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五层电梯模型plc控制系统设计与调试,毕业设计
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五层电梯模型 plc 控制系统设计与调试 摘 要 电梯作为现代智能建筑内的代步工具。越来越显示出它的重要作用，为了适应电梯的迅速发展。由 PLC 控制代替传统继电器控制已成为发展定局 PLC 是集计算机控制、自动控制技术、通信技术为一体的新型自动控制装置。它的编程软件采用易学易懂的梯形图语言 !控制灵方便，抗干扰能力强，运行稳定可靠，本次设计对传统电梯控制方式加以更新，运用高性价比的现代 PLC 控制方式，力求以人性化、智能化 、置消防为一体。设计出 一款高效、安全、价廉 、 能个性化组合且能在商业办公楼、行政大 楼、中小型宾馆和居民公寓 等各种建筑物中 发挥显著作用的普及型电梯控制系统。实际上电梯是根据外部呼叫信号和自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制都不能满足控制要求。 关键词 电梯 ,PLC,传感器 ,智能化 ,继电器 ,电梯。 nts 目录 摘要 及关键词 . 第一章：绪论 . . 设计思路 . . PLC 可编程介绍 .3. . . 基本组成 . . . .输入输出接口 .4 . . .开关量输入输出接口 .4 . . 模拟量输入输出接口 .4 . . . 功能模板和智能模板 .5 可编程程序控制器的工作过程 .5 编程语言和指令系统 .7 . 编程语言 7 . . . 梯形图语言 . . . 语句表语言 . 指令系统 8 第二章： 硬件部分电路设计 .10 控制电路的基本结构和作用 .10 主电路的设计 .10 第三章： 辅助电路的设计 .11 输入输出电路 .11 确定输入和输出点 个数 .11 第四章： 程序的设计 .11 本设计要达到的具体目的和控制要求 .15 2 本程序的目标 17 第五章： PLC 程序的调试 .19 调试前的准备工作 .19 2 具体调试过程 .21 结束语 23 参考文献 24 致谢 25 nts 绪论 随着变频技术和 PLC 控制技术的发展，自动化应用也越来越多，由于一些行业的的要求或是由于工作和场地的特殊情况，电气控制部分一般都很简单，多数采用人工手动控制或采用继电器控制方式。这些 升降机械存在一些明显的问题，如启动停止和运行不平稳，升降运动过程动作不可靠，自动化程度不高，故障率较高，设备能耗高，无法应急运行，存在安全隐患等等。基于这些问题使得这些升降机械很难在生产生活中发挥高效率的作用，同时也使得国内这些生产的升降机械无法与进口的自动化生产线配套使用，也无法根据实际的生产需要转换和调整升降机械的动作方式和工作顺序。 电梯作为现代智能建筑内的代步工具。越来越显示出它的重要作用，为了适应电梯的迅速发展。由 PLC 控制代替传统继电器控制已成为发展定局 PLC 是集计算机控制、自动控制技术、通信技 术为一体的新型自动控制装置。它的编程软件采用易学易懂的梯形图语言 !控制灵方便，抗干扰能力强，运行稳定可靠，本次设计对传统电梯控制方式加以更新，运用高性价比的现代 PLC 控制方式，力求以人性化、智能化方向推存出新 !设计出一款高效、安全、价廉；能个性化组合且能在商业办公楼、行政大楼、中小型宾馆和居民公寓中发挥显著作用的普及型电梯控制系统。实际上电梯是根据外部呼叫信号和自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制都不能满足控制要求。因此，本系统采用经验设计法为 主的设计方法，取得了良好的效果。 . 本程序的设计思路 针对控制要求 ,选用 MOV 指令 CMP 指令为主 ,即先把轿厢所在楼层号传送到一个通道中，再把呼梯楼层号传送到另一个通道中，然后将这两个通道的内容进行比较。