基于PLC的液压施工升降机控制系统设计

目 录摘要Abstract 第 1 章 绪论11.1 引言11.2 PLC 控制技术的产生和与其他同类技术的区别11.2.1 PLC 控制技术的产生21.2.2 PLC 其他同类技术的区别11.3 国内外 PLC 控制的发展及发展趋势11.3.1 PLC 控制的发展 11.3.2 PLC 控制的发展趋势 11.4 本课题主要研究的内容2第 2 章施工升降机控制系统设计的概述及主要组成62.1 引言62.2 液压施工升降机控制系统设计的概述62.3 施工升降机主要组成部分7第 3 章 施工升降机控制系统硬件设计133.1 引言63.2 系统的控制思想63.3 控制系统的主要产品性能介绍63.3.1 比例变量泵的性能介绍63.3.2 PLC 选型及模块介绍63.3.3 触摸屏的选择 63.4 控制电路设计6 3.4.1 主回路设计63.4.2 输入/输出回路设计63.4.3 抱闸电路、门锁电路、安全运行电路设计63.4.4 电液比例控制电路设计6第 4 章 施工升降机控制系统软件设计274.1 引言64.2 PLC 软件的概述64.2.1 PLC 软件的工作过程64.2.2 PLC 的应用软件64.2.3 编程工具软件与编程语言64.2.4 PLC 应用软件的设计过程64.3 控制系统软件设计 64.3.1 层楼位置信号的产生与清除环节 64.3.2 选层指令信号的登记、消除和显示环节 64.3.3 停层信号的产生和消除环节 64.3.4 停车制动环节 64.3.5 启动加速和稳定运行环节 64.4 施工升降机变频调速系统的设计 64.4.1 系统的控制要求 64.4.2 系统设计原理 64.4.3 PLC 程序的设计 64.4.4 工程的建立与变量的定义 64.4.5 工程画面的建立 64.4.6 监控画面的制作 6第 5 章 系统抗干扰设计275.1 引言65.2 电磁干扰类型及其影响65.3 PLC 系统干扰的主要来源65.4 主要抗干扰措施65.4.1 抑制电源系统引入的干扰65.4.2 抑制输出端引入的干扰65.4.3 安装与布线65.3.4 正确选择接地点，完善接地系统65.3.5 触摸屏的抗干扰措施6结论与展望37参考文献39致谢41基于 PLC 的液压施工升降机控制系统设计摘 要：施工升降机是建筑施工中不可缺少的垂直运输机械，本文以液压施工升降机为背景，对其控制系统进行了设计。在全面了解施工升降机基本工作原理的基础之上，设计了 30 层的液压驱动型施工升降机控制系统。根据控制系统要求，设计了控制系统主电路、控制电路、采样电路、电液比例控制电路及报警电路等。显示监控系统选用的是触摸屏三菱 F940GOT 可编程控制终端，采用其带的人机交互界面编辑软件 GT Designer2，设计友好的选层参数的输入和运行状态监控界面。关键词：PLC；触摸屏；控制系统；施工升降机The Design of Control System of Hydraulic Construction Hoist Based on PLCAbstract： The construction hoist is an inevitable tool for up and down transportation. Based on the hydraulic construction hoist，this paper designs its controlling system. On the basis of well known all aspects of the construction hoist，I designs the controlling system for thirty floors hydraulic construction hoist. The PLC processes the concentrated data according to its inner programs，and carries out the controlling of hydraulic