三层电梯的电气控制及PLC实现

1 课题名称课题名称 三层电梯的电气控制及三层电梯的电气控制及 PLC 实现实现 课题来源及要求 课题来源及要求 电梯运动包含电梯上下运动以及电梯门的开关运动 电梯只有处在 需停的楼层 方能进行电梯门的开关控制 电梯的上下运动必须在 电梯门关合好后方可运动 课题来源 课题来源 老师 设计要求设计要求 1 列出所有按钮 并说明出其功能 2 电梯楼层显示系统要有 3 电梯状态要有 4 有合理的电气方案及 PLC 实现方案 2 三层电梯的电气控制及三层电梯的电气控制及 PLC 实现实现 正文正文 一 引言 可编程控制器 ProgrammableLogicController 简称 PLC 作为工业 控制专用的计算机 由于其结构简单 性能优良 抗干扰性能好 可靠性高 编程简单 调试方便 在机械 化工 橡胶 电力 石油天然气等行业工业控 制现场已日趋广泛地得到应用 成为工控现场进行实时控制的最主要的控制装 置 同时利用 PLC 所具有的串行通信和计算机的远程通信功能 可实现计算机 对多台 PLC 控制装置的远程集中监控 一 PLC 的产生与发展 PLC 的产生是工业发展的迫切需要和计算机技术的快速进步共同作用的 结果 传统的电气控制装置是继电器 接触器控制系统 继电器 接触器控制 系统采用的是固定接线方式 控制系统的功能决定与接线方式 生产过程有了 变动 控制系统的功能需要相应改变 这就必须重新设计接线和重新安装 调 试 随着市场竞争越来越激烈 市场对产品的需求呈现出多品种 小批量 高 质量和更新换代快的特点 与此相适应 生产工艺和生产设备的功能要随之改 进 控制系统接线也要不断改造 20 世纪 60 年代 随着电子技术在自动控制领域中的应用 出现了由分 立元件和中小规模集成电路构成的逻辑式顺序控制器 由于使用不够灵活而没 能推广应用 1968 年 美国通用汽车公司 GM 为了适应汽车型号不断更新和 生产工艺不断改进的需求 提出新一代控制器应具备简单 灵活和可靠等一些 主要特性 1969 年 美国数字设备公司 DEC 公司 据此研制出世界上第一台 可编程序控制器 PDP 14 并在 GM 公司的汽车生产线上试用成功 PLC 从此诞生 在 20 世纪 70 年代 出现了微处理器 微处理器被应用于 PLC 使 PLC 发生了 巨大的变化 总之 PLC 是专门为工业环境应用而设计和制造的计算机 具有使用简 单 灵活和可靠等优点 是将计算机技术 自动控制技术 通信技术融为一体 的新型工业控制装置 二 PLC 的特点 灵活性好 编程简单 可靠性搞 适应工业环境 安装简单 使用方便 功能日益强大等特点 三 PLC 的主要用途 开关量逻辑控制 模拟量控制 运动控制 联网通信等 四 PLC 的发展趋势 向微型化发展 向集成化 网络化发展 向开放型转变等 3 二 二 PLCPLC 的硬件组成的硬件组成 一 处理器 CPU CPU 是 PLC 的核心 在很大程度上决定了 PLC 的整体性能 CPU 由运算器 控制器 寄存器和各种总线构成 这些电路一般都集成在一块芯片上 CPU 通 过抵制总线 数据总线和控制总线与存储器 输入 输出接口电路相连接 CPU 具有逻辑运算 算术运算和协调控制功能 从执行程序功能角度看 CPU 主要 完成下面的功能 1 从存储器中读取指令 CPU 从地址总线上给出存储地址 从控制总线上 给出上给出读命令 从数据总线上得到读出的指令 并存入 CPU 内的指 令寄存器中 2 执行指令 CPU 对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码 执行指 令规定的操作 如读取输入信号 取操作数 进行逻辑运算或算术运算 等 将结果输出 驱动现场设备 3 准备取下一条指令 CPU 执行完一条指令后 能根据条件产生下一条指 令的地址 以便取出和执行下一条指令 在 CPU 的控制下 程序的指令 既可以顺序执行 也可以分支或跳转 4 处理中断 CPU 除顺序执行程序外 还能接收输入 输出接口发来的中断 请求 并进行中断处理 中断处理结束后 再返回原址 继续顺序执行 二二 元件介绍 元件介绍 1 交流接触器 交流接触器 1 交流接触器主要的组成交流接触器主要的组成 a 电磁系统 包括吸引线圈 动铁芯和静铁芯 b 触头系统 包括三副主触头 和两个常开 两个常闭辅助触头 它和动铁芯是连在一起互相联动的 c 灭弧装 置 