基于plc的四层电梯完美论文

1、摘要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：继电路控制系统 （ “早期安装 的电梯多位继电器控制系统 ）、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，但也存在抗干扰

2、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。本系统软件的编制主要是根据其实现的功能进行了梯形图的设计， 包括开关 门、内外指令的处理、选层定向、顺向截梯等。该系统具有先进、 可靠、经济的特色。 该电梯控制系统具有自动运行、 指层、 厅召唤、选层、选向等功能，具有集选控制的特点。关键词：电梯 PLC 可编程控制器AbstractWith the development o

3、f science and technology, in recent years, Chinas elevator production technology have developed rapidly. Some elevator design successfully also has a great improvement in design and process changes. Update production more new elevators, elevator mainly divides into mechanical system and control syst

4、em with two most, automatic control theory and microelectronics technology development, the elevator drag with control method all way has changed very greatly, ac adjustable speed is the main development direction of elevator drag. At present the elevator control system is mainly have three kinds of

5、 control ways: following the circuit control system ( early installation of elevator more relay control system), PLC control system, the microcomputer control system. Relay control system due to high failure rate, the method of control, poor reliability and not flexible and disadvantagessuch as big

6、power consumption, has gradually been eliminated. Though the microcomputer control system in intelligent control has the strong function, but also exists perturbation resistance is poor, system design complex, general maintenance personnel hard to grasp its maintenance technology etc. And PLC contro

7、l system defects due to run high reliability, convenient operation and maintenance, strong anti-interference, design and commissioning period shorter, more people to pay attention to such advantagesas etc, and has become a current in the elevator control system used in most control mode, now also wi

8、dely used in traditional relay control system technical reformation.This system software programming is mainly based on the function of the realization of the design of the ladder diagram closes, including opening, and the processing, choose layer instructions directional, applied cut ladder, etc.Th

9、e system has advanced, reliable, economic characteristics. This elevator control system has the automatic operation, refers to the layer, hall calls, choose layer, choose to, and other functions, has the characteristics of integrating selected control.Keywords: elevator PLC programmable controller目录

10、摘要 Abstract I目录 II第一章引言 01.1 课题来源 01.2课题的意义 01.3电梯的概述 11.3.1 电梯的基本结构简介 11.3.2 电梯集选控制的特性 2第二章控制方案的选择 32.1 PLC 的概述 32.1.1 PLC 各组成部件及作用 32.1.2 PLC 的特点及功能 52.1.3 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较 62.1.4 PLC 控制系统与计算机系统的比较 72.2 控制方案的选择 8第三章 电梯硬件电路设计 93.1 PLC 选择 93.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则 93.1.2 可编程控制器选择原则 93.2 步进电机的概述 123.

11、2.1 步进电机的概念 123.2.2 步进电机的分类 123.2.3 步进电机的基本参数 133.2.4 步进电机的特点 133.2.5 步进电机的选择 143.3 驱动器的选择 153.3.1 步进电机驱动器的概述 153.3.2 细分驱动器的细分数 163.3.3 步进电机驱动器的直流供电电源 163.3.4 混合式步进电机驱动器的脱机信号 FREE 163.3.4 步进电机驱动器的选择 163.4 电路的控制 193.4.1 主电路的控制 193.4.2 显示电路的设计 21第四章 PLC 控制电梯的程序设计 224.1 I/O 分配表 224.2 系统软件设计 224.2.1 方向控

12、制环节 234.2.2 轿厢位置检测环节 254.2.3 唤信号登记与消除环节 254.2.4 拽引电机的启动与制动 274.2.5开关门控制 284.2.6楼层显示 304.2.7上电自动回一楼 304.2.8报警 31第五章 结论 32第六章 致谢 33参考文献 34第一章 引言随着城市建设的不断发展， 高层建筑不断增多， 电梯作为高层建筑中垂直运 行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。 目前电梯的控制普遍采用了两种方 式，一是采用微机作为信号控制单元， 完成电梯信号的采集、 运行状态和功能的 设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能；第二种控制方式用可编程控制器(PLC取代微机实现信号集