若呼梯楼号大于轿厢所在楼号则电梯上行 ( 若呼梯楼号小于轿厢所在楼号则电梯下行 (若两楼号的内容相等则电梯停在该楼层，对于电梯的这种控制方式是本例程序设计的主线，为了实现电梯顺向优先执行的功能，即当电梯在上行过程中有多个呼梯信号发出时，先接送轿厢所在楼层以上的乘客，直到轿厢以上楼层无呼梯信号或轿厢已到达建筑 物顶层时，电梯才会往下行驶；当电梯在下行过程中有多个呼梯信号发出时，先接送轿厢所在楼层以下的乘客，直到轿厢以下楼层无呼梯信号或轿厢已到达建筑物底层时，电梯才会往上行驶；本例各楼层的指示灯一经点亮，就将本楼层号码实时传送到同一个通道中， 但由于 PLC 是至上而下扫描程序的，而且通道内的数据随着程序读取的进度在不断的改变，因此在所有点亮的指示灯中，只有最靠近程序末尾的指示灯传送的楼层号，才能最后保持在通道内并传送到输出，直到电梯到达该楼层熄灭指示灯后，通道内的数据才可能在输出时发生改变。这样就确保了 PLC 在读取呼 梯信号时，始终按照程序段的排列顺序来读取。本例将传送呼梯楼层号的程序段分别按照从一楼到 五 楼和从 五 楼到一楼进行排列，中间设置 CJ 指令， 当电梯处于上行状态时 JMP指令将从 五 楼到一楼的程序段跳过，转而执行从一楼至 五 楼的程序段，这样以来，由于高楼层的程序段最靠近程序末尾，即最先被执行输出，于是电梯就优先执行上行信号，反之亦然。另外由于电梯是用来运载乘客的。 因此，它的运行的可靠性要求很高。本例用一个启动按钮和一个停止按钮来控制电梯的起停 !在按下启动按钮时，系统立即上电，电梯处于待命状态。而电梯在运行过程中按下停 止按钮时， 电梯不会马上停下来，因程序中设置了等待、nts延时环节，当轿厢内的最后一位乘客走出轿厢后，程序中的等待部分动作将所有呼梯按钮锁定（此时按下任何呼梯按钮都为无效），并使轿厢下降到一楼，经自动开门和延时关门之后启动十秒定时部分（若在这十秒内有人按下轿厢内的开门按钮电梯仍会开门），延时时间到动作。将系统电源切断，此时电梯才被真正关断。针对各项内容编写出相应的程序后，将各个环节编写的程序合理的联系在一起，即得到一个满足控制要求的系统程序。 . PLC 可编程序介绍 可编程序控制器是二进制逻辑运算为主的、专 为工业环境应用而设计的控制器，后来发展成为具有各种接口，且通讯功能和 软件能日趋完善的工业控制器。为与个人计算机区分，可编程序控制器一般简称为 PLC。 PLC 与单片机等计算机控制系统相比，具有以下特点：全系统采用模板化标准结构；针对生产过程的系列化 I/O 接口模板，能适用于各种电压等级，越来越丰富的智能接口模板；模块化软件和面对普通电气人员的梯形图编程语言；系列化产品形成，同系列不同型号间联网容易；适应工业环境，安装维护容易；可靠性高，故障率低；系统组成灵活，易扩充，易更新；便于在线调试修改；性能价格比随系统 的扩大而提高，投资比例随生产对象的扩大和复杂而降低。自 1969 年 PLC 诞生至今， PLC 已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。 IEC（国际电工委员会）从 1979 年开始制定 PLC 标准，且每隔 23 年审议一次。 . . 基本组成 虽然 PLC 的制造厂家很多，其系列型号琳琅满目，但一般而言， PLC 的基本组成可用图 - -1 表示，由中央处理器单元（ CPU 板）、输入接口部件、输出接口部件、输出接口部件和电源部件等四部分组成。 图 - -1 PLC 基本组成 CPU 板是控制器的核心，许多 厂家的 PLC 的都采用单片机作为 CPU 板，其内部一般包括 CPU 单元、储存起去、内部 I/O 通道等。为了减少对机内单片机内存容量要求的压力，许多 PLC 的 CPU 内部除数据存储器外，其程序储存器通常仅储存 PLC 系统管理程序，而用户程序则采用单片机片外扩展的方法来解决。 输入输出（ I/O）部件是连接现场设备与 CPU 板之间的接口电路。由于 PLC 要满足工业生产现场恶劣环境的要求， I/O 部件通常需要针对工业环境等实际情况来采取必要的措施进行设计，以满足抗干扰方面的要求。 电源部件为 PLC 内部其他各部件提供合适的 电压稳定的电源。从结构形式上看， PLC 可分为整体形式 结构 和模块形式结构。对于整体形式结构，四个基本部件部分安装在同一机壳内；对于模块式结构，四个基本部件各自独立封装，成为独立的模块，各模块之间通过机架和总线连接。