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成人高等教育毕业设计（论文）
（2014级）
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指导教师（宋体四号粗体）
二○一四年二月
基于PLC机械化保障桥电控系统设计
摘要：本文简要介绍了重型机械化保障桥的构成及工作过程，并分析了EPEC型的PLC、CAN总线和P89LV51单片机的工作原理及设计方法；重点放在重型机械化保障桥的电控系统的设计上，这主要包括EPEC型的PLC控制程序及硬件电路的设计、CAN 总线的通信设计、P89LV51单片机对收发信号的处理和遥控开关的硬件电路设计。系统设置有全程手动控制、全程手动/自动控制、应急手动三种控制方式。在具体操作上可以选择无线操作，也可以选择有线操作。多种操作手段并存，能够较好地满足使用需要机械化保障桥电控系统由底盘车提供DC24伏电源,全系统由主控箱、遥控接收机、遥控发射机和辅助照明箱等组成。电控系统通过接近开关对各架设部件的位置进行非接触式的检测,其讯号送到可编程控制器(PLC)进行逻辑判断，然后控制液压电磁阀电磁线圈电源的接通与断开,达到控制液压执行元件的工作状况，完成架设或撤收的每一个动作。电控系统具有关键部位语音提示，其它部位防误操作与限位报警功能，确保器材及人员安全。
关键词：重型机械化保障桥；PLC控制；CAN总线
目次
1绪论 (1)
1.1 研究背景 (1)
1.1.1结构及用途 (1)
1.1.2国内外发展现状及存在问题 (1)
1.1.3重型机械化保障桥的发展方向 (2)
2 重型机械化保障桥电控系统简介 (2)
2.1 电控系统工作原理 (2)
2.2电控系统工作过程和方式 (2)
2.2.1电控系统操作方式 (2)
2.2.2 电控系统控制方式 (3)
3 电气控制系统软硬件设计 (9)
3.1 PLC控制电路 (10)
3.1.1 PLC简介 (10)
3.1.2 PLC梯形图程序的设计方法 (12)
3.1.3 PLC控制系统硬件电路设计 (13)
3.1.4 PLC控制系统软件设计 (15)
3.2 CAN总线电路 (17)
3.2.1 CAN总线特点 (18)
3.2.2 CAN的工作原理 (18)
3.2.3 CAN总线硬件电路设计 (18)
3.3信号采集电路 (21)
3.4遥控发射接收系统 (22)
3.4.1 电源电路 (22)
3.4.2 P89LV51单片机电路 (22)
3.4.3 遥控开关电路 (25)
3.5 辅助照明及报警系统设计 (27)
4 结论 (328)
参考文献 (29)
致谢 (30)
1绪论
1.1研究背景
1.1.1结构及用途
最常用的重型机械化保障桥是21米的，主要由桥跨、桥车和辅助设备组成。运输时，桥跨重叠固定在桥车上；工作时，由桥车完成桥跨的架设和撤收动作。每套设备上均配置一套辅助设备，用来协助完成作业，例如桥跨在桥车上的固定、桥跨架设后的系留固定。该桥的主要特点有：桥梁构件模块化、架设机械化以及通载全面化(能通载现有的
的负荷，增大架设长度，又研制并配备了重型机械化桥。60年代，中国人民解放军装备了轻型机械化桥。1972年，捷克军队装备了重型机械化桥。该桥采用整体式桥面和液压桥脚，便于小型轮式车辆的通行和各种车辆夜间通行，并提高了撤收时拔起桥脚的能力。该桥还改进了桥节展开机构，缩短了架设时间。1974年，法军装备了可直接驶入的桥车和可以在沟内架设的自行伴随桥，提高了对障碍的适应性，扩大了使用范围和单车架设长度。1981年，日本研制出了结构比较新颖的平推式机械化桥。1984年，中国研制成带
有液压桥脚、整体式桥面的重型机械化桥。目前英国、瑞典、德国等均依托其先进工业技术开发此类装备，美国后来居上，在综合欧洲几种典型的大跨度保障桥方案后，改进完善了自己的重型干沟保障桥方案。我军研制此类装备起步较晚，但历经高起点创新发展，已取得重要的新成果。
虽然我国的机械化保障桥近几年取得的发展是值得骄傲的，但是和世界一流水平相比较还是有一定的差距，例如，架桥时间过长，机身过于笨重，所保障的长度和深度逊色于世界发达国家，控制系统过于复杂等。PLC技术也不够成熟，只是在改革开放后才开始致力于此的发展。
1.1.3重型机械化保障桥的发展方向
随着各国国力的发展，机械化保障桥的发展也日新月异，各国均投入了大量的精力与物力致力于此保障桥的开发升级与研究。今后研制工作的侧重点将放在将结构整体化，架设作业机械化上面；并将进一步开发、应用轻质高强度的材料，以降低铸造成本，增大单跨长度，提高桥梁载重量、加快架设、撤收速度、完善运载车辆的机动能力；提高器材的标准化、系列化、通用化程度；发展能适应特殊地形、复杂气候条件和空运要求的新型器材等。由于保障桥较为笨重，运输成本较大，所以从交通战备和成本考虑，各国都将有计划地在定点适当储备桥梁预制构件和其他就便器材，发展平战结合、军民通用的桥梁器材，将重型机械化保障桥进一步应用到民用上，既节省了运输时间和成本，还能方便民众。
