基于PLC的液压施工升降机控制系统设计-开题报告

毕业设计开题报告题 目： 基于 PLC 的液压施工升降机控制系统设计 学 院： 湖南工程学院应用技术学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导老师： 2012 年 03 月 15 日毕 业 设 计开 题 报 告1文献综述：结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2500 字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。文献综述一、 引言施工升降机是建筑施工中不可缺少的垂直运输机械， 其主要用于城市高层和超高层的各类建筑中，主要因为这样的建筑高度对于使用井字架、龙门架来完成作业是十分困难的。液压升降机是上下操作，施工升降机在工地上通常是配合塔吊使用，一般载重量在 13 吨，运行速度为 1 60m/min。施工升降机的种类很多，按起运行方式有无对重和有对重两种，按其控制方式分为手动控制式和自动控制式。近年来，随着建筑高度的不断增加，架设高度大的施工升降机的需求量也在不断增加。建筑施工升降机除了应用在高层建筑中还可以应用在大桥的建设中，此外，它还可以应用在大型化工厂冷却塔、发电厂的烟囱、广播电视塔以及煤矿等多种施工场合下，施工升降机己成为建筑行业中一种必不可少的机械设备。可以给我们提供一个安全稳定的平台。我们在高空作业的时候可以给我们的安全提供保障。然而目前国内普遍生产电机机械传动式施工升降机，由于是采用继电器接触器控制，即采用交流绕线式异步电动机转子串电阻调速方式，这种控制方式缺陷明显，制动和调速换档时机械冲击大，调速性能差，外接电阻能耗大， 接线复杂，经常出现故障，安全性差。其自动化控制水平较低，在施工运行过程中，存在大量问题，而且速度单一、启制动冲击大、乘员感觉不适等缺点，不能满足中高层、超高层建筑项目的施工要求。最关键的问题是使用高度达到 200m 左右而运行速度却停留在3438m/min，大大影响了施工速度，也影响了施工企业的效益。因此，超高型升降机提速的要求己到了非解决不可的时候。而液压升降机运行速度快，可实现无级调速，起动、制动平稳，起动时对电网的要求和冲击均很小，能实现空载起动、解决由于工地电网容量限制而造成一般升降机重载时起动困难的问题，是 200m 以上高层建筑施工理想的垂直运输机械。二、 施工升降机主要组成部分施工升降机构造：分钢结构、驱动装置、安全装置、电器设备四部分组成。一、钢结构：包括导轨架、吊笼、天轮架、附着架等部件。二、驱动装置：由电动机、泵、方向阀、马达、配重、钢丝绳等组成，泵带动马达旋转，通过钢丝绳使吊笼做上、下运行。三、电器设备：施工升降机的电气控制系统由电源箱、电控箱、操作台及安全保护系统等组成。电缆导向装置：在吊笼作上、下运行时，电缆导向装置确保使接入吊笼内的电缆线不至于偏离电缆笼或发生不正常的卡死，以保证升降机正常供电。四、安全装置：1、限速器：为防止吊笼坠落装有锥鼓式限速器。2、防坠安全器：当吊笼出现不正常超速时，将吊笼制停。动作时，其上安全开关断开电源，制动器制动。3、安全钳：使吊笼制动的安全装置。4、缓冲弹簧：施工升降机的底架上有缓冲弹簧，以便当吊笼发生坠落事故时，减轻吊笼的冲击。有圆锥卷弹簧和圆柱螺旋弹簧。圆锥卷弹簧的制造工艺较难，成本高，但体积小，承载力强。一般情况下，每个吊笼对应的底架上装有两个圆锥卷弹簧，也有四个圆柱螺旋弹簧，安装的目的是缓冲吊笼和配件着地时的冲击。5、上、下限位器：为防止吊笼上、下超过需停位置时，因操作者误操作和电气故障等原因继续上升或下降引发事故而设置。6、上、下极限限位器：上、下限位器一旦不起作用，吊笼继续上升或下降到设计规定的最高极限或最低极限位置时能及时切断电源，以保证吊笼安全。7、安全钩：下限位器和上极限位器因各种原因不能及时动作，吊笼继续向上运行，将导致吊笼冲击导轨架顶部而发生倾翻坠落事故而设置的，安全钩是安装在吊笼上部的重要也是最后一道安全装置，它能使吊笼上行到导轨架顶部的时候，安全钩钩住导轨架，保证吊笼不发生倾翻坠落事故。8、吊笼门、底笼门联锁装置：防止因吊笼或底笼门未关闭就启动运行而造成人员坠落和物料坠落，只有完全关闭时才能启动运行。9、急停开关：操作者应能及时按下急停开关，使吊笼立即停止，防止事故的发生，急停开关必须是非自行复位的电气安全装置。10、楼层通道门：运行时处于常闭状态，只有在吊笼停靠时才能由吊笼内的人打开，楼层内的人员无法打开此门。11、电磁制动器：装于电动机轴上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层后断电制动。12、超载开关：当超载时吊笼底下超载开关动作，吊笼不能启动运行。13、其它开关：安全窗开关、防松绳开关、断绳开关等。