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基于 PLC 控制 电梯 升降 系统 设计

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摘摘 要要 随着科学技术和社会经济的发展 高层建筑已成为现代城市的标志 电梯作为 垂直运输工具 承担者大量的人流 物流的运输 其作用在建筑物中至关重要 与 此同时 人们对电梯的性能要求也越来越高 比如 可靠性 操作方便 舒适性 低噪音等等 可编程控制器由于具有可靠性高 功能强大等特点已成为电梯微机控 制系统的核心 本文在阐述电梯的结构和可编程控制器的结构和工作原理的基础上 针对 3 层 3 站电梯 使用三菱 FX2N 80MR 可编程控制器设计了电梯的控制系统 包括电梯的指 层控制模块 轿内指令和厅外召唤的登记与消号模块 电梯的选层和定向模块 电 梯的开关门运行模块 电梯运行控制模块等 实现了电梯的指层控制 轿内与各层 厅站呼梯指令的记录 电梯运行方向和停靠的层站的控制 自动运行和自动开关门 等功能 关键词 关键词 三菱 PLC 电梯 控制系统 i Abstract As science and technology and socio economic development high rise buildings has become a symbol of the modern city Elevator as a vertical transportation bearers of a large number of people materials transportation and its role is crucial in the building at the same time people on the elevator s performance requirements have become more sophisticated such as reliability easy operation comfort low noise and so on Programmable controller with high reliability because powerful features such as computer control systems have become the core of the lift This paper presents the structure and programmable controllers lift the structure and working principle based on the lift station for the 3 layer 3 using the Mitsubishi FX2N 80MR PLC design of the elevator control system including the elevator floor control module that the car in order and the hall call registration number with the consumption module lift the selected layer and the orientation module the elevator door open to run the module elevator operation control module realized that the elevator floor control the car in the Office with the layers Station call records ladder instructions direction and stop the lift operation control layer stations automatic door operation and automatic switching function Keywords Mitsubishi PLC Elevator Control System ii 目目 录录 摘 要 i Abstract ii 第一篇 相关知识的概况部分 1 第一章 绪论 1 第二章 电梯的概况 2 第一节 电梯的发展简史 2 第二节 电梯的基本结构 3 第三节 电梯的分类 4 第三章 可编程控制器的概况 7 第一节 PLC 的概念及由来与发展 7 第二节 可编程序控制器的硬件 8 第三节 可编程序控制器的工作原理 11 第四节 可编程控制器的特点 11 第五节 基本指令系统和编程方法 13 第六节 PLC 的应用领域 19 第二篇 系统软硬件设计部分 21 第一章 电梯的控制要求 21 第二章 系统的硬件设计 22 第一节 可编程控制器的机型选择 22 第二节 电动机的选型 28 第三节 交流双速电梯的主电路及电器元件 29 第三章 系统软件设计 32 第一节 程序流程图 32 第二节 开关门环节 33 第三节 层楼信号的产生与消除环节 35 第四节 停层信号的登记与消除环节 35 第五节 外呼信号的登记与消除环节 36 第六节 电梯的定向环节 37 第七节 自动运行时起动加速和稳定运行环节 38 第八节 停车制动环节 39 第九节 梯形图的汇总及总结 41 第三篇 程序测试及调试运行部分 42 第一章 PLC 系统的程序测试 42 第二章 PLC 系统的程序调试 43 结束语 46 参考文献 47 iii 附图一 程序指令表 48 附录二 PLC 硬件接线图 51 附录三 电梯平层 停层装置及控制面板图 52 英文文献 53 中文翻译 56 致 谢 59 0 第一篇第一篇 相关知识的概况部分相关知识的概况部分 第一章第一章 绪论绪论 随着科学技术的发展 近年来 我国的电梯生产技术得到了迅速发展 一些电 梯厂也在不断改进设计 修改工艺 更新换代生产更新型的电梯 电梯主要分为机 械系统与控制系统两大部份 随着自动控制理论与微电子技术的发展 电梯的拖动 方式与控制手段均发生了很大的变化 交流调速是当前电梯拖动的主要发展方向 目前电梯控制系统主要有三种控制方式 继电器控制系统 