四层电梯控制系统设计毕业论文.docVIP

郑 重 声 明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中 已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于 培养单位。 本人签名： 日期： 1 摘 要 电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。电梯已成为重要的运输设备之 一。国内传统的电梯控制是由继电器、接触器构成的。它不仅存在着可靠性差、 成本高、故障率高等缺点,而且在层数增加时,配线变化给制造及安装带来诸多 不便。用 plc 实现对电梯电气系统的控制，大大的提高了系统控制的优越性， 降低了成本，减小电气控制系统的的故障率。 该课题的设计任务利用可编程控制器（plc）进行电梯的电气系统的控制， 该课题的设计思路是采用逻辑控制原理，根据控制的要求和电梯自身的运输规 律，响应随机的外部呼叫信号。经过设计分析，选用三菱 fx2n型 plc 实现货 运电梯电气控制系统的整个程序设计的过程,并主要阐述了三个方面：系统的控 制要求、系统配置、软件设计。本系统的核心控制部分采用的是软件程序控制， 从而在保证电梯正常运行这个要求的情况下，大大的提高了电梯故障检查与维 修的方便性和容易性，同时还克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素，取 得了良好的预期效果。 关键词：电梯；plc；控制系统；设计 2 abstract elevator is widely applied in the national economy and life. the elevator has become one of the important transport equipment. traditional domestic elevator control is composed of a relay, contactor. it is not only the existence of poor reliability, high cost, high failure rate and shortcomings, but also in layers increases, changes to the wiring and installation of manufacturing has brought a lot of inconvenience. to achieve control of the elevator electrical system with plc. greatly improve the superiority of system control, reduce cost, reduce the fault rate of electric control system. the subject of design tasks using the programmable controller (plc) for electrical control freight elevator, the subject of design thinking is the logic control principle, according to the transport rule control requirements and its own elevator, in response to random external call signal. through the design analysis, selection of mitsubishi fx2n type plc electric control system offreight elevators throughout the design process, and mainly discusses three aspects: the requirements of the control system, configuration, system software design. the core control part of the use of the software program control, in order to ensure the normal operation of the elevator, the requirements of the situation, greatly improve the elevator fault inspection and repair convenience and easy, but also overcomes some brought by manual operation of human disturbance factors, the expected results had a good effect . key words：elevator ;plc ;control system ; design 3 目 录 第 1 章 绪论1 1.1 电梯的发展背景 .1 1.2 电梯的基本结构 .2 1.3 电梯的工作原理 .3 第 2 章 可编程控制器的简介.5 2.1 plc 的产生与发展 .5 2.2 plc 的特点 .6 2.3 plc 的基本结构 .8 第 3 章 可编程控制器的机型选用12 3.1 基于 plc 的电梯电气控制系统的分析 .12 3.2 输入输出分配 13 3.3 机型的确定 13 第 4 章 硬件和软件设计.14 4.1 电梯的曳引电机及门电机电路图 14 4.2 plc 接线图.15 4.3 程序流程图 16 4.4 程序语句 17 第 5 章 程序运行28 5.1 电梯安装调试 28 5.2 程序的调试与运行监控 28 5.3 plc 运用注意事项 29 5.4 plc 控制系统的外部干扰 30 参考文献.32 致谢34 1 第 1 章 绪论 1.1 电梯的发展背景 电梯进入人们的生活已经 150 年了。一个半世纪的风风雨雨，翻天覆地的 是历史的变迁，永恒不变的是电梯提升人类生活质量的承诺。 1854 年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙格雷夫 斯奥的斯第一次向世人展示了他的发明。他站在装满货物的升降梯平台上， 命令助手将平台拉升到观众都能看得到的高度，然后发出信号，令助手用利斧 砍断了升降梯的提拉缆绳。令人惊讶的是，升降梯并没有坠毁，而是牢牢地固 定在半空中奥的斯先生发明的升降梯安全装置发挥了作用。“一切安全， 先生们。”站在升降梯平台上的奥的斯先生向周围观看的人们挥手致意。谁也 不会想到，这就是人类历史上第一部安全升降梯1。 人类利用升降工具运输货物、人员的历史非常悠久。