毕业设计（论文）-基于PLC的自动电梯电气控制系统设计.doc

无锡科技职业学院毕业设计（论文）基于PLC的自动电梯电气控制系统设计毕业设计（论文）报告题 目 基于PLC的自动电梯电气控制系统设计系 别 中德机电学院 专 业 机电一体化技术 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 2012年 4 月38基于PLC的自动电梯电气控制系统设计摘要在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期,电梯控制技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制，其许多功能传统的继电器控制系统无法实现的。本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器(PLC)应用于两层电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，缩短了电梯的开发周期，并提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。本文所设计的电梯与传统的电梯相比，在运行上具有良好的舒适感，在生活中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。在介绍电梯基本结构的基础上，深入分析了电梯的工作原理，阐述了PLC的优点及特点，重点分析了电梯的硬件设计和软件设计，研究并提出了基于PLC电梯控制系统设计的实现方案，最后对本论文的研究内容进行了总结与展望。关键词：电梯、变频器、PLC控制、变频调速AbstractIn the modern social and economic activities, computer technology, automatic control technology and power electronic technology has been rapid development, the lift has become a symbol of urban material. Especially in the high-rise building, the elevator is not a lack of vertical transportation equipment. With the rapid development of high-rise buildings of today, the lift industry also has entered a new period of development, elevator control technology has been developed to the FM speed regulator, the logic control by the PLC to replace the original relay control, many of its functions traditional relay control system can not be achieved. The design for the status quo of Chinas elevator industry will be a programmable logic controller (PLC) used for two-storey elevator control logic, through the rational selection and design, not only to improve the reliability of the elevator, maintainability, and flexibility, while extending the of life and shorten the development cycle of the elevator and the elevator control to raise the level of the elevator operation to improve the comfort, so that the lift to reach a more satisfactory control effect. In this paper, the design of the elevator by the elevator when compared with the traditional, in the run with good comfort, in life can save energy, and achieved good economic and social benefits to achieve the desired purpose. In introducing the basic structure of the lift on the basis of the depth analysis of the working principle of the elevator, on the merits and characteristics of PLC, the focus of an analysis of the lift hardware design and software design, research and PLC based control system designed to lift the achievement of the program, Finally, the study of this thesis are summarized and prospects. Key words：Elevator ，Inverter，PLC control，VVVF目录前言11 PLC概述21.1 PLC的产生21.2 PLC的特点41.3 PLC的分类61.4 PLC的功能和应用81.5 PLC的发展92 PLC的组成和工作原理112.1 PLC的硬件组成112.1.1 中央处理器（CPU）112.1.2 存储器122.1.3 输入/输出接口电路122.1.4 外部设备接口132.1.5 电源132.2 PLC的软件组成132.2.1 PLC的软件组成如下：132.2.2 PLC的逻辑部件152.3 PLC的工作原理153 三菱FX系列PLC173.1 三菱FX2N系列PLC简介173.2 三菱FX2N系列PLC的硬件配置173.2.1 基本单元173.2.2 I/O扩展单元和扩展模块173.2.3 特殊功能模块173.2.4 编程器及其他外部设备183.3 FX系列PLC的步进指令183.3.1.