早期安装的电梯多为继电 器控制系统 PLC 控制系统 微机控制系统 继电器控制系统由于故障率高 可靠 性差 控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点 目前已逐渐被淘汰 微机控制系统 虽在智能控制方面有较强的功能 但也存在抗扰性差 系统设计复杂 一般维修人 员难以掌握其维修技术等缺陷 而 PLC 控制系统由于运行可靠性高 使用维修方便 抗干扰性强 设计和调试周期较短等优点 倍受人们重视等优点 已成为目前在电梯 控制系统中使用最多的控制方式 目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造 目前国内七八十年代安装的许多电梯电气部分用继电器控制系统 线路复杂 接线多 故障率高 维修保养难 许多已处于闲置状态 其拽引系统多采用交流双 速电机系统换速 效率低 调速性能指标较差 严重影响电梯运行质量 由于这些 电梯交流调压调速系统和交流双速电机拖动系统性能及乘坐舒适感较差 而且耗能 多 为节约资金 大部分老式电梯用户希望对电梯的电气控制系统进行改造 提高 电梯的运行性能 因此对电梯控制技术进行研究 寻找适合我国老式电梯的改造方 法具有十分重要的意义 电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的工作和生活日益紧密联系 PLC 作为新一代工业控制器 以其高可靠性和技术先进性 在电梯控制中得到广泛应用 从而使电梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向 成为当前 电梯控制和技术改造的热点之一 PLC 是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统 由于 PLC 具有性能稳定 抗 干扰能力强 设计配置灵活等特点 因此在工业控制方面得到了广泛应用 自 80 年 代后期 PLC 引入我国电梯行业以来 由 PLC 组成的电梯控制系统被许多电梯制造 1 厂家普遍采用 并形成了一系列的定型产品 在传统继电器系统的改造工程中 PLC 系统一直是主流控制系统 电梯控制系统分为调速部分和逻辑控制部分 调速部分的性能对电梯运行时乘 客的舒适感有着重要影响 而逻辑控制部分则是电梯安全可靠运行的关键 为了改 善电梯的舒适感和运行的可靠性 现在都改为用 PLC 来控制电梯的运行 这样大大 提高了电梯的性能 可编程控制器 Programmable Logic controller 简称 PLC 是以微处理器为基 础 综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器 它具有可靠性高 适应工业现场的高温 冲击和振动等恶劣环境的特点 已成为解决自动控制问题的 最有效工具 是当前先进工业自动化的三大支柱之一 所以 综上所述 本设计就以 PLC 作为工具对升降电梯的各种操作进行控制 我打算先对三层电梯的硬件部分作分析 看需要什么样的开关 电机 信号灯等 然后 画出它的控制面板图 再根据控制面板图估计一下 I O 点数 这样可以确定 所选机型 然后在软件设计 写出流程图 梯形图 写出语句 最后是进行调试 看看此程序是否可行 第二章第二章 电梯的概况电梯的概况 第一节第一节 电梯的发展简史电梯的发展简史 电梯进入人们的生活已经 150 年了 1854 年 在纽约水晶宫举行的 世界博览会 上 美国人伊莱沙 格雷夫斯 奥 的斯第一次向世人展示了他的发明 他站在装满货物的升降梯平台上 命令助手 将平台拉升到观众都能看得到的高度 然后发出信号 令助手用利斧砍断了升降 梯的提拉缆绳 令人惊讶的是 升降梯并没有坠毁 而是牢牢地固定在半空中 奥的斯先生发明的升降梯安全装置发挥了作用 一切安全 先生们 站在 升降梯平台上的奥的斯先生向周围观看的人们挥手致意 谁也不会想到 这就是 人类历史上第一部安全升降梯 人类利用升降工具运输货物 人员的历史非常悠久 早在公元前2600 年 埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统 这套系统的基本原理至今仍 无变化 即一个平衡物下降的同时 负载平台上升 早期的升降工具基本以人力 为动力 1203 年 在法国海岸边的一个修道院里安装了一台以驴子为动力的起 2 重机 这才结束了用人力运送重物的历史 英国科学家瓦特发明蒸汽机后 起重 机装置开始采用蒸汽为动力 紧随其后 威廉 汤姆逊研制出用液压驱动的升降 梯 液压的介质是水 在这些升降梯的基础上 一代又一代富有创新精神的工程 师们在不断改进升降梯的技术 然而 一个关键的安全问题始终没有得到解决 那就是一旦升降梯拉升缆绳发生断裂时 负载平台就一定会发生坠毁事故 奥的斯先生的发明彻底改写了人类使用升降工具的历史 从那以后 搭乘升 降梯不再是 勇敢者的游戏 了 升降梯在世界范围内得到广泛应用 1889 年 12 月 美国奥的斯电梯公司制造出了名副其实的电梯 它采用直流电动机为动力 通过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索 悬挂并升降轿厢 1892 年 美国奥的 斯公司开始采用按钮操纵装置 取代传统的轿厢内拉动绳索的操纵方式 为操纵 方式现代化开了先河 生活在继续 科技在发展 电梯也在进步 150 年来 电梯的材质由黑白到 彩色 样式由直式到斜式 在操纵控制方面更是步步出新 手柄开关操纵 按钮控制 信号控制 集选控制 人机对话等等 多台电梯还出现了并联控制 智能群控 双层轿厢电梯展示出节省井道空间 提升运输能力的优势 变速式自 动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间 不同外形 扇形 三角形 半 菱形 半圆形 整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭 如今 以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿 仍在继续进行电梯 新品的研发 并不断完善维修和保养服务系统 调频门控 智能远程监控 主机 节能 控制柜低噪音耐用 复合钢带环保 一款款集纳了人类在机械 电子 