毕业设计（论文）-PLC货运垂直多层电梯运行控制系统.doc

毕业设计说明书题目：plc货运垂直多层电梯运行控制系统 作 者:学 号：学院(系):计算机科学与技术系专 业:计算机科学与技术摘 要随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，plc（即可编程控制器）在工业控制领域内得到十分广泛地应用。本文主要讲述了plc在货运电梯中的应用。利用plc的编程方法，在分析、处理随机信号逻辑关系的基础上，写出了具体的主要硬件电路、电梯的控制梯形图及指令表，并给出了系统组成框图和程序流程图。本论文主要设计了电梯的上行，下行以及检修，和楼层显示等，在论文中有详细的介绍。关键字：可编程控制器 电梯 梯形图 abstractaccording to quick development of microelectronics and computer technology plc (adjusting device that piece together program soon) industry area control that is very wide inside gets and applies .body did plc goods transport elevator inside application in just liquor mainly. use method that piece together plc program, and analysis, handle footing of random signal logic relation on upside, appear because begin to use specific important hardware electric circuit, elevators control trapezoid helm and command, and offers system and makes up quadrilateral picture and program schematic diagram. two papers mainly elevators going up, and convey checking repair mainly and, demonstrate with each floor, and there is detailed dispersal within paper. design thought mainly introducing of this design within paper, designing a tool and elevators basic function etc.keyword : adjusting device that piece together program，elevator, trapezoid mapplc的结构功能及应用简介1 plc的构成plc实质是一种专用于工业控制的计算机，如图2.1所示。 图2.1 硬件框图 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. cpu的结构 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。 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，i/o数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2. 存储器它是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。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。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24vac）。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。2.2 plc的基本工作原理plc的cpu采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而plc扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，plc采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于i/o响应要求不高的场合，plc与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。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。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。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。