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西安建筑科技大学硕士学位论文 电梯模型p l c 控制系统设计 专业：机械工程 硕士生：连志勇 指导教师：陈宜通副教授 摘要 电梯是高层建筑不可缺少的垂直方向的交通运输工具。由于传统的电梯运行逻辑控 制系统采用的是继电器逻辑控制线路。采用这种控制线路，存在易出故障、维护不便、 运行寿命较短、占用空间大等缺点。从技术发展来看，这种系统将逐渐被淘汰。 本文将可编程序控制器( p l c ) 应用于五层电梯进行逻辑控制，大大提高了电梯可 靠性、可维护性以及灵活性，延长了使用寿命，同时缩短了电梯的开发周期。这种电梯 控制系统较原有电梯控制系统可以更容易的完成更为复杂的控制任务，其许多功能是传 统的继电器控制系统无法实现的。 该电梯控制系统具有司机运行和无司机运行即手动和自动的功能，并且具有指层、 厅召唤、选层、选向等功能。具有集选控制的特点。 关键词：可编程控制器指层控制轿内指令选层选向 论文类型：应用研究 西安建筑科技大学硕士学位论文 d e s i g no f a ne l e v a t o rp l cc o n t r o ls y s t e m s p e c i a l t y ：m e c h t a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：l i a nz h i y o n g i n s t r u c t o r ：a s s o c i a t ep r o f c h e ny i t o n g a b s t r a c t t h ee l e v a t o ri sak i n dt o o lt h a ti si n d i s p e n s a b i l i t yi nt h eh i g h - b u i l d i n gp e r p e n d i c u l a r t r a n s p o r t a t i o n t h et r a d i t i o n a le l e v a t o ra d o p tar e l a y l o # c a lt oc o n t r o li t sc i l f c u l a t i o nw h i c h t h ee l e v a t o rb e c o m ea c c i d e n t - p m n a n e s s ，s h o r tl i f e - s p a n ，i n c o n v e n i e n c ei nm a i n t a i n i n ga n d t h i sc o n t r o lc i r c u i ta l s ot a k e su pb i gs p a c e ，e t c s e ef r o mt h ee y e so ft e c h n i q u ed e v e l o p m e n t ， t h i sl 【i n do fs y s t 锄w i l lb eg r a d u a l l ye l i m i n a t e d t h i st e x ta p p l i e sp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o u e rt oc a r r yo nt h el o g i cc o n t r o li naf i v e l a y e re l e v a t o r ，w h i c h r a i s e st h ee l e v a t o r s r e l i a b i l i t y , m a i n t a i n a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y c o n s u m e d l y ，p r o l o n g st h es e r v i c el i f e ，a n ds h o r t e n st h ed e v e l o p m e n tp e r i o do ft h ee l e v a t o ra t t h es a m et i m e c o m p e t i n gt ot h et r a d i t i o n a le l e v a t o r , t h i sk i n do fe l e v a t o rc a nc o m p l e t et h e i n o r ec o m p l i c a t e dm i s s i o nm o l ee a s i l y ，a n di tc a nc a r r yo u tm a n yf u n c t i o n st h a tt r a d i t i o n a l e l e v a t o rc o n t r o ls y s t e mc a nn o t t h i se l e v a t o rc o n t r o ls y s t e mc o m p o s e so fad r i v e m o v e m e n tc o n t r o ls t a t ea n da n o n d r l v e - m o v ec o n t r o ls t a t e ，n a m e l ya na u t of u n c t i o ns t a t ea n dam a n u a lf u n c t i o ns t a t e i t s t i l lh a ss o m ef u n c t i o n , l i k ei n d i c a t i n gl a y e r ，i n v o k i n gb yh a l l ，c h o o s i n gl a y e ra n dc h o o s i n g d i r e c t i o ne r e i na d d i t i o n ，t h i ss y s t e mh a v eac