课题设计基于PLC的电梯控制系统设计.docx
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课题设计基于PLC的电梯控制系统设计.docx
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课题设计基于PLC的电梯控制系统设计
电梯控制模型
电梯控制模型(D题)
一、任务
设计并制作一个电梯控制模型。
示意图如图1所示。
二、要求:
1、基本要求:
(1)当某层有呼叫并有呼叫信号显示时,桥厢模型作相应的运动,并准确平层,平层的位置误差10mm。
要求平均每层运行时间不超过5秒,平层结束时给出提示信号。
(2)当有多层呼叫时,桥厢模型将按说明中的电梯模型运行规则作相应的运动,并依次在呼叫的楼层停留5秒。
(3)能自动记录、显示桥厢模型当前到达的楼层编号。
(4)要求桥厢模型在加载400克的条件下,从1层到5层和从5层到1层的往返时间相等,单程时间不超过12秒,往、返时间之差不大于1秒,并自动记录、显示运行时间。
2、发挥部分:
(1)要求桥厢模型能够加载0~500克的重物,显示并存储该物体的重量,显示分辨率为1克,误差:
±3%。
(2)桥厢模型的额定负荷可以预置,当加载的物体超过预置值时,将发出超重报警信号。
(3)增设模拟桥厢内表示乘客欲到达层数的按钮,桥厢模型将按照电梯模型运行规则作相应的运动。
(4)其它。
二、评分标准
项目
满分
基本要求
设计与总结报告:
方案比较、设计与论证,理论分析与计算,电路图及有关设计文件,测试方法与仪器,测试数据及测试结果分析。
50
实际制作完成情况
50
发挥部分
完成第
(1)项
20
完成第
(2)项
5
完成第(3)项
15
完成第(4)项
10
三、说明
1、控制电机类型不限,其安装位置及安装方式自定。
2、电梯竖井间部分也可简化,由一垂直平面代替,如图2所示。
3、平层的要求是以桥厢模型J的底平面(或自定标志)与表示楼层的标志线平齐。
4、要求平层过程中桥厢模型J移动方向保持不变。
5、关于电梯模型运行规则的说明:
(1)电梯有两种类型的按钮:
第一种为各楼层上的“向上”、“向下”按钮;第二种为电梯桥厢内表示要到达楼层编号的数字按钮。
实际制作时,按钮的安装位置不作任何限制。
(2)各按钮呼叫时应有指示灯显示,电梯响应该按钮的呼叫后,其指示灯应自动熄灭。
(3)电梯运行时响应按钮的优先顺序如下:
1方向优先:
电梯按某方向运行时,优先响应该运行方向的按钮;
2距离优先:
同一方向有多个按钮呼叫时,优先响应最近的楼层。
摘要:
本设计采用TI16位单片机MSP430F167对整个系统进行控制,通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号,信号经过芯片L293D驱动步进电机;同时,用P1口外接8键键盘来模拟1到5层的呼叫按钮,用P2口外接5键键盘来模拟桥厢内表示乘客欲到达层数的按钮,并用13个发光二极管显示每个呼叫;用霍尔开关作为传感器来实现每一层的定位。
关键词:
步进电机单片机传感器
方案论证与比较
1,电机的选择,电机是整个电梯模型的动力输出部分,在电梯的升降,悬停等动作中起着最关键的作用。
方案一:
使用普通直流电机。
用PWM信号控制电机的运动。
但在电梯需要悬停时,可以用给电机加齿轮和其他机械装置在直流电机不转动(或转动很慢)时稳住电梯,不让其掉下。
方案二:
使用步进电机。
用普通IO口输出脉冲驱动电机转动,能够精确控制电机的转动角度,在电梯需要悬停时不需要加任何机械装置,步进电机内部磁场就可以锁住轴承,稳住电梯。
方案二简单,实用。
