层电梯PLC控制系统软件设计 中南大学机电专业科技创新设计任务书.doc

中南大学机电专业科技创新设计任务书设计题目： 三层电梯PLC控制系统软件设计 题目类型: 机电一体化工程设计 时间： 2011.1.2至 2011.1.15 专业班级： 机械0701班 指导教师： 王 刚 课程设计内容要求：（1）基本功能要求电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵，其操纵内容为电梯运行方向。电梯轿箱内设有楼层内选按钮S1S3，用以选择需停靠的楼层。L1为一层指示、L2为二层指示、L3为三层指示，SQ1SQ3为到位行程开关。电梯上升途中只响应上升呼叫，下降途中只响应下降呼叫，任何反方向的呼叫均无效。例如，电梯停在一层，在二层轿箱外呼叫时，必须按二层上升呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从一层运行到二层），按二层下降呼叫按钮无效；反之，若电梯停在三层，在二层轿箱外呼叫时，必须按二层下降呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从三层运行到二层），按二层上升呼叫按钮无效。实验面板如图所示。目 录第一章 系统的创新点.3 1.1功能创新.3 1.2选型创新.3 1.3软件编程技巧及程序调试技巧.3第二章 PLC控制回路的设计方法概述.4 2.1PLC控制回路的设计原则.4 2.2设计的主要内容和任务.5第三章 三层电梯PLC控制系统硬件设计.6 3.1 PLC的I/O点数和类型.6 3.2建立输入/输出地址分配表.10 3.3控制面板布置图及接线图.10第四章 三层电梯PLC控制系统软件设计.13 4.1主程序的编制.134.2程序流程图.134.3程序的梯形图及注释.17第五章 心得体会.27第一章 系统创新点1.1 功能创新在本系统的设计中，把关闭电梯的软原件放在主程序当中，当系统关闭的时候，控制系统会自动地执行完子程序，让轿厢停在特定的楼层，并把门打开，然后再转向主程序。这样可以避免把乘电梯的人困在电梯里面，就可以减少对乘电梯的人的人身伤害。1.2 选型创新由于电梯的控制系统不是很复杂，因此选择三菱公司生产的的更自由、更便捷的FX系列PLC。它不仅满足本次设计的各项要求，因其可靠性、丰富的扩展性和通用性，使我们设计的控制系统有很强的适用性和扩展性。为了防止电梯关闭时人被夹到，在电梯门上安装了现在最流行也是最常用的红外对射感应器，既有利于安装而且购买方便。1.3 软件编程技巧及程序调试技巧 分别用不同的软件进行编程和调试。用FXGP_WIN-C软件进行顺序功能图的编程，而用GX Developer软件进行程序的调试。因为GX Developer软件在编程时状态器S的输入单独占一行，这为程序的编写和阅读带来了困难，而FXGP_WIN-C软件就克服了这一困难，在程序的另一行开头输入状态器S，符合我们的编程和阅读习惯。GX Developer软件的调试功能比FXGP_WIN-C软件强大，因此用GX Developer软件进行程序的调试。 采用顺序功能图法进行设计可以提高编程效率，并且程序的调试、修改和阅读也很方便。本程序中用到了很多定时器，采用这种编程方法程序是一步一步运行的，因此用一个定时器就可以实现全部的定时功能，节约了定时器。功能切换采用输入继电器加状态器的方式。采用这种方式的好处一是可以很容易的实现各个功能之间的切换，另外方便调试和阅读。第二章 PLC控制系统的设计方法综述2.1 PLC控制回路的设计原则A、最大限度地满足机械电气设备的控制要求和生产过程的要求；B、在满足控制要求的前提下，应力求控制系统结构简单、经济；C、保证控制系统的安全可靠；D、考虑生产的发展和工艺完善，使PLC的容量留有适当余地。具体选择时主要考虑以下几点：2.1.1 确定合理的结构型式 PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。考虑此系统控制比较简单，应用于小批量的生产线故此选择整体试PLC的结构形式较为合适。2.1.2 确定合理的安装方式 PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程IO电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。在工厂小批量生产中降低成本是很重要的，所以此系统选择集中试的安装方式。