电气自动化技术论文基于单片机(或PLC)电梯控制系统设计.docx

天 津 大 学 网 络 教 育 学 院专科毕业论文题目：基于单片机（或PLC）电梯控制系统设计完成期限：2016年1月8日 至 2016年4月20日学习中心：南昌专业名称：电气自动化技术学生姓名：王宁学生学号：141901433012指导教师：王正忻天津大学网络教育学院专科毕业论文基于单片机（或PLC）电梯控制系统设计一、电梯概述电梯在汉语词典中的解释为：建筑物中用电作动力的升降机,代替步行上下的楼梯。说到电梯的起源要从公元前2600年埃及人在建造金字塔时使用了最原始的提升系统说起，但这一类起重机的能源均为人力。到了1203年，法国的二修道院安装了一台起重机，所不同者只是该机器是利用驴作为动力，载荷由绕在一个大滚筒上的绳子进行起吊。此种方法一直沿用到近代直到瓦特发明了蒸汽机，约在1800年，煤矿主才能利用起重机把矿井中的煤输送上来。数百年来人们制造过各种类型的升降梯，它们都具有一个共同的缺陷：只要起吊绳突然断裂，升降梯便急速地坠落到底层。1854年奥的斯设计了一种制动器：在升降梯的平台顶部安装一个货车用的弹簧及一个制动杆与升降梯井道两侧的导轨相连结，起吊绳与货车弹簧连结，这样仅是起重平台的重量就足以拉开弹簧，避免与制动杆接触。如果绳子断裂，货车弹簧会将拉力减弱，两端立该与制动杆咬合，即可将平台牢固地原地固定免继续下坠。“安全的升降梯”发明成功了！一时间，奥的斯成了众人注目的中心。第一台升降机并非奥的斯所发明，但他却是第一台“安全”升降梯的发明者。“安全”这一概念不仅开创了升降梯工业，而且也为那些想建造更高层建筑物以增加更多可利用空间的设计们打开了通途。然而真正能够称为电梯（用电能驱动升降梯）的产品应该是在20世纪初才出现的。二、PLC的发展1、PLC的定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2、PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强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。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（2）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。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术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3）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。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便容易改造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。（5）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，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。3、PLC控制系统的组成PLC控制系统像一般的计算机控制系统一样，也是由硬件和软件两个部分组成的，硬件是指PLC本身及其外围设备，软件是指管理PLC的系统软件，PLC的应用程序，编程语言和编程支持工具软件。图1PLC控制系统硬件组成图为典型PLC控制系统的硬件组成图。PLC控制系统的硬件是由PLC，输入/输出（I/O）电路及外围设备等组成的。系统规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。下面对构成控制系统的主要部分简要介绍。（1） 主控模块除了早期生产的整体式PLC（PLC的各个不见都在同一机壳内）外，目前市场多数的PLC都已采用模块化的结构（PLC的各个部件独立封装，称之为模块）。在PLC中各个模块均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。在这个系统中最核心的模块是主控模块（也称CPU），它包括：CPU，存储器，通信接口等部分。（2） 输入/输出模块PLC的控制对象是工业生产过程，它与工业生产过程的联系是通过I/O模块实现的。生产过程有许多控制变量，如温度，压力，液位，速度，电压，开关量，继电器状态等，因此，需要有相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场的桥梁。