不需要复杂的机械装置,同时能满足题目的指标要求。
故选择方案二。
2,驱动电路选择,设计中受控电机为四相六线制的步进电机(内阻33欧,步进1.8度,额定电压12V)
方案一:
使用多个功率放大器件驱动电机
通过使用不同的放大电路和不同参数的器件,可以达到不同的放大的要求,放大后能够得到较大的功率。
由于使用的是四相的步进电机,就需要对四路信号分别进行放大,电路的制作比较复杂。
方案二:
使用L298N芯片驱动电机
L293D芯片可以驱动两个二相电机(如图1-1),也可以驱动一个四相电机,输出电压最高可达32V,可以直接通过电源来调节输出电压;可以直接用单片机的IO口提供信号;而且电路简单,使用比较方便。
通过实验,我们发现L293D芯片能稳定地驱动步进电机,在电梯内带500克负载时也能控制电机升降,但是发热量略微偏大,而使用用MOS管制作的放大电路就完全没有问题。
实际运用中为了使电路简单选用L293D驱动电机。
3,传感器件选择
方案一:
使用红外对管。
可以根据电梯竖井内各部位的反射光线能力不同来确定电梯位置,缺点是实现电路相对复杂,易受其他强光源干扰。
方案二:
使用霍尔器件。
可以在电梯竖井内各部位放上磁铁,当霍尔开关对准磁铁时,发出脉冲信号,确定电梯位置。
实现电路非常简单。
同时霍尔开关的价格也很低。
方案二明显拥有更高的性价比,所以选择方案二。
4, 键盘选择
方案一:
使用IIC键盘或者PS2键盘
这两种键盘拥有较多的按键,能够满足本题对按键数目的要求。
但是存在两个较大的问题:
1,实时性,读取IIC键盘键值或者PS2键盘键值都需要至少20毫秒的时间。
2,中断的控制。
当某一键按下时,在没有完成此键的呼叫前,应该禁止此键的中断再次发生(否则当某一个键连续敲击时可能使系统崩溃),但对于IIC键盘和PS2键盘,所有按键共用一个中断,就无法关闭某一个中断。
方案二:
呼叫键直接接IO口中断,其他设置键使用IIC键盘。
这个方案能够解决方案一中的问题,同时拥有足够的键可以用,而且电路简单,实际制作时,采用此方案。
根据以上方案论证,得出系统框图如下:
二,硬件组成
1.步进电机控制原理
步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。
步进电机可分为反应式步进电机(简称VR)、永磁式步进电机(简称PM)和混合式步进电机(简称HB)。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是,它是通过输入脉冲信号来进行控制的,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作,控制信号由单片机产生。
其基本原理作用如下:
(1) 控制换相顺序
通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如:
三相步进电机的三拍工作方式,其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,D相的通断。
(2) 控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转,如果按反序通电换相,则电机就反转。
(3)控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。
调整单片机发出的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。
2.电机驱动电路
使用L298N芯片驱动电机的电路图
使用多个功率放大器件驱动电机的电路图
3.键盘电路
键盘分为两部分。
