综合实训课程设计报告- PLC五层电梯控制系统设计.doc

海南软件职业技术学院综合实训报告 目录绪论11.plc的了解21.1 plc的基本结构1.2 plc工作原理1.3plc在电梯控制中的重要意义22电梯控制系统的设计42.1 电梯系统的硬件构成42.2 电梯工作原理52.3 控制系统的硬件设计62.4 i/o的分配62.5 plc i/o硬件连接图73电梯的plc程序设计83.1 plc程序功能介绍83.2功能实现流程94电梯各程序说明104.1电梯的初始化114.2开关门控制114.3 指示灯的控制134.4楼层信号的显示144.5电梯的选向164.6电梯上行174.7电梯下行18结束语20致 谢21参考文献22绪论在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，不断满足社会经济快速发展和人民生活水平不断提高的需要，电梯作为一种重要的交通运输工具，已经成为城市物质文明的一种标志。电梯在公办大楼、公司、高层住宅、宾馆等场所得到了广泛应用。特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期，载人电梯控制技术已经发展到了调频调压调速控制阶段，具有乘坐安全、运行可靠、舒适度较高等特点，其主流控制技术采用plc控制，具有许多智能化控制功能。生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭 1。如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音、复合钢带环保耐用一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好。现在，电梯已完全融入我们的生产、生活之中，满足人们的生活、学习及工作的需要。据统计，我国在用电梯已达100多万台，每年还以约5万至6万台的速度增长。电梯的作用越来越大，需求也越来越多。而我国的现阶段的使用的先进电梯系统基本上是国外设计制造的，其核心技术并不分开。国内具有自主知识产权的控制方法和技术在实际的应用较少，与国外先进技术相比还有较大的差距。因此，尽快研究和掌握先进的控制技术，对国内电梯工业的发展会有很大的促进作用。本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器(plc)应用于5层电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，缩短了电梯的开发周期，并提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。本文所设计的电梯与传统的电梯相比，在运行上具有良好的舒适感，在使用中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。1.1 plc的基本结构plc实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：a、电源 plc的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此plc的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将plc直接连接到交流电网上去 b. 中央处理单元(cpu) 中央处理单元(cpu)是plc的控制中枢。它按照plc系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当plc投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入i/o映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高plc的可靠性，近年来对大型plc还采用双cpu构成冗余系统，或采用三cpu的表决式系统。这样，即使某个cpu出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是plc与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用plc通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块。 f、通信模块 如以太网、rs485、profibus-dp通讯模块等。 1.2 plc工作原理一. 