基于PLC的交通灯控制.docx
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基于PLC的交通灯控制
课程名称:
电气控制与PLC
基层教学单位:
指导教
学号
学生姓名
(专业)班级
设计题目
基于PLC的交通灯控制
设
计
技
术
参
数
1.基于PLC的交通灯控制
2.使用组态王实现上位控制
3.公共实践(四层电梯)
4.公共实践(邮件分拣)(选作)
5.查阅资料(变频器)
设
计
要
求
采用PLC进行设计。
画出系统图,采用梯形图编程,并给出相应的组态控制工程(附主画面)。
结合公共实践部分,完成设计说明书。
参
考
资
料
“电气控制”类图书及论文资料
“可编程控制器”类图书及论文资料
周次
20周
应
完
成
内
容
分析设计要求、查资料、确定方案,设计梯形图、设计上位组态
撰写课程设计说明书,答辩
指导教
师签字
基层教学单位主任签字
说明:
1、此表一式三份,系、学生各一份,报送院教务科一份。
一摘要2
二四层电梯部分3
2.1用PLC做四层电梯的意义3
2.2自动电梯相关原理知识3
三电梯控制具体设计5
3.1运行要求5
3.2输入输出分配表7
3.3主体流程8
3.4四层电梯PLC设计步进梯形图9
四十字路口信号灯控制系统13
4.1组态王的介绍13
4.2组态王实现步骤14
4.3组态王中的程序18
4.4最终运行结果20
五变频器(查阅资料)22
5.1通用变频器的发展22
5.2变频器的选择24
4.3变频器的工作原理24
4.5变频器自学习功能的应用方法27
六总结29
七参考文献30
一摘要
可编程控制器是60年代末在美国首先出现的,当时叫可编程逻辑控制器PLC(ProgrammableLogicController),目的是用来取代继电器。
以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。
提出PLC概念的是美国通用汽车公司。
PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来,控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象,将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。
70年代中期以后,PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器,输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路,这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能,还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。
国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义:
可编程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。
它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算,顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备,易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的设计。
可编程控制器对用户来说,是一种无触点设备,改变程序即可改变生产工艺。
目前,可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具,得到了广泛的普及推广应用。
可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机,具有许多明显的特点。
①可靠性高,抗干扰能力强;
②编程直观、简单;
③适应性好;
④功能完善,接口功能强。
本次课程设计分为两部分,首先完成公共的四层电梯部分,然后学习组态王软件并利用组态王完成会十字路口交通等控制系统的绘制。
关键字:
PLC组态王四层电梯十字路口信号灯
二四层电梯部分
2.1用PLC做四层电梯的意义
自从电梯发明以后,电梯电气控制技术越来越受到人们的重视。
电梯电气控制技术主要体现在电梯电气控制系统的设计上。
电梯的电气控制主要是对各种指令性年后、位置信号、速度信号和安全信号进行管理,使电梯正常运行或处于保护状态,发出各种显示信号。
电梯的电气控制,过去采用继电器逻辑电路,一般称继电气控制。
这种硬布线的逻辑控制方式具有原理简单、直观等特点,但是通用性差,逻辑系统由许多触点组成,接线复杂、故障率高、设备庞大,国家已规定淘汰。
目前我国电梯主要由先进的、可靠性高的微型计算机或者PLC控制。
PLC控制可以使电梯能长时间可靠的运行,保证人民的正常生活以及安全。
2.2自动电梯相关原理知识
电梯以电动机为动力的垂直升降机,装有箱状吊舱,用于多层建筑乘人或载运货物。
也有台阶式,踏步板装在履带上连续运行,俗称自动电梯。
电梯是机电一体化产品。
其机械部分通过控制部分调度,密切协同,使电梯可靠运行。
电气控制部分由电力拖动系统,运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。
1—控制柜(屏)
2一拽引机
3—拽引钢丝绳
4—限速器
5—限速器钢绳
6—限速器张紧装置
7—轿厢
8—安全钳
9—轿厢门安全触板
10—导轨
11—对重
12—厅门
13—缓冲器
图2电梯模型结构图
三电梯控制具体设计
3.1运行要求:
(1)电梯上行:
①当电梯停于1楼1F或2F、3F时,4F呼叫,则上行到4楼,碰行程开关后停止。
②当电梯停于1F或2F时,3F呼叫,则上行到3F,碰行程开关后停止。
③当电梯停于1F时,2F呼叫,则上行到2F,碰行程开关后停止。
④当电梯停于1F时,2F、3F同时呼叫,则上行到2F后,停5秒种,继续上行到3F后停止。
⑤当电梯停于1F时,3F、4F同时呼叫,则上行到3F后,停5秒后,继续上行到4F后停止。
⑥当电梯停于1F时,2F、4F同时呼叫,则上行到2F后,停5秒后,继续上行到4F后停止。
⑦当电梯停于1F时,2F、3F、4F同时呼叫,则上行到2F后,停5秒后,继续上行到3F后,停5秒后,继续上行到4F后停止。
⑧当电梯停于2F时,3F、4F同时呼叫,则上行到3F后,停5秒后,继续上行到4F后停止。
(2)电梯下行