2.1.3 满足相应的功能要求 一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD和DA转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。 对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。此系统只需用开关量控制，选用一般小型PLC即可。2.1.4 满足响应速度要求 PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。 本系统不需要跨范围使用PLC对某些功能或信号也没有特殊的速度要求，不需要选用具有高速IO处理功能的PLC。2.1.5 满足系统可靠性要求对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。本系统选用一般系统PLC能够满足要求，不需要考虑太多此方面的问题。2.2 PLC系统设计的主要内容和任务PLC系统设计的内容可涉及诸多方面，对于不同的控制系统，有着不同的被控对象和设计任务，又要考虑到与大量的现场输入、输出设备相连接，但系统设计的主要任务应包括以下几个方面。1.拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般是以设计任务书的形式来确定，它是整个控制系统设计的依据；2.选择用户输入、输出设备；3.选定可编程控制器的型号与配置；4.编制PLC的输入/输出分配表（含输入/输出通道分配表）和绘制输入/输出端的子接线图；5.根据系统设计任务书的要求设计控制程序设计应用软件，即用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；6.设计操作台、电器柜及非标准电器部件；7.编写设计说明和使用说明书。课程设计具体内容包括：电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵，其操纵内容为电梯运行方向。电梯轿箱内设有楼层内选按钮S1S3，用以选择需停靠的楼层。L1为一层指示、L2为二层指示、L3为三层指示，SQ1SQ3为到位行程开关。电梯上升途中只响应上升呼叫，下降途中只响应下降呼叫，任何反方向的呼叫均无效。例如，电梯停在一层，在二层轿箱外呼叫时，必须按二层上升呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从一层运行到二层），按二层下降呼叫按钮无效；反之，若电梯停在三层，在二层轿箱外呼叫时，必须按二层下降呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从三层运行到二层），按二层上升呼叫按钮无效。A、制定基于PLC控制系统的软件设计方案：要求系统能完成上述基本功能要求，并在此基础上实现功能创新。B、根据节点数选择PLC，绘制控制面板布置图。C、根据I/O分配表，绘制PLC控制系统输入输出接线图。D、绘制用户程序流程图，并编制PLC程序（要求梯形图+程序注释）。E、实验室模拟调试程序。F、整理相关文档，完成课程设计说明书。第三章 三层电梯PLC控制系统硬件设计 3.1 PLC的I/O点数和类型 根据题目要求，要完成电梯的呼叫操作、内选按钮选择所需要停靠的楼层和楼层的指示等功能，下面我们将对电梯的运动过程进行分析。我们以电梯停在一楼举例。当电梯停在一楼时，可以在一楼、二楼和三楼分别呼叫。当在一楼呼叫时，电梯门直接打开，按下所选楼层后，电梯门关闭，到达所选楼层后，电梯门打开，人出来以后，电梯门自动关闭，等待呼叫；在二楼呼叫时，电梯先到达二楼（通过电机的正转实现），电梯门打开，按下所选楼层，电梯门自动关闭，到达所选楼层以后，电梯门打开人员出来，电梯门关闭，等待呼叫，在三楼呼叫时和在二楼呼叫时分析方法相同。3.1.1 输入设备数量的确定需要有三个开关来控制内选按钮，分别设为X0、X1和X2；每个楼层都要有呼叫按钮，因为是三层所以需要四个，分别设为X3、X4、X5和X6；每一层都需要一个行程开关，一共三个，分别设为X7、X10和X11；轿厢内关门和开门个需要一个，分别设为X12和X13；传感器的输入需要一个输入接口，设为X14；此外，还需要两个开关来分别控制电梯的运行和关闭，分别设为X15和X16。因此，总共需要15个输入。3.1.2 输出设备的数量确定每一层的外面需要三个指示灯来指示所到达的楼层，分别设为Y0、Y1和Y2；电梯的上升、下降和停止需要控制电机的正反转和控制刹车，需要三个输出，分别设为Y3、Y4和Y12；在轿厢内选择所需要到达的楼层以后，需要让所选的楼层点亮，需要三个输出，分别设为Y5、Y6和Y7；在上升和下降的时候需要有上升指示和下降指示，分别设为Y13和Y14。