一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置 以便迅速切断电弧 免于烧坏主 触头 d 绝缘外壳及附件 各种弹簧 传动机构 短路环 接线柱等 2 交流接触器的工作原理交流接触器的工作原理 当线圈通电时 静铁芯产生电磁吸力 将动铁芯吸合 由于触头系统是与 动铁芯联动的 因此动铁芯带动三条动触片同时运行 触点闭合 从而接通电源 当线圈断电时 吸力消失 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离 使主触头断开 切断电源 3 交流接触器的分类交流接触器的分类 交流接触器的种类很多 其分类方法也不尽相同 按照一般的分类方法 大致有以下几种 4 a 按主触点极数分 可分为单极 双极 三极 四极和五极接触器 单极接 触器主要用于单相负荷 如照明负荷 焊机等 在电动机能耗制动中也可采用 双极接触器用于绕线式异步电机的转子回路中 起动时用于短接起动绕组 三 极接触器用于三相负荷 例如在电动机的控制及其它场合 使用最为广泛 四 极接触器主要用于三相四线制的照明线路 也可用来控制双回路电动机负载 五极交流 接触器用来组成自耦补偿起动器或控制双笼型电动机 以变换绕组接法 b 按灭弧介质分 可分为空气式接触器 真空式接触器等 依靠空气绝缘的 接触器用于一般负载 而采用真空绝缘的接触器常用在煤矿 石油 化工企业 及电压在 660V 和 1140V 等一些特殊的场合 c 按有无触点分 可分为有触点接触器和无触点接触器 常见的接触器多为 有触点接触器 而无触点接触器属于电子技术应用的产物 一般采用晶闸管作 为回路的通断元件 由于可控硅导通时所需的触发电压很小 而且回路通断时 无火花产生 因而可用于高操作频率的设备和易燃 易爆 无噪声的场合 2 时间继电器时间继电器 时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器 1 时间继电器原理时间继电器原理 在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器 它是利用空气通过小孔节流的 原理来获得延时动作的 它由电磁系统 延时机构和触点三部分组成 凡是继电器感测元件得到动作信号后 其执行元件 触头 要延迟一段时间 才动作的继电器称为时间继电器 2 时间继电器类型及特点时间继电器类型及特点 a 空气阻尼式时间继电器又称为气囊式时间继电器 它是根据空气压缩产生 的阻力来进行延时的 其结构简单 价格便宜 延时范围大 0 4 180s 但延 时精确度低 b 电磁式时间继电器延时时间短 0 3 1 6s 但它结构比较简单 通常用在 断电延时场合和直流电路中 c 电动式时间继电器的原理与钟表类似 它是由内部电动机带动减速齿轮转 动而获得延时的 这种继电器延时精度高 延时范围宽 0 4 72h 但结构比 较复杂 价格很贵 d 晶体管式时间继电器又称为电子式时间继电器 它是利用延时电路来进行 延时的 这种继电器精度高 体积小 3 熔断器 熔断器 熔断器是一种过电流保护电器 熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料 等组成 使用时 将熔断器串联于被保护电路中 当被保护电路的电流超过规 定值 并经过一定时间后 由熔体自身产生的热量熔断熔体 使电路断开 起 5 到保护的作用 1 1 熔断器分类熔断器分类 螺旋式熔断器 RL 在熔断管装有石英砂 熔体埋于其中 熔体熔断时 电弧喷向石英砂及其 缝隙 可迅速降温而熄灭 为了便于监视 熔断器一端装有色点 不同的颜色 表示不同的熔体电流 熔体熔断时 色点跳出 示意熔体已熔断 螺旋式熔断 器额定电流为 5 200A 主要用于短路电流大的分支电路或有易燃气体的场所 有填料管式熔断器 RT 有填料管式熔断器是一种有限流作用的熔断器 由填有石英砂的瓷熔管 触点和镀银铜栅状熔体组成 填料管式熔断器均装在特别的底座上 如带隔离 刀闸的底座或以熔断器为隔离刀的底座上 通过手动机构操作 填料管式熔断 器额定电流为 50 1000A 主要用于短路电流大的电路或有易燃气体的场所 无填料管式熔断器 RM 无填料管式熔断器的熔丝管是由纤维物制成 使用的熔体为变截面的锌合 金片 熔体熔断时 纤维熔管的部分纤维物因受热而分解 产生高压气体 使 电弧很快熄灭 无填料管式熔断器具有结构简单 保护性能好 使用方便等特 