13、选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并 没有太大的区别。 国内厂家大多选择第二种方式， 其原因在于生产规模较小， 自 己设计和制造微机控制装置成本较高。 而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗 干扰能力强、 运行稳定可靠等特点， 所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控 制器来实现。1.1 课题来源电梯在生活中的使用日益广泛， 种类也多种多样， 按拖动系统来分有交流单 速/ 双速拖动电梯、交流调压调速电梯、直流发电机 -电动机可控硅励磁拖动电梯、 VVVF变频调压调速电梯。按控制方式来分有信号控制电梯、集选控制电梯等。 相比之下，传统的电梯控制系统主要采用继电器 - 接触器进行控制，具有触

14、点多， 故障率高、可靠性差、维修工作量大等缺点，所以采用PLC控制电梯系统。 目前，可编程控制器(PLC成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置 之一，具有可靠性高，抗干扰能力强、功能完善，适应性强、调试维修方便等特 点，经过30多年的发展，PLC已广泛应用于石油、化工、建材、电力等各行各 业，其主要控制功能包括开关量控制、模拟量控制、运动控制、数据处理和通信 联网。本文就是运用了三菱FX1N系列的PLC本文设计了四层电梯的控制系统， 在这里选择的型号为 FX1N-40MT。1.2 课题的意义可编程控制器是一种在传统的继电器控制系统的基础上，与3C 技术(Computer, Con tr

15、ol, Commu ni catio n)相结合而不断发展完善起来的新型自动 控制装置。 目前，无论是老设备的技术改造还是新系统的开发， 设计人员都倾向 于采用它来进行控制系统设计，例如三菱 FX1N系列PLC，具有功能完善的编程 软件、种类齐全的功能模块和良好的人机界面， 广泛用于机床、 机械、电力设施、 民用设施、环境保护设备等自动化控制领域。此外，PLC不仅平均无故障时间通 常在 30 万小时，而且带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报 信息。在应用软件中，用户可以编入外部器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC以外的电路及设备也得到故障自诊断保护。由此，可使整个系统具有极高

16、的 可靠性，这是电气控制设备的重要性能。 由于体积小很容易装入机械或系统内部， 是实现机电一体化控制设备的理想条件。自 1889 年美国奥梯斯升降机公司推出世界第一部以电动机为动力的升降机 以来，电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、 牵引式驱动等历程， 逐渐形成了直 流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。 如今电梯已成为人们进出高层 建筑不可或缺的代步工具；而且作为载人工具，人们在运行的平滑性、高速性、 准确性、高效性等一系列静、 动态性能方面对它提出了更高的要求。 由于早期的 电梯继电器控制方式存在故障率较高、 可靠性差、 接线复杂、一旦接收完成不易 更改等缺点，所以需要开发一种安全、高

17、效的控制方式。可编程控制器（ PLC） 既保留了继电器控制系统的简单易懂、 控制精度高、 可靠性好、控制程序可随工 艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质性能。因此，PLC在电梯控制领域得到了广泛而深入的应用。1.3 电梯的概述1.3.1 电梯的基本结构简介电梯主要由拽引系统、 轿厢、重量平衡系统、 导轨、门系统、安全保护系统、 电力拖动系统和电气控制系统等部件组成。拽引系统的主要功能是输出与传递动力， 拖动电梯运行。 拽引系统主要由拽 引电动机、减速机、拽引轮和电磁抱闸组成。拽引电动机也称主电动机，通常采 用交流电动机， 目前大多采用变频器对其进行速度和转矩控制。 毕业设计是电梯 试

18、验模型，此次未用变频器进行调速，只采用拽引电动机控制其升降。轿厢是运送乘客和货物的电梯组件， 是电梯的工作部分。 轿厢在井道中沿着 导轨作升降运动。 井道侧壁对应各楼层的相应位置装有平层的铁片， 以便发送停 车信号。轿厢内门的操作盘上设有选层按钮及相应的指示灯， 还有紧急开门按钮、 关门按钮、警报按钮、解除警报按钮和楼层显示。一般实际电梯中门系统由轿厢门、层门、开机门、门锁装置组成。轿厢门的 上方装有开机门，开机门由一台小电动机驱动来实现开 / 关门动作。在门开启到 不同位置时， 压动行程开关并发出位置信号， 用以控制开门机减速或停止。 在门 上或门框上装有机械的或电子的门探检测器， 当门探测

