基于plc与mcgs五层电梯的控制实现.docx
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基于plc与mcgs五层电梯的控制实现
基于PLC和MCGS五层电梯的控制实现
摘要
采用西门子PLCS7—200系列CPU型号为224CN的可编程控制器,增加一个I/O扩展模块,以西门子MM440CN变频器作为电机拖动驱动,通过曳引机方式输出,实现了电梯的自动控制。
电梯的主要功能有:
响应厅外和厅内召唤信号,手动开门和自动开关门,实时显示轿厢所在楼层等。
运用MCGS组态软件设计模拟运行界面。
根据设计要求设置对应元件属性,建立MCGS与PLC的通信,对整个电梯系统的各个功能进行模拟运行,实现对整个电梯控制系统的优化。
关键词:
电梯PLC系统
AchievetheelevatorcontroloffivefloorsbasedonPLCandMCGS
Abstract
WithCPU-224CNofSiemensPLCS7-200seriesasaProgrammableControllercenter.ExpandanextensionmoduleofI/O.SiemensMM440CNasamotordriveinverter.Controloftheelevatorbythetractorautomatically.Themainfunctionofthelift:
Respondingthesignalsinsideandoutsidewhichtheelevatorcall.Switchthedoorautomatically.Levelingdisplaysthecarpositionautomaticallyandsoon.SimulatetheentiresystembaseonMCGSconfigurationsoftware.AccordingtothedesignrequirementssetcorrespondstothecomponentpropertiesEstablishcommunicationwiththePLCMCGSsotheentireelevatorsystemtosimulatetheoperationofvariousfunctionsRealizetheoptimizationoftheelevatorcontrolsystem.
Keywords:
elevator;PLC;system
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1课题的研究意义1
1.2可编程控制器的发展状况1
1.3可编程控制的基本结构1
第二章可编程控制器简介4
2.1PLC的输入方式4
2.2PLC的工作过程5
2.3可编程控制器的性能指标6
2.4PLC的主要特点7
第三章电梯的主要控制技术9
3.1电梯的主要拖动技术9
3.2电梯的主要控制技术9
3.3PLC控制电梯的优点10
第四章系统软件设计11
4.1厅外召唤信号登记及消除11
4.2内指令信号登记及消除12
4.3电梯的平层信号处理13
4.4选层定向14
4.5轿厢上下行14
4.6轿厢外呼信号保持18
4.7轿厢内呼信号保持19
4.8各楼层停车信号及自动开关门20
第五章组态监控23
5.1MCGS组态过程以及相关画面23
5.1.1设计监控界面23
5.1.2定义数据变量23
5.1.3属性设置24
5.1.4MCGS中定义的实时数据库24
5.2动画连接25
5.2.1指示灯的属性设置25
5.2.2轿厢属性设置26
5.2.3数值型变量的设置27
5.3MCGS与PLC的连接27
5.4编制循环策略28
结论31
参考文献32
致谢33
第一章绪论
1.1课题的研究意义
在PLC之前,工业控制设备的主流品种是以继电器、接触器为主体的控制装置。
继电器、接触器是一些电磁开关,后来随着工业自动化程度的不断提高,使用继电器电路构成工业控制系统的缺陷不断地暴露出来,在20世纪60~70年代,社会的进步要求制造出小批量、多品种、多规格、低成本、高质量的产品以满足市场需要,不断的提出改善生产机械功能的要求。
加上当时电子技术已经有了一定的发展,于是人们开始寻求一种以存储逻辑代替接线逻辑的新型工业控制设备,这就是我们现在所说的PLC。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采用了严格的抗干扰技术,具有很高的可靠性,从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点以减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低,此外,PLC带有故障电路的自我检测功能,出现故障时可及时发出报警信息,这样,整个系统具有极高的可靠性也就不足为怪了。