指令分类和组成183.3.2内部编程元件193.3.3状态元件（S）193.3.4定时器193.3.5常见的几种指令204 自动电梯电气系统设计244.1任务描述:244.2设计要求244.3 运用三菱PLC编程254.3.1接线图254.3.2 I/O输入输出分配表与PLC的选型：264.3.3 变频器：264.4 流程图和梯形图294.4.1 流程图294.4.2梯形图304.5 仿真调试325总结36致谢37参考文献38前言可编程控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用工业自动化装置，它将传统的继电器-接触器控制系统与计算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，因此近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用，被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。电梯采用PLC控制，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。控制系统结构简单，外部线路简化，可方便的增加或改变控制功能，也可以进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。而电动机交流变频器调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量、改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频器调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功率因素和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而获国内外公认为最有发展前途的调速方式。因此，PLC控制技术加变频器调速技术已成为现代电梯行业的一个热点。本设计考虑到工业生产中的实际操作功能，所设计的控制系统针对的是两层电梯。代替传统的继电控制系统，由变频器实现对电梯的拖动调速，使PLC与调速拖动装置相结合，构成PLC集选控制系统，实现了电梯的各种控制功能，提高了电梯运行的可靠性，降低了故障率。本书将从实际应用的角度出发，针对PLC所涉及的有关技术，全面、系统地介绍PLC的各方面知识。本书选择了功能较为齐全、具有一定代表性的日本三菱公司的FX2N型PLC进行介绍。1 PLC概述1.1 PLC的产生20世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制了。但由于计算机技术本身的复杂性、编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，它未能在工业控制中广泛应用。当时的工业控制，主要还是继电器-接触器组成的控制系统。20世纪60年代以前，自动控制最先进的装置就是继电器控制盘，它对当时的生产力发展确实发挥了很大的作用。以继电器为核心器件的自动顺序控制系统有许多固有的缺陷：1）系统利用布线逻辑来实现各种控制，需要使用大量的机械触点，系统运行的可靠性差；2）当生产的工艺流程改变时要改变大量的硬件接线，为此要耗费许多人力、物力和时间；3）功能局限性大；4）体积大、功耗多。20世纪60年代，在世界性技术改造浪潮的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应更快的新型工业控制器。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车（General Motors，GM）公司，为适应汽车产品的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线，减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及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，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程、面向对象”的“自然语言”进行编程，是不熟悉计算机的人也能方便地使用，即硬件减少，软件灵活、简单。针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件，立即引起了开发热潮，这就是著名的GM10条：1）编程简单，可在现场修改程序；2）维护方便，最好是插件式；3）可靠性高于控制柜；4）体积小于继电器控制柜；5）可将数据直接送入管理计算机；6）在成本上可与继电器控制柜竞争；7）输入可以是交流电；8）输出能直接驱动电磁阀；9）在扩展时，原有系统只要很小的变更；10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。1969年美国数字设备公司（DEC）研制了第一台可编程序逻辑控制器（Progranmable Logic Controller, PLC）,并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了共业控制的新局面。接着，美国MODICON公司（现为施耐德公司MODICON公司）也开发出了PLC084系列。