摘要：

本文提出了轨道检测车的总体设计方案，首先设计出轨检车总体结构，轨检车主要结构有纵梁、横梁、行走机构、导向机构、支撑架、控制计算机、电机等组成。接着对电机进行选型，选择合适的步进电机及与其相匹配的驱动器来给轨检小车提供动力，然后选出合适的软件来进行对电机的控制，画出其电气原理图。其次，对轨检车的主控模块进行设计，设计和分配PLC软件的I/O接口。总体就是对运动控制作了一个选型与分析，选择步进电机作为小车的主驱动，用PLC通过控制脉冲来控制轨检小车的速度。本次的设计目标在轨检车检测设备领域，结合先进的智能技术，研制出具有自主知识产权的新型检测设备，可实现高可靠性、高精度测量、高效率、智能化。
本次设计对于促进我国铁路运输的发展，提高铁轨检测的精度，减轻铁路工人劳动强度，保障铁路运输安全有着极其重要的意义。

关键词：轨检小车 PLC 运动控制

毕业设计说明书（论文）英文摘要

Title Trolley Controller

Abstract
In this paper, the track inspection vehicle overall design, the first designed to derail the overall structure of the subject vehicle, rail inspection car main structure of stringers, beams, travel agencies, guiding mechanism, cage, control computers, motors and other components. Then the motor selection, select the appropriate drive stepper motor and match it to provide power to the trolley, and then choose the right software to control the motor, which draw electrical schematics. Secondly, the track inspection vehicle control module design, software design and distribution of PLC I / O interface. Overall motion control is made a selection and analysis, selection stepping motor as the main drive car, with the PLC via the control pulses to control the speed of the trolley. The design goals in the field of inspection car testing equipment, combined with advanced intelligent technology, developed a new testing equipment with independent intellectual property rights, can achieve high reliability, high-precision measurement, high efficiency, intelligent.
The design for the development of rail transport, to improve the detection accuracy of the tracks, reduce labor intensity of railway workers, to protect the safety of railway transport has a very important significance.
Keywords Intelligent track inspection car;; Motion control

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

图3.2 86系列步进电机

图3.4 步进电机的技术指标

3.3 电机驱动器选型
步进电机通过电机驱动器来细分。驱动器细分后的优点主要是完全消除了电机的低频振荡。低频振荡是步进电机的一大特性，而细分是消除低频振荡的唯一方法。装上电机驱动器，细分之后，就提高了电机的输出转矩和电机的分辨率，因为它减少了步距角，提高了歩距的均匀程度。图3.3为此次使用的20806步进电机驱动器

图3.3 20806步进电机驱动器
3.4 硬件电路设计
3.4.1 主电路设计
本次设计的轨检小车使用220V蓄电池给主电路进行供电、24V蓄电池进行控制电路供电，因为蓄电池有体积较小，较为稳定的电压控制输出能和较强的驱动电流，而且能够存储起有限的电能，对于轨检小车较长时间的在轨道上工作有一定的后备能源支持。满足放置控制系统在小车上工作的条件，而且价格相比其他的电池较为合适，所以采用24V蓄电池来作为轨检小车主电路的电源。而直流电动机将代替以前人工的手推，使工作人员节省大量的体力可以去进行其他的工作。图3.5为主电路电气原理图。图3.4为主电路电气原理图。

图3.4 主电路电气原理图
3.4.2 控制模块硬件电路设计
控制模块原理电路如图3.5，图中使用PLC控制步进电机

图3.5 控制模块原理
在输入接口电路中，在驱动器内部放置一只限流电阻，当电压为24V的情况下，电阻R为2千欧，电压为5V时，电阻R为330千欧。当电压不是这两种情况的时候，需要根据电压的大小在每个输入端口前接上。注意，是每个接口前都要有限流电阻，其电路绝对不能够共用其限流电阻，如图3.6所示。
3.6 输入接口电路

第四章 轨检小车控制模块软件的设计

4.1 PLC介绍
PLC，中文定义是可编程控制器，简称是PLC，其是一种新型的以计算机技术为基本的工业自动化控制装置，采用的是可以编写程序的存储器械。其中存储的内部空间用来进行执行了顺序和逻辑运算，还可以对计时和算术运算等发出指令，然后通过输入输出，来控制各式各样的机械设备或者生产过程。
4.2 PLC分类及其选型