h a r a c t e r i s t i c so fc o n g r e g a t ec h o o s ec o n t r 0 1 k e y w o r d s ：p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r p o i n tt h el a y e rc o n t r o lt h ei n s t r u c t i o ni n s i d e o ft h e b r i d g ec h o o s i n gt h el a y e ra n dc h o o s i n gt h ed i r e c t i o n t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位己申 请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了致谢。 申请学位论文与资料若有不实这处本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 荟歹! ：、易 日期：2 。多2 一 、： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 彩影印、缩印或者其它毓0 手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：遂歹易导师签名习瑶f 聋函，日期：2 。嘭z 乙 注：请：悔此页附在论文首页 西安建筑科技大学硕士学位论文 绪论 电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的 交通工具。1 8 8 9 年，美国奥梯斯升降机公司推出的世界上第一部以电动机为动力的升降 机，同年在纽约市的马累特大厦安装成功。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼 层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。 传统的电梯运行逻辑控制系统采用继电器逻辑控制线路。这种控制线路，存在易出 故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。从技术发展来看，这种系统将逐 渐被淘汰。 目前，由可编程序控制器( p l c ) 和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快 的速度发展着。采用p l c 控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运 行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为电梯控制的 发展方向，其许多功自是传统的继电器控制系统无法实现的。 可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制 器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控 制的专用计算机i “。自1 9 6 9 年针对工业自动控制的特点和需要而开发的第一台p l c 闯 世以来，迄今已3 0 多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又不同 于顺序控制器和通用的微机控制装置。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业 领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机 常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象 编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都 很容易。用户买到所需p l c 后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序 的编制工作，就可灵活而方便地将p l c 应用于生产实践。而且用户程序的编制、修改 和调试不需要具有专门的计算机编程语言知识。这样就破除了“电脑”的神秘感，推动 了计算机技术的普遍应用。可编程序控制器p l c 在现代工业自动化控制中是最值得重 视的先进控制技术。p l c 现已成为现代工业控制三大支柱( p l c 、c a d c a m 、r o b o t ) 之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功 西安建筑科技大学硕士学位论文 能、易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异 性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统的继电接 触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到 广泛应用l 羽。p l c 的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。 总之，电梯的控制是比较复杂的，在计算机诞生前的几十年里，继电器控制系统为 电梯控制的发展起到了巨大的作用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应电 梯控制的要求和发展，与p l c 相比较，存在着质的差别。电梯使用继电接触器控制的时 代，很难设计出质量优良的电梯控制系统，而现在，可编程控制器的使用为电梯的控制 提供了广阔的空间。p l c 是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着p l c 应用技术 的不断发展，将使得它的体积大大减小，功能不断完善。