基于PLC的五层电梯自动控制系统设计Word文件下载.docx
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按曳引机构分类:
有齿曳引机电梯、无齿曳引机电梯。
1.3电梯的组成
电梯主要由曳引系统、轿厢、重量平衡系统、导轨、门系统、安全保护系统、电力拖动和电气控制系统等部件组成。
曳引系统的主要功能是输出与传递动力,拖动电梯运行。
曳引系统主要由曳引电动机、减速机、曳引轮和电磁抱闸组成。
曳引电动机也称主电机,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。
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减速、平层的遮磁板,以便发送减速、停车信号。
在井道中还设有各层的楼层编码开关的磁块,用做楼层指示信号。
轿厢内门的操作盘上设有选层按钮及相应的指示灯,还有开/关门按钮等各种显示电梯运行状态的指示灯。
门系统由轿厢门、层门、开门机、门锁装置组成。
轿厢门的上方装有开门机,开门机由一台小电动机驱动来实现开/关门动作。
在井道对应各楼层候梯厅一侧开有厅门,厅门平时是关闭的,只有当轿厢停稳在该层时,厅门被轿门的联动机构带动一起打开或关闭。
在各层厅门的一侧面装有呼梯按钮和楼层显示装置,呼梯按钮通常有上行呼梯、下行呼梯各一个(最底层只有上行呼梯按钮、最高层只有下行呼梯按钮)。
按钮内(有时在按钮旁)装有呼梯相应指示灯,该灯亮表示呼梯信号被控制系统登记。
楼层显示装置有时也设在厅门上方。
电气控制系统由PLC、变频器、交流电动机、输入/输出电器部件和控制屏等组成,主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。
电梯示意图
1—控制柜2—限速器3—门联动装置4—轿门5—轿厢底板6—楼层地面7—层门8—补偿绳9—紧张装置10—地坑11—缓冲器12—对重13—对重导轨14—轿厢导轨15—井道壁16—导靴17—导轨压板18—轿厢19—安全钳20—曳引绳端接装置21—曳引绳22—曳引机23—机房
本课题侧重电梯的PLC控制系统的设计,未能实现主电动机的升降速度的调节以及安全保护体统的实现。
1.4电梯工作原理
曳引绳两端分别连着轿厢与对重(又称配重),缠绕在曳引轮和导向轮上,曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动,靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力,实现轿厢和对重的升降运动,达到运输目的。
固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动,防止轿厢在运行中产生偏斜或摆动。
常闭式制动器在电动机工作时间松闸,使电梯运转,在失电情况下制动,使轿厢停止升降,并在指定层站上维持其静止状态,供人员和货物出入。
轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件,对重用来平衡轿厢载荷、减少发动机功率。
补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化,使曳引电动机负载稳定,轿厢得以准确停靠。
电气系统实现对电梯运动的控制,同时完成选层、平层工作。
指示呼叫系统随时显示轿厢的于东方向和所在楼层位置。
第二章可编程控制器
2.1PLC的定义
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
2.2PLC的特点
(1)可靠性高,抗干扰能力强PLC本身具有较强的自诊断功能,保证在“硬核“都正常的情况下执行用户的控制程序。
(2)编程简单,设计施工周期短PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
此外,PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
(3)控制程序可变,硬件配置方便在生产工艺流程改变或者生产线设备更新的情况下可通过硬件扩充或少量的改变配置与接线,以及改变内部程序来满足要求,从而避免大量的硬件线路更改与安装工作。
(4)功能完善现代PLC具有数字模拟量的输入输出、逻辑和算术运算,定时、计时、计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能,设备控制水平大大提高。
(5)体积小,重量轻,能耗低。
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
2.3PLC的应用领域
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类:
(1)开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
(2)模拟量控制
在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。
(3)运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
(4)过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
(5)数据处理
现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;
也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
(6)通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
2.4PLC的工作原理
当PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
(1)输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。
(2)用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;
或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即,在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;
相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
(3)输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。
这时,才是PLC的真正输出。
2.5PLC的编程语言
编程语言是PLC的重要组成部分,PLC为用户提供了完整的编程语言,以适应用户编程的需要。
利用编程语言,按照不同的控制要求编写不同的控制程序,这相当于设计和改变几点起的硬件接线线路,这就是所谓的4“可编程序”。
程序由编程器送到PLC内部的存储器中,它也能方便地读出、检查与修改。
PLC共有5种标准编程语言,其中有三种图形语言,即梯形图、功能块图,和顺序功能图,两种文本语言,即结构化文本和指令表。
其中梯形图是最早使用的一种PLC语言,也是现在最常用的编程语言。
它是从继电气控制系统原理图的基础上演变而来的,它继承了继电气控制系统中的基本工作原理和电器逻辑关系的表达方法,梯形图预计电气控制系统梯形图的基本思想是一致的,只是在使用符号和表达方式上有一定区别,所以在逻辑控制系统中得到了广泛的使用。
它的最大特点就是直观、清晰。
第三章系统硬件设计
本次PLC控制系统设计分为以下几个步骤:
(1)分析控制要求
(2)确定I/O点数
(3)选择PLC机型
(4)选择输入、输出设备,分配PLC的I/O
(5)程序设计(包括梯形图的绘制)
(6)系统调试
(7)编制相关技术文件
其步骤如下图所示:
图3.1PLC控制系统设计的一般步骤
3.1控制要求分析
此次设计所涉及的电梯模型共有五层,电梯的每一层面均有升降及轿厢所在楼层的指示灯显示;
1-5所对应的指示灯表示楼层号,每层的楼厅均有输入(分上行和下行)按钮召唤电梯。
工作中的电梯主要对各种呼梯信号和当时的运行状态进行综合分析,再确定下一个工作状态,为此它要求具有自动选向、顺向截梯、反向保号,外呼记忆,自动开/关门状态,停梯消号,自动达层等功能。
电梯的上/下行由一台电动机M1拖动,电动机M1正转(KM1)为电梯上升,反转(KM2)为下降。
另外,电梯门的开关也由一台电动机M2控制,电动机M2正转(KM3)为电梯开门,反转(KM4)为关门。
分析以上控制要求,将电梯控制要实现的功能罗列如下:
(1)开始时,电梯处于任意一层。
(2)当有外呼梯信号到来时电梯响应该呼梯信号,到达该楼层时,电梯停止运行,电梯门打开,延时三秒后自动关门。
(3)当有内呼梯信号到来时,电梯应该响应该呼梯信号,到达该楼层时,电梯停止运行,电梯门打开,三秒后开门到位,再延时三秒后自动关门,关门时间也为三秒。
当关门时,为了防止夹住乘客,在门两侧安装了红外线传感器,有人进出时,两秒后才关门。
(4)楼层呼叫按钮及电梯内按钮按下,电梯未达到相应楼层或未得到相应的相应时,相应指示灯一直接通指示。
(5)电梯应具有最远反向外呼梯响应功能。
例如电梯在一楼,而同时有二层向下外呼梯,三
层向下外呼梯,四层向下外呼梯,则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。
(6)电梯具有同向截车功能。
(7)电梯未在平层或运行时,开门按钮和关门按钮均不起作用。
平层且电梯停止运行后,按开门按钮可使门打开,按关门按钮可使门关闭。
(8)开门时蜂鸣器响。
3.2确定I/O点数
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
轿厢内的楼层选择按钮共有数字键1-5,各层门厅的外呼按钮除第一层只有上升按钮,第五层只有下降按钮外,其余三层均设有上升、下降两个按钮,故一共需要13个输入。
(2)位置信号
平层传感器安装于各楼层的电梯停靠位置的五个传感器,此传感器主要用于检测平层用的,平时为常开,当电梯运行到平层时关闭。
还有一个上下限位开关,另外还有一组红外线传感器,此传感器主要用于门机上保护人或物不被夹伤的装置。
故位置信号一共需要8个输入。
(3)电梯门控制信号
大部分电梯都具有开门按钮以及关门按钮,以方便手动开门,故电梯门控制信号一共需要2个输入。
综上所述,共需要输入点23个。
输出信号应该包括:
(1)内呼指示信号
内呼指示信号有5个,分别表示1~5层的内呼被接受,并在内呼指令完成后,信号消失。
(2)外呼指示信号
外乎信号共有8个,分别表示1-5层的外呼被接受,并在外呼指令完成后,信号消失。
(3)电梯上下行指示信号,共2个。
(4)电动机M1正反转,共需要输出点2个。
(5)电动机M2正反转,共2个。
(5)开门蜂鸣器1个
(6)LED层显示段,共需要7段
综上所述,共需输出点27个。
3.3PLC机型的选择
PLC按结构分为整体型和模块型两类,按应用环境分为现场安装和控制室安装两类,按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定,因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统;
模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡,因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统。
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。