三、 施工升降机液压系统工作原理的了解主要是通过液压油的压力传动从而实现升降的功能,它的剪叉机械结构，使升降机起升有较高的稳定性，宽大的作业平台和较高的承载能力，使高空作业范围更大、并适合多人同时作业。它使高空作业效率更高，安全更保障。 液压升降机工作原理 液压油由叶片泵形成一定的压力，经滤油器、隔爆型电磁换向阀、节流阀、液控单向阀、平衡阀进入液缸下端，使液缸的活塞向上运动，提升重物，液缸上端回油经隔爆型电磁换向阀回到油箱，其额定压力通过溢流阀进行调整，通过压力表观察压力表读数值。 液缸的活塞向下运动（既重物下降） 。液压油经防爆型电磁换向阀进入液缸上端，液缸下端回油经平衡阀、液控单向阀、节流阀、隔爆型电磁换向阀回到油箱。为使重物下降平稳，制动安全可靠，在回油路上设置平衡阀，平衡回路、保持压力，使下降速度不受重物而变化,由节流阀调节流量，控制升降速度。 为使制动安全可靠，防止意外，增加液控单向阀，即液压锁，保证在液压管线意外爆裂时能安全自锁。安装了超载声控报警器,用以区别超载或设备故障。四、施工液压升降机的触屏界面在自动化控制中，需要一种人机交互设备实现人与系统的数据和命令的交换。人机界面能取代传统控制面板功能，可节省 PLC 的 I/O 模组，按钮开关，数字设定，指示灯等且能随时显示重要讯息，以利于操作人员正确掌握机器状况和避免错误，利于维修。五、PLC 控制的发展及发展趋势一、PLC 控制的发展可编程序控制器（Programmable Logic Controller） ，简称 PLC，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。20 世纪 60 年代末期，在工业控制中，多采用继电器控制系统，这种系统体积大、耗电多，改变原程序非常困难。为改变这种状况，20 世纪 60 年代末期，美国通用汽车公司(GM)提出需求，公开招标。美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在 1968 年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：a、它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单成本低。b、它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。但编程要比计算机简单易学、操作方便。c。系统通用性强。1969 年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台 PLC，并在 GM 公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来，但是主要应用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称 PLC。早期的可编程控制器指令系统简单，只能完成顺序控制，一般只具有逻辑运算、定时、计数等功能。随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展，PLC 也在不断发展。20 世纪 80 年代后期，以 16 位和 32 位微处理器构成的微机化 PLC 得到了巨大的发展，使其在概念上、设计上、性价比等方面都有了很大的突破。可编程控制器具有了浮点运算、函数运算、高速计数、中断计数、PID 控制及联网等功能，这些都使得 PLC 技术的应用范围和领域不断扩大。其定义：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。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。目前，全世界约有 200 多家公司从事 PLC 的研究与制造，生产着 400 多个系列的产品。 世界上 PLC 产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。美国和欧洲的 PLC 技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的 PLC 产品有明显的差异性。而日本的 PLC 技术是由美国引进的，对美国的 PLC 产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型 PLC 上。美国和欧洲以大中型 PLC 而闻名，而日本则以小型 PLC 著称。美国 PLC 产品美国是 PLC 生产大国，有 100 多家 PLC 厂商，著名的有 A-B 公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。其中 A-B公司是美国最大的 PLC 制造商，其产品约占美国 PLC 市场的一半。