分别用8键键盘来模拟1到5层的呼叫按钮,用P2口外接5键键盘来模拟桥厢内表示乘客欲到达层数的按钮
4.传感器电路
传感器电路非常简单,当霍尔器件正对磁铁时,Sigal线与GND线间的电阻将由无穷大变为0。
电路图如下:
三, 软件组成
1.在此模型中,我们驱动电机用了一次细分的方法。
即用4相8拍的方式驱动电机,这样可以增大电机控制精度,降低电机转动噪声。
程序流程图如下:
UpOrDownFlag=0
pOrDownFlag=1
2.处理按键呼叫程序
在本程序中用了三个数组来记录各按键是否按下。
第一个数组名为UpArray[5],记录各楼层需要向上的呼叫。
第二个数组名为DownArray[5],记录各楼层需要向下的呼叫。
第三个数组为ToFloorArray[5],记录桥厢内表示乘客欲到达层数的呼叫。
在键盘中断中置位各数组的值,完成呼叫后复位对应置。
3.主程序流程
否
是
postedon2005-05-2119:
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实验二十七电梯门控系统模拟仿真
一、实验目的
用PLC和变频器构成电梯门控模拟系统
二、实验设备
XK-2001型电气智能实验台
电机单元1块
连接导线一套
三、实验内容
l.控制要求
(1)当某层呼叫,轿箱运行到该层并停止后,箱门才能打开。
(2)箱门的打开是通过PLC及变频器控制变频电机来实现的,轿箱停止后经过一段时间的延时,PLC发出开门变速信号,使变频器控制门电机变频运动,当PLC接收到轿箱上的第一个光电开关发来信号时再发给变频器一个平层信号,使变频电机匀速运动,当PLC接收到轿箱上的第二个光电开关发来的信号时,PLC便会发出停止变速信号,使轿箱门停止。
图27-1
2.I/O分配表
输入:
X0手动计算机转换
X1(R1)开门
X2(R2)关门
输出:
Y0启动
Y1正反转
Y2一级调速
Y3二级调速
3.PLC、变频器与控制电机的外部接线原理图如图27-1所示。
五、实验步骤
1.如图27-2所示进行跨接线的连接,并进行变频器参数的设置。
2.参照图27-3所示进行外部连接。
3.启动上位机,将“电梯仿真.fp”程序下载到PLC,启动组态王,进入如图27-4所示的画面选择“电梯控制”,按运行进入如图27-5所示的组态王监控画面。
图27-2
图27-3
图27-4
图27-5
六、总结要求
写出实验报告,应包括梯形图清单及注释,外部接线图,并给出运行结果。
实验十八电梯模型
一、实验目的
用PLC构成电梯自控系统
二、实验设备
台式PLC实验装置一台
电梯自控实验模型一台.
连接导线一套
三、实验内容
1.控制要求
(1)当轿箱停于1层或2层,或者3层时,按4层按钮呼梯,则轿箱上升到4层停。
(2)当轿箱停于4层或3层,或者2层时,按1层按钮呼梯,则轿箱下降至l层停。
(3)当轿箱停于1层,若按2层按钮呼梯,则轿箱上升到2层停,若按3层按钮呼梯则轿箱上升至3层停。
(4)当轿箱停于4层,若按3层按钮呼梯,则轿箱下降至3层停,若按2层按钮呼梯则轿箱下降至2层停。
(5)当轿箱停于1层,而后2、3、4层按钮均有人呼梯时,轿箱上升至2层暂停后继续上升至3层,暂停后,继续上升至4层停止。
(6)当轿箱停于4层,而后1、2、3层按钮均有人呼梯时,轿箱下降至3层暂停后,继续下降至2层,在二层暂停后,继续下降至1层停止。
(7)当轿箱上升(或下降)途中,任何方向下降(或上升)的按钮呼梯均有效。
以上呼梯信号:
包括楼内选层按钮;楼层显示灯亮,表示轿箱到达该楼层:
灯灭表示轿箱不在该楼层。
箭头向上亮表示电梯上升,箭头向下亮表示电梯下降。
(8)要求强制电梯提升、强制电梯下降、强制关门,运行启动信号.
