基于PLC的四层电梯控制系统设计.doc

2014届毕业论文 学 号：成 绩： 江西城市职业学院四层电梯的PLC控制系统设计学 院： 应用科技学院 专 业： 电气自动化 学生姓名： 指导教师姓名： 二一四年三月目 录 摘要.2 前言.3第一章 可编程控制 .4 1.1 可编程控制器的介绍 .4 1.1.1 定义 .4 1.1.2 PLC的构成 .4 1.1.3 cpu的构成 .5 1.1.4 I/O 的构成.51.1.5 电源模块.61.1.6 PLC的通信联网.6 1.2 可编程控制器的选用.6 1.2.1 PLC控制系统的 I/O点数计算.6 1.2.2 PLC的型号选择.7第二章 硬件接线 .7 2.1 外部接线图 .8 2.2 I/O分配图 .9 2.3四层电梯模拟控制面板.10第三章 系统软件设计 .11 3.1 PLC梯形图概述.12 3.2MELSOFT系列GX Devel oper编程软件的操作方法.12 3.3 系统工作过程分析.13 3.4系统要求.13 3.5 过程分析.14 3.6 调试过程.16 3.6.1准备工作 .16 3.6.2调试程序.16结束语 .17致谢.18参考文献.18摘 要 在现在社会及经济活动中，随着高层建筑的增多，电梯已经称为一种文明的标志。它作为一种垂直的交通运输工具，承载着大量人流物流的运输。正因为如此，在高层建筑中人们对电梯的安全性、舒适度、低噪音、低能耗等性能要求越来越高了。正是这一系列的要求促使了电梯技术的快速发展。本设计主要应用PLC对电梯进行逻辑控制，考虑上述的性能要求，本设计控制系统具备楼层指示、选层选向、自动运行等特点，能有效的保证电梯的输送传输任务。本文在介绍电梯的基本结构的基础上还深入分析了电梯的工作原理。阐述了PLC相对于其他控制系统的优缺点。其中重点研究了电梯的软、硬件设计并提出了基于PLC控制的四层电梯控制系统设计方案，并做出总结，关键词 ：电梯，控制系统，PLC前 言 1969年，美国数字设备公司根据美国通用汽车公司的要求，研制出第一台可编程控制器PDD-14，并在GM公司汽车生产线上首次应用成果。70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC。但由于PC容易与个人计算机相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。国际电工委员会于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下：“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，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。 可编程控制器，简称PLC。它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易，维护工作量少3.功能强、通用性好4.开发周期短，成功率高5.体积小，重量轻，功耗低等特点。已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电接触器控制系统小；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构、中央数据处理系统直接传输数据等。因此，进行电梯的PLC控制系统的设计，可以推动电梯行业的发展，扩大PLC在自动化控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。第一章 可编程控制器1.1、可编程控制器的介绍1.1.1 定义PLC可编程序控制器：PLC全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。1.1.2 PLC的构成从结构上分，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。1.1.3 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。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，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。1.1.4 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I/O外，还有特殊I/O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。1.1.5 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）1.1.6 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。1.1.7 PLC系统的其它设备1、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。2、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。3、输入输出设备：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1.1.8 PLC的通信联网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。1.2 可编程控制器的选用1.2.1、PLC控制系统的I/O点数计算根据电梯控制的特点，输入信号应该包括以下几个部分：（1） 轿厢内及各层门厅外呼按钮主要是轿厢内的楼层选择数字键14，各层门厅外呼按钮，除一层只设置上升按钮，四层只设置下降按钮外，其他层均设置上升和下降两个按钮。