教学电梯的程序设计.docx
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教学电梯的程序设计
第一章、PLC的有关知识………………………………………………………………4
1.1.PLC发展简介…………………………………………………………………………4
1.2.PLC的构成……………………………………………………………………………4
1.3.PLC的选用……………………………………………………………………………5
第二章、用单片机和PLC分别做控制系统的比较…………………………………………5
第三章、SX-702型教学电梯的结构与控制要求…………………………………………10
第四章、教学电梯PLC控制原理图………………………………………………………11
第五章、I/O编号分配………………………………………………………………………31
第六章、变频器原理图及接线图…………………………………………………………31
第七章、安全及门锁回路原理图…………………………………………………………31
第八章、控制系统各环节的程序设计……………………………………………………31
参考文献…………………………………………………………………………36
教学电梯的程序设计
【摘要】以前老师教课是以四层楼的电梯教学,没有仿真教学电梯,本人到了另一个高职院,也就是我的同学那里,我俩对教学电梯的控制系统进行了设计,其中使用的PLC编程方法为“起-保-停”电路编程,并展示了所设计的PLC外部接线图。
而后在软件FXGP-WIN-C上对PLC控制程序进行调试,以检测其可用性并对其中少许错误进行修改。
在对整个控制系统的设计结束后,在实验室里启动了仿真模拟,一切正常,达到要求。
【关键词】教学电梯、梯形图、FXGP-WIN-C、PLC控制
第一章、PLC的有关知识
1.1.PLC发展简介
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展,计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。
现在社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一要求,生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。
可编程序控制器正是顺应这一要求出现的,它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
可编程控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC,它的应用面广、功能强大、使用方便,已经成为当代工业自动化的主要控制设备之一,在工业生产的所有领域得到了广泛的使用,在其他领域(例如民用和家庭自动化)的应用也得到了迅速的发展。
国际电工委员会(IEC)在1985年的PLC标准草案第三稿中,对PLC作了如下定义:
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各类机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备,都应按易于使工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
”从上述定义可以看出,PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机,除了能完成各种
1.2.PLC的构成
从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。
1.2.1CPU的构成
CPU是PLC的核心,起神经中枢的作用,每套PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成,CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来,不必要详细分析CPU的内部电路,但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。
CPU的控制器控制CPU工作,由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
运算器用于进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作。