光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世 冷冰冰的建筑因此散射出人性的 光辉 人们的生活因此变得更加美好 第二节第二节 电梯的基本结构电梯的基本结构 一 曳引系统 曳引系统的主要功能是输出与传递动力 使电梯运行 曳引系统主要由曳引机 曳引钢丝绳 导向轮 反绳轮组成 二 导向系统 导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度 使轿厢和对重只能沿 着导轨作升降运动 3 导向系统主要由导轨 导靴和导轨架组成 三 轿厢 轿厢是运送乘客和货物的电梯组件 是电梯的工作部分 轿厢由轿厢架和轿厢体组成 四 门系统 门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口 门系统由轿厢门 层门 开门机 门锁装置组成 五 重量平衡系统 系统的主要功能是相对平衡轿厢重量 在电梯工作中能使轿厢与对重间的重 量差保持在限额之内 保证电梯的曳引传动正常 系统主要由对重和重量补偿装置组成 六 电力拖动系统 电力拖动系统的功能是提供动力 实行电梯速度控制 电力拖动系统由曳引电动机 供电系统 速度反馈装置 电动机调速装置等 组成 七 电气控制系统 电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制 电气控制系统主要由操纵装置 位置显示装置 控制屏 柜 平层装置 选层器等组成 八 安全保护系统 安全保护系统的主要功能是保证电梯安全使用 防止一切危及人身安全的事 故发生 安全保护系统主要由限速器 安全钳 缓冲器 端站保护装置组成 第三节第三节 电梯的分类电梯的分类 根据建筑物的高度 用途及客流量 或物流量 的不同 而设置不同类型的 电梯 目前电梯的基本分类方法大致如下 一一 按按用用途途分分类类 乘客电梯 为运送乘客设计的电梯 要求有完善的安全设施以及一定的轿内 装饰 4 载货电梯 主要为运送货物而设计 通常有人伴随的电梯 医用电梯 为运送病床 担架 医用车而设计的电梯 轿厢具有长而窄的特 点 杂物电梯 供图书馆 办公楼 饭店运送图书 文件 食品等设计的电梯 观光电梯 轿厢壁透明 供乘客观光用的电梯 车辆电梯 用作装运车辆的电梯 船舶电梯 船舶上使用的电梯 建筑施工电梯 建筑施工与维修用的电梯 其它类型的电梯 除上述常用电梯外 还有些特殊用途的电梯 如冷库电 梯 防爆电梯 矿井电梯 电站电梯 消防员用电梯等 二二 按按驱驱动动方方式式分分类类 交流电梯 用交流感应电动机作为驱动力的电梯 根据拖动方式又可分为交 流单速 交流双速 交流调压调速 交流变压变频调速等 直流电梯 用直流电动机作为驱动力的电梯 这类电梯的额定速度一般在 2 00m s 以上 液压电梯 一般利用电动泵驱动液体流动 由柱塞使轿厢升降的电梯 齿轮齿条电梯 将导轨加工成齿条 轿厢装上与齿条啮合的齿轮 电动机带 动齿轮旋转使轿厢升降的电梯 螺杆式电梯 将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹 再将带有推力轴承的大 螺母安装于油缸顶 然后通过电机经减速机 或皮带 带动螺母旋转 从而使螺 杆顶升轿厢上升或下降的电梯 电梯问世初期 曾用蒸汽机 内燃机作为动力直接驱动电梯 现已基本绝迹 三三 按按速速度度分分类类 电梯无严格的速度分类 我国习惯上按下述方法分类 低速梯 常指低于 1 00m s 速度的电梯 中速梯 常指速度在 1 00 2 00m s 的电梯 高速梯 常指速度大于 2 00m s 的电梯 超高速梯 速度超过 5 00m s 的电梯 随着电梯技术的不断发展 电梯速度越来越高 区别高 中 低速电梯的速 5 度限值也在相应地提高 四四 按按电电梯梯有有无无司司机机分分类类 有司机电梯 电梯的运行方式由专职司机操纵来完成 无司机电梯 乘客进入电梯轿厢 按下操纵盘上所需要去的层楼按钮 电梯 自动运行到达目的层楼 这类电梯一般具有集选功能 有 无司机电梯 这类电梯可变换控制电路 平时由乘客操纵 如遇客流量 大或必要时改由司机操纵 五五 按按操操纵纵控控制制方方式式分分类类 手柄开关操纵 电梯司机在轿厢内控制操纵盘手柄开关 实现电梯的起动 上升 下降 平层 停止的运行状态 按钮控制电梯 是一种简单的自动控制电梯 具有自动平层功能 常见有轿 外按钮控制 轿内按钮控制两种控制方式 信号控制电梯 这是一种自动控制程度较高的有司机电梯 除具有自动平层 自动开门功能外 尚具有轿厢命令登记 层站召唤登记 自动停层 顺向截停和 自动换向等功能 集选控制电梯 是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控制的电梯 与 信号控制的主要区别在于能实现无司机操纵 并联控制电梯 2 3 台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制 共用层站外 召唤按钮 电梯本身都具有集选功能 群控电梯 是用微机控制和统一调度多台集中并列的电梯 群控有梯群程序 控制 梯群智能控制等形式 六六 其其它它分分类类方方式式 按机房位置分类 则有机房在井道顶部的 上机房 电梯 机房在井道底部 旁侧的 下机房 电梯 以及有机房在井道内部的 无机房 电梯 按轿厢尺寸分类 则经常使用 小型 超大型 等抽象词汇表示 此外 还有双层轿厢电梯等 七七 特特殊殊电电梯梯 斜行电梯 轿厢在倾斜的井道中沿着倾斜的导轨运行 是集观光和运输于一 体的输送设备 特别是由于土地紧张而将住宅移至山区后 斜行电梯发展迅速 6 立体停车场用电梯 根据不同的停车场可选配不同类型的电梯 建筑施工电梯 是一种采用齿轮齿条啮合方式 包括销齿传动与链传动 或 采用钢丝绳提升 使吊笼作垂直或倾斜运动的机械 用以输送人员或物料 主 要应用于建筑施工与维修 它还可以作为仓库 码头 船坞 高塔 高烟囱的长 期使用的垂直运输机械 第三章第三章 可编程控制器的概况可编程控制器的概况 第一节第一节 PLC 的概念及的概念及由来与发展由来与发展 一 概念一 概念 1987 年 国际电工委员会 IEC 在可编程控制器国际标准草案第 3 稿中对可 编程控制器的定义是 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为工业环境 下应用而设计 