基于PLC的电梯电气控制系统的设计毕业论文.docx

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基于PLC的电梯电气控制系统的设计毕业论文

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引言1

第一章电梯的概述3

1.1电梯的组成3

1.2电梯的工作原理4

第二章可编程控制器的简介5

2.1PLC的产生与发展5

2.2PLC的特点6

2.3PLC的基本结构8

2.4PLC的工作原理10

第三章可编程控制器的机型选用11

3.1基于PLC的电梯电气控制系统的分析11

3.2输入输出模块的选择12

3.3机型的确定12

第四章硬件和程序软件设计14

4.1控制要求分析14

4.2输入输出分配表14

4.3PLC接线图15

4.4程序流程图16

4.5程序语句17

第五章程序运行28

5.1程序调试28

5.2PLC运用注意事项28

5.3PLC控制系统的外部干扰29

总结30

致谢31

参考文献32

第一章概述

1.1电梯的基本结构

电梯是机电合一的大型复杂产品,机械部分相当于人的躯体,电器部分相当于人的神经.机与电的高度合一,使电梯成了现代科学技术的综和产品.对于电梯的结构而言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,但以功能系统来描述,则更能反映电梯的特点.下面简单介绍电梯机械部分的结构,而我们的主要目的是怎样来控制它。

（1）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。

（2）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。

导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

（3）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。

（4）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。

（5）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，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。

（6）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。

（7）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。

（8）安全保护系统

保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。

由电梯限速器、安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、限位开关装置组成。

1.2电梯的工作原理

电梯的工作原理是由曳引绳两端分别连着轿厢和对重，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，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。

常闭块式制动器在电动机工作时松闸，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、减少电动机功率。

补偿装置用来补偿曳引绳运动中的力和重量变化，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、测速。

指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。

安全装置保证电梯运行安全。

（1）电梯在各服务层站设有层门、轿厢运行方向指示灯、数学显示轿厢、运行位置指层器和召唤电梯按钮。

电梯召唤按钮使用时，上楼按上方向按钮，下楼掀按下方向按钮。

（2）轿厢到达时，层楼方向指示即显示轿厢的运动方向，乘客判断欲往方向和确定电梯正常后进入轿厢，注意门扇的关闭，勿在层门口与轿厢门口对接处逗留。

（3）轿厢有位置显示器、操纵盘及开关门按钮和层楼选层按钮。

进入轿厢后，掀按欲往层楼的选层按钮。

若要轿厢门立即关闭，可掀按关门按钮。

轿厢层楼位置指示灯显示抵达层楼并待轿厢门开启后即可离开。

第二章可编程控制器的简介

2.1PLC的产生与发展

在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。

但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。

1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。

于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。

从此这项技术迅速发展起来。

早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）。

随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。

20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。

PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。

自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。

目前，世界上有200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色，如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC性能先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占用重要地位。

著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（GeneralElectric）公司，日本的三菱电机（MitsubishiElectric）公司、欧姆龙（OMRON）公司，德国的AEG公司、西门子（Siemens）公司，法国的TE（Telemecanique）公司等。

我国的PLC研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。

在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。

此后，在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，并取得显著的经济效益，PLC在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。

目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如无线电二厂、华光电子公司、香岛电机制造公司、A-B公司等。

从近年的统计数据看，在世界围PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首，而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。

PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。

2.2PLC的特点

PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。

它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。

主要有以下特点：

（1）可靠性高、抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。

由于触点接触不良，容易出现故障。

PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

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，部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

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已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，应用者还可以编入外围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获得故障自诊断保护。

可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。

PLC的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施：

硬件方面：

I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。

软件方面：

PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。

（2）编程简单、使用方便

目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。

梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。

当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。

同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。

这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。

（3）硬件配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（4）易学易用，深受工程技术人员欢迎

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。

（5）系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

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。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。

在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。

（6）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，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。

它的重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2.3PLC的基本结构

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、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、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）CPU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。

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速度和存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

（2）存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

（3）I/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。

（4）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24VDC）。

（5）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。

（6）PLC系统的其它设备

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。

也就是我们系统的上位机。

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。

2.4PLC的工作原理

PLC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）输入处理阶段

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。

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）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）输出处理阶段

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映象区对应的状态和数据刷新所有的输出电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

第三章可编程控制器的机型选用

3.1基于PLC的电梯电气控制系统的分析

在PLC运行过程中，其CPU与各设备之间的信息交换、用户程序的执行、信号采集、控制量的输出等操作都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进行的，每个循环都要对所有功能进行查询、判断和操作。