①当电梯停于4F或3F、2F时,1F呼叫,则下行到1F,碰行程开关后停止。
②当电梯停于4F或3F时,2F呼叫,则下行到2F,碰行程开关后停止。
③当电梯停于4F时,3F呼叫,则下行到3F,碰行程开关后停止。
④当电梯停于4F时,3F、2F同时呼叫,则下行到3F后,停5秒种,继续下行到2F后停止。
⑤当电梯停于4F时,3F、1F同时呼叫,则下行到3F后,停5秒后,继续下行到1F后停止。
⑥当电梯停于4F时,2F、1F同时呼叫,则下行到2F后,停5秒后,继续下行到1F后停止。
⑦当电梯停于4F时,3F、2F、1F同时呼叫,则下行到3F后,停5秒后,继续下行到2F后,停5秒后,继续下行到1F后停止。
⑧当电梯停于3F时,2F、1F同时呼叫,则下行到2F后,停5秒后,继续下行到1F后停止。
(3)各楼层运行时间应在15秒以内,否则认为有故障。
(4)电梯停于某一层时,数码管应显示该层的楼层数。
(5)电梯上、下行时,相应的标志灯应亮。
(6)启动时,当电梯没有停在任何楼层,可自动向上或向下停靠。
(7)有逆向呼叫时,先到达最顶层或最底层,然后响应。
例:
电梯响应3层电梯,电梯上行,若上行过程中,1楼又有人呼叫,电梯先上升到最高层,然后再下行。
3.2输入输出分配表
表一输入输出分配表
输入
输出
主机
实验模块
注释
主机
实验模块
注释
X1
LAY1
一楼行程开关
Y0
DJB
电机下行
X2
LAY2
二楼行程开关
Y1
DJA
电机上行
X3
LAY3
三楼行程开关
COM1
24V
X4
LAY4
四楼行程开关
COM0
24V
X12
2DN
二层下呼
Y6
A
数码管段码
X13
3DN
三层下呼
Y7
B
X14
4DN
四层下呼
Y10
C
X11
1UP
一层上呼
Y11
D
X12
2UP
二层上呼
Y12
E
X13
3UP
三层上呼
Y13
F
Y14
G
X0
RST
复位
LEDCOM
GND
COM2
24V
X5
IN1
一层内选按钮
X6
IN2
二层内选按钮
24V
24V
X7
IN3
三层内选按钮
GND
GND
X10
IN4
四层内选按钮
COM
COM
GND
3.3主体流程
四层电梯的自动控制主体思想是将四层楼分为四个状态,每个楼层分为两个子状态一、二,状态一为该楼层的等待状态,状态二为该楼层的行进状态。
四个楼层状态之间依据限位开关进行切换,即一层状态可以切换到二层状态,二层状态可以切换到一、三层的状态。
切换时首先判断该层是否被呼叫,如果被呼叫则切换到该层的等待状态中,等待3秒后进入该层的行进状态中。
图3电梯设计主流程图
3.4四层电梯PLC设计步进梯形图
四十字路口信号灯控制系统
4.1组态王的介绍
(1)特点
组态王具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层,对上连接管理层,它不但实现对现场的实时监测与控制,且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题:
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析,采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面,有利于试验者实时现场监控。
而且,它能充分利用Windows的图形编辑功能,方便地构成监控画面,并以动画方式显示控制设备的状态,具有报警窗口、实时趋势曲线等,可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
(2)实践
1、使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法:
(1)图形界面的设计
(2)构造数据库
(3)建立动画连接
(4)运行和调试
2、使用组态王软件开发具有以下几个特点
(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。
(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。
对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。
(3)在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:
(1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。
(2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。
(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
4.2组态王实现步骤
(1)创建新工程
选择菜单“文件\新建工程”或单机“新建”按钮,弹出“新建工程向导之一”对话框,如图
单击“下一步”继续,弹出“新建工程向导之二”对话框,输入“交通灯”,如图
单击“下一步”继续,弹出“新建工程向导之三”对话框,在工程名称里输入“交通灯”,点击完成,如图
点击完成在“组态王工程浏览器”就可以看到已经创建好的工程了,如图:
(2)定义变量
对于变量的定义,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如时间、位置等。
在我们的题目中我们需要定义的变量有:
钻头位置、控制电机、各个控制开关、指示灯等等。
当我们创建动画时需要用这些变量将不同的画面之间建立联系。
变量的类型选择需要根据具体的应用来选择,由于此次课程设计我们实验室的PLC试验箱不能实现与组态王相连接,因此定义的变量类型均为内存型的。
所定义的变量如图所示:
(3)图形界面的设计
图形界面的设计是用抽象的图形画面来模拟实际的现场和相应的工控设备。
下面为我设计的最终效果图
(4)建立动画连接
当我们完成控制工程的图画设计与变量定义之后,要想建立动画还应该将这些图画与定义的变量进行连接,应用组态王的编程语言,通过编程来实现对变量的控制,进而实现了对画面运行的控制。
程序的设计是基于工程控制来进行的,以实际情况为基础我们建立的动画应满足实际情况。
这样,我们就完成了对工业控制过程的模拟,如果与外设相连还可以对控制过程进行监测和控制。
当建立动画连接完成后,就可以对动画进行运行。
4.3组态王中的程序
4.4最终运行结果
(1)刚进入View时:
(2)点击右侧的“开始”按钮,南北方向绿灯,车和行人通行,东西方向红灯。
车和行人止步。
绿灯5S后闪烁3S,切换黄灯2S,最终红灯10S。
依次循环........
