毕业论文-运输升降机的设计

摘要本设计基于应用西门子S7200PLC和西门子MM420变频器组成的升降机控制和驱动系统，可以完成对升降机自动运行的智能化控制和管理，可以根据生产线的实际生产需要和具体工艺要求自动调整升降方向和速度快慢。也可以在变频器发生故障时自动将发生故障的电机切换到工频状态应急工作。论文分析了运输升降机机械系统，自动控制系统的组成和工作原理，并根据设计的主次方面，详细阐述了运输升降机的各个关节的高端控制的实现方法。关键词自动控制系统；变频驱动系统；输送带；光电传感器；编码器；变频器ABSTRACTTHEDESIGNISBASEDONAPPLICATIONOFSIEMENSS7200PLCANDMM420CONVERTERCOMPRISINGSIEMENSLIFTCONTROLANDDRIVESYSTEMS,CANBECOMPLETEDONTHELIFTANDOPERATIONOFINTELLIGENTCONTROLANDMANAGEMENTMAYBEBASEDONTHEACTUALPRODUCTIONLINEPRODUCTIONNEEDSANDSPECIFICREQUIREMENTSOFAUTOMATICADJUSTMENTTAKEOFFANDLANDINGDIRECTIONANDSPEEDTHEPACEINVERTERSCANALSOAUTOMATICALLYEVENTOFTHEFAILUREOFTHEFAULTYELECTRICALSWITCHTOTHESTATEOFEMERGENCYFREQUENCYPAPERSOFMECHANICALLIFTTRANSPORTSYSTEM,AUTOMATICCONTROLSYSTEMANDTHEWORKINGPRINCIPLES,ANDINACCORDANCEWITHTHEDESIGNSEQUENCE,ELABORATEDONTHEVARIOUSTRANSPORTLIFTSINTHEHIGHENDJOINTCONTROLOFTHEMETHODTHEDESIGNOFTHEWHOLESYSTEMAHIGHDEGREEOFAUTOMATION,WIDEAPPLICATION,INMANYINDUSTRIESANDVARIOUSTYPESOFPRODUCTIONLINESATHOMEANDABROADSUPPORTINGUSEKEYWORDSAUTOMATICCONTROLSYSTEM；VARIABLEFREQUENCYDRIVESYSTEM；CONVEYORBELT；PHOTOELECTRICSENSOR；ENCODE；INVERTERS目录第1章绪论111可编程序控制器的特点及应用112如何选购PLC产品313输入回路的选择特点314输出回路的选择特点415软件编制516优化选择5第2章运输升降机系统概述721运输升降机机械系统的组成722运输升降机的自动控制系统的组成723运输升降机的工作原理和控制要求7第3章运输升降机自动控制系统设计931运输升降机的机械系统的组成932运输升降机的电机驱动系统的组成1133运输升降机自动化控制系统的组成14第4章运输升降机自动运行工艺流程的设计1841运输升降机的外部传感器设置1842运输升降机的停止状态位安装设计1943运输升降机自动运行步骤设计2044升降机精确平层的电气控制设计2645对升降机构电磁机械安全抱闸的控制设计28第5章运输升降机安全运行的设计29第6章运输升降机的总体整合设计3161系统选型3162主要元器件的介绍3363外部硬件接线图设计3464系统I/O分配3565梯形图设计3666源程序设计3667程序运行过程分析3768程序的下载、安装和调试38第7章总结39致谢41参考文献42附录43第1章绪论在工厂中经常看见一些升降机械，这些升降机械很多由工频电机直接带动运行，电气控制部分一般都很简单，多数采用人工手动控制或采用继电器控制方式。这些升降机械存在一些明显的问题，如启动停止和运行不平稳，升降运动过程动作不可靠，自动化程度不高，故障率较高，设备能耗高，无法应急运行，存在安全隐患等等。基于这些问题使得这些升降机械很难在工厂生产中发挥高效率的作用，同时也使得国内这些生产的升降机械无法与进口的自动化生产线配套使用，也无法根据实际的生产需要转换和调整升降机械的动作方式和工作顺序。随着变频技术和PLC控制技术的发展，工厂中的自动化生产线也越来越多，由于一些行业的生产工艺的要求或是由于生产车间和场地的特殊情况，要求一些生产线需要配置相应的物件提升装置。通过本次简单设计过程，可以了解到在现实生产中的基本控制思想。认识到若要达到所设计的目的，不仅要做到知识的严谨，还要综合考虑所可能遇到的各种情况以及所处的环境。在运行的过程中，由于环境的不同可能得到不同的结果。因此，在现实生产过程中，要全面考虑设计所要达到的目的，最重要的还要将环境与所设计结合起来，才能可能达到设计的目的。11可编程序控制器的特点及应用1PLC的应用早期的可编程序控制器PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，PLC，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。