毕业设计（论文）-自动扶梯微机控制系统的设计.pdf

- I - 自动扶梯微机控制系统的设计自动扶梯微机控制系统的设计自动扶梯微机控制系统的设计自动扶梯微机控制系统的设计 摘要摘要摘要摘要 自动扶梯广泛用于酒店、商场、地铁、火车站、写字楼、机场等场所，在 方便顾客和提高服务质量等方面起到了相当重要的作用。本设计采用 PLC 控制 系统，具有可靠性高、稳定性好、编程简单、使用方便、检修维护方便等显著 优点。将 PLC 应用于自动扶梯上，可大大提高自动扶梯的控制水平，使自动扶 梯达到了更为理想的控制效果。自动扶梯采用伺服驱动，“Y-”切换起动。从电 梯运行的安全要求和检修运行要求出发，同时考虑到电梯操作的便利性，程序 设计主要实现三种运行状态：自动运行、手动运行、检修运行状态。在正常情 况下，扶梯进入自动运行状态；当发生某种特殊情况时，扶梯在外部手动信号 的作用下，进入手动运行状态，当系统检修时，插入检修盒，进入检修状态。 在电气系统组成以后，为了实现最优控制，需要精心的编制 PLC 的控制程序。 在 PLC 控制程序中需要进行处理的逻辑信号首先是安全回路检测信号，其次还 要检测自动扶梯的停止、上行、下行、检修、润滑等信号。通过对这些信号的 处理，给出相应的运行状态显示和报警信号。PLC 控制系统跟继电器控制自动 扶梯相比有了一个质的飞跃。它实现了自动扶梯的电脑化控制，使自动扶梯更 趋智能化。 关键词关键词关键词关键词自动扶梯；PLC；控制系统 哈尔滨理工大学学士学位论文 - II - DesignDesignDesignDesign ofofofof E E E Escalatorscalatorscalatorscalator MMMMicrocomputericrocomputericrocomputericrocomputer C C C Controlontrolontrolontrol S S S Systemystemystemystem AbstractAbstractAbstractAbstract Escalators are widely used in hotels, shopping malls, subway, train stations, office buildings, airports and other places, in the convenience of our customers and improve the quality of service has played a very important role. This design adopts the plc control system, with high reliability, stability good, programming is a simple, easy to use, maintenance and repairs to advantage. PLC will be applied to the escalators and will significantly improve the escalator to the level that the escalator up to a more ideal control effect. Escalators servo drive,“Y-“ switch starts. Running from the elevator maintenance safety requirements and operating requirements, and taking into account the convenience of elevator operations, programming primarily to achieve three types of running: automatic operation, manual operation, maintenance running. Under normal circumstances, the escalator into the auto-run state; when the occurrence of certain special circumstances, the escalator in the role of the external hand signal, to enter manually run the state, when the system overhaul, insert the repair box, enter the maintenance state. After the electrical system components in order to achieve optimal control, requires careful preparation of PLC control program. Control program in the PLC logic required in the signal processing circuit detection signal safety first, followed by detection of escalators should stop, up, down, maintenance, lubrication and other signals. By processing these signals are given the appropriate operating