基于PLC的小车控制系统设计
摘要
伴随着中国自动化产品的升级和产业结构调整，智能小车技术慢慢运用于各种各样的设备，智能化设备不但可以解决人力工作，自主进行每日任务，还能够高效率减少时间，减少人工成本，减少工作强度。现如今，道路清扫技术和家庭所用的智能小车在逐步的完善。本文选择实验室的无人驾驶小车课题项目，旨在利用PLC控制技术主要实现智能小车的运行，为小车搭建一套低成本、体积小、自动化系统。
本课题选用PLC S7-200 SMART为主控制器，首先，要对系统需要实现的功能进行分析，利用Visio绘图软件绘制系统运行流程图、电气连接图和控制结构框图等等。比较并选择电子设备结构，分别对小车的主控制器模块、供电模块、传感器模块等进行基本的选型，并分别对其进行工作原理的分析和程序的设计。
其次，用McgsPro组态软件进行上位机系统控制界面的设计，也作为系统的仿真模拟运行，对整个画面运行流程进行脚本程序的编写和设计，并在线模拟运行和调试。利用STEP7-MicroWIN SAMRT编程软件进行系统的程序设计，并利用S7-200仿真软件对程序进行运行仿真和调试，能够达到预期目的。
关键词：车；PLC；McgsPro；STEP7-MicroWIN SAMRT 目录
一、 绪论 1
（一） 课题背景及开展研究的意义 2
（二） 本课题国内外研究进展 3
1． 国外研究进展 3
2． 国内研究进展 4
（三） 研究内容与预期 6
（四） 章节安排 7
二、 小车设备装置设计 7
（一） 设计原则与要求 7
（二） 设备选型 7
1． 控制器 8
2． 电机及驱动器 10
3． 供电模块 11
（三） 设备装置的结构组成 13
三、 小车设备的控制程序设计 13
（一） PLC的I/O分配 14
（二） 小车电机设备的控制 14
1． 电机转速和方向的控制 15
2． 电机控制程序 16
（三） 传感器的控制 18
（四） 启停的控制 20
四、 基于McgsPro组态软件的小车系统仿真 21
（一） McgsPro组态软件概述及优势 22
（二） 连接变量和下载组态界面 22
（三） 建立连接变量和数据通道定义 23
（四） 组态界面下载 23
（五） McgsPro组态软件与PLC的连接 24
（六） 本章小结 25
五、 结论 25
参考文献 26
基于PLC的小车控制系统设计
绪论
随着时代的发展人类一直想拥有一种在自动驾驶，并且能够完成多项工作的智能小车。现在，许多发达国家与发展中国家都在对智能小车进行探索与研究。经过科技人员的努力与生产技术的不断提高，自动化技术越来越熟练，这项技术取得了重大突破，人类的梦想正在逐步实现。
可编程序控制器（PLC）是伴随当下计算机技术、通信技术、微电子技术和继电器控制技术的发展而发展起来的一门技术。当下，PLC已大面积应用于机械制造、冶金、化工、电力、交通、矿山、建材、轻工、环保、食品等行业。
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种用于工业环境的电子操作系统。它通过可编程存储器在内部存储器中存储和执行逻辑操作、顺序控制、定时、计数和算术运算等指令，并通过数字、模拟输入和输出来控制各种机械或生产过程。可编程序控制器及其相关设备的设计应遵循工业控制系统易于形成整体和扩展功能的原则，今天，PLC当下已然形成了一系列大、中、小规模的产品。可用于各种尺寸的工业控制场合。除了逻辑处理功能外，大多数现代PLC都具有完善的数据运算能力，可应用于各种数字控制领域。近几年间，PLC的功能单元持续涌现，使PLC渗透到各种工业控制中，如位置控制、温度控制、数控系统等。伴随当下PLC通信能力的提高和人机接口技术的发展，使用PLC构成各种控制系统变得非常容易。
如今的智能小车一般可分为：家用扫地机器人、智能探测技术智能小车及智能化代步小车。其体积尺寸和工作场景各有不同，家用扫地机器人用于小尺度环境的家庭室内空间清扫。其搭载的清扫设备不断升级，内置的传感器不断改进，可以收集精确的环境数据，进行可靠的避障保护，实现更高效的清洁作业，技术发展最为成熟。智能探测小车主要工作于中等尺度环境的探测工作，通过人工推动或牵引的方式引导能够完成环境的探测以及识别功能，主要常见于商业广场、停车场、学校、机场、车站等场所。代步智能小车可以应对驾驶者的代步需求，会智能分析，通过驾驶者的动作感应，实现慢起步功能，刹车功能等。在生活中起到了至关重要的作用。国内外在人工智能小车方面不断地探索，所研究的智能小车产品也越发智能化、科技化、高效化，集于多技术、多功能于一体。
