总体方案的确定及系统工作原理
PLC控制系统设计的基本内容
PLC控制系统设计的基本内容1．总体方案的确定熟悉控制对象和控制要求，分析控制过程，确定总体方案。
2．正确选用电气控制元件和PLCPLC控制系统是由PLC、用户输入及输出设备、控制对象等连接而成的。
应认真选择用户输入设备（按钮、开关、限位开关和传感器等）和输出设备（继电器、接触器、信号灯、电磁阀等执行元件）。
要求进行电气元件的选用说明，必要时应设计好系统主电路图。
根据选用的输入/输出设备的数目和电气特性，选择合适的PLC。
PLC是控制系统的核心部件，对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。
选择PLC应包括机型、容量、I/O点数、输入/输出模块（类型）、电源模块及特殊功能模块等的选择。
3．分配I/O端口根据选用的输入/输出设备、控制要求，确定PLC外部I/O端口分配。
（1）作I/O分配表，对各I/O点功能作出说明。
（2）画出PLC外部I/O接线图，依据输入/输出设备和I/O口分配关系，画出I/O接线图。
接线图中各元件应有代号、编号等，并在电气元件明细表中注明规格数量等。
4．PLC控制流程图及说明绘制PLC控制系统程序流程图，完成程序设计过程的分析说明。
5．程序设计利用CX-Programmer编程软件编写控制系统的梯形图程序。
在满足系统技术要求和工作情况的前提下，应尽量简化程序，尽量减少PLC的输入/输出点，设计简单、可靠的控制程序。
注意安全保护（检查联锁要求、防误操作功能等能否实现）。
6．调试、完善控制程序（1）利用CX-Programmer在计算机上仿真运行，调试PLC控制程序。
（2）让PLC与输入及输出设备联机进行程序调试。
调试中对设计的系统工作原理进行分析，审查控制实现的可靠性，检查系统功能，完善控制程序。
控制程序必须经过反复调试、修改，直到符合要求为止。
7．撰写设计报告设计报告内容中应有控制要求、系统分析、主电路、控制流程图、I/O分配表、I/O接线图、内部元件分配表、系统电气原理图、用CX-Programmer打印的PLC程序、程序说明、操作说明、结论、参考文献等。
第二讲-机电一体化系统总体方案设计
③ 伺服驱动系统的工作可靠性直接影响整个系统的可靠性。
④ 伺服驱动系统的成本对系统的成本影响很大。 ⑤ 伺服驱动系统对系统的噪声、对环境的影响起决定作用。
1.4 控制系统方案设计
1、 伺服驱动方案设计 （2）对伺服驱动系统的要求
① 好的动、静态指标。
② 合理的结构，体积小、重量轻。
③ 高效率、低功耗。
2、计算机控制系统方案
（2）基于系统规模的控制方案设计
①分级控制
特点：功能分散、任务分散、维护容易、可靠性高，适用于 回路较多的控制系统。 上位机：实现命令及数据的输入、状态显示，接受下位机反 馈回来的信息，经过轨迹规划、控制算法，向下位机发出控 制命令。 下位机：接受上位机发来的信息并向上位机反馈工作状态， 完成反馈信息采样、滤波算法、伺服控制算法和控制信号的 输出。
① 总体结构方案设计：包括总体结构方案设计、布局及外
观设计等内容。
② 驱动方案设计： 包括传动方案设计、驱动方式设计和驱
动元件选择等内容。
③ 控制方案设计： 包括计算机控制方案设计、伺服控制方
案设计和接口方案设计等内容。
④ 人机工程设计： 包括人机接口设计和人机环境设计等内
容。
⑤ 可靠性设计： 包括系统可靠性和人机安全性设计及评价
1.5 可靠性设计
（4）冗余设计
冗余设计也成为储备设计，常用的方法有： ①在满足产品性能要求的前提下，尽可能简化产品结构，次 要部件和不必要的复杂机构只会增加产品发生故障的概率。 ②提高产品各部件的可靠性。 ③在可靠性低的部件上使用并联储备。 ④采用冷储备，即在部件出现故障时，由备用部件自动转入 工作。 ⑤维修维护，即更换或修理故障部件，与冷储备不同之处， 在于部件不是自动转入工作。 ⑥预防性维修，即不论部件是否发生故障，到了一定的工作 周期均用新部件取代旧部件。