早在公元前 2600 年， 埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统，这套系统的基本原理至今 仍无变化,即一个平衡物下降的同时，负载平台上升。早期的升降工具基本以 人力为动力。1203 年，在法国海岸边的一个修道院里安装了一台以驴子为动力 的起重机，这才结束了用人力运送重物的历史。英国科学家瓦特发明蒸汽机后， 起重机装置开始采用蒸汽为动力。紧随其后，威廉汤姆逊研制出用液压驱动 的升降梯，液压的介质是水。在这些升降梯的基础上，一代又一代富有创新精 神的工程师们在不断改进升降梯的技术。然而，一个关键的安全问题始终没有 得到解决，那就是一旦升降梯拉升缆绳发生断裂时，负载平台就一定会发生坠 毁事故2。 奥的斯先生的发明彻底改写了人类使用升降工具的历史。从那以后，搭乘 升降梯不再是“勇敢者的游戏”了，升降梯在世界范围内得到广泛应用。1889 年 12 月，美国奥的斯电梯公司制造出了名副其实的电梯，它采用直流电动机 为动力，通过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索，悬挂并升降轿厢。1892 年， 美国奥的斯公司开始采用按钮操纵装置，取代传统的轿厢内拉动绳索的操纵方 式，为操纵方式现代化开了先河。 生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。150 多年来，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 2 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。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、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保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3。 中国最早的一部电梯出现在上海，是美国奥的斯公司于 1901 年安装的。 1932 年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着。 1951 年，党中央提出要在天安门安装一台由我国自行制造的电梯，天津从庆生 电机厂荣接此任，四个月后不辱使命，顺利地完成了任务。十一届三中全会后， 沐浴着改革开放的春风，我国电梯业进入了高速发展的时期。如今，在我国任 何一个城市，电梯都在被广泛应用着。电梯给人们的生活带来了便利，也为我 国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。 1.2 电梯的基本结构 电梯是机电合一的大型复杂产品,机械部分相当于人的躯体,电器部分相当 于人的神经。机与电的高度合一,使电梯成了现代科学技术的综和产品。对于 电梯的结构而言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,但以功能系统来描述,则 更能反映电梯的特点。下面简单介绍电梯机械部分的结构,而我们的主要目的 是怎样来控制它4。 (1) 曳引系统 曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。曳引系统主要由曳 引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。 (2) 导向系统 导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能 沿着导轨作升降运动。导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。 (3) 轿厢 3 轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。轿厢由轿厢架和 轿厢体组成。 (4) 门系统 门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。门系统由轿厢门，层门， 开门机，门锁装置组成。 (5) 重量平衡系统 系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的 重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。系统主要由对重和重量补 偿装置组成。 (6) 电力拖动系统 电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。电力拖动系统由曳 引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。 (7) 电气控制系统 电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。电气控制系统 主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜)，平层装置，选层器等组成。 (8) 安全保护系统 保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。由电梯限速器、 安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、限位开关装置组成5。 1.3 电梯的工作原理 电梯的工作原理是由曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导 向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩 擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。固定在轿厢上 的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢 在运行中偏斜或摆动。常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在 失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员 和货物出入。轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、 减少电动机功率。补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引 电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。电气系统实现对电梯运动的控制，同时 4 完成选层、平层、测速。指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位 置。