construction hoist. Meanwhile， this paper designs the main circuits，control circuit ，sampling circuit，the electronichydraulic proportional controlling circuit and alarm circuit of the controlling system. The selected type of the display supervision is the touchscreen F940GOT programmable controlling terminal. With its GUI software GT Designer2, this thesis designs friendly interface to complete the working condition and in put the floor selecting number. Key words: PLC touchscreen controlling system construction hoist第 1 章 绪 论1.1 引言本章介绍了 PLC 控制技术的产生、与其他同类技术的区别和国内外 PLC 控制技术的发展和发展趋势。1.2 PLC 控制技术的产生和与其他同类技术的区别1.2.1 PLC 控制技术的产生可编程序控制器（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。1.2.2 PLC 其他同类技术的区别PLC 控制技术与继电器控制技术的区别在 PLC 的编程语言中，梯形图是用得最多的语言。PLC 的梯形图与继电器控制线路图比较相似，信号的输入/输出形式及控制功能也相同，但 PLC 的控制与继电器的控制又有不同之处，主要体现在以下几个方面。(1)控制逻辑:继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触头的串联或并联以及时间继电器的延时等组合成控制逻辑。其缺点是接线复杂，增加或改变功能都非常困难，继电器触头数目也有限。而 PLC 利用其内部存储器，以程序方式将控制逻辑存储在内存中，通过改变程序就可以很方便的改变控制逻辑，另外，软继电器触头数一般都非常多，因此 PLC 控制逻辑的灵活性和扩展性都很好。(2)助控制速度:继电器控制是通过继电器机械触头的动作来实现，触头的开闭动作一般在几十毫秒数量级。而 PLC 通过程序指令控制半导体电路来实现控制逻辑，一般一条指令的执行时间在微秒数量级。(3)限时控制:继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制，但其定时精度不高，易受环境影响，调整比较困难。PLC 使用半导体集成电路定时器，定时精度高，定时范围可从 0.0015 到若干分钟，通过编写程序来进行定时控制，非常方便。(4)计数控制:继电器控制逻辑一般不具备计数的功能，而 PLC 能通过程序方便的实现计数功能。(5)可靠性和可维护性:继电器控制逻辑使用了大量的机械触头，触头开闭时产生的电弧容易损坏触点，因此可靠性和可维护性都比较差。而 PLC 采用无触点的半导体电路来代替继电器触点，因而不存在上述缺陷。PLC 还带有自检功能，为现场的调试和维护提供了方便。(6)价格:继电器控制逻辑多使用机械开关、继电器等，功能简单，价格比较便宜。而 PLC 多使用集成电路，价格相对比较昂贵。PLC 控制技术与通用计算机控制技术的区别 PLC 是专门为工业控制环境而设计的，而通用计算机是专门为科学计算和数据处理等而设计的，两者采用的都是计算机结构，但两者设计的出发点不同，因此也存在许多的差异，主要体现在以下几个方面。(1)应用范围:通用计算机除了应用在控制领域外，还大量应用在科学计算、数据处理、计算机通信等方面。而 PLC 主要用于工业控制领域。(2)使用环境:通用计算机对环境要求高。而 PLC 能适用于环境差的工业现场。