1.2可编程控制器的发展状况
PLC的过程控制应用已被广泛应用于连续过程控制领域,而且基于连续过程控制技术的发展趋势正在进一步得到增长。
在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中,特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的—离散量的数据采集监视。
由于这些控制和监视的要求,所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。
近年来,可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。
这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的发展,而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求,促进了它们的发展。
1.3可编程控制的基本结构
从广义上讲,PLC实质上是一种以数字控制为主要特征的工艺控制计算机,由硬件和软件两部分组成。
因此,在硬件结构上,PLC与计算机的组成十分相似,组要包括中央处理去(CPU)、I/O接口、存储器、电源等。
1、中央处理器(CPU)
CPU是PLC的核心,它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作,其主要任务如下:
(1)当PLC处于编程状态时,控制从编程器输入的用户程序和数据的接受与存储。
(2)当PLC处于运行状态时,用扫描的方式通过I/O部件接受现场的状态和数据,并存入输入映像存储或数据存储器中。
(3)监视PLC的工作状态,诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。
不同型号的PLC的CPU芯片也是不同的,CPU芯片的吸能关系到PLC处理控制信号的能力和速度,通常CPU位数越高,系统处理的信息量越大,运算速度也越快。
PLC中常用的通用微处理器有8位和16位。
随着芯片技术的不断发展,PLC所用的CPU芯片档次也越来越高。
2、I/O模块
I/O模块一般包括:
数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块。
I/O模块类型还可以按照操作电平、驱动能力和各种用途区分。
如按照用途来分,I/O模块还包括:
数据传送/校验、串/并行转换、电平转换、电气隔离、A/D转换、D/A转换以及其他功能模块等。
输出模块通常有3种形式:
继电器式、晶体管式和晶闸管式。
I/O接口是PLC与外界连接的接口。
PLC通过输入模块把控制现场的状态、信息读入主机,通过输出模块把经用户程序的运算与决策所得的操作结果输出执行机构。
输入模块用于将控制现场输入信号变换成CPU能接受的信号,并对其进行滤波、电平转换、隔离、放大等。
输出模块用于将CPU的决策输出信号变换成驱动控制对象执行机构的控制信号,并对输出信号进行功率放大,隔离PLC内部电路和外部执行元件。
3、电源模
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有:
交流电源、直流电源。
PLC内部还有一个开关是稳压电源。
4、存储器
PLC存储器包括系统存储器和用户存储器。
系统存储器用来存放由PLC生产厂家的系统程序,并固化在ROM中,用户不可以访问和修改。
用户存储器包括用户程序存储器、功能存储器和参数区。
用户存储器的容量大小,关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少,是反映PLC性能的重要指标。
第二章可编程控制器简介
2.1PLC的输入方式
与继电器控制系统相比,PLC的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的,是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。
CPU是以分时操作方式来处理各项任务的,计算机在每一酸碱只能做一件事情,所以,程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器方式,每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。
用PLC实现继电器控制系统的功能,CPU从第一条指令开始,按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束,然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。
PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。