安全装置保证电梯运行安全6。 (1) 电梯在各服务层站设有层门、轿厢运行方向指示灯、数学显示轿厢、 运行位置指层器和召唤电梯按钮。电梯召唤按钮使用时，上楼按上方向按钮， 下楼掀按下方向按钮。 (2) 轿厢到达时，层楼方向指示即显示轿厢的运动方向，乘客判断欲往方 向和确定电梯正常后进入轿厢，注意门扇的关闭，勿在层门口与轿厢门口对接 处逗留。 (3) 轿厢内有位置显示器、操纵盘及开关门按钮和层楼选层按钮。进入轿 厢后，先按欲往层楼的选层按钮。若要轿厢门立即关闭，可先按关门按钮。轿 厢层楼位置指示灯显示抵达层楼并待轿厢门开启后即可离开。 5 第 2 章 可编程控制器的简介 2.1 plc 的产生与发展 在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位， 应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等 缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。 1968 年美国通用汽车公司（g.m）为了适应汽车型号的不断更新，生产工 艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器， 它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短 周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统 简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人 也能很快掌握使用。 1969 年美国数字设备公司（dec）根据美国通用汽车公司的这种要求，研 制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用， 取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来7。 早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用 来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（programmable logic controller ） 。随着微电子技术和计算机技术的发展，20 世纪 70 年代中期微处 理器技术应用到 plc 中，使 plc 不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、 数据传送和数据处理等功能。 20 世纪 80 年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅 速发展，16 位和 32 位微处理器应用于 plc 中，使 plc 得到迅速发展。plc 不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故 障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使 plc 真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功 能的名符其实的多功能控制器8。 自从第一台 plc 出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制 plc， 并得到了迅速的发展。目前，世界上有 200 多家 plc 厂商，400 多品种的 plc 产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派 plc 产品 6 都各具特色，如日本主要发展中小型 plc，其小型 plc 性能先进，结构紧凑， 价格便宜，在世界市场上占用重要地位。著名的 plc 生产厂家主要有美国的 a-b（allen-bradly）公司、ge（general electric）公司，日本的三菱电机 （mitsubishi electric）公司、欧姆龙（omron）公司，德国的 aeg 公司、西 门子（siemens）公司，法国的 te（telemecanique）公司等9。 我国的 plc 研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。 在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不 少国外的 plc。此后，在传统设备改造和新设备设计中，plc 的应用逐年增多， 并取得显著的经济效益，plc 在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自 动化水平起到了巨大的作用。目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产 plc，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门 a-b 公司等。 从近年的统计数据看，在世界范围内 plc 产品的产量、销量、用量高居工 业控制装置榜首，而且市场需求量一直以每年 15%的比率上升。plc 已成为工 业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置10。 2.2 plc 的特点 plc 技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它 具有许多独特的优点。它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵 活、方便、经济等问题。主要有以下特点： (1) 可靠性高、抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触 点接触不良，容易出现故障。plc 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器， 仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的 1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc 由于采用现代大规模集成电路 技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很 高的可靠性。例如三菱公司生产的 f 系列 plc 平均无故障时间高达 30 万小时。 一些使用冗余 cpu 的 plc 的平均无故障工作时间则更长。