过程的控制更平稳、可靠，抗 干扰性能增强、机械与电气部件被有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的 功能综合在一起。因此，它已经成为电梯运行中的关键技术。 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 电梯的起源与发展 1 电梯概述 电梯属于垂直提升运输设备，起源于我国古代农业和建筑的原始提升工具。公元前 十一世纪，我国北方劳动人民发明了辘轳。公元前2 3 6 年，希腊人阿基米德设计出一种 人力驱动的卷筒式卷扬机，共造出三台，安装在妮罗宫殿里。在瓦特发明了蒸汽机之后， 于1 8 5 0 年，在美国纽约市出现了世界上第一台由亨利沃特曼制作的以蒸汽机为动力 的卷扬机。1 8 5 2 年美国人伊莱沙格雷夫斯奥梯斯发明了世界上第一部阻蒸汽机为动 力、配有安全装置的载人升降机。这便是世界上第一部备有安全装置的客梯，在1 8 5 7 年被安装在纽约市豪华商厦里。在此期间，英国的5 日姆斯特朗发明了水压梯。随着水压 梯的发展，蒸汽梯也就被淘汰了。后来发展为采用油压泵和控制阀的液压梯，而直到今 天液压梯仍在使用。 在1 8 8 9 年，美国奥梯斯升降机公司推出了世界第一部以电动机为动力的升降机， 这才开始出现了名副其实的电梯，同年在纽约市的马累特大厦安装成功。在1 9 0 3 年， 又将卷筒式驱动方式改进为槽轮式( 即曳引式) 驱动。所谓卷筒式驱动，是将曳引绳缠 卷在卷筒上来提升重物，而槽轮式也称为曳引式驱动，是在曳引绳一端提升重物，另一 端为平衡重，依靠曳引绳和曳引轮的绳槽之间的摩擦来驱动重物作垂直运动。因此，只 要在曳引系统的容量和强度允许范围内，通过改进曳引绳长度就可适应不同的提升高 度，而不再像卷筒式那样受卷筒长度限制。此外，当重物或平衡重碰底时，曳引绳与曳 引槽会由于摩擦力减小而打滑，从而避免了像卷筒式那样，在失控时造成的曳引绳断裂 等严重事故的发生。 曳引式驱动可以使用多条曳引绳，面卷简式驱动方式使用的曳引绳条数却受到限 制。曳引式驱动方式为长行程并具有高度安全性的现代电梯奠定了基础。 当时的电梯使用直流电动机驱动，用改变串接在电枢回路中的电阻值的方法来调节 电梯运行速度。后来发明了交流感应电动机，在1 9 0 0 年开始用于驱动电梯。最初的交 流电动机只是单速的，电梯运行性能很不理想。直到发明了交流双速电动机，才基本满 足了电梯的运行要求。 足了电梯的运行要求。 西安建筑科技大学硕士学位论文 随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多。所以，对电梯的调速精度、 调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。尽管交流电动机结构简单，造价便宜， 但在调速性能方面却难以满足更高的要求，而对直流电动机来讲，由于后来采用了发电 机电动机组调速系统，能较好地满足电梯调速的高要求。因此，在2 0 世纪前半叶，电 梯的电力拖动，尤其是高层建筑物中的电梯速度的调节，几乎都是采用直流调速系统来 实现的。 1 9 0 0 年美国奥梯斯电梯公司制造出世界上第一台自动扶梯。 1 9 1 5 年已设计成功电梯自动平层控制系统。 1 9 3 3 年美国制造出6 m s 的高速电梯。 在第二次世界大战以后，美国的建筑业得以快速发展，促使电梯也进入发展时期， 新技术被广泛用于电梯。1 9 4 9 年研制出4 - 6 台电梯的群控系统。1 9 5 5 年出现了真空电 子管小型计算机控制的电梯。1 9 6 2 年在美国已出现了8 5 m s 的超高速电梯。 在1 9 6 7 年将固体晶闸管用于电梯拖动系统。随着电力电子技术的发展，在用晶闸 管取代直流发电机电动机组的同时，研制出了交流调压调速系统，是交流电梯的调速 性能得到了明显改善。 1 9 7 6 年将微处理器应用于电梯。 1 9 7 7 年日本三菱电机株式会社开发出了l o m s 的超高速电梯。 至此，电梯的控制技术有了很大发展。 进入8 0 年代，电梯控制技术又有了新的变化。由于固体功率器件的不断发展和完 善以及微机技术的应用，出现了交流变频调速系统。1 9 8 4 年在日本已将其用于2 m s 以 上的高速电梯。1 9 8 5 年以后，又将其延伸到中、低速交流调速电梯。交流变频调速技术 被认为是电梯行业的当代技术。 1 9 8 5 年日本生产出世界上第一台螺旋式自动扶梯，使其明显减少了占地面积。 1 9 9 3 年日本生产的1 2 5 m s 世界上最高速的交流变频调速电梯已投入运行。 当前，在电梯电力拖动方面，除了大容量电梯还采用直流拖动系统以外，用交流变 频调速方式取代直流调速方式，以成为高速电梯的主流。 应用微机全面取代继电器控制逻辑实现闭环控制，可进一步提高电梯的性能和可靠 性，并可降低现场调试要求，是电梯控制技术的方恂。 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 电梯群控系统是现代电梯的技术的又一重要组成部分。它不但有完善的分区服务、 运行监控、客流交通统计分析等功能，还具备故障诊断功能。 在电梯品种方面，出现了双层电梯、大吨位的集装箱电梯等。 为适应摩天大楼对电梯的特殊要求，目前正在研制无绳宜线驱动电梯。 对于电梯的曳引机，目前除了中、低速范围的电梯还采用蜗轮副减速装置外，其他 均已采用圆柱斜齿轮曳引系统，使效率提高了1 5 - 2 5 。 此外，用电子位置传感器取代机械选层器、用更先进的装置取代门安全触板、增设 轿厢内通信设施以及轿厢非安全门区语音提醒和运行状态语音报告等装置，也是电梯技 术现代化的体现。 对现代化电梯性能的衡量，主要着重于可靠性、安全性和乘坐的舒适性。此外，对 经济性、能耗、噪声等级和电磁干扰程度等方面也有相应要求。随着时代的发展，对人 在与外界隔离封闭的电梯轿厢内心理上的压抑感和恐惧感也有所考虑。因此，提倡对电 梯进行豪华性装修，比如：轿厢内用镜面不锈钢装潢、在观光电梯井道设置宇宙空间或 深海景象；进而主张电梯、扶梯应与大自然相协调，在扶梯的周围种植花草；在轿厢壁 和顶棚装饰某些图案甚至是有变化的图案，并且在彩色调配上要令人赏心悦目；在轿厢 内播放优美的音乐，用以减少烦躁；在轿厢内播放电视节目，乘客可收看天气预报、新 闻等。 