寄存器参与运算,并存储运算的中间结果,它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数,它们决定着PLC的工作速度,IO数量及软件容量等,因此限制着控制规模。
1.2.2I/O模块
PLC与电气回路的接口,是通过输入输出部分(I/O)完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统,输出模块相反。
I/O分为开关量输入(DI),开关量输出(DO),模拟量输入(AI),模拟量输出(AO)等模块。
开关量是指只有开和关(或1和0)两种状态的信号,模拟量是指连续变化的量。
常用的I/O分类如下:
开关量:
按电压水平分,有220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量:
按信号类型分,有电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等,
按精度分,有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外,还有特殊IO模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量,I/O模块可多可少,但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。
1.2.3.电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有:
交流电源(220VAC或110VAC),直流电源(常用的为24VAC)
1.2.4。
底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架,其作用是:
电气上,实现各模块间的联系,使CPU能访问底板上的所有模块,机械上,实现各模块间的连接,使各模块构成一个整体。
1.2.5PLC系统的其它设备
1、编程设备:
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件,用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况,但它不直接参与现场控制运行。
小编程器PLC一般有手持型编程器,目前一般由计算机(运行编程软件)充当编程器。
2、人机界面:
最简单的人机界面是指示灯和按钮,目前液晶屏(或触摸屏)式的一体式操作员终端应用越来越广泛,由计算机(运行组态软件)充当人机界面非常普及。
3、输入输出设备:
用于永久性地存储用户数据,如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器,输入模拟量的电位器,打印机
1.2.6PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
因此,网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著,甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能,它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息,形成一个统一的整体,实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口,还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信,还未实现互操作性,IEC规定了多种现场总线标准,PLC各厂家均有采用。
对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲,选择网络非常重要的。
首先,网络必须是开放的,以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展;其次,针对不同网络层次的传输性能要求,选择网络的形式,这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行;综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题,确定不同层次所使用的网络标准。
1.3PLC的选用
1.3.1、PLC控制系统的I/O点数计算
根据电梯控制的特点,输入信号应该包括以下几个部分:
(1)轿厢内及各层门厅外呼按钮
主要是轿厢内的楼层选择数字键1~4,各层门厅外呼按钮,除一层只设置上升按钮,四层只设置下降按钮外,其他层均设置上升和下降两个按钮。
一共需要10个输入。
(2)位置信号
位置信号由安装于各楼层的电梯停靠位置的4个传感器产生。