2 重型机械化保障桥电控系统简介
2.1 电控系统工作原理
机械化保障桥电控系统由底盘车提供DC24伏的电源,全系统由主控箱、遥控接收机、遥控发射机和辅助照明箱等组成。电控系统通过接近开关对各架设部件的位置进行非接触式的检测,其讯号送到可编程控制器(PLC)进行逻辑判断，然后控制液压电磁阀电磁线圈电源的接通与断开,达到控制液压执行元件的工作状况，完成架设或撤收的每一个动作[1]。电控系统具有关键部位语音提示，其它部位防误操作与限位报警功能，以确保器材及工作人员安全。
2.2电控系统工作过程和方式
2.2.1电控系统操作方式
重型机械化保障桥电气控制系统设置了三种操作方式，第一种为无线操作（常规操作）；第二种为有线操作；第三种为应急操作。多种操作手段并存，能够较好的满足使用要求。（手柄操作详见液压控制部分）
（1）无线操作
无线操作是机械化保障桥电控系统的常规操作方式。重型机械化保障桥架设和撤收的全过程是利用一套无线发射器进行操控的，其可以独立完成整套动作[2]。
其工作过程如下：
①接通电源：将设置在驾驶室仪表盘上的“电源控制”开关板上的电源开关S0置
于“工作电源”位置，中心控制箱上“工作电源”指示灯亮。中心控制箱和无线接收机的工作电源均接通。
②将中心控制箱中的应急选择开关置于“正常工作”位置，将无线双机选择开关置于“工作”位置。
③打开无线发射器的电源开关，准备工作。主机开机时，功能转换开关必须处于“支腿”状态，才能启动工作。
（2）有线操作
无线发射器对无线接收器具有有线控制功能[3]。发射器均配有有线数据传输电缆插孔，在特殊情况下，如受到不可抗拒的电磁干扰时，两者之间采用有线数字传输电缆连接，实现有线操作。有线操作的过程与无线操作相同。
（3）应急操作
应急操作是机械化保障桥电控系统其它操作方式均出现故障时的一种非正常操作
方式，一般情况下不予使用。应急操作是采用点对点的开关量控制方式。应急操作时，整个系统的逻辑控制系统全部失效，需要人为观察各液压执行元件的动作和到位情况，因此，采用应急操作时，应更加小心。
应急操作工作过程如下：
①接通电源：将设置在驾驶室仪表盘上的“电源控制”开关板上的电源开关S0置于“工作电源”位置，中心控制箱上“工作电源”指示灯亮。
②打开中心控制箱，将中心控制箱中的应急选择开关置于“应急工作”位置，接通应急操作电源。
③打开无线对讲机，在驾驶室内的操作人员听从室外操作人员的口令，根据需要，逐一搬动相应开关，完成每一步动作。
④应急操作所有动作完成后，要及时将中心控制箱中的应急选择开关置于“正常工作”位置，关好控制箱。
2.2.2 电控系统控制方式
在重型机械化保障桥的架设和撤收过程中，系统设置有三种控制方式，分别是全程手动控制、全程手动/自动控制、应急手动控制。
（1）全程手动控制
全程手动控制是指根据架设或撤收的规定程序，按步骤操作的方法。遥控发射器
启动时，选择开关必须置于“手动工作”位置时才能启动。工作中，选择开关置于
“支腿电源”位置时，只有“支腿”和“油门”能工作，其余均不能工作。
全程手动控制操作具有逻辑互锁的保护功能，在相应的动作过程中，设置了语音
提示功能。在特殊情况下，按下“解锁/暂停”键，5秒时间内，解除互锁功能，5秒后解锁自动终止，恢复互锁和防误功能。（“解锁/暂停”键在手动工作过程中，执行“解锁”功能，无“暂停”功能）。
手动控制原理如图2.1所示。
图2.1 手动控制原理图
（2） 全程手动/自动控制
自动工作是指完成一定的前期准备工作后，由控制器自动控制架桥架设及撤收的动作过程。在自动控制程序运行过程中，若出现特殊情况，按下“解锁/暂停”键，暂停自动控制程序的进行，待排除故障后，按下“确认”键，继续自动控制程序的运行（“解锁/暂停”键在自动工作过程中，执行“暂停”功能，无“解锁”功能）[4]。原理图如下：
图
2.2 手动/自动控制原理图
手动/自动架设过程可以分为三个阶段：
第一阶段为手动控制阶段，先接通“电源开关”，将工作状态选择为“架设”、控制方式选择为“手动”，用手动控制的方式完成从0步到第5步的架设动作，为自动架设做好准备。
第二阶段为自动控制阶段，这个阶段完成从第6步到第18步的自动架设动作，如果满足桥车架设机构的初始位置条件，则将选择控制方式为“自动工作”，同时按下“确