status display and alarm signal. Plc control system with the relay to control the escalator over there is a qualitative leap. it implements the escalator to the computerised control and automatic escalator more intelligent. KeywordsKeywordsKeywordsKeywordsEscalator; PLC; Control System 哈尔滨理工大学学士学位论文 目录目录目录目录 摘要.I AbstractII 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景.1 1.2 国内外文献综述.2 1.3 论文研究内容.4 第 2 章 可编程序控制器（PLC）的工作原理.6 2.1 可编程序控制器（PLC）特点6 2.2 可编程序控制器（PLC）的工作原理7 2.3 PLC 在自动扶梯控制系统中的应用11 第 3 章 自动扶梯的硬件设计13 3.1 自动扶梯的简介.13 3.2 自动扶梯动作原理说明.15 3.3 自动扶梯系统控制.17 3.3.1 运行状态控制17 3.3.2 自动扶梯驱动系统设计18 3.3.3 抱闸回路的设计19 3.3.4 电源回路的设计19 3.3.5 照明回路的设计20 3.3.6 安全保护回路的设计21 3.3.7 PLC 硬件系统设计.22 第 4 章 自动扶梯系统软件设计26 4.1 起动与运行程序设计.26 4.2 抱闸程序设计.26 4.3 故障检测程序.27 4.4 故障显示控制程序.29 4.5 速度过低时保护程序.30 4.6 加油装置控制程序.31 结论32 致谢33 参考文献34 附录35 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题背景课题背景课题背景课题背景 当时间进入 21 世纪，在国内许多地方开始有大批的复式楼群与别墅区域出 现。毫无疑问，自动扶梯是这些建筑内最大的设施。所以自动扶梯也就理所当 然的成为了这些建筑内最重要的组成部分。 随着人们生活质量的提高对安全也日益重视，自动扶梯作为商场购物中心 中常用的辅助设施也需要不断更新以给人们更加舒适安全的服务。目前自动扶 梯向着高技术含量，高可靠性，高品质，更安全，更舒适的方向发展。客户对 自动扶梯控制方式的要求也越来越高。以继电器为控制系统的自动扶梯已逐渐 受到高技术要求的冲击。总之，技术含量高，物超所值的产品将越来越被中国 的消费者所青睐。为了跟上市场，引导市场，各电梯厂商纷纷推出新技术产品 以吸引购买者的注意，以求在日趋白热化的电梯市场中有所收获。 自动扶梯控制系统有三种：继电器控制系统，PLC 控制系统和微单片机控 制系统。目前市场上所使用的自动扶梯还有继电器控制的，由于继电器控制系 统噪声大，维修不便，控制方式落后等，已不适应现代人的需要，正逐渐被人 们所淘汰。微单片机控制系统虽然在智能化方面有很大的发展，但由于微单片 机控制系统的开发时间长，程序改动困难，抗干扰等问题而限制了其应用，而 PLC 控制系统以其可靠性高，稳定性好，编程简单，使用方便，维护检修方便 等显著优点，加上现今逐渐时兴电脑化控制的电气设备，PLC 控制的自动扶梯 正好迎合了人们的心态，与市场需要紧密相连，其发展前景被大大看好。 自动扶梯是由一台特种结构型式的链式输送机和两台特殊结构型式的胶带 输送机所组合而成的，用以在建筑物的不同层高间运载人员上下的一种连续输 送机械。它的出现给人类的日常生活带来极大的便利。自动扶梯作为运送旅客 的交通工具, 不仅成功地缩小了目标间的距离, 而且使超短途(如楼层、月台间 等)的大流量人员运输成为可能1。因此, 经济学家说:“自动扶梯的出现使人们有 了逛大型商场的欲望。”交通学家说“是自动扶梯和自动人行道的应用使我们可 以把车站、机场建的尽可能大。”自动扶梯的应用已经改变了我们的生活, 并已 经成为现代物质文明的一个重要标志2。 自动扶梯经过 100 多年的研究发展,已经成为一种比较成熟的产品。但是目 前世界上的大型电梯公司, 如:奥的斯、日立、迅达、三菱等依然投入大量的人 力、物力对自动扶梯和自动人行道进行研究开发。其研究重点主要集中于节 能、环保和安全。 1.节能 自动调节电压法 该方法的原理是根据电动机的负载大小, 利用新型节能器自动及时地调节 电动机的工作电压, 使之能耗最小。新型的节能器是按照电量的有效值检测电 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 动机的功率因数, 而且是应用瞬时检测技术, 在电动机全部运行时间内对其各相 的电压和电流的大小和相位进行检测, 据此来调节电动机的端电压, 使电动机在 不同负载情况下都运行到最佳状态, 功率因数和效率都得到提高, 能耗最小。节 能的多少因负载的大小而不同, 约在 20%50%左右3。 (2)“自动重新启动”运行模式 该运行模式即自动扶梯在无乘客时自动停止运行, 当有乘客时又自动重新 启动的一种运行模式。该运行模式已被标准所认可, 其节能相当可观, 不过这取 决于停梯时间的长短。此外, 该运行模式也使自动扶梯的磨损大大减少,从而延 长了自动扶梯零部件的寿命。 (3)“Y-”切换法 该方法的基本原理是: 当扶梯启动时, 电动机按 Y 接法启动,不再通过时间 原则切换成接法运行, 而是乘客数量增加到设定的数量之后,电动机才切换成 接法运行。