(3)程序设计:通用计算机具有丰富的程序设计语言，如汇编语言、C 语言等，能实现复杂的应用，对编程者要求高。而 PLC 能提供的编程语言少，逻辑简单，容易学习和使用。(4)运算速度和存储容量:随着各种电子技术的发展，通用计算机运算速度越来越快，一般在微秒级，存储容量也在增大。而 PLC 相对通用计算机运算速度要慢，其编程的软件少，编程简短，内存容量也很小。(5)价格:通用计算机功能多，硬件复杂，而 PLC 相对功能单一，因此在价格上一般 PLC 要比通用计算机便宜。PLC 控制技术与单片机控制技术的区别单片机控制技术一般用于数据采集和工业控制，单片机在配置上比通用计算机简单，价格上相对便宜，但它和通用计算机一样，也不是专门为工业现场控制所设计的。与通用计算机一样，单片机编程复杂、不易掌握，需要处理大量 I/O 接口，其输出口驱动负载能力较弱，要驱动工业负载需要复杂的外围电路。单片机控制技术的突出优点在于它具有较强的数据处理能力，但工业控制过程要处理的是大量的开关量，因而运用在工业现场控制中单片机的长处得不到发挥，其可靠性也远不如 PLC。PLC 控制技术与单片机控制技术相比较而言，更适合于工业现场过程控制，但其数据处理能力不如后者。1.3 PLC 控制的发展及发展趋势1.3.1 PLC 控制的发展在早期的工业控制中，多采用继电器控制系统，这种系统体积大、耗电多，改变生程序非常困难。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。随后，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程控制器，并成功的应用于汽车生产线上。随后，日本、德国等相继引入 PLC 技术，许多知名公司的加入使得 PLC 技术得到了迅速的发展，如:日本的三菱、松下、OMRON:德国的西门子、BBC 等公司。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。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。1.3.2 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。 1.4 本课题主要研究的内容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 FX2N48MR001 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、采用可编程控制器(PLC)作为控制系统的核心，触摸屏做输入和显示模块，设计了良好的人机界面，实现对施工升降机的监测控制。通过制作触摸屏与 PLC 的通信电缆成功解决了触摸屏和 PLC 的串行通信问题，使 PLC 和触摸屏优势互补，提高控制系统的可操作性。2、采用三菱 PLC 的编程开发软件 GX Developer，实现施工升降机逻辑信号、速度的控制，根据控制系统要求，设计了控制系统主电路、控制电路、采样电路、电液比例控制电路及报警电路等。3、设计变频器对升降机的速度进行调节。4、对施工升降机的安全性和电气控制抗干扰保护措施进行了设计。第 2 章 施工升降机控制系统设计的概述及主要组成2.1 引言本章介绍了液压施工升降机控制系统的设计、施工升降机主要组成部分等内容，这对后面章节的硬件和软件设计提供了一个框架。2.2 液压施工升降机控制系统设计的概述系统主要由三相交流异步电动机、电液比例变量泵、变量马达、换向阀等部件组成，控制器采用三菱的 PLC。液压施工升降机的上、下行工作原理基本相似。以上行工作为例，在工作开始时，可编程控制器 PLC 接受到来自于触摸屏按钮的选层及上行控制指令，PLC 输出上行控制信号使上行电磁阀 YV1 带电，电机启动接触器KM1 通电，启动变量泵工作，油液进入马达，带动曳引轮旋转，从而施工升降机吊笼启动。