总体设计(概要设计
需求分析阶段得出的数据流图是总体设计的极好的出发点。
设想供选择的方案的一种常用的方法是，设想把数据流图中的处理分组的各种可 能的方法，抛弃在技术上行不通的分组方法(例如，组内不同处理的执行时间不相 容)，余下的分组方法代表可能的实现策略，并且可以启示供选择的物理系统。
2. 选取合理的方案
应该从前一步得到的一系列供选择的方案中选取若干个合理的方案，通常至少选 取低成本、中等成本和高成本的三种方案。在判断哪些方案合理时应该考虑在问 题定义和可行性研究阶段确定的工程规模和目标，有时可能还需要进一步征求用
7. 制定测试计划
在软件开发的早期阶段考虑测试问题，能促使软件设计人员在设计时注意提高软 件的可测试性。本书第7章将仔细讨论软件测试的目的和设计测试方案的各种技术
方法。
8. 书写文档
应该用正式的文档记录总体设计的结果，在这个阶段应该完成的文档通常有下述 几种：
(1) 系统说明主要内容包括用系统流程图描绘的系统构成方案，组成系统的物理元 素清单，成本/效益分析；对最佳方案的概括描述，精化的数据流图，用层次图或 结构图描绘的软件结构，用IPO图或其他工具(例如，PDL语言)简要描述的各个模块 的算法，模块间的接口关系，以及需求、功能和模块三者之间的交叉参照关系等
第5章 总体设计
5.1 设计过程 5.2 设计原理 5.3 启发规则 5.4 描绘软件结构的图形工具 5.5 面向数据流的设计方法
5.6 小结 习题
总体设计的基本目的就是回答“概括地说，系统应该如何实现?”这个问题，因此， 总体设计又称为概要设计或初步设计。通过这个阶段的工作将划分出组成系统的 物理元素——程序、文件、数据库、人工过程和文档等等，但是每个物理元素仍 然处于黑盒子级，这些黑盒子里的具体内容将在以后仔细设计。总体设计阶段的
系统的总体设计方案
• 4．软、硬件选择
• 根据系统需要和资源约束，进行计算机软、 硬件的选择。计算机软、硬件的选择，对 于管理信息系统的功能具有很大影响。大 型管理信息系统软、硬件的采纳可以采用 招标等方式进行。
• 软件的选择包括操作系统，数据库管理系 统，汉字系统，设计系统，设计语言和应 用软件包等软件的选择。
• 随着计算机科学与技术的飞速发展，计算 机软、硬件的升级与更新速度也很快。新 系统的建设应当尽量避免先买设备，再进 行系统设计的情况。
• （4）选择调用 • 在分类查询模块的箭头尾部标有一个菱形
符号。表示选择调用，如果条件为真，则 调用按A模块，为假时调用B模块。如图520所示5）循环调用 • 当一个模块M反复地调用模块A和模块B时，
在调用箭头尾部则标以一个弧形符号。如 图5-21所示。
M
A
B
• 模块、调用、信息传递这三种符号是结构 图的基本符号，选择调用、循环调用这两 种符号是附加符号。
计算机网络系统的设计主要包括中小型主机方案与微机网络方案的选取网络互连结构及通信介质的选型局域网拓朴结构的设计网络应用模式及网络操作系统的选型网络协议的选择网络管理进程用户等工作
欢迎
系统设计要求
1．简明性 2．灵活性和适应性 3．完整性 4．可靠性 5．安全性 6．经济性
系统功能结构的划分
管理信息系统的各子系统可以看作是 系统目标下层的功能。对其中每项功能还 可以继续分解为第三层、第四层……甚至 更多的功能。
这也是输入设计的一项重要内容。输 入设计最重要的问题是保证输入数据的正 确性。对数据进行必要的校验，是保证输 入正确的重要环节。
输入格式设计
输入设计的重要内容就是设计好原始 单据的格式。 设计原始单据的原则是： （1） 便于填写 （2） 便于归档。 （3） 单据的格式应能保证输入精度。
可编程控制器课程设计目的与要求
《可编程控制器》课程设计目的与要求一、设计目的可编程序控制器简称PLC，是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置，它已成功地应用于工业中几乎所有领域，能完成从重复开关控制单一机器到复杂的制造加工控制的许多控制任务。
