基于PLC的四节电梯控制.doc

31 四层电梯的PLC控制摘 要 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。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伍维修单位，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。掘资料统计，在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次，而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。目前，由可编程序控制器(PLC)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PLC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。 总之，电梯的控制是比较复杂的，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC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。关键词：PLC； 电梯的控制；电梯的发展方向 目 录摘 要I第一章 绪论11.1电气控制技术概述11.2 可编程控制器简介21.3可编程控制器的基本结构和工作原理31.3.1 PLC的基本结构31.3.2 PLC的工作原理41.3.3 PLC执行程序的过程及特点51.4 PLC的发展前景7第二章 四层电梯装置的控制要求72.1 控制要求72.2四层电梯工作模拟示意图8第三章 四层电梯装置的硬件设计83.1 PLC的选型83.1.1 PLC选型原则83.1.2 PLC的技术参数93.2输入输出 I/O口分配统计103.2.1 输入信号的确定103.3 I/O接线图13第四章 四层电梯的控制程序设计144.1 PLC程序设计方法简介144.2四层电梯的系统梯形图设计14第五章 程序调试方式及过程说明205.1 调试及仿真205.1.1仿真软件介绍205.2仿真过程及结果20第六章 总结和展望24参考文献25附录.26II第一章 绪论1.1电气控制技术概述电气控制技术在工业生产、科学研究以及其他各个领域的应用十分广泛，已经成为实现生产过程自动化的重要技术手段之一。尽管电气控制设备种类繁多、功能各异，但其控制原理、基本线路、设计基础都是类似的。在工业、农业、交通运输等行业中都要用到各类生产机械，这些机械的电力拖动及设备主要使用电动机作为动力，例如各种生产流水线等。中国生产的电能约60用于电动机，其中的70以上又用于一般用途的交流异步和同步电动机。因此，掌握电气控制技术的应用很重要。电气控制就是通过电气自动控制方式来控制生产过程。电气控制线路是把各种有触点的接触器、继电器以及按钮、行程开关等电气元件，用导线按一定方式连接起来的控制线路。电气控制线路能够实现对电动机及其他执行电器的启停、正反转、调速及制动等运行方式的控制，所以，电气控制通常被我们称为继电接触器控制，这种控制方式比较传统。由于继电接触器控制线路图简单，装置简单容易，价格便宜，抗干扰能力强，它可以很方便地实现简单和复杂的、集中和远距离的生产过程的自动控制。但是继电接触器控制线路采用固定接线形式，其通用性和灵活性差，一旦做成不易改变，另外不能实现系列化生产。由于采用有触电的开关电器，触点易发生故障，尽管如此，电气控制线路仍然应用广泛。虽然不同的生产工艺要求不同的电气控制线路，但是大多数都是由一些典型控制环节组成的。因此，掌握基本环节的典型控制系统，结合具体的控制要求按照由浅入深、循序渐进的步骤，电气控制线路的阅读及设计能大致掌握。电气控制线路有两种设计方法：一种是经验设计法；另一种是逻辑代数设计法。两种设计方法各有利弊，使用时需要根据生产工艺及一些特殊要求选择最佳的电气控制线路。电气控制线路的各种图形及文字符号必须按国际标准绘制，典型环节需要牢固掌握，以便设计出最省电器设备元件且控制性能最佳的电气控制线路。目前，电气控制技术将与其他高新技术相结合，以便更好地控制生产线。1.2 可编程控制器简介 可程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），乃是一种固态电子装置，主要利用输入输出装置的回授信号及储存程序，控制机械或程序的操作。在工厂自动化（FA）系统中，PLC因为具备价格便宜、系统稳定及环境适应性佳的特点，故一直为自动化业界所采用。近几年来，各PLC制造厂家无不致力于新机种的研发，所以在CPU 处理速度、扩展模块及通讯的功能上，相较于早期PLC控制器，已有长足的进展。在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国通用汽车公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller(PC)。 个人计算机(简称PC)发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC)。 为了避免与个人计算机（ Personal Computer ）PC 这一简写名称术语混乱，仍沿用早期的PLC 表示可编程控制器，但PLC 并不意味着只具有逻辑运算的功能。国际电工委员会在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC做了定义：“PLC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、定时、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。