小型 PLC 一般为整体式结构，大、中型 PLC 则多为模块式结构。不管是整体nts式或模块式 PLC，由于总线都是可对外开放的，其 I/O 在总点数不超过选定机型规定的条件下，都可根据用户的需要进行组合和扩展。 . . 输入输出接口 PLC 输入输出接口的主要功能是与外部设备联系。 I/O 接口技术对 PLC 能否在恶劣 的工作环境中可靠工作起着关键的作用。 PLC 的 I/O 接口可分为开关 I/O 和模拟 I/O 两类。 . . 开关量输入输出接口 开关量 I/O 又称为数字量 I/O 或离散量 I/O。 PLC 以开关量顺序控制见长。任何一个生产设备或过程的控制与管理，几乎都是按步骤顺序进行的，工业控制中 80%以上的工作都可以有开关量控制完成 . . 模拟量输入输出接口 模拟量 I/O 接口模板的主要功能是数据转换。输入数据有多路选择开关选定，经过 A/D转换成为数字量，再经过光电隔离后送到输入锁存器供 PLC 调用。 PLC 处理的数字量由输出锁 存器经光电隔离、 D/A 转换变成模拟量信号，再经过放大驱动输出到外接设备，其原理如图 - - 所示。 模拟量输入模板的信号范围通常是：电压信号 15V， +10V， 010V；电信号 020Ma。模拟量输入模板的分辨力多为 12 位，有的可达 13 位，其点密度常见的有 2、 4、 8 和 16 点。 使用模拟量输入输出接口 模板 时都应注意所选 PLC 的特殊限制，如模板总数限制、 I/O 总点数限制等，模块式 PLC 还应注意模板安装位置的限制。 . . 功能模板和智能模板 功能模板通常指构成系统特殊功能所需的 模板，主要有：人机对话、远程 I/O、串行通讯、与上位机联网、高级语言、热备模板等。智能模板则是带自己独立的 CPU 芯片或相应控制的专用模板，有些智能模板还能在脱离 PLC 后正常工作，这类模板有：温度传感器输入、高速计算器、 PID 调节、凸轮模拟器、阀位控制、位置控制、电动机轴定位控制等。 可编程程序控制器的工作过程 CPU 不能同时处理多个操作任务，而只能按分时操作原理，每一时刻执行一个操作，一个操作完成后再接着执行下一个操作。这种分时操作过程称为 CPU 对程序的扫描过程。 PLC 的工作过程就是 CPU 扫 描程序的过程， 如图（）。 接通电源经过复位和初始化程序后， PLC 开始进入正常的循环扫描工作。首先， PLC 进行自诊断查错，检查系统硬件和用户程序存储器。若发现错误， PLC 将切断一切输入，停止运行用户程序，并通过指示灯发出警报；如果属于一般性错误，则只要发出警报，等待处理，但不停机。当检查未发现错误时， PLC 将输入接口采样的输入信号从输入缓冲器读入，存放在映像存储器备用。接着，PLC 从第一条指令开始，逐条执行用户程序，直到最后一条（通常是 END 指令，是 PLC 判图 1-2-4 PLC 模拟量输入 /输出接口 nts断用户程序是否执行完的标志）。执行完用户程序后， 再次复位 WDT。设置 WDT 的目的是确保系统正常工作，如果在设定的时间内， WDT 不能复位，则发出错误信号。 然后，将存放在输出映像存储器的数据 送到输出锁存器锁存（由输出驱动电路通过输出端子输出给外设）。刷新 I/O 数据后，复位监控定时 WDT（ Watchdog Timer）。 最后， PLC 进入服务外设命令的操作。设置外设服务是为了方便操作人员的介入，有利于系统的控制和管理，但并不影响系统的正常工作。若没有外设命令或外设命令处理完毕后，PLC 自动再次进入自诊断操作，自动循环扫描运行。 初始化 自诊断查错 出错否 采样、扫描、刷新输入信号并存入输出映像区 复位 WDT 逐条执行用户程序，其输出结果存入输入映像区 程序结束否 输出刷新 复位 WDT 外设服务 执行出错处理程序，判断出错性质（报警或关闭系统） 是 否 图 PLC 工作过程 上电复位 nts 编程语言和指令系统 . 编程语言 PLC 的主要应用场合是工业控制过程，主要使用对象是工程技术人员。因此， PLC 的编程语言要满足易于调试的要求。 