时至今日，电梯已进入了全面发展的新时期。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 2 国外电梯的情况 当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标 志之一。在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍。 世界上有名的几家电梯公司，诸如：美国奥梯斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和 日立公司、芬兰科恩等，其电梯的产量已占世界市场的5 1 。其中，奥梯斯公司和三菱 公司是世界上最大的电梯生产企业。 目前，国外除了以交流电梯取代直流电梯以外，在低层楼房越来越多的使用液压电 梯。此外，家用小型电梯将成为电梯家族中新的组成部分。 电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域， 还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。事 实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。在设计电梯的时候，对机械零部件和电 器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。然而，只有电梯的制造。安装调试、售后 服务和维修保养都达到高质量，才能全面保证电梯的最终高质量j 在国外，已“法规” 实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队 和维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验，从而为电梯运行的可靠性和安全性 提供了保证。因此，可以说乘坐电梯更安全。美国一家保险公司对电梯的安全性做过认 真地调查和科学计算，其结论是：乘电梯比走楼梯安全5 倍。据资料统计，在美国乘其 他交通工具的人数每年约为8 0 亿人次，而乘电梯的人数每年却有5 4 0 亿人次之多。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 3 国内电梯的情况 解放前，全国只有2 0 0 0 台电梯，几乎没有电梯生产企业。解放后，随着我国经济 建设的发展，电梯企业应运而生。我国的电梯企业由6 0 年代开始起步，到了7 0 年代已 初具规模。 改革开放以来，我国电梯的需求量急剧上升。在我国通过引进国际电梯标准以及发 达国家的先进产品和技术，产生了一支以中外合资企业为主体的外向型企业队伍。如中 国迅达公司、天津奥梯斯公司、上海三菱公司、苏州迅达公司和广州电梯工业公司等企 业，就是通过合资和补偿贸易方式，引进发达国家的先进管理和技术，不断改善现有产 品结构和管理体制，使企业素质和产品质量都提高到了一个新水平，推出一代电梯新产 品。 目前，交流调压调速电梯技术已趋成熟，一些企业都有成功的产品。微机控制电梯 是电梯技术的方向，一些生产企业与科研单位相结合，相继推出了微机控制的电梯新机 型，使控制功能得到增强，电梯的性能得到改善，明显提高了可靠性。除了合资企业外， 也有其他厂家开发出了交频调速电梯新产品。另外，用可编程序控制器取代继电器控制 系统的机型对单梯进行控制还是有前途的。有些生产企业开发了紧急供电装置、放火厅 们、地震控制、自检测以及语言合成等电梯新功能；对机械系统采用了新结构、新材料、 新技术和新工艺。总之，与国外先进技术水平相比，虽然还存在一定差距，但国内电梯 技术正以迅猛的发展速度赶超世界先进水平。 中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置，每年销售量己达1 万台左右，约占亚 洲市场的1 5 0 ，一些合资企业在出口创汇方面也做出了贡献。 今年来，为保证电梯最终质量，在建立全国性完整的电梯管理法规、落实检查机构、 壮大安装调试队伍、组建维修保养网络和提高相关人员技术素质等方面，正在进行着一 系列实质性的工作。我国电梯行业，正在走向法规化，加速步入世界先进行列。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 可编程序控制器 可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技 术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护 方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的 青睐。因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制 的三大支柱之一。 2 1 可编程序控翩器的发展历史 在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。这种由继 电器构成的控制系统有着明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度 不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务和工艺发生变化，就必 须重新设计，并改变硬件结构，造成了时间和资金的严重浪费。 1 9 6 8 年，在底特律的美国通用汽车公司( g m 公司) 为了在每次汽车改型或改变工 艺流程时能不改动原有继电器柜内的接线以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期， 提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制指标要求，即十项招标技术 指标。其主要内容如下： ( 1 ) 在使用者的工厂里，能以最短中断服务时间，迅速方便地对其控制的硬件和设 备进行编程及重新进行程序的设计。 ( 2 ) 所有系统单元必须能在工厂内无特殊支持的设备、硬件及环境条件下运行。 ( 3 ) 系统的维修必须简单易行。在系统中应设计有状态指示器及插入式模块，以便 在最短的停车时间内使维修和故障诊断变得简单易行。 ( 4 ) 装置的体积应小于原有继电器控制柜的体积，它的能耗也应较少。 ( 5 ) 必须能与中央数据收集处理系统进行通信，以便监视系统的运行状态和运行情 况。 号。 ( 6 ) 输入开关量可以是已有的标准控制系统的按钮和限位开关的交流1 1 5 v 电压信 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 7 ) 输出的驱动信号必须能驱动以交流运行的电动机起动器和电磁阀线圈，每个输 出量将设计为可开停和连续操纵具有11 5 v 、2 a 以下容量的电磁阀等负载设备。 ( 8 ) 具有灵活的扩展能力。在扩展时，必须能以系统最小的变动及最短的更换和停机 时间，使原有装置从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。 ( 9 ) 在购买和安装费用上，应有与原有继电辑控制系统的竞争力，即有高的性能价 格比。 ( 1 0 ) 用户存储器容量至少在4 k b 以上。( 根据当时的汽车装配过程的要求提出) 从上述十项指标伽可以看出，它实际上就是当今可编程序控制器的最基本的功能。 将它们归纳一下，其核心为四点： ( 1 ) 用计算机代替继电器控制盘。 ( 2 ) 用程序代替硬件接线。 ( 3 ) 输入输出电平可与外部装置真接连接。 ( 4 ) 结构易于扩展。 美国的数字设备公司( d e c ) 中标，并在1 9 6 9 年研制出了第一台可编程序控制器( p o p 一1 4 ) 。其后，美国的m o d i c o n 公司也推出了0 8 4 控制器，1 9 7 1 年，日本推出了d s c 一8 控制器，1 9 7 3 年西欧各国的各种可编程序控制器也研制成功。我国在1 9 7 4 年开始研制 可编程序控制器。 2 2 可编程序控制器发展的几个阶段 可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通 信网络技术等高新技术的发展息息相关。这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的 发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了它们 的发展。 从控制功能来分，可编程序控制器的发展经历了下列四个阶段。 第一阶段。从第一台可编程序控制器问世到2 0 世纪7 0 年代中期，是可编程序控制 器的初创阶段。这一阶段的产品主要用于逻辑运算和计时、计数运算，它的c p u 由中小 规模的数字集成电路组成，它的控制功能较简单。典型产品有m o d i c o n 公司的0 8 4 i l l e n 西安建筑科技大学硕士学位论文 一b r a d l e y ( a b ) 公司的p d q 2 、d e c 的p d p 一1 4 、日立公司的s c y 一0 2 2 等。由于这些产品主要 完成逻辑运算功能，因此被称为可编程序逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r p l c ) 。 第二阶段。从2 0 世纪7 0 年代中期到末期，是可编程序控制器的扩展阶段，在这一 阶段，产品的主要控制功能得到了较大的发展，它的发展主要来自两方面，从可编程序 控制器发展而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同时扩展了其他运算功能：而从 模拟仪表发展而来的控制器，其功能主要是模拟运算，同时扩展了逻辑运算功能。因此， 按习惯的分类方法，前者被称为可编程序逻辑控制器( p l c ) ，后者被称为单回路或多回 路控制器。可编程序控制器的名称缩写为p c ( p r o g r m m a b l ec o n t r o l l e r ) ，但是为了与 个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的名称缩写p c 相区别，通常还是把可编程序控制器 筒称为p l c ，这一阶段的产品有m o d i c o n 公司的1 8 4 、2 8 4 、3 8 4 ，西门子公司的s y m a t i c s 3 系列，富士电机公司的s c 系列等产品。 第三阶段。从2 0 世纪7 0 年代末期到2 0 世纪8 0 年代中期，是p l c 通信功能实现阶 段。与计算机通信的发展相联系，p l c 也在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布 式的通信网络体系，但是，由于制造企业各自为政，通信系统自成系统，因此，各产品 的互相通信是较困难的。在该阶段，由于生产过程控制的需要，对p l c 的需求大大增加， 产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可靠性迸一步提 高。这一阶段的产品有西门子公司的s y m a t i cs 6 系列、富士电机公司的m i c r e x 和德州 仪器公司的t 1 5 3 0 等等。 第四阶段，从2 0 世纪8 0 年代中期开始是p l c 的开放阶段。由于开放系统的提出， 使p l c 也得到了较大的发展。主要表现在通信系统的开放，使各制造企业的产品可以通 信，通信协议的标准化使用户得到了好处。在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完 善，大中型的产品多数有c r t 屏幕的显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得 方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。这一阶段的产品有西 门子公司的s y m a t i cs 5 和s 7 系列、a b 公司的p l c - 5 等。 