课题背景及开展研究的意义
随着小车的智能化越来越高，已经具有对行驶路段周围环境的检测能力，规划行驶路线和躲避障碍的能力，能够在恶劣的环境中完成工作。现在的智能小车已然渗透到了各行各业。
智能小车的发展进步有了百余年的历史。1972年NilsNi-ssen和Charlenrosen等人制造出了第一台智能小车。此后，日美、欧洲地区等西方国家积极地推进生产智能制造技术，大批量地生产智能小车。到20世纪80时期和90时代，伴随着电子计算机技术、互联网技术、微电子技术等的快速发展，智能小车在计算机技术、传感器技术、人工智能技术等顶尖技术的促进下快速发展趋势，国外先进扫的智能化水准不断提升。随着中国环保企业的产业结构调整、转变与更新，各种各样的智能化小车融入了电子计算机技术、智能系统和模式识别等前沿技术。
随着我们生活水平的提升，我们对生活环境的要求也在不断地提升。现阶段环保企业转型发展的核心取决于降低人工成本和工作高效率。而随着智能小车技术的崛起，市场也越来越关注于基于移动智能小车技术。国内外不断突破的研究使得智能小车技术得到飞速发展，技术的热度在不断提升，智能小车应用在各种领域，服务机器人也逐渐渗入人们的生活中，为人类服务。服务智能小车出现和兴起的原因主要有以下三点：一是时代的进步及新技术革新，二是人们逐渐摆脱重复劳累的劳动力，三是多个国家进入老龄化社会，促进研发更智能的产品服务于人类。特别是在疫情的环境下，特别是无人驾驶形式的小车不与人直接性接触，大大地提高疫情形势下的安全防御力度。以及在对人身体有危害和高危险的作业环境下，智能小车在完成工作方面就发挥了很大的作用。
小车智能化一方面是科技进步所推动，一方面是现代社会的发展需要。现阶段，全球广泛遭遇社会老龄化的问题，也面临着劳动力成本增加的问题。这一代劳动力也在不断减少。而智能小车可以解放生产力，控制成本，提高工作效率，缓解劳动力紧缺的问题。
因而，为了更好地提高在我国智能小车服务化机械设备新技术的水准，缩小与先进国家智能小车水准的差距，将从多用途、多技术性、环境保护以及经济发展等领域提出更高的要求。
本课题国内外研究进展
国外研究进展
智能车辆的研究起源于20个世纪50年代开始，美国Barrett Electronics公司开发出来的世界上第一台全自动正确引导车辆系统软件。1974年，德国的Volvo Kalmar小汽车装配工厂与Schiinder-Digitron企业合作，研发出一种可运载小汽车车身的AGVS，然后由几台这种AGVS组成一个汽车装配流水线，进而取消传统式运用的托车及电动叉车等运载工具。因为Kalmar加工厂选用AGVS赢得了显著的经济效益，很多欧洲各国陆续借鉴Volvo企业，并逐渐使AGVS在安装运行中成为一种时兴的运输方式。在全世界学术界和工业建筑界中，众多研究组织已经产品研发智能车辆，在其中有代表性的智能车辆包含意大利MOB-LAB的研究。MOB-LAB是开放“挪动实验室”的象征，之后用于产品研发车载式即时图像处理系统，根据机器视觉系统来测试车道运动轨迹，完成车辆独立安全驾驶。MOB-LAB有如下主要特征:车辆前后左右武器装备彩色监控摄像头，用于检验辆环境因素：2个即时图像处理器(利用相对应算法结构，以200ms一幅图象速率剖析图象);4个车载传感器来测量多个方车辆瞬时速度;在车辆两侧安装车载雷达认知路面左右两边自然环境；2个PCCpu解决雷达探测和其它结合的传感器数据;德意志联邦大学研究。德意志联邦高校早已研制出几辆车智能原形车辆。在1985年，第一辆VaMoRs智能原形车辆就已经开始室外高速路上以100km/h速度展开了检测。应用机器视觉技术来确保多个方的车辆操纵。1988年，在都灵的PROMETHEUS新项目第一次联合会会议中，智能车辆维塔(VITA，7t)也进行了展现，此车能够自动停车、行驶，并且可以往后车传输有关驾驶信息。这几种车辆都配备UBM视觉识别系统。这是一个双目视觉系统软件，具有极高的可靠性，另外还包括一些别的类型的感应器：三个加速度传感器、一个车轱辘位置编码器(可以作为里程数或计速器)，在VaMoRs车里，GPS接收器能够实现车辆区域的基本估计。美国俄亥俄州立大学的研究。美国俄亥俄州立大学智能交通出行研究所所研制的三辆智能原形车辆，配置不同类型的感应器来达到数据预处理和异常无损检测技术:根据视觉上的系统软件;雷达(检测和行车道横着部位);激光扫描测距器(障碍物检测);别的感应器，如侧面雷达探测转为手机陀螺仪。利用根据视觉上的方式完成路面检测。