2.I/O分配举例:
层位检测(面板中):
一层(I1)、二层(I2)、三层(I3)、四层(I4)
梯内选择(面板左):
一层(I7)、二层(I8)、三层(I9)、四层(I10)
外呼梯(面板中):
一层向上(I11)、二层向下(I12)、二层向上(I13)、三层向下(I14)、三层向上(I15)、四层向下(I16)。
外呼梯灯(面板左):
一层向上(01)、二层向下(02)、二层向上(03)、三层向下(04)、三层向上(05)四层向下(06)。
层位显示(面板右):
一层07、二层08、三层09、四层010
1、电机提升(011)1、提升指示灯(013)l、开门(00)
2、电机下降(012)2、下降指示灯(014)2、关门(015)
梯内选择灯(面板右)一层017、二层018、三层019、四层020
说明:
操作
1)运行前的初始状态:
实验装置主机板上的X033(I27)和X036(I30)同时为“ON”,轿箱则停在1~4层之间的任意位置。
(与是否平层无关)
2)PLC打向“RUN”后,等待有呼梯信号:
①当轿箱停在“无平层信号”位置上时,有呼梯后动作顺序是:
“开门一停车2S一关门一提升(下降)
②当轿箱停止“有平层信号”位置上时有呼梯后动作顺序是提升(下降)
3)一些强制信号
①X034(I28)强制电梯提升
②X035(I29)强制电梯下降
③X037(I31)强制关门(在运行过程中门若未关好,可强制关门)
④X038(I32)强制开门
3.按图18-1所示参考程序输入梯形图。
4.调试并运行程序。
四、实验报告
1.编写实验报告。
记录、分析实验过程及现象。
2.总结实验结论。
图18-1参考程序
参考程序(续)
参考程序(续)
参考程序(续)
参考程序(续)
参考程序(续)
参考程序(续)
参考程序(续)
实验十三电梯模板
一、实验目的:
用PLC构成电梯模板系统。
二、实验设备:
台式PLC实验装置一台
电梯实验模板一块
连接导线一套
13-1电梯控制模板示意图
三、实验内容
1.控制要求:
电梯启动后,轿厢停在一层,并有一层指示灯亮,此时,电梯一直处在上升状态,即上升指示灯亮。
楼层共有四层,若有二层,三层,四层的呼梯信号,则相应呼梯信号为ON,电梯上升。
电梯到达二层后,一层指示灯灭,二层指示灯亮。
平层信号由相应输入下面的开关闭合来模拟。
同样,到达三层后,平层信号给出,二层指示灯灭,三层指示灯亮。
电梯继续上升,到达四层后,平层信号给出,三层指示灯灭,四层指示灯亮,同时,上升指示灯灭,下降指示灯亮,则电梯处在下降过程中。
过程与上升时类似。
电梯下降到一层后,一层指示灯亮,同时下降指示灯灭,上升指示灯亮,重复上述过程。
无论上升还是下降,梯内呼信号与外呼梯信号表现相同,均为相应层指示灯亮。
轿厢在上升或下降途中,不改变方向,只有到顶层(四层)或底层(一层)后才改变方向。
2.I/O分配:
调试单元与模板应用线连接;输入部分可以只有调试单元。
输入输出
层位检测:
层位显示:
调试单元模板PLC内部说明调试单元PLC内部模板
I1(X1):
一层07(Y7):
运行显示的一层
I2(X2):
二层08(Y10):
运行显示的二层
I3(X3):
三层09(Y11):
运行显示的三层
I4(X4):
四层010(Y12):
运行显示的四层
外呼梯按钮(面板左):
外呼梯显示(面板左):
调试单元模板PLC内部说明调试单元PLC内部模板
I11一上(X13)01(Y1):
外呼梯显示1上
I2二下(X14)02(Y2):
外呼梯显示2下
I3二上(X15)03(Y3):
外呼梯显示2上
I4三下(X16)04(Y4):
外呼梯显示3下
I5三上(X17)05(Y5):
外呼梯显示3上
I6四下(X18)06(Y6):
外呼梯显示4下
梯内选择开关(面板右):
其它(面板右):
调试单元模板PLC内部说明调试单元PLC内部模板说明
I7一层(X7)013(Y15):