l o 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 3p l c 的定义和特点 2 3 1p l c 的定义 由于p l c 在不断发展，因此，对它下一个确切的定义是困难的。在二十世纪七十年 代p l c 问世后，由美国电气制造商协会( n a t i o n a le l e c t r i cm a n u f a c t u r e ra s s o c i a t i o n n e m a ) 对p l c 下过如下的定义： p l c 是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运 算、顺序运算、计数计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制“1 。 1 9 8 2 年，国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c a lc o m m i t t e e - l e e ) 颁布了 p l c 标准草案，1 9 8 5 年提交了第2 版，1 9 8 7 年的第3 版对p l c 作了如下的定义：p l c 是 一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序 的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作 的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。p l c 及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原 则而设计。 上述的定义表明，p l c 是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，它有与其他 顺序控制装置不同的特点。 2 3 2p l c 的特点 p l c 能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些下列特点： 1 可靠性对可以维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。p l c 的可靠 性高，表现在下列几方面。 ( 1 ) 与继电器逻辑控制系统比较，p l c 可靠性提高的主要原因： i ) p l c 不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少。与此同时，系 统的维修简单、维修时间缩短，因此可靠性得到提高。 2 ) p l c 采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如冗余设计、掉电保护、故障 诊断和信息保护及恢复等，使可靠性得到提高。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 ) p l c 有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因此对 操作和维修人员的技能要求降低，容易学习和掌握，不容易发生操作的失误，可靠性高。 ( 2 ) 与通用的计算机控制系统比较，p l c 可靠性提高的主要原因： 1 ) p l c 是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制系 统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了经简化的编程语言，编程的出错率大大降 低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。因此，p l c 的可靠性较通用 计算机控制系统的可靠性有较大提高。 2 ) 在p l c 的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高 的元件；采用先进的工艺制造流水线生产：对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等，设有对电 源的掉电保护、存储器内容的保护并采用看门狗和其他自诊断措施、便于维修的设计等 等。 3 ) 在p l c 的软件设计方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软 件滤波、软件自诊断、简化编程语言、信息保护和恢复、报警和运行信息的显示等等。 一份用户选用p l c 原因的调查报告指出，在各种选用p l c 的原因中，第一位的原因 是由于p l c 可靠性高的用户达9 3 。其次，才是性能和维修方便等原因。可见，可靠性 高是p l c 的主要特点。 2 易操作性 p l c 的易操作性表现在下列三个方面： ( 1 ) 操作方便对p l c 的操作包括程序输入的操作和程序更改的操作。大多数p l c 采用编程器进行程序输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型 的p l c ，编程器采用c r t 屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作 也可直接根据所需的地址编号、继电器编号或触点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更 改。更改的信息可在液晶屏或c r t 屏幕上显示。所以p l c 具有操作方便的特点。 ( 2 ) 编程方便p l c 有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，梯形图由于 与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。所以有利于程序的编写和学习。采用布尔助记 符编程语言时，由于符号是功能的简单缩写，十分有利于编程人员的编程。