利用一台安装于倒车镜处的CCD监控摄像头，部位要尽量高，行车道监测系统可以处理这种每幅二值图像优化算法假定路面是水准地，而且有持续或问道羽化的车道标志线。前几帧检测车道标志线数据信息也用于确定下一步兴趣爱好热点区域，以简单化数字图像处理。优化算法从源图像提取出极为重要的亮域，并且以空间向量行车存放，如路面消失点或道宽这样的数据主要参数都可以成为测算车道标志线参照，最终为了能解决点划车道线，能通过一阶代数式曲线图来线性拟合，在开展空间向量测算。假如检测出上下车道标志线，就能利用上下标识线来可能行车道轴线:不然还可以利用可能的双向四车道以及相关可视性标示来估计轴线。此外，格勒诺布尔(Strasbourg)实验核心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰汽车公司、美国麻省理工大学、韩国理工学院对智能车辆也是有比较多的研究。
国外对驾驶式智能小车的研究始于20世纪70年代。由于社会对前沿技术的重视和大量资金的投入，加大研发的力度，产品在不断地演化，其技术的应用也日益成熟。在许多欧美国家，智能小车已经基本取代了传统的小车，且能够有效地完成道路清扫的任务。在诸如美国、英国、瑞士等的发达国家，都有自己的大规模的智能小车制造企业。由于有多年的技术应用及经验的积累，使这些企业具有强大的研发能力和生产出多种样式的智能小车。
智能小车在相关技术达到成熟阶段后，厂家开始生产各种型号、各种功能的小车，智能小车在应用环境方面也具有了针对性。
例如加拿大商业服务型扫地机器人生产商（Avidbots品牌）发布的无人驾驶智能扫地机Neo。Neo是Avidbots的第一款商品，由Faizan Sheikh和Pablo Molin于2014年创立。Neo能够根据特有的软件、3D传感器和监控摄像头，通过WiFi和4G连接到云端，实现自动清洁环境，并自动接收系统软件的更新以添加新功能。
国内研究进展
针对智能小轿车领域中常加工产品持续升级换代，世界各国会有不同的发展趋势起始点和发展史，以下属于针对本问题所研究的对象在国内外研究进展的各自展开阐述。
吉林大学智能车辆课题组长期主要从事智能车辆自主导航原理及核心技术研究20世际90年代以来，研究组开展的组态软件式柔性制造系统模块及图像识别技术全自动引导车的研究对国内自立自强开发一种新型全自动正确引导车辆系统软件，进而为在我国生产制造组织模式向软性和半智能生产组织转化带来了有价值的技术保障和主要设备。研究组已开传出JLUIV一1、JLUIV一2、JLUIV一3三种型号规格的自动正确引导车辆，在其中JLUIV一3适用型视觉导航AGV已资金投入加工厂开展小试，并获得吉林省科委“新式视觉引导AGV及全自动物流运输系统开发”新项目、长春市人民政府高新科技正确引导方案新秀创业好项目、吉林大学科技园高新产品孵化项目的项目立项支助，现阶段这种AGV已经完成商业化研发，将要投放市场。因为JLUIV一3型AGV使用性能，智能化程度高，属技术领先，必将会产生重大的社会效益和经济效益。中国第一汽车企业集团和国防科大机电安装工程与自动化学院于2003年7研制所在我国第一辆独立安全驾驶小汽车。该独立安全驾驶小汽车在常规交通出行前提下，磊器踵紧路福驶的最高级平稳速度为130千米/钟头，最高点值速度为170千米/钟头，并具有高速行驶作用，其整体技术规格和指标值已经达到了世界先进水平。小汽车独立安全驾驶的原理是仿人安全驾驶。车内环境识别系统检测出道路状况，精确测量正前方车辆的位置和相对运动，等同于驾驶员双眼:车载式主控芯片电子计算机和相应的最短路径算法手机软件依据机器视觉所提供的交通信息、车头车辆状况以及自身的行车情况，确定是沿路面前行或是变道提前准备高速行驶，等同于驾驶员人的大脑;然后，无人驾驶监控软件依照必须追踪的路线和汽车行车动力学模型，向汽车方向盘控制板、油门控制器和刹车踏板控制板传出姿势命令，控制汽车按安排好的路线前行，具有驾驶员手和脚的作用。
此外，在我国清华、北京理工学院等有关单位也在产品研发智能车辆。汽车独立开车技术它集系统识别、智能操纵、电子信息科学和汽车控制驱动力等多门冰箱课程于一体的综合性技术性，汽车独立安全驾驶作用水准高低常被用于作为衡量一个国家控制系统水准的重要标准之一。智能车辆的相关应用，也将为推动轮式机器人的研究。