PLC按照结构形式来分，可分为整体，模块和叠装三种形式的PLC，其中叠装形式的PLC是前面两者优点的结合体。按照功能来进行分类的haunted，可以将PLC分成低中高三个不同类别。本次设计使用的PLC是西门子的S7-200，如下图所示,。S7-200系列PLC有着极其强大的功能，它既可以在独立的运行中实现功能，也可以在与其他相连成网络的同时进行复杂控制。所以这次PLC我将使用S7-200系列来进行对步进电机进行控制。

图4.1 S7-200 PLC端子和硬件介绍

4.3 PLC编程软件
本次设计使用的PLC编程软件是STEP7Micro/Win编程软件。此软件给予了用户很好的编程条件来进行开拓和编写新的应用程序。为了用户可以方便快捷的开发新的应用程序，STEP7Micro/Win编程软件上有三个不同的编辑器以供用户使用。此软件上有以下几个组成部分：SIMATIC管理器，符号编辑器，通信和硬件组态，编程语言和硬件的诊断工具。STEP7Micro/Win编程软件界面由菜单栏，工具栏，浏览栏，用户操作窗口和状态栏等几部分组成。此软件简单易懂，可以解决相对复杂的用户在自动化方面。此编程软件的界面可由下图所示。

图4.2 STEP7Micro/Win编程软件界面
4.4 PLC软件设计
4.4.1 程序流程图
图4.3 轨检小车工作模式
本次的系统使用的是梯形图的编程，编程软件为STEP7Micro/Win编程软件，先在计算机上进行程序的编写和调试，当程序调试成功后，使用接线口把编写好的控制程序下载到PLC当中。本次设计的PLC程序包括了主程序，慢速档，快速档和停止档的子程序主要要使步进电机分成两个速度档，来满足轨检小车在轨道上不同速度的工作需求，进而来高质量地完成轨道检测工程。工作开始后，电动机启动，轨检小车开始在轨道上前行，进行作业。小车有两个档的速度可以选择，当检测一条全新的轨道时，小车可以以一档慢速前进，增加其测量的精度。在通过无需检测的轨道时，以二挡的速度快速通过，大大地节省了工作的时间，提高了轨检小车的作业效率。轨检小车以一档的速度起步，使用两档的速度在轨道上进行工作，这三种工作方式（如
图4.3所示）根据现场的工作需求来进行自由转换，以适应不同的工作环境。等小车作业结束后，电动机既可以停止转动，让小车停下来，等待操作人员，也可以通过电动机反转来带动小车返回初始位置。
4.4.2 PLC的I/O分配
如表1所示为本次设计的控制字符表。表2所示为本次设计的PLC的I/O口分配表。
表1 控制字符表
Q0.0寄存器 名称及功能描述
SMB67 控制字节，控制PTO/PWM脉冲输出的基本功能
SMW68 周期值，属字型，PTO/PWM的周期值，工作在2~65 535的范围内
SMD72 脉冲数，属双字型，PTO的脉冲数，工作在1~4 294 967 295

表2 PLCI/O分配表
序号 PLC中I/O地址 其控制功能说明 输入类型
1 I0.0 一档运行操作 PLC
2 I0.1 二挡运行操作
3 I0.2 后退运行操作
4 I0.3 停止运行操作
5 Q0.0 输入脉冲
6 Q0.1 方向
7 Q0.2 矢能