当乘客数量减少到设定的数量之后, 电动机又切换成 Y 接法运行,如 此反复。经过测试, Y 接法比接法节能显著,节能可达 20%,相当可观4。 (4)变频驱动 该方法的关键在于使用高性能的变频器, 如“交-直-交”PWM 型变频器。由 于变频器的采用, 可以在无人时很容易实现极低频率极低电压对电动机供电,使 自动扶梯以极低的速度运行。其节能效果可以与“自动重新启动”运行模式相媲 美, 甚至超出。因为变频驱动可以使扶梯在轻载的工况下实现降压节能运行。 2.环保 (1)无润滑型自动扶梯 该自动扶梯的关键是梯级链采用了齿条与过渡型齿条的传动方式，而该过 渡型齿条又与电动机采用了齿轮与齿条的传动方式。在整个扶梯的运行过程中 无需润滑油的参与。该自动扶梯摈弃了传统扶梯采用的链条传动模式,从而避免 了润滑油的污染。 (2)无重金属污染 目前很多公司自动扶梯照明系统多采用的是日光灯管，但是该方法存在着 日光灯管破裂后水银污染环境的危害。因此,部分公司已经开始使用 LED 照明系 统替代传统日光灯管的照明系统,降低了扶梯对环境的危害。 3.安全 强调安全性的自动扶梯以移动式裙板扶梯为代表。该自动扶梯的原理是将 梯级踏板和围裙板组成为协调运行的单一模块,梯级踏板和围裙板成为协调运行 的单一模块。该自动扶梯的梯级与裙板之间无任何间隙，从而避免发生该区域 手指轧入的危险。而这一区域正是传统自动扶梯的主要危险所在。 1.21.21.21.2 国内外文献综述国内外文献综述国内外文献综述国内外文献综述 我们今天所认识的自动扶梯,其发明历程经历过曲折。杰西瑞诺和查尔斯 希伯格是这个行业最早时的两个伟人。1859 年,美国人内森爱米斯发明一种“旋 转式梯级扶梯”并获专利。但是，“旋转式梯级扶梯”是让乘客沿正三角形的一边 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 进入，到达顶点后飞降下来，类似于杂技的惊险动作。因此，该扶梯未能付诸 实践。但是，他的构思具有开拓性。1891 年，在美国科尼岛码头装了一部自动 扶梯，轰动一时。它当时被称为“倾斜升降机”，是由纽约企业家杰西瑞诺设计 制造的。他早在 1882 年就申请并发明了此项专利。这种自动扶梯采用输送带 原理，一条分节的坡道以 20 度至 30 度坡度移动。扶梯的起止点都有齿长 40 厘 米的梳状铲，与脚踏板上的凹齿啮合。乘客站在倾斜移动的节片上，不必举 足，便能上、下扶梯。1895 年，杰西瑞诺在纽约市的考尼岛第一次展示了“自 动扶梯”(它更像一部为人设计的传送带) 。美国的乔奇惠勒与瑞诺同年获得了 另一种形式自动扶梯的专利，但他的专利很长时间无人问津5。1898 年,查尔 斯希伯格买下了乔奇惠勒与杰西瑞诺的自动扶梯专利，并加以改造。1899 年 查尔斯希伯格与奥的斯公司携手制造出第一台阶梯式自动扶梯。7 月 9 日，第 1 台奥的斯- 西伯格梯阶式(梯级是水平的，踏板用硬木制成，有活动扶手和梳 齿板)扶梯试制成功，这是世界第一台真正的自动扶梯。1900 年，查尔斯希伯 格将拉丁文中的“Scala”(梯级) 一词与当时在美国已经用的相当普遍的“Elevator” 一词组合成为 Escalator，并注册为产品商标，这就是自动扶梯一词的来源。 1910 年西伯格将它卖给了奥的斯公司。直到 1950 年，奥的斯公司拥有该商 标。1950 年根据商标保护法的规定，“escalator”失去了它名称的专有权，成为 自动扶梯的通称。1920 年，奥的斯公司把杰西瑞诺的倾斜板条式扶梯和西伯格 的梯阶式扶梯两者的长处融为一体,重新进行设计，使扶梯性能大为改观。1922 年，奥的斯公司制造了世界上第一台现代化自动扶梯，水平楔槽式梯级与梳齿 板相结合，此后被其它自动扶梯制造商所沿用。1985 年，三菱电机公司研制出 曲线运行的螺旋型自动扶梯，并成功投入生产。螺旋型自动扶梯可以节省建筑 空间，具有装饰艺术效果。1991 年，三菱电机公司开发了带有中间水平段的大 提升高度自动扶梯。这种多坡度型自动扶梯，在大提升高度时可降低乘客对高 度的恐惧感，并能与大楼楼梯结构协调配置。1993 年，据日立评论报道， 日本日立制作所开发了可以乘运大型轮椅的自动扶梯，几个相邻梯级可以联动 形成支持轮椅的平台。20 世纪 90 年代末，富士达公司开发了变速式自动人行 道，即自动人行道以分段速度运行，乘客从低速段进入，然后进入高速平稳运 行段，再后进入低速段离开。这样提高了乘客上下自动人行道时的安全性，缩 短了长行程时的乘梯时间。2000 年 4 月,美国 Elevator World 报道，位于德国汉 堡的蒂森自动扶梯工厂，制造出全彩色自动扶梯梯级，它由玻璃纤维材料制 成，有蓝色、绿色、红色、灰色和黑色等。彩色梯级为建筑师提供了丰富的设 计想象空间。2002 年 4 月 17 日至 20 日，三菱电机公司在第 5 届中国国际电梯 展览会上展出了倾斜段高速运行的自动扶梯模型。可铰接伸缩的驱动齿条结构 在运行时可使梯级的间隔发生变化，从而使速度也产生变化。其倾斜段的速度 是出入口水平段速度的 1.5 倍，这样既缩短了乘客的乘梯时间，也提高了乘客 上下扶梯的安全性与平稳性。2003 年 2 月，奥的斯公司发布新型的 Next Step 自 动扶梯，它采用 Guarded 踏板设计，梯级踏板和围裙板成为协调运行的单一模 块；它还采用了其它一些提高自动扶梯安全性的新技术，自动扶梯技术又一次 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 更新6。 目前各大电梯公司对自动扶梯和自动人行道研究主要集中于安全、节能和 环保等方面。