19、器发现门区由障碍时， 便 发出信号给控制系统， 控制系统立即停止关门动作， 并输出开门控制信号。 在此 试验模型中只控制轿厢门的开和关。1.3.2 电梯集选控制的特性电梯按控制方式分为轿内外按钮开关控制、 信号控制、集选控制等， 以下是 电梯集选控制特点： 控制特点1）自动响应层楼召唤信号 （ 含上召唤和下召唤 ） ；2）自动响应轿厢服务指令信号；3）自动完成轿厢层楼位置显示；4）自动显示电梯运行方向；5）具有电梯直达功能和反向最远停站功能。 性能特点1）无专职司机控制；2）自动开关门；3）到达预定停靠的中间层站时，自动停靠开门；4）到达两端站时，自动停靠开门；5）厅外有召唤装置，乘用人员点按

20、装置的按钮时：a. 装置上有记忆指示灯信号；b. 电梯在本层时自动开门，不在本层时自动起点运行，到达本层站时自动 停靠开门。6）厅外有电梯运行方向和所在位置指示灯信号；7）召唤要求实现后，自动消除轿内外召唤位置和要求前往方向记忆指示灯 信号；8）电梯到达召唤人员所在层站停靠开门，乘用人员进入轿厢后只需点按一 下操作箱上与预定停靠楼层对应的指令按钮， 电梯自动关门， 起动， 到达预定停 靠层站时自动停靠开门。 乘坐人员离开轿厢 6秒后电梯自动关门， 门关好后就地 等待新的指令任务。第二章 控制方案的选择2.1 PLC 的概述2.1.1 PLC 各组成部件及作用 CPUCPU是PLC的核心部分。与

21、通用微机CPU一样，CPU在 PC系统中的作用类似于人体的神经中枢。其 功能：1）用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入 映象寄存器或数据寄存器；2）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；3）诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误；4）在PC进入运行状态后：a.执行用户程序一一产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读 取指令，经命令解释后， 按指令规定的任务产生相应的控制信号， 去启闭有关的 控制电路）；b. 进行数据处理分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比 较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务；c. 更新输出状态一一输出实

22、施控制（根据运算结果，更新有关标志位 的状态和输出映象寄存器的内容， 再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容， 实 现输出控制、制表、打印、数据通讯等）。 存储器1）系统程序存储器存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能 子程序、命令、解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数，不能由用户直接 存取；2）用户程序存储器存放用户程序。 即用户通过编程器输入的用户程序， 可以由用户直接存取；3）功能存储器（数据区）一一存放用户数据。PC的用户存储器通常以字（16 位/字）为单位来表示存储容量。系统程序直接关系到PC的性能，不能由用户直 接存取，所以，通常PC产品资料中所指的存储器形式或存储方式及容

23、量，是指 用户程序存储器而言。 I/O输入/输出部件（I/O模块：接口电路、I/O映像存储器）I/O输入/输出部件，即是CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连 接部件。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块，以及各种用途的I/O 组件供用户选用：输入/输出电平转换；电气隔离； 串/并行转换； 数据传送；A/D、 D/A 转换； 误码校验； 其他功能模块。I/O模块可与CPU放在一起，也可远程放置。通常，I/O模块上还具有状 态显示和 I/O 接线端子排。 编程器等外部设备编程器一一PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的工具，其作用是 用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监

24、视通过键盘和显示器去检测 PLC 内部状态和参数通过通讯端口与 CPU联系，实现与PLC的人机对话分类：简单型只能联机编程；只能用指令清单编程智能型既可联机（ Online ），也可脱机（ Offline ）编程；可以采用指 令清单（语句表）、梯形图等语言编程。常可直接以电脑作为编程器，安装相关 的编程软件编程 电源内部电源开关稳压电源， 供内部电路使用； 大多数机型还可以向外提供 DC24V急压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电。外部电源可用一般工业电源，并备有锂电池（备用电池），使外部电源 故障时内部重要数据不致丢失。2.1.2 PLC 的特点及功能PLC的特点1）高可靠性a. 所有的

25、I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；b 各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020msc 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；d. 采用性能优良的开关电源；e 对采用的器件进行严格的筛选；f 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；g 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU勾成表决系统， 使可靠性更进一步提高。2）丰富的 I/O 接口模块PLC针对不同的工业现场信号如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电 流、脉冲或电位、强电或弱电等有相应的 I/O 模块与工业现场

26、的器件或设备； 如： 按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀 直接连接； 另外为了提高操作性能，它还有多种人 -机对话的接口模块；为了组成工业局部 网络，它还有多种通讯联网的接口模块等。3）采用模块化结构为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型 PLC以外绝大多数PLC均采用 模块化结构PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计由机架及电缆 将各模块连接起来系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合 。4）编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式对使用者来说不需要具备计算机的专门知识因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5）安装简单维修

