转速：电机在没有负载时的转速： ( 如图3中 2 所示 )；
额定转速：电机额定的输出功率时的转速： ( 如图3中 3 所示 )。

图3.1 转速与转矩的关系
启动转矩：电机在额定电压、频率作用下，在启动瞬间所输出的转矩 ( 如上图中 6 所示 ) 启动时如果静态负载大于启动负载，电机不能运转。
额定负载转矩：电机在额定的电压、频率以及额定的转速时所输出的转矩（如图中5所示）。
运行状态：为了保证电机温升的控制，确定了连续运行状态和短时间运行状态。
连续运行状态：电机在额定电压、频率下，允许连续运行，并保证电机安全可靠。
短时间运行状态：电机在额定电压、频率下，允许30分钟连续运行，并保证电机安全可靠。
步进电机是将电脉冲信号转换成角、线位移的一种开关控制元件件。在不超载的情况中，电机的转速和停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数的多少，不会受到负载的影响，所以只要给步进电机加一个脉冲的信号，步进电机就会转过一个步距角，这样使得速度、位置等控制领域控制变得十分的简单。现在常用的的步进电机有永磁式步进电机、反应式步进电机以及感应式步进电机和混合式步进电机等不同的种类。而本次采用的是两相混合式步进电机的选用，它结合了永磁式与反应式步进电机两种电机的优点，而且这种步进电机的应用最为广泛。符号为M。
在选用步进电机的时候我选用的是两相混合式步进电机来进行对轨检小车进行控制位移，两相混合式步进电机的结构有电机的钉子有八个绕有线圈的铁心磁极；每个钉子磁极边缘有多个小齿，一般多为5个或者为6个：八个线圈被传成A、B两相绕等结构特点，主要的工作原理定子有四个绕有线圈的磁极，相对应的磁极的线圈组成一对两相线圈，转子有两段永磁体组成，一个呈N级性，一个是呈S极性；每段永磁体有3个齿，齿距为120度，N极齿和S级齿分批错开1/2齿距等等。所以我选用两相混合式步进电机86系列。步距角为1.8度的步进电机。图3.2为本次使用的步进电机