图 2.1 施工升降机基本工作原理同时，PLC 按照适当的加速曲线输出相应的加速曲线信号经 D/A 模块后至比例放大器，比例放大器为比例电磁铁提供特定的控制电流，从而控制变量泵的输出流量，进而控制吊笼的启动运行速度，当速度达到最大值时，吊笼以速度最大值稳定运行。在施工升降机运行过程中，PLC 接收井道装置各处信号，数据处理后将楼层的当前位置、运行监控状态等信息及时显示，以便了解施工升降机的运行状态。当 PLC 接收到减速信号时，PLC 按照理想减速曲线模拟输出速度，比例电磁铁的输入电流也随着理想减速曲线减少，液压系统流量减少，从而使吊笼运行速度不断下降。当施工升降机到站时，PLC 输出控制信号使上行电磁阀 YV1 不带电，电动机启动接触器 KM1 失电，液压系统关闭，施工升降机停止运行。升降机上升或下降时系统中单向节流阀的作用是调节升降机的升降速度，使重物下降平稳，制动安全可靠，同时也保证在液压管线意外爆裂时能安全自锁。在回油路上设置平衡阀，是保持压力，使下降速度不受重物而变化。2.3 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。第 3 章 施工升降机控制系统硬件设计3.1 引言本章是施工升降机控制系统硬件的设计，介绍了系统的控制思想、控制系统的主要产品性能、控制电路的设计，为第四章的软件设计做好准备。3.2 系统的控制思想本控制系统的硬件主要由触摸屏人机交互模块、可编程控制器核心控制模块、模拟量输出模块、井道及安全装置等。系统框图如图 3.1：图 3.1 施工升降机的控制方案控制系统主要包括信号控制和速度控制两大部分。控制系统的核心是 PLC，集中解决输入信号的数据处理和输出逻辑控制的问题。系统参数设定、显示功能则由触摸屏完成。系统设有安全运行电路，只有满足安全运行条件，施工升降机才能运行，否则发生故障报警信号，并让 PLC 所有输出点恢复安全输出状态。当满足安全运行条件时，通过触摸屏输入选择的层数时，系统进行判断识别，送出刚选择的层数信号至触摸屏显示，系统通过选层后调用加速曲线，通过模拟输出模块输出速度信号不断传输给比例电磁铁，控制比例的输出流量进而控制吊笼的运行速度，使吊笼按预定曲线运行。当吊笼到达目的层时，系统发出吊笼停车的信号、消层信号，系统调用减速曲线，进而使液压电动机制动、比例泵停转。综上所述，本系统采用 PLC 为核心控制器，触摸屏作为监控显示模块，两者通过串口进行通信来控制系统的执行部件，实现施工升降机的控制。3.3 控制系统的主要产品性能介绍3.3.1 比例变量泵的性能介绍本系统选用公称排量为 160ml/r 的 BCY141B 型电液比例控制变量泵，是利用“流量位移力反馈”的原理设计的，是 CY141B 型轴向柱塞泵中一种新的变量型式，是靠外控油压来控制变量机构，并利用输入比例电磁铁的电流大小来改变泵的流量，输入电流与泵的流量成比例关系。其变量特性曲线及液压原理符号如图 3.2 所示。BCY141B 变量泵的主要性能指标为：滞环 H15%，重复精度 HR3%，非线性度HLI5%，分辨率 H12% ，频响 f3dB1.5MHZ(160、25OBCY 泵)，f3dB3MHZ(25、63BCY 泵)。图 3.2 BCY141B 变量泵变量特性曲线及液压原理符号另外，比例变量泵可在输入电流的作用下，对排量实现比例控制而不受负载的干扰。该泵控制灵活、动作灵敏、重复精度高、稳定性好，能方便地实现液压系统的遥控、自控、无级调速、跟踪反馈同步和计算机控制，适用于工业自动化的要求。3.3.2 PLC 选型及模块介绍一、PLC 的选型PLC 的选择主要从 PLC 的机型、容量、I/O 模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，选择最佳的性能价格比。三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一，在工业中应用的较广泛，因此这里选择了FX2N系列的 FX2N-48MR作为系统的主控单元，几乎所有的编程控制、数据处理及通讯功能均由它来实现。它具有24个输入点和24个输出点，而系统只需16个输入点和9个输出点，因此留有足够的余量，以备将来改进生产工艺扩展用。