目前，在智能小车的市场上，主流产品是由几家汽车制造商和互联网公司组成的。网络公司占主导地位。不过两人的发展方向完全不同，汽车厂商更看重的是安全性和实用性，他们本身就是造车之人，对于汽车行业的了解更多，智能只是给他们锦上添花而已。不少汽车制造商，都在不停地研发智能汽车，希望能够尽快制定出一个新的汽车工业规范。在智能汽车这一块，和国外的研究成果大同小异。然而，受限于中国人的消费观念，国产汽车厂商在智能车的开发与应用方面，相对滞后，尚未形成大规模、成熟的局面。上汽公司于2010发布了incarNet，目前已进入第3世代，与国内其他厂商相比，它具有更强的实用性能，上汽许多车型均使用该产品。其他国产厂商也不甘落后，纷纷将自己的智能车产品推向市场。在中国，百度、阿里、腾讯三大网络公司都已经在向智能汽车领域进军。百度公司发布了一款名为carnet的智能小车如图1-1，其特征在于将手机与车联网，实现“人，车，手机”三者之间的互动。阿里与上汽公司共同致力于“网络汽车”的开发，以建立在网络的智能汽车的基础之上，为消费者提供更多的信息。
图1-1 智能小车
研究内容与预期
本课题选择PLC为控制器的原因是其具有功能强、性能价格比高、可靠性高、抗干扰能力强、体积小、能耗低等的优良特性。PLC控制器用于数字操作的控制设备，是一种具有可编程属性的逻辑控制器，属于一种单片机，融合计算机技术、通信技术及自动控制技术等。而且接线简单、编程容易。在PLC控制系统中完成执行功能时，每一个指令都能够精确地连接主系统和终端设备实行。因此，在设计系统运行方案时，应对系统的运行模式进行充分地考虑，充分利用PLC控制系统的优良特性，科学性地驱动整个运行系统。对于本课题中的模拟信号的处理，这时，就需要利用应用模拟仿真控制系统完成控制。针对PLC而言，执行模拟仿真控制是其一大优良特性。PLC能根据变量之间的关系合理地做出实际的变量控制系统，并且给予稳定的控制方式，对变量的变化实施追踪式的控制。
而在工业领域，PLC在自动控制系统中的应用可以利用该技术的优势进一步提高生产效率，随着该技术的不断发展，PLC的性能不断优化和提高。因此，本人选择了PLC为控制器针对智能扫路车来设计其控制系统，通过PLC对电机等的控制信号进行处理。借助McgsPro平台搭建系统仿真。McgsPro可以为技术人员提供完美的解决方案和开发平台，从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程监控、动画显示和报告输出。通过对小车功能的分析，使功能模块化，以各个功能模块为单元进行分析，进行程序的设计及仿真模拟。
章节安排
第一章，绪论。首先通过引入论文的研究背景和课题研究来源说明研究智能小车的实际意义，接着基于小车无人驾驶技术、智能小车的国内外研究现状，系统性地阐述了现有的研究方法和相关技术的发展，表明了对于课题研究的价值意义，了解现有的智能化技术的科技成果。最后对课题的研究内容和预期的结果进行了概述。
第二章，小车控制结构设计。本章节提出了对于小车的设计的原则和要求，接着对系统中的各设备进行了初步的选型，列出了设备的技术参数和指标。最后，对供电结构等各模块装置进行原理的分析。
第三章，小车设备的控制程序设计。本章节主要分析了对于电机运行的方向和速度的控制方式，以及相应梯形图程序的编写。
第四章，基于McgsPro组态软件的系统仿真。本章节先是对McgsPro组态软件的概述及说明使用该组态软件的优势。利用McgsPro组态软件主要是对系统模拟运行，也即是上位机控制界面的设计，以及相应动画运行的脚本程序的编写，实现系统各个功能的实现。
小车设备装置设计
在对小车设备装置设计前，需对系统做整体性的分析。
设计原则与要求
为了确保小车能够按照预设的目标进行工作，需对小车的设计原则和要求进行分析，以下是针对小车的设计原则和设计要求的分析。
结合对小车模型的分析，本文对小车的设计符合以下原则：
设计过程遵守可靠性、实际性、可靠性原则。
小车达到整体可行性
小车的电机模组的可用性
设备选型
设备选型是基于本课题所要实现的基本功能需求分析各种不同设备的型号和规格，并结合技术经济情况进行评估，选择最佳的方案。本课题主要对控制器、直流电机、电机驱动器、传感器等设备进行基本的比较及选型。
控制器
本课题选用PLC为控制器。PLC为一种可编程的逻辑控制器，是一种具有微处理器的数字电子设备。PLC控制器主要由五部分组成，分别是输入模块、中央处理器、输出模块、操作器件和可编程成器件。在实际应用中，PLC主要经历三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和执行后的输出阶段。本课题选用型号为西门子PLC S7-200 SMART，CPU ST30 DC/DC/DC，其具有轻巧、简单、灵活、抗干扰能力强、可靠性高等优点。随着硬件和软件设计与开发技术的发展，PLC的编程过程变得更加简单，其功能和系统的开放性大大增强。PLC S7-200 SMART如图2-1所示，PLC控制器的基本结构如图2-2所示。