早期的可编程控制器被称为可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller PLC 后来 可编程控制器用微处理器作为其控制核心 功能远远超过 了逻辑控制范畴 于是人们又将其称为 Programmable Controller 简称 PC 但是为 了避免与个人计算机 Personal Computer 的简称混淆 所以将可编程控制器简称 PLC 二 由来与发展二 由来与发展 首先提出 PLC 概念的是美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司 GM 1968 年 该公司提出用一种新型控制装置代替继电器控制 这种控制装置要把计算机的 通用 灵活 功能完备等优点与继电器控制的简单 易懂 操作方便 价格便宜等 特点结合起来 而且要使那些不很熟悉计算机的人也能方便地使用 根据这种设想 1969 年美国数字设备公司 DEC 研制出了世界上第一台 PLC 并在美国 GM 公司 的汽车自动装配生产线上试用获得成功 从此开创了 PLC 的新纪元 第一台 PLC 具有模块化 可扩充 可重编程及用于工业环境的特性 这些控制 器易于安装 占用空间小 可重复使用 尽管控制器编程有些琐碎 但它具有公共 的工厂标准 梯形图编程语言 这样使得不熟悉计算机的人也能方便的使用它 在短时间内 PLC 在其他工业部门也得到应用 到 70 年代初 食品 金属和制 造等工业部门相继使用 PLC 代替继电器控制设备 迈出了其实用化阶段的第一步 70 年代中期 由于大规模集成电路的出现 使 8 位微处理器和位片处理器相继 问世 使可编程控制技术产生了飞跃 在逻辑运算功能的基础上 增加了数值运算 7 闭环控制 提高了运算速度 扩大了输入输出规模 在这个时期 日本 西德 原 和法国相继研制出了自己的 PLC 我国在 1974 年也开始研制 70 年代末 由于超大规模集成电路的出现 使 PLC 向大规模 高速性能方向发 展 形成了多种系列化产品 这是面向工程技术人员的编程语言发展成熟 出现了 工艺人员使用的图形语言 在功能上 PLC 可以代替某些模拟控制装置和小型机 DDC 系统 进入八九十年代后 PLC 的软硬件功能进一步得到加强 PLC 已发展成为一种 可提供诸多功能的成熟的控制系统 能与其他设备通信 生成报表 调度产生 可 诊断自身故障及机器故障 这些改进使 PLC 符合今天对高质量高产出的要求 尽管 PLC 功能越来越强 但他仍然保留了先前的简单与易于使用的特点 第二节第二节 可编程序控制器的硬件可编程序控制器的硬件 一 可编程序控制器的基本结构一 可编程序控制器的基本结构 主要结构如图 1 1 所示 接受 驱动 现场信号 受控元件 图 1 1 PLC 的硬件系统 PLC 是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物 PLC 是一种工业控制用 的专用计算机 是由硬件系统和软件系统两大部分组成 各部分组成及其作用如下 一 中央处理单元 CPU CPU是PLC的核心部件 能指挥PLC按照预先编好的系统程序完成各种任务 其 作用有以下几点 1 接收 存储由编程工具输入的用户程序和数据 并可通过显示器显示出程序 的内容和存储地址 输 入 接 口 部 件 中央处理单元 CPU 板 电 源 部 件 接 口 部 件 输 出 8 2 检查 校验用户程序 对正在输入的用户程序进行检查 发现语法错误立即 报警 并停止输入 在程序运行过程中若发现错误 则立即报警或停止程序的执行 3 接收 调用现场信息 将接收到现场输入的数据保存起来 在需要该数据的 时候将其调出并送到需要该数据的地方 4 执行用户程序 当PLC进入运行状态后 CPU根据用户程序存放的先后顺序 逐条读取 解释和执行程序 完成用户程序中规定的各种操作 并将程序执行的结 果送至输出端 以驱动PLC外部的负载 5 故障诊断 诊断电源 PLC内部电路的故障 根据故障或错误的类型 通过 显示器显示出相应的信息 以提示用户及时排除故障或纠正错误 为了进一步提高PLC的可靠性 近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统 或采用三CPU的表决式系统 这样 即使某个CPU出现故障 整个系统仍能正常运 行 二 存储器 存储器可以分为以下3种 1 系统程序存储器 系统程序是厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的 决 定了PLC的功能 系统程序存储器是只读存储器 用户不能更改其内容 2 用户程序存储器 根据控制要求而编写的应用程序称为用户程序 不同机型 的PLC 其用户程序存储器的容量可能差异较大 根据生产过程或工艺的要求 用 户程序经常需要改动 所以用户程序存储器必须可读写 一般要用后备电池 锂电 池 进行掉电保护 以防掉电时丢失程序 有时PLC采用可随时读写的快闪存储器 作为用户程序存储器 快闪存储器不需要后备电池 掉电时数据也不会丢失 3 工作数据存储器 用来存储工作数据的区域称为工作数据区 工作数据是经 常变化的 经常存取的 所以这种存储器必须可读写 三 电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用 如果没有一个良好的 可靠得 电源系统是无法正常工作的 因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视 一般交流电压波动在 10 15 范围内 可以不采取其它措施而将PLC直接连接到 交流电网上去 四 输入 输出单元 9 输入 输出单元是 PLC 与外部设备相互联系的窗口 输入单元接收现场设备向 PLC 提供的信号 如由按钮 操作开关 限位开关 继电器触点 接近开关 拨码 器等提供的开关量信号 这些信号经过输入电路的滤波 光电隔离 电平转换等处 理变成 CPU 能够接收和处理的信号 输出单元将经过 CPU 处理的微弱信号通过光 电隔离 功率放大等处理转换成外部设备所需要的强电信号 以驱动各种执行元件 如接触器 电磁阀 电磁铁 调节阀 调速装置等 五 扩展端口 大部分 PLC 都有扩展端口 主机可以通过扩展端口连接 I O 扩展单元来增加 I O 点数 