且这些模块应具有较好的抗干扰能力。目前，生产厂家已开发出各种型号的模块供用户选择。对于输入/输出模块有：数字量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，模拟量输入/输出模块，交流新号输入/输出模块，220V交流输入/输出模块。还有智能模块，它本身带CPU，存储器和监控系统，可独立完成各种运算。智能模块的种类很多，如高速计数模块，PID调节的模拟量控制模块，阀门控制模块，智能存储模块和智能I/O模块。（3） 电源模块该模块将交流电源转换成供CPU存储器所需的直流电源，是整个PLC系统的能源供给中心。它的好坏直接影响到PLC的功能和可靠性。目前，大多数PLC采用高质量的开关式稳压电源，与普通电源相比，PLC的电源工作稳定性好，抗干扰能力也强。有些机器的电源除了供内部电路使用外，还向外提供24VDC的稳压电源，用于外部传感器的需要，这样就避免了因外部电源不合格而引起的外部故障。（4） I/O电路PLC的基本功能就是控制，它采集被控对象的各种信号。经过PLC处理后，通过执行装置实现控制。输入电路就是被控对象（需要进行控制的机器，设备和生产过程）进行检测，采集，转换和输入。另外，安装在控制台上的按钮，开关等也可以向PLC送控制指令。输出电路的功能就是接受PLC输出的控制信号，对被控对象执行控制任务。PLC控制系统的软件主要是系统软件，应用软件，编程语言及编程支持工具软件几个部分组成。（1）系统软件与工作过程PLC系统软件是PLC工作所必须的软件。在系统软件的支持PLC对用户程序进行逐条的解释，并加以执行，直到用户程序结束，然后返回到程序的起始又开始新的一轮扫描。PLC的这种工作方式就称之为循环扫描。（2）应用软件PLC控制系统的应用软件是指为完成PLC实际控制任务而编制的各种软件。随着PLC应用领域范围的不断扩大，应用水平的提高，PLC应用软件也大大丰富起来了。4、电梯模型PLC控制系统设计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。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)。采用PLC实现的电梯控制系统由以下几个主要部分构成如图所示:图2 电梯控制系统三、 PLC的选型1、 输入输出（I/O）点数的估算 为了完成设定的控制任务,主要根据电梯输入/输出点数确定PLC的机型。根据电梯控制的要求，电梯应具有内呼和外呼按钮、行程开关、开关门按钮，以及相应的指示灯，估算所需I/O口的数量，并绘制I/O口分配表，见下表。表1I/O口分配表序号名称输入点序号名称输出点0B2层内呼000000B2层内呼指示010001B1层内呼000011B1层内呼指示0100121层内呼0000221层内呼指示0100232层内呼0000332层内呼指示0100343层内呼0000443层内呼指示0100454层内呼0000554层内呼指示0100565层内呼0000665层内呼指示0100676层内呼0000776层内呼指示0100787层内呼0000887层内呼指示0110098层内呼0000998层内呼指示0110110B2层外呼上0001010B2层外呼上指示0110211B1层外呼下0001111B1层外呼下指示0110312B1层外呼上0010012B1层外呼上指示01104131层外呼下00101131层外呼下指示01105141层外呼上00102141层外呼上指示01106152层外呼下00103152层外呼下指示01107162层外呼上00104162层外呼上指示01200173层外呼下00105173层外呼下指示01201183层外呼上00106183层外呼上指示01202194层外呼下00107194层外呼下指示01203204层外呼上00108204层外呼上指示01204215层外呼下00109215层外呼下指示01205225层外呼上00110225层外呼上指示01206236层外呼下00111236层外呼下指示01207246层外呼上00200246层外呼上指示01300257层外呼下00201257层外呼下指示01301267层外呼上00202267层外呼上指示01302278层外呼下00203278层外呼下指示0130328开门开关0020428电梯上行0130429关门开关0020529电梯下行0130530开门限位0020630门电机开0130631关门限位0020731门电机关0130732电梯上升极限位0