《可编程控制器》是一门实用技术课程，既有一定的理论知识，又有实际技能训练，为此，在教学中安排一周的课程设计，其目的是：1．综合运用 PLC 及相关课程的理论知识和实际应用知识，进行PLC 控制程序设计,从而使这些知识得到进一步的巩固，加深和发展。
2．熟悉和掌握 PLC 控制系统的设计方法，PLC 的选型和程序设计。
3．通过课程设计，熟悉设计资料，掌握编程技术，提高编程技巧，从而可以提高PLC 技术综合应用设计能力，培养独立分析问题和解决问题的能力，为今后毕业设计及实践打下必要的基础。
二、设计步骤和内容1.总体方案的确定根据控制要求，确定总体方案。
2.正确选用电气控制元件和 PLC根据选用的输入输出设备的数目和电气特性，选择合适的PLC，要求进行电气元件的选用说明。
3.分配I/O 点，画出I/O 连线图根据选用的输入输出设备，确定I/O 端口。
依据输入输出设备和 PLC 的I/O 端口分配关系，画出 I/O 连线图。
4.程序设计说明及过程分析要求绘制控制系统流程图，详细进行程序设计过程的分析说明，设计简单、可靠的控制程序。
5.对系统工作原理进行分析，最后审查控制实现的可靠性检查系统功能，完善控制程序。
6．在实验台上进行程序调试，直至满足控制要求；根据系统工作实际工作情况，在实验台上用开关量信号和输出指示灯模拟系统工作实际，逐一置位输入信号，观察程序内部元件运行情况和指示灯输出情况与设计要求是否一致，排查程序和硬件接线错误直至满足控制要求。
7.编写设计说明书根据设计题目及设计过程编写一份不少于16 页的课程设计说明书。
要求采用手写报告。
如需要在报告中粘贴图片，每个图片不得大于 5 行。
电子电路设计的一般方法与步骤
电子电路设计的一般方法与步骤电子电路设计的一般方法与步骤一、总体方案的设计与选择1.方案原理的构想在设计一个复杂的系统时，需要进行原理方案的构思。
这就是要确定用什么原理来实现系统要求。
为此，需要对课题的任务、要求和条件进行仔细的分析与研究，找出其关键问题，并提出实现的原理与方法。
同时，应该广泛收集与查阅有关资料，提出尽可能多的方案以便作出更合理的选择。
所提方案必须对关键部分的可行性进行讨论，并通过试验加以确认。
2.总体方案的确定原理方案选定以后，便可着手进行总体方案的确定。
为了把总体方案确定下来，必须把每一个框图进一步分解成若干个小框，每个小框为一个较简单的单元电路。
总之,应从单元电路和单元之间连接的设计与选择出发，恰当地分解框图。
二、单元电路的设计与选择1.单元电路结构形式的选择与设计按已确定的总体方案框图，对各功能框分别设计或选择出满足其要求的单元电路。
因此，必须根据系统要求，明确功能框对单元电路的技术要求，必要时应详细拟定出单元电路的性能指标，然后进行单元电路结构形式的选择或设计。
满足功能框要求的单元电路可能不止一个，因此必须进行分析比较，择优选择。
2.元器件的选择1)元器件选择的一般原则在选择元器件时，应根据单元电路的要求，选择性能稳定、质量可靠、价格合理的元器件。
同时，还要考虑元器件的电气参数是否符合要求，以及元器件的封装形式和安装方式是否适合设计要求。
在选择元器件时，还要考虑其供应渠道是否可靠，以及是否有足够的库存量。
在电子元器件领域，元器件的品种规格繁多，性能、价格和体积各异，新品种不断涌现。
因此，我们需要经常关注元器件信息和新动向，多查阅器件手册和有关的科技资料，熟悉常用的元器件型号、性能和价格，以便为单元电路和总体电路设计提供有利的信息。
在选择合适的元器件时，需要进行分析比较，首先考虑满足单元电路对元器件性能指标的要求，然后考虑价格、货源和元器件体积等方面的要求。
随着微电子技术的飞速发展，集成电路的应用越来越广泛。
《机电一体化系统设计》第7章_机电一体化系统总体设计解析