至20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强、功耗和体积减少、成本下降、可靠性提高、编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O（输入/输出）和通信网络、数据处理以及图像显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为了实现工业生产自动化的一大支柱。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，具有了更多计算机的功能，所以又简称PC。目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现了SoftPLC，它更展现了PLC领域无限的发展前景。PLC一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工委员会（IEC）曾先后于1982年11月、1985年1月和1987年2月发布了PLC标准草案第一、二和三稿。在第三稿中，对PLC做了如下定义：PLC是一种数字运算操作电子系统，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命令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。IEEE对PLC的定义强调了PLC是：1）数字运算操作的电子系统实质是计算机；2）专为在工业环境下应用而设计；3）面向用户指令编程方便；4）逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作；5）数字量或模拟量输入输出控制；6）易于控制系统连成一体 ；7）易于扩充。1.2 PLC的特点PLC是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器-接触器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展等优点而应用越来越广泛。但在使用时由于工业生产现场的工作环境恶劣、干扰源众多，如大功率用电设备的启动或停止引起电网电压的波动形成低频干扰，电焊机、电火花加工机床、电动机的电刷等通过电磁耦合产生的工频干扰等，都会影响PLC的正常工作。为了确保整个系统稳定可靠，应当尽量使用使PLC有良好的工作环境条件，并采取必要的抗干扰措施。PLC是属于存储程序控制的一种装置，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作修改，在很大程度上只须改变软件指令即可，使得硬件软件化。因此它在工业控制中的地位越来越高，占有极其重要的地位，最重要的原因是它具有一些独特的特点。1.可靠性高、抗干扰能力强PLC是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰、精选元器件的措施。它可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，运行的稳定性和可靠性较高。PLC是以集成电路为基本单元的电子设备，内部处理不依赖于触点，元器件的寿命长，平均无故障工作时间高。工业生产一般对控制设备可靠性要求很高，要求它有很强的抗干扰能力，能在恶劣环境下可靠地工作。平均故障间隔时间长、故障修复时间短，这是PLC控制优于微型计算机控制的一大特点，一般PLC平均整机无故障时间可长达几万几十万小时。PLC本身具有很强的自诊断功能，保证在“硬核”（如CPU（中央处理器）、RAM（随机存取存储器）、I/O总线等）都正常的情况下执行用户程序。一旦出现CPU故障、RAM故障或I/O故障就立即给出CPU出错信号并停止用户程序的执行，切断所有输出信号等待修复。有些高档PLC具有CPU并行操作，若某个CPU出了故障，系统仍能正常工作并给出“带病”工作信号，要求修复出现故障的CPU，这就增加了PLC工作的可靠性。2.控制程序可变，具有很好的柔性由于PLC自身硬件特点，用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制造硬件装置，只需要根据控制要求进行模块的配置，用户所作的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。对于一个控制系统，在生产工艺改变或生产线设备更新的情况下，不必改变PLC的硬件设备，只需改变程序就可满足变更控制功能的要求。它与外部设备的连接方便，通信协议标准。PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制造硬件装置。因此,PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。当生产工艺改变时，在很大程度上只需改变用户程序，这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合。现今PLC已经朝着嵌入式方向发展，并将进入日常生活中。3.编程简单使用方便PLC的编程大多采用类似于继电器控制电路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握，这是PLC控制优于微型计算机控制的另一特点。它以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，形成一套别具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。电气技术人员在了解了PLC工作原理和它的编程技术后，就可迅速地结合实际需要进行应用设计，进而将PLC用于实际控制系统中。4.功能完善现代PLC具有数字量和模拟量I/O模块，具有逻辑运算、算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录、显示、监测等功能，使设备控制水平大大提高。PLC既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。PLC还有许多特殊功能模块，适于各种特殊控制的要求，如定位控制模块、CRT（阴极射线管）显示模块等。