1969年，美国数字设备公司DEC研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。在机械系统方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、机械系统功能。2PLC的特点在发达工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元5。随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点1可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、机械系统上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。2具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。3采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。在设计过程中要注意的一些细节12如何选购PLC产品1、系统规模首先应确定系统用PLC单机控制，还是用PLC形成网络，由此计算PLC输入、输出点。数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上留有一定余量（10）。2、确定负载类型根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。3、存储容量与速度尽管国外各厂家的PLC产品大体相同，但也有一定的区别。目前还未发现各公司之间完全兼容的产品。各个公司的开发软件都不相同，而用户程序的存储容量和指令的执行速度是两个重要指标。一般存储容量越大、速度越快的PLC价格就越高，但应该根据系统的大小合理选用PLC产品。4、编程器的选购PLC编程可采用三种方式（1）是用一般的手持编程器编程，它只能用商家规定语句表中的语句编程。这种方式效率低，但对于系统容量小，用量小的产品比较适宜，并且体积小，易于现场调试，造价也较低。（2）是用图形编程器编程，该编程器采用梯形图编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高。（3）是用IBM个人计算机加PLC软件包编程，这种方式是效率最高的一种方式，但大部分公司的PLC开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试。因此，应根据系统的大小与难易，开发周期的长短以及资金的情况合理选购PLC产品。5、尽量选用大公司的产品其质量有保障，且技术支持好，一般售后服务也较好，还有利于你的产品扩展与软件升级13输入回路的选择特点1、电源回路PLC供电电源一般为AC85240V（也有DC24V），适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、11隔离变压器等）。2、PLC上DC24V电源的使用各公司PLC产品上一般都有DC24V电源，但该电源容量小，为几十毫安至几百毫安，用其带负载时要注意容量，同时作好防短路措施（因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行）。3、外部DC24V电源若输入回路有DC24V供电的接近开关、光电开关等，而PLC上DC24V电源容量不够时，要从外部提供DC24V电源；但该电源的“”端不要与PLC的DC24V的“”端以及“COM”端相连，否则会影响PLC的运行。4、输入的灵敏度各厂家对PLC的输人端电压和电流都有规定，如日本三菱公司F7N系列PLC的输入值为DC24V、7MA，启动电流为45MA，关断电流小于15MA，因此，当输入回路串有二极管或电阻（不能完全启动），或者有并联电阻或有漏电流时（不能完全切断），就会有误动作，灵敏度下降，对此应采取措施。另一方面，当输入器件的输入电流大于PLC的最大输入电流时，也会引起误动作，应采用弱电流的输入器件，并且选用输人为共漏型输入的PLC，BP输入元件的公共点电位相对为负，电流是流出PLC的输入端。14输出回路的选择特点1、各种输出方式之间的的比较（1）继电器输出优点是不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负载电流可达2A点；但继电器输出方式不适用于高频动作的负载，这是由继电器的寿命决定的。其寿命随带负载电流的增加而减少，一般在几十万次至JL百万次之间，有的公司产品可达1000万次以上，响应时间为10MS。（2）晶闸管输出带负载能力为02A/点，只能带交交流负载，可适应高频动作，响应时间为1MS。（3）晶体管输出最大优点是适应于高频动作，响应时间短，一般为02MS左右，但它只能带DC530V的负载，最大输出负载电流为05A/点，但每4点不得大于08A。当你的系统输出频率为每分钟6次以下时，应首选继电器输出，因其电路设计简单，抗干扰和带负载能力强。当频率为10次MIN以下时，既可采用继电器输出方式；也可采用PLC输出驱动达林顿三极管（510A），再驱动负载，可大大减小。