扫描技术当plc投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，plc的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，plc以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，plc总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i/o映象区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即i/o指令则可以直接存取i/o点。即使用i/o指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从i/o模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，plc就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是plc的真正输出。1.1plc在电梯控制中的重要意义早期的电梯自动控制系统中，信号的逻辑控制一般是由继电器-接触器控制电路实现的。由于继电器、接触器都是有触点的电器元件，体积庞大，弧光放电较严重，使用寿命有限，在电梯这种复杂的控制系统中可靠性不高，施工过程中接线复杂，当控制要求改变时必须改变硬件接线，因此其通用性和灵活性不够，生产周期加长，另外继电器，接触器触点数目有限，可扩展性较差；继电器-接触器控制系统依靠触点的机械动作实现控制，其工作频率低且机械触点还会出现抖动问题；继电气控制逻辑一般不具备计数功能；同时随着楼层的增加，继电器接触器控制系统过于庞大，给设计带来不便。基于以上多种原因，导致电梯控制系统的工艺性、运动的可靠性与安全性降低，故目前继电器接触器控制电路的电梯已被逐步淘汰。 目前电梯的控制普遍采用两种控制方式，一种是采用微机作为信号控制单元完成电梯的信号的采集、运动状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能。另一种是用可编程控制器plc取代微机实现信号集选控制。微机控制是电梯控制技术的发展方向，目前已有一些由微机控制的电梯新机型相继推出，使控制功能得到增强，性能得到改善；虽然微机控制系统在智能控制方面有强大的功能，但是也存在一定的不足之处，一方面微机控制抗干扰能力较差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，另一方面专门设计和制造微机控制装置，一次性成本高，这些都限制了微机控制系统应用的普及。然而对于一个中、小型的电梯控制系统，大多数采用plc设计控制，主要原因在于当规模较小时，用plc控制可以降低因专门设计和制造微机控制装置的成本，且plc具有编程简单；控制运行可靠性高，抗干扰能力强；通用性好；功能强大；开发周期短；体积小；使用方便；可扩展性强；成本低；维护方便以及强大的网络通讯功能等优点，因此在电梯控制中成为主流。2电梯控制系统的设计2.2电梯工作原理电梯系统的设计包括：电梯的初始化设置、电梯的升降、电梯的开关门、电梯的楼层选择与应答、电梯的楼层指示等。电梯的初始化设置分为两种情况：一种是电梯在本层有内外请求时，本层有反应，动作完成后返回初始态；另一种时电梯在本层有内外请求，本层无反应，返回初始态。电梯的升降系统应满足：当外部有内部请求，有楼层上升或者下降请求时，电梯升或者降。电梯在上升过程中，如果有下降请求，电梯无应答继续上升，在上升过程中如果中间楼层有请求，电梯到达有请求的中间楼层延时3s开门，如果没有到时间，可以手动开门，此时开门蜂鸣器发出声音并开门，电梯关门后继续上升。电梯下降过程与电梯上升过程相似。电梯的楼层选择与应答选择遵循：当电梯有楼层上升或者下降请求时，电梯应答，并执行上升或者下降，当电梯在上升过程中，如果有比当前楼层低的楼层请求时，电梯无反应；当电梯有比当前楼层高的中间楼层请求时，电梯相应请求，在请求的楼层停泊，关门后继续执行上升到指示的比当前层高的楼层。电梯在上升或者下降的过程中，每层应有楼层到达指示灯，当电梯到达某一楼层时，电梯楼层指示灯亮，电梯离开时该楼层指示灯暗。2.3控制系统的硬件设计2.3.1i/o的分配（1）输入单元为：厅外呼叫单元，用来对各层站的厅外召唤信号进行登记、记忆和消除；轿箱内选层单元，负责对预选楼层指令的登记、消除和指示；开关门按钮，输入 plc 控制轿门的开闭（厅门也同时动作）；上下平层装置，用来保证电梯轿箱在各层停靠时准确平层；上下限强迫换速开关，用于保护电梯的高速运行安全，避免电梯出现冲顶或蹲底事故，当电梯到达上下端站时，装在轿厢边的上下限强迫换速开关打板，信号输入 plc，plc 发出换速信号强迫电梯减速运行到平层位置；门锁装置（或轿门和厅门联锁保护装置），轿门闭合和各厅门闭合上锁是电梯正常起动运行的前提；安全回路，通常包括轿内急停开关、轿顶内急停开关、安全钳开关、限速器断绳开关、限速器超速开关、底坑急停开关、相序保护继电器、上下限极限开关等；检修、消防和泊梯，检修、消防和泊梯为电梯的三种运行方式，检修运行为电梯检修时的慢速运行方式，消防运行有消防返回基站和消防员专用两种运行状态，泊梯状态，消除内选和外呼信号，自动返回泊梯层、关门并断电；称重单元，用来检测轿厢负荷，判断电梯处于欠载、满载或超载状态，然后输出数字信号给 plc，根据负载情况进行起动力矩补偿，使电梯运行平稳。