5.扩充方便组合灵活PLC产品具有各种扩展单元，可以方便地适应不同工业控制需要的I/O节点数及I/O方式的系统。PLC针对不同的工业现场信号，如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位以及强电或弱电等，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈和控制阀等直接相连。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块。为了组成工业局部网络，它还有多种通信连网的接口模块等。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。6.减少了控制系统设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器-接触器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，它采用软件编程来达到完成控制工程的工艺要求，而不是用硬接线。PLC控制系统的安装接线工作量比继电器控制系统少得多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O接口相连。这样便减少了设计和施工的工作量，同时PLC软件设计和调试大部分可以在实验室模拟进行，模拟调试好后再将PLC控制系统进行现场联机调试，方便省时。7.体积小、重量轻，是机电一体化的特有产品PLC是专为工业控制而设计的专用计算机，它是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧密、坚固，体积小，重量轻，功耗低。又因其抗干扰能力强，易于装入机械设备内部，因而成为了机电一体化的理想设备。1.3 PLC的分类由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，要按统一的标准对它们进行分类十分困难。通常，按I/O点数可划分成大型、中型和小型三类；按功能强弱又可分为低档机、中档机和高档机三类；按结构分又分为整体式和模块式两类。1.按I/O点数分类（1）小型PLCI/O点数小数256点，单CPU，8位或16位处理器，用户存储器容量在4KB以下，如：GE-I美国通用电气（GE）公司T1100美国德州仪器公司F、F1、F2日本三菱电气公司C20C40日本欧姆龙公司S7-200德国西门子公司EX20 EX40日本东芝公司SR-20/21中外合资无锡华光电子工业有限公司（2）中型PLCI/O点数在256-2048点之间，双CPU，用户存储器容量为28KB，主要采用模块组合式结构，如：S7-300德国西门子公司SR-400中外合资无锡华光电子工业有限公司SU-5、SU-6德国西门子公司C-500日本欧姆龙公司GE-美国GE公司（3）大型PLCI/O点数大于2048点，多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量为816KB，它是为要求连续控制的大型工厂或大型机器设计的，如：S7-400德国西门子公司GE-美国GE公司C-2000日本立石公司K3日本三菱公司2.按结构分类（1）整体式（单元式或箱体式）PLC将电源、CPU、存储器及I/O模块等各个功能部分集成在一个机壳内，如：C20-P、C40-P、C60P日本欧姆龙公司F1系列日本三菱公司EX20/40系列日本东芝公司SLC500美国AB公司（2）模块式（积木式）PLC将构成PLC的各个部分按功能做成独立模块，并按需要组合，如：C200H、C1000H、C2000H日本欧姆龙公司PLC5系列美国AB公司984系列美国MODICONS5-100U、S5-115U、S7-300、S7-400德国西门子公司此外，也有将整体式与模块式结合起来的PLC，称为叠装式PLC，其配置更为灵活。3.按功能分类（1）低档机主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。（2）中档机有较强的模拟量处理、数值运算、数据处理、PID（比例、积分、微分）控制、远程I/O及连网通信等功能。（3）高档机增设有特殊功能运算和制表、表格传送等功能；具有更强的通信连网能力，可用于大规模过程控制。1.4 PLC的功能和应用随着PLC性价比的不断提高，微处理器芯片及有关元器件价格大幅降低，PLC的成本也有所下降，PLC的功能大大增强，因而PLC的应用日益广泛。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业，其应用范围大致可归纳为以下5种：1.开关量的逻辑控制这是PLC的最基本、最广泛的应用领域。2.运动控制PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。3.闭环过程控制PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制。4.数据处理现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传输、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。5.通信连网现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232、或RS485接口，可进行远程I/O控制。多台PLC可彼此间连网、通信，外部器件与一台或多台PLC的信号处理单元之间实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。PLC的通信包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和它的智能设备之间的通信。1.5 PLC的发展PLC的应用是以微处理器为核心的，它是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，因而在制造、冶金、能源、交通、化工、电力等领域有着广泛的应用，成为了现代工业控制的支柱之一。