2、抗干扰与外部互锁当PLC输出带感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。当两个物理量的输出在PLC内部已进行软件互锁后，在PLC的外部也应进行互锁，以加强系统的可靠性。3、“GOM“点的选择不同的PLC产品，其“COM”点的数量是不一样的，有的一个“COM”点带8个输出点，有的带4个输出点，也有带2个或1个输出点的。当负载的种类多，且电流大时，采用一个“COM”点带12个输出点的PLC产品；当负载数量多而种类少时，采用一个“COM”点带48个输出点的PLC产品。这样会对电路设计带来很多方便，每个“COM”点处加一熔丝，12个输出时加2A的熔丝，48点输出的加510A的熔丝，因PLC内部一般没有熔丝。4、PLC外部驱动电路对于PLC输出不能直接带动负载的情况下，必须在外部采用驱动电路可以用三极管驱，也可以用固态继电器或晶闸管电路驱动，同时应采用保护电路和浪涌吸收电路，且每路有显示二极管（LED）指示。印制板应做成插拔式，易于维修。5、PLC的输入输出布线也有一定的要求，请看各公司的使用说明书。15软件编制在编制软件前，应首先熟悉所选用的PLC产品的软件说明书，待熟练后再编程。若用图形编程器或软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程，应先画出梯形图，然后编程，这样可少出错，速度也快。编程结束后先空调程序，待各个动作正常后，再在设备上调试。16优化选择在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，若采用可编程序控制器（PLC）来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一，目前市场上的PLC产品众多，除国产品牌外，国外有日本的OMRON、MITSUBISHI、FUJJ、ANASONIC,德国的SIEMENS，韩国的LG等。近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高，这是众多技术人员选用PLC的重要原因，所以在一些小型简单的自动化生产线上，厂家考虑其性价比还是选用PLC改造传统电气回路。同时西门子PLC可以根据要求选用不同的模块，在此基础上设计程序以达到所设计的功能，这种形式目前在工业现场应用最为广泛。另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高，即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作。还有要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序，而PLC的编程相对比较简单，这样对于开发周期会缩短。除此以外它本身有很强的自诊断功能，一旦系统出现故障，根据自诊断很容易诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修，如果故障由于程序设计不合理引起，由于它提供完善的调试工具，要找出故障也较为简单。所以应用西门子S7200PLC和西门子MM420变频器组成的升降机控制和驱动系统，可以完成对升降机自动运行的智能化控制和管理，可以根据生产线的实际生产需要和具体工艺要求自动调整升降方向和速度快慢。也可以在变频器发生故障时自动将发生故障的电机切换到工频状态应急工作，系统设有西门子TP170A触摸屏，可以向工作人员提示设备的状态和故障信息。整个系统自动化程度高，应用范围广，可以在多个行业与国内外各型生产线配套使用。第2章运输升降机系统概述21运输升降机机械系统的组成运输升降机的机械系统由升降机入口和出口传输机构，轿箱内部吊篮传输机构，轿箱升降机构，升降机厅门安全机构和升降电机安全抱闸机构组成。升降机入口和出口传输机构用于将生产线上的产品向升降机内或升降机外传送。轿箱内部吊篮传送机构用于将产品传入或传出轿箱。轿箱升降机构用于提升升降机轿箱或下降升降机轿箱。升降机厅门安全机构用于在升降机轿箱升降过程中关闭升降机井厅门入口，防止安全事故发生。升降电机安全抱闸机构用于在升降机轿箱停止运动时抱住升降电机主轴，防止升降机轿箱在停止运动时发生上下滑动，避免由此而产生的安全事故。22运输升降机的自动控制系统的组成运输升降机的自动控制系统由程序逻辑控制器PLC，外部光电传感器，触摸屏，变频驱动器，声光报警灯和检修手动盒等元气件组成。程序逻辑控制器PLC采集外部输入点的输入信号，如启动停止信号，各个光电传感器的状态信号，各限位开关的输入信号，人机界面上的输入信号，经过逻辑判断和运算后输出相应输出信号，控制电气系统中的相应交流接触器和变频器动作。来完成将一层楼的产品自动的转移到另外一层楼的生产线上。23运输升降机的工作原理和控制要求运输升降机的工作状态分为自动运行状态和检修操作状态，两个工作状态相互独立彼此分开。当升降升降机处于自动运行状态下时，要求检修操作盒的所有按钮无效，同样当设备处于检修状态下时要求来自系统外部的控制信号无效，此时系统只能通过检修手动盒点动检修。在自动运行时要求升降机能够将一层楼的产品自动的传送到另外一层楼的生产输送带上，并自动返回到出发点进行下一个工作周期。