一共需要10个输入。（2） 位置信号位置信号由安装于各楼层的电梯停靠位置的4个传感器产生。平时为常开，当电梯运行到平层时关闭。另外还有一组开光门限位。所以位置信号一共需要6个输入。（3） 电梯门控制信号大部分电梯都具有开门啊、关门按钮，以方便手动开关门。一共需要2个输入。（4） 模拟电梯到位按钮 由于条件有限，所以本文海设置了到位按钮。电梯一共四层，所以设置了4个到位按钮，一共需要4个输入。综上所述，共需要输入点22个。输出信号应该包括：（1） 内呼指示信号内呼指示信号有四个，分别用来表示14层楼层内呼的指令被接受，并在内呼指令完成后，信号消失。（2） 外呼指示信号外呼指示信号共有六个，分别用来表示14层楼层外呼的指令被接受，并在外呼指令完成后，信号消失。（3） 电梯轿厢上下行，电梯上下行指示信号，共四个。（4） 门电机开关指示，共需两个输出点。综上所述，共需要输出点16个。1.2.2 PLC的型号选择综合输入、输出点的计算以及要实现的电梯控制功能，实验室现有的三菱FX2N型号的PLC完全能实现设计要求。因为FX2N型号的PLC是一款面对大中型工业应用的PLC，输入输出点，内存容量以及响应时间均符合条件。并且，三菱PLC具有稳定性高，功能强大，环境适应性强，编程软件简单完善，价格适中等优点。所以我采用了FX2N-48MR型号的可编程控制器。第二章 硬件接线2.1 外部接线图系统的硬件连接图即PLC和系统中各个硬件的连线。具体如图1-1：图1-1 主电路2.2 I/O分配图如表1-1表1-1 I/O分配图序号名 称输入点序号名 称输出点0外呼1上行X00电梯上行Y01外呼2下行X11电梯关门Y12外呼2上行X22电梯下行Y23外呼3下行X33电梯开门Y34外呼3上行X44内呼1层指示Y45外呼4下行X55内呼2层指示Y561层到位X66内呼3层指示Y672层到位X77内呼4层指示Y783层到位X108外呼1层上升指示Y1094层到位X119外呼2层下降指示Y1110开门到位X1210外呼2层上升指示Y1211关门到位X1311外呼3层下降指示Y1312内呼1层X1412外呼3层上升指示Y1413内呼2层X1513外呼4层下降指示Y1514内呼3层X1614内呼开示Y1615内呼4层X1715内化关门指示Y1716内呼开门X2017内呼关门X2118电梯上升限位X2219电梯下降限位X2320手动复位X242.3 四层电梯模拟控制面板采用了THPLC-DT型四层电梯实验教学模型，利用面板上的按钮来模拟实现四层电梯运行的状态。它设置了电梯门，电梯内按钮指示，电梯内按钮信号，电梯外按钮电梯平层、限位信号，电梯门限信号，电梯外部呼叫指示灯，电梯行控，电梯内部选择指示灯，电梯门控已经层数标志。图1-2 四层电梯模拟控制面板第三章 系统软件设计3.1 PLC梯形图概述梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被设计人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。3.2 MELSOFT系列GX Developer编程软件的操作方法本课题采用的编程软件为MELSOFT系列GX Developer编程软件，具体操作方法如下：1.打开MELSOFT系列GX Developer编程软件，之后点击，在下拉菜单栏点击“创建新工程（N）”，再选择，确定打开就可以绘制梯形图，编写本课题的程序。2. 在打开文件之后就可以绘制梯形图，根据所编的程序的要求，在页面上面的功能图在绘制梯形图中选择需要的输入元件，完成对梯形图的绘制。3.完成对梯形图的绘制后，在确定PLC处于通讯状态时，在软件的菜单栏中点击，并在下拉菜单中点击“PLC写入”，将程序编入三菱FX2N-48MR中。3.3系统工作过程分析1.初始化2.确认本层于目标层并检测是否有厢内或厢外呼叫，无则结束。3.若有呼叫分辨本层于目标层是否一致，是则开门。 图1-3电梯运动流程图4.确认电梯启动方向。5.电梯启动。6.电梯加速。7.电梯高速运行。8.楼层检测。9.是否是目标层，不是则继续高速运行。 10.到目标层，电梯减速。11.到层检测。12.电梯制动。13.开门。14.延时后再关门。15.是否停止运动，不是则原地等待。16.确认运行结束则停止运行。如图1-3：电梯运动流程图3.4 控制要求所设计的电梯模型共有四层。电梯的每一层面均有升降及轿厢所在楼层的指示灯显示；14所对应的指示灯表示楼层号，每层的楼厅均有输入（分上行和下行）按钮召唤电梯。工作中的电梯主要对各种呼梯信号和当时的运行状态进行综合分析，再确定下一个工作状态，为此它要求具有自动选向，顺向截梯和反向保号，外呼记忆，自动开、关门，停梯信号，自动达层等功能。分析以上控制要求，将电梯控制要实现的功能罗列如下：1. 开始时，电梯处于任意一层。2. 当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门自动打开，延时3秒后自动关门。3. 当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门自动打开，延时3秒后自动关门。4. 在电梯运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反向下降（或上升）的呼梯信号均不响应；如果某反向呼梯信号前方再无其他呼梯信号，则电梯响应该呼梯信号。5. 电梯应具有最远反向呼梯功能。6. 电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮军不起作用。