27、方便PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行各种模块上均有运行和故 障指示装置便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构因此一旦某 模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。 PLC 的功能1）数据采集与输出；2）控制功能。包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等；3）数据处理功能。包括基本数学运算、比较、对字节的运算、 PID 运算、 滤波等；4）输入/输出接口调理功能。具有 A/D、D/A 转换功能，通过 I/O 模块完成 对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口；5）通信、联网功能。现

28、代 PLC 大多数都采用了通信、网络技术，有 RS232 或 RS485 接口，可进行远程 I/O 控制，多台 PLC 可彼此间联网、通信，外部器 件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间， 实现程序和数据交换， 如程 序转移、数据文档转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多台 PLC构成集中管理、分散控制的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控 制；6）支持人机界面功能。 提供操作者以监视机器 / 过程工作必需的信息。 允许 操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机 的分散和集中操作与监视系统；7）编程、调试等，并且大部分支持在线编程。2.1.3

29、 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较PLC控制系统与继电器控制系统输入，输出部分基本相同，输入电路也是由 按钮，开关，传感器所构成：输出电路也好似由接触器，执行器，电磁阀多构成 的。不同的是继电器控制系统在控制线路被 PLC中的程序代替，这样一旦生产工 艺发生变化，就只需要修改程序就可以了。正是上述原因， PLC控制系统除了可 以完成传统继电器控制系统所具有的全部功能外， 还可以实现模拟量控制， 开环 或闭环过程控制，甚至多级分布式控制。随着微电子技术的进一步发展，PLC的成本在降低，传统的继电器控制系统被 PLC控制系统代替已是发展的必然趋势。 PLC控制与继电器控制的比较如表 2.1所

30、示。表2.1 PLC控制系统与继电器控制系统对比表比较项目继电器控制系统PLC控制系统控制功能的实现由许多继电器，采用接线的方式 来完成控制功能各种控制功能是通过编制的程 序来实现的对生产工艺过程变更 的适应性适应性差，需要重新设计，改变 继电器和接线适应性强，只需对程序进行修改控制速度低，靠机械动作实现极快，靠微处理器进行处理计数及其他特殊功能一般没有有安装，施工连线多，施工繁安装容易，施工方便可靠性差，触点多，故障多高，因兀器件采用了筛选和老化 等可靠性措施使用寿命短长可扩展性困难容易维护工作量大，故障不易查找有自诊能力，维护工作量小结论：由于PLC控制系统与继电器控制系统相比具有绝对的优

31、点，因此，在本次设计的控制系统中，选择 PLC控制系统是理所当然的。2.1.4 PLC控制系统与计算机系统的比较20世纪60年代，由于小型计算机的出现，有人曾试图用小型计算机来取代 当时占统治地位的继电器控制系统， 结果未获成功，代之的却是PLC的出现。通 过计算机与PLC本身的工作目的，原理和方式上都存在着较大的差异，其结果比 较如表2.2所示。表2.2 PLC控制系统与计算机系统对比表比较项目通用计算机系统PLC控制系统工作目的科学计算，数据管理等工业自动控制工作环境对工作环境要求比较咼对环境要求低，可在恶劣的工业现场工作工作方式中断处理方式循环扫描方式系统软件需配备功能较强的系统的软件一

32、般只需要简单的监控程序采用的特殊措施掉电保护等一般性措施采用多种抗干扰措施，自诊断，断电保护， 可在线维修编程语言汇编语言，咼级语言梯形图，助记符语言，SFC标准化语言对操纵人员的要求需专门培训，并具有一定的计算 机基础一般技术人员，稍加培训即可操作使用对内存的要求容量大容量小价格价格高价格较低其他若用于控制，一般需自行设计机种多，模块种类多，易于集成系统结论：一般情况下，在工业自动化工程中采用PLC可靠，方便，易于维护2.2 控制方案的选择本文采用了集选控制四层电梯系统， 由呼叫到响应形成一次工作循环， 电梯 的工作过程可细致分为初始化、 正常工作、 报警工作等三种工作状态， 电梯在三 种工