从 plc 的机外电路 来说，使用 plc 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接 7 线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，plc 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中， 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 plc 以外的电路 及设备也获得故障自诊断保护。可靠性高、抗干扰能力强是 plc 最重要的特 点之一。plc 的平均无故障时间可达几十万个小时 ，之所以有这么高的可靠 性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施： 硬件方面：i/o 通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对 plc 的影 响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对 cpu 等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰； 对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。 软件方面：plc 采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障； 在 plc 系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实 现检测和判断；当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存， 禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的 状态，继续原来的工作11。 (2) 编程简单、使用方便 目前，大多数 plc 采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、 面向用户的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌 握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可 以现场改变程序，使用方便、灵活。同时，plc 编程器的操作和使用也很简单。 这也是 plc 获得普及和推广的主要原因之一。 (3) 硬件配套齐全，功能完善，适用性强 plc 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已 经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用 户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。plc 的安装 接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。plc 有较强的带负载能力，可 直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除 了逻辑处理功能以外，现代 plc 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种 数字控制领域。近年来 plc 的功能单元大量涌现，使 plc 渗透到了位置控制、 温度控制、cnc 等各种工业控制中。加上 plc 通信能力的增强及人机界面技 8 术的发展，使用 plc 组成各种控制系统变得非常容易。 (4) 易学易用，深受工程技术人员欢迎 plc 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易， 编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电 器电路图相当接近，只用 plc 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现 继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用 计算机从事工业控制打开了方便之门。 (5) 系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造 plc 的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很 容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图 的时间要少得多12。 plc 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制 系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同 一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产 场合。plc 的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调 试周期。在维修方面，由于 plc 的故障率极低，维修工作量很小；而且 plc 具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据 plc 上指示或编程器上提供 的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。 (6) 体积小，重量轻，能耗低 以超小型 plc 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，仅相当于几 个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的 1/21/10。它的重量小 于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的 理想控制设备13。 2.3 plc 的基本结构 从结构上分，plc 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 plc 包 括 cpu 板、i/o 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆 卸的整体。