PLC从诞生到现在，按照CPU的发展来划分经历了4次换代，见表1-1：表1-1PLC的划分代 次器件功能第一代（19691972）1位处理器逻辑控制功能第二代（19731975）8位微处理器及存储器产品系列化第三代（19761983）高性能8位微处理器及位片式微处理器处理速度提高，向多功能及连网通信发展第四代（1983至今）16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器具有逻辑、运动、数据处理、连网功能的名副其实的多功能现代PLC的发展有两个主要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展。即现今开始发展的嵌入式PLC控制方式；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。PLC的发展趋势具体如下：1.大型网络化2.多功能3.高可靠性2 PLC的组成和工作原理2.1 PLC的硬件组成PLC由于其自身的特点，在工业生产的各个领域得到了愈来愈广泛的应用。PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器CPU（中央处理单元）、存储器RAM(随机存取存储器)/ROM(只读存储器)、输入输出（I/O）接口电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如图2-1所示。图2-1PLC的基本结构2.1.1 中央处理器（CPU）CPU是PLC的控制核心。它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，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。当PLC运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像寄存区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算，并将结果送入I/O映像寄存区域或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，去指挥有关的控制电路，如此循环直到停止运行。2.1.2 存储器PLC的存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器3种。1.系统程序存储器在系统程序存取区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，用来存放制造商为用户提供的监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其他各种管理程序。由厂商固化在EPROM中，用户不能直接存取。程序固化在ROM中，用户无法改变。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。2.用户程序存储器存放用户程序和数据的存储器称为用户程序存储器。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM（用锂电池进行掉电保护）、EPROM、或者EEPROM（电可擦写可编程只读存储器）存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。3.数据存储器工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。PLC常用的存储器类型如下：1）RAM：它是一种读/写存储器（随即存取存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。2）EPROM：它是一种可擦除可编程的只读存储器，在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。3）EEPROM：它是一种电可擦除可编程 只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。2.1.3 输入/输出接口电路输入/输出接口是PLC与现场输入/输出设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC通过输入接口（如按钮、各类开关和传感器等）把工业设备或生产过程的状态或信息读入中央处理单元。输出接口是将CPU处理的结果通过输出电路驱动输出设备（如指示灯、电磁阀、继电器和接触器等）。2.1.4 外部设备接口PLC的外部设备主要有编程器设备、监控设备、存储设备和I/O设备。编程器是PLC很重要的外部设备，主要由键盘和显示器组成。它的作用是编制用户程序并送入PLC程序存储器，利用编程器对系统作一些设定、检查、修改、调试用户程序和在线监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。常用的监控设备有数据监视器和图形监视器，直接监视数据或画面。存储设备有存储卡、存储磁带、软磁盘或ROM，用于永久的存储用户数据。I/O设备主要用来接收或输出设备。一般有条形码读入器、输入模拟量的电位器、打印机等。2.1.5 电源PLC的电源是指将外部输入的交流电处理后转化成满足PLC的CPU、存储器、I/O接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准。其主要用途是为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。电源按其输入类型分有交流电源和直流电源两种。交流电源为交流电压，常用的为220V或110V；直流电源为直流电压，常用的为24V。2.2 PLC的软件组成2.2.1 PLC的软件组成如下：1）系统程序。系统程序包括诊断程序、键盘输入处理程序、翻译程序、信息传送程序和监控程序。2）用户程序。用户程序是指用户根据设备控制要求编制的控制程序，相当于继电器-接触器控制系统的控制电路。常用的PLC编程语言有梯形图、语句表、功能表图。（1）、梯形图（LAD）梯形图是一种类似于继电器控制线路图的一种语言。