点 一般均与刀开关组成熔断器刀开关组合使用 有填料封闭管式快速熔断器 RS 有填料封闭管式快速熔断器是一种快速动作型的熔断器 由熔断管 触点 底座 动作指示器和熔体组成 熔体为银质窄截面或网状形式 熔体为一次性 使用 不能自行更换 由于其具有快速动作性 一般作为半导体整流元件保护 用 2 2 熔断器在电动机中的应用熔断器在电动机中的应用 单台直接起动电动机 熔体额定电流 1 5 2 5 电动机额定电流 多台直接起动电动机 总保护熔体额定电流 1 5 2 5 各台电动机 电流之和 降压起动电动机 熔体额定电流 1 5 2 电动机额定电流 绕线式电动机 熔体额定电流 1 2 1 5 电动机额定电流 4 热继电器 热继电器 热继电器是由流入热元件的电流产生热量 使有不同膨胀系数的双金属片发 生形变 当形变达到一定距离时 就推动连杆动作 使控制电路断开 从而使 接触器失 电 主电路断开 实现电动机的过载保护 继电器作为电动机的过载 保护元件 以其体积小 结构简单 成本低等优点在生产中得到了广泛应用 1 1 热继电器的作用是 热继电器的作用是 主要用来对异步电动机进行过载保护 他的工作原理是过载电流通过热元件 后 使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作 从而将电动机控制 电路断开实现电动机断电停车 起到过载保护的作用 鉴于双金属片受热弯曲 6 过程中 热量 的传递需要较长的时间 因此 热继电器不能用作短路保护 而 只能用作过载保护 2 2 热继电器的选择方法 热继电器的选择方法 热继电器主要用于保护电动机的过载 因此选用时必须了解电动机的情况 性质 工作如工作环境 启动电流 负载制 允许过载能力等 1 原则上应使热继电器的安秒特性尽可能接近甚至重合电动机的过载特性 或者在电动机的过载特性之下 同时在电动机短时过载和启动的瞬间 热继电 器应不受影响 不动作 2 当热继电器用于保护长期工作制或间断长期工作制的电动机时 一般按 电动机的额定电流来选用 例如 热继电器的整定值可等于 0 95 1 05 倍的电动 机的额定电流 或者取热继电器整定电流的中值等于电动机的额定电流 然后 进行调整 3 当热继电器用于保护反复短时工作制的电动机时 热继电器仅有一定范 围的适应性 如果短时间内操作次数很多 就要选用带速饱和电流互感器的热 继电器 4 对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机 不宜采用热继电器作为过 载保护装置 而应使用埋人电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护 三三 三层电梯的电气控制及三层电梯的电气控制及 PLCPLC 实现实现 1 1 简单的电梯模型 简单的电梯模型 7 2 2 主电路的系统设计 主电路的系统设计 8 主电路控制系统如图 a 所示 其中 电梯的上升和下降 电梯的开门和关 门控制分别通过两台电动机 M1 M2 的正反转来控制的 图 a 主电路控制系统原理图 图 a 中 接触器 KM1 KM2 控制电动机 M1 的正 反转 实现电梯的上升和 下降 接触器 KM3 KM4 控制电动机 M2 的正 反转 实现电梯的开门和关门 3 3 控制电路的系统设计 控制电路的系统设计 控制电路控制系统如图 b 所示 工作原理及运动过程分析工作原理及运动过程分析 控制电路可分为两部分 第一部分是电动机 M1 的控制电路 第二部分是电动机 M2 的控制电路 其中 都是由电动机 M1 M2 的正反转电路组成 1 当电梯停在一层时 行程开关 SQ1 闭合 如果二层有人呼叫 开关 SB3 闭合 中间继电器 KA1 线圈得电 KA1 的常开触点闭合 使电梯上升接触器 KM1 的线圈得电 电梯向上运动 到达二层时 SQ2 的常闭触点断开 线圈 KM1 失电 此时电梯开门接触器 KM3 线圈得电 电梯门打开 接通时间继电器 KT 30s 后 KT 的常开触点闭合 电梯关门接触器 KM4 线圈得电 电梯门关闭 如果按 SB6 电梯下降接触器 KM2 的线圈得电 电梯向下运动 到一层时电梯门打开 如果按 SB8 电梯上升接触器 KM1 的线圈得电 电梯向上运动 到三层时电梯 门打开 2 当电梯停在一层时 行程开关 SQ1 闭合 如果三层有人呼叫 9 开关 SB4 闭合 电梯上升接触器 KM1 的线圈得电 电梯向上运动 到达三层时 