(3)点击“停止”按钮后,指示灯保持当前妆台不再改变,如图所示
(4)当有意外发生时,点击“十”,紧急状态开启,所有路口红灯开禁止通行以防造成更大伤亡,同时拨通120,救护车赶到现场,如图所示
(5)最后点击“退出系统”,推出VIEW界面
五变频器(查阅资料)
5.1通用变频器的发展
上个世纪80年代初,通用变频器实现了商品化。
在近20年的时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。
A、容量不断扩大
80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。
到了90年代初,BJT通用变频器的容量达到了b00KVA,400KVA以下的已经系列化。
前几年主开关器件开始采用IGBT,仅三、四年的时一间,IGBT变频器的单机容量己达1800KVA,随着IGBT容量的扩大,通用变频器的容量也将随之扩大。
B、结构的小型化
变频器主电路中功率电路的模块化,控制电路采用大规模集成电路(LSI)和全数字控制技术,结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施,促进了变频电源装置的小型化。
另外,一种混合式功率集成器件,采用厚薄膜混合集成技术,把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起,构成了一种“智能电力模块”(IntelligentModule,IPM)这种器件属于绝缘金属基底结构,所以防电磁干扰能力强,保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小,因而保护迅速且可靠,传感信号也十分迅速。
C、多功能和智能化
电力电子器件和控制技术的不断进步,使变频器向多功能化和高性能化方向发展。
特别是微机的应用,为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。
人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验,并不断融入软件功能。
日益丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能,即可以把原有生产机械的工艺水平“升级”,达到以往无法达到的境界,使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种。
8位、16位及32位CPU奠定了通用变频器全数字控制的基础。
32位数字
信号处理器(DigitalSignalProcesser-DSP)的应用将通用变频器的性能提高一大步,实现了转矩控制,推出了“无跳闸功能”。
目前,新一代变频器开始采用新的“精简指令集计算机”(ReducedInstructionSetComputer-RISC),将指令执行时间缩短到纳秒级。
它是一种矢量微处理器,其功能着重点放在常用基本指令的执行效率上,舍弃了某些运算复杂而使用率不高的指令,省下它们所占用的硬件资源用于提高基本的运算速度,达到了以“每秒上亿条指令”为单位来衡量运算速度的程度。
有文献报道,RISC的运算速度可达1000MIPS,即10亿次/秒,相当于巨型计算机水平。
指令计算时间为ins量级,是一般微处理器所无法比拟的。
有的变频器厂家声称,以RISC为核心的数字控制,可以支持无速度传感器矢量控制变频器的矢量控制算法、转速估计计算、PID调节器在线实时运算。
目前出现了一类“多控制方式”通用变频器。
例如本设计所采用的安川公司的VS)16-G5变频器就有:
(1)无PG(速度传感器)V/f控制;
(2)有PGV/f控制;(3)无PG矢量控制:
(4)有PG矢量控制等四种控制方式。
通过控制面板,可以控制上述四种控制方式中的一种,以满足用户的需要。
D、应用领域不断扩大
通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制,直到全数字控制的演变,逐步地实现了多功能化和高性能化,进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。
最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等,到目前为止,其应用领域得到了相当的扩展。
如搬运机械,从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器;金属加工机械,从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都已应用通用变频器;在其它方面,如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、各类家用电器甚至街心公园喷水池,可以说其应用范围相当广阔,并且还将继续扩大。
5.2变频器的选择
随着变频器性能价格比的提高,交流变频调速已应用到许多领域,由于变频调速的诸多优点,使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。
目前,有为电梯控制而设计的专用变频器,其功能较强,使用灵活,但其价格昂贵。
因此,本设计没有采用专用变频器,而是选用了通用变频器,通过合理的配置、设计和编程,同样可以达到专用变频器的控制效果目前,市场流行的通用变频器的种类繁多,而电梯行业中使用的变频器的品牌也不少,其控制系统的结构也不尽相同,但其总的控制思想却是大同小异。
电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外,他的舒适度指标往往是选择的一项重要内容。
本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行,以改善电梯运行的舒适感;另外,由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例,因此,电梯节约用电日益受到重视。
考虑以上各种因素,本设计选用安川VS-61665型全数字变频器,它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能,可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率,同时降低了电机运行损耗,特别适合电梯类负载频繁变化的场合。
4.3变频器的工作原理