也可以通过扩展端口连接各种特殊功能单元以扩展 PLC 的功能 二 可编程序控制器与计算机之间的通信二 可编程序控制器与计算机之间的通信 确定了PLC的型号 还要考虑到PLC与计算机通信的问题 由于设计者的水平 和设计要求等其他的原因 在此设计中并未牵涉PLC为计算机通信 只在此稍作叙 述 在工程自动化中 计算机的通信功能作为各级之间接口是十分必要的 可编程 序控制器与计算机联网构成的综合系统 可使可编程序控制器与计算机互补功能的 不足 对于控制 可编程序控制器对现场 对设备都极为方便 对打印图表 图形 显示 中文输出就逊色一些 而这些功能正是计算机的特长 可编程序控制器与计 算机联网 时 计算机通常仅用于编程 修改参数 系统管理方面 而不直接参与控制过程 而可编程序控制器在第一线脱机运行 即使计算机发生故障 也不会影响生产过程 的正常运行 可编程序控制器与计算机之间的通信一般是通过RS 485口和RS 232C口进行 的 信息交换的方式为字符串方式 运用RS 485和RS 232C通信 容易配置一个 与计算机进行通信的系统 将所有软元件的数据和状态由可编程序控制器送入计算 机 由计算机采集这些数据 进行分析及运行状态监测 用计算机改变可编程控制 器设备的初始值和设定值 从而实现计算机对可编程控制器的直接控制 一旦确定 了可编程控制器的控制指令格式就能很方便地与计算机联机 可以这样说 凡具有 RS 232口并能输入输出字符串地计算机都可以用于通信 为了适应联网 几乎所 有地PLC都开发了与计算机通信的接口 例如S7 200系列PLC上都配备有专用于 RS 485通信的标准插座 10 可编程控制器与计算机通信的形式有多种多样 如a PC PPI网络 利用西门子 公司的PC PPI电缆 将S7 200系列PLC与装有STEP 7 Micro WIN软件的计算机连接 起来 可方便地组成PC PPI网络 b 多主机网络 c 令牌网络 它是多主机网络 的一种特殊情况 d DP网络 在S7 200系列PLC中 只有CPU215支持DP协议 且只能作从机使用 第三节第三节 可编程序控制器的工作原理可编程序控制器的工作原理 PLC 具有微机的许多特点 但它的工作方式却与微机有很大不同 微机一般采 用等待命令的工作方式 PLC 则采用循环扫描工作方式 在 PLC 中 用户程序按先 后顺序存放 CPU 从第一条指令开始执行程序 直至遇到结束符后又返回第一条 如此周而不断循环 每一个循环称为一个扫描周期 一个扫描周期大致可分为 I O 刷新和执行指令两个阶段 所谓 I O 刷新即对 PLC 的输入进行一次读取 将输入端各变量的状态重新读入 PLC 中存入内部寄存器 同时将新的运算结果送到输出端 这实际是将存入输入 输出状态的寄存器内容进行了一次更新 故称为 I 输入 O 输出 刷新 由此可见 若输入变量在 I O 刷新期间状态发生变化 则本次扫描期间输出端 也会相应的发生变化 或者说输出对输入产生了响应 反之 若在本次 I O 刷新之 后 输入变量才发生变化 则本次扫描输出不变 即不响应 而要到下一次扫描期 间输出 才会产生响应 由于 PLC 采用循环扫描的工作方式 所以它的输出对输入的响应速 度要受扫描周期的影响 扫描周期的长短主要取决于这几个因数 一是 CPU 执行指 令的速度 二是每条指令占用的时间 三是指令条数的多少 即程序的长短 对于慢速控制系统 响应速度常常不是主要的 故这种方式不但没有坏处反而 可以增强系统抗干扰能力 因为干扰常是脉冲式的 短时的 而由于系统响应较慢 常常要几个扫描周期才响应一次 而多次扫描后 瞬间干扰所引起的误动作将会大 大减少 故增加了抗干扰能力 但对控制时间要求较严格 响应速度要求较快的系统 这一问题就需慎重考虑 应对响应时间作出精确的计算 精心编排程序 合理安排指令的顺序 以尽可能减 少周期造成的响应延时等的不良影响 11 第四节第四节 可编程控制器的特点可编程控制器的特点 一 硬件的可靠性 PLC 是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的 一个设计良好的 PLC 能置于有 很强的电噪声 电磁干扰 机械振动 极端温度和湿度很大的环境中 在硬件设计方面 首先是选用优质器件 再就是采用合理的系统结构 加固 简化安装 使它易于抗振动冲击 对印制电路板的设计 加工及焊接都采取了极为 严格的工艺措施 而且在电路 结构及工艺上采取了一些独特的方式 例如 在输 入 输出电路中都采用了光电隔离措施 做到电浮空 既方便接地 用提高了抗干扰 性能 各个 I O 端口都除采用了常规模拟器滤波以外 还加上了数字滤波 内部采 用了电磁屏蔽措施 防止辐射干扰 采用了较先进的电源电路 以防止由电源回路 串入的干扰信号 采用了较合理的电路程序 一旦某模块出现故障 进行在线插拔 调试时不会影响各机的正常运行 由于 PLC 本身具有很高的可靠性 所以发生故障的部位大多集中在输入 输出的 部件上 以及如传感器件 限位开关 光电开关 电磁电机等外围装置上 二 编程简单 使用方便 用微机实现自动控制 常使用汇编语言编程 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 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 打多数 PLC 均采用的梯形图语言编程方式 既继承了传统控制线路的清晰直观感 又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员 所接受 易于编程 程序改变时也容易修改 很灵活方便 这种面向控制过程 面向问题的编程方式 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 但对大多数的机电控 制设备来说 这是微不足道的 三 接线简单 通用性好 PLC 的接线只需将输入信号的设备 按钮 开关等 与 PLC 输入端子连接 将 接受输出信号执行控制任务的执行元件 接触器 电磁阀等 与 PLC 输出端子连接 接线简单 工作最少 省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦 PLC 的编 程逻辑提供了能随要求而改变的 接线网络 这样生产线的自动化过程就能随意改 变 这种性能使 PLC 