图2-1 西门子PLC S7-200 SMART
图2-2 PLC控制器的基本结构
S7-200 SMART PLC分为晶体管输出和继电器输出，两者的主要差别在于晶体管输出的开关频率高，可输出高速脉冲，以电路通断的形式工作，故没有寿命限制，但它的带负载的载流量小。而继电器输出的载流量大，可驱动不同的交流或直流负载，可以接入直流电源和交流电源，但是继电器输出型的开关速度慢，不适用于具有高频动作的负载。在电源供电方面，晶体管只能接入或输出直流24V电源，结合本课题的需求功能，选择控制器的输出方式为晶体管输出。控制器的技术规范为选择控制器的种类具有重要的参考价值，S7-200 SMART PLC的技术规范如表2-1所示。
表2-1 S7-200 SMART PLC技术规范
技术指标 技术参数 产品名称 西门子S7-200 SMART 型号 CPU ST30 DC/DC/DC 尺寸 W×H×D 重量 435g 可用电流 最大300mA 数字输入电流消耗 所用的每点输入4mA 板载数字I/O 18点输入/12点输出 过程映像大小 256位输入（I）/256位输出（Q） 模拟映像 56个字的输入（AI）/56个字的输出（AQ） 位存储器 256位 I/O扩展模块 6个 脉冲输出 3个100KHz（Q0.0、Q0.1、Q0.3） 布尔运算性能 0.5μs/指令 移动字 1.2μs/指令 实数数学运算 3.6μs/指令 POUs 主程序：1个
子程序：128个（0-127）
中断程序：128个（0-127） 累加器 4个 定时器 非保持性（TON,TOF）：192个
保持性（TONR）：64个 计数器 256个 通信端口数 PROFINET（LAN）：1个
串行端口：1个（RS485）
附加串行端口：1个（RS232,RS485信号板） 电压范围 DC 20.4V～28.8V 每点的最大额定电流 0.5A 每个公共端的最大额定电流 6A 传感器电源电压 DC20.4～28.8V 传感器最大额定电流 300mA 电机及驱动器
电机：小车需要2个相同的电机，选择浙江宁波中大力德电机智能传动股份有限公司生产的DC24V直流无刷减速电机，具有25W—200W功率可选，小车可用电机功率为90W。电机具有GU型齿轴、轻薄节能、无需维护、转速可调、启动力矩大、电流冲击小、稳定性强、可靠性高等优良特性。电机样式如图2-3所示。
图2-3 电机
电机驱动器：选择与电机配套的驱动器，电机驱动器相当于PLC与电机之间的桥梁，与PLC连接并接收PLC发出的方向信号和脉冲信号，之后作用于电机设备。电机驱动器选择中大力德品牌，其工作电源为直流24V，电机发生故障时，电机驱动器具备保护功能。电机驱动器如图2-4所示。电机驱动器的技术参数如表2-2所示。
图2-4 电机驱动器
表2-2 驱动器技术参数
技术指标 技术参数 产品公司 中大力德 类型名称 无刷电机驱动器 产品型号 ZBLD.C20-120L2R 系列名称 C20系列 输出功率 最大120W 电源电压 DC24V 适配电机 DC24V电机〈120W 默认转速 3000RPM 数字量输入 DI1-DI5(NPN) 数字量输出 DO1故障输出 DO2速度输出 模拟量输入 外部模拟电压或PWM(0-5V/10V) 通讯 RS485 Modbus通讯；波特率1200-57600 保护功能 欠压、过压、短路、过流、过载堵转等 类型 内置式 运行方式 开环、闭环（精度0.5%) 制动 电磁制动 供电模块
供电模块为小车能够工作的核心部分，供电电池是小车的动力来源，电池的容量大小和性能决定车的作业能力，目前常用的机器人动力电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池。锂离子电池为第三代动力电池，锂离子电池的构成主要包含正负极、电解液与隔膜、胶黏剂等材料，具有能量密度较高、重量轻、体积小、使用寿命长、环保等优良特性。本小节对各种常见的电池类型在比能量、比功率、循环寿命及充电能力等方面做了基本的比较，常用电池的类型比较如表2-3所示。
表2-3 常用电池类型比较