运行显示↑上升指示灯
I8二层(X10)014(Y16):
运行显示↓下降指示灯
I9三层(X11)
I10四层(X12)
3.按图13-2所示的梯形图输入程序。
4.调试并运行程序。
四、实验报告
1.编写实验报告。
记录、分析实验过程及现象。
2.总结实验结论。
13-2参考程序
参考程序(续)
参考程序(续)
五层电梯模型PLC控制系统设计与调试
一、控制要求:
1.系统应具备:
有司机、无司机、消防三种工作模式。
2.系统应具备下列几项控制功能:
1)自动响应层楼召唤信号(含上召唤和下召唤)。
2)自动响应轿厢服务指令信号。
3)自动完成轿厢层楼位置显示(二进制方式)。
4)自动显示电梯运行方向。
5)具有电梯直达功能和反向最远停站功能。
3.系统提供的输入控制信号:
AYS向上行驶按钮
AYX向下行驶按钮
YSJ有/无司机选择开关
1YC一楼行程开关
2YC二楼行程开关
3YC三楼行程开关
4YC四楼行程开关
5YC五楼行程开关
A1J一楼指令按钮
A2J二楼指令按钮
A3J三楼指令按钮
A4J四楼指令按钮
A5J五楼指令按钮
AJ指令专用开关(直驶)
ZXF置消防开关
A1S一楼上召唤按钮
A2S二楼上召唤按钮
A2X二楼下召唤按钮
A3S三楼上召唤按钮
A3X三楼下召唤按钮
A4S四楼上召唤按钮
A4X四楼下召唤按钮
A5X五楼下召唤按钮
4.系统需要输出的开关控制信号:
KM开门显示
GM关门显示
MGB门关闭显示
DCS上行显示
DCX下行显示
S上行继电器(控制电动机正转)
X下行继电器(控制电动机反转)
YX运行显示
ALED七段显示器a段发光二极管
BLED七段显示器b段发光二极管
CLED七段显示器c段发光二极管
DLED七段显示器d段发光二极管
ELED七段显示器e段发光二极管
FLED七段显示器f段发光二极管
GLED七段显示器g段发光二极管
1DJA一楼指令信号登记显示
2DJA二楼指令信号登记显示
3DJA三楼指令信号登记显示
4DJA四楼指令信号登记显示
5DJA五楼指令信号登记显示
1DAS一楼上召唤信号登记显示
2DAS二楼上召唤信号登记显示
2DAX二楼下召唤信号登记显示
3DAS三楼上召唤信号登记显示
3DAX三楼下召唤信号登记显示
4DAS四楼上召唤信号登记显示
4DAX四楼下召唤信号登记显示
5DAX五楼下召唤信号登记显示
实验8 压力测量仪设计任务书
一、设计目的
(1)使同学们掌握金属箔应变片组成的称重传感器的正确使用方法;了解压力测量仪的工作原理及其在电子天平中的应用。
(2)通过设计、安装、调试电路等实践环节,提高学生的动手能力,提高分析问题、解决问题的能力。
二、设计要求
(1)设计一个电子天平,量程为0~1.999Kg,传感器采用悬臂梁式的称重传感器(悬臂梁上贴有应变片)。
显示电路采用共阳极数码管。
3位半A/D转换电路。
(2)安装、调试电路。
首先对电路进行调零、定标,然后再对电路进行稳定性、漂移(零漂、温漂)、重复性、线性等参数的测试和分析
(3)写出总结报告。
报告中应包括在调试过程中遇到的问题、改进方法及总结体会等。
三、压力测量仪基本原理
压力测量仪由以下五个部分组成:
传感器、传感器专用电源、信号放大系统、模数转换系统及显示器等组成。
其原理框图如图1所示:
图1压力测量仪组成框图
(1)传感器测量电路
称重传感器的测量电路通常使用电桥测量电路,它将应变电阻值的变化转换为电压的变化,这就是可用的输出信号。
电桥电路由四个电阻组成,如图2所示:
桥臂电阻R1,R2,R3和R4,其中两对角点AC接电源电压USL=E(+10V),另两个对角点BD为桥路的输出USC,桥臂电阻为应变电阻。
R1R4=R2R3时,电桥平衡,则测量对角线上的输出USC为零。
当传感器受到外界物体重量影响时,电桥的桥臂阻值发生变化,电桥失去平衡,则测量对角线上有输出,USC≠0。
图2传感器电桥测量电路
(2)放大系统