模块式 plc 包括 cpu 模块、i/o 模块、内存、电源模块、底板或 机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 (1) cpu 的构成 9 cpu 是 plc 的核心，起神经中枢的作用，每套 plc 至少有一个 cpu，它 按 plc 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采 集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电 源和 plc 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从 用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控 制信号，去指挥有关的控制电路。 cpu 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及 状态总线构成，cpu 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用 于存储程序及数据，是 plc 不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析 cpu 的内部电路，但对各部分的工作机 制还是应有足够的理解。cpu 的控制器控制 cpu 工作，由它读取指令、解释 指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运 算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是 在控制器指挥下工作。cpu 速度和内存容量是 plc 的重要参数，它们决定着 plc 的工作速度，i/o 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 (2) 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。 (3) i/o 模块 plc 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（i/o）完成的。i/o 模块集 成了 plc 的 i/o 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存 器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 plc 系统，输出模块相反。 i/o 分为开关量输入（di），开关量输出（do），模拟量输入（ai），模拟 量输出（ao）等模块。 (4) 电源模块 plc 电源用于为 plc 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为 输入电路提供 24v 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220vac 或 110vac），直流电源（常用的为 24vdc）。 (5) 底板或机架 10 大多数模块式 plc 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间 的联系，使 cpu 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接， 使各模块构成一个整体。 (6) plc 系统的其它设备 编程设备：编程器是 plc 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器 件，用于编程、对系统作一些设定、监控 plc 及 plc 所控制的系统的工作状 况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 plc 一般有手持型编程器，目 前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏） 式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机 界面非常普及14。 2.4 plc 的工作原理 plc 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。 (1) 输入处理阶段 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 映象区中的相应得单元内。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。 (2) 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。 11 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。 (3) 输出处理阶段 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15。 12 第 3 章 可编程控制器的机型选用 3.1 基于 plc 的电梯电气控制系统的分析 在 plc 运行过程中，其 cpu 与各设备之间的信息交换、用户程序的执行、 信号采集、控制量的输出等操作都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进行的， 每个循环都要对所有功能进行查询、判断和操作。这种顺序和格式不能人为改 变。通常一个扫描周期，基本要完成六个步骤的工作，包括运行监视、与编程 器交换信息、与数字处理器交换信息、与通讯处理器交换信息、执行用户程序 和输入输出接口服务等。在一个周期内，cpu 对整个用户程序只执行一遍。这 种机制有其方便的一面，但实时性差。过长的扫描时间，直接影响系统对信号 响应的效果，在保证控制功能的前提下，最大限度地缩短 cpu 的周期扫描时 间是一个很复杂的问题。一般只能从用户程序执行时间最短采取方法。电梯逻 辑控制部分的程序扫描时间已超过 10ms，尽管采取了一些减少程序扫描时间 的办法，但仍无法将扫描时间降到 10ms 以下。同时，制动段曲线采用按距离 原则，每段距离到的响应时间也不宜超过 10ms。为满足系统的实时性要求， 在速度曲线的产生方式中，采用中断方法，从而有效地克服了 plc 扫描机制 的限制16。 起动加速运行由定周期中断服务程序完成。这种中断不能由程序进行开关， 一旦设定，就一直按设定时间间隔循环中断，所以，起动运行条件需放在中断 服务程序中，在不满足运行条件时，中断即返回。 为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。 在减速点确定之前，电梯一直处于加速或稳速运行过程中。加速过程由固定周 期中断完成，加速到对应模式的最大值之后，加速程序运行条件不再满足，每 次中断后，不再执行加速程序，直接从中断返回。电梯以对应模式的最大值运 行，在该模式减速点到后，产生高速计数中断，执行减速服务程序。在该中断 服务程序中修改计数器设定值的条件，保证下次中断执行17。 在 plc 的内部寄存器中，减速曲线表的数值由大到小排列，每次中断都 执行一次“表指针加 1 操作，则下一次中断的查表值将小于本次中断的查表值。 