电池类型 比能量（Wh/kg) 比功率（W/kg) 循环寿命（次） 快速充电能力 环境污染 铅酸电池 30-50 200-300 300-500 一般 重污染 镍镉电池 40-60 150-300 600-1200 较好 重污染 镍氢电池 60-90 150-350 60-1200 较好 微小污染 锂离子电池 90-130 250-450 1000-20000 好 微小污染 通过表2-8的比较可以得出锂离子电池要优于其他种类的电池，具有良好的快速充电能力，且对环境污染小，且通过资料研究发现，锂电池应用于多种设备，可工作于多种场合，在市场上也比较常见，因此本课题可采用锂电池作为小地车控制系统的供电电池。本课题选用中恒威锂品牌的动力锂电池，其具有尺寸可支持定制、体积小、重量轻等的优势，锂电池样图如图2-5所示，
图2-5 锂电池
锂电池的性能参数在提供动力、耗能、体积、容量等指标方面具有重要的参考价值，锂电池的性能参数如表2-4所示。
表2-4 锂电池性能参数
技术指标 技术参数 技术指标 技术参数 电池品牌 中恒威锂 电压范围 20—29.4V 电池名称 中恒威力锂电池 电池容量 20AH 电池型号 ZHW-2420 放电电流 0-60A 标称电压 DC24V 重量 3.4kg 设备装置的结构组成
在对系统分析时，需要将各个功能模块单独考量，熟悉每个工作装置的运行模式和工作原理。
在构件系统模块时，已知PLC控制器的供电电源为直流24V，其他各设备的选型主要为直流24V电源，通过对各设备工作电源的需求和分析，绘制基本的电气连接图。小车中硬件设备所工作运行的电气连接图如图2-6所示。
图2-6 硬件设备电气连接图
小车设备的控制程序设计
在对小车中的设备进行程序控制时，本课题选用STEP7-MicroWIN SMART编程软件采用以梯形图的语言形式对各功能模块进行程序设计。STEP7-MicroWIN SMART编程软件界面友好，编程高效，具备编译检查程序功能。与西门子编程软件，开发了更便捷性的功能，如新式的菜单页面、便捷对程序进行注释等，在PLC的程序设计过程中可大大提升工作效率。
在设计好程序之后，可以导出POU文件，在S7-200的仿真软件中能够对设计好的程序仿真运行，观察PLC模块中指示灯的运行状态，且可以通过状态监视器观察到输出线圈的通电和断电的状态。
在国际电工委员会制定的 IEC 61131-3 标准中，PLC 编程语言主要分为以下五种实现方式：梯形图语言、指令表语言、功能块图语言、顺序功能图语言和结构化文本语言。其中梯形图语言是各类PLC程序设计中最普遍的表达方式，其编程语言类似于继电器运行线路的形式。指令表编程语言是一种带有助记符的编程语言，且和汇编语言一样由操作数和操作码组成。功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种 PLC 编程语言且以功能模块图的形式表示，各模块可实现不同的功能。顺序功能流程图表达语言是为满足顺序逻辑控制而设计的一种编程语言。结构化文本语言是一种使用结构化描述性文本来描述程序的编程语言。由于本课题设计的系统操作流程简单且控制逻辑清晰，因此，适合的系统工作的开发语言是梯形图。 在本程序设计中为了提高控制效率，减少程序重复，采用了大量置位指令、复位指令、标志位指令以及定时器等多种指令。
PLC的I/O分配
PLC控制器的CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，称为I/O接口，CPU提供I/O设备的状态信息和进行命令译码。利用PLC控制器对系统进行设计时，首先需要对控制要求进行分析，规划PLC控制器输入端子和输出端子需要连接的对象。PLC控制器要完成设定的任务，就是通过这些输入输出点来进行信息交换的。当前IO对应关系如表3-1所示：
表3-1 IO对应关系
PLC I/O 电机驱动 Q0.1-Q0.4 编码器输入 I0.0-I0.1 避障 I0.2-I0.3 灰度 I0.4-I0.5 按键区 I0.6-I1.3
小车电机设备的控制
课题中使用的电机为直流电机，并为其配有配套的电机驱动器，控制器发出控制信号，电机驱动器能够接收到此信号，此信号即为电机能够执行动作的电信号，驱动器也需具备过流、过压及过载，以发挥保护电路的功能。控制器输出的信号包括电机的方向信号和脉冲信号，其信号先是输入进驱动器，然后再由驱动器来控制电机的运转方向和运行速度。直流电机的控制结构简图如图3-1所示。
图3-1 直流电机的控制简图
电机转速和方向的控制