因此，总共需要13个输出。3.1.3 选择PLC 考虑到I/O要各留30%余量，应选择开关量输入24点，开关量输出24点的PLC。考虑到以后应用到楼层更高、控制更复杂的电梯系统中，所选择的PLC应该留有30%的输入输出余量，并且要易于扩展。因此选择FX2N-48MR-D，共有24个输入和24个输出，满足要求，并且和此型号PLC配套的有输入输出扩展模块、特殊功能模块/单元、混合温度传感器输入、和通信/网络等单元，易于后续的开发和改进。图1 FX2N-48MR型PLC3.1.4 传感器的选择A、传感器的选择原则首先需要考虑检测对象。光学性质与物理距离将决定采用何种传感模式与哪种光源最合适。例如，在检测单色纸箱的情况下，也许可以采用廉价的、从纸箱上反射光束的散射传感器。但当纸箱为彩色从而使反射率不同时，就不能采用以上解决方案。在这种情况下，最好的解决方案也许是采用相反或反射模式传感器。在此方案中，系统是通过屏蔽光束来工作。当纸箱到位时，光束被遮挡，从而使纸箱检测。如果没有透明的箱子，此技术应该能获得可靠的结果。目前已有好几种传感器能检测不同高度的纸箱。距离在选择光源，例如LED或激光时起重要作用。LED虽比较便宜，但由于它是一种散射度较高的光源，因此适合短距离使用。激光可聚焦在一个点上，因此能获得传播距离更远的光束。当需要检测细微特征时，良好的聚焦也很重要。如果需要从几英尺外对准细微特征，则必须使用激光。激光传感器要比LED要贵很多倍，不过这种差别已经被激光二极管价格的下降缩小了。虽然目前使用的激光仍然较贵，但比起过去的花销已经降低了很多。其次是传感器的工作环境。选择传感器时的另一项决定因素是工作环境。一些行业（如食品与汽车行业等）的工作环境可能会很脏或很危险，或二者都有。在处理食品时，湿度可能会较高以及有很多液体。处理引擎或其他零件的汽车制造厂车间，也可能会有沙子、润滑剂和冷却剂等。在这种情况下，必须考虑传感器的环境适应性，如果传感器不能适应污垢环境就不能被使用。这种考虑还会影响所需的检测范围，因为可能需要将传感器放在恶劣环境外一个更远的位置上（而不是放在所需的位置）。如果指示灯被弄脏或信号减弱，那么能够主动告警和通知是很有帮助的。类似的环境问题也会影响传感器的尺寸，尺寸的变化可以从比一个手指还小到比张开的手掌还大。小尺寸传感器比大尺寸传感器要贵，因为将所有部件都装入一个小空间内的成本更高。小尺寸传感器收集光线的面积更小，一次检测范围更小，光学性能更低。这些缺点必须克服，以便小尺寸传感器能更好地可用物理空间相匹配。再如，在半导体洁净室设备中所使用的传感器虽然工作环境不恶劣，但必须在狭窄的空间内工作。其检测距离通常为数英寸，因此传感器一般都较小。这些传感器还常常使用光纤来将光线导入（或导出）检测区。最后，根据前面的介绍和比较，为了便于PCL控制程序的编写，利于公司企业的经济效益，综合其各种情况，选定传感器。B、本系统传感器的选择根据本设计的要求需要对位置检测装置和压力传感器进行选用。位置检测装置检测物件动作是否到位，压力传感器检测轿厢内是否有人。(1)位置检测装置在该系统设计过程中，当轿厢在各个楼层之间运动的时候，需要判断轿厢的位置，以让轿厢准确停在特定的楼层而不至于出现事故，所以要加位置传感器。位置检测装置按测量方法不同可分为增量式和绝对式测量。脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等都是增量检测装置。绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘（或称多圈式绝对编码盘）。按检测信号不同可分为数字式和模拟式测量。常见的位置检测装置如下表类型增量式绝对式 回转型脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅多速旋转变压器、绝对脉冲编码器 、三速圆感应同步器 直线型直线感应同步器、计量光栅 、磁尺激光干涉仪三速感应同步器、绝对值式磁尺表1 常见的位置检测装置而最常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。X7、X10和X11处的位置检测是要求机器人旋转一定角度后，检测其是否回原位。故需要采用回转型，由于对精度要求不高，所以采用旋转变压器。因为所需检测的范围为0到180度，故不采用正余弦旋转变压器，而采用线性旋转变压器。(2) 红外传感器的选择 红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。