二、 PLC 模块介绍是 FX 系列中功能最强大、速度最高的微型 PLC。他的基本指令执行时间高NFX2达 0.8 ，内置的用户存储器为 8K 步，可以扩展到 16K 步，最大可扩展到 256 个 I/Os点，有多种特殊功能模块或功能扩展板，可以实现多轴定位控制。机内有实时钟，PID指令用于模拟量闭环控制。有功能很强的数学指令集，例如浮点数运算、开平方和三角函数等。每个 基本单元可以扩展 8 个特殊单元。NFX2（1）PLC 的特点可靠性高，抗干扰能力强： 硬件方面：在输入/输出(I/O)通道采用光电隔离，有效抑制外部干扰源对 PLC 的影响；在设计中采用滤波器等电路增强 PLC 对电噪声、电源波动、振动、电磁波等的干扰，确保 PLC 在高温、高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣工业环境下能稳定地工作；对中央处理器(CPU)等重要部件采用具有良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少电磁干扰。软件方面：PLC 的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延迟，保证在程序出错和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当 CPU、电池、输入/输出接口、通信等出现异常时，PLC 的自诊断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大；停电时，后备电池会正常工作。应用灵活，编程方便：编程的灵活性：PLC 采用与实际电路非常接近的梯形图方式编程，广大电气技术人员非常熟悉，易于掌握，易于推广。扩展的灵活性：它可以根据应用的规模进行容量、功能和应用范围的扩展，甚至可以通过与集散控制系统(DCS)或其他上位机的通信来扩展功能，并与外围设备进行数据的交换。易于安装、调试、维修：在安装时，由于 PLC 的 I/O 接口已经做好，因此可以直接和外围设备相连，而不再需要专用的接口电路，所以硬件安装上的工作量大幅减少。用户程序可以在实验室进行模拟调试，调试完成后再进行生产现场联机调试，使可编程控制器原理与应用控制系统设计及建造的周期大为缩短。PLC 还能够通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O 状态和电源状态等，非常有利于维护人员对系统的工作状态进行监视。如果一旦其中某个模块发生故障，用户可通过更换模块的办法，使系统迅速恢复运行。功能完善，适用性强PLC 发展至今，已形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可用于各种规模的工业控制场合。PLC 除了具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能外，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能，可用于各种数字控制领域。此外，PLC 还具有较完善的自诊断、自测试功能。PLC 还具有强大的网络功能。它所具有的通信联网功能，使相同或不同厂家和类型的 PLC 可进行联网，并与上位机通信构成分布式控制系统。使其不仅能做到远程控制、进行 PLC 内部或与上位机进行通信，还具备专线上网、无线上网等功能。体积小，能耗低PLC 内部电路主要采用微电子技术设计，因此具有体积小、质量轻的特点。这些特点使其很容易装入机械结构内部，组成机电一体化的设备。3.3.3 触摸屏的选择在自动化控制中，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。在施工升降机控制系统中，选择触摸屏为系统的人机交互设备，主要完成信息的输入、显示功能。系统运行时用户输入的信启、主要是选择楼层。触摸屏需要将此信息、通过串口将它们传送给 PLC，PLC 按根据井道装置的各种信号，对比例变量泵、各电磁阀发出合适的控制信号，使施工升降机完成运行任务。