33、作状态之间来回切换，构成完整的电梯工作过程。1）电梯的初始化将程序输入到三菱公司的 FX1N-40MT 型 PLC 上， PLC 中的程序已开始运 行，但因为电梯尚未读入任何数据， 也就无法在收到请求信号后通过固化在 PLC 中的程序作出响应。 为满足处于响应呼叫就绪状态这一条件， 必须使电梯处于平 层状态已知楼层且电梯门处于关闭状态。 电梯初始化过程的目标为：当PLC上电 时，开始检测电梯轿厢门是否关好，如果没有关好，先关闭电梯门，再电梯自动 回到一楼，当然如果电梯就在一楼平层位置，电梯不动。2）电梯的正常工作状态电梯完成一个呼叫响应的步骤如下：a 电梯在检测到门厅或轿箱的呼叫信号后将此楼层

34、信号与轿箱所在楼层信 号比较，通过选向程序进行运行选向。b. 电梯通过PLC触点控制继电器的通断，来控制单相交流异步电机拖动轿 厢运动。c. 当电梯检测到目标层楼层位置检测点时，电梯停止运行，经过一定延时 后电梯开始开门， 直至碰到开门限位开关； 再经过一定延时后关门， 直到碰到关 门限位开关。电梯控制系统始终实时显示轿箱所在楼层。3）电梯报警工作状态 当电梯突然断电、电梯运行过程中突然停止或有异常情况、 电梯到达目标楼层时未能开关门等问题时， 轿内人员按下警报按钮， 电梯要停止运行， 并且电梯 轿厢门要关门到位。等待检修人员检修。当按下解除报警时，电梯自动回一楼， 在正常运行。第三章 电梯硬

35、件电路设计3.1 PLC 选择3.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求， 以提高生产效率和产 品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：1）最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提， 这也是设计中最重要的一条原则。 这就要求设计人员在设 计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、 国外资料。2）保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要 原则。这就要求设计者在系统设计、元器件

36、选择、软件编程上要全面考虑，以确 保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在 非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。3）力求简单、经济、使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量， 带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。 因此，在满足控制要求的前提下， 一方面要注意不断地扩大工程的效益， 另一方 面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、 经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、 成本低， 不宜盲目追求自动化和高 指标。4）适应发展的需要由于技术

37、的不断发展， 控制系统的要求也将会不断地提高， 设计时要适当考 虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC输入/输出模块、I/O 点数和内存容量时， 要适当留有裕量， 以满足今后生产的发展和工艺的改进。 3.1.2 可编程控制器选择原则为了完成设定的控制任务 , 主要根据电梯控制方式与输入 /输出点数和占用 内存的多少来确定PLC的机型。本系统为四层楼的电梯，采用集选控制方式。所 需输入 / 输出点数与内存容量估算如下 :1）输入 /输出点的估算。输入点有：门厅按钮 6个,轿厢内按钮 8个,楼层位置感应传感器 4个,轿厢 门限位开关 2个 , 共20个。输出点有：门厅召唤按钮指示共

38、 6个，轿厢内按钮指示 4 个，开关门步进电 机控制 2 个，拽引电机控制 2 个，楼层显示 2 个，总共 16 个。2）内存容量的估算用户控制程序所需内存容量与内存利用率、输入 /输出点数、用户的程序编 写水平等因素有关。 因此, 在用户程序编写前只能根据输入 / 输出点数、控制系统 的复杂程度进行估算。本系统有开关量 I/O 总点数有 36 个，模拟量 I/O 数为 0 个。利用估算PLC内存总容量的计算公式：所需总内存字数=开关量I/O总点数X （1015）+模拟量I/O总点数X （150 250）再按30%左右预留余量。估算本系统需要约 3K字节的内存容量。3）输入输出模块的选择根据系

39、统控制的要求，本系统的输入选用直流24V的输入模块，如图3.1所示。开关量输出接口是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。 按照现场执行机构使用的电源的不同， 可分为直流输出单元 （晶体管输出方式或 者继电器触点输出方式） 和交流输出单元 （晶闸管输出方式或者继电器触点输出 方式）。在图3.2中，晶体管VT为输出开关器件，光耦合器为隔离器件。稳压 关和熔断器分别用于输出端的过电压保护和短路保护。 当需要某一输出端产生输 出时，由CPU控制，将输出信号经光耦合输出，使晶体管导通，相应的负载接通， 同时输出指示灯点亮， 指示该电路输出端有输出， 负载所需直流电源有用户提供。 这种输出