PLC及其有关的外部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。”我们这一次所设计的霓虹灯显示屏的PLC控制设计采用了日本著名的三菱公司生产的FX1N-48MR作为核心的控制器件，充分发挥了PLC的优越性能，充分考虑到了霓虹灯广告显示屏在实际应用各种功能的实现广泛应用，用最简单的 PLC指令，能够实现课程设计所要求的所有控制要求。且本系统所涉及的定时器与中间继电器软组件完美组合，完全符合PLC控制系统设计的一般设计方法，能激发我们的学习兴趣。1.3可编程控制器的基本结构和工作原理1.3.1 PLC的基本结构 PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用可编过程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现，应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图1.1所示。1.3.2 PLC的工作原理PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时响应随时变化的输入信号，用户程序不是执行了一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环中，PLC还要完成内部处理，通讯处理等工作，一次循环可分为5个阶段。图1-2 PLC的扫描过程在内部处理阶段，进行PLC自检，检查内部硬件是否正常，对监视定时器（WDT）复位以及完成其它一些内部处理工作。在通信服务阶段，PLC与其它智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。当PLC处于停止（STOP）状态时，只完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于运行（RUN）状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。PLC的扫描工作方式简单直观，便于程序的设计，并为可靠运行提供了保障。当PLC 扫描到的指令被执行后，其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用，而且还可通过CPU内部设置的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。1.3.3 PLC执行程序的过程及特点1. 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。 2. 程序执行阶段 在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。 图1-3 PLC执行程序过程示意图3. 输出刷新阶段 当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。 因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。 在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。这种方式称为集中输出。 对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。 而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。 从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入输出响应滞后。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟，同时还与程序设计有关。滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。1.4 PLC的发展前景PLC中国市场预期以124的年复合增长率（CAGR）增长，市场份额预计从2006年的接近7.5亿美元增长到2013年的15亿美元。一些新兴行业的运用以及新能源产生、储存和基础设施建设的需要，无疑给PLC带来了巨大的机遇，特别是在OEM、楼宇自控等低迷的行业中，将会有很大的起色。 第二章 四层电梯装置的控制要求2.1 控制要求1.开始时，电梯处于任意一层。 2当有外呼梯信号到来时，轿厢响应该呼梯信号，到达该楼层时，轿厢停止运行，轿厢门打开，延时两秒后自动关门。 3当有内呼梯信号到来时，轿厢响应该呼梯信号，到达该楼层时，轿厢停止运行，轿厢门打开，延时两秒自动关门。 4在电梯轿厢运行过程中，轿厢上升（下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反方向外呼梯信号前方向无其他内、外呼梯信号时，则电梯响应该外呼梯信号。例如，电梯轿厢在一楼，将要运行到三楼，在此过程中可以响应二层向上外呼梯信号，但不响应二层向下外呼梯信号。同时，如果电梯到达三层，如果四层没有任何呼梯信号，则电梯可以响应三层向下外呼梯信号。否则，电梯轿厢将继续运行至四楼，然后向下运行响应三层向下外呼梯信号。5电梯应具有最远反向外呼梯响应功能。例如，电梯轿厢在一楼，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，则电梯轿厢光上四楼响应响应四层向下外呼梯信号。6电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯轿厢停止运行后，按开门按钮轿厢门打开，按关门按钮轿厢门关闭。