同时在其运行过程中要监控工作运行中的状态。该系统引入三菱 F940GOT 触摸屏，一方面提高自动化水平，另一方面有良好的人机界面功能，用于监控 PLC 输入和输出各点以及内部寄存器的状况，同时可以在屏幕上设定控制参数启停机器，还能显示实时数据、工作状态和故障信息以及实现与 PLC通讯等作用。3.4 控制电路设计3.4.1 主回路设计根据系统的控制要求，主电路只要一台三相异步电动机用以驱动变量泵，并且该电动机只需单方向旋转，因此可用一个接触器KM1进行控制。为了限制起动电流，减小其起动是对电源电压的冲击，三相异步电动机采用星形-三角形降压启动方式。采用电磁抱闸断电制动，接触器KM1断电释放时，电磁抱闸线圈YB使闸瓦制动器紧紧地抱住与电动机同轴的制动轮，于是电动机迅速停转；当接触器KM1得电吸也得电合并自锁时，其主触点闭合，电磁抱闸线圈也得电，使抱闸的闸瓦和闸轮分开，电动机启动运转。电动机采用带断相保护的热继电器FR做过载保护：当电动机过载时，热继电器FR常闭触点串接在安全运行电路中；短路保护：短路时，熔断器FU的熔体熔断而切断电路起保护作用；欠电压、失电压保护：当线路出现过载、短路、失压、欠压故障时，具有欠电压保护功能的断路器QF能自动分断故障路线。控制变压器T1、T2起降压、隔离作用。图3.3所示：图3.3 控制系统主回路为了便于对施工升降机的工作原理及 PLC 控制系统进行分析，现列出 30 层 30 站施工升降机的电气元件。见表 3.1。表 3.1 30 层 30 站施工升降机的电气元件表元件符号 名称及作用 元件符号 名称及作用SQ1 安全窗开关 SQ44 超载开关SQ2 安全钳开关 YV1 上行电磁阀线圈SQ3 上限位开关 YV2 下行电磁阀线圈SQ4 下限位开关 SA1 基站开关SQ5 上限位开关 1KR 上平层感应器SQ6 下限位开关 2KR 下平层感应器SQ7 安全防坠器开关 QS 电源开关SQ8 限速器开关 KM1 电动机启动接触器SB1 吊笼内急停开关 KM2 Y 型接触器SQ10 吊笼开门到位开关 KM3 型接触器SQ11 吊笼关门到位开关 1HL 超载指示灯SQ12 围栏门到位开关 2HL 电源指示灯SQ13 断绳开关 3HL 液压故障指示灯SB3 液压接通按钮 SB4 液压断开按钮SQ14 SQ43 1 至 30 层楼层门开关 SB2 操作站急停按钮3.4.2 输入/输出回路设计将施工升降机运行过程中的各种输入信号，送入PLC的输入中构成其输入电路图。完成施工升降机运行的各种执行元件及指示施工升降机运行状态的各种显示，均要受到PLC输出口的控制，构成其输出电路，其输入/输出电路如图2.4所示，I/O分配如表3.2所示，触摸屏分配表如表3.3所示。 AC200V 23 24 图3.4 施工升降机PLC控制IO图表3.2 I/O分配表输入 元件符号 名称及作用 输出 元件符号 名称及作用X0 KA2 安全运行继电器 Y0 YV1 上行电磁阀线圈X1 KA1 门锁继电器 Y1 YV2 下行电磁阀线圈X2 SA1 基站开关 Y2 HL1 电源指示灯X3 SQ10 开门到位开关 Y3 HL2 超载报警指示灯X4 SQ11 关门到位开关 Y4 HL3 液压故障指示X5 SQ3 上限位开关 Y5 KM1 电动机起动主接触器X6 SQ4 下限位开关 Y6 KM2 Y型接触器X7 SQ5 上极位开关 Y7 KM3 型接触器X10 SQ6 下极位开关 Y10 HL4 吊笼开门到位指示X11 1KR 上减速/下平层感应器开关X12 2KR 下减速/上平层感应器开关X13 SQ44 超载开关X14 SB3 液压接通X15 SB4 液压断开X16 QFFR电动机断路器热继电器表3.3 触摸屏分配表元件符号 名称及作用 元件符号 名称及作用M101M110 停层辅助 M95 上行信号M201M210 当前所在层 M96 下行信号M301M310 选层信号 M475/M476 停车信号M401M410 选层记录 M483 制动3.4.3 抱闸电路、门锁电路、安全运行电路设计在施工升降机上、下运行时，抱闸应打开，其线圈应通电。