平时为常开,当电梯运行到平层时关闭。
另外还有一组开光门限位。
所以位置信号一共需要6个输入。
(3)接近开关信号
(4)电梯门控制信号
大部分电梯都具有开门啊、关门按钮,以方便手动开关门。
一共需要2个输入。
(5)模拟电梯到位按钮
由于条件有限,所以本文设置了到位按钮。
电梯一共四层,所以设置了4个到位按钮,一共需要4个输入。
综上所述,共需要输入点22个。
输出信号应该包括:
(1)内呼指示信号
内呼指示信号有四个,分别用来表示1~4层楼层内呼的指令被接受,并在内呼指令完成后,信号消失。
(2)外呼指示信号
外呼指示信号共有六个,分别用来表示1~4层楼层外呼的指令被接受,并在外呼指令完成后,信号消失。
(3)电梯轿厢上下行,电梯上下行指示信号,共四个。
(4)门电机开关指示,共需两个输出点。
综上所述,共需要输出点16个。
1.3.2PLC的型号选择
综合输入、输出点的计算以及要实现的电梯控制功能,实验室现有的三菱FX0N型号的PLC完全能实现设计要求。
输入输出点,内存容量以及响应时间均符合条件。
并且,三菱PLC具有稳定性高,功能强大,环境适应性强,编程软件简单完善,价格适中等优点。
所以我采用了FX0N-60MR型号的可编程控制器。
第二章、用单片机和PLC分别做系统的比较
单片机系统设计电路这种形式在80年代国内很流行,但由于受到本身可靠性及其它方面的限制,目前除了仪表上仍然采用外,在工业现场的应用已逐步被PLC所代替。
根据国内现况单片机产品很难做到很好的一致性和高可靠性,因为任一元件的参数偏离设计要求都会引起系统的不稳定;单片机的可扩展性不高,增加一个功能就要重新设计线路,而且对应的程序都要重新设计;单片机系统出现故障,很难诊断出故障元件;现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘,人机对话不够友善。
对于单片机来说,PLC却有着这些方面的优势。
进口PLC采用的CPU都是生产厂家专门设计的工业级专用处理器,其余各元件也是直接向生产厂家购买的,经过严格挑选的工业级元件,另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的,抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高,即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作。
PLC的可靠性高。
PLC要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序,而PLC的编程相对比较简单,这样对于开发周期会缩短。
PLC本身有很强的自诊断功能,一旦系统出现故障,根据自诊断很容易诊断出故障元件,即使非专业人员也能维修,如果故障由于程序设计不合理引起,由于它提供完善的调试工具,要找出故障也较为简单。
PLC的操作采用触摸式操作终端,人机界面,全屏显示,上面设计了很详尽的操作指南,即使第一次使用,也能根据提示顺利操作,这就降低了对操作人员的要求,一般工人也能很快掌握。
另外,一旦系统发生故障,画面自动切换到故障提示画面,提示故障原因和排除方法。
甚至可以显示故障在机器上的位置,维修人员可以根据提示很快排除故障。
在可靠性、可扩展性、可维护性以及操作界面等各个方面都比单片机更有优势。
虽然PLC较单片机来说,价格上控制器相比略贵,但PLC可靠性好,操作简单,更适合用于本设计中。
第三章、SX-702型教学电梯的结构与控制要求
第一节.SX-702型教学电梯的结构
SX-702型模拟电梯是为教学演示而设计的。
,其控制系统全电脑化,可编程,电动机驱动采用进口变频调速器,功能与真实的变频调速电梯相同,具有全集选功能,能自动平层,自动开/关门,自动响应轿内/外呼梯信号。
SX-702型模拟电梯结构示意如图3-1所示,该模拟电梯主要由以下十部分组成。
图3-1SX-702模拟电梯结构示意图
1.井道框架
井道框架相当于电梯附着的建筑物,为电梯提供支撑,固定导轨,是钢架结构。
2.曳引机;
曳引机位于框架顶部,是电梯的动力装置,安装在两条承重梁上,主要由以下几部分组成:
(1)电动机:
鼠笼式三相感应电动机采用变频变压(VVVF)驱动方式,电梯启动时,变频器使定子电流频率从极低频率开始按控制要求上升到额定频率,减速时,使转速相应从额定频率开始平滑地下降到零,实现电梯平层,保证了电梯运行平稳,模拟真实电梯良好的舒适感。
(2)制动器:
只有在电梯通电运转时松闸,当电梯停止时制动并保持轿厢位置不变,工作电压为DC110V。
(3)减速器:
采用蜗轮杆减速器,具有高密度、高效率、低噪音的特点。
(4)曳引轮:
绳槽为半圆槽,提供钢丝绳与绳轮之间的摩擦力。
3.控制屏
控制屏由以下几部分组成:
(1)可编程序控制器(PLC):
控制电梯的运行状态,根据内选信号,对电梯的位置进行逻辑判断,然后给出运行指令,使电梯实现应答呼梯信号,顺向截停、反向保留信号,自动关门等功能。
(2)变频器:
根据PLC给出的指令,对电动机的电源频率、电压进行调制,使电动机运行平稳。
(3)安全及门锁回路:
由继电器回路组成,急停、门锁开关的通断决定安全及门锁回路的正常与否,以便PLC判断电梯是否处于安全状态。
4.导轨;
导轨分别有轿厢导轨和对重导轨保证轿厢及对重作垂直运动。
5.轿厢;
轿厢由曳引钢丝绳悬挂,通过曳引机另一端连接对重,在导轨上运行,轿厢装备自动化,门上装有联锁开关,当门关闭后电梯才能运行,门上还有安全触板,当关门过程中碰到障碍物时,轿门马上开启。
6.对重
对重与轿厢连接,作用是平衡轿厢的重量。
7.层门
层门上有门锁开关,当层门关闭后,电梯才能启动。
8.操纵箱
操纵箱设在框架正面左侧,是模拟乘客在轿厢内选层的信号输入设备,包括:
(1)数字显层器:
七段数码显示轿厢所在楼层。
(2)“1”,“2”,“3”,“4”轿内指令按钮。
(3)开/关门按钮。
(4)方向指示灯:
电梯运行方向指示。
(5)电源锁:
开/关电梯电源,即首层外呼盒。
9.减速信号系统
减速信号系统由永磁感应器构成,提供轿厢停层位置信号。
10.终端保护感应器
终端保护感应器提供电梯运行终端信号,电梯超过它时,安全回路及电源被切断,保证电梯不超出终端。
第二节.SX-702型教学电梯的控制要求
1.正常使用操作程序
正常使用操作程序如下:
(1)接通三相电源。
(2)打开呼梯盒上的电源锁,这时应有楼层显示。
电梯能自动关门,应答外呼信号,在操纵箱上选择楼层后,必须关好门才能运行。
(3)厅外呼梯时电梯能自动响应信号,顺向停车,反向的在完成上一个指令后自动应答。
(4)电梯停靠在基站关好门后,把呼梯盒的电源锁匙拨至“关”,则电梯电源被切断,电梯停止工作。
2.维修点动运行
把控制屏中的检修开关(MK)拨至“维修”状态,这时电梯仅作点动运行,但安全回路及门锁仍然有效,按“上行”或“下行”按钮,电梯作点动上或下。
此操作用于电梯维修,或实验终端限位功能。
用点动操作将电梯平层后,将选择开关拨至“正常”,电梯将恢复正常运转。
第四章、教学电梯PLC原理图
SX-702模拟电梯采用三菱FXON型可编程控制器,具体接线如图4-1所示。
图4-1PLC接线原理图
(a)模拟电梯门机图;(b)模拟电梯PLC原理图
第五章、I/O编号分配
三菱FXON-60MR具有26个输入点和24个输出点,各输入、输出点的具体分配如下:
输入点的编号分配如下:
X0:
编码器
X1:
减速感应器(PU)
X2:
楼层感应器(1PU)
X3:
上强返减速(GU)
X4:
下强返减速(GD)
X5:
安全电压继电器(DYJ)
X6:
门联锁继电器(MSJ)
X7:
检修开关(MK)
X10:
上极限保护(SW)
X11:
下极限保护(XW)
X12:
变频器运行监视
X13:
开门继电器(KMJ)
X14:
开门按钮、安全触板开关
X15:
关门按钮
X16:
超载开关
X20:
1内指令按钮(含向下按钮)
X21:
2内指令按钮
X22:
3内指令按钮
X23:
4内指令按钮(含向上按钮)
X24:
1上召按钮
X25:
2上召按钮
X26:
3上召按钮
X27:
2下召按钮
X30:
3下召按钮
X31:
4下召按钮
X37:
开关量-数字量转换开关
输出点的编号分配如下:
Y0:
曳引电机控制接触器(QC)
Y1:
4内指令继电器(4R)
Y2:
3上召继电器(3G)
Y3:
4下召继电器(4C)
Y4:
变频器低速端(J4)
Y5:
变频器高速端(J5)
Y6:
变频器正转端(上行)
Y7:
变频器反转端(下行)
Y10:
1内指令继电器(1R)
Y11:
2内指令继电器(2R)
Y12:
3内指令继电器(3R)
Y13:
1上召继电器(1G)
Y14:
2上召继电器(2G)
Y15:
2下召继电器(2C)
Y16:
3下召继电器(3C)
Y17:
1层楼输出继电器(A)
Y20:
2层楼输出继电器(B)
Y21:
3层楼输出继电器(C)
Y22:
4层楼输出继电器(D)
Y23:
上行指示灯(KDS)
Y24:
下行指示灯(KDX)
Y25:
超载蜂鸣器(CHD)
Y26:
开门继电器(KMJ)
Y27:
关门继电器(GMJ)
第六章、变频器原理图及接线图
SX-702教学电梯曳引电机采用三菱FR-A540型变频器拖动,具体接线如图6-1所示。
用参数将多种运行速度预先设定,用输入端子进行转换。
通过开启、关闭(由PLC控制)外部触点信号(RH、RL),选择运行速度,实现电梯加速、运行、减速、平层停车的控制要求。