SQ3 的常闭触点断开 线圈 KM1 失电 此时电梯开门接触器 KM3 线圈得电 电 梯门打开 接通时间继电器 KT 30s 后 KT 的常开触点闭合 电梯关门接触器 KM4 线圈得电 电梯门关闭 按 SB6 电梯下降接触器 KM2 的线圈得电 电梯向 下运动 到一层时电梯门打开 3 当电梯停在二层时 行程开关 SQ2 闭合 如果三层有人呼叫 开关 SB4 闭合 电梯上升接触器 KM1 的线圈得电 电梯向上运动 到达三层时 SQ3 的 常闭触点断开 线圈 KM1 失电 此时电梯开门接触器 KM3 线圈得电 电梯门打 开 接通时间继电器 KT 30s 后 KT 的常开触点闭合 电梯关门接触器 KM4 线 圈得电 电梯门关闭 如果按 SB6 电梯下降接触器 KM2 的线圈得电 电梯向 下运动 到一层时电梯门打开人出 30s 后电梯关门接触器 KM4 线圈失电 电 梯门关闭 如果按 SB7 中间继电器 KA3 得电 KA3 的常开触点闭合 中间继电 器 KA2 得电 电梯下降接触器 KM2 的线圈得电 电梯向下运动 到二层时电梯 门打开人出 30s 后电梯关门接触器 KM4 线圈失电 电梯门关闭 4 当电梯停在三层时 行程开关 SQ3 闭合 如果一层有人呼叫 开关 SB1 闭合 电梯下降接触器 KM2 的线圈得电 电梯向下运动 到一层时 SQ1 的常闭 触点打开 电梯停止向下运动 此时电梯开门接触器 KM3 线圈得电 电梯门打 开 接通时间继电器 KT 30s 后 KT 的常开触点闭合 电梯关门接触器 KM4 线 圈得电 电梯门关闭 如果按 SB7 中间继电器 KA3 得电 KA3 的常开触点闭合 中间继电器 KA2 得电 电梯下降接触器 KM2 的线圈得电 电梯向下运动 到二 层时电梯门打开人出 30s 后电梯关门接触器 KM4 线圈失电 电梯门关闭 10 图 b 控制电路控制系统原理图 11 电气原理图如下电气原理图如下 12 4 4 PLCPLC 系统结构设计系统结构设计 1 PLC 选型及地址分配 根据该电梯运动的控制要求 其输入 输出及控制信号共有 20 个 其输入信号 共有 16 个 输出信号 4 个 在实际使用时 系统的输入大都为开关控制量 拟 采用三菱公司 FX1N 40MR 型 PLC 输入输出信号地址分配见表 C 作用 名称 地址 一层内部按钮 SB1 X001 二层内部按钮 SB2 X002 二层内部按钮 SB3 X003 三层内部按钮 SB4 X004 一层外部按钮 SB6 X006 二层外部按钮 SB7 X007 三层外部按钮 SB8 X020 电梯开门按钮 SB5 X000 电梯关门按钮 SB9 X021 一层呼叫按钮 SQ1 X011 二层呼叫按钮 SQ2 X012 三层呼叫按钮 SQ3 X013 电梯开门开关 SQ4 X014 电梯关门开关 SQ5 X015 电梯上升的接触器 KM1 Y1 电梯下降的接触器 KM2 Y2 电梯开门的接触器 KM3 Y3 电梯关门的接触器 KM4 Y4 热继电器 FR1 X022 热继电器 FR2 X023 表 C 输入输出信号地址分配表 13 2 PLC 控制电路设计 图 d PLC 控制系统 I O 端口接线图 图 d 为电梯运动的控制系统 I O 端口接线图 需注意的是 图中对输入的 常闭触点进行了处理 即常闭触点改用了常开触点 14 5 控制系统梯形图编制控制系统梯形图编制 根据控制要求和 I O 地址编制 绘制控制系统梯形图如图 e 图 e 15 6 6 指令语句表 指令语句表 根据梯形图编写出指令语句表 如图 f 图 f 16 四 课程设计总结四 课程设计总结 本课程设计为期一个月 按照要求完成了电气空气与 PLC 的课程设计 其 中 先用电气控制系统来设计电梯运动的课题 在采用 PLC 对电梯运动进行了 自动控制 简化了电气控制系统的硬件和接线 减少了控制器的体积 进一步 提高了控制系统的灵活性 在设计电气控制系统中 采用了电动机的正反转 自锁 行程控制等知识点 结合设计要求所反映出来的运动特性 把这些运动 情况分成几个部分 在对每个运动过程加以分析 最后整理思路 画出原理图 其中在电梯开关门时出现了一些问题 到达某一层时电梯门打开后关闭然后又 自动打开 对此我认真的思索的一下 然后在电梯开关门的控制电路中加入一 个行程开关使问题得以解决 然后采用 PLC 对电气控制进行改造 整理出 I O 端口 编辑出接线图 再由原理图绘制出梯形图