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。2.3 plc系统的应用介绍plc是应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（fa）和计算机集成制造系统（cims）内占重要地位。plc系统一般由以下基本功能构成：（1） 多种控制功能；（2） 数据采集、存储与处理功能；（3） 通信联网功能；（4） 输入/输出接口调整功能；（5） 人机界面功能；（6） 边城、调试功能。 下面详细介绍这些功能：1. 控制功能逻辑控制：plc具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量控制。定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定为接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。计数控制：用脉冲控制可以实现加、减技术模式，可以连接码盘进行位置检测。顺序控制：在前道工序完成后，就转入下一道工序，是一台plc可作为多部步进控制器使用。2. 数据采集、存储与处理功能基本算术：加、减、乘、除。扩展算术：平方根、三角函数和浮点运算。比较：大于、小于和等于。数据处理：选择、组织、规格化、移入和先入先出。模拟数据处理：pid、积分和滤波。3. 通信、联网功能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；再次，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。4. 输入/输出接口调理功能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，打印机等。具有a/d、d/a转化功能，通过i/o模块完成对模拟量的控制和调节。为数和精度可以根据用户要求完成。具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。5. 人机界面功能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。它能够提供给操作者一些工业系统运行过程中的重要信息。允许操作者和pc系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。目前，实现人机界面功能的手段主要有：操作界面的文字显示；单机的crt显示与键盘操作；使用通信处理器、专业处理器、个人计算机、工业计算机的集中操作与监视系统。6.编程、调试设备编程器是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。3 设计思想3.1编程思想plc梯形图编程是一并行编程，编程的方法和c+、basic等语言的方法不一样plc,梯形图编程的传统思想是一种串行执行的思想,如果按照传统的plc梯形图编程思想，这段程序将会变得非常复杂，这种思想的程序可以在本次编写的程序电梯复位中看到。但是如果这个程序都是用这种思想，会使程序变得非常复杂不容易修改，可读性也差，所以要改变编程思想。制作程序的模块有很多的好处。（1）可读性强模块化的设计是按照功能划分的，所以只要知道电梯功能就能知道每一段程序的作用，这样就比较容易理解。（2）查找代码方便plc的梯形图语言不象其他语言以文字来记录语言的，是用图形化的界面来记录，这样势必会占用太多的屏幕空间，一屏梯形图所代表的语句就非常少，因此在翻差时会造成一定麻烦，模块化设计以后，只要找到功能相关的程序块，再查找程序就简单多了。（3）有利于扩充功能由于梯形图的编辑中没有函数只类的功能，语句就容易分散，因此增加功能是件比较困难的事情，模块化以后，可以把一个模块看作为一个函数，为同一功能服务的代码在一起，增加功能就简单了。（4）方便调试程序这里使用的梯形图的编辑工具swopc-fxgp没有debug功能，不能跟踪代码的执行情况，只有监视功能，能看到在程序执行时候，每个储存单元的数值变化，并且是显示在代码的上方。模块化过后，同种功能的梯形图就很接近，这样只要是一个功能出了问题，调试程序时，只要看此模块的梯形图就可以了，不用翻查。3.2电梯运行理论分析3.2.1电梯内部部件功能简介在货运电梯内部，应该有四个楼层（1-4层）按钮、开门和关门按钮以及楼层显示器、上升和下升显示器。当货物移入电梯后，应该让电梯内部的负责人员按下货物要送往的目的地的楼层按钮，称为内呼叫按钮。电梯停下时，应具有开门、关门的功能即电梯门可以自动打开，经过一定的延时后，又可以自动关闭。而且，在电梯内部也应该有控制电梯开门、关门的按钮，使电梯内部人员可以在电梯停下时随时的控制电梯的开门与关门。电梯内部应该配有指示灯，用来显示电梯现在所处的状态，即电梯是上升还是在下降及电梯处在楼层的第几层，这样可以使电梯内部工作人员清楚自己的位置。3.2.2电梯的外部部件功能简介电梯外部共分4层，每层应该有呼叫按钮、呼叫指示灯、上升和下降指示灯以及楼层显示器。