但是今后自动扶梯和自动人行道的发展方向除了以上三个方面之 外,还将朝高速方向发展。目前有些公司也陆续推出了相关产品。如：CNIM 公 司推出了加速自动人行道，最大速度可达 11 公里/小时。蒂森公司的加速自动 人行道，最快速度可达 2 米/秒。该公司的第一台加速自动人行道安装在多伦多 机场。NKK 公司的加速自动人行道的最高速度达 1.2 米/秒。总之，自动扶梯作 为现代文明的一个重要标志之一，其发展水平也体现了当代社会科学的进步水 平7。 1.31.31.31.3 论文研究内容论文研究内容论文研究内容论文研究内容 目前世界各大电梯企业在国内都有了合资企业，如迅达、奥迪斯、三菱、 日立、东芝、通力等。早先国内城市轨道交通发展较慢，对自动扶梯需求量不 大，因此这些合资企业都没有重点引进该技术8。后来随着我国城市交通的发 展，以及为了适应设备国产化的改革要求，迅达、奥迪斯等合资企业于是引进 这方面的技术，生产自动扶梯。 国有自动扶梯企业经历几十年的发展，实力明显增强，基础设施也比较完 善。但是面对当今激烈的自动扶梯市场竞争，如何避免低水平、低效益、重复 建设的现象，避免产品“周期年”的出现，应从战略上做出正确抉择。企业应不 断吸引高技术，开发新产品，靠技术占领市场9。 对于自动扶梯，常用的节能方法有“自动重新启动”节能法，“Y 一”切换 节能法等。前一种方法是在无人乘梯时停止自动扶梯的运行，有人乘梯时起动 扶梯，从而达到省电的目的，由于是采用了完全停电的方法，所以在节约能源 方面是非常可观的，一般能达到 50%的电能节约。但是这种方法存在一些缺 陷，首先当无人乘梯时，自动扶梯处于停机状态，故大多乘客会认为扶梯停开 或正在维修而转向附近的楼梯上楼,特别是在楼梯与扶梯并行设置时更是如此， 从而失去了自动扶梯的作用。后一种方法是采用经典的星形与三角形接法转换 起动，但是折中方法也有些不足之处，星形接法由于转矩只有三角形接法的 1/3，所以星形接法转速较慢，而且两者之间有 23s 的转换时间，如果光电探 测头位置距离扶梯入口处太近时，在乘客上梯后由于星形与三角形接法的转换 会产生一个冲击，使扶梯的乘用舒适感恶化，甚至酿成事故；如果光电探测头 距离扶梯入口处太远，则可避免乘客上梯后产生冲击，但容易造成误动作，同 时如果客流连续间断造成扶梯的频繁起动，也会产生不利影响。 自动扶梯控制系统有 3 种：继电器控制系统、PLC 控制系统和微单片机控 制系统。目前市场上所使用的自动扶梯还有继电器控制的，由于继电器控制系 统噪声大、维修不便、控制方式落后等，已不适应现代人的需求，正逐渐被人 们所淘汰。微单片机控制系统虽然在智能化方面有很大的发展，但由于微单片 机控制系统的开发时间长，程序改动困难，抗干扰等问题而限制了其应用。而 PLC 控制系统有着可靠性高、稳定性好、维护检修方便等显著优点，加上现今 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 逐渐时兴电脑化控制的电气设备，PLC 控制的自动扶梯正好迎合了人们的心 态，与市场需求紧密相连，其开发前景已被大大看好。 本设计对自动扶梯节电控制器采用 PLC 或者微电脑控制技术，将扶梯运行 参数通过在线检测，取样系统进行高速分析、处理，自动优化控制电机输出功 率，使之与扶梯在不同负载情况下所需功率精确匹配，达到高效节电的目的。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 可编程序控制器（可编程序控制器（可编程序控制器（可编程序控制器（PLCPLCPLCPLC）的工作原理）的工作原理）的工作原理）的工作原理 2.12.12.12.1 可编程序控制器（可编程序控制器（可编程序控制器（可编程序控制器（PLCPLCPLCPLC）特点）特点）特点）特点 国内外现有的自动扶梯，它们的系统控制形式大都采用可编程序控制器控 制。目前电梯和自动扶梯正向高技术含量、高可靠性、高品质、更安全、更舒 适的方向发展。客户对自动扶梯控制方式的要求也越来越高。以继电器为控制 系统的自动扶梯已逐渐受到高技术要求的冲击。总之,技术含量高，物超所值的 产品将越来越被中国的消费者所青睐。 可编程序控制器与继电器、单片微机相比有着比较独特的优点： 1.具备灵活、通用特点 在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据 设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费 时费力。如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先 的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，耗 费了大量的人力、物力和时间。而可编程序控制器是通过存储在存储器中的程 序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动少 量的接线即可。而且，同一台可编程序控制器还可以用于不同的控制对象，只 要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。另 外 PLC 产品还具有多样化、系列化的特点，其结构形式多种多样，同一系列又 有低档、高档之分，因此可以适应于各种不同规模、不同要求的工业控制。 PLC 还有多种功能模块，可以根据需要灵活组合成各种不同功能的控制装置， 实现各种特殊的控制要求。 2.