2、黑箱法求解方法
详细表达输入和输出量 黑箱法求 解 过 程 就 建立输入和输出间关系 是黑箱白 化的过程， 寻找合适的实例 步骤如图 所 示 ： 设定系统的总功能 进行总功能分解 寻找系统的功能解 评价与决策
如: 切削机床、精密测量 设备、轻工机械、包 装机械、运输机械
4
例1：冲床的黑箱法表述
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结构设计是从：定性到定量，抽象到具体，粗略到精细的过程
结构设计满足的目标：保证功能、提高性能、降低成本 结构设计包括三个方面： 质的设计：定性分析构型（形状、位置关系） 量的设计：定量计算尺寸、确定材料
按比例绘制结构图
结构设计归结为三个阶段： 初步设计：主功能载体设计 详细设计：副功能载体设计，主功能载体详细设计 完善、审核设计
实施的要点：同一种功能可以用不同的技术效应来实现， 选出最佳的功能元实施原理方案，有以下途径可以参考： 参考资料、专利、产品； 利用创造性思维； 利用设计目录。
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三、功能结构图
1、三种基本功能结构类型：
•串联结构 •并联结构 •环型结构
又称顺序结构，反映分功 能时间、空间顺序或因果
关系 又称选择结构，几个分功 能作为手段共同完成一个 目的
2、内容：设计零部件形状、数量、相互空间位置，选 择材料、确定尺寸，进行各种计算校核，按比例绘制 结构方案总图，在计算时，采用优化设计、可靠性设 计、计算机辅助设计等多种现代化设计方法。
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3、步骤(如图示)：
设计任务对结构设计的要求 主功能载体初步结构设计 辅助功能载体初步结构设计 检查主辅功能结构影响及配合 详细设计主辅功能载体结构 对设计进一步修改完善 技术、经济评价 结构决策 Yes 方案确定 No
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机械设计八个步骤
机械设计八个步骤设计师在进行机械设备设计时需要进行八个步骤的实施，才能定稿，包括:制定设计任务、确定工作原理和基本结构型式、运动设计、结构设计和绘制初步总图、初步审查、技术设计、绘制工作图、试生产和定型设计。
根据市场的需求和工业使用的用途要求，产生了各种各样的机械设备，应用在我们生活的各个方面。
这些机械设备的成型都要归功于设计师的功劳，他们通过一步步的分析、研究、设计，最终形成产品，这是一项复杂的工程。
设计师在进行机械设备设计时需要进行八个步骤的实施，才能定稿，包括:制定设计任务、确定工作原理和基本结构型式、运动设计、结构设计和绘制初步总图、初步审查、技术设计、绘制工作图、试生产和定型设计。
1、制定设计任务这是设计的前期工作。
设计部门应用胳各种技术和市场情报，拟列可能方案J瞰其利弊，与经营部门和用户共同商议，制定合理的设计任务目标，这对新型设计特别重要。
2、确定工作原理和基本结构型式如设计任务未作明确规定,设计的第一个步骤就是确定总体方案即确定所要应用的工作原理和与之相应的结构型式。
例如设计大功率船用柴油机，首先要确定是用二冲程、双作用、十字头、低速柴油机，还是用四冲程、单作用、中速柴油机。
又例如设计用以粗碎岩石的破碎机械，首先要确定是采用以挤压和弯折为主要破碎作用的颗式或旋回式破碎机,或者采用X冲击为主要作用的单转子或双转子冲击式破碎机。
3、运动设计设计的总体方案确定之后，接着需要运用机构学的知识，选用合适的机构以得到所需的运动方案。
在新型设计中，可能会需要综合一个新的机构以得到所要求的运动方案，这常是一个困难的工作。
因此,设计者一般尽量应用已有的和成熟的机构所提给的运动方案。
4、结构设计和绘制初步总图运动设计之后，设计者开始进行结构设计，计算机械各主要零件的受力、强度、形状、尺寸和重量等，并绘制主要零、部件草图。