呼叫按钮是货主用来发出呼叫的工具，呼叫指示灯在完成相应呼叫请求之前应该一直保持为亮，它和上升指示灯、下降指示灯、楼层显示器一样，都是用来显示电梯所处的状态的。4层电梯中，1层只有上呼按钮，4层只有下呼按钮，其余三层都同时具有上呼按钮和下呼按钮。而上升、下降指示灯以及楼层显示器，4层电梯都应该相同。3.2.3电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析1）电梯的初始状态。为了方便分析，假设电梯位于一层待命，各显示器都被初始化，电梯出于以下状态：（1）各层呼叫灯均不亮。（2）电梯内部和外部各个楼层显示器均为“1”。（3）电梯内部和外部各层电梯门均为关。2）电梯在运行中（1）按下某层呼叫按钮（1-4层）后，该层呼叫灯亮，电梯响应该层呼叫。（2）电梯上行或下行直至该层。（3）各楼层显示随电梯移动而改变，各层指示灯也随之而变。（4）运行中电梯门始终关闭，到达指定层时，门才打开。（5）在电梯运行过程中，支持其他呼叫。3）电梯运行后状态:在到达指定楼层后,电梯会继续待命,直至新命令生成.（1）电梯到达指定楼层后,电梯门会打开,经过一段延时关闭,在此过程中,支持手动开门或关门.（2）各楼层显示值为该层所处位置,且上行与下行指示灯均灭。3.3 编制plc电梯程序的步骤1.系统设计根据确定电梯的拖动和控制方式及其它特殊要求，根据所在单位和个人条件，计算i/o点数和选择pc机的规格型号，并设计绘制电路原理图和安装接线图。2.设计plc梯形图程序 采用plc作为中间过程控制的电梯电气控制，在电路原理图和安装接线图设计绘制完成后，还必须设计绘制与电路原理图对应的plc梯形图程序，梯形图程序是plc内各种软硬继电器的逻辑控制图，它的逻辑控制方式类似于中间过程控制继电器之间的逻辑控制电路图，因此它是plc控制电气系统设计工作的重要环节之一。设计梯形图程序时，应接plc使用手册的方法，了解plc的i/o接口分配、组合排列和代号，机内各种软继电器、数据区、通道代号，常用指令的编制规则和代号等。 设计梯形图一般应遵守以下规则：（1）i/o点和内部各种软继电器等的常开和常闭触点可多次重复使用。 （2）软继电器的线圈不能与左边的母线直接连接，应有过渡点。 （3）软继电器的右边不能再有接点。 （4）在一套梯形图中，相同代号的线圈不能重复出现。（用set、rst指令外）（5）plc的输入输出点可当软继电器来使用。3.灌输程序梯形图编制好后，必须灌输到plc的存储器中方可运行。现在大家都有电脑，我们可以用编程软件把梯形图编好，用专用的电缆把电脑与plc连接后，就可把程序写到plc中去了。4.模拟运行程序灌入plc中之后，先要进行模拟运行。方法可用搭接线的办法模拟输入端的各种状态，观看输出信号是否达到设计要求。3.4 功能实现流程 由于plc语言的特殊性，其流程图和c语言等其他语言的流程图有些区别，先简单说下主要程序段的功能。（1） 电梯复位程序段此段程序有两个功能：一个是在系统上电以后，把轿箱的位置恢复到第一层的状态；另一个是在系统出现故障以后，把轿箱的位置恢复到第一层并终止程序。（2） 用户输入程序段拥护的输入包括门厅的按扭和轿箱内的按扭，用户输入程序段完成在用户输入以后，马上保持用户选择的状态，以便后面的程序判断.（3） 系统状态确定程序段 对在用户输入程序段中用户选择的状态进行分析和处理，确定程序应该执行哪一部分的代码，以及更改电梯本身的状态。（4） 轿箱开关门程序段控制轿箱的开关门，修改开关门的状态逻辑线圈，包括关门延时。（5） 检测故障程序段此段程序在每个扫描周期都执行一次，一旦检测到有故障，都跳转到发生故障处理程序段并执行。程序流程图如3.1所示程序开始 检测故障程序段是否出现故障是否出现空闲是否处于上行是否处于下行程序结束是否在开关门电梯是否复位是否出现故障 是否初始完成 用户输入程序段系统状态确定程序段电梯复位程序段电梯参数初始化轿箱开关门程序段发生故障处理程序是否上行召唤是否下行召唤设定上行目标设定下行目标执行上行程序执行下行程序（6）发生故障处理程序段一旦检测到故障，就会更改运行电梯的状态，恢复电梯到底层，并中断程序的运行。（7）设定上行目标 此段程序是用来上行过程中的下个目标的，只有上行以及电梯空闲时才会调用，如果没有下一个目标，就会社顶电梯空闲。（8）设定下行目标 此段程序是用来下行过程中的下个目标的，只要在下行以及电梯空闲时才会调用，如果没有下一个目标，就会设定电梯为空闲。（9）执行上行程序 此段程序包括控制电梯上行，检测是否应该减速或者停止电梯正转并且执行。（10）执行下行程序 此段程序包括控制电梯下行，检测是否应该减速或停止电梯正转并执行。3.5 选用机型简介 本设计用的可编程控制器是由三菱公司研制的fx2n plc。f1/f2系列plc是三菱公司小型低挡系列机，属于整体式结构。f1/f2系列plc的编程装置有简易编程器、图形编程器和计算机编程器。f2系列的plc的cpu为8039单片芯片，执行时间为12s/步，f2系列容量为2k步。输入为直流24v，输出有继电器、晶体管和可控制硅三种输出方式。f1/f2系列plc最大i/o点数为120。