具有很高的经济效益 12 用于连接现场设备的硬件接口实际上是 PLC 的组成部分 模块化的自诊断接口 电路能指出故障 并易于排除故障与替换故障部件 这样的软硬件设计就使现场电 气人员与技术人员易于是用 四 可连接为控制网络系统 PLC 可连成功能很强的网络系统 网络可分为两类 一类是低速网络 采用主 从方式通信 传输速率从几千波特到上万波特 传输距离为 500 2500m 另一类为 高速网络 采用令牌传送方式通信 传输速率为 1M 10Mbps 传输距离为 500 1000m 网上结点可达 1024 个 这两类网络可以级连 网上可兼容不同类型的可编 程控制器和计算机 从而组成控制范围很大的局部网络 五 易于安装 便于维护 PLC 安装简单而且功能有效 其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱 所需空间的一半的地方 在从继电器系统改换到 PLC 系统的情况下 PLC 小的模块 结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端 其实改换很方便 只要将输 入 输出设备连向接线端即可 在大型安装中 长距离输入 输出站点安放在最优地点 长距离站通过同轴电缆 获双扭线连向 CPU 这种配置大大减少了物料和劳力 长距离子系统方法也意味着 系统不同部分可在到达安装场地前由 PLC 制造商预先连好线 这一方法大大减少了 电气技术人员的现场安装时间 从一开始 PLC 便以易维护作为设计目标 由于几乎所有器件都是固态的 维 护 时只需更换模块级插入式部件 故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中 就能 指示器是否正常工作 借助于编程设备可见输入 输出是 ON 还是 OFF 还可写编程 指令来报告故障 PLC 的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分 一旦安装后 其作用立即显现 其收益也马上实现 向其他智能设备一样 PLC 的潜在优点还取 决于应用时的创造性 第五节第五节 基本指令系统和编程方法基本指令系统和编程方法 一 编程语言的形式一 编程语言的形式 最常用的两种编程语言 一是梯形图 二是助记符语言表 采用梯形图编程 13 因为它直观易懂 但需要一台个人计算机及相应的编程软件 采用助记符形式便于 实验 因为它只需要一台简易编程器 而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程 虽然一些高档的 PLC 还具有与计算机兼容的 C 语言 BASIC 语言 专用的高级语 言 如西门子公司的 GRAPH5 三菱公司的 MELSAP 还有用布尔逻辑语言 通 用计算机兼容的汇编语言等 不管怎么样 各厂家的编程语言都只能适用于本厂的 产品 一 编程指令 指令是 PLC 被告知要做什么 以及怎样去做的代码或符号 从本质上讲 指令只是一些二进制代码 这点 PLC 与普通的计算机是完全相同的 同时 PLC 也有编译系统 它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码 所以用 户看到的 PLC 指令一般不是机器码而是文字代码 或图形符号 常用的助记符语句 用英文文字 可用多国文字 的缩写及数字代表各相应指令 常用的图形符号即梯 形图 它类似于电气原理图是符号 易为电气工作人员所接受 二 指令系统 一个 PLC 所具有的指令的全体称为该 PLC 的指令系统 它包 含着指令的多少 各指令都能干什么事 代表着 PLC 的功能和性能 一般讲 功能 强 性能好的 PLC 其指令系统必然丰富 所能干的事也就多 我们在编程之前必 须弄清 PLC 的指令系统 三 程序 PLC 指令的有序集合 PLC 运行它 可进行相应的工作 当然 这里的程序是指 PLC 的用户程序 用户程序一般由用户设计 PLC 的厂家或代销商 不提供 用语句表达的程序不大直观 可读性差 特别是较复杂的程序 更难读 所以多数程序用梯形图表达 四 梯形图 梯形图是通过连线把 PLC 指令的梯形图符号连接在一起的连通 图 用以表达所使用的 PLC 指令及其前后顺序 它与电气原理图很相似 它的连线 有两种 一为母线 另一为内部横竖线 内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成 一个指令组 这个指令组一般总是从装载 LD 指令开始 必要时再继以若干个输 入指令 含 LD 指令 以建立逻辑条件 最后为输出类指令 实现输出控制 或为 数据控制 流程控制 通讯处理 监控工作等指令 以进行相应的工作 母线是用 来连接指令组的 五 梯形图与助记符的对应关系 助记符指令与梯形图指令有严格的对应关 系 而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现 一般讲 其顺序为 先输入 后 输出 含其他处理 先上 后下 先左 后右 有了梯形图就可将其翻译成助记符 14 程序 反之根据助记符 也可画出与其对应的梯形图 六 梯形图与电气原理图的关系 如果仅考虑逻辑控制 梯形图与电气原理图 也可建立起一定的对应关系 如梯形图的输出 OUT 指令 对应于继电器的线圈 而输入指令 如 LD AND OR 对应于接点 互锁指令 IL ILC 可看成总开 关 等等 这样 原有的继电控制逻辑 经转换即可变成梯形图 再进一步转换 即可变成语句表程序 有了这个对应关系 用 PLC 程序代表继电逻辑是很容易的 这也是 PLC 技术 对传统继电控制技术的继承 二 编程器件二 编程器件 因为本设计中所选的 PLC 型号为三菱公司的 FX2N 80MR 所以下面我们着重介 绍 FX2N 系列产品的一些编程元件及其功能 FX 系列产品 它内部的编程元件 也就是支持该机型编程语言的软元件 按通 俗叫法分别称为继电器 定时器 计数器等 但它们与真实元件有很大的差别 一 般称它们为 软继电器 这些编程用的继电器 它的工作线圈没有工作电压等级 功耗大小和电磁惯性等问题 触点没有数量限制 没有机械磨损和电蚀等问题 它 在不同的指令操作下 其工作状态可以无记忆 也可以有记忆 还可以作脉冲数字 元件使用 一般情况下 X 代表输入继电器 Y 代表输出继电器 M 