施工升降机停止运行时，抱闸应抱死，其线圈应通电。本系统是电动机控制泵的运转，而 KM1 是控制电动机启停线圈，故可用 KM1 来控制抱闸线圈 YB 的通电与断电。将所有楼层门开关串联在一起，控制门锁继电器 KA1，实现楼层门全部开关关闭正常后施工升降机才能运行的控制。将安全窗开关 SQ1、安全钳开关 SQ2、限速器开关 SQ8、急停开关(SB1、SB2)、上下限位开关(SQ3、SQ4)、上下极限开关(SQ5、SQ6)、安全防坠器开关 SQ7、围栏门关门到位开关 SQ12、断绳开关 SQ13、基站开关 SA1 以及热继电器触点 FR 串联在一起，构成安全回路，控制安全运行继电器 KA2，只有当 KA2 吸合时，才允许 PLC 处于运行状态。这样可以节省 PLC 的输出口，又可以实现在多种紧急情况下的立即停车。图 3.5 为施工升降机的抱闸、门锁及安全运行电路。图 3.5 施工升降机的抱闸、门锁及安全运行电路3.4.4 电液比例控制电路设计由于选用的是 BCY141B 型电液比例变量泵，所以选用 VTPFDC Al10V型比例放大器，各型号字母表示如下：VTPF控制压力流量比例阀及比例变量泵用放大器，带两个线圈；DC供电电源，直流 1836V；A l最大输出额定电流Al=1A；10V信号输入 V=010V；特点：1.适用于控制所有无电位置反馈的直动式和先导式压力流量比例阀及比例变量泵。2.输入信号：模拟量 0 10v&05V/4.720mA 脉冲量 015000HZ。3.放大器提供12V/25mA 电源作外部 4.750K 电位器控制模式。4.斜坡发生器，可对上升与下降时间进行单独调节。5.电源错极保护，内置自恢复保险丝，无须更换，故障排除自动恢复正常工作。6.电液比例阀线圈短路保护。7.内置正负温度补偿电路，温漂减小，输出稳定，使用机械特性较高场合。端子功能：1、V+ =直流电源 1836V2、0V =直流电源 0V3、P+ =压力比例阀线圈(比例阀线圈两者可互换使用，不存在正负极性4、P =压力比例阀线圈(若串接电流表时，则 P+接电流表+，P接电流表)5、F+ =流量比例阀线圈6、F =流量比例阀线圈7、Pin =压力信号输入口(05V/010V/420Am 015000H Z)8、Fin =流量信号输入口(05V/010V/420MA 015000HZ)9、GND=信号输入公共点10、12V=输出+12V/25mA(作为电位器用电源)电位器功能：1、(P)DPMER=颤振频率 (固定 200HZ，可调功能可选 )2、(P)DOWN= 下降斜坡时间(电流值 100%0%的响应时间 0.025s，顺时针旋转响应时间加快)3、(P)UP=下降斜坡时间 (电流值 100%的响应时间 0.025s，顺时针旋转响应时间加快)4、(P)MAX= 最大设定值( 可将最大电流 Imax 设置成所需要的值，顺时针旋转响应时间加快)5、(P)MIN=起始电流值(未难给信号的先导电流 ，顺时针旋转增大偏流)minI电液比例控制电路如图 3.6 所示。该比例放大器的所需供电电压由控制系统主回路25、26 端子输入。输入信号为模拟量 0 10V，由 PLC 的 D/A 模块供给，并且模拟量信号输入电缆必须屏蔽。FX2N2DA 模块通过扩展电缆与 PLC 基本单元相连接，通过PLC 内部总线传送数字量。流量比例阀线圈 F、F 接比例电磁铁，使比例电磁铁带电流，从而驱动比例变量泵。图中 C 可以减小模拟模块输出电压波动或噪声。图 3.6 电液比例控制电路图第 4 章 施工升降机控制系统软件设计4.1 引言本章介绍了 PLC 软件的概述、控制系统软件的设计、控制系统触摸屏操作界面设计和施工升降机变频调速系统的设计。4.2 PLC 软件的概述PLC 的软件主要包括：系统软件、应用软件、编程语言及编程支持工具语言几个部分组成。4.2.1 PLC 软件的工作过程采用三菱公司的 GX Developer 软件对 PLC 进行编程。该软件能实现的功能较多。（1） 制作程序，见图 4.1。