可靠性高、抗干扰能力强 对于自动扶梯而一言，可靠性是一个非常重要的指标，如何能在各种恶劣 的工作环境和条件(如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等)下，平稳可靠的工 作，将故障率降至最低，是研制每一种控制器件必须考虑的问题。PLC 的研制 者在这一方面采取了许多有利的措施，使 PLC 具有很高的可靠性和抗干扰能 力，因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。 3.编程简单、使用方便 用单片计算机实现控制，使用的是汇编语言，难于掌握，要求使用者具有 一定水平的计算机硬件和软件知识。而 PLC 采用面向控制过程、面向问题的 “自然语言”编程，容易掌握。例如目前大多数 PLC 采用的梯形图语言编程方 式，既继承了继电器控制线路的清晰直观感，又考虑到大多数电器技术人员读 图的习惯及应用微机的水平，很容易被电器技术人员所接受。PLC 易于编程， 程序改变时也容易修改，灵活方便。它与目前微机控制常用的汇编语言相比， 虽然在 PLC 内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的自动扶 梯控制设备来说，PLC 的控制速度是足够的。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 用单片计算机控制，只有在输入输出接口上做大量工作，才能与控制现场 连接起来，调试也比较麻烦。而 PLC 的输入输出接口已经做好，可直接与控制 现场的用户设备直接连接。输入接口可以与各种开关和传感器连接，输出接口 具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器和电磁阀等连接，使用很方 便。 4.接线简单 PLC 的接线只需将输入设备(如按钮、开关等)与 PLC 输入端子连接，将输 出设备(如接触器、电磁阀等)与 PLC 输出端子连接。接线工具仅为螺丝刀，接 线工作极其简单、工作量极少。 5.功能强 现代 PLC 不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完 成 A/D， D/A 转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。因 此，它既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制；既可现场控制，又可 远距离控制。既可控制简单系统，又可控制复杂系统。 6.体积小、重量轻和易于实现机电一体化 由于 PLC 采用了半导体集成电路。因此具有体积小、重量轻、功耗低的特 点。且由于 PLC 是专为工业控制而设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐 用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设 备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备。 同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器 控制和单片微机控制；其开发潜力要差于单片微机，不如其功能灵活多样；通 用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。 2.22.22.22.2 可编程序控制器（可编程序控制器（可编程序控制器（可编程序控制器（PLCPLCPLCPLC）的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 自从 1969 年美国 DEC 公司研制出世界上第一台可编程序逻辑控制器 (Programmable Logic Controller ：PLC)以来，经过三十多年的发展与实践，其 功能和性能已经有了很大的提高，从当初用于逻辑控制和顺序控制领域扩展到 运动控制领域。可编程序逻辑控制器(PLC)也该成为可编程序控制器 (Programmable Controller ：PC)由于个人计算机夜间成 PC，为了避免混淆，可 编程控制器仍被称为 PLC11。 早在 20 世纪 20 年代，人们用导线把各种继电器、定时器、接触器及其出 点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是我们 所熟悉的继电器接触控制。但由于它结构简单、设备体积大、动作速度慢、功 能少，不利于产品的更新。近年来，随着大规模集成电路的发展，使得以微处 理器为核心组成的可编程序控制器得到了迅速发展，并广泛应用于各种领域 中，以满足工业化大生产中的高效的，大量的自动化要求。如电动机的起停， 电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等12。 可编程序控制器(Programmable Controller)又简称为 PC 或 PLC，日本电器控 制学会曾对可编程序控制器作了一个定义：“可编程序控制器是将逻辑运算、顺 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 序控制、时序、计数以及算术运算等控制程序，用一串指令形式存放到存储器 中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备 与生产过程进行控制的装置。