虽然功能表图、 功能模块图和高级描述语句的编程方法应用尚未普及，但是，由于它们具有功能清晰、易 于理解等优点，正为广大技术人员所接纳和采用：并发挥出更有效的功能特点。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 维修方便p l c 所具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低了。当系统 发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障信号灯的提示和故障 代码的显示，或通过编程器和c r t 屏幕的显示，很快地找到故障所在的部位，为迅速排 除故障和修复节省了时间。 为便于维修工作的开展，有些p l c 的制造企业提供了维修用的专用仪表或设备，提 供了故障树等维修用的资料。有些厂商还提供维修用的智能卡件或插件板，使维修工作 变得十分方便。 p l c 的面板和结构的设计也考虑了维修的方便性，例如，对需维修的部件设置在便 于维修的位置，信号灯设置在易于观察的部位，接线端子采用便于接线与更换的类型等， 这些设计使维修工作能方便地进行，从而大大节省维修时间。 采用标准化元件和标准化工艺生产流水线作业，使维修用的备品备件简化，也使维 修变得方便。 3 灵活性 p l c 的灵活性表现在下列三方面： ( 1 ) 编程的灵活性p l c 采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模 块图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。编程方法的多样性 使编程方便，应用面拓展。由于采用软连接的方法，在生产工艺流程更改或者生产设备 更换时，可以不必改变p l c 的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这 种编程的灵活性是继电器顺序控制系统所不能比拟的。正是由于编程的柔性特点，使p l c 能大量地替代继电器顺序控制系统，成为当今工业控制领域的重要控制设备。在柔性制 造单元( f m c ) 、柔性制造系统( 雕s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 和计算机集成过程 控制系统( c i p s ) 中，p l c 正成为主要的控制设备，得到广泛的应用。 ( 2 ) 扩展的灵活性p l c 的扩展灵活性是它的一个重要的特点。它可根据应用的规模 不断扩展，即可进行容量的扩展，功能的扩展，应用和控制范围的扩展。它不仅可以通 过增加输入输出单元来增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，也可以通过多台p l c 的通信来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统( d c s ) 或其他上位机的通信来 扩展它的功能，并与外部设备进行数据的交换等。这种扩展的灵活性大大地方便了用户。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 操作的灵活性操作的灵活性是指设计的工作量大大减少，编程的工作量和安 装旋工的工作量大大减少，操作十分灵活方便，监视和控制变得容易。在继电器顺序控 制系统中所需的一些操作可以简化，不同的生产过程可采用相同的控制台或控制屏等。 2 4p l c 与继电器控制系统的比较 几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在 工业领域中大量地应用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要 求和发展，与p l c 相比较，存在着质的差别，表卜1 给出了p l c 与继电器控制系统功能 与特点的比较。 表2 - 1p l c 与继电器控制功能与特点比较 比较项目 继电器控制p l c 控制功能的实现通过对继电器进行硬接线完对p l c 进行编程实现所需 成相应的控制功能控制要求 对生广厶上己焚化时逋肚任需进行重新设计与接线，适只需对程序进行修改，适应 应性差性强 可靠性元器件多、触点多，容易出采用大规模集成电路，绝大 现故障部分是软继电器，可靠性高 柔韧性与灵活性差具有种类齐全的扩展单元， 扩展灵活 控制的实时性机械动作时间常数大，实时微处理器控制，实时性非常 性差好 占用空间与安装控制柜体积大、笨重，安装体积小，重量轻，安装工作 施工工作量大量小 使用寿命 易损，寿命短寿命长 复杂控制能力极差很强 价格 较低 较高 维护 复杂、工作量大工作量小 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 5p l c 的基本结构 p l c 的型号、规格繁多。它主要由中央处理单元c p u 、存储器、输入、输出等部分 组成。 1 中央处理单元c p u c p u 是p l c 的核心，其主要作用是： ( 1 ) 接收从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中； ( 2 ) 用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入相应的数据寄存器； ( 3 ) 执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序解释后逐条执 行，完成程序规定的逻辑和算术运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序 规定的各种操作； ( 4 ) 通过故障自诊断程序，诊断p l c 的各种运行错误。 因此，c p u 的性能对p l c 的整机性能有着决定性的影响。 2 存储器 p l c 的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。 ( 1 ) 系统程序存储器 该存储器存放系统程序( 系统软件) 。系统程序是p l c 研制者所编的程序，它是决定 p l c 性能的关键。