4.4.3 PLC程序的梯形编写
网络1：I0.0和I0.2并联为运行的开关，当触点I0.0和I0.2都打开的时候，启动电动机的时候，不论是直接启动还是变频启动，只需要有一种方式的按钮按下之后，，都会调用到子程序SBR_0中，让使能置0，让其有效，然后电动机1档启动。同样，当按下I0.1的按钮后，条件满足，会调用子程序SBR_1，电动机换入2档。
网络2：对于步进电机PLC所发出的脉冲输出的程序。
高速脉冲输出有着两种输出方式，一种是高速脉冲串输出PTO，另一种是宽度可调脉冲输出PWM。使用者可以控制PTO输出的那一串脉冲（占空比50%），控制其脉冲的周期和数量。而PWM可以输出可调占空比的脉冲，能控制输出脉冲脉宽。每一个高速脉冲发射器都是对应着一定的特殊储存器，这些个寄存器是被用来控制脉冲的输出模式，反应出脉冲的输出状态和各种参数值。而这些寄存器的控制位功能是不同的。
首先，我们来处理程序中的SMB67。通过把#8D输出到SMB67当中，通过下面的表格可以看出SMB67是控制着PTO/PWM的更新周期值得，然后将#8D转换成二进制10000101来看，其对应着输出的周期，脉冲数和PTO/PWM的执行命令。而下面的SMW68对应着脉冲周期，它需要在执行指令前，SMD72对应着脉冲的个数如果在输出脉冲完成的时候，要马上执行一个与其有关的功能，就要在中断程序的时间内执行PLS指令，让S7-200进行编程。电动机在此程序下启动，可以开始在轨道上进行工作，此时的速度为1档。

这段程序在电动机1档的原有基础上，再增加了一个矢能，再通过PTO/PWM高速脉冲输出口进行输出，使电动机的速度变快，即电动机工作的第二次提速，来满足轨检小车有较高速度的需求，为电动机的2档。

下面的网络2：与上面的相同，将#0送入到SMB67中，对照上面的表格，找出PTO/PWM更新周期，而SMW68其对应着输出的周期，脉冲数和PTO/PWM的执行命令，所以不会再更新脉冲的个数与周期值，所以步进电机停止旋转。

此程序为中断程序。其中中断连接指令（ATCH）是把中断事件（EVNT）和中断例行程序号码（INT）两者相联系，同时中断事件开始起作用。如果需要中断事件和事件在发生时程序之间有关联的话，那么必须要在中断例行程序激活的前面进行。一个中断的例行程序可以加上几个中断事件，不过事件是不可以加在几个中断的例行程序上面的。在中断程序上面的程序中的设定的脉冲发完结束之后，中断程序起作用，作用在42949672295上，使前面的程序继续发出脉冲。

这段程序是作用在电机上，使电机正反转，带动轨检小车进行前进或后退。Q0.1所赋予的是方向面，而I口赋予的是电动机的正反转。只有当程序前面的RLO指令为“1”，电流能源才才会通过线圈，这样才会让线圈执行置位指令，并且RLO为0是不起作用的，其单元的地址不会改变。而其方向为正方向，所以I0.0是正转。下面的程序也是一样，而“R”是复位指令，所以I0.2位电动机反转。

第五章 轨检小车控制系统调试

5.1 调试准备工作
元器件准备：
1、220V转化为24V的电源模块（如图5.1所示）；
2、西门子S7-200PLC（如图5.2所示）；
3、步进电机驱动器（如图5.3所示）；
4、两相混合式步进电机（如图5.4所示）。