认”键，如果自动程序开始执行，则自动指示灯亮；如果不满足自动执行开始的初始条件，则自动执行指示灯不亮。随着各动作的进行，操作员应注意观察各架设机构的运动情况及桥跨的运动姿态，若发现不正常的情况，要及时按下“解锁/暂停”键，将所有动作停止，待排除故障后，才能按下“确认”键，自动执行继续。故障不易维修时，将控制方式转为手动工作。（“解锁/暂停”键在自动工作过程中，执行“暂停”功能，无“解锁”功能）[5]。
在自动架设过程中，丙丁连接时有一个暂停过程，操作员观察丙丁连接正常后，按下确认键，则自动控制程序会自动执行下一个动作。当将桥跨推出至前终位时，则自动执行指示灯灭，表明自动架设过程已完成，自动控制结束。
第三阶段为手动控制阶段，控制方式从“自动工作”转为“手动工作”，用手动方式完成从19步到第25步的架设动作，完成整个架设任务。
下面用流程图和图片具体介绍手动/自动的架设全过程。
手动/自动撤收过程也分为三个阶段：
第一阶段为手动控制阶段，顺序接通“电源开关”，将“工作状态”选择为“撤收”、控制方式选择为“手动”，用手动方式完成从0步到第7步的撤收动作，为自动撤收做好准备工作。
第二阶段为自动控制阶段，其完成了从第8步到第21步的自动撤收动作，如果满足桥车架设机构的初始位置的条件，则将选择控制方式为“自动工作”，同时按下“确认”键，如果自动控制程序开始执行，则自动指示灯亮，如果不满足自动执行开始的初始条件，则自动执行指示灯不亮。随着各动作的进行，操作员应注意观察各撤收机构的运动情况及桥跨的运动姿态，发现不正常的情况，要及时按下“解锁/暂停”键，将各动作停止，排除故障后，按下“确认”键，自动执行继续。故障不易排除时，将控制方式转为手动工作。（“解锁/暂停”键在自动工作过程中，执行“暂停”功能，无“解锁”功能）。
在自动撤收过程中，脱钩时会有一暂停，操作员在观察脱钩正常后，再按下确认键，则自动程序会自动执行下一动作。当将桥跨收回至前终位时，则自动执行指示灯灭，表明自动撤收过程已完成，自动控制程序工作完成。
第三阶段为手动控制，控制方式从自动工作转为“手动工作”，用手动方式完成从22步到第28步的撤收动作，完成撤收任务。
3 电气控制系统软硬件设计
机械化保障桥的电控系统是由电源电路、无线遥控电路、辅助照明及报警电路、信号采集电路、CAN总线数据传输电路和以PLC可编程控制器为核心的扩展电路构成的，系统硬件结构框图如图3.1。
图3.1 电气控制系统结构框图
3.1 PLC控制电路
3.1.1 PLC简介
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计的。早期的可编程控制器被称作可编程逻辑控制器，简称PLC。它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的进步，该控制器的功能已经远远超出了逻辑控制的范围，因此，今天的这种装置被称作可编程控制器，简称PC。然而，为了避免与个人计算机的简称混淆，所以将可编程控制器简称为PLC[6]。
PLC控制器有以下特点：
（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控制器由于采用了现代大规模集成电路技术，而且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，所有具有很高的可靠性。使用PLC控制器构成控制系统，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，出现故障的概率也就大大降低了。此外，PLC控制器具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我诊断程序，使系统中除了PLC以外的电路及设备也能获得故障自诊断保护。这样，整个系统将具有极高的可靠性。
（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大多还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广泛渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。再加上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是面向工业和采矿矿企业的工业控制设备。它接口容易，编程语言易于被工程技术人员接受。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的外部接线，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。