1987 年，美国国际电工委员会(IEC)对可编程序控 制器定义如下：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工 业环境应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运 算、顺序定时、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式 的输入输出控制各种机械或生产过程13。 可见 PLC 是基于计算机技术和自动控制理论而发展起来的，它既不同于普 通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控 制装置，它在系统结构、硬件组成、软件结构以及 I/O 通道、用户界面等诸多 方面都有其特殊性。 可编程序控制器的一般组成： PLC 是以微处理器为核心的工业用计算机系统，其硬件组成与计算机有类 似之处，根据结构的不同，PLC 可分为整体式和组合式。整体式 PLC 是将中央 处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信端口、I/O 扩展端口 等组装在一个箱体内构成主机。另外还有独立的 I/O 扩展单元与主机配合使 用。整体式 PLC 结构紧凑、体积小、小型机常采用这种结构。组合式 PLC 将 CPU 单元、输入单元、输出单元、智能 I/O 单元、通信单元等分别做成相应的 电路板或模块，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有 CPU 的单元称为 CPU 模块，其他单元称为扩展模块。大中型机常采用组合式结构14。 PLC 在运行过程中一般由 CPU、存储器和输入/输出系统三个部分即可完成 预定的各种控制任务，因此可将这三部分称为 PLC 的基本组成部分。其它可选 部件包括编程器、外存储器、模拟 I/O 盘、通讯接口、扩展接口以及测试设备 等。主要用于系统的编程组态、程序存储、通讯联网、系统扩展和系统测试、 维护等，是 PLC 的辅助组成部分，在 PLC 正常运行期间，这些部件并不起作 用，它们主要用于系统的开发、安装、调试和维护。 PLC 的系统程序和用户程序都存放在存储器中现场输入信号经过 I/O 系统 传送至 CPU，CPU 按照用户程序存储器里安放的指令，执行逻辑或算术运算， 并发出相应的控制指令，该指令通过 I/O 系统传送至现场，驱动相应的执行机 构动作，从而完成相应的控制任务。 CPU 是 PLC 的核心，其作用类似于人的大脑。是由控制电路、运算器、存 储器和总线等组成，一般都集成在一块芯片上15。它能够识别用户按照特定的 格式输入的各种指令，并按照指令的规定，根据当前的现场 I/O 信号的状态发 出相应的控制指令，完成预定的控制任务并将结果送到 PLC 的输出终端。另外 它还能够识别用户所输入的指令序列的格式和语法错误，还具有系统电源、I/O 系统、存储器及其它接口的测试与诊断功能。CPU 与其它部件之间的连接是通 过总线进行的16。 PLC 的存储器是用来存放系统程序、用户程序和工作数据的。存放应用软 件的存储器称为用户程序存储器，存放系统程序的存储器称为系统程序存储 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 器。系统程序是由生产厂家预先编制的监控程序、模块化应用功能子程序、命 令解释和功能子程序的调用管理程序及各种系统参数等。用户程序是由用户编 制的梯形图、输入/输出状态、计数/计时值以及系统运行必要的初始值、其它参 数等17。系统程序存储器容量的大小，决定了系统程序的大小和复杂程度，也 决定了 PLC 的功能和性能。用户程序存储器容量的大小，决定了用户程序的大 小和复杂程度，从而决定了用户程序所能完成的功能和任务的大小。从存储器 的性质来分，又分为 ROM 和 RAM 两部分。 输入/输出系统，PLC 的对外功能主要是通过各种接口单元来实现对工业设 备或生产过程的控制。通过各种输入/输出接口电路，PLC 既可以检测到所需要 的过程信息，又可以将处理后的结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实 现工业生产过程的自动控制。输入/输出系统提供了各种操作电平和驱动能力的 输入/输出接口模块，以实现被控过程与 PLC I/O 接口之间的电平转换、电气隔 离、串/并转换、A/D 与 D/A 转换等功能。根据它们所实现的功能不同，可将 I/O 通道分为五种：1.开关量输入通道(DI)；2.开关量输出通道(DO)；3.模拟量输 入通道(AI)；4.模拟量输出通道(AO)；5.脉冲量输入通道(PI)。 其它部件：PLC 的可选部件是与 PLC 的运行没有依赖关系的一些部件，它 是 PLC 系统编程、调试、测试与维护等必备的设备，PLC 可独立于这些可选部 件而独立运行。可选部件包括电源部件、I/O 扩展端口、外设端口、编程工具智 能单元。 可编程序控制器之所以得到迅速的发展和越来越广泛的应用，是因为它具 有一些良好特点： 应用简单方便：应用灵活，简单；编程简化；操作方便，维修容易。 可靠性高：在硬件和软件两方面都采取了严格的措施。 抗电磁干扰性能好，环境适应好：PLC 是直接针对工业环境设计的，而且 由于其结构精巧，所以耐热、防潮、抗震等性能很好。 功能完善：PLC 的基本功能包括：逻辑运算、定时、计数、数制转换步进 控制等。 易于实现网络化，可编程序控制器可怜成功能很强的网络系统。 PLC 的工作原理：PLC 的工作过程，简单的说，是周期循环扫描的过程， 用户程序通过编程器或其它输入设备输入存放在 CPU 的用户存储器18。当 PLC 根据系统运行时，CPU 根据系统程序规定的顺序，通过扫描，可完成输入点的 状态。