图5.1 控制电路中220V化为24V的电源模块

图5.2西门子S7-200PLC

图5.3 步进电机驱动器接口

图5.4 两相混合式步进电机
所有的元器件准备好之后，进行元器件之间的接线，接线完成后仔细地复查一遍，确认接线没有错误，再开始下一步的调试。

5.2 调试系统程序

第六章 总结

2016年3月份，刚刚毕业论文开始动手。从一开始的不知所措，到慢后来慢慢地开始有状态了，到对论文思路逐渐的清晰，整个论文的撰写过程还是蛮心酸的。最开始在班上进行选课题的时候，我抽到了属于我大学最后一次课题，是：基于PLC的轨检小车控制器的设计。当选题报告，开题报告定下来的时候，说实话我脑子里是空白的，没有接触过这个方面，不知道从何处下手，当时看到开题报告里的任务书，自己真是的觉得有些无从下手。我将这一问题回馈给了我的导指导老师，在老师耐心的指导领悟下，让我自己现在对论文课题的分析研究方向和方法有了初步的计划。在接下来的时间里，我开始查找有关资料，把这些在后面会用到的资料都记录下来。将这些资料进行分类，归拢，这会有利于毕业论文的写作。然后将资料交给导师，和导师进行沟通交流，听取指导老师的建议。4月初，资料已经查找结束了，开始着手论文的写作。在写作的过程中遇到困难我就会及时和导师联系，听取导师的意见，并和同学互相交流。在大家伙的帮助下，困难一个个解决掉，论文也慢慢地成型。4月底，论文的前期编写接近尾声。5月份开始进行对轨检小车结构的绘制工作和控制电路的设计工作。为了结构图和电路图的直观形象，努力学习了UG的三维绘图技术和CAD绘图，然后通过绘图软件将自己设计好的轨检小车车身结构图画出来。在编写控制电路的开始过程中，由于没有实际设计电路的经验，虽然高中时期有学习过电路，可还是觉得无从下手，经过与指导老师讨论后，电路的设计在脑海里有了雏形，通过开始找到的控制电路的资料，最终确定了系统的电路设计方法。方案中控制硬件的设计，是通过模拟负载计算功率选出可以带动轨检小车工作的电动机，所需反复推敲，对比的过程中，最终定下了采用步进电机和与之相配套的两相混合式步进电机驱动器。而软件的选用是要求软件可以满足对轨检小车在工作中的控制。在完成软件选型后，结合之前查找的资料，来编写出可以让轨检小车在轨道上进行其工作需求的程序，还要把程序一步步的调试成功。
当然在完成的同时，也带着少许的遗憾，没有能够做出来一个实际的轨检小车。在实际的小车上是否应该使用直流电机来替换掉步进电机，从而可以解决力矩不够大的问题。还有轨检小车的车身架子上需要有检测器的放置，所以小车要满足轻便的特点等等。这些问题在以后有空的日子里，我会去一个个仔细研究，希望可以为这次的毕业课题再多努一份力。
通过这一次的毕业设计让我明白了我自己对专业知识还是很欠缺，觉得需要去努力的事情还是很多，以前觉得自己好像努力过，就好像自己只能做到这种程度，，经过此次毕业设计，我才明白努力它是一个不断前进，不断创新的过程，在以后的工作任务中还是都还是要不断地努力上进，突破自己的极限，不断提高自己的技能水平和综合素质。同时也明白了不管做什么事情不会存在一帆风顺，要通过自身去努力、不断地从每件事情中找到自己的弱点，才能找到自己的成功大道。在本次的毕业设计中遇到了不少的困难，但最终还是克服了各种的困难，完整了大学的毕业设计。
紧张难忘而又愉快的毕业设计终将要结束了，这是对我大学四年里所学知识的完整总结和其怎样应用它，也是为工作起了一个好的头，不仅是对我在校所学理论知识的检验，更提高了我分析和解决问题的本领。在这里，十分感谢付肖燕老师对我的谆谆教导以及工业中心各位领导的热情帮助。对于作为一个应届毕业生的我而言，这将会是一生当中最为宝贵的财富。

致 谢

本次论文的写作是由工业中心付肖老师的精心指导和悉心关怀下完成的。
在我的学业和论文的撰写工作过程中无不倾注着老师辛勤的汗水和心血。付肖燕导师用其专业的知识基础和大量的设计经验来指导我完成此次毕业课题设计，过程很艰难，但是悉心地给予了我很多的帮助，让我得到了锻炼，结果很完美，在写作的过程中遇到困难我就及时和付老师联系，听取她的意见。在这个过程中我不仅学到了丰富的轨道检测的专业知识，也增强了自己的耐心，这完全要归功于指导老师对我的帮助和无微不至的关怀。付肖燕老师的学习态度、期丰厚的知识和对我的严格要求让我深受启迪，让我不单单学到了如何写好一篇文章，更多是学到了努力做好一件事情的态度和意义。在这里要向我的指导老师致以谢意和深深的敬佩。
在本次论文撰写过程中，技术中心的各位领导、工业中心盛国良老师给予我很大的帮助，提出了非常宝贵的意见和建议，给我能够顺利地完成论文的撰写工作提供了强有力的支持，在此向他们表示深深的感谢。
经过四年的学习生活，也受到了系部领导、专业老师和班主任的热情关心和帮助，在完成毕业设计的这段时间，更是得到了实验室老师们给予的的帮助和支持。
最后，向所有关心我和帮助过我的领导、老师、同学和朋友们表示由衷的谢意！
衷心地感谢在百忙之中点评我的论文和参加答辩的各位老师 ！

参 考 文 献

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