由于CPU运算速度极高,各电器的动作似乎是同时完成的,但实际I/O的响应是有滞后的。
PLC采集输入信号有两种方式:
1、集中采样输入方式
一般在扫描周期的开始或结束将所有输入信号(输入元件的通/断状态)采集并放到输入映象寄存器中。
当外接的输入电路闭合时,对应的输入映像寄存器为“1”状态,梯形图中对应的常开触点闭合。
反之,外接电路断开时,对应的输入映像寄存器为“0”状态,梯形图中对应的常开触点断开,常闭触点接通。
执行用户程序所需输入状态均在输入映像寄存器中取用,而不是实际的I/O点。
2、立即输入方式
随程序的执行需要哪一个输入信号就直接从输入端或输入模块取用这个输入状态,如“立即输入指令”就是这样。
此时,输入映像寄存器的值未被更新,到下一次集中采样输入时才变化。
PLC的两种工作模式:
RUN模式、STOP模式
在RUN模式下,通过执行用户程序来实现控制功能;在STOP模式,CPU不执行用户程序,可以用编程软件创建和编辑用户程序,设置PLC的硬件功能,并将用户程序和硬件设置信息下载到PLC。
如果有致命错误,在消除他之前不允许从STOP模式进入RUN模式。
PLC操作系统存储非致命错误,供用户检查,但不会从RUN模式自动进入STOP模式[1]。
PLC工作模式的扫描过程:
RUN模式STOP模式
图2-1PLC工作模式的扫描过程
2.2PLC的工作过程
(1)上电处理PLC上电后对系统进行一次初始化工作,包括:
硬件初始化,I/O模块配置检查,停电保持范围设定及其他初始化处理等。
(2)扫描过程PLC完成与其他外设的通信处理,再次进行时钟、特殊寄存器更新。
当CPU处于STOP模式时,转入执行自诊断检查。
当CPU处于RUN模式时,还要完成用户程序的执行和输出处理,再转入执行自诊断检查。
(3)出错处理PLC每扫描一次,执行一次自诊断检查,确定PLC自身的动作是否正常,例如,CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错。
如果检查出异常时,CPU面板上的LED及异常继电器会接通,在特殊寄存器中会存入出错代码。
当出现致命错误时,CPU被强制为STOP模式,所有的扫描停止。
图2-2PLC工作过程
2.3可编程控制器的性能指标
(一)I/O点数
指PLC主机的输入、输出端子数。
在选用PLC时,要根据控制对象需要的I/O点数来选定PLC的机型。
当主机的I/O点数不够时,可通过接扩展单元来扩展I/O点数。
但因为一般的扩展单元只有接口和驱动电路而没有CPU,它是由主机的CPU来寻址的,所以最大扩展点数受CPU寻址能力的限制。
(二)内存容量
PLC中程序指令是按“步”存放的(一条指令往往不止一步),“步”占用一个地址单元,一个地址单元占两个字节。
内存容量和最大I/O点数大体成正比。
(三)指令功能
可以从两个方面来衡量PLC指令功能的强弱:
一是指令条数的多少;二是在指令中有多少综合性指令,因为一条综合性指令一般就能完成一项专门操作(如查表、排序、PID控制等),相当于一个子程序。
(四)扫描速度
一般指执行一步指令所需的时间,单位为us/步。
有时也用执行1000步指令的时间计算,则单位为ms/千步。
2.4PLC的主要特点
PLC是专为在工业环境下应用而设计的,具有以下主要特点。
(1)可靠性高、抗干扰性能力强
PLC在恶劣的工业环境下能可靠地工作,具有很强的抗干扰能力。
例如,能够抗击电噪声、电源波动、震动、电池干扰等,能抵抗1000V、1μs脉冲的干扰:
能在高温、高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地的工作:
能承受电网电压的变化,可直接由交流市电供电,允许电压波动范围大。
一般由直流24V供电的机型,电源电压允许为16V~32V;由交流供电的机型,允许电压为115V/230V、47Hz~63Hz的电源供电。
即使在电源瞬间断电的情况下,仍可正常工作。
(2)通用性强、灵活性好、功能齐全
PLC是通过软件实现控制的,其控制程序编在软件中,实现程序软件化,因而对于不同的控制对象都可以采用相同的硬件进行配置。
(3)编程简单、使用方便
PLC在基本控制方面采用梯形图语言进行编程,其电路符号和表达式与继电器电路原理图相似,形式简练、直观,容易被广大电器工程人员接受。
用梯形图编程出错率比汇编语言低的多。
PLC还可以采用面向控制过程的控制系统流程图编程和语句表达方程式编程。
梯形图、流程图、语句表之间可有条件地相互转换,使用极其方便。
这是PLC能够迅速普及和推广的重要原因之一。
(4)模块化结构
PLC各个部件,包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计,由机架和电缆将各模块连接起来。
系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行配置,从而实现最佳性能价格比。