这个过程当中要求PLC能根据外部生产线的速度自动调节升降机的运转速度。要求升降机的轿箱能够准确平层，能够判断进出口堵塞情况的发生，能够自动的连续点动正反转，以自动消除进出口的堵塞现象，减少不必要的停机发生。同时要求升降系统能够多楼层多顺序的传送运行，能根据生产需求调整传送方向。要求系统有可靠的安全保护，能避免设备安全事故的发生。要求设备具有应急运行功能，减少因设备故障造成的生产线停机。在操作上要求通过人机界面能够方便地修改参数，记录生产情况和报警信息，要求在触摸屏上复位报警和点动功能。能够设置管理人员密码，能够记录生产批次和生产数量，具有历史数据查询功能。遮光板反光板反光板吊篮内部光电传感器吊篮电机吊篮入口光电传感器第3章运输升降机自动控制系统设计31运输升降机的机械系统的组成运输升降机的传输机构分为入口输送带，出口输送带和升降机轿箱吊篮传送带。分别与各楼层的生产线输送带连接。见图31。图31运输升降机入口输送带与吊篮输送带和生产线输送带的组合其中升降机入口输送带采用工业输送带，生产线输送带采用皮带式输送带，加置皮带张紧装置，入口输送带可以根据需要正反转。升降机轿箱吊篮传送带采用链条传动多个金属输送辊组成的辊道式传送带，机械结构牢靠，抗撞击能力强，正反转动作可靠，其作用是连接升降机入口传送带或出口传送带。见图32。图32升降机轿箱吊篮内送辊道式输送带示意图遮光板反光板吊篮入口光电传感器吊篮电机反光板吊篮内部光电传感器生产线启动使能信号生产线光电传感器反光板楼车间生产流水线传送带楼进口光电传感器反光板楼生产线传送带电机楼入口电机流动方向图33运输升降机出口输送带与吊篮输送带和生产线输送带的组合图33其中升降机出口输送带采用工业输送带，生产线输送带采用皮带式输送带，加置皮带张紧装置，出口输送带可以根据需要正反转。而升降机轿箱吊篮内送辊道式输送带则与升降机升降机构组合，在各楼层之间上下运动，输送货物。自动升降机吊篮输送机构和1F入口传送带的组合如下图34所示。电动抱闸吊篮电机反光板反光板升降机构升降动轮下部定轮上部定轮升降电机生产线启动使能信号生产线光电传感器楼生产线传送带电机反光板楼车间生产流水线传送带流动方向楼入口电机反光板流动方向反光板楼出口电机楼出口光电传感器流动方向流动方向楼车间生产流水线传送带楼生产线传送带电机遮光板反光板遮光板图34自动升降机吊篮输送机构和1F入口传送带的组合楼出口电机楼生产线传送带电机反光板楼出口光电传感器反光板吊篮电机吊篮入口光电传感器反光板吊篮内部光电传感器遮光板楼车间生产流水线传送带流动方向电动抱闸吊篮电机反光板反光板升降机构升降动轮下部定轮上部定轮升降电机生产线启动使能信号生产线光电传感器楼生产线传送带电机反光板楼车间生产流水线传送带流动方向楼入口电机反光板流动方向反光板楼出口电机楼出口光电传感器流动方向流动方向楼车间生产流水线传送带楼生产线传送带电机遮光板反光板遮光板自动升降机吊篮输送机构和2F出口传送带的组合如下图35所示。图35自动升降机吊篮输送机构和2F出口传送带的组合32运输升降机的电机驱动系统的组成本系统硬件由三相交流鼠笼式电机、西门子MM420系列通用型变频器、西门子S7200226CPU的PLC、交流接触器组成。设计要求可以根据生产线的实际情况，来设计上述各输送带和升降机升降机构驱动电机的功率大小。本设计中采用升降机输入口，升降机输出口和吊篮电机都为075KW的三相交流鼠笼式电机，设计升降机升降机构电机为15KW三相交流鼠笼式电机。各个电机功率可以根据实际的情况来设计，但在设计升降机入口，升降机出口和吊篮内输送带电机时，要求将这三处的输送带驱动电机功率设电动抱闸反光板遮光板遮光板反光板楼生产线传送带电机楼车间生产流水线传送带流动方向流动方向楼出口光电传感器楼出口电机反光板流动方向反光板楼入口电机流动方向楼车间生产流水线传送带反光板楼生产线传送带电机生产线光电传感器生产线启动使能信号升降电机上部定轮下部定轮升降动轮升降机构反光板反光板吊篮电机计为一样大小。这样设计的目的在于，因为升降机在一二楼之间来回运动运送产品，但一二楼的入口传送带和出口传送带的工作状态为二选一。即当其中一个输送带的电机处于工作状态下，另外一台电机则处于停止的状态。这样就可以使用一台变频器来驱动多个楼层升降机入口或出口的输送电机，以达到减少机械系统设备的投入。吊篮内输送带的驱动电机和变频器的功率尽量选择和升降机出入口输送带驱动电机同等功率，这样做的目的在于减少变频器和输送带驱动电机的型号差别，方便设计，同时也方便安装、调试和以后的设备检修与维护。升降机升降机构的驱动电机和变频器的功率容量根据产品的实际质量、升降机构的机械效率和安全系数来确定。所有升降机上使用的变频器选用西门子MM420系列通用型变频器。方案选择电机变频驱动系统和工频驱动系统结构示意图如图36所示。图36系统结构示意图说明图36中1、2和3为西门子MM420系列变频器，、和分别为运输升降机1楼入口输送带电机、二楼出口输送带电机、轿箱吊篮输送带电机和升降机构电机。PLC为西门子S7200226CPU，112为交流接触器。所有的变频器和交流接触器工作状态都由PLC集中控制完成。设计改进为了避免工频正反转输出时发生短路事故，在工频正反转输出的交流接触器上实施电气和机械互锁的安全措施。