平层且电梯停止运行后，按开门按钮可使电梯门打开，按关门按钮可使电梯门关闭。3.5过程分析1、电梯上行设计要求1）当电梯停于1楼或2楼，3楼呼叫时，则上行，当3楼的行程开关控制停止，同时轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭。2）当电梯停于1楼，2楼呼叫，则上行，到2楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭。3）当电梯停于1楼，2楼、3楼同时呼叫，电梯上行到2楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到3楼行程开关控制停止。4）当电梯停于1楼，3楼、4楼同时呼叫时，电梯上行到3楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到4楼行程控制停止。5）当电梯停于1楼，2楼、4楼同时呼叫时，电梯上行到2楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到4楼行程控制停止。6）当电梯停于1楼，2楼、3楼、4楼同时呼叫，电梯上行到2楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到3楼行程开关控制停止，同时，轿厢门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到4楼行程控制停止。7）当电梯停于2楼，3楼和4楼同时呼叫，电梯上行到3楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭。8) 当电梯停于1楼或2楼或3楼，4楼呼叫，电梯上行到4楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭。2、电梯下行设计要求1）当电梯停于4楼，2楼呼叫时，则下行，到2楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭。2) 当电梯停于4楼，3楼呼叫时，则下行，到3楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭。3) 当电梯停于4楼，2楼、3楼同时呼叫时，则下行，到3楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到2楼行程开关控制停止。4）当电梯停于4楼，1楼、3楼同时呼叫时，则下行，到3楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到1楼行程开关控制停止。5）当电梯停于4楼，1楼、2楼同时呼叫时，则下行，到2楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到1楼行程开关控制停止。6）当电梯停于4楼，1楼、2楼、3楼同时呼叫时，则下行，到3楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到2楼行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到1楼行程开关控制停止。7）当电梯停于4楼或2楼或3楼，1楼呼叫时，则下行，到1楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭。3、电梯呼叫、上行或下行均需信号指示。4、在电梯运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的呼叫信号均不响应；如果某反向呼梯信号前方再无其它呼梯信号，则电梯响应该呼梯信号。5、电梯具有最远反向呼梯响应功能。 3.6 调试过程 3.6.1准备工作按照图1-1将所有的设备连接起来，并接通电源，观察PLC的指示灯，PLC上的RUN和RDY指示灯正常亮起，则PLC正常工作，观察电梯模型上，电源指示灯正常亮起，则电梯模型正常工作。打开GX Developer编程软件，并打开已绘制的电梯PLC控制程序，单击菜单栏中“在线”，然后单击子菜单栏中的“PLC写入（W）”，成功连接PLC。设定好步数，单击“执行”按钮，即可将程序传送到PLC中去。3.6.2调试程序因为条件有限，调试程序时用按钮来表示输入，用指示灯来模拟程序运行后的输出。如图1-3.。此处举几个具有代表性的调试例子。1 轿厢在一层时有二层内呼首先按住一层平层按钮，然后按下二层内呼按钮，此时二层内呼指示灯亮起。松开一层平层按钮，电梯上行指示灯亮起，按下二层平层按钮，则电梯开门指示灯亮起，二层内呼指示灯熄灭。再按下开门限位按钮，电梯开门指示灯熄灭，3秒之后电梯关门指示灯自动亮起。再按下关门限位按钮，整个运动过程结束。2 电梯在一层时（此时电梯门关着），一层外呼上（四层内呼），未到二层时，同时收到四层外呼下指令（一层内呼），二层外呼下指令，三层外呼上指令（四层内呼）。这是一个非常复杂的运动过程，包含了设计中要求的自动定向，顺向截梯，反向记忆，自动开门等所有功能。首先按住一层平层按钮，然后按下一层外呼按钮，一层上指示灯亮起，此时电梯开门指示灯亮起，一层外呼指示灯熄灭，接着按下开门限位按钮，电梯开门指示灯熄灭，过3秒后，电梯关门指示灯自动亮起，按下关门限位按钮，电梯关门指示灯熄灭。电梯上行指示灯亮起来。按下四层内呼按钮，四层内呼指示灯来亮起。然后连接按下四层外呼下，二层外呼下，三层外呼上按钮，相应指示灯亮起。接着按下二层平层按钮，电梯不做反应，按下三层平层按钮，电梯做开关门运动，并继续上行。按下四层平层按钮，电梯再次做开关门运动，四层内呼指示灯熄灭，上行指示灯熄灭。之后