压力测量仪的放大系统是把传感器输出的微弱信号进行放大,放大的信号应能满足模数转换的要求。
该系统使用的模数转换是3位半A/D转换,所以放大器的输出应为0V~1.999V。
为了准确测量,放大系统设计时应保证输入级是高阻,输出级是低阻,系统应具有很高的抑制共模干扰的能力。
(3)模数转换及显示系统
传感器的输出信号放大后,通过模数转换器把模拟量转换成数字量,该数字量由显示器显示。
显示器可以选用数码管或液晶显示器
(4)传感器供电电源
有恒压源与恒流源
对于恒压源供电:
参考图2,设四个桥臂的初始电阻相等且均为R,当有重力作用时,两个桥臂电阻增加△R,而另外两个桥臂的电阻减少,减小量也为△R。
由于温度变化影响使每个桥臂电阻均变化△RT。
这里假设△R远小于R,并且电桥负载电阻为无穷大,则电桥的输出为:
USC=E*(R+△R+△RT)/(R-△R+△RT+R+△R+△RT)-E*(R-△R+△RT)/(R+△R+△RT+R-△R+△RT)=E*△R/(R+△RT)
即USC=E*△R/(R+△RT)式
(1)
说明电桥的输出与电桥的电源电压E的大小和精度有关,还与温度有关。
如果△RT=0,则电桥的电源电压E恒定时,电桥的输出与△R/R成正比。
当△RT≠0时,即使电桥的电源电压E恒定,电桥的输出与△R/R也不成正比。
这说明
恒压源供电不能消除温度影响。
对于恒流源供电:
供电电流为I,设四个桥臂的电阻相等,则
IABC=IADC=0.5I
有重力作用时,仍有
IABC=IADC=0.5I
则电桥的输出为:
USC=0.5I*(R+△R+△RT)-0.5I*(R-△R+△RT)=I*△R即USC=I*△R式
(2)
因此,采用恒流源供电,电桥的输出与温度无关。
因此,一般采用恒流源供电为好。
由于工艺过程不能使每个桥臂电阻完全相等,因此,在零压力时,仍有电压输出,用恒流源供电仍有一定的温度误差。
四、设计提示
(1)放大电路设计
首先,由于传感器测量范围是0~2Kg,灵敏度为1mV/V,其输出信号只有0~10mV左右;而A/D转换的输入应为0V~1.999V,对应显示0~1.999Kg,当量为1mV/g,因此要求放大器的放大倍数约为200倍,一般采用二级放大器组成。
其次,在电路设计过程中应考虑电路抗干扰环节、稳定性。
选择低失调电压,低漂移,高稳定性,经济性的芯片。
电源电压±12V或±15V。
最后,电路中还应有调零和调增益的环节;才能保证电子电平没有称重时显示零读数;测压力时读数正确反映被测压力。
(2)传感器专用直流稳压电源:
传感器要求的电源是+10V电压。
对于给定的传感器其输入电阻为400Ω;输出电阻为350Ω。
采用恒流源比采用恒压源可以减小非线性误差,因此本实验中要求恒流源供电,即电流在25mA左右的恒流源。
(3)按照要求查阅相关电路和元器件功能的资料,完成传感器恒流源、放大电路A/D转换及显示电路的设计,画出电路图。
(4)电路调试
将+10V电压接到传感器的输入端,测量传感器的输出。
在空载时,传感器的输出应为零,但由于有一个称盘,输出不为零,记下初始数据,然后在称盘上放砝码,测量传感器输出端的变化。
正确的变化应为:
测量0~2Kg,输出电压变化为0~10mV
调零:
当传感器上不放砝码时,放大电路的输出应为零。
若不为零,调整放大器的调零环节,使其输出为零。
定标:
当传感器放上2Kg的砝码时,放大器的输出应为2V。
小于2V或大于2V时应调节放大器的增益。
五、注意事项
(1)为避免损坏传感器,使用过程中要注意轻拿轻放。
往传感器上放砝码定标时,要反复调零和调增益,最后的显示才能准确。
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- 关 键 词:
- 课题 设计 基于 PLC 电梯 控制系统
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