PLC 循环扫描是对整个程序循环执行，也就是说用户程序不是按固定顺 序从头到尾只执行一次，而是执行一次后，又返回去执行第二次、第三次直至 停机。整个过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。采集或输入数据采集。 用户程序逻辑运算，各输入点的状态更新，编程器键入响应和显示更新，CPU 自检和复位扫描监视用定时，相应调试试用强迫 I/O 的键入等功能。 PLC 的扫描可按固定顺序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行。这 不仅仅因为有程序每扫描一次，执行一次，也因为在一个大控制系统中，需要 处理的 I/O 接口数较多，通过不同的组织模块安排，采用分时分批扫描执行的 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 办法，可缩短扫描周期和提高控制的实时响应速度。 PLC 的系统程序和用户程序都存放在存储器中现场输入信号经过 I/O 系统 传送至 CPU，CPU 按照用户程序存储器里安放的指令，执行逻辑或算术运算， 并发出相应的控制指令，该指令通过 I/O 系统传送至现场，驱动相应的执行机 构动作，从而完成相应的控制任务。PLC 系统监控程序框图，如图 2-1 所示。 初 始 化 程 序 输出通道切断 正 常？ 编 程 方 式？ 编 程 处 理 自 诊 断 编 程 方 式？ 运 行 停 机停 止 处 理 扫描所有输入口输入 状态存入映像寄存器 执行用户程序并刷新 各元件映像寄存器 输出映像寄存器内容 输出至相应输出口 N Y N N N YY Y 图 2-1 PLC 系统监控程序框图 在每一次扫描开始前，CPU 都要进行复位监视定时器、硬件检查、用户内 存检查等操作。如果有异常情况，一方面启动故障显示灯亮，另一方面判断并 显示故障性质。如果属于一般性故障，只报警不停机，等待处理。如果属于严 重故障，停止 PLC 运行。 PLC 的主要技术指标包括以下点： 1. I/O 点数：I/O 点数是指 PLC 外部输入、输出端子的总数。I/O 点数越 多，外部可接的输入器件也就越多，控制规模就越大，一般按 I/O 点数多少来 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 区分机型的大小。 2.扫描速度：扫描速度反应了 PLC 运行速度的快慢。扫描速度快，意味着 PLC 可运行较为复杂的控制程序，并有可能扩大控制规模和控制功能，扫描速 度是 PLC 最重要的一项硬性能指标。 3.指令条数：PLC 的指令条数是衡量其软件功能强弱的主要指标。PLC 具 有的指令条数越多，指令就越丰富，说明其软件功能越强。 4.内存容量：系统程序存放在系统程序存储器中，存储容量之用户程序存 储器容量。用户程序存储器的容量决定了 PLC 可以容纳用户程序的长短，一般 以字为单位计算。每 1024 个字为 1K 字。中小型 PLC 的存储容量一般在 8K 以 下，大型机可达到 256K2M。 5.内部器件：内部器件包括各种继电器、计数器/定时器、数据存储器等。 其种类越多、数量越大，存储各种信息的能力和控制能力就越强。 6.高功能模块：PLC 除了主控制模块外，还可以配接各种高功能模块。高 功能模块的多少及功能强弱往往是衡量 PLC 产品水平高低的一个重要标志。高 功能模块使得 PLC 既可以进行开关量的开环控制，也可以进行模拟量的闭环控 制，能进行精确的定位和速度控制。 7.支持软件：为了便于对 PLC 的编程和监控，各 PLC 生产厂相继开发出各 类计算机支持的编程和监控软件。 8.扩展能力：大部分 PLC 利用 I/O 扩展单元进行 I/O 点数的扩展，有的 PLC 利用各种功能模块进行功能扩展。 2.32.32.32.3 PLCPLCPLCPLC 在自动扶梯控制系统中的应用在自动扶梯控制系统中的应用在自动扶梯控制系统中的应用在自动扶梯控制系统中的应用 1.PLC的控制原则 自动扶梯控制中有大量的逻辑信号需要处理，这部分工作是由PLC完成 的。只有对众多的逻辑信号进行处理，并对各相关元件进行正确指挥，才能完 成自动扶梯的整体控制。根据扶梯运行的需要，PLC主要实现运行、停止、润 滑、检修、逆转判断、安全回路故障判断、速度偏差判断、故障记录、状态显 示等功能。所谓故障处理能力指扶梯出现安全电路、扶梯逆转、超速等故障 时，能自动停梯并报警，提示专业维修人员检修，在故障未恢复之前扶梯无法 再起动。例如当扶梯上行时，上部扶手带出入口开关动作，PLC对信号处理 后，断开相关的输出信号，主接触器、上行接触器和下行接触器的线圈断电， 扶梯停止，蜂鸣器同时鸣响一段时间，运行指示器显示相应故障代码，提示维 修人员停梯的原因是上部扶手带出入口开关动作，同时把故障代码传送到监控 系统，从而使维修人员能够在最短的时间内到达现场并准确排除故障，使扶梯 尽快恢复运行。 2.PLC的工作程序 电气系统组成后，为了实现最优控制还需精心编制PLC控制程序。在PLC的 控制程序中，需要进行处理的逻辑信号首先是安全回路检测信号，该信号用来 判断自动扶梯安全回路是否存在故障，以及故障存在的位置，是自动扶梯安全 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 运行的重要保证。其次还要检测自动扶梯的停止、运行、检修、润滑等信号。 然后通过对这些输入信号的处理，给出相应的运行状态显示和报警等信号，所 有这些控制信号的给出，都是PLC根据各种输入信号通过控制程序处理实现 的。