这种语言继承传统继电器控制系统中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，使得程序直观易读，具有形象实用的特点，因此应用最广泛。PLC梯形图的一个关键概念是“能流”，是一种假想的“能量流”。把左边的母线假设为电源“火线”，而把右边的母线假想为电源“零线”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。要强调的是，引入“能流”概念，仅仅是为了和继电接触器控制系统相比较，告诉人们如何来理解梯形图各输出点的动作，实际上并不存在这种“能流”。（2）、语句表（STL）编程语句表是一种类似于计算机汇编语言的助记符语言，它是PLC最基础的编程语言。由不同的指令所构成的语句组成的，其中的指令则由操作码和操作数组成，其中操作码指出了指令的功能，操作数指出了指令所用的元件或数据。（3）、状态流程图（功能图）编程状态流程图（SFC）编程是一种较新的方法，他是用“功能图”来表达一个顺序控制过程，是一种图形化的编程方法。用方框表示整个控制过程中一个个“状态”，或称“功能”或称“步”，用线段表示方框间的关系及方框间状态转换的条件。3）系统监控程序。系统监控程序包括：系统运行管理程序用来控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作；用户指令解释程序用来将PLC的编程语言变为机器语言指令；标准程序模块于系统调用程序（子程序及其调用管理程序等）。用户程序的存放形式：PLC的编程语言是PLC应用软件的工具，它以PLC输入接口、输出接口、机内部件之间的逻辑及数量关系表达系统的控制要求，并存储在机内的存储器中。任何语言编写的程序都要经过编译，变成机器代码后才能顺序地存放在用户程序存储器中。2.2.2 PLC的逻辑部件PLC的软件提供了各种逻辑部件（软器件），经编程来完成逻辑控制功能。PLC的逻辑部件如下：（1）继电器逻辑触点、线圈（2）定时器逻辑（3）计数器逻辑（4）触发器逻辑（5）移位寄存器（6）数据寄存器2.3 PLC的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号作周期性的程序循环扫描。如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下三个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。PLC的工作过程一般分为输入采样、用户程序执行和输入刷新三个阶段。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.输入刷新阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式扫描所有输入端子，依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中相应的单元内，此时输入映像存储器被刷新。输入采样结束后，将关闭输入端口，转入用户程序执行和输出刷新阶段。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各触点构成的控制电路，然后按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制电路进行逻辑运算。3.输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容依次送到输出锁存电路（输出映像存储器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行器件工作，这才形成PLC的实际输出。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。3 三菱FX系列PLC三菱FX系列PLC是由三菱公司推出的高性能小型PLC。FX0s、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性价比，应用广泛。本章介绍FX系列PLC系统的构成、编程元器件和寻址方式。3.1 三菱FX2N系列PLC简介FX2N系列PLC是FX系列PLC中最先进的超级微型PLC。集成型和高性能、高速的指令执行速度、丰富的软器件范围使得该系列PLC得到了广泛的运用。3.2 三菱FX2N系列PLC的硬件配置3.2.1 基本单元基本单元是构成PLC系统的核心部件，有CPU、存储器、I/O模块、通信接口和扩展接口等。FX2N系列PLC有20种基本单元，功能强、速度快、每条指令执行时间仅为0.08us，内置用户存储器为8k步，可扩展到16k步，I/O点最多可以扩展到256点。它有多种特殊功能模块或功能扩展板，可实现多轴定位控制。机内有实时时钟，PID指令可实现模拟量闭环控制。每个FX2N基本单元可扩展8个特殊单元。3.2.2 I/O扩展单元和扩展模块FX系列PLC具有较为灵活的I/O扩展功能，可利用扩展单元及扩展模块实现I/O扩展。扩展单元内置电源，同时扩展I/O时使用。扩展模块是以8点或16点为单元来微调基本单元和扩展单元的I/O。3.2.3 特殊功能模块1.模拟量I/O模块2.定位控制模块3.数据通信模块4.高速计数模块3.2.4 编程器及其他外部设备1.FX系列编程器编程器是PLC的一个重要外部设备，用它将用户程序写入PLC用户程序存储器。它一方面对PLC进行编程，另一方面又能对PLC的工作状态进行监控。FX系列PLC的简易编程器也较多，最常用的是FX-10P-E和FX-20P-E手持型简易编程器。FX系列PLC还有一些编程开发软件，如GX开发器。它可以用于生成涵盖所有三菱PLC设备软件包，使用该软件可以为FX等系列PLC生成程序。2.其他外部设备在一个PLC控制系统中，人机界面也非常重要。还有一些辅助设备，如打印机、EPROM写入器外部存储模块等。3.3 FX系列PLC的步进指令3.3.1.指令分类和组成1.指令分类：FX系列PLC共有基本指令27条（逻辑控制、顺序控制）；FX2N系列PLC有步进指令2条（顺序控制）；FX系列PLC有功能指令一百多条。