门区和平层区的判断均由外部信号给出，以保证减速过程的可靠性。 13 由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼 层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用随机逻辑控制。即在以顺序逻 辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的 相应状态适时的控制电梯的运行。另外，轿厢的位置是由脉冲编码器的脉冲数 确定，并送 plc 的计数器来进行控制。同时，每层楼设置一个接近开关用于 检测系统的楼层信号。 为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在的楼层进行显示，采用 led 和发光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示(开关上带有指示灯)。 3.2 输入输出分配 输入信号有：内呼信号 4 个，外呼信号 6 个，开关门信号 2 个，轿厢平层 信号 4 个，开关门限位 2 个，上下极限位 2 个，紧急呼叫信号 1 个，共计 21 个。 输出信号有：内呼信号指示 4 个，外呼信号指示 6 个，轿厢上下行 2 个， 轿厢上下行指示 2 个，门电机开关 2 个，轿厢所在楼层指示 6 个，报警显示 1 个，共计 24 个。 3.3 机型的确定 三菱 fx2n-48mr-001 技术指标 合计总数 48 点24 点输入，dc24v，24 点继电器输出；尺寸（mm）： 1828790。 fx2n-48mr-001 系列 plc 的功能。 (1) 集成型,高性能 cpu,电源,输入,输出四为一体。对 6 种基本单元，可以以最小 8 点为单位 连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出 256 点。 (2) 高速运算 内置 8000 步 ram 存储器。安装存储盒后，最大可以扩展到 16000 步。 (3) 丰富的软元件范围 辅助继电器：3072 点；定时器：256 点；计数器：235 点，数据寄存器： 8000 点18。 14 根据 plc 机型选择的基本原则，本设计选择了三菱公司 fx2n-48-mr-001 系列 plc。 第 4 章 硬件和软件设计 4.1 电梯的曳引电机及门电机电路图 图 4.1 是交流双速电梯的主电路图。km1、km2 为电梯上下行电动机正 反转接触器，用以实现电梯上、下行控制；km3、km4 为开关门电动机正反 转接触器，用以实现电梯开关门；qs 为电动机接线总开关，断开 qs 开关， 电梯停止运行；fu 为电梯安全保险盒，当电梯超重运行时，fu1 就会断开， 确保电梯安全运行。当 km1 或者 km2 通电吸合时，电梯将进行上行或下行启 动，当 km3 或 km4 通电吸合时，门电机的正反转实现开门和关门动作；在软 件的设置当中，必须严格考虑电梯上下行电机和开关门电机的互锁，也就是当 电梯上下行动作时必须断开开门电机的动作，当电梯平层时，门电机开启的过 程中电梯上下行电机必须被断开，保证乘客安全进出轿厢。 15 图 4.1 电梯的主电路图 4.2 plc 接线图 表 4.1 为 plc 输入输出分配表，图 4.2 为 plc 接线图。x000x024 为输 入信号，y000y027 为输出信号，其中 y020y027 分别按顺序接数码管的 ag 显示轿厢所在楼层。输入端的公共端 comi 接地，输出端的公共端 com接+24v 电源。 表 4.1 输入输出分配表 输入输出 01 层内呼 x00001 层内呼指示 y000 12 层内呼 x00112 层内呼指示 y001 23 层内呼 x00223 层内呼指示 y002 34 层内呼 x00334 层内呼指示 y003 41 层外呼上 x00441 层外呼上指示 y004 52 层外呼下 x00552 层外呼下指示 y005 62 层外呼上 x00662 层外呼上指示 y006 73 层外呼下 x00773 层外呼下指示 y007 83 层外呼上 x01083 层外呼上指示 y010 94 层外呼下 x01194 层外呼下指示 y011 10开门开关 x01210电梯上行 y012/km1 11关门开关 x01311电梯下行 y013/km2 121 层平层 x01412门电机开 y014/km3 132 层平层 x01513门电机关 y015/km4 143 层平层 x01614电梯上行指示 y016 154 层平层 x01715电梯下行指示 y017 16开门限位 x02016楼层指示 y020y026 17关门限位 x02117警报指示 y027 16 18上极限位 x02218 19下极限位 x02319 20紧急呼叫 x02420 sb1 sb2 sb3 sb4 sb5 sb6 sb7 sb8 sb9 sb10 sb11 sb12 sb13 sb14 sb15 sb16 sb17 sb18 sb19 sb20 sb21 x000 x001 x002 x003 x004 x005 x006 x007 x010 x011 x012 x013 x014 x015 x016 x017 x020 x021 x022 x023 x024 x025 x026 x027 comi y000 y001 y002 y003 y004 y005 y006 y007 y010 y011 y012 y013 y014 y015 y016 y017 y020 y021 y022 y023 y024 y025 y026 y027 comii 2上上上上上 1上上上上上 3上上上上上 4上上上上上 1上上上上上 2上上上上上 2上上上上上 3上上上上上 3上上上上上 4上上上上上 上上上上 上上上上 上上上上 上上上上 上上上上上上 上上上上上上 上上上上 2上上上 1上上上 3上上上 4上上上 1上上上 2上上上 2上上上 3上上上 3上上上 4上上上 1上上上 2上上上 3上上上 4上上上 上上上上 上上上上 上上上上 上上上上 上上上上 上上上上 fx2n-48-mr a b c d e f g a b c d e f g a b c d e f g dpy 上上上上 +24v 图 4.2 plc 输入输出接线图 4.3 程序流程图 图 4.3 为电气控制系统的程序流程图。 假设电梯停于一楼，则 d0 中的值为 1。此时如果按下三楼向上按钮，则 d9 中赋值为 3。然后就将 d9 中的值与 d0 中的值相比较，显然 d9 大于 d0， 电梯上行。如果在上行过程中如果按下二楼向上按钮，则先停于二楼，再上行 至三楼。如果在上行过程中按下二楼向下按钮，由于是反向信号，所以电梯先 17 去三楼，所有的上行信号均响应以后再响应下行信号。如果按下四楼向下按钮， 则电梯完成其他外呼向上信号以后就上行至四楼。电梯到达四楼后，如果同时 按下一楼向上按钮、二楼向上按钮、三楼向上按钮，则轿厢首先下行至一楼响 应最远反向呼信号。