为了避免变频器输出时和工频输出短接，或者为了避免1变频器输出时和电机同时的电，在各个交流接触器之间加设电气互锁和必要的机械互锁。当升降机处于自动运行状态下时，当升降机在1楼时由1变频器向电机提供动力驱动，可以是正转也可以是反转。当升降机在二楼时由1变频器向电机提供动力驱动，可以是正转也可以是反转。2变频器向电机提供动力驱动，当升降机在一楼时正转，在二楼时反转。3变频器向电机提供动力驱动，当升降机上升时正转，下降时反转。交流接触器的的互锁状态如下交流接触器1、2机械电气互锁，交流接触器3、4机械电气互锁，交流接触器5、6机械电气互锁，交流接触器8、9机械电气互锁，交流接触器11、12机械电气互锁。同时交流接触器组1、2和交流接触器组3、6电气互锁，交流接触器3、6电气互锁，交流接触器4、5电气互锁，交流接触器7和交流接触器组8、9电气互锁，交流接触器10和交流接触器组11、12电气互锁。详细的互锁组合和互锁意义如表31所示。表31互锁组合和互锁意义第一组交流接触器第二组交流接触器互锁状态注释含义12机械电气互锁防止工频反转短路二选一34机械电气互锁防止工频变频同时接通二选一56机械电气互锁防止工频变频同时接通二选一89机械电气互锁防止工频反转短路二选一1112机械电气互锁防止工频反转短路二选一1、23、6电气互锁防止工频变频同时接通四选一78、9电气互锁防止工频变频同时接通三选一1011、12电气互锁防止工频变频同时接通三选一36电气互锁防止变频同时接通二选一45电气互锁防止工频同时接通二选一图36中交流接触器1、2、4的组合目的为了当1变频器发生故障时或者设备处于检修状态时，可以通过工频驱动的方式应急运行电动机，而且保留了电机的正反转功能。同理交流接触器1、2、6的组合，交流接触器8、9的组合，交流接触器11、12的组合目的是为了能够实现工频驱动电机、和正反转。本电机驱动系统设计的自动控制原理图请参照附录133运输升降机自动化控制系统的组成运输升降机的工作状态自动状态和维修工作状态。这两种工作状态互相独立、彼此分开，目的在于确保控制回路的输出的唯一性，避免发生类似双线圈输出的情况，杜绝事故的发生。升降机自动化控制系统的组成整个升降机自动化控制系统的组成由核心控制元件PLC、空气开关、电机马达开关、交流接触器、触摸屏、开关、按钮、指示灯、报警器和外部光电传感器等元部件组成。其中由面板旋钮开关或带锁的钥匙旋钮开关选择整个系统的工作状态，通过状态安全继电器的得电或失电来区分自动运行和手动运行的输出电源的通和断。这样就使得系统只有在自动运行状态下时PLC的输出端子才有输出电压，当系统在手动运行状态下时，PLC输出端子上无输出电压。马达开关作用为当系统指令电机以工频方式工作时，起到保护电机的作用。人机界面能够方便操作人员对设备进行操作和监控，同时实时显示设备工作状态，记录生产产量和班产批次等历史数据。报警灯由多级柱装灯塔组成，不同颜色代表不同意义。设备外部设有多个光电传感器，向PLC传输外部状态信号，指示自动升降机的工作状态。自动化控制系统中的安全部分的紧急停止按钮拥有最高的设备输出中止权，即无论在手动还是自动状态下，只要紧停按钮被按下，设备都会立即停止任何动作。升降机井除了在高处和低处安装了感应升降机吊篮位置的光电传感器，还在井架极限高位和极限低位安装了机械式的行程限位开关，确保升降机轿箱不发生冲顶和撞底的事故。在1楼升降机进口输送带和2楼升降机出口输送带上分别安装有1个光电传感器，用来检测运输的产品。在轿箱吊篮内输送带上安装有2个光电传感器，用来检测运输产品的进出情况。控制柜设计方案由于生产线的情况决定了在运输升降机的自动化控制系统中需要设立主控制柜和现场分控制箱。在主控制柜内安装所有空气开关，马达开关，PLC，触摸屏，塔式报警灯等元气件，在现场分控制箱上安装自动状态系统停止旋钮开关。手动检修操作盒采用移动式手持盒，所有手动按钮相互连锁，并且都为点动按钮。具体见如下示意图。TOUCHWIN电压电源电源开关电压检测系统启动系统启动系统停止检修停止自动急停图31主控制柜面板布置图37现场控制箱面板布置运行状态指示电源自动运行检修运行系统启动故障急停状态选择自动停止急停。检修控制盒图38检修点动盒外观图图39主控制柜外观图状态选择检修插座自动运行故障电源停止自动检修运行系统启动急停急停运行状态指示电源O系统启动系统停止系统启动检修停止自动TOUCHWIN急停电压电压检测检修插座图310为2楼现场分控制箱外观第4章运输升降机自动运行工艺流程的设计41运输升降机的外部传感器设置外部传感器选择光电传感器光电传感器原理本传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。它是利用被检测物体对红外光束（区分点）的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。从而对位置进行控制光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分为发送器、接收器和检测电路。外部传感器布置设计如图11和13所示，在升降机1楼入口传送带和升降机2楼出口传送带上，分别安装有检测产品的光电传感器PS1、PS4。