这些程序必须协调一致、判断合理，才能完成自动扶梯的整体控制。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章 自动扶梯的硬件设计自动扶梯的硬件设计自动扶梯的硬件设计自动扶梯的硬件设计 3.13.13.13.1 自动扶梯的简介自动扶梯的简介自动扶梯的简介自动扶梯的简介 本文所设计的自动扶梯是一种可上下运行式、能够大量和连续输送乘客的 大型机电一体化设备。它能迅速的将拥挤的人流分散到个楼层，还能明显地增 添公共场所的豪华气派，自动扶梯广泛用于机场、车站、码头、地铁、商场、 体育、馆宾馆等交通枢纽和商业文化中心。 自动扶梯是带有循环运行梯级，用于向上或向下倾斜输送乘客的固定电力 驱动设备。直观看起来它就像移动的楼梯，同时伴随的扶手带。自动扶梯是由 一台特种结构形式的链式输送机和两台特殊结构形式的胶带输送机所组合而 成，带有循环运动梯路，用以在建筑物的不同层高间向上或向下倾斜输送乘客 的固定电力驱动设备，运载人员上下的一种连续输送机械。 一系列的梯级与两根牵引链条连接在一起，在按一定线路布置的导轨上运 行即形成自动扶梯的梯路。牵引链条绕过上牵引链轮、下张紧装置并通过上、 下分支的若干直线、曲线区段构成闭合环路。这一环路的上分支中的各个梯级 （也就是梯路）应严格保持水平，以供乘客站立。上牵引链轮（也就是主轴） 通过减速器等与电动机相连以获得动力。扶梯两旁装有与梯路同步运行的扶手 装置，以供乘客扶手之用。扶手装置同样由上述电动机驱动。为了保证自动扶 梯乘客绝对安全，要求装设多种安全装置。 自动扶梯，吸收引进国际先进技术设计制造，具有独到的积木式结构、高 精度的梯路轨道使传动更加平稳，其安全设施严格执行 EN115 欧洲标准（此标 准最严格、最先进、要求最高） ，因此具有十分良好的安全保障和运行的高可靠 性。除此之外，还具有结构先进、运行平稳、性能优良、安装维修方便等特 点。 自动扶梯由梯级、牵引链条、梯路导轨系统、驱动装置、张紧装置、扶手 装置和金属结构等若干部件组成。其中梯级、牵引链条以及梯路导轨系统广义 上可称自动扶梯梯路。在本章中，我们先讨论自动扶梯的各主要部件。 自动扶梯有 30、和 35两种倾斜角度，梯级宽度有 1000mm、800mm 和 600mm 三种规格。 1.传动系列 传动系统位于自动扶梯的上部机房内，电机通过联轴节带动减速箱。减速 箱通过链轮和驱动链带动驱动主轴运行，从而带动梯级运动。在电机的头部装 有一带式制动器。 2. 桁架 桁架是一种由全封闭、刚度最好、变形最小的新型矩形钢管材料焊接成德 金属骨架。为了避免桁架的摆动或振动传到建筑物上，在桁架的支点和建筑物 之间填有一种特殊的橡胶减震部件。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 3.导轨系统 导轨由三个完全预装的部件组成。这些部件均通过装配夹具装配在桁架 上，并且均是经过校直的。 三个预装部件是： 头部曲线导轨（包括驱动主轴及扶手驱动轴） 中部导轨（长度根据合同的要求而定） 尾部曲线导轨（包括梯级链张紧装置） 4.梯级 梯级由两根特殊制造的滚子链将其串接起来。滚轮的外圈用聚氨酯制成， 内圈采用滚珠轴承。这样就避免了滚轮与链轮 合时的噪音。链条的每三个链节 上有一个伸出的销轴，该销轴用于联接梯级轴。而梯级则通过一尼龙套固定在 梯级轴上，侧向定位则通过夹子来固定。 5.围裙板 围裙板位于梯级的两侧。为防止意外事故（夹住东西） ，围裙板必须非常光 滑。围裙板和梯级之间的最大间隙为 4mm，两边间隙之和不得超过 7mm。 围裙板也为梯级起导向作用（通过梯级上的滑动导靴） 。 6.扶手支架 扶手支架的护板由无支柱的自支撑钢化玻璃制成。钢化玻璃固定在玻璃夹 紧型件内，扶手带导轨和其支架安装在钢化玻璃上部。 扶手支架是经预装后安装在 架上。其上可安装扶手照明。钢化玻璃也可用 漆面的不锈钢的叠层板代替。 7.梳齿板 梳齿板位于自动扶梯的进（出）口处。各个梳齿板由螺钉固定在梳板相 合 的地方有硬物卡住，将使梳齿板向后移动，碰到触电，则自动扶梯将停止运 行。 8.前沿板 在自动扶梯的上机房和下机房上，由预先成型的整体盖板盖住。盖板面上 有防滑的沟槽。为了在维修时易于搬运，前沿板做成两部分。 9.扶手带 扶手带在扶手导轨上运行，其运行速度与梯级的运行速度是一样的。 扶手带回程在自动扶梯内。回程的扶手带由间隔分布的托轮支承。 10.内外盖板 在扶手支架的护板与围裙板之间及护板与外装饰板之间，用易于拆卸的铝 合金盖板盖住。 11.控制箱 控制箱安放在自动扶梯的上部机房内。 为了方便维修，在前沿板被取掉后，整个控制箱可顺着二根插销拉上来。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 3.23.23.23.2 自动扶梯动作原理说明自动扶梯动作原理说明自动扶梯动作原理说明自动扶梯动作原理说明 在自动扶梯上、下两端各设有一个方向选择钥匙开关及一只红色停止按 钮，当扶梯内各安全开关都处于正常闭合状态，供电正常的情况时，安全继电 器 YJ 吸合，操作人员可根据需要的运行方向，用钥匙操作钥匙开关， 使 KSC、KMS、KMB、KMU(KMD)分别得电并相继吸合，使电机的抱闸打开，电 动机开始做星形起动运转，三秒后 KMS 释放，KMR 吸合，电动机作三角形运 转，当需要停车时按下红色停止按钮，扶梯便停止运行。当扶梯停梯以后想再 次起动扶梯时，一定要等 15 秒以后才可以再次启动，此 15 秒时间的作用是让 扶梯上的乘客离开扶梯，然后扶梯以空载起动运行。扶梯向下运行的作用原理 同向上运行的动作原理相似。 为使乘客能正常登梯，在梯级水