A-B 公司产品规格齐全、种类丰富，其主推的大、中型 PLC 产品是 PLC-5 系列。该系列为模块式结构，CPU 模块为 PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/15、PLC-5/25 时，属于中型 PLC，I/O 点配置范围为 2561024 点；当 CPU 模块为 PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40、PLC-5/60、PLC-5/40L、PLC-5/60L 时，属于大型PLC，I/O 点最多可配置到 3072 点。该系列中 PLC-5/250 功能最强，最多可配置到4096 个 I/O 点，具有强大的控制和信息管理功能。大型机 PLC-3 最多可配置到 8096个 I/O 点。A-B 公司的小型 PLC 产品有 SLC500 系列等。GE 公司的代表产品是：小型机 GE-1、GE-1/J、GE-1/P 等，除 GE-1/J 外，均采用模块结构。GEl 用于开关量控制系统，最多可配置到 112 个 I/O 点。GE-1/J 是更小型化的产品，其 I/O 点最多可配置到 96 点。GE-1/P 是 GE-1 的增强型产品，增加了部分功能指令（数据操作指令） 、功能模块（A/D、D/A 等） 、远程 I/O 功能等，其 I/O 点最多可配置到 168 点。中型机 GE-，它比 GE-1/P 增加了中断、故障诊断等功能，最多可配置到 400 个 I/O 点。大型机 GE-，它比 GE-增加了部分数据处理、表格处理、子程序控制等功能，并具有较强的通信功能，最多可配置到 2048 个 I/O 点。GE-/P 最多可配置到 4000 个 I/O 点。德州仪器（TI）公司的小型 PLC 新产品有 510、520 和 TI100 等，中型 PLC 新产品有 TI300、5TI 等，大型 PLC 产品有 PM550、530、560、565 等系列。除 TI100 和TI300 无联网功能外，其它 PLC 都可实现通信，构成分布式控制系统。莫迪康（MODICON）公司有 M84 系列 PLC。其中 M84 是小型机，具有模拟量控制、与上位机通信功能，最多 I/O 点为 112 点。M484 是中型机，其运算功能较强，可与上位机通信，也可与多台联网，最多可扩展 I/O 点为 512 点。M584 是大型机，其容量大、数据处理和网络能力强，最多可扩展 I/O 点为 8192。M884 增强型中型机，它具有小型机的结构、大型机的控制功能，主机模块配置 2 个 RS-232C 接口，可方便地进行组网通信。欧州 PLC 产品德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG 公司、法国的 TE 公司是欧洲著名的 PLC 制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型 PLC 产品领域与美国的 A-B 公司齐名。西门子 PLC 主要产品是 S5、S7 系列。在 S5 系列中，S5-90U、S-95U 属于微型整体式 PLC；S5-100U 是小型模块式 PLC，最多可配置到 256 个 I/O 点；S5-115U 是中型PLC，最多可配置到 1024 个 I/O 点；S5-115UH 是中型机，它是由两台 SS115U 组成的双机冗余系统； S5-155U 为大型机，最多可配置到 4096 个 I/O 点，模拟量可达300 多路；SS155H 是大型机，它是由两台 S5-155U 组成的双机冗余系统。而 S7 系列是西门子公司在 S5 系列 PLC 基础上近年推出的新产品，其性能价格比高，其中 S7-200 系列属于微型 PLC、S7-300 系列属于于中小型 PLC、S7-400 系列属于于中高性能的大型 PLC。日本 PLC 产品日本的小型 PLC 最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多 PLC 制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型 PLC 市场上，日本产品约占有 70的份额。三菱公司的 PLC 是较早进入中国市场的产品。其小型机 F1/F2 系列是 F 系列的升级产品，早期在我国的销量也不小。F1/F2 系列加强了指令系统，增加了特殊功能单元和通信功能，比 F 系列有了更强的控制能力。继 F1/F2 系列之后，20 世纪 80年代末三菱公司又推出 FX 系列，在容量、速度、特殊功能、网络功能等方面都有了全面的加强。FX2 系列是在 90 年代开发的整体式高功能小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。FX2N 几年推出的高功能整体式小型机，它是 FX2 的换代产品，各种功能都有了全面的提升。