如图12所示，在升降机轿箱内吊篮输送带上安装有两个光电传感器PS2、PS3。如图17所示，在升降机井架机构内安装有高位和低位光电传感器PS5、PS6。光电传感电路2R1406C1RP2VDK5V1VD1V42运输升降机的停止状态位安装设计两层式运输升降机的工作停止状态位有两个，分别为一楼停止位和二楼停止位。下面图41为自动升降机一楼停止位的局部放大图。图41自动升降机一楼停止位局部放大图图42为自动升降机2楼停止位的局部放大图。图42自动升降机2楼停止位的局部放大图吊篮电机反光板反光板生产线启动使能信号生产线光电传感器楼生产线传送带电机反光板楼入口电机反光板遮光板遮光板反光板遮光板遮光板楼生产线传送带流动方向楼出口光电传感器楼出口电机反光板反光板反光板吊篮电机43运输升降机自动运行步骤设计运输升降机将产品从一楼向二楼输送，再返回一楼。为了有效的运用PLC的内部空间和程序设计的简单全面，整个控制程序采用西门子专用的步进控制程序语言编写。具体步骤如下。第一步1楼生产线使能，系统判断吊篮位置（PS5/PS6），传送第一件货物进入吊篮。同时传送第二件货物到1楼进口输送带上等待下一传送周期PS1被第二件货物挡住后停止前行（吊篮电机正转）。第二步判断升降机构是否可以升降（吊篮入口光电传感器PS2是否由货物挡住），向上举升货物至二楼。（升降电机正转）第三步判断二楼出口输送带是否堵塞（PS4是否被挡住）,向升降机外输送货物。（吊篮电机反转）第四步判断升降机构是否可以升降（吊篮入口光电传感器PS2是否由货物挡住），向下返回1楼。（升降电机反转）下一周期开始根据以上四步步进控制顺序设计PLC主要输入输出点如表41和表42所示。表41输入点编号注释I04自动运行I06检修运行I11系统启动I12系统停止I05停止I201楼入口光电传感器PS1I21轿箱内吊篮入口传感器PS2I22轿箱内吊篮内部传感器PS3I232楼出口光电传感器PS4I24升降机井高位传感器PS5I25升降机井低位传感器PS6I07外部生产线使能PS0注表中主要输入点元器件在图11、图13和图21中查找对应。表42输入点编号注释Q001变频器正转输出Q011变频器反转输出Q032变频器正转输出Q042变频器反转输出Q063变频器正转输出Q073变频器反转输出Q11交流接触器3工作Q12交流接触器6工作Q13交流接触器7工作Q14交流接触器10工作Q15抱闸电磁铁机构松闸注表中主要输出点元器件在图21中查找对应。1、2、3变频器输出方式与交流接触器3、6、7、10的组合对应电机、的运动状态如表33所示。表43输出点组合注释Q00、Q111楼输送带正传（电机）Q03、Q13吊篮电机正转（电机）Q06、Q14升降电机正转（电机）Q01、Q122楼输送带电机反转（电机）Q04、Q13吊篮电机反转（电机）Q07、Q14升降电机反转（电机）在步进顺序的设计上，为了避免因为误挡光电传感器而发生设备误动作，应该选择西门子S7200PLC中专门的顺控继电器S来编写升降机的步进程序。步进程序主要步骤如下图43所示图43自动运行流程图步进程序主要步骤程序编写如下图44所示。出货下降入货上升松抱闸升降电机反转2楼出口输送带反转吊篮输送带反转松抱闸升降电机正转1楼入口输送带正转吊篮输送带正转启动上电置位初始步触摸屏复位置位初始步自动态/启动运行生产线使能第零步第零步结束第一步吊篮电机正转升降电机正转第二步第一步结束1楼入口输送带电机正转判断吊篮能否提升判断2楼出口输送带是否堵塞第二步结束第三步吊篮电机出货完成吊篮电机反转2楼出口输送带电机出货完成楼出口输送带电机反转判断吊篮能否下降第三步结束第四步图44自动运行梯形图注这里为了能使表达更为清楚，步进顺序间的转换没有加时间延时。在实际程序编写中为了使设备在转换动作时更加平稳，应该注意步进转换之间的时间延时。在第一步步进程序里，一楼入口输送带电机正转输出由于第一步的结束而停止，这时入口输送带上的产品不一定正好挡住入口传送带光电传感器PS1。这样会造成在升降机吊篮上升后，一楼入口输送带上的产品不一定能够排成队列等待输送。为了解决这个问题，需要在上述步进程序外编写一条关于一楼入口输送带输出的语句，这里是关于输出点Q00和Q01的双线圈输出。在步进程序中，可以考虑使用双线圈，但要慎重使用。其语句为LDM10AM20AI07ANI20OUTQ00OUTQ01第四步结束判断周期结束升降电机反转44升降机精确平层的电气控制设计如图41和图42所示，升降升降机吊篮和一楼传送带和二楼传送带的平层控制上，采用了升降机井高位传感器PS5和低位传感器PS6来控制轿箱的停止（参见图44升降电机正转/升降电机反转）。这里存在一个问题，如果升降机井高位传感器PS5和升降机井低位传感器PS6在升降电机运行时发生误动作。或者由于光电传感器的老化、输出滞后或是由于PLC输入响应滞后等问题会造成升降机轿箱吊篮停止位置的偏差积累。即吊篮在升降机运行一段时间后其停止位置会越来越高或者越来越低，甚至有可能发生升降机轿箱冲顶或者撞底事故的发生。为了解决这个问题应当在程序中加入高速脉冲计数，使用计数器来准确判断升降机轿箱的停止位。在机械系统配置上需要在升降电机的转子轴上加配旋转编码器，如图45和图46所示。