RH、RL输入端信号与曳引电动机速度的关系如图6-2所示。
图6-1变频器原理图及接线图
图6-2输入端信号与曳引电动机速度的关系
电梯正常工作下,当RH、RL、STF同时有信号时,轿厢在曳引电动机拖动下直接加速至正常行驶速度,一旦检测到减速信号,RL信号OFF,轿厢在曳引电动机拖动下迅速减速至爬行速度,一旦检测到平层信号,RH信号OFF,曳引电动机转速迅速下降至零,STF信号OFF,PLCY0输出为“0”,主电路接触器QC线圈失电,抱闸线圈DZ失电,对电动机进行抱闸制动,轿厢平稳停至所需楼层并保持轿厢位置不变。
在图7-4中只给出了电梯上行时的曲线,若电梯下行,STF信号OFF,则STR信号ON,RH、RL信号不变,曲线移至X轴下方。
第七章、安全及门锁回路原理图
安全及门锁回路接线及原理图如图7-1所示。
图7-1安全及门锁回路接线及原理图
(a)控制电源;(b)抱闸线圈原理图;(c)安全及门锁回路原理图
单相变压器初级接入线电压380V后,次级得到220V、110V、24V电压。
其中:
220V作为PLC的工作电源;110V经桥式整流作为抱闸线圈的直流电源;24V经桥式整流作为安全门锁继电器线圈、开/关门继电器线圈、记忆指示灯以及译码板的直流电源。
在安全电压继电器DYJ线圈回路中有电梯急停开关SJR、相序保护继电器KDX触点、热继触点JR、底坑断绳开关SDS、安全钳开关SAQ、轿厢安全窗开关SJN等。
只有当安全继电器回路中的所有开关接通的情况下,安全电压继电器DYJ线圈得电,电梯才有运行的可能。
在门锁继电器MSJ线圈中,有厅门闭合开关ST1~ST4和轿门闭合开关SQF。
只有当厅门、轿门全部关闭的情况下,电梯才能正常运行。
第八章、控制系统各环节的程序设计
8.1.层楼指示电路
层楼指示电路反映电梯轿厢实际所在的位置,其梯形图如图8-1所示。
图8-1层楼指示电路梯形图
本模拟电梯PLC内存有两种控制方式,即开关量控制与数字量控制。
这两种控制方式通过转换开关HK进行转换,HK转换开关对应PLC的X037输入继电器。
在开关量控制下,由层楼感应器1PU提供层楼信号。
层楼感应器X002在楼层发生变化时,接通开关量层楼继电器M90,由M90根据轿厢上/下行情况分别接通左移脉冲继电器M13和右移脉冲继电器M14,由M13和M14来控制M500至M507的0、1变化,反映出轿厢的实际位置。
当轿厢在1楼时,M500为1;当轿厢在2楼时,M501为1;当轿厢在3楼时,M502为1;当轿厢在4楼时,M503为1。
M500~M503分别控制层楼输出继电器Y017~Y022,通过译码器显示相应的楼层。
在数字量控制下,X037ON。
这时层楼信号由高速计数器C235提供。
在电梯上/下行过程中,C235中的数值分别进行加计数和减计数,高速计数脉冲由编码器X0提供。
当层楼发生变化时通过区间比较指令接通数字量层楼继电器M91,由M91根据轿厢上/下行情况分别接通左移脉冲继电器和右移脉冲继电器,余下控制同上
8.2.指令回路的梯形图设计
指令回路的作用是将轿内指令信号记忆并指示,当电梯响应后自动将其消除。
SX-702模拟电梯指令回路梯形图如图8-2所示。
在安全电压继电器接通的情况下执行如下子程序:
按下相应楼层指令按钮,相应楼层记忆继电器接通并自锁,同时点亮楼层记忆灯。
一旦轿厢经过该楼层,相应楼层继电器接通,断开该楼层记忆继电器并使记忆指示灯灭掉。
图8-2指令回路梯形图
8.3.选向回路
选向电路的作用是根据目前电梯的位置和指令、召唤情况,决定电梯的运行方向是向上还是向下。
电梯方向的选择,实际就是将指令和召唤的位置与电梯实际位置相比较,若前者在上(位置的上下),电梯则选择向上,相反则选择向下。
方向的实现,首先由层楼继电器形成选向链,然后将每层的指令和召唤相应接入。
SX-702模拟电梯选向电路如图8-3所示。
由M500~M503层楼继电器形成选向链,将每层指令(M100~M103)和上召唤(M110~M112)、下召唤(M121~M123)对应接入。
另外,若电梯工作在检修方式,则M30接通,使用向上或向下按钮(或4层指令按钮和1层指令按钮)可以使电梯以检修的速度向上或向下运行。
8.4.选层回路
电梯运行中,为什么会在有些楼层停,在有些楼层不停呢?
这是由选层电路决定的。
选层意味着要减速准备平层停车。
电梯的选层分指令选层和召唤选层,即因某层有召唤指令或有该层的指令使电梯在该层停车。
其中指令选层是绝对的:
电梯正常运行中,指令选层一定能够使电梯在该层减速停车。
召唤选层是有条件的:
召唤选层必须满足同向,
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