然后再上行至二楼、三楼。 18 轿厢停于最后响应的信 号所在的楼层 外部信号输入轿厢停于某一层 存储在 d1d10中存储在 d0 中 在 d1d10 中，将第一个得到值的数据存储器中的值与 d0 中的值进行比较，从而判断上行还是下行。 d1d10 大于 d0？ 上行下行 首先响应同向向上外呼 信号或内呼信号，响应 完毕后或在轿厢前方再 无同向向上信号，若有 反向外呼信号，则轿厢 上行至最远反向外呼信 号所在楼层。 首先响应同向向下外呼 信号或内呼信号，响应 完毕后或在轿厢前方再 无同向向下信号，若有 反向外呼信号，则轿厢 下行至最远反向外呼信 号所在楼层。 所有输入信 已响应完毕？ y n y n 图 4.3 程序流程图 4.4 程序语句 19 1.内呼信号输入及存储程序 编程思路：以一楼内呼为例，按下 x000 按钮，则 y000 被接通并保持， 直到电梯到达一楼时利用 x014 常闭触点断开 y000。在按下 x000 的同时 d1 赋值为 1，从而实现存储功能。当 y000 失电时，d1 和 m0、m1、m2 被清零。 梯形图如图 4.4 所示。 20 图 4.4 内呼信号输入及存储程序梯形图 2.外呼信号输入及存储程序 编程思路：以二楼向上外呼信号为例，如果电梯不在二楼，此时按下 x006，d7 赋值为 2，m106 得电并保持。如果此时电梯为下行，则 m106、y017 常开闭合，y006 得电并且在电梯下降过程中一直保持。如果电 梯处于上行阶段，则 m106、y016 常开闭合，y006 得电并保持，直到电梯上 行到二楼时失电。y006 失电时，d7 和 m18、m19、m20 被清零。 梯形图如图 4.5 所示。 21 图 4.5 外呼信号输入及存储程序梯形图 3.轿厢停于某层时，所在楼层存于 d0 并用数码管显示程序 编程思路：轿厢停于某层时，该楼层平层开关被接通，为 d0 赋予对应的 值。 22 梯形图如图 4.6 所示。 图 4.6 轿厢停于某层时，所在楼层存于 d0 并用数码管显示程序梯形图 4.比较判断轿厢上下行程序 （1）比较程序：下某楼层按钮则将该按钮所对应的数据寄存器中的值与 轿厢所在楼层数据寄存器 d0 中的值进行比较，从而可以判断上下行。 （2）判断上下行程序：当 d1 到 d10 中任一数据寄存器中的值大于 d0 中 的值，则轿厢上行；当 d1 到 d10 中任一数据寄存器中的值小于 d0 中的值， 则轿厢下行。如果当 d1 到 d10 中任一数据寄存器中的值既有大于 d0 的，又 有小于 d0 的，则轿厢上下行以第一次按下按钮所对应的数据寄存器中的值与 d0 的比较结果而得。 梯形图如图 4.7 所示。 23 图 4.7 比较判断轿厢上下行程序梯形图 24 5.补充程序 编程思路：电梯停于某层时，按下当前层外呼信号启动开门程序。否则一 旦轿厢停止上下行，电梯外面的人就无法进入轿厢。 梯形图如图 4.8 所示。 图 4.8 电梯停于某层时，按下当前层外呼信号启动开门程序梯形图 6.开关门程序 编程思路：电梯未平层时，m30 得电，此时手动开关门按钮 x012 和 x013 按下均无效，m31 和 m32 不得电。电梯平层时，m33 得电，轿厢门打开， 延时 3s 后，自动关闭。 程序中 c0、c1 的重要作用： 在程序中 c0、c1 的作用是保证每次平层时只有一次开关门，防止轿厢一 直上升或下降而不执行平层开关门程序，同时也防止电梯一直处于开关门状态。 电梯平层以后，按下开门按钮或者开门限位开关被触发则 c0 得电；按下 关门按钮或者关门限位开关被触发并且 c0 得电时，c1 得电。 在电梯上升或降价过程中即电梯未平层时 c0 清零。当电梯平层并且 c0 25 被清零时，c1 清零。程序运行时，首先开关门一次，所以 c0、c1 得电。 梯形图如图 4.9 所示。 26 图 4.9 开关门程序梯形图 7.电梯轿厢上行程序 编程思路：在比较判断出轿厢上行以后，执行以下程序。首先是内呼信号， 27 如果电梯在一楼，按下 x001 则 m3 接通，此时 c1 是接通的，所以 m40 得电 并自锁直到轿厢在二楼平层时失电。如果电梯在一楼或二楼，按下 x002 则 m6 接通，m41 得电并自锁直到轿厢到达三楼时失电。如果电梯在一楼、二楼 或三楼，按下 x003 则 m9 接通，m42 得电并自锁直到轿厢到达四楼时失电。 外呼信号上行与内呼信号上行原理相同，只是加上外呼信号之后，需要给外呼 信号和内呼信号之间加上互锁。至于最远反向呼功能：如果电梯在一楼，按下 二楼向下 x005，则 m72 得电，电梯上行；如果再按下 x007，则 m72 失电， m71 得电，电梯到二楼不停下继续上行；如果再按下 x011，则 m71 失电， m70 得电，电梯直接运行至四楼。 需要注意的是：在最远反向呼程序里需要加入内呼信号和外呼信号的互锁。 梯形图如图 4.10 所示。 28 图 4.10 轿厢上行程序梯形图 8.轿厢下行程序 编程思路和轿厢上行程序一样，梯形图如图 4.11 所示。 29 图 4.11 轿厢下行程序梯形图 30 第 5 章 程序运行 电梯 plc 程序应在未带载情况下模拟调试好，在接触器等输出状态正确 后，再将电机接上，调试完成后，则进行现场安装，并进行运行运行调试，确 定参数，完善程序，最后交付运行使用。 5.1 电梯安装调试 安装调试过程是一个比较复杂且耗时间的过程，首先要确定器件型号，选 择器件型号除了要考虑机械设备、电压、电流外，还要考虑经济实用及美观问 题 。所有的器件都备好后，接下来就是安装，主电路及 plc 都装在控制柜 内，这就要考虑互相干扰的问题，按钮、指示灯或数码显示也按照同样原则接 线，所有的元器件都按照一定的编号安装好后，确保无误后，就可以调试了， 由于调试过程中，输入输出点比较多，且完成一个动作所涉及的开关、按钮、 输出显示也比较多，所以这里不一一说明，只对程序的运行调试和监控加以说 明。 5.2 程序的调试与运行监控 程序的调试及运行监控是程序开发的重要环节，很少有程序一经编制就是 完善的，只有经过试运行甚至现场运行才能发现程序中不合理的地方并且进行 修改。gx-developerv7.0 具有监控功能，可用于程序的调试及监控。如图 5.1，图 5.2。 31 图 5.1 程序的调试及监控 图 5.2 程序的调试及监控 5.3 plc 运用注意事项 plc 是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施， 就可以直接在工业环境中使用。然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰 能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就 可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设 备的失控和误动作，从而不能保证 plc 的正常运行，提高 plc 控制系统可靠 性。根据设计