近年来还不断推出满足不同要求的微型 PLC，如FXOS、FX1S、FX0N、FX1N 及 系列等产品。三菱公司的大中型机有 A 系列、QnA 系列、Q 系列，具有丰富的网络功能，I/O 点数可达 8192 点。其中 Q 系列具有超小的体积、丰富的机型、灵活的安装方式、双 CPU协同处理、多存储器、远程口令等特点，是三菱公司现有 PLC 中最高性能的 PLC。欧姆龙（OMRON）公司的 PLC 产品，大、中、小、微型规格齐全。微型机以 SP 系列为代表，其体积极小，速度极快。小型机有 P 型、H 型、CPM1A 系列、CPM2A 系列、CPM2C、CQM1 等。P 型机现已被性价比更高的 CPM1A 系列所取代，CPM2A/2C、 CQM1 系列内置 RS-232C 接口和实时时钟，并具有软 PID 功能，CQM1H 是 CQM1 的升级产品。中型机有 C200H、C200HS、C200HX、C200HG、C200HE、CS1 系列。C200H 是前些年畅销的高性能中型机，配置齐全的 I/O 模块和高功能模块，具有较强的通信和网络功能。C200HS 是 C200H 的升级产品，指令系统更丰富、网络功能更强。C200HX/HG/HE 是C200HS 的升级产品，有 1148 个 I/O 点，其容量是 C200HS 的 2 倍，速度是 C200HS 的375 倍，有品种齐全的通信模块，是适应信息化的 PLC 产品。CS1 系列具有中型机的规模、大型机的功能，是一种极具推广价值的新机型。大型机有 C1000H、C2000H、CV（CV500CV1000CV2000CVM1）等。 C1000H、C2000H 可单机或双机热备运行，安装带电插拔模块，C2000H 可在线更换 I/O 模块；CV 系列中除CVM1 外，均可采用结构化编程，易读、易调试，并具有更强大的通信功能。松下公司的 PLC 产品中，FPO 为微型机，FP1 为整体式小型机，FP3 为中型机，FP5/FP10、FP10S（FP10 的改进型） 、FP20 为大型机，其中 FP20 是最新产品。松下公司近几年 PLC 产品的主要特点是：指令系统功能强；有的机型还提供可以用 FP-BASIC语言编程的 CPU 及多种智能模块，为复杂系统的开发提供了软件手段；FP 系列各种PLC 都配置通信机制，由于它们使用的应用层通信协议具有一致性，这给构成多级PLC 网络和开发 PLC 网络应用程序带来方便。二、PLC 控制的发展趋势PLC 作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。据统计，当今世界PLC 生产厂家约 150 家，生产 300 多个品种。2000 年销售额约为 86 亿美元，占工控机市场份额的 50%，PLC 将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。 PLC 在 60 年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。新一代的 PLC 具有 PID调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。但 PLC 也面临着其它行业工控产品的挑战，全世界各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面： 1.微型、小型 PLC 功能明显增强 很多有名的 PLC 厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的 PLC。三菱的fxos14 点(8 个 24vdc 输入，6 个继电器输出)，其尺寸仅为 58mm89mm，仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使 PLC 的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。2.集成化发展趋势增强 由于控制内容的复杂化和高难度化，使 PLC 向集成化方向发展，PLC 与 PC 集成、PLC 与 DCS 集成、PLC 与 PID 集成等，并强化了通讯能力和网络化，尤其是以 PC 为基的控制产品增长率最快。PLC 与 PC 集成，即将计算机、PLC 及操作人员的人机接口结合在一起，使 PLC 能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和 PLC 的模块交互存取数据。以 PC 机为基的控制容易编程和维护用户的利益，开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。 3.