这种顺序和格式不能人为改变。

通常一个扫描周期，基本要完成六个步骤的工作，包括运行监视、与编程器交换信息、与数字处理器交换信息、与通讯处理器交换信息、执行用户程序和输入输出接口服务等。

在一个周期，CPU对整个用户程序只执行一遍。

这种机制有其方便的一面，但实时性差。

过长的扫描时间，直接影响系统对信号响应的效果，在保证控制功能的前提下，最大限度地缩短CPU的周期扫描时间是一个很复杂的问题。

一般只能从用户程序执行时间最短采取方法。

电梯逻辑控制部分的程序扫描时间已超过10ms，尽管采取了一些减少程序扫描时间的办法，但仍无法将扫描时间降到10ms以下。

同时，制动段曲线采用按距离原则，每段距离到的响应时间也不宜超过10ms。

为满足系统的实时性要求，在速度曲线的产生方式中，采用中断方法，从而有效地克服了PLC扫描机制的限制。

起动加速运行由定周期中断服务程序完成。

这种中断不能由程序进行开关，一旦设定，就一直按设定时间间隔循环中断，所以，起动运行条件需放在中断服务程序中，在不满足运行条件时，中断即返回。

为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。

在减速点确定之前，电梯一直处于加速或稳速运行过程中。

加速过程由固定周期中断完成，加速到对应模式的最大值之后，加速程序运行条件不再满足，每次中断后，不再执行加速程序，直接从中断返回。

电梯以对应模式的最大值运行，在该模式减速点到后，产生高速计数中断，执行减速服务程序。

在该中断服务程序中修改计数器设定值的条件，保证下次中断执行。

在PLC的部寄存器中，减速曲线表的数值由大到小排列，每次中断都执行一次“表指针加1操作，则下一次中断的查表值将小于本次中断的查表值。

门区和平层区的判断均由外部信号给出，以保证减速过程的可靠性。

由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用随机逻辑控制。

即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。

另外，轿厢的位置是由脉冲编码器的脉冲数确定，并送PLC的计数器来进行控制。

同时，每层楼设置一个接近开关用于检测系统的楼层信号。

为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在的楼层进行显示，采用LED和发光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示（开关上带有指示灯）。

3.2控制要求分析

输入信号端子有选按钮信号、外选按钮信号、平层、限位信号、厢门限位信号及公共端I等共计24个，控制时应分别与PLC主机输入端连接，公共端I与主机输入COM点连接。

面板上的输出信号端子有外呼指示灯、轿厢上升下降控制、选指示灯、厢门控制，公共端Ⅱ等共计18个，控制时应分别与PLC主机输出端连接，公共端Ⅱ与主机输出COM连接。

使用时首先将模型与PLC主机输入、输出端口连接好，检查无误后，接通电源，模型处于待机状态，启动PLC运行程序，按动模型选层的呼或外呼按钮，若PLC运行程序编制正确的话，电梯模型将按、外呼按钮指令正常运行。

3.3输入输出分配

输入信号有：

呼信号4个，外呼信号6个，开关门信号2个，轿厢平层信号4个，开关门限位2个，上下极限位2个，共计20个。

输出信号有：

呼信号指示4个，外呼信号指示6个，轿厢上下行2个，轿厢上下行指示2个，门电机开关2个，轿厢所在楼层指示6个，共计23个。

3.4机型的确定

FX2N-48MR-001技术指标

合计总数48点－24点输入，DC24V，24点继电器输出；

尺寸（mm）：

182×87×90。

FX2N-48MR-001系列PLC的功能

（1）集成型,高性能

CPU,电源,输入,输出三为一体。

对6种基本单元，可以以最小8点为单位连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。

（2）高速运算

置8000步RAM存储器。

安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。

（3）丰富的软元件围

根据PLC机型选择的基本原则，本设计选择了三菱公司FX2N-48-MR-001系列的PLC。

第四章硬件和软件设计

表4-1输入输出分配表

输入

输出

0

1层呼X000

0

1层呼指示Y000

1

2层呼X001

1

2层呼指示Y001

2

3层呼X002

2

3层呼指示Y002

3

4层呼X003

3

4层呼指示Y003

4

1层外呼上X004

4

1层外呼上指示Y004

5

2层外呼下X005

5

2层外呼下指示Y005

6

2层外呼上X006

6

2层外呼上指示Y006

7

3层外呼下X007

7

3层外呼下指示Y007

8

3层外呼上X010

8

3层外呼上指示Y010

9

4层外呼下X011

9

4层外呼下指示Y011

10

开门开关X012

10

电梯上行Y012/KM1

11

关门开关X013

11

电梯下行Y013/KM2

12

1层平层X014

12

门电机开Y014/KM3

13

2层平层X015

13

门电机关Y015/KM4

14

3层平层X016

14

电梯上行指示Y016

15

4层平层X017

15

电梯下行指示Y017

16

开门限位X020

16

楼层指示Y020～Y026

17

关门限位X021

17

18

上极限位X022

18

19

下极限位X023

19

4.3PLC接线图

图4-1为PLC输入输出接线图。

X000～X023为输入信号，Y000～Y026为输出信号，其中Y020～Y026分别按顺序接数码管的A～G显示轿厢所在楼层。

输入端的公共端COMI接地，输出端的公共端COMⅡ接+24V电源。

图4-1PLC输入输出接线图

4.4程序流程图

图4-2为电气控制系统的程序流程图。

假设电梯停于一楼，则D0中的值为1。

此时如果按下三楼向上按钮，则D9中赋值为3。

然后就将D9中的值与D0中的值相比较，显然D9大于D0，电梯上行。

如果在上行过程中如果按下二楼向上按钮，则先停于