说明：基本指令在编程器上有对应指令输入键，功能指令在编程器上没有对应的输入键，这些指令必须通过功能键输入，如FUN（01），其中括号内的01表示功能号。2.指令组成:PLC指令的组成：操作码、操作数。操作码：用助记符表示，用来表明要执行的功能。（如LD表示取、OR表示或等）操作数：用来表示操作的对象。操作数一般是由标识符和参数组成。标识符表示操作数的类别，参数表明操作数的地址或设定一个预制值。如： LD X000，LD：指令（操作码）X000：编程元件（操作数）X：标识符 0：参数。 3.3.2内部编程元件输入继电器X： X000X017 共16点输出继电器Y： Y000Y017 共16点辅助继电器M：1）通用辅助继电器 M0M499 共500点2）断电保持继电器 M500M3071 共2572点3）特殊辅助继电器 M8000M8255 共256点3.3.3状态元件（S）在步进顺控系统的编程中状态元件S是重要的软元件。它与步进顺控指令 STL 组合使用。有以下四种类型：初始状态继电器 S0S9 共10点回零状态继电器 S10S19 共10点，供返回原点用通用状态继电器 S20S499 共480点 断电保持状态继电器 S500S899 共400点报警用状态继电器 S900S999 共100点3.3.4定时器1.定时器T： T0T255 共256点1）常规定时器 T0T255 共256点T0T199为100ms定时器，共200点，其中T192T199为子程序中断服务程序专用的定时器。T200T245为10ms定时器共46点积算定时器 T246T255 共10点T246T249为1ms积算定时器 共4点T250T255为100ms积算定时器 共6点3.3.5常见的几种指令1.置位、复位指令（SET、RST）SET置位指令：保持线圈得电。驱动线圈输出，使动作保持，具有自锁功能。RST复位指令：保持线圈失电。清除保持的动作，以及寄存器的清零。梯形图指 令功 能操作元件程序步SET动作接通并保持Y、M、SY，M：1；S，特M：2RST动作断开，寄存器清零Y, M, S, T, C, D, V, ZD：数据寄存器V、Z：变址寄存器注：X000一接通Y000得电，即使再断开，Y000仍继续保持得电。同理X001一接通即使再断开，Y000也将保持失电。说明：1）对同一元件可以多次使用SET、RST指令，最后一次执行的指令决定当前的状态。RST指令可以用来复位积算定时器T246T255和计数器。如不希望计数器和积算定时器具有断电保持功能，可在用户程序开始运行时用初始化脉冲M8002复位。任何情况下，RST指令都优先执行。2. 上升沿微分脉冲指令PLS、下降沿微分脉冲指令PLF：脉冲微分指令主要作为信号变化的检测，即从断开到接通的上升沿和从接通到断开的下降沿信号的检测，如果条件满足，则被驱动的软元件产生一个扫描周期的脉冲信号。PLS指令：上升沿微分脉冲指令，当检测到逻辑关系的结果为上升沿信号时，驱动的操作软元件产生一个脉冲宽度为一个扫描周期的脉冲信号。PLF指令： 下降沿微分脉冲指令，当检测到逻辑关系的结果为下降沿信号时，驱动的操作软元件产生一个脉冲宽度为一个扫描周期的脉冲信号。注意：OUT、SET和RST、PLS和PLF指令在执行结果上的不同。说明：PLS、PLF指令只能用于输出继电器Y和辅助继电器M（不包括特殊辅助继电器）。PLC从RUN到STOP，再从STOP到RUN时，PLS M0指令将输出一个脉冲，如果用的是断电保持型的辅助继电器则不会输出脉冲。程序举例：2）例题解释：当检测到X0的上升沿时，PLS的操作软元件M0产生一个扫描周期的脉冲，Y0接通一个扫描周期；当检测到X1的下降沿时，PLF的操作软元件M1产生一个扫描周期的脉冲，Y1接通一个扫描周期。3）指令说明：PLS指令驱动的软元件只在逻辑输入结果由OFF到ON时动作揖个扫描周期；PLF指令驱动的软元件只在逻辑输入结果由ON到OFF时动作一个扫描周期； 特殊辅助继电器不能作为PLS、PLF的操作软元件。3. STL、RET指令STL指令称为“步进接点“指令。其功能是将步进接点接到左母线。RET指令称为“步进返回“指令。其功能是使临时左母线回到原来左母线的位置。应用步进指令时注意：1）步进接点只有常开触点，而没有常闭触点，用 表示，指令用STL表示，连接步进触点的其它继电器触点用LD或LDI指令表示，使用STL指令后，应用RET指令使LD点返回左母线。2）只有步进触点闭合时它后面的电路才能动作。如果步进触点断开则其后面的电路将全部断开。但是在1个扫描周期以后，不再执行指令。3）状态的地址号不能重复使用。4.程序结束指令（END）梯形图指 令功 能操作元件程序步END输入/输出处理，程序返回到开始无1END为程序结束指令。用户在编程时，可在程序段中插入END指令进行分段调试，等各段程序调试通过后删除程序中间的END指令，只保留程序最后一条END指令。每个PLC程序结束时必须用END指令，若整个程序没有END指令，则编程软件在进行语法检查时会显示语法错误。 4 自动电梯电气系统设计在工业生产中，经常用到电梯。实际工业生产中，大多采用钢结构厂房。由于楼层相对比较高，为节省时间、提高效率，电梯从而广泛运用在生产线上，相应的电梯也就要有了调速装置。这样才能缩短周转时间，从而提高生产效率。4.1任务描述:设计一个基于PLC的自动电梯电气控制系统，以两层电梯为例。电梯由二楼降至一楼，然后再由一楼升至二楼的运行步骤：1、二楼至一楼下降按钮，电机反转，转速600r/min，电梯缓慢下降。2、4秒后电机转速为2700 r/min，电梯加速下降。3、遇到减速接近开关，电机转速900 r/min，电梯减速下降。4、遇到一楼平层接近开关，电机停转，电梯停止运行。5、按一楼至二楼上升按钮，电机正转，转速600r/min，电梯缓慢上升。6、5秒后电机转速为2700r/min，电梯加速上升。7、遇到减速接近开关，电机转速900r/min，电梯减速上升。8、遇到二楼平层接近开关，电机停转，电梯停止运行。(注：二极电机采用以上各级转速；若采用四极电机则将以上各级转速分别除以2；若采用六极电机则将以上各级转速分别除以3；依此类推。设计、装配电路时，接近开关可用按钮或普通开关代替。)4.2设计要求1、用可编程序控制器(PLC)和变频器控制交流电动机工作，由