本电梯采用红外对射感应器，来检测在电梯在关门的时候是否有乘客想进出电梯。 图2 红外对射感应器SAB-20在电梯门上安装红外对射感应器,一边门装发射极,一边装接收极。当中间光束被挡,接收极收不到发射的光束，就说明有人通过电梯门口，电梯门停止动作；当感应器的接收极接收到光束，说明此时已经没有人从电梯门口经过，可以进行关门动作。这样就避免了人被夹在电梯的门里而受到伤害的情况。光源数字式滤波光轴调整角度（水平）180（90）应答速度35700msec可调光轴调整角度（垂直）24（10）报警输出输出触点容量ACDC30V0.5Amax 瞄准器视窗式电源DC1218V接线螺旋式端子使用温度-2555除露、除霜方式加热式外罩防拆输出输出触点容量ACDC30V0.5Amax高度28CM表2 红外对射感应器性能参数该型号红外对射感应器具有如下特点： （1）抗强光达50，000LUX，内置自动调节强光过滤系统，避免受强光或灯光的影响；（2）全密封防雨（雾）、防尘（虫）等的全天候一体化结构设计使其能在恶劣的环境中正常工作；（3）当遇到浓雾或天气恶劣时探测器会自动增强灵敏度（AGC电路）；（4）上下光学镜片同时调整机械设计，使得调整更快、更方便、更准确；（5）模块化的设计便于探测器的添加及层叠；（6）水平/垂直光学角度调整方便，易于校准 ；（7）内置光学瞄准镜，便于调试；（8）精密光学聚焦镜技术以及总线控制技术；（9）具有高水准的抗RFI/EMI能力；（10）独特的数字滤波电路设计；（11）感光余裕度达99%；（12）防雷击电路设计；（13）带防雨罩设计；（14）C型继电器输出；（15）射束遮断周期可调使其更加灵活适应性更强 ；（16）专业抗干扰光学外罩；（17）大功率红外发接收对管，低功耗数字变频处理技术。3.2建立输入/输出地址分配表在确定输入/输出设备的数量并选型后，应建立建立输入/输出地址分配表，这对绘制PLC与输入/输出设备之间的接线图及编程用户程序都有很大的帮助。如表1和表2所示。序号名 称输入点序号名 称输入点0三层内选按钮S3X08二层行程开关SQ2X101二层内选按钮S2X19三层行程开关SQ3X112一层内选按钮S1X210红外对射感应器X123三层下呼按钮D3X311轿厢内开门按钮X134二层下呼按钮D2X412轿厢内压力传感器X145一层上呼按钮U1X513电梯打开开关DKX156二层上呼按钮U2X614电梯关闭开关GBX167一层行程开关SQ1X7表3 输入地址分配表序号名 称输出点序号名 称输出点0三层指示L3Y07一层内选指示SL1Y71二层指示L2Y18电梯门打开KMY102一层指示L1Y29电梯门关闭GMY113轿箱下降DOWNY310制动SCY124轿箱上升UPY411下降显示SSXSY135三层内选指示SL3Y512上升显示XJXSY146二层内选指示SL2Y6表4 输出地址分配表3.3控制面板布置图及PLC和输入、输出设备之间的接线图图3 控制面板图COM0COM1COMKMSL1SL2SL3UPDOWNL1L2L3Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0Y13X0X1X2X3X4X5X6X7X10220V0+24V0X16X11X12X13X14X15图4 PLC和输入、输出设备之间的接线图第四章 三层电梯PLC控制系统软件设计4.1主程序的编制根据图4 所示的流程图，首先编制出主程序。主要的编程思路和特点如下：A、 将主程序分为三大步，分别用输入继电器和状态器的状态判断程序进入哪一个分支，实现了轿厢在哪一个楼层的判别，为分支程序的运行做了铺垫。B、 在每一个主程序下都有三个小的分支程序，分别判断要乘电梯的人员在哪一层呼叫，如果哪一层的呼叫有响应的话，分别执行不同的动作，到达人想去的楼层。例如电梯停在一层，如果人在一层呼叫，电梯门打开，人进去后可以选择去二层或者三层；如果人在二层呼叫，电梯首先从一层运行到二层，等待人进去以后可以选择去一层或者三层；如果人在三层呼叫，电梯首先从一层运行到三层，等待人进去以后可以选择去一层或者二层，取相应的楼层只需要按相应的按钮就可以了。C、 除了以上这些程序之外，还专门设计了启动、关闭和保护程序，以有利于电梯的正常运行和安全。4.2 程序流程图图5 电梯控制系统的主程序图6 电梯停在一层子程序图7 电梯停在二层子程序图8 电梯停在三层子程序4.3 程序的梯形图及注释开始上电上升显示刹车二层显示到达二层一层上升一层显示二层呼叫三层呼叫一层呼叫停在三层停在二层停在一层关门二层显示去一层去三层二层显示关门开门一层显示传感器有信号刹车一层内选按钮亮一层显示下降下降显示二层显示到达一层一二三层呼叫，返回一层显示传