在对系统中的各设备进行电气连接时，PLC控制器的输出端子需要连接驱动器的方向端子和脉冲端子，给驱动器发出方向信号和脉冲信号，进而控制电机的正反转和转速。控制电机1正转时PLC的输出端子Q1.0和电机驱动器的FWD/DI1端口连接，传送电机1的方向信号。控制电机2反转时PLC的输出端子Q1.1和电机驱动器的REV/DI2端口连接，传送电机2的方向信号。控制电机1转速时，PLC的输出端子Q0.0和电机驱动器的PWM输入端口VAR/AI2端口连接，控制电机2转速时，PLC的输出端子Q0.1和电机驱动器的PWM输入端口VAR/AI2端口连接，输入频率为3Khz～10Khz。
PLC控制器对电机的控制主要是对其转速和方向的控制，其中电机与电机驱动器的接线图见图3-2。以西门子S7-200 SMART PLC为控制器，PLC的CPU模块上的输出类型为直流型，在PLC的输出端子Q0.0和Q0.1就能够产生高速脉冲串，也可脉冲宽度可调的波形，其周期频率能够达到20KHz，PWM功能可为设备能提供连续或可变占空比脉冲输出，也可以根据实际情况控制设备运行的周期频率大小和脉冲宽度。电机驱动器接线图如图3-2所示。
图3-2 电机驱动器接线图
电机控制程序
通过PLC的脉冲指令可以设定PLC向电机驱动器发送的脉冲频率或周期，可发送脉冲，也就是调制占空比，且相应的值大小均可调，给系统上电时，两个电机以相反的运动方向同时启动，PLC的输出端子Q0.0、Q0.1及吸尘电机所对应的输出端子Q0.3均用置位指令值1即可启动。
PLC控制电机的脉冲输出的速度控制程序如图3-3和图3-4所示，吸尘电机的脉冲输出的速度控制程序如图3-5所示。其中SMB67为控制字节的使能位，能够为Q0.0监视和控制脉冲串输出和脉宽调制，和PLS配合使用，在?PLS 指令前需要装载或更新脉冲频率值或者脉冲数。寄存器SMW68为所要给电机驱动器发送的频率值或周期值，PLS模块中N通道设定PLC的输出端子，N=0（Q0.0）N=1（Q0.1）或N=2（Q0.3）。
图3-3 电机1的速度控制
图3-4 电机2的速度控制
图3-5 吸尘电机的速度控制
传感器的控制
PLC的模拟量类型的模块有三种，分别是普通模拟量模块、RTD模块和TC模块。其中普通模拟量模块可以采集到标准电压和电流信号，其中电流包括0～20mA、4～20mA两种信号，电压包括+/-2.5V、+/-5V、+/-10V三种信号。S7-200 SMART CPU普通模拟量通道值范围是0～27648，每个模拟量通道均有两个接线端。普通模拟量模块接线端子分布如下图3-6模拟量模块接线图所示。
图3-6 模拟量模块接线图
在STEP7-MicroWIN SMART程序编辑器中设置输入模拟量，对于每个模拟量输入通道，都可将其类型设置为电压或电流的形式，模拟量的输入输出设置窗口如图3-7所示。
图3-7 模拟量的组态和设置
在STEP7-MicroWIN SMART程序编辑器的指令库中，子程序S_ITR的功能是将模拟的输入值转换为S7-200 SMART的内部数据，子程序S_RTI可用于将s7-200 SMART内部数据转换为模拟量的输出。本课题所主要使用子程序S_ITR的功能进行数据的转换。
启停的控制
以PLC的输入端子I0.0连接总启动和停止的开关，程序中使用单按钮可实现两种工作状态的转换，利用标志位M0.0置位和复位作为中间量，实现工作指示灯的控制及电机的启动。其总启停控制程序如图3-8所示，总启停程序的运行仿真如图3-9所示。
图3-8 总启停程序设计
图3-9 总启停程序的运行仿真
基于McgsPro组态软件的小车系统仿真
本课题利用McgsPro组态软件能够便于整个系统的设计与演示操作，监控系统的运行状态，上位机可采用与McgsPro配套的触摸屏，能够与PLC进行建立通信。或者与计算机与PLC进行通信通过McgsPro组态软件画面进行状态监控与调试。
McgsPro组态软件概述及优势
MCGS(Monitor and Control Generated System）是一个基于Windows平台的组态软件，其可用于快速设计开发和生成上位机监控系统，McgsPro组态软件是一款由北京昆仑通态公司开发的组态软件，是MCGS组态软件的升级版。McgsPro组态软件拥有组态系统画面运行功能、可进行编程的脚本命令、有强大的数据库、有丰富的功能模块、具备良好的开放性、具备完善的安全机制以及便捷的仿真功能，可适应不同用户的需要。
McgsPro组态软件是基于虚拟现实技术的监控层级自动控制系统的软件开发环境。广泛应用于电力设备、纺织机械、生产设备、铁路行业、中央空调、印刷行业、重工机械等行业，以及分散式控制系统等工业自动化系统集成工程中，系统的图形化人机界面的设计和开发。