40、方案的原理如图 3.2 图所示。图3.1图3.1直流电路输入接口电路图3.2图3.2晶体管输出电路4) PLC机型的选择FXOS FX1N FX2N是三菱公司近年来推出的微型可编程控制器。它们都体 积都比较小，但功能强大，内置高速记数器，外观，高度，深度都差不多但性能 价格有很大的差别。FXOS的功能简单，价格便宜，可以用与小型开关量的控制系统。FX2N功能强大，FX1N可用于控制要求较高的中小型控制系统，但是由于是实验模型，并 且实验室有FX1N的PLC，我们就选用FX1N系列。根据输入/输出点数与内存容 量的要求， 再留出一定的 I/O 节点与内存空间以供扩展时使用， 以及指令的执行 速度

41、，因此选用三菱公司的FX1N系列的FX1N-40MT它的输入继电器X000-X027 共24个，输出继电器Y000-Y017共16个，程序容量为K字节，完全满足要求， 也给以后功能扩展留了足够的空间。3.2 步进电机的概述3.2.1 步进电机的概念步进电机作为执行元件， 是机电一体化的关键产品之一 , 广泛应用在各种自 动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展， 步进电机的需求量与日俱增， 在各个国民经济领域都有应用。步 进 电 机 是 一 种 将 电 脉 冲 转 化 为 角 位 移 的 执 行 机 构 。当 步 进 驱 动 器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固 定

42、的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行 的 。可 以 通 过 控 制 脉 冲 个 数 来 控 制 角 位 移 量 ，从 而 达 到 准 确 定 位 的 目 的 ；同 时 可 以 通 过 控 制 脉 冲 频 率 来 控 制 电 机 转 动 的 速 度 和 加 速 度 ，从 而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用 其没有积累误差（精度为 100%）的特点， 广泛应用于各种开环控制。3.2.2 步进电机的分类现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步 进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相， 转矩

43、和体积较小， 步进角一般为7.5 度或 15 度。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5 度 ，但 噪 声 和 振 动 都 很 大 。反 应 式 步 进 电 机 的 转 子 磁 路 由 软 磁 材 料制成， 定子上有多相励磁绕组， 利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两 相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。 这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进 电机。3.2.3 步进电机的基本参数步进电机的一些基本参数：1. 电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转

44、动的角度。电 机出厂时给出了一个步距角的值，如爱 DM656E 型电机给出的值为 1.8 , 这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机 实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。2. 步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五 相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距 角为 0.9 /1.8 、三相的为 0.75 /1.5 、五相的为 0.36 /0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的 步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相 数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变 步距角

45、。3. 保持转矩（HOLDING TORQUE：保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力 矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩 接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减， 输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电 机最重要的参数之一。比如，当人们说 2N.m 的步进电机，在没有特 殊说明的情况下是指保持转矩为 2N.m 的步进电机。4. DETENT TORQUE：DETENT TORQUE是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子 的力矩。DETENT TORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产 生误解；由于

46、反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有 DETENT TORQUE。3.2.4 步进电机的特点1一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。2步进电机外表允许的最高温度。步 进 电 机 温 度 过 高 首 先 会 使 电 机 的 磁 性 材 料 退 磁 ，从 而 导 致 力 矩 下降乃 至于 失步 ，因 此电 机 外表允 许的 最高 温度 应取 决于 不同 电 机磁 性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上， 有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各

47、相绕组的电感将形成一个反向电动 势；频率越高，反 向电动势越大。在它的作用下，电 机随频率（或速 度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4步进电机低速时可以正常运转, 但若高于一定速度就无法启动, 并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数： 空载启动频率， 即步进电机在空载情况下能够正 常启动的脉冲频率， 如果脉冲频率高于该值， 电机不能正常启动， 可能发生丢步 或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉 冲频率应该有加速过程， 即启动频率较低， 然后按一定加速度升到所希望的高频 （电机转速从低速升到高速） 。步进电动机以其显著的特点， 在数字化制造时代发挥着重大的

48、用途。 伴随着 不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高， 步进电机将会在更多的 领域。3.2.5 步进电机的选择乐创公司生产的两相混合式步进电机 DM5656E其通用规格如表3.1所示。其电气规格：额定电压 2.5 伏；电流 / 相 2.8 安；电阻/相 0.9 欧；电感 /相 2.5mH;保持转矩1.26N.m;定位转矩0.04N.m;转动惯量300克平方厘米；重量 0.7kg ；机身长度 56mm。黑A+绿亠蓝红图3.3步进电机接线图表3.1步进电机电气规格相数两相步距角1.8 步距角精度 5% （整步空载无累积误 差）电阻精度 10%电感精度 20%温升80 C Max （额定