020832电梯上行指示0140033电梯下降极限位0020933电梯下行指示0140134超重0021034超重指示0140235警报器按钮0021135警报器0140336激光传感器0030036B2层指示0140437B2层平层0030137B1层指示0140538B1层平层00302381层指示01406391层平层00303392层指示01407402层平层00304403层指示01500413层平层00305414层指示01501424层平层00306425层指示01502435层平层00307436层指示01503446层平层00308447层指示01504457层平层00309458层指示01505468层平层0031046抱闸释放015062、 PLC的选型根据输入输出点数，输入47，输出47，所以选用CPM2AE-60CDR-A型的PLC，加一个CPM2A系列PLC可用的CPM1A-40EDR扩展单元和一个CPM1A-20EDR的扩展单元，共120点，可以满足要求。 图3CPM2AE-60CDR-A图4CPM1A-40EDR图5CPM1A-20EDR3、PLC外围接线图6CPM2AE-60CDE-A外围接线图7CPM1A-40EDR外围接线 图8CPM1A-20EDR外围接线4、控制流程图电梯上下行流程图见图。假设电梯停在N（N=B2，B1，1,2,3,4,5,6,7,8）楼,M楼有信号,MN时，电梯上行；MN时，电梯下行。流程图如下：图9上下行流程图在电梯运行过程中，电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方向无其它内、外呼电梯信号时，则电梯响应该信号。电梯应具有最远反向外梯响应功能。例如：电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。电梯响应流程图见图：图10电梯响应流程当电梯到达系统控制的目标楼层时，控制系统发出开门信号，电梯门开，当门开到开门限位时，计时6秒钟，然后关门。四、梯形图及注释1、报警器及超重控制按下警报器按钮(00211)，警报器响(01403)，计时10秒钟(TIM000)，警报器关。此系统由电梯载重控制仪控制电梯载重。当电梯超重时(00210)，电梯禁止上下运行，并且超重指示灯亮起（01402）。2、内指令信号的登记与消除以2层内呼为例：当按下2层内呼时(00003)，若电梯未在2楼平层(00304)开门（01306），2层指示灯亮(01003)，电梯运行至2楼平层，门打开，2层指示灯灭。3、外召唤信号的登记与消除以7层外呼上指示灯为例：按下7层外呼上按钮（00202），若电梯未在7楼平层时(00309)，指示灯亮(01302)，当电梯运行至7楼平层，并且该外呼信号得以响应时，门打开(01306)，指示灯灭；若电梯停在7楼平层且门未处于打开动作时，按下7层外呼下按钮，指示灯亮，电梯门打开，指示灯灭。4、定层为了判断呼电梯的地方是在比轿厢高的楼层还低的楼层，必须得先定层。B2-8层分别用01404-01505记录，以B2层为例，当B2层平层触发，楼层指示继电器得电并自锁，直到其他平层被触发使楼层指示继电器失电。程序如下所示：5、上升程序根据I/o分配可知：01001-01101分别是B2-8层楼的内选应答；01103-01303分别是B2-8层楼的外呼应答，也就是说，若轿厢在B2楼则其中任何一个按钮按下去电梯都将上升若轿厢在B1楼，01405断开，这样按B1楼的内选外呼按钮电梯将不上升，若在1楼，01406断开，这样按B1楼、1楼内选外呼按钮都没用，若电梯在其他楼则依次类推。6、下行程序下降也有两种情况，一种是有人在低于轿厢所在层的地方呼电梯；另一种是人在轿厢里面要往下行根据IO分配表可知：01000-01100分别为B2-7层的内选应答；00102-01302分别是B2-7楼的外呼应答，也就是说，若轿厢在8楼则其中任何一个按钮按下去电梯都将下降若轿厢在7楼，则01504断开，这样按7楼的内选外呼按钮电梯将不下降，若在6楼，则01503断开，这样按6楼、7楼的内选外呼按钮都没用，若电梯在其他楼时则以此类推。程序如下：7、抱闸程序 防止突然断电造成电梯下滑，程序如下：8、开门程序开门主要有以下两种情况:（1）本层呼电梯开门。人在轿厢所在的层，用外选按钮进行呼电梯，比如说轿厢在三楼，那么如果有人要到三楼去乘电梯，不管他是要上行还是下走，只要他按外选按钮，门就会自动带开，图所示本层呼电梯程序:由I/o分配可知：00010-00203是B2-7楼的外选按钮，而01404-01505分别表示B2-8楼，20000是上升继电器，2