由于配置灵活,使扩展、维护更加方便。
(5)安装简便、调试方便
PLC安装简便,只要吧现场的I/O设备与PLC相应的I/O端子相连就完成了全部的接线任务,缩短了安装时间。
PLC的调试工作氛围室内调试和现场调试。
室内调试时,用模拟开关模拟输入信号,其输入状态和输出状态可以观察PLC上的相应的发光二级管和编程器提供的信息方便地进行测试、排错和修改。
室内跳模拟调试后,即可到现场进行联机调试。
(6)维修工作量小、维护方便
PLC的故障率很低,且有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和,执行结构发生故障时,可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因,更换相应的故障模块。
(7)体积小、耗能低
对于复杂的控制系统,使用PLC后,可以减少大量的中间继电器和实践继电器,小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小,极大地减小了开关柜的体积。
另外,PLC的配线比继电器控制系统的配线少的多,节省了大量的配线和附件,因此,可以节省大量的费用。
PLC体积小、耗能低,便于设备的机电一体化控制[1]。
小结:
PLC在电梯控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。
由于PLC具有逻辑运算,计数和定时以及数据输入输出的功能。
在电梯控制过程中,各种逻辑开关控制与PLC很好的结合,巧妙的实现了对电梯的控制,同时由于它的可靠性好、占地面积小等特点更将顺应PLC应用于电梯控制的趋势。
第三章电梯的主要控制技术
3.1电梯的主要拖动技术
目前用于电梯的拖动系统主要有:
单、双速交流电动机拖动系统,交流电动机定子调压调速拖动系统,交流调速拖动技术系统,直流发电机—电动机可控硅励磁拖动系统。
(一)单、双速交流电动机拖动技术
正如大家都知道交流电动机具有结构紧凑,维修简单等特点。
当电动机是单速时,称为交流单速电梯,其速度一般不高于0.5m/s。
当电动机是双速时,称为交流双速电梯,其速度一般不高于1m/s。
单、双速交流电动机拖动系统采用开环方式控制,线路简单,价格较低,因此目前仍然电梯上被广泛应用。
但它的缺点是舒适感较差,所以一般被用于载货电梯上。
(二)交流电动机定子调压调速拖动技术
交流电动机定子调压调速拖动技术这种系统采用可控硅闭环调速,加上能耗或涡流等制动方式,使得它所控制的电梯能在中低速范围内大量取代直流快速和交流双速电梯。
它的舒适感好,平层准确度高,而造价却比直流电梯低,易于维护,多用于2m/s以下的电梯。
(三)交流调速拖动技术
80年代初,VVVF变频变压系统控制的电梯问世。
当电动机具有调压(variablevoltage缩写为VV)调速装置时称为交流调速电梯,它采用交流电动机驱动,却可以达到直流电动机的水平,其速度一般不高于1.75m/s。
当电动机具有调压调频(variablevoltagevariablefrequency,缩写为VVVF)调速装置时称为交流调频调压电梯,简称VVVF控制电梯,目前控制速度已达6m/s。
它的体积小,重量轻,效率高,节省能源等几乎包括了以往电梯的所有优点。
是目前最新的电梯拖动系统。
本设计应用的就是这种拖动技术。
(四)直流发电机—电动机可控硅励磁拖动技术
直流电动机具有调速性能好,调速范围大的特点,因此很早就应用于电梯,采用发电机—电动机组形式驱动。
它控制的电梯速度达4m/s,但是,机组结构体积大,耗电大,维护工作量较大,造价高,因此,常用于对速度,舒适感要求较高的建筑物中[2]。
3.2电梯的主要控制技术
(一)继电器控制技术
对使用者来说,在编制程序时,可以不考虑微处理器及存储器内部的复杂结构,也不
必用各种计算机使用的语言,而是把PLC看成内部由许多“软继电器”组成的控制器,以便于提供使用者按设计继电器控制线路的形式进行编程。
这样,从功能上来讲,可以把PLC的控制部分看作是由许多“软继电器”组成的等效电路。
PLC为用户提供的继电器一般是:
输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器、移位寄存器、计时器、计数器等。
这些继电器统称为PLC的元素。
其中,输入、输出继电器与外部用户输入,输出设备连接,而其他继电器与外部用户设备没有联系,因此统称为内部继电器。
(二)交流变频变压控制技术
PWM控制技术是通用型变频器中应用十分广泛的一种电压和频率控制方法,它可以极为有效地抑制输出电压的谐波,而且动态响应较好。
在频率控制、效率等诸方面都有着十分显著的优点。
3.3PLC控制电梯的优点
目前,电梯在生活中的地位越来越重要,尤其是用于楼层运输以及工业运输。
PLC在电梯控制中的运用越来越广泛,以其可靠性高、抗干扰能力强、通用性好等等受到广大用户的好评。