代表辅助继电 器 SPM 代表专用辅助继电器 T 代表定时器 C 代表计数器 S 代表状态继电器 D 代表数据寄存器 MOV 代表传输等 一 输入继电器 X PLC 的输入端子是从外部开关接受信号的窗口 PLC 内部与输入端子连接的输 入继电器 X 是用光电隔离的电子继电器 它们的编号与接线端子编号一致 按八进 制输入 线圈的吸合或释放只取决于 PLC 外部触点的状态 内部有常开 常闭两种 触点供编程时随时使用 且使用次数不限 输入电路的时间常数一般小于 10ms 各 基本单元都是八进制输入的地址 输入为 X000 X007 X010 X017 X020 X027 它们一般位于机器的上端 二 输出继电器 Y PLC 的输出端子是向外部负载输出信号的窗口 输出继电器的线圈由程序控制 输出继电器的外部输出主触点接到 PLC 的输出端子上供外部负载使用 其余常开 常 闭触点供内部程序使用 输出继电器的电子常开 常闭触点使用次数不限 输出电路 15 的时间常数是固定的 各基本单元都是八进制输出 输出为 Y000 Y007 Y010 Y017 Y020 Y027 它们一般位于机器的下端 三 辅助继电器 M PLC 内有很多的辅助继电器 其线圈与输出继电器一样 由 PLC 内各软元件的 触点驱动 辅助继电器也称中间继电器 它没有向外的任何联系 只供内部编程使 用 它的电子常开 常闭触点使用次数不受限制 但是 这些触点不能直接驱动外部 负载 外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现 在 FX2N 中普遍途采用 M0 M499 共 500 点辅助继电器 其地址号按十进制编号 辅助继电器中还有一 些特殊的辅助继电器 如掉电继电器 保持继电器等 在这里就不一一介绍了 四 定时器 T 在 PLC 内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式 当所计时间达到设定值时 其 输出触点动作 时钟脉冲有 1ms 10ms 100ms 定时器可以用用户程序存储器内 的常数 K 作为设定值 也可以用数据寄存器 D 的内容作为设定值 在后一种情 况下 一般使用有掉电保护功能的数据寄存器 即使如此 若备用电池电压降低时 定时器或计数器往往会发生误动作 定时器通道范围如下 100 ms 定时器 T0 T199 共 200 点 设定值 0 1 3276 7 秒 10 ms 定时器 T200 T245 共 46 点 设定值 0 01 327 67 秒 1 ms 积算定时器 T245 T249 共 4 点 设定值 0 001 32 767 秒 100 ms 积算定时器 T250 T255 共 6 点 设定值 0 1 3276 7 秒 每个定时器只有一个输入 它与常规定时器一样 线圈通电时 开始计时 断 电时 自动复位 不保存中间数值 定时器有两个数据寄存器 一个为设定值寄存 器 另一个是现时值寄存器 编程时 由用户设定累积值 五 计数器 C FX2N 中的 16 位增计数器 是 16 位二进制加法计数器 它是在计数信号的上 升沿进行计数 它有两个输入 一个用于复位 一个用于计数 每一个计数脉冲上 升沿使原来的数值减 1 当现时值减到零时停止计数 同时触点闭合 直到复位控制 信号的上升沿输入时 触点才断开 设定值又写入 再又进入计数状态 其设定值 在 K1 K32767 范围内有效 设定值 K0 与 K1 含义相同 即在第一次计数时 其输 出触点就动作 通用计数器的通道号 C0 C99 共 100 点 保持用计数器的通道 号 C100 C199 共 100 点 通用与掉电保持用的计数器点数分配 可由参数设置 16 而随意更改 六 数据寄存器 数据寄存器是计算机必不可少的元件 用于存放各种数据 FX2N 中每一个数 据寄存器都是 16bit 最高位为正 负符号位 也可用两个数据寄存器合并起来存 储 32 bit 数据 最高位为正 负符号位 1 通用数据寄存器 D 通道分配 D 0 D199 共 200 点 只要不写入其他数据 已写入的数据不会变 化 但是 由 RUN STOP 时 全部数据均清零 若特殊辅助继电器 M8033 已被 驱动 则数据不被清零 2 停电保持用寄存器 通道分配 D200 D511 共 312 点 或 D200 D999 共 800 点 由机器的具 体型号定 基本上同通用数据寄存器 除非改写 否则原有数据不会丢失 不论电 源接通与否 PLC 运行与否 其内容也不变化 然而在二台 PLC 作点对的通信时 D490 D509 被用作通信操作 3 文件寄存器 通道分配 D1000 D2999 共 2000 点 文件寄存器是在用户程序存储器 RAM EEPROM EPROM 内的一个存储区 以 500 点为一个单位 最多可在 参数设置时到 2000 点 用外部设备口进行写入操作 在 PLC 运行时 可用 BMOV 指令读到通用数据寄存器中 但是不能用指令将数据写入文件寄存器 用 BMOV 将 数据写入 RAM 后 再从 RAM 中读出 将数据写入 EEPROM 盒时 需要花费一定 的时间 务必请注意 4 RAM 文件寄存器 通道分配 D6000 D7999 共 2000 点 驱动特殊辅助继电器 M8074 由于采用 扫描被禁止 上述的数据寄存器可作为文件寄存器处理 用 BMOV 指令传送数据 写入或读出 5 特殊用寄存器 通道分配 D8000 D8255 共 256 点 是写入特定目的的数据或已经写入数据 寄存器 其内容在电源接通时 写入初始化值 一般先清零 然后由系统 ROM 来 写入 三 三 FX2N 系列的基本逻辑指令系列的基本逻辑指令 17 基本逻辑指令是 PLC 中最基本的编程语言 掌握了它也就初步掌握了 PLC 的使 用方法 各种型号的 PLC 的基本逻辑指令都大台大同小异 现在我们针对 FX2N 系 列 逐条学习其指令的功能和使用方法 每条指令及其应用实例都以梯形图和语句 表两种编程语言对照说明 一 输入输出指令 LD LDI OUT LD 与 LDI 指令用于与母线相连的接点 此外还可用于分支电路的起点 OUT 指令是线圈的驱动指令 可用于输出继电器 辅助继电器 定时器 计数器 状态 寄存器等 但不能用于输入继电器 输出指令用于并行输出 能连续使用多次 二 触点串连指令 AND ANI 并联指令 