PLC在沙滩车防抱死系统的设计
目 录
摘 要 I
一、防抱死系统的概述 1
（一）PLC在沙滩车防抱死的系统的应用研究背景和意义 1
（二） ABS的发展趋势 2
二、设计方案介绍 3
（一）设计要求 3
（二）系统介绍 3
（三）系统方案确定 5
三、控制系统硬件设计 6
（一）硬件组成结构方案确定 6
（二）电气系统主要元件介绍 6
（三）I/O分配表及PLC外部接线图设计 10
四、控制系统软件设计 12
（一）S7-200编程软件 12
（二）PLC程序设计 12
（三）组态设计 19
五、调试与检测 22
结 论 24
致 谢 25
参考文献 26
一、防抱死系统的概述
（一）PLC在沙滩车防抱死的系统的应用研究背景和意义
近年来，因为有汽车消费者更加注意安全问题，所以大多数车通常都安装ABS系统，反之，当汽车紧急停止通常会造成轮胎锁紧，这样摩擦轮与地面将会有额外的力，这力会是最大静摩擦力，最大静摩擦力大于车对于地面的摩擦力，刹车。但是在碎石路面或冰雪路面上行驶，发生紧急制动，车辆会发生一个失控的状态。
ABS是采用PLC(S7-200)为控制核心，结合速度传感器和液压系统，设计使用于沙滩车的四传感器四通道的ABS系统，ABS系统通过机电的控制，控制可控制的制动液压力，使旋转的轮子受到压力，从而防止车轮抱死。如图1-1所示，可以看出有ABS系统的汽车刹车时的情况与无ABS系统的对比。
图1-1 汽车有无A *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
BS系统刹车对比示意图
（二）ABS的发展趋势
近年来，由于汽车消费者更注重安全问题，大多数车都装有ABS系统，ABS系统是汽车安全措施中继安全带的另一个主要的进步。汽车制动系统是关系到两个客运汽车最重要的安全系统。随着世界汽车工业的快速发展，越来越多的汽车安全受到关注。因此，这汽车防抱死制动系统，是汽车在安全制动技术上的又一突破。
ABS汽车防抱死制动系统，当汽车紧急制动时，只要安装在每个车轮上的车速传感器发现某一个车轮抱死，PLC控制的压力调节器就会减少抱死的车轮压力，使抱死的车轮开始转动。ABS系统作用是速度传感器检测车轮转的速度，然后轮速信号传送给单片机，单片机根据轮速输入，通过不断的减少或增加压力，保持车轮转动。
让那转动的车轮在制动过程中，能保证控制能力，使其安全停车。简易运作可见图1-2。
图1-2 ABS简易运作示意图
二、设计方案介绍
（一）设计要求
1、了解ABS系统，并熟悉 PLC、速度传感器和液压知识及应用；
2、选用PLC作为智能系统处理器，完成总体方案；
3、熟悉各部件功能，设计沙滩车沙滩车用防抱死系统。
（二）系统介绍
本文以西门子PLC(S7-200)为控制核心，结合速度传感器和液压系统，设计使用于沙滩车的四传感器四通道的ABS系统。主要分为：PLC控制单元、车速测量单元、液压制动单元3部分。系统图如图2-1所示：
图2-1 本设计ABS系统示意图
速度传感器安装在车辆的驱动轮，连续测量车轮的转速，并且把这些测的数据传输到ABS控制器，PLC控制单元将检测到的转速信号进行处理，然后与预先存储在PLC控制单元中的值进行对比，如果车轮的速度急剧增大，则车轮将会抱死，ABS发出信号给执行器，执行器会降低轮缸的制动液压，使原本停止的车轮处于转动状态，传感器的信号把车轮正常转动的信号传输给ABS，ABS又会传输信号给执行器，执行器会升高轮缸的制动液压。执行器以脉冲的形式对制动的压力进行不断的调整，使车轮的滑速率一直处于最好的效果下，使制动的车轮的得到最大程度的稳定下来，达到安全行驶制动。
1. 滑移率的概念
汽车制动是车辆依靠路面和车辆轮胎之间的摩擦力来实现减速的。汽车在制动时，车轮速度在不断地变化减小，但是在惯性的作用下，车体本身的速度并不会跟随着轮速的减小而减小。继而轮速和车速之间就会产生一个速度差值，这种车速与轮速之间存在着速度差值的现象叫做滑移现象。在实际研究ABS的时候，通常研究者会使用滑移率来检测制动时车轮的滑移程度。车辆的滑移率是指车轮的滑移速度 (车轮的实际速度与周向速度之差)与实际速度之比。
当车速与轮速的值相同时，车辆滑移率为零，此时车辆在道路上做纯滚动。当汽车制动时，轮速与车速差开始增大，相应的滑移率的值也会随之大，当轮速变为零时，滑移率达最大值100%，此时车轮处在完全抱死的状态，汽车在道路上100%拖滑。当滑移率为0 ~100%时，说明汽车边滚边滑，随着滑移的增加，车辆的滑动成分也越来越多。