旋转编码器电动抱闸上部定轮升降电机图45图46对编码器的信号处理运用S7200DC/DC/DC的高速记数器HSC的功能来构成一个反馈回路。HSC旋转编码器电动抱闸上部定轮升降电机旋转编码器计数速度比PLC扫描时间快的多，采用集成在CPU226中的20K硬件计数器进行比较，总的来说，每个高速计数器需要10个字节内存用来存控制位，当前值，设定值，状态位。外部接线示意图如下在PLC输入点的设计上注意预留输入点I00I07作为编码器高速计数输入，具体用法参见西门子S7200编程手册。旋转编码器的选择可以是双相脉冲编码器，也可以是单相脉冲编码器，在程序中可以选择带有增减计数脉冲的双相计数器，也可以选择带有内部方向或带有外部方向控制的单相计数器。旋转编码器可以是增量型编码器也可以是绝对值编码器，选择上面很灵活，具体的编码器选择应和程序中高速计数器、运行模式和系统控制字相结合。下面表34是本设计给出旋转编码器和高速计数器及系统控制字的一种组合。表44内容说明特征旋转编码器增量型单相高速计数器HSC0内部方向控制单相计数/运行模式0I00脉冲计数控制字SMB3711111000或16F8初始值SMD380预制值SMD421000如附录2中的精确平层控制指令表所示在程序中通过调用中断号为12的中断子程序来使升降电机停止正转或反转，以达到轿箱精确平层的目的。在高速计数器和旋转编码器的选择和配置上可以灵活掌握，在外部输入点数量紧张的情况下，可以采用高速计数器内部方向控制来完成增减计数。也可以不用增减计数，直接在程序中步进转换时复位高速计数器来完成升降电机的正反转控制。45对升降机构电磁机械安全抱闸的控制设计升降机构的电磁安全抱闸机构如图45所示，其工作原理为当升降电机开始正转或者反转时电磁抱闸电磁铁得电松开抱闸，使得升降机轿箱可以上下运动。当升降升降机轿箱停止升降时，抱闸电磁铁失电抱住升降机构的转轴，固定轿箱防止轿箱向下滑落。电磁铁设计为失电抱住转轴，防止因为停电或急停按下时轿箱向下滑落。在抱闸机构的设计上应注意足够的机械强度和较大的安全系数。第5章运输升降机安全运行的设计为了使升降机安全运行，在设计上必须注意，紧急停止按钮具有最高级别的中止功能，通过安全继电器的失电态来强制断开PLC的所有输出电源和手动检修盒的控制电源。图51通过图51可以了解到使用安全继电器ZJ1的失电态常开触点，可以使得PLC及所有控制输出电源失去电能。在程序编写上，通过紧停按钮输入I03调用该点的中断事件6，快速断开程序中的所有输出。这样的双重保护确保万无一失。急停第三点接地生产线启动使能信号SIEMNATC720PORT01在安全设计上要增加升降机厅门保护，即如果厅门未关好，升降机构不动作，如果厅门未打开，吊篮输送装置不动作。这些保护在程序中添加到每个步骤中即可，在机械系统上可以增加行程限位开关，包括升降机构的上下限位行程开关。在自动和检修状态中只可以二选一，即两者的控制电源互相独立分开。手动检修按钮间互相互锁，以保证检修运行时设备动作的唯一性。如图52所示为手动检修按钮间的互锁。图52手动检修按钮间的互锁吊篮电机检修反转吊篮电机检修正转第6章运输升降机的总体整合设计61系统选型（1）I/O点数统计I/O点数是PLC的一项重要指标。合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求，又可使系统总投资最低。PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上2030的备用量。该系统有19个数字输入点19个数字输出点，考虑余量后需要22个数字输入点22个输出点。（2）用户存储器容量的估算PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池供电的RAM。一般微型和小型PLC的存储容量是固定的，介于12KB之间。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略地估算。根据经验，每个I/O点及有关功能元件占用的内存量大致如下开关量输入元件1020B/点开关量输出元件510B/点定时器/计数器2B/个模拟量100150B/个通信接口一个接口一般需要300B以上根据上面算出的总字节数再考虑增加25左右的备用量，就可估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的PLC内存。该系统有19个数字输入点19个数字输出点，需内存340B，有高速计数器1个，需内存16B，考虑余量后需要内存380B。（3）CPU功能与结构的选择PLC的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等，选型时可考虑以下几点功能与任务相适应，PLC的处理速度应满足实时控制的要求、PLC结构合理、机型统一、在线编程和离线编程的选择。运输升降机控制所要求的控制功能简单，小型PLC就能满足要求了。