变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、再次整流(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类:
电压型、电流型。
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频或矢量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
4.4变频器的控制方式
1、非智能控制方式
在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
(1)V/f控制
V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性,基于在改变电源频率进行调速的同时,又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的,通用型变频器基本上都采用这种控制方式。
V/f控制变频器结构非常简单,但是这种变频器采用开环控制方式,不能达到较高的控制性能,而且,在低频时,必须进行转矩补偿,以改变低频转矩特性。
(2)转差频率控制
转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式,它是在V/f控制的基础上,按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率,并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率,就可以使电动机具有对应的输出转矩。
这种控制方式,在控制系统中需要安装速度传感器,有时还加有电流反馈,对频率和电流进行控制,因此,这是一种闭环控制方式,可以使变频器具有良好的稳定性,并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。
(3)矢量控制
矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位,以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制,进而达到控制电动机转矩的目的。
通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间,又可以形成各种PWM波,达到各种不同的控制目的。
例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。
目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。
基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致,但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制,使之满足一定的条件,以消除转矩电流过渡过程中的波动。
因此,基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。
但是,这种控制方式属于闭环控制方式,需要在电动机上安装速度传感器,因此,应用范围受到限制。
无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制,然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。
这种控制方式调速范围宽,启动转矩大,工作可靠,操作方便,但计算比较复杂,一般需要专门的处理器来进行计算,因此,实时性不是太理想,控制精度受到计算精度的影响。
(4)直接转矩控制
直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念,在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩,通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的,因此省去了矢量控制等复杂的变换计算,系统直观、简洁,计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。
即使在开环的状态下,也能输出100%的额定转矩。
(5)最优控制
最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同,可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。
例如在高压变频器的控制应用中,就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略,以实现一定条件下的电压最优波形。
(6)其他非智能控制方式
在实际应用中,还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现,例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。
2、智能控制方式
智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统和学习控制等,目前智能控制方式在变频调速控制系统中的具体应用中已取得一些成功经验。
4.5变频器自学习功能的应用方法
为了使变频器工作在最佳状态,在完成参数设置后,需使变频器对所驱动的电动机进行自学习,而61665就具有曳引机参数自学习的功能,其方法是:
将曳引机制动轮与电机轴脱离,使电动机处于空载状态,然后启动电动机,让变频器自动识别并存储电动机有关参数,变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。
显然,这一组自学习到的参数,是和变频器匹配的最佳参数,使变频器能对该电动机进行最佳控制。
4.6变频器的功率输出驱动技术动向
采用变频器的调速传动技术,近年来取得惊人的进步。
从技术发展动向来看,大致有如下几个方面:
A、IGBT的应用
最近几年来,工GBT的应用正在迅速推进。
其显著的特点是:
开关频率高,驱动电路简单。
用于通用变频器时,有如下明显的效果:
a.由于载波效率的提高(20KHz或更高),负载电动机的噪声明显减少,实现了低
噪声传动。
电动机的金属鸣响声因振动频率超过了人耳可感知
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- 基于 PLC 交通灯 控制