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。每次扫描过程，集中对输入信号进行采样，集中对输出信号进行刷新。输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数。由于采用集中采样、集中输出的方式，所
以存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。为满足重型机械化保障桥对特殊环境的严格要求，应采用芬兰EPEC公司的2024型PLC芯片进行设计。
PLC基本结构框图如图3.2。
图3.2 PLC基本组成框图
EPEC控制器是EPEC OY开发的第四代CAN控制系统模块，该控制器是基于长期恶劣环境如高振动、大温度变化和潮湿等条件下仍能正常可靠的工作而开发的，大容量的存储空间可以对程序、系统参数等重要数据进行保存[5]。具有较高的可靠性和安全性，其特性如下：
(1)ISO高速CAN1接口（CANOPEN）；
(2) ISO高/低速CAN2接口（CAN2.OB）；
(3) 供电电压为DC10-30V,编程时要求大于11.5V；
(4) 建议DC24V供电；
(5) 程序时钟周期默认为10ms(可改)；
(6) 248个16bi t参数；
(7) 高压和过载保护、过热保护、输出短路保护；
(8) 镀金接触、自锁、密封良好的连接器。
图3.3 EPEC 2024实物图
EPEC2024控制器是一款硬件性能良好、安全可靠的工程机械产品主控制器，它采用C167处理器、具有40MHZ的主频，具有256kb的存储器，采用CoDeDys软件编写程序，防护等级能够达到IP67，具有高压和过载保护功能、输出短路保护与过热保护功能，具有52路可编程IO接口，一路CANopen通讯接口，一路CAN2.0通信接口[7]。
3.1.2 PLC梯形图程序的设计方法
利用梯形图编程时，首先必须确定所使用的编程元件的编号，PLC是按编号来区别操作元件的。每个元件在同一时刻绝不能同时担任几个角色。一般来讲，配置好的PLC，其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当）。所以I/O口的分配实际上是把PLC的输入、输出点号分给实际的I/O电路，编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号“对号入坐”进行接线[8]。其编程原则有以下几点：
（1）每个继电器的线圈和它的触点均采用同一编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。
（2）梯形图每一行都是从左边开始的，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有接触点），如图(a)错，图(b)正确。
图 (a) 图（b）
（3）线圈不能直接接在左边的母线上。
（4）在一个程序中，如果同一编号的线圈使用了两次，则称为双线圈输出，它很容易引起错误的操作，应尽量避免。
首先介绍一个常用的点动计时器，其功能为每次输入X000时，接通时，Y000输出
根据时序图我们就可以画出相应的梯形图：
T1
根据时序图可画出如下相应的梯形图：
3.1.3 PLC控制系统硬件电路设计
该设计采用EPEC2024型PLC控制器，其由底盘车提供DC24V电源直接供电，PLC 硬件电路设计如下：
图3.4 PLC 硬件电路设计
表示液压电磁阀，是PLC 的输出控制部件；
表示接近开关，为PLC 输入量； 表示行程开关，为PLC 输入量。
3.1.4 PLC控制系统软件设计
（1）PLC控制器的软件设计用于完成对液压电磁阀电磁线圈电源的控制，进而完成机械化保障桥的架设与撤收。按动作过程对PLC的输入和输出接口定义如表3-1。
表3.1 输入输出节点统计
由于没有EPEC软件，所以该部分程序是用西门子S7—300模拟实现的。
（2）手动/自动控制程序梯形图如图3.5。
图3.5 PLC梯形图
3.2 CAN总线电路
控制器局域网CAN（Controller Area Net）是一种现场总线，主要用于各种过程检测及控制，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。CAN最初是由德国BOSCH 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它具有较高的位速率，高抗电磁干扰性，可以检测出产生的任何错误，当信号传输距离达到10Km时，仍然可以提供高达50kbit/s的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能和应用范围，从位速率最高可达1Mbps的网络到低成本多线路的