系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标准子程序库 及其他各种管理程序等。系统程序由制造厂家提供，一般都固化在r o m 或e p r o m 中， 用户不能直接存取。系统程序用来管理、协调p l c 各部分的工作，翻译、解释用户程 序，进行故障诊断等 ( 2 ) 用户程序存储器 该存储器存放用户程序( 应用软件) 。用户程序是用户为解决实际问题并根据p l c 的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经c p u 存放入用户存储器。为便于程 序的调试、修改、扩充、完善，该存储器使用r a m 。 ( 3 ) 变量( 数据) 存储器 变量存储器存放p l c 的内部逻辑变量，如内部继电器、怕寄存器、定时器计数器 中逻辑变脸的现行值等，这些现行值在c p u 进行逻辑运算时需随时读出、更新有关内 西安建筑科技大学硕士学位论文 容，所以，变量存储器也采用r a m 。现今用户程序存储器和变量存储器常采用低功耗 的c m o s ra m 及锂电池供电的掉电保持技术，以提高运行可靠性。通常p l c 产品资 料中所指的内存储器容量，是指用户程序存储器而言，且以字( 1 6 位字) 为单位来表示存 储器的容量。 3 输入输出接口( 简称i 0 ) 输入输出接1 3 是c p u 与工业现场装置之间的连接部分，是p l c 的重要组成部分a 与微机的f o 接口工作于弱电的情况不同，p l c 的i 0 接口是按强电要求设计的，即其 输入接1 3 可以接受强电信号，其输出接口可以直接和强电设备相连接。 对于小型p l c ，厂家通常将i 0 部分就装在p l c 的本体部分，而对于中、大型p l c ， 各厂家通常都将i o 部分做成可供选取、扩充的模块组件，用户可根据自己的需要选取 不同功能、不同点数的i 0 组件来组成自己的控制系统。 为便于检查，每个i 0 点都接有指示灯，某点接通时，相应的指示灯发光指示。用 户可以方便地检查各点的通断状态。 n ) 输入接口 输入接口的功能是采集现场各种开关接点的状态信号，并将其转换成标准的逻辑电 平，送给c p u 处理。 一般的输入信号多为开关量信号，各种开关量输入接口的基本结构大同小异，常有 直流和交流开关量输入接口电路两种。 交流开关量输入接口电路与直流开关量输入接口电路的主要区别是，前者要由现场 提供交流电流，输入的交流信号经整流后得到直流，再去驱动光电耦合器。 在机械设备中，除开关量外，还常遇到一些模拟量如温度、压力、位移和速度等。 对这些模拟量进行采集时，必须经模数转换器( a c d ) 将模拟量转换成数字量，才能为 p l c 的c p u 所接受。 ( 2 ) 输出接1 3 为适应不同的负载，输出接口有多种方式。常用的有晶体管输出方式、晶闸管输出 方式和继电器输出方式。晶体管输出方式用于直流负载；双向晶闸管输出方式用于交流 负载，继电器输出方式可用于直流负载，也可用于交流负载。 一些p l c 还判有模拟输出接口，用于需要摸拟信号驱动的负载。 1 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 编程器 编程器是p l c 中一种主要的外部设备，它是开发、维护p l c 控制系统的必备设备。 编程器用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视，还可以通过其键盘去调用与显 示p l c 的一些内部状态和系统参数。它通过通信端1 ：3 与c p u 联系，完成人机对话连接。 编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯，以及编程、监控转换开关。编程器的键盘 采用梯形图语言键符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。 编程器有便携式和c r t 智能式两大类，前者只能联机编程，而后者既可联机编程， 又可脱机编程。便携式编程器体积小，重量轻，可随身携带，便于在生产现场使用。一 般的小型p l c 主要采用便携式编程器。 编程器是专用的，不同型号的p l c 都有自己专用的编程器，不能通用。p l c 正常 工作时，不一定需要编程器。因此，多台同型号的p l c 可以只配一个编程器。 5 其他设备 p l c 的外部设备还有龠式录音机、打印机、e p r o m 写入器及高分辨率屏幕彩色图 形监控设备等。 2 6p l o 的工作原理 与普通微机类似，p l c 也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，p l c 才能正常地工作。软件分为系统软件和应用软件两部分。 p l c 的基本工作如下： ( 1 ) 输入现场信息：在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点的状态； ( 2 ) 执行程序：顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑 运算； ( 3 ) 输出控制信号：根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应 的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。 上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周 期。p l c 的扫描周期通常为几十毫秒。 在实际应用中，大多数机械设备的工作过程可以分为一系列不断重复的顺序操作， 1 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 p l c 的工作方式与此相似。因此，p l c 的程序可与机器的动作一一对应，程序编制简单、 直观，不容易出错，而且容易修改，从而大大减少了软件的开发费用，缩短了软件的开 发周期。 为了提高工作的可靠性，及时接收外来的控制命令，p l c 在每次扫描