本课题运用McgsPro组态软件设计小车工作系统监控画面，对小车的运行状态进行模拟监控和控制。McgsPro工作台含有5个工作窗口，分别是主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略。McgsPro组态软件原理图如图4-1所示。
图4-1 McgsPro组态软件原理图
在自动化控制作业中，采用上位机来实现数据的采集和可视监控作业是非常重要的一个环节。McgsPro可以为用户提供完美的解决方案和开发平台，从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程监控、动画显示和报告输出等等。通过对小车功能的分析，使功能模块化，以各个功能模块为单元进行分析，进行程序的设计及仿真模拟。
连接变量和下载组态界面
在仿真中所设定的变量需要定义数据类型，需要与画面的运行建立起连接。设计好画面时可直接在线模拟运行和工程下载，并对其进行调试，得到最佳的运行效果。
建立连接变量和数据通道定义
在仿真监控界面中，对象图形的动画操作显示是由不断刷新其对象属性的数据变量的动态值控制的。变量值的变化是通过PLC控制程序的操作来实现的，因此，数据变量是实时数据库的基本组成部分。实时数据库是组态界面与PLC程序运行过程中的数据处理中心，以及PLC程序运行结果的处理。
在McgsPro组态软件中，其设备配置通常包括多个设备通道，设备通道的功能是读取数据或输出数据，例如：开关量的输入通道和输出通道、模拟量的输入通道和输出通道等。设备通道也可用于数据交换，即支配数据输入的位置和数据读取和输出的位置。设备通道也可用于数据交换，就是支配数据输入到什么地方和从什么地方读取数据以用来输出。实时数据库是McgsPro组态软件的核心部分，实时数据库控制各个部分之间的数据交换。因此，所有设备通道都必须连接到实时数据库。通道连接指的是用户配置和设备配置之间的关系，这是一个重要的工作通道。如果未执行通道连接配置，则McgsPro组态软件就无法操作设备。
在具体的应用中，系统使用的硬件设备信息最初可能并不清楚。可以首先在实时数据库中定义所需的变量，以配置整个应用程序系统，最后进行调试时，再连接所对应的硬件设备，之后便可进行组态，并在相应变量和设备通道之间建立连接。
组态界面下载
通过设备窗口，通过使用设备工具箱的设备管理，可以添加西门子smart 200型可编程逻辑控制器。在设备编辑界面中设置IP地址。在接口中，本地IP地址是触摸屏地址，远程IP地址是PLC地址。触摸屏的IP地址需要与PLC的IP地址保持在同一网段中。触摸屏通过以太网连接到PC，PC上完成组态界面的编写后进入运行环境，选择ICP/IP网络进行连接，目标机名为触摸屏的IP地址。
下载配置完成后便可以通讯测试和工程下载，从而完成组态界面下载。在McgsPro组态软件中可在线模拟运行和工程下载，下载配置窗口界面如图4-2所示。
图4-2 下载配置窗口界面
McgsPro组态软件与PLC的连接
在McgsPro组态软件的设备窗口中，需添加相应的通道并连接相应的变量，加入通用TCP/IP父设备，为父设备添加子设备，即西门子PLC 200 SMART设备，在其中需添加相应的通道并连接相应的变量，即可实现与PLC的软连接，上位机监控和PLC可通过以太网通信或RS485通讯作为硬件连接。
设置通道及连接变量是PLC控制器和控制界面软连接的重要环节，PLC控制器的输入输出端口所设定的I/O变量需要和McgsPro组态软件中运行动画的变量需要建立联系，这样就可以通过控制界面来发送控制信号及捕获到PLC控制器处理的数据结果。McgsPro组态软件中添加和设置通道及变量的连接如图4-3所示。
图4-3 设备通道的设置
本章小结
本章先是对McgsPro组态软件进行了概述，说明了使用该软件设计的理由及优势。讨论了在McgsPro中运行画面如何连接变量和组态界面的下载在线模拟运行，以及McgsPro组态软件和PLC软连接的方式。图4-4为整体原理图：
图4-4 原理图
结论
本文针对目前的智能车造价成本高昂而难以推广等问题，在国内外现有的智能车作业模式及具备功能的基础上进行了思考，并结合本人所选的项目课题进行了研究和设计。本文完成了车中基本功能的实现，基本达到初始的预期效果，通过对PLC控制器的运用和学习，从实践中对PLC知识的运用得到更进一步的理解。
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