向开放性转变 PLC 曾存在严重的缺点，主要是 PLC 的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的 PLC 是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语文结构不一致，使各种 PLC 互不兼容。国际电工协会(IEC)在 1992 年颁布了 IEC131-3可编程序控制器的编程软件标准 ，为各 PLC 厂家编程的标准化铺平了道路。现在开发以 PC 为基、在 windows 平台下，符合 IEC1131-3 国际标准的新一代开放体系结构的 PLC 正在规划中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施基于 PLC 的液压施工升降机控制系统设计一、 课题的目的与意义液压升降机在我们的日常生活中都有着重要的作用。给我们带来的利益是非常的多。升降机的功能特色是非常多的，在我们生活中我们在很多的商务大厦都会用到电梯，升降机就如电梯的性能大同小异，我们在使用升降机的时候也可以针对自己的需求对升降机进行设置。可见升降机对我们作用是相当的大。随着我们生产力的不断加大，生活的不断改善，对升降机的需求也就在不断的增多，生活中的每个角落升降机的应用都会给我们带来客观的利益。同时，毕业设计是教学计划中一个重要的教学环节，是培养我们运用所学的基础理论、基本知识和基本技能分析解决实际问题能力的一个重要环节。也是对即将进入社会的我们大学生的一次知识的汇总，而通过此次毕业设计既能让我们对逆向工程有个初步的了解，也能让我们对 PLC 开发设计的基本流程和方法有个感性的认识。二、 课题发展现状和前景展望施工升降机使建筑施工中不可缺少的垂直运输机械，然而目前国内外普遍生产电机机械传动式施工升降机，其控制方式是通过接触器来控制来实现，其自动化控制水平较低，在施工运行过程中，存在大量问题，而且速度单一，启动冲击大、乘员感觉不适等缺点，不能满足中高层、超高建筑项目的施工要求。因此研究施工升降机的控制系统是一个很有意义的工作，不但提高工作效率，消除安全隐患，还能产生更大的经济效益。三、 课题主要内容和要求本课题的目的是在全面了解国内外施工升降机发展现状的基础之上，以 30 层的液压驱动型施工升降机为控制对象，设计以可编程控制器为核心的施工升降机控制系统，所开展的工作如下：1、以可编程控制器(PLC)控制器，设计三十层施工升降机控制系统，设计硬件系统的电路原理图（包括控制系统主电路、控制电路、采样电路、电液比例控制回路及报警电路等） 。采用 PLC 作为控制系统的核心，触摸屏作输入和显示模块，设计人机界面，实现对施工升降机的监测控制。2、设计控制系统的 PLC I/O 接线图、PLC 程序的总体结构图、顺序功能图和梯形图（包括公用程序、手动程序、自动程序、信号显示和故障报警程序等程序的梯形图） ；选择电气元件和设计控制的算法；编写指令重修的清单；调试通过系统程序。3、根据要求和设计过程，编写设计说明书、绘制图纸。四、研究方法、步骤和措施系统设计的基本步骤和措施：(1)深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求 被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。(2)确定 I/O 设备 根据被控对象对 PLC 控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。 (3)选择合适的 PLC 类型根据已确定的用户 I/O 设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的 PLC 类型，包括机型的选择、容量的选择、 I/O 模块的选择、电源模块的选择等。(4)分配 I/O 点分配 PLC 的输入输出点，编制出输入 / 输出分配表或者画出输入 / 输出端子的接线图。接着就可以进行 PLC 程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。(5)设计应用系统梯形图程序根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用系统设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。(6)将程序输入 PLC当使用简易编程器将程序输入 PLC 时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到 PLC 中去。(7)进行软件测试程序输入 PLC 后，应先进行测试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。因此在将 PLC 连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。