i/o口的分配如图2-2所示图2-2 输入i/o（2）输出单元为：楼层及方向指示单元，包括电梯上下行方向指示灯、层楼指示灯以及报站钟等，目前的方向及层楼指示灯主要有七段码显示方式和点阵显示方式，本系统为七段码显示方式；开关门单元，用于控制电梯的厅门和轿门的打开和关闭，在自动定向完成或电梯平稳停靠后，plc给出相关指令，完成开关门动作。i/o口的分配如图2-3所示图2-3 输出i/o2.3.2 plc i/o硬件连接图根据上面i/o地址分配的分析和第四章关于中plc选型的要求，本设计采用三菱公司的plc，型号为fx2n-64，输入输出节点各为21个和27个。该plc既能满足输入输出节点的需求，而且还留有一定的冗余量，为以后电梯系统的扩展提供方便，具体的硬件连接图如图2-4所示。lny15y16y17y20y21y00y02y03y01y4y5y6y7y10y11y12y13y14y20y21y24y25y26y30y31y32y33ac220vfx2n 64mr+24vcomcomx00x01x02x03x04x05x06x07x10x11x12x13x14x15x16x17x20x21x22x23x25x261层到达2层到达3层到达2层到达5层到达1楼请求上2楼请求上3楼请求上4楼请求上2楼请求下3楼请求下4楼请求下5楼请求下1楼内部请求2楼内部请求3楼内部请求4楼内部请求5楼楼层触点开门请求关门请求开门限位 关门限位 ln1楼内呼显示2楼内呼显示3楼内呼显示4楼内呼显示5楼内呼显示电梯开门电梯升电梯降电梯关门 蜂鸣器 1楼请求上2楼请求上3楼请求上4楼请求上2楼请求下3楼请求下4楼请求下灯 5楼请求下灯 上行指示灯 下行指示灯 led的a段 led的b段 led的c段 led的d段 led的e段 led的f段 led的g段 km1km2图2-4 硬件连接3电梯的plc程序设计3.1 plc程序功能介绍由于设计条件的限制，不可能完全实现实际电梯的所有功能，只选取其主要功能给与实现。（1）选层控制：将轿厢内置领域轿厢外指令等各种信号集中进行综合分析处理，它能对轿厢指令轿厢外指令登记，停靠站自动开关门，通向逐一应答，自动平层开门，顺向截梯，自动换向反向应答。(2) 上行选层:只有在上行时具有选择相邻层的作用，因此轿厢外设有的上行按键可以得到相应，而下行键不会得到相应。（3）下行选层：只有在下行时具有选择相邻层的作用，因此轿厢外设有的下按键可以得到相应，而上行键不会得到相应。(4) 开门按键：用于延长开门时间，使乘客顺利进出轿厢。(5) 清除标记：在电梯到达相应的楼层后，电梯控制部分会将楼层的各种相应状态等熄灭，以备下次电梯到达时使用。3.2功能实现流程plc运行方式与一般的计算机不同, 它的工作过程分为三个阶段进行, 即输人采样、用户程序执行和输出刷新,完成上述三个阶段称为一个扫描周期。在整个运行期间,plc的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。这样用plc语言编程有自己的特点。只要扫描周期的影响可以忽略, 则不需要循环语句, 就能重复执行相应的操作。在本电梯控制系统的软件开发中, 采用了数据比较而不是简单的逻辑控制来编制程序, 这样不但程序易于理解, 而且当设计的电梯楼层加大时, 程序的婉模并不会增加很多, 而使用逻辑控制方法时, 楼层较少时还能够应付,但是楼层较多时, 不但逻辑复杂, 而且程序容量显著增加。 为了使程序可读性好、修改方便, 编程时采用了模块化的方法, 整个程序由多个功能相对独立的模块组成自动返回原点及初始化模块、开关门模块、确定上下行模块、楼层检测模块。根据电梯的工作原理与功能要求以及输入/输出点的地址分配表，来绘制电梯的程序流程图。和设计电梯的程序梯形图。梯形图分成：初始化、指层控制、开关门控制、轿内呼叫与标记控制、厅外呼叫与标记控制、电梯上下行选择与指示控制、电梯的运行控制来编写与调试。最后在组合调试。电梯程序流程图如图3-5所示图3-1 流程图4电梯各程序说明程序设计是plc设计中的重点，但由于设备和条件的限制，这里只对电梯主要的运行程序做出设计和说明，其中的安全检测、故障处理、电梯感应接触器点等开关的接触到达我们这里代用时间延时的方法解决，以表达电梯的上升、下降；运行的接触器感应在起作用，时间的设定只作定性分析，而不是定量的分析，因此整个电梯的程序设计是在原理不错的基础上进行的。如果在程序中加入相关的处理程序，就可以达到实际电梯的操作，如果有硬件的支持，将会有实际电梯的作用。4.1电梯的初始化电梯上电时进行初始化，梯形图如图4-1所示图4-1 初始化设置4.2开关门控制本设计考虑以下4种开门的条件，只要满足其中之一，那么电梯门就将自动或手动开启。