PLC 通常以内部数据储存器单元作为变量，以一些具体参数或具体单元的地址作为常数，所以有明确的变量和常数。 PLC 的程序结构为典型的块式结构，应用软件的形成只需要编辑这个过程，其余由系统软件自动完成。利用编程器的按键、显示和内部编辑、监控等软件的支持，可使 PLC 程序的调试变的容易。因此，一般 PLC编程语言的主要特点 有：图形化指令结构；明确的变量和常数；简化的程序结构；应用软件形成过程简便；程序调试容易等。 不同厂家 PLC的编程语言各不同，但从总体形式看，可分为两大类：梯形图语言和语句表语言。 除此之外，有的 PLC还支持流程图 CSF（ Control System Flowchart）语言编程。CS编程语言采用了数字电路中常见的逻辑电路符号作为编程的基本符号，并采用数字电路原理图的表达方式来表达程序中各变量之间的逻辑关系 。 . . 梯形图语言 梯形图语言采用的图形与实际继电接触器控制系统的梯形图（控制线路图）相似，具有很强的直观性和形象感。简单的 PLC 逻辑控制、系统的梯形图与有触点的电气原理图的比较，其中图 3- - 所示电气原理图与 PLC 梯形图的比较，图（ a）是带有自锁触点的线圈控制原理图，图（ b）则是相应的 PLC 梯形图。 由图可见，在电气原路图中，线圈 K 通电与否（数据逻辑通电为“ 1”，断电为“ 0”）取决于开关 S1、 S2 及触点 K 的接通或断开（逻辑关系）。要使线圈 K 通电（为“ 1”），必须使 S1 或 K 动作闭合（为“ 1”），且 S2 复位，其常闭触点闭合（复位为“ 0”，但常 闭触点表示为逻辑非，即“ 0”的非为“ 1”，表示闭合）。在 PLC 中，要使输出端子 Q 的值输出高电平，则内部存储单元 A 储存的值应为“ 1”或 Q 存储的值为“ 1”，且 B 储存的值则应为“ 0”，才能继续保持 Q 的值为“ 1”。 Q 的值为“ 1”，则可以通过输出接口输出高电平，从而实现原理图中需要硬件开关、触点才能实现的控制功能。 S1 S2 K K A Q B Q （ a）电气原理图 （ b） PLC 梯形图 图 3- - 电气原理图与 PLC 梯图形土 22 nts在 PLC 梯形图中，内部存储器单元也形象地称为元件，但这是一个软元件。实际上，一个元件的线圈或触点是内部存储器单元中的一个位来储存其状态。储存值为“ 1”，表示该元器件的线圈处于通电状态，元件的常开触点闭合， 常闭触点断开。由于内部存储单元中的内容可被无限次调用（读取），因此在 PLC 中“线圈元件”的“触点个数”从理论上讲有无穷多个。由次可见， PLC 梯形图表示的逻辑控制，实际上是采用程序软件取代实际硬件的控制。 PLC 梯形图中元件和连接线中实际并没有电流流过，编写程序时必须清楚这一点，它仅代表“线圈元件”与各“触点”间的逻辑关系。 PLC 梯形图表示的元件种类主要有：继电器、定时 /计数器以及其他功能元件。继电器元件最为简单，只有线圈和触点。定时 /计数器元件除了线圈和触点外，还需要表示定时 /计数值的参数，这时图形相当于汇 编语言中的操作码，参数相当于操作数。 PLC 梯形图中的其他功能（中断、跳转、子程序调用和返回、 I/O 映像更新等），有的 PLC 还有高级指令功能。一般而言，功能元件（或称为功能指令）在 PLC 梯形图中也是用线圈符号加参数或带有参数的功能块来表示。有的 PLC 的一条功能指令可能用多个线圈表示，其中只有一个执行线圈，其他的都是参数设定线圈。 对于 PLC 梯形图中采用的符号，各种机型之间有一定的差异，而元件所使用的编号则完全不同。这不仅是内部存储器的短员数不一样，而且还有各自的汇编程序设计不同的原因。 . . .语言表语 言 大多数 PLC，既可采用梯形图语言编程也可采用语句表语言编程。 PLC 的语句表语言采用助记符来表示，一般由操作码和操作数组成。操作码表示的是指令需要完成的操作功能，操作数为变量或常数。 变量指数据存储单元在 PLC 工作时其存储内容是变化的。可作为变量寻址的 PLC 元件（数据存储器单元）主要有：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、专用辅助继电器、定时 /计数器、状态寄存器和数据寄存器。