f1/f2系列plc除可用f1-20plc简易型编程器进行编程外，还可用gp-20f-e和gp-80f2a-e图形编程器以及ibm计算机及其兼容机进行编程，并可外接录音机、打印机和磁盘驱动器。另外还可以用图象监控软件f-ming对过程进行图形监控。3.6 系统控制图控制系统图可以表示设计的各个运行状态，各个输入输出开关和指示，本设计的具体控制系统图如图3.2 ： plc电梯启动电梯停止开门关门楼层选择开关电梯运行状态开关电梯开门开关电梯关门开关电梯运行电动机电梯运行电梯所处位置指示灯超载指示灯状态指示灯（运行、停止）报警蜂鸣器图3.24 详细设计4.1 i/o点编号及其分配根据计算，输入共21点，输出共17点，由于在设计过程中的开关门等在模型当中无法实现，在选用plc是，选用fx2n-48mr的plc来编制程序（输入输出各24点）。下面我们对电梯的主要输入输出接口作详细介绍输入点i/o分配表：输入点i/o分配输入点i/o分配上换速x000下换速x002下强换速x003平层x004门锁x005开门x006关门x007上行按扭x010下行按扭x011司机x012基站x013超载x014光幕或感应铝 x015一层内选x017二层内选x020三层内选x021四层内选x022一层外呼x023二层外呼x024三层外呼y025四层外呼x026输出点i/o分配表输出点i/o分配输出点i/o分配上行y000关门y007下行y001层显输出y010快车y002上行指示y015快车加速y003下行指示y016第一次减速y004蜂鸣器y017第二次减速y005超载指示灯y020开门y006一层外呼灯输出y021二层外呼灯输出y022三层外呼灯输出y023四层外呼灯输出y024上定向m0 其他下定向m1换速m2m3自动平层开门m4一层机械开门m5m7m8一层内选显示m20二层内选显示m21三层内选显示m22四层内选显示m23定向辅助m28一层外呼显示m50二层外呼显示m51三层外呼显示m52四层外呼显示m53m60闪烁m62关机m63n0m100光幕m200检修标志m201一层楼层m500二曾楼层m501三曾楼层m502四层楼层m503根据控制要求所需的定时器10个：t0（k50） 换速延时t1（k20） 快车加速延时t2（k11） 开车延时t3（k10） 第2次减速延时t4（k100） 超载开门时间t5（k90） 开门时间t7（k30） 光幕开门延时t8（k30） t10（k5） 关机延时4.2 货运电梯的程序及相关梯形图plc梯形图形象、直观和实用，很容易将继电器控制电路图转化为梯形图，在整个程序设计当中，我主要负责电梯的下行，加速、减速以及超载、平层等梯形图的设计。4.2.1 电梯的下行、快车和快车加速详解 如图4.1所示 图4.1 电梯的下行、快车和快车加速梯形图其具体指令如下：图4.1为电梯下行任务，快车行驶和快车加速，具体运行情况为：当平层（x004）未接通，下行（y001）接通，并且快车（y002）接通，上行（y000）未接通以及下行按钮(x011)接通，检修标志接通，同时司机(x012)接通，门锁(x005)接通即电梯门关闭时，电梯处于下行状态。当检修标志（m201）没有接收到信号，电梯门关闭时，电梯处于快速行驶阶段，延时时间t1=k20时，电梯处于加速状态。这段程序主要讲述：当检修标志接通，当延时为t2=k11时，电梯处于第一次减速阶段，此时下一个延时为t3=k10。当检修标志m201和m202接通，延时t3接通时，电梯处于第二次减速，输出为y005。4.2.2 电梯的一、二次减速自动平层开门详解 如图4.2所示 图4.2 电梯的一、二次减速自动平层开门梯形图其具体指令如下：当电梯门关闭，上行和下行都没有显示，此时电梯处于自动平层开门状态。当上行和下行都没有接通，自动开关（x013）接通，关门（x007）也没接通，司机（x012）没有手动控制，检修标志没有接到任何信号时，电梯处于一层机械开门状态。当自动（x013）接通，电梯门关闭，开门（x006）没接通时，超载（x014）没有显示，光幕没有显示，司机没有手动控制时，电梯处于平层延时状态，延时时间为t4=k100。当检修标志（m201）没有接到暂时信号，电梯的上行和下行都没有显示时，电梯处于开门延时，延时时间t5=k90。当检修标志未接到电梯向下行驶和换速的信号，而只有开门（x006）接通时，输出一个暂时信号m7.4.2.3 电梯光幕的变化和电梯几种情况下的开门 如图4.3所示 图4.3 电梯光幕的变化和电梯几种情况下的开门梯形图其具体指令如下：图4.3主要讲述了电梯光幕的变化当电梯只有感应铝（x015）接通时，如果电梯接收到动作保持指令，此时电梯进行（set）操作，电梯处于不动状态。当延时时间（t7=k30）结束后，电梯用（rst）解除（set）指令，电梯继续运行。梯形图中的（322）主要说明了电梯的几种开门的状态：1 电梯处于平层，上行和下行都停止，没有关门信号时，电梯开门。2 电梯司机在开门时间内，手动开门。3 在电梯将要关时，有人或物挡住了防夹光目时，电梯开门。4 当电梯处于超载时，电梯开门。5 当检修标志没有接到关门、上行和下行的暂时信号时，电梯开门。4.2.4 电梯几种关门详解 如图4.4所示 图4.4 电梯几种关门其具体指令如下： 图4.