2. ABS工作原理
附着系数K，是附着力与车轮法向（与路面垂直的方向）压力的比值。人们通常把附着系数当作轮胎和路面之间的静摩擦系数。附着系数越大，车辆获得的附着力就越大， 车轮出现抱死的的概率就越低。
附着系数分为纵向附着系数和侧向附着数。车轮在和路面的滚动运动过程中，其纵向附着系数和侧向附着系数及滑移率之间的关系如图2-2所示。ABS系统为了确保车辆在制动过程中车轮的滑移率保持在最佳滑移率附近，ABS系统通过控制制动管路的压力，使车辆受到最大的地面制动力。这样，车辆在制动过程中处于最佳行驶状态，从而避免车轮抱死的现象。
将车轮滑移率控制在20%上下是最理想的效果。踏下制动踏板，车轮滑移率＜20%：ABS不工作—常规制动；车轮滑移率趋近于20%：ABS工作-保压；车轮滑移率＞20%：ABS工作-减压；车轮滑移率＜20%：ABS工作-增压。
图2-2 制动过程中滑移率—附着系数关系曲线图
（三）系统方案确定
1. 控制单元
考虑到系统功能及可靠性，选用西门子S7-200PLC(CPU226)作为控制单元核心。本系统选用CPU 226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可用于接受信号及控制电磁阀等。其中有6个独立的30kHz高速计数器，选用4个作为连接车速传感器使用。
PLC相对于其他控制器有以下优点：
（1）能适应各种恶劣的运行环境；
（2）能直接进行程序的修改；
（3）功能强大；
（1）可靠性高、抗干扰能力强、拥有自我诊断能力、查找和判断故障迅速准确。
（2）编程直观简单，主要采用形象直观易学易懂的图形语言——梯形图。
（3）适应性好，相应的控制功能随用户的变化而变化，能灵活组成各种功能或大小不同的控制系统，适应性非常强。
（4）功能强，运行速度极快，控制的准确性高，PLC有着通信联网功能，用户可以不在现场进行控制和监控。
车辆行业用传感器的负载电流＜40mA
车辆行业用传感器的上升沿时间＜5us
图4-1 STEP7 V4.0编程软件界面
摘 要 I
一、防抱死系统的概述 1
（一）PLC在沙滩车防抱死的系统的应用研究背景和意义 1
（二） ABS的发展趋势 2
二、设计方案介绍 3
（一）设计要求 3
（二）系统介绍 3
（三）系统方案确定 5
三、控制系统硬件设计 6
（一）硬件组成结构方案确定 6
（二）电气系统主要元件介绍 6
（三）I/O分配表及PLC外部接线图设计 10
四、控制系统软件设计 12
（一）S7-200编程软件 12
（二）PLC程序设计 12
（三）组态设计 19
五、调试与检测 22
结 论 24
致 谢 25
参考文献 26
一、防抱死系统的概述
（一）PLC在沙滩车防抱死的系统的应用研究背景和意义
近年来，因为有汽车消费者更加注意安全问题，所以大多数车通常都安装ABS系统，反之，当汽车紧急停止通常会造成轮胎锁紧，这样摩擦轮与地面将会有额外的力，这力会是最大静摩擦力，最大静摩擦力大于车对于地面的摩擦力，刹车。但是在碎石路面或冰雪路面上行驶，发生紧急制动，车辆会发生一个失控的状态。
ABS是采用PLC(S7-200)为控制核心，结合速度传感器和液压系统，设计使用于沙滩车的四传感器四通道的ABS系统，ABS系统通过机电的控制，控制可控制的制动液压力，使旋转的轮子受到压力，从而防止车轮抱死。如图1-1所示，可以看出有ABS系统的汽车刹车时的情况与无ABS系统的对比。
图1-1 汽车有无A *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
BS系统刹车对比示意图
（二）ABS的发展趋势
近年来，由于汽车消费者更注重安全问题，大多数车都装有ABS系统，ABS系统是汽车安全措施中继安全带的另一个主要的进步。汽车制动系统是关系到两个客运汽车最重要的安全系统。随着世界汽车工业的快速发展，越来越多的汽车安全受到关注。因此，这汽车防抱死制动系统，是汽车在安全制动技术上的又一突破。
ABS汽车防抱死制动系统，当汽车紧急制动时，只要安装在每个车轮上的车速传感器发现某一个车轮抱死，PLC控制的压力调节器就会减少抱死的车轮压力，使抱死的车轮开始转动。ABS系统作用是速度传感器检测车轮转的速度，然后轮速信号传送给单片机，单片机根据轮速输入，通过不断的减少或增加压力，保持车轮转动。