因此,PLC被广泛运用于电梯控制系统,成为目前电梯控制的主流趋势。
PLC是由继电器、接触器、半导体逻辑元件,甚至加上微处理器等器件组成的,能完成逻辑控制任务的装置具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。
电梯的逻辑控制部分是电梯安全可靠运行的关键,而PLC正满足这些要求,所以PLC运用于电梯控制系统大大提高了电梯的性能。
小结:
对于电梯的结构而言,传统的将它分为机械部分和电器部分,但以功能系统来描述则更能反映电梯的特点,这也符合我们对于电梯控制最优的宗旨,因此,对于电梯控制技术的了解必不可少。
第四章系统软件设计
4.1厅外召唤信号登记及消除
厅内指令和厅外召唤指令的记忆和消除功能如同继电器线路的记忆功能可以一直保持,直到接收到取消指令。
将厅内指令、厅外召唤指令的启动保持信号端置1,消除信号端复位。
再实现厅内指令和厅外召唤指令的记忆和消除功能是必须满足其记忆和消除条件。
当按下一个指令按钮或召唤按钮,且电梯不在本楼层时,PLC内部继电器应保持该信号,而且通过PLC的输出点亮相应的按钮指示灯。
当电梯正常到达该楼层时,如果满足该指令或召唤信号的停车条件时,电梯在该层停车,并且消除对应的指令或召唤信号。
如果电梯处于检修或故障时所有的指令和召唤不能记忆[3]。
图4-1厅外召唤程序
图4-2厅外召唤程序
4.2内指令信号登记及消除
信号登记显示,到层信号取消。
如果电梯在两分钟内无任何操作,电梯自动返回一楼。
图4-3内指令信号登记及消除程序
图4-4内指令信号登记及消除程序
4.3电梯的平层信号处理
要实现对电梯的控制,首先要知道电梯实际所在的楼层,这些数据都是由传感器获取并上传。
楼层信号的作用有两个,一是指示楼层,显示轿厢所在的层站;二是参与定向与选层,是电梯判断运行方向和停靠位置的主要因素之一。
图4-5电梯平层信号处理程序
图4-6电梯平层信号处理程序
4.4选层定向
在电梯运行过程中,电梯该在第几层停车,什么位置开始减速,什么位置停车,主要的问题在于对选层功能的处理。
在得到电梯的楼层信号和召唤信号后,判断要停车的楼层。
当电梯上行进入某楼层时,电梯轿厢上安装的上行换速传感器通过井道内的限位设置,确定电梯上行进入该层。
同时,电梯如果在该层停车,该点就是电梯开始减速的位置。
同样,电梯下行进入某楼层时,电梯轿厢上安装的下行换速感应器通过井道内的限位设置,确定电梯下行进入该层。
同时若电梯在该层停车,该点就是电梯开始减速的位置。
电梯在该层是否停车,就看有没有轿内指令或符合条件的厅外召唤。
该停车条件是在非检修状态和故障、非直驶状态下执行的[4]。
4.5轿厢上下行
图4-7选层信号处理程序
图4-8选层信号处理程序
图4-9轿厢下行程序
图4-10轿厢下行程序
4.6轿厢外呼信号保持
图4-11轿厢外呼信号保持程序
4.7轿厢内呼信号保持
图4-12轿厢内呼信号保持程序
4.8各楼层停车信号及自动开关门
开关门系统是电梯控制系统中的一个独立单元。
一般情况下,当轿厢到达某一楼层停车后,对应层的限位开关打开,PLC根据上传的数据执行对应的操作,如果有异常情况,则电梯门不能打开,主要出于对电梯以及乘客的安全考虑。
电梯开关门是通过开门继电器和关门继电器控制门电机的正反转实现的。
开门方式包括:
上行开门、手动开门、自动开门、和超载开门。
关门方式包括:
下行关门、手动关门、自动延时关门[5]。
图4-13停车处理及自动开关门程序
图4-14停车处理及自动开关门程序
小结:
梯形图程序设计语言是目前比较常用的一种程序设计语言,具有容易理解和掌握以及程序编写简单等特点。
在工业过程控制领域,实际控制中对继电器逻辑控制的应用非常广泛。
因此,由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎。
第五章组态监控
5.1MCGS组态过程以及相关画面
5.1.1设计监控界面
在组态软件上,创建“五层电梯组态设计”用户窗口,单击“动画组态”,进入动画制作窗口。
利用组态工具,绘制五层电梯监控界面。
图5-1组态监控界面
5.1.2定义数据变量
实时数据库是工程的数据交换和处理中心。
数据变量是构成实时数据库的基本单元,建立实时数据库的过程也就是定义数据变量的过程。
定义数据变量的内容主要包括:
指定数据变量的名称、类型,确定数据变量存盘相关的参数,如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。
表5-1I/O分配
序号
名称
输入点
序号
名称
输出点
1
一层平层
I0.0
1
上行记忆
Q0.0
2
二层平层
I0.1
2
下行记忆
Q0.1
3
三层平层
I0.2
3
电机正转
Q0.2
4
四层平层
I0.3
4
电机
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