OR ORI AND ANDI 指令用于一个触点的串联 但串联触点的数量不限 这两个指令 可连续使用 OR ORI 是用于一个触点的并联连接指令 三 电路块的并联和串联指令 ORB ANB 含有两个以上触点串联连接的电路称为 串联连接块 串联电路块并联连接时 支路的起点以 LD 或 LDNOT 指令开始 而支路的终点要用 ORB 指令 ORB 指令是 一种独立指令 其后不带操作元件号 因此 ORB 指令不表示触点 可以看成电路 块之间的一段连接线 如需要将多个电路块并联连接 应在每个并联电路块之后使 用一个 ORB 指令 用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制 也可将所有要并 联的电路块依次写出 然后在这些电路块的末尾集中写出 ORB 的指令 但这时 ORB 指令最多使用 7 次 将分支电路 并联电路块 与前面的电路串联连接时使用 ANB 指令 各并联电 路块的起点 使用 LD 或 LDNOT 指令 与 ORB 指令一样 ANB 指令也不带操作元 件 如需要将多个电路块串联连接 应在每个串联电路块之后使用一个 ANB 指令 用这种方法编程时串联电路块的个数没有限制 若集中使用 ANB 指令 最多使用 7 次 四 程序结束指令 END 在程序结束处写上 END 指令 PLC 只执行第一步至 END 之间的程序 并立即 输出处理 若不写 END 指令 PLC 将以用户存贮器的第一步执行到最后一步 因此 使用 END 指令可缩短扫描周期 另外 在调试程序时 可以将 END 指令插在各程 序段之后 分段检查各程序段的动作 确认无误后 再依次删去插入的 END 指令 其他的一些指令 如置位复位 脉冲输出 清除 移位 主控触点 空操作 18 跳转指令等 同学们可以参考一些课外书 在这里我们不详细介绍了 四 梯形图的设计与编程方法四 梯形图的设计与编程方法 梯形图是各种 PLC 通用的编程语言 尽管各厂家的 PLC 所使用的指令符号等不 太一致 但梯形图的设计与编程方法基本上大同小异 一 确定各元件的编号 分配 I O 地址 利用梯形图编程 首先必须确定所使用的编程元件编号 PLC 是按编号来区别 操作元件的 我们选用的 FX2N 型号的 PLC 其内部元件的地址编号如下表所示 使用时一定要明确 每个元件在同一时刻决不能担任几个角色 一般讲 配置好的 PLC 其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的 输出点数与输出的控制回 路数也是相应的 如果有模拟量 则模拟量的路数与实际的也要相当 故 I O 的分 配实际上是把 PLC 的输入 出点号分给实际的 I O 电路 编程时按点号建立逻辑或 控制关系 接线时按点号 对号入坐 进行接线 FX2N 系列的 I O 地址分配及一些其 他的内存分配同学们可以参考 FX 系列的编程手册 二 梯形图的编程规则 1 每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号 每个元件的触点使用时没有 数量限制 2 梯形图每一行都是从左边开始 线圈接在最右边 线圈右边不允许再有接 触点 3 线圈不能直接接在左边母线上 4 在一个程序中 同一编号的线圈如果使用两次 称为双线圈输出 它很容 易引起误操作 应尽量避免 5 在梯形图中没有真实的电流流动 为了便于分析 PLC 的周期扫描原理和逻 辑上的因果关系 假定在梯形图中有 电流 流动 这个 电流 只能在梯形图中单方 向流动 即从左向右流动 层次的改变只能从上向下 第六节第六节 PLC 的应用领域的应用领域 一 开关逻辑控制 开关逻辑控制是 PLC 的基本控制功能 可用它来代替传统的继电器控制装置 如机床的电气控制 电动机的控制等 也可以取代顺序控制和程序控制 如高炉上 料系统 电梯控制 输送货物控制 自动化生产线作业流程控制等 19 二 闭环过程控制 早期的 PLC 只具有简单的逻辑控制功能 现代的 PLC 功能日益强大 大型 PLC 都具有模拟量控制单元 具有用于过程控制的各种专用模块或子程序 如 PID 控制模块等 A B 公司的 1771 CFM 可组态流量计模块 可用于电力管理 自动化 食品饮料和石油与天然气中各种流量的测试和控制 此外 还有 1771 QH 力矩控制 模块 1771 TCM 温度控制模块等 GE 公司的 PROLOOP 过程控制器 可执行 PID 控制 比例控制和级联控制 且有单回路 多回路和自动调试的三种方式 三 机械加工的数字控制 PLC 和机械加工中的数字控制 NC 及计算机数控 CNC 组成一体 实现数 值控制如著名的日本 FANUC 公司推出的 SYSTEM10 11 12 系列 已将 CNC 功 能与 PLC 融为一体 专家预言 CNC 系统将变成以 PLC 为主体的控制与管理系统 四 机器人控制 随着工厂自动化网络的形成 工业机器人应用领域越来越广 机器人的控制同 样可用 PLC 来实现 如美国 JEEP 公司焊接自动生产线上使用的 29 个机器人 每台 都用一个 PLC 控制 五 构成多级分布式控制系统 随着计算机技术和网络通信技术的发展 国外正在兴起工厂自动化 FA 网络 系统 许多著名的 PLC 制造商都建立了自己的多级分布式控制系统 并开始逐步向 制造自动化通信协议 MAP 靠拢 多级分布式控制系统一般分为四级 第一级为实时控制 主要是顺序控制 第 二级为协调控制 用于协调各种机械的配合问题 第三极为 PLC 的装入 管理数据 的采集与之调度 第四极为数据处理 由上位计算机处理各种数据 20 第二篇第二篇 系统软硬件设计部分系统软硬件设计部分 第一章第一章 电梯的控制要求电梯的控制要求 电梯的安全运行有以下一些控制要求 一 电梯位置的确定与显示一 电梯位置的确定与显示 轿厢中的乘客需要知道电梯的位置 因而轿厢中设有以楼层标志的电梯位置 但这还不够 电梯的运行还需要更加准确的电梯位置信号 以满足制动停车等控制 的需要 传统电梯的位置信号一般由设在井道中的位置开关 如磁感应器提供 当 轿厢上设置的隔磁板插入感应器时 发出位置信号 并启动楼层指示 见附图三 图中 1KR 3KR 为 1 3 层感应器 4KR

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