图 4.1 制作程序示意图（2）对可编程控制器 CPU 的写入/读出，见图 4.2。图 4.2 可编程控制器 CPU 的写入/读出（3）监视功能（例：软元件同时监视机能）监视功能包括回路监视，软元件同时监视，软元件登录监视机能。（4）调试，见图 4.3。把制作好的可编程控制器程序写入可编程控制器的 CPU 内，测试此程序能否正常运转。此外，使用新开发的 GX Simulator6 能够用电脑单体进行调试。图 4.3 调试示意图（5）PC 诊断。因为会见现在的错误状态或是故障履历表示出来，可以在短时间内恢复作业。此外，由于系统监视（仅 QCPU(Q 模式)）能够知道特殊机能的详细情报，发生错误的时候就能够更快的在短时间内恢复作业。4.2.2 PLC 的应用软件应用软件是指为完成实际的控制任务而编写的各种软件。它与具体的生产工艺紧密相关，随着生产工艺的不同而不同。因次，在应用软件的编写之前编程人员必须深入现场，然后严格按照生产工艺的要求来编制控制程序;此外，应用软件与硬件密不可分，它们共同合作，互相弥补来完成生产工艺所要求的控制功能，在进行 PLC 控制系统的研究时同样要求软、硬件的划分，合理的划分能使系统简单可靠、成本低而且便于维护。总之，一个系统控制效果和性能的好坏不单单取决于硬件或软件而是两者共同作用的结果。4.2.3 编程工具软件与编程语言PLC 有多种编程语言：梯形图、助记符语言、逻辑功能图、布尔代数语言和某些高级语言( 如 BasicC 语言等)。由于梯形图是沿用电气控制电路的符号所组合而成的图形语言，具有易学易用、简单明了、直观的特点被广大的工程技术人员所接受。因次它是现在使用最为广泛的编程语言之一，几乎所有厂家的 PLC 都支持梯形图编程(虽然各厂家的梯形图略有差异但原理和方式都差不多)。由于各厂家的 PLC 在功能、结构上存在较大差别，在应用软件的编译上也大大不相同。因次，没有适合于各个厂家 PLC 的编程工具软件。现在世界上各个 PLC 厂家都研制了自己的 PLC 编程支持工具软件，用户可以根据自己所选的 PLC 来选择相应的编程支持工具软件。此次课题研究选的是三菱系列 PLC，因次在进行应用软件的编制时使用的是该公司的编程软件 GX Developer8.0，该软件支持三种编程语言输入即 :梯形图语言、指令语言、顺序功能图，而且这三种语言还可以通过编译进行相互转换。图 4.4为 GX Developer 编程软件的操作界面，该操作界面大致由下拉菜单、工具条、编程区、工程数据列表、状态条等部分组成。PLC 控制程序的编制在 PC 上进行，由于该软件具有离线调试功能即仿真功能，所以在 PC 调试好后，通过专用数据线把程序传到PLC 内，大大缩短了程序开发和调试周期。图 4.4 Gx Developer：编程软件操作界面4.2.4 PLC 应用软件的设计过程1.了解系统概况，形成整体概念。这步主要工作是通过深入生产现场，了解系统的生产工艺和系统的各种操作以及各操作间的逻辑关系。确定要检测量的控制方法，结合硬件设计的情况确定各控制量性质及存储地址。然后将控制程序按任务划分成小模块，使设计出的程序在结构上清晰、简洁、流程合理。2.画出控制流程图。根据步骤 1 的内容绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。3.制定抗干扰措施。根据现场工作环境、干扰源的性质因素，综合制定系统的硬件和软件抗干扰措施。如硬件上的电源隔离、信号滤波、采用屏蔽信号线等；软件上采用平均值滤波等。4.编写程序。用编程语言将上述的流程图加以实现。5.程序调试。4.3 控制系统软件设计本文的控制系统软件设计主要包括两个主要内容：一是 PLC 控制器的施工升降机控制软件的设计开发；二是触摸屏显示监控软件设计开发。其中 PLC 程序包括信号控制部分和速度控制部分。程序一开始，首先判断系统是否处于安全运行状态，在安全运行状态下才进入施工升降机信号判断和控制的主程序。在主程序中，要判断电机、液压系统是否有故障，根据这些判断刷新相应的输出。具体而言，它要实现的控制功能有：层