让那转动的车轮在制动过程中，能保证控制能力，使其安全停车。简易运作可见图1-2。
图1-2 ABS简易运作示意图
二、设计方案介绍
（一）设计要求
1、了解ABS系统，并熟悉 PLC、速度传感器和液压知识及应用；
2、选用PLC作为智能系统处理器，完成总体方案；
3、熟悉各部件功能，设计沙滩车沙滩车用防抱死系统。
（二）系统介绍
本文以西门子PLC(S7-200)为控制核心，结合速度传感器和液压系统，设计使用于沙滩车的四传感器四通道的ABS系统。主要分为：PLC控制单元、车速测量单元、液压制动单元3部分。系统图如图2-1所示：
图2-1 本设计ABS系统示意图
速度传感器安装在车辆的驱动轮，连续测量车轮的转速，并且把这些测的数据传输到ABS控制器，PLC控制单元将检测到的转速信号进行处理，然后与预先存储在PLC控制单元中的值进行对比，如果车轮的速度急剧增大，则车轮将会抱死，ABS发出信号给执行器，执行器会降低轮缸的制动液压，使原本停止的车轮处于转动状态，传感器的信号把车轮正常转动的信号传输给ABS，ABS又会传输信号给执行器，执行器会升高轮缸的制动液压。执行器以脉冲的形式对制动的压力进行不断的调整，使车轮的滑速率一直处于最好的效果下，使制动的车轮的得到最大程度的稳定下来，达到安全行驶制动。
1. 滑移率的概念
汽车制动是车辆依靠路面和车辆轮胎之间的摩擦力来实现减速的。汽车在制动时，车轮速度在不断地变化减小，但是在惯性的作用下，车体本身的速度并不会跟随着轮速的减小而减小。继而轮速和车速之间就会产生一个速度差值，这种车速与轮速之间存在着速度差值的现象叫做滑移现象。在实际研究ABS的时候，通常研究者会使用滑移率来检测制动时车轮的滑移程度。车辆的滑移率是指车轮的滑移速度 (车轮的实际速度与周向速度之差)与实际速度之比。
当车速与轮速的值相同时，车辆滑移率为零，此时车辆在道路上做纯滚动。当汽车制动时，轮速与车速差开始增大，相应的滑移率的值也会随之大，当轮速变为零时，滑移率达最大值100%，此时车轮处在完全抱死的状态，汽车在道路上100%拖滑。当滑移率为0 ~100%时，说明汽车边滚边滑，随着滑移的增加，车辆的滑动成分也越来越多。
2. ABS工作原理
附着系数K，是附着力与车轮法向（与路面垂直的方向）压力的比值。人们通常把附着系数当作轮胎和路面之间的静摩擦系数。附着系数越大，车辆获得的附着力就越大， 车轮出现抱死的的概率就越低。
附着系数分为纵向附着系数和侧向附着数。车轮在和路面的滚动运动过程中，其纵向附着系数和侧向附着系数及滑移率之间的关系如图2-2所示。ABS系统为了确保车辆在制动过程中车轮的滑移率保持在最佳滑移率附近，ABS系统通过控制制动管路的压力，使车辆受到最大的地面制动力。这样，车辆在制动过程中处于最佳行驶状态，从而避免车轮抱死的现象。
将车轮滑移率控制在20%上下是最理想的效果。踏下制动踏板，车轮滑移率＜20%：ABS不工作—常规制动；车轮滑移率趋近于20%：ABS工作-保压；车轮滑移率＞20%：ABS工作-减压；车轮滑移率＜20%：ABS工作-增压。
图2-2 制动过程中滑移率—附着系数关系曲线图
（三）系统方案确定
1. 控制单元
考虑到系统功能及可靠性，选用西门子S7-200PLC(CPU226)作为控制单元核心。本系统选用CPU 226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可用于接受信号及控制电磁阀等。其中有6个独立的30kHz高速计数器，选用4个作为连接车速传感器使用。
PLC相对于其他控制器有以下优点：
（1）能适应各种恶劣的运行环境；
（2）能直接进行程序的修改；
（3）功能强大；
（1）可靠性高、抗干扰能力强、拥有自我诊断能力、查找和判断故障迅速准确。
（2）编程直观简单，主要采用形象直观易学易懂的图形语言——梯形图。
（3）适应性好，相应的控制功能随用户的变化而变化，能灵活组成各种功能或大小不同的控制系统，适应性非常强。
（4）功能强，运行速度极快，控制的准确性高，PLC有着通信联网功能，用户可以不在现场进行控制和监控。
车辆行业用传感器的负载电流＜40mA
车辆行业用传感器的上升沿时间＜5us
图4-1 STEP7 V4.0编程软件界面
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