这时如发现原来选用的结构不可行，就必须调整或修改结构。
同时还应考虑有无可能产生过热、过度磨损或振动的部位。
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3超声波测距系统设计
在整个超声波测距系统设计中占有很重要的位置的是超声波测距系
统的硬件电路设计。
硬件电路设计的合理性将直接影响系统运行的可靠
性与稳定性。
其中选择合适的器件和合理的电路布局将对系统有很大的
影响，并且硬件系统的性能是整个测距系统可靠性的最根本保证。
因此，
在能够保证实现超声波测距所需要功能的基础上，还应该需要重点考虑
以下几个原则：
(1)尽量选择一些典型芯片，典型的应用电路。
这样可以保证电路设计模块的正确性，为系统的标准化、模块化打下良好的基础。
(2)尽量减小硬件电路的复杂性，能在片内实现的功能，最好不要再外接电路，多选用集成度高的芯片。
(3)在芯片选择和线路板排布时候尽量考虑系统的可靠性及抗干扰性能。
3．1 超声波测距系统的硬件设计
系统的硬件设计分为模拟和数字两个部分：模拟部分包括超声波发射电路、驱动电路、超声波接收电路；数字部分包括MSP430单片机系统控制、超声波通道选通电路、键盘电路、RS232接口电路、LCD显示电路等。
硬件设计从成本和性能两方面进行考虑，力求结构简单，成本合理，功能完善，稳定性好。
系统
方案整体框图如图3．1所示：
障
碍
物
2．4超声波测距的工作原理
超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。
相位检测法精度高，但检测范围有限，声波幅值检测法易受反射波的
影响。
在超声波检测技术中，主要利用超声波反射、折射、衰减等一些物理性
质来实现检验的目的。
渡越时间检测法应用最广泛，它的基本工作原理是：超
声波传感器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声介质传到被测物体，形成反
射波；反射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器把声信号转换成电信号，由系统计算出超声波从发射到接收所传播的时间，再根据超声波在介质中
传播的速度，利用公式
(2.8)
S CT
/2
就可以确定超声波传感器到被测物体之间的距离了。
根据所用传感器的工作方式，测距又可分为自发自收当传感器和一发一收双传感器。
一般来说，单
探头的自发自收方式是优先考虑采用的。
这是因为单探头方式检测系统简单，
安装维护也方便。
但是本文采用的是压电陶瓷传感器，由于压电陶瓷传感器的
余震比较严重，单发单收的探头检测死区比较大。
为避免这点，本系统采用双
探头的设计，即采用两个超声波传感器：一个用来接收，一个用来发射。
采用
的传播介质为空气，超声波测距原理如图2．6所示：
测渡越时间测量法：
(1)直接计数法
发射一串超声波脉冲，在发射脉冲串时刻计时器开始计时，在超声波接收器接收到反射信号时刻，停止计时。
计时器所计时间，即为传播渡越时间。
(2)相位法
测距仪发出一定频率变化的正弦波，发出的声波到达被测物产生反射回波，接收端接收到回波，经放大电路转换后，得到与放大的相位完全相同的信号，
此信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所
测相位差就可算得所测距离。
2．5发射脉冲波形
超声测距常用的发射脉冲波形如图2．7所示有单个尖脉冲、衰减振荡脉冲、窄等幅波列脉冲和宽等幅波列脉冲。
介质中超声波的衰减系数根据前面的分析可知是频率f的函数，因此发射的脉冲波中不同频率成分的波将以不同的群速度传播，这使得脉冲波形将随着传播距离的增大而发生畸变，并且这种畸变程度随距离的增加而变得显著。
在要求分辨力较高和盲区较短的超声测量技术中，一般使用宽度较窄的脉冲波。