49、电流）环境温度-20 C 50 C绝缘电阻100 兆欧 Mn，500VDC介电强度500VAC一 分钟径向间隙0.02Max （450g 负载）轴向间隙0.08Max （450g 负载）径向最大负载75N（距法兰面20伽）轴向最大负载15N3.3驱动器的选择3.3.1步进电机驱动器的概述要使步进电机能输出足够的转矩以驱动负载工作，必须为步进电机提供足够功率的控制信号，实现这一功能的电路称为步进电动机驱动电路。驱动电路实际上是一个功率开关吧电路，气功嫩南瓜是将环形分配器的输出信号惊喜功率放 大，得到步进电机控制绕组所需的脉冲电流及所需的脉冲波形。如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声

50、。 采用带有细分功能的驱动器，这是最 常用的、最简便的方法。3.3.2 细分驱动器的细分数步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献） ，其主 要目的是减弱或消除步进电机的低频振动， 提高电机的运转精度只是细分技术的 一个附带功能。比如对于步进角为 1.8 的两相混合式步进电机，如果细分驱动 器的细分数设置为 4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲 0.45 ，电机的精度能 否达到或接近 0.45 ，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。 不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大，细分数越大精度越难控制。3.3.3 步进电机驱动器的直流供电电源1. 电压的确定：混合式步进电机

51、驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如DM5656E勺供电电压为2440V DC ,电源电压通常根据电机的工作转 速和响应要求来选择。 如果电机工作转速较高或响应要求较快， 那么电压取值也 高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压， 否则可能损坏驱动 器。2. 电流的确定：供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流 I 来确定。如果 采用线性电源，电源电流一般可取 I 的 1.1 1.3 倍；如果采用开关电源，电源 电流一般可取 I 的 1.5 2.0 倍。3.3.4 混合式步进电机驱动器的脱机信号 FREE当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子

52、处于自由状态（脱机状态） 。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况 下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE言号置低，使电机脱机，进 行手动操作或调节。手动完成后，再将 FREE言号置高，以继续自动控制。将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可改变电机转向。3.3.4 步进电机驱动器的选择根据乐创公司生产的步进电机，选择其配对的驱动器，我们选择的型号为DMD403A其特点为： 两相混合式步进电机驱动器 双极恒流斩波方式，斩波频率 20KHz光电隔离差分信号输入，输入信号 TTL兼容，脉冲响应频率可达200KHZ +24VDC +40VD（直流电源供电电流设定方便

53、，最大驱动电流 3.5A/相（峰值）具有双脉冲输入控制功能具有过流保护功能自动半流调节驱动电机运行平稳，噪音小高性能，价格低应用领域：适合用于数控机床、医疗仪器、专用焊接设备、小型雕刻机、激 光打标机、气动打标机、激光切割机、机械手等各种中小型自动化设备和仪器表3.2 电气指标Tj = 25oC说明最小值典型值最大值单位输出相电流（峰值）1.33.5A供电电压（直流）243240VDC逻辑输入电流r61030mA脉冲频率0一200KHz脉冲低电平5一一3 S绝缘电阻500一一MQ表3.3环境指标冷却方式自然冷却或强制风冷使场合尽量避免粉尘、油雾及腐蚀性气体用温度0C+50C环湿度90%RH9无

54、结露）境震动5.9m/s2 Max保存温度-20 C +65 C重量约350克表3.5 电流设定电流值SW1SW2SW31.3Aononon1.6Aoffonon1.9Aonoffon2.2Aoffoffon2.5Aononoff2.9Aoffonoff3.2Aonoffoff3.5Aoffoffoff细分数步数/转SW5SW6SW7SW81200offoffoffoff2400onononon4800onoffonon81600ononoffon163200onoffoffon326400onononoff6412800onoffonoff12825600ononoffoff25651200onoffoffoff51000offononon102000offoffonon255000offonoffon5010000offoffoffon12525000offononoff25050000offoffonoff信号接口解析:表3.6上排端子引脚号信号功能1PUL脉冲信号：此光隔输入端导通一次驱动电机一次步进，步进量