不同的 PLC 作为变量的单元地址范围通常也不同，但对于确定的机型，变量的地址范围是有明确规定的。 除了变量外，常数也是语句表语言中操作 数的主要形式之一。使用常数的场合主要有：算术运算等指令需要进行赋值时；需要通过两个或以上参数才能确定指令的操作功能时。例如，对定时器或计数器的设定，第一个操作数选择变量（定时器或计数器单元）的地址，第二个操作数确定定时 /计数器的定时 /记数值。有些 PLC 对某些特定操作功能采用 专门的子程序来实现，着些子程序则以编号的形式存放在 PLC 的系统程序中。此时，操作数除了指定完成操作所需要的参数外，还用来指定具体调用的子程序的编号。 . 指令系统 PLC 指令的常见类型 PLC 指令的类型主要有：基本逻辑指令、定时 /计数器指令、数值运算指令、数据变换处理指令、程序控制指令以及其他功能指令等。 （ 1）基本逻辑指令。基本逻辑指令是 PLC 最基本的指令，用来完成对继电器 逻辑变量的布尔运算。主要的基本逻辑指令有：装入指令（又称“取”指令、连接指令、输入指令）、赋值指令（又称输出指令）、逻辑与指令（又称触点串联指令）、逻辑或指令（又称触点并联指令）、复位置位指令、脉冲指令等。 装入指令（“取”指令）用于一段程序的开始，表示将某一单元的内容取出 来准备用于运算操作； 赋值指令是将一段程序的计算结果赋值给某一数据储存单元的操作指 令，在 梯形图中相当于是一个线圈通电或断电的输出，所以又称为输指令； （ 2）定时 /计数器指令。定时 /计数器指令用来对事件发生的时间间隔或次数进行控制。nts定时器的实质也是计数器，只是其计数的脉冲是内部的时钟脉冲。计数器的基本功能是在满足执行条件的情况下，根据计数输入脉冲的次数进行递增或递减计数。当计数值达到预先设定值时，将一个特定发逻辑变量置位为 1。 （ 3）数值运算指令。 PLC 数值运算的基本指令是四则运算指令。操作功能为：对两个操作书实施运算，并将运算结果存放到另一个操作数指令的单元。加、减、乘、除运算由操作码 指定。通常加减法指令的三个操作数的字长相同；而乘法指令中结果操作数的字长一般需要增加一倍。例如，参加运算的操作数为单字节数时，运算结果则为双字节数，占用两个相邻的数据寄存器。 （ 4）数据变换处理指令。数据变换处理指令完成的操作功能主要有：数据的传送和比较、数据类型的变换、逻辑位的运算（与、或、非）和处理等。除了对立即位的“非”运算指令外，这类指令和数值运算指令一样，通常也需要三个操作数。 （ 5）程序控制指令。程序控制指令主要有：定时中断、软件中断指令；跳转指令；子程序调用及返回指令；对指令的 I/O 映像寄存器 执行立即更新指令等。 （ 6）其他功能指令。随着 PLC 的发展，其指令功能不断增强，不同的 PLC 有不同的特殊指令，如工作状态诊断指令、智能模板信息读写指令、主机热备指令等。此外，一些复杂的运算或处理指令也在指令系统中出现，如各种浮点数、三角函数和反对数等的运算指令、PID 算法指令甚至宏操作指令等已成为 PLC 指令系统的发展方向。 nts第二章 硬件部分设计 .1 硬件电路设计 硬件电路是系统用于驱动外部设备执行工作的部分，它可分为主电路和辅助电路，主电路（ 见图 - - ）采用 380 伏的三相电源 !经交流接触器、热继电器等常用低压电器直接驱动三相电机的运转。辅助电路以 PLC 器件为主 !结合开关按钮等用于控制主电路中各接触器、继电器的通断，从而控制主电路的运行状态。 它采用交流 220 伏和直流 24 伏两路电源供电，其中 24 伏电源联结按钮和开关，可以确保乘客的操作安全。 图 - - 电梯主电路 .2 主电路的设计 电梯的运行状态有四种：开门和关门，上升和下降 开门 和关门可由一台开门电机的正反转来实现 !电机正转时电梯开门，电机反转是电梯关门。门开到位或门关紧时压下行程开关以切断电源，使开门电机停转。电梯上升和电梯下降也由一台升降电机来实现 !电机正转时电梯上升 !反转时电梯下降 !并在每层楼中设有双向
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