综上所述，结合下表分析CPU221CPU222CPU224CPU226程序存储器2048字4096字用户数据存储器1024字2560字用户存储器类型EEPROM数据后备典型时间50H190H本机IO6入/4出8入/6出14入/10出24入/20出扩展模块数量无2个7个数字量IO印象区大小256（128入/128出）模拟量IO印象区大小无16入/16出32入/32出33H布尔指令执速度037/微妙/指令内部继电器256计数器/定时器256/256顺序控制继电器256该控制系统CPU模块采用CPU226（AC/DC/继电器）模块，它可控制整个系统按照控制要求有条不紊地进行。同时由于该模块采用交流220V供电，并且自带24数字量输入点和20个数字量输出点，完全能满足运输升降机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量和输出模块。62主要元器件的介绍（1）数字量直流输入模块图3所示是直流输入模块的输入电路。光耦合器隔离了输入电路与PLC内部电路的电气连接，使外部信号通过光耦合变成内部电路的电气连接，使外部信号通过光耦合变成内部电路能接收到的标准信号。当现场开关闭合后，外部直流电压经过电阻R1和阻容滤波后加到光耦合器的发光二极管上，经过光耦合，光敏晶体管接收光信号，并能接受的信号送入内部电路。在输入采样时送入输入印象寄存器。现场开关通断状态，对应输入印象寄存器的1/0状态，当输入端的发光二极管点亮，即指示现场开关闭合。外部直流电源用于检测输入点的状态，其极性可以任何接入。图3直流输入电路图3中，电阻R2和电容C构成滤波电路，可滤掉输入信号的高频抖动。双向光耦合器起整流和隔离的作用，双向发光二极管VL用作指示。（2）交直流输出模块交直流输出模块是继电器输出方式，其输出电路如图所示，当PLC有信号输出时，输出接口电路使继电器线圈激励，继电器触点闭合使负载回路接通，同时状态指示发光二极管VL导通点亮。根据负载的性质来选用负载回路的电源电压性质。图4继电器输出电路（3）电源模块的选择PLC上DC24V电源的使用各公司PLC产品上一般都有DC24V电源，该电源容量小，为几十毫安至几百毫安，用其带负载时要注意容量，同时作好防短路措施（因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行）。但若输入回路有DC24V供电的接近开关、光电开关等，而PLC上DC24V电源容量不够时，要从外部提供DC24V电源，同时为了抗干扰，提高输入回路的灵敏度，应加装电源净化元件（如电源滤波器、11隔离变压器等）。本设计根据查看各种资料，最终选择了如下的电源电路图63外部硬件接线图设计见附录1的系统接线图1234220VC32200UFC1033UFVIN1GND224V3MC7824C201UF24V64系统I/O分配输入点编号注释I00旋转编码器I04自动I05停止I06检修I07外部生产线使能PS0I11系统启动I12系统停止I201楼入口光电传感器PS1I21轿箱内吊篮入口传感器PS2I22轿箱内吊篮内部传感器PS3I232楼出口光电传感器PS4I24升降机井高位传感器PS5I25升降机井低位传感器PS6I30入口/出口电机正转开关SA2I31入口/出口电机反转开关SA3I32吊篮电机正转开关SA4I33吊篮电机反转开关SA5I34升降电机正转开关SA6I35升降电机反转开关SA7输出点编号注释Q001变频器正转输出Q011变频器反转输出Q032变频器正转输出Q042变频器反转输出Q063变频器正转输出Q073变频器反转输出Q11交流接触器3工作Q12交流接触器6工作Q13交流接触器7工作Q14交流接触器10工作Q15抱闸电磁铁机构松闸Q20交流接触器1工作Q21交流接触器2工作Q22交流接触器4工作Q23交流接触器5工作Q24交流接触器11工作Q25交流接触器12工作Q26交流接触器8工作Q27交流接触器9工作65梯形图设计见附录1的系统梯形图66源程序设计见附录2的指令表67程序运行过程分析按下系统启动按钮，I11常开触点接通,M20接通,在此基础上如果按下自动运行状态按钮,I04常开触点接通,M10接通,此时系统进入自动运行程序；如果按下检修状态按钮,I06常开触点接通,M30接通,此时系统进入手动检修程序；如果按下停止按钮,I05常闭触电断开,M10,M30断开,系统选择运行方式停止。1、当系统进入自动运行程序，程序开始时入口输送带上的第二件产品正好挡住光电传感器PS1，I07常闭触点断开,Q00、Q01断开,一楼入口输送带电机停转在升降机吊篮上升后，一楼入口输送带上的第二件产品能够排成队列等待输送；特殊继电器SM01在系统通电下瞬间得电,状态继电器S00上电置位初始步。第零步开始,外部生产线使能PS0被第一件产品挡住时,M10,M20,I07接通,状态继电器S01上电置位,S00复位,第零步结束。第一步开始,当轿箱内吊篮内部传感器PS3未被挡住和升降机井低位传感器PS6被挡住时,I22常闭触电闭合与I25常开触电接通,Q03和Q13接通吊篮电机正转；同时I22和I20没有同时断开时,Q00与Q11得电接通一楼入口输送带电机正转；当轿箱内吊篮入口传感器PS2未被挡住和轿箱内吊篮内部传感器PS3被挡住时,I21常闭触电闭合和I22常开触电接通,S02上电置位,S01复位,第一步结束。第二步开始,当轿箱内吊篮入口传感器PS2未被挡住,升降机井高位传感器PS5未被挡住和轿箱内吊篮内部传感器PS3被挡住时,I21常闭触电闭合,