2.2四层电梯工作模拟示意图 第三章 四层电梯装置的硬件设计3.1 PLC的选型3.1.1 PLC选型原则 根据设计要求可知，PLC点数的选择，不管是输入点数还是输出点数都要留有一定的余量，根据I/O口分配情况可知：输入信号有14个，输出信号有17个，根据I/O点数可选择可编程控制器，以满足控制要求，而且输入输出都留有一定的余量。作为主要控制元件：系列是功能很强大的微PLC，课扩展到多达128个 I/O点，并且能增加特殊功能模块或扩展板。通信和数据链接功能选项使得在体积、通信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完美。该机型在运算速度，指令数量及通讯能力方面有了较大的进步，是一种小型化、高速度、高性能、各方面都相当于FX系列中最高档次的超小型的PLC；平均无故障时间可高达30万小时，具有硬件故障的自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。PLC发展到今天，已经具有配套齐全，功能完善，适用性强的优点，可以用于各种规模的工业控制场合。3.1.2 PLC的技术参数PLC的技术参数主要包括一般技术参数和性能技术参数。一般技术参数主要是指PLC产品的工作条件与一般工作环境的适应程度。PLC是专为工业控制设计的，充分考虑了工业环境种种恶劣因数。其技术指标如表2-1所示。表3-1 PLC的一般技术参数环境温度055环境湿度35%89%RH（不结露）抗振JIS C0911标准 1055Hz 0.5mm（最大2G）3轴方向抗冲击JIS C0912标准10G 3轴方向各3次抗噪声干扰用噪声仿真器产生电压为1000Vp-p, 噪声脉冲宽度为1s,频率为30100Hz噪声。耐压AC 1500V 1min绝缘电阻5M以上，DC 500V接地第三种接地，不能接地时，亦可浮空3.1.3 PLC控制单台电梯工作流程3.2输入输出 I/O口分配统计3.2.1 输入信号的确定 名称 符号 输入地址 轿厢内四层呼叫按钮 S4 X000 轿厢内三层呼叫按钮 S3 X001 轿厢内二层呼叫按钮 S2 X002 轿厢内一层呼叫按钮 S1 X003 四层向下召唤按钮 D4 X004 三层向下召唤按钮 D3 X005 二层向下召唤按钮 D2 X006 一层向上召唤按钮 U1 X007 二层向上召唤按钮 U2 X010 三层向上召唤按钮 U3 X011 一层接近开关 SQ1 X012 二层接近开关 SQ2 X013 三层接近开关 SQ3 X014 四层接近开关 SQ4 X0153.2.2 输出信号的确定 名称 符号 输出地址 轿厢内四层呼叫指示灯 L4 Y000 轿厢内三层呼叫指示灯 L3 Y001 轿厢内二层呼叫指示灯 L2 Y002 轿厢内一层呼叫指示灯 L1 Y003 下行指示灯 DOWN Y004 上行指示灯 UP Y005 四层楼层指示灯 SL4 Y006 三层楼层指示灯 SL3 Y007 二层楼层指示灯 SL2 Y010 一层楼层指示灯 SL1 Y011 一层向上召唤指示灯 UP1 Y012 二层向上召唤指示灯 UP2 Y013 三层向上召唤指示灯 UP3 Y014 二层向下召唤指示灯 DN2 Y015 三层向下召唤指示灯 DN3 Y016 四层向下召唤指示灯 DN4 Y017 开门指示灯 OPEN Y020 3.2.3 辅助继电器 名称 内部辅助继电器 四层指示灯辅助 M0 三层指示灯辅助 M1 二层指示灯辅助 M2 一层指示灯辅助 M3 电梯下行辅助 M4 电梯上行辅助 M5 厢内四层指示灯辅助 M6 厢内三层指示灯辅助 M7 厢内二层指示灯辅助 M10 厢内一层指示灯辅助 M11 一层向上召唤指示灯辅助 M12 二层向上召唤指示灯辅助 M13 三层向上召唤指示灯辅助 M14 二层向下召唤指示灯辅助 M15 三层向下召唤指示灯辅助 M16 四层向下召唤指示灯辅助 M17 一层停层辅助 M20 二层停层辅助 M21 三层停层辅助 M22 四层停层辅助 M23 电梯开门辅助 M25 启动显示一层辅助 M30 一层向上召唤确定辅助 M31 二层向上召唤确定辅助 M32 二层向下召唤确定辅助 M33 三层向上召唤确定辅助 M34 三层向下召唤确定辅助 M35 四层向下召唤确定辅助 M36 轿厢内一层确定辅助 M37 轿厢内一层确定辅助 M38 轿厢内一层确定辅助 M39 轿厢内一层确定辅助 M40 3.3 I/O接线图第四章 四层电梯的控制程序设计4.1 PLC程序设计方法简介可编程控制器是将继电器控制的概念和设计思想与计算机技术及微电子技术相结合而形成的专门从事逻辑控制的微机系统。在PLC控制系统应用中，梯形图的往往是最主要的问题。梯形图不但沿用和发展了电气控制技术，而且其功能和控制指令已远远超过电气控制范畴。它不仅可实现逻辑运算，还具有算术运算、数据处理、联网通信等功能，是具有工业控制指令的微机系统。常用梯形图程序的设计方法有逻辑代数法、经验法、翻译法、启-保-停法、时序图法。由于这是一个时序控制性质型的实例，在此我采用的是时序图法。4.2四层电梯的系统梯形图设计按照前面所分配的PLC外部I/O接线图以及与硬件端子对应图，加上必要的连锁环节设计如4-1所示的梯形图程序。 图4-1 四层电梯控制梯形图 第五章 程序调试方式及过程说明5.1 调试及仿真5.1.1仿真软件介绍三菱模拟软件FX-TRN-BEG-C是针对三菱FX系列PLC系列设计的一套模拟仿真软件，可以帮助初学者掌握和理解FX的指令系统，因此要求初学者必须熟悉三菱PLC的指令格式和输入方法。梯形图程序所在的区域，必须使该区域处于激活状态。运用该软件可以清楚地看到仿真的效果。5.2仿真过程及结果由于该设计的的输出信号比较多，