例如对输入模块,应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。
对输出模块,应考虑选用的输出模块类型,通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点。
可控硅输出模块适用于开关频繁,电感性低功率因数负荷场合,但价格较贵,过载能力较差。
输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等,与应用要求应一致。
PLC的供电电源,除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外,一般PLC的供电电源应设计选用220V电源,与国内电网电压一致。
重要的应用场合,应采用不间断电源或稳压电源供电,如果PLC本身带有可使用电源时,应核对提供的电流是否满足应用要求,否则应设计外接供电电源,为了防止外部高压电源因误操作而引入PLC,对输入和输出信号的隔离室必要的,有时也可采用简单的二级管或熔丝管隔离。
通过上述分析,且又知道此五层电梯程序实现运行时需使用23个输入和27个输出,又对PLC机型的选择做了详细分析可得出对于电梯控制系统可以选用一些小型PLC来实现,如日本三菱FX系列的PLC。
三菱FX系列PLC拥有无以匹及的速度,高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点;
FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案;
FX2N系列是小型化,高速度,高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小型程序装置。
除输入/输出16-256点的独立用途外,还可以适用于在多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等,是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块,可进行16-256点的灵活输入输出组合。
可选用16/32/48/64/80/128点的主机,可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。
可根据电源及输出形式,自由选择。
因此本次设计所选择的PLC为:
FX2N—64MR。
3.4PLC控制系统的I/O点数分配
PLC五层电梯控制系统的输入、输出点分配表如下所示:
表4.1
PLC输入、输出点分配表
输入点
对应信号
输出点
X1
呼叫按钮1↑
Y0
电梯上升(KM1)
X2
呼叫按钮2↑
Y1
电梯下降(KM2)
X3
呼叫按钮2↓
Y2
开门(KM3)
X4
呼叫按钮3↑
Y3
关门(KM4)
X5
呼叫按钮3↓
Y4
上行指示
X6
呼叫按钮4↑
Y5
下行指示
X7
呼叫按钮4↓
Y6
蜂鸣器
X10
呼叫按钮5↓
Y7
--
X11
内呼按钮去1楼
Y10
1↑外呼指示
X12
内呼按钮去2楼
Y11
2↑外呼指示
X13
内呼按钮去3楼
Y12
2↓外呼指示
X14
内呼按钮去4楼
Y13
3↑外呼指示
X15
内呼按钮去5楼
Y14
3↓外呼指示
X16
1楼平层信号传感器
Y15
4↑外呼指示
X17
2楼平层信号传感器
Y16
4↓外呼指示
X20
3楼平层信号传感器
Y17
5↓外呼指示
X21
4楼平层信号传感器
Y20
内呼按钮去1楼指示
X22
5楼平层信号传感器
Y21
内呼按钮去2楼指示
X23
上下限位
Y22
内呼按钮去3楼指示
X24
轿厢内开门按钮
Y23
内呼按钮去4楼指示
X25
轿厢内关门按钮
Y24
内呼按钮去5楼指示
X26
红外线传感器(左)
Y25
LED层显示a段
X27
红外线传感器(右)
Y26
LED层显示b段
Y27
LED层显示c段
Y30
LED层显示d段
Y31
LED层显示e段
Y32
LED层显示f段
Y33
LED层显示g段
程序中使用的内部继电器说明见表4.2。
表4.2内部继电器说明
M101
1楼上升
外呼按钮用,用于记忆外呼按钮呼梯信号,平层解除
M111
上升综合信号
M102
2楼上升
M112
M103
2楼下降
M113
M104
3楼上升
M114
M105
3楼下降
M115
下降综合信号
M106
4楼上升
M116
M107
4楼下降
M117
M108
5楼下降
M118
M501
1楼平层
平层用,用于记忆平层信号,被其他平层信号解除
M119
上升记忆信号
M502
2楼平层
M120
下降记忆信号
M503
3楼平层
M226
1层有效开门信号
M504
4楼平层
M227
2层有效开门信号
M505
5楼平层
M228
3层有效开门信号
M201
内呼去1楼
用于要去的楼层,平层时解除
M229
4层有效开门信号
M202
内呼去2楼
M230
5层有效开门信号
M203
内呼去3楼
M240
已正常开关门记忆信号
M204
内呼去4楼
M241
1层手动开门
M205
内呼去5楼
M242
2层手动开门
M211
开关门有效外呼
M243
3层手动开门
M212
M244
4层手动开门
M213
M245
5层手动开门
M214
M246
各层手动开门信号综合
M215
T0
开门时间
M216
T1
关门时间
M217
T2
开门延时时间
M218
M221
开关门有效内呼
M222
M223
M224
M225
3.5PLC外部硬件电路的设计
3.51五层电梯的主电路图
图3.2主电路图
3.52PLCI/O接线图
呼叫按钮1↑X1
呼叫按钮2↑X2
呼叫按钮2↓X3
呼叫按钮3↑X4
呼叫按钮3↓X5
呼叫
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