（1）电梯自动运行停层时的开门。电梯在运行到指定楼层时，电梯到预定的开门、关门时间应开始开门。（2）电梯关门过程中有请求重新开门。（3）手动重新开门。有时电梯外乘客未进入电梯，而电梯却在关门过程中，这时箱内的人可以手动控制开门，让电梯外的乘客进入。（4）呼梯开门。电梯到达某层站后，如果没有人继续使用电梯，电梯将停靠在该层站待命，若有人在该层站呼梯，电梯将首先开门，以满足用梯的要求。若其他层站有人呼梯，电梯将首先定向，并起动运行，到达呼梯楼层时再开门，此时的开门按停层开门处理。现在以一层和二层开关门为例，梯形图如图4-2和图4-3所示：图4-2 一层电梯开关门图4-3 二层电梯开关门4.3 指示灯的控制（1）电梯的外部呼叫按钮按下时，按钮指示灯亮，达到该层时，根据运行方向来控制呼叫按钮灯灭，以第四层和第五层有呼叫按钮按下为例。当第五层的呼叫按钮按下时，呼叫按钮灯亮，不管电梯的运行方向如何，电梯只要到达第五层，呼叫按钮灯就灭。梯形图如图4-4所示。 图4-4 第五层呼叫按钮灯的控制当第四层的呼叫按钮按下时，分为两种情况，（a）上行呼叫按钮按下时，当电梯上行时，到达该层，则上呼按钮灯灭。当电梯下行时，到达该层，上呼按钮灯保持亮。（b）下行呼叫按钮按下时，当电梯下行时，到达该层，则下呼按钮灯灭。当电梯上行时，到达该层下呼按钮灯保持亮。梯形图如图4-5所示。图4-5 第四层呼叫按钮灯的控制（2）梯内按钮灯的控制，这种控制相对较简单，梯内按钮按下，按钮灯点亮，到达指定层时，指示灯灭。以第二、三层按钮按下为例，如图4-6所示。图4-6 梯内指示灯的控制4.4楼层信号的显示当电梯在运行过程中，需要实时地显示出电梯箱体所在的位置或楼层，那样无论是电梯内的乘客还是楼厅外等待电梯的乘客都能及时了解到电梯的运行状态，所以本设计中加入了楼层信号的显示模块。当电梯位于某一楼层时，该楼层的触点产生该楼层的信号，以控制指层灯的状态，而离开该楼层并到达另一楼层时，该楼层的信号应被新的楼层信号所取代，相应的指示灯状态也发生变化。本设计用的共阴极的七段数码管来显示楼层所出位置。七段数码管的控制如图4-7所示。图4-7 七段数码管的控制4.5电梯的选向在自动运行状态下，电梯首先应确定运行方向。电梯的定向只有两种情况，即上行和下行。电梯处于待命状态，接到内选或外呼信号时，首先应将电梯所处的位置与内选和外呼信号进行比较，确定是上行还是下行,原则如下：召唤或指令要到的层楼 轿厢目前所在层楼；电梯上行。召唤或指令要到的层楼 轿厢目前所在层楼；电梯下行。召唤或指令要到的层楼 轿厢目前所在层楼；无法定向。一旦电梯定向后，内选或外呼信号对电梯运行方向的要求没有满足的情况下，定向信号不能消除。d0是当前电梯所在位置的值，d1d5是电梯的呼叫值，把d0和d1d5做比较确定电梯的运行方向。部分梯形图如图4-8所示。图4-8 电梯选向4.6电梯上行在本设计中定向上行采用高层决定电梯运行方向的原则，即当召唤或指令要到的层楼 轿厢目前所在层楼，电梯就上行。只要有高于轿厢目前所在层楼信号请求，电梯就已定向为上行。梯形图如图4-9所示。图4-9 电梯上行4.7电梯下行在本设计中定向下行采用低层决定电梯运行方向的原则，即当召唤或指令要到的层楼 轿厢目前所在层楼，电梯就上行。只要有低于轿厢目前所在层楼信号请求，电梯就已定向为下行。梯形图如图4-10所示：图4-10 电梯上行结束语本设计是在以三菱fx2n-64设备和技术条件为基础为进行主控制设计的，通过这个电梯模型系统的设计充分了解电梯运行方法，而且这里的编程方法也不同于其他的设计方法。整个的程序相对的模块化，整体结构变得更加简单，也使得以后的电梯程序的扩展更加容易，只需添加相关的楼层程序即可，并不需要更改已有的电梯上下和开门程序，使得电梯程序的功能模块化，简明化。此次设计的基于三菱fx2n-64的plc五层电梯具有如下的功能：（1）接到请求信号，电梯关门，停到相应的楼层，开门（开门时蜂鸣器响）。（2）每个外部请求设有指示灯；每个楼层也设有楼层指示灯。（3）电梯内部设有开门按钮和关门按钮。（4）用七段数码管显示电梯所在层。（5）电梯具有外部请求和内部请求信号；最低层只具有外部外部请求按钮，最顶层只具有向下请求按钮，中间层具有上、下请求按钮；内部有5个请求按钮，且当按下本层的按钮时不动作。在本次综合实训中对三菱plcfx2n-64也有了更进一步的了解。通过这次比较完整的电梯控制系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富。这是我们都希望看到的也正是我们进行综合实训的目的所在。致 谢通过本次课程设计，了解了电梯的组成与其工作原理，深刻理解了plc的结构、特点及其工作原理，掌握plc在控制系统中的应用。 通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课