大工《可编程控制器》大作业参考题目及要求【内容仅供参考】106

网络教育学院《可编程控制器》大作业题目：三层电梯的PLC控制系统设计

题目四：三层电梯的PLC控制系统设计设计要求：（1）首先对可编程序控制器（PLC）的产生与发展、主要性能指标、分类、特点、功能与应用领域等进行简要介绍；（2）设计选用西门子S7－200系列PLC，控制要求：①电梯内设置楼层呼叫按钮，到达楼层数指示；②电梯外设置上行与下行呼叫按钮，运行方向指示与到达楼层数指示；③没有呼叫信号时，电梯可停留在任一层。附加可选功能：增加变频器实现电动机的速度控制。保护要求：系统需设短路保护、过载保护、失压和欠压保护、电机超速保护。（3）对输入输出继电器及其它编程元件的地址进行分配，画出I/O接线图及三层电梯主电路，列出PLC控制程序（梯形图进行截图，语句表可直接拷贝）并对程序作出解释；（4）总结：需要说明的问题以及设计的心得体会。可编程控制器PLC是英文（ProgrammableLogicController）的简写。（1）.PLC的产生1968年，美国GM(通用汽车)公司提出了取代继电器装置的要求，即十条技术指标，第二年，美国数字设备公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程控制器。随后日本、德国先后研制出自己的可编程控制器。（2）.PLC的发展第一阶段：初级阶段（1969年至20世纪70年代中期）此阶段的PLC主要具有逻辑运算、定时和计算功能，没有形成系列。与继电器控制相比，可靠性有一定提高，CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。第二阶段：扩展阶段（20世纪70年代中期至末期）PLC产品的控制功能得到很大扩展，包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能，这一阶段PLC产品已初步实现了系列化，并具备软件自诊断功能。第三阶段：通信阶段（20世纪70年代末期至20世纪80年代中期）由于大规模集成电路的发展，PLC开始采用8位和16位微处理器，数据处理能力和速度大大提高，PLC开始具有了一定的通信能力，为实现PLC“集中管理，分散控制”奠定了重要基础，软件上开发出了面向过程的梯形图语言及助记符语言，为PLC的普及提供了必要条件，在这一阶段，发达的工业化国家在多种工业控制领域开始应用PLC控制。第四阶段：开放阶段（20世纪80年代中期至至今）通信系统开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益，PLC开始采用标准化软件系统，并完成了编程语言的标准化工作。（3）.PLC的主要性能指标1）.I/O总点数：PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种，开关量I/O用最大I/O点数表示，模拟量I/O则用最大I/O通道数表示。2）.用户程序存储量：用户程序存储器用于存储通过编程器输入的用户程序，其存储量通常是以字（word）或字节（byte）为单位来计算的，16位二进制数为一个字，8位二进制数为一个字节，每1024个字节为1KB。中小PLC的存储容量一般在8KB以下，大型PLC的存储容量有的已达96KB以上。通常一般的逻辑操作指令每条占一个字，数字操作指令占两个字。3）.速度：速度用每1024字节的扫描时间来体现。如20ms/KB,表示扫描1KB的用户程序需要的时间为20ms。（4）.PLC的分类1）.按结构形式分类：a.整体式：整体式PLC是将电源、中央处理器、输入/输出部件等集中配置在一起，具有结构紧凑、体积小、质量小、价格低、I/O点数固定、使用不灵活的特点，小型PLC常采用这种结构。b.模块式：模块式PLC把PLC的各部分以模块形式分开，如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块等，把这些模块插在机架底板上，组装在一个机架内。这种结构配置灵活，装配方便，便于扩展，一般中型和大型PLC常采用这种结构。2）.按输入、输出点数和存储容量分类：a.小型PLC：小型PLC输入、输出点数在256点以下，用户程序存储容量在2K字以下。b.中型PLC：中型PLC输入、输出点数在256~2048点之间，用户程序存储容量在2K~10K字之间。c.大型PLC：大型PLC输入、输出点数在2048点以上，用户程序存储容量在10K字以上。3）.按功能分类：a.低档PLC：低档具有逻辑运算、定时、计数等功能。有的还增设少量的模拟量处理、算术运算、数据传送等功能。b.中档PLC：中档PLC除具有低档机的功能外，还具有较强的模拟量输入、输出、算术运算、数据传送等功能，可完成既有开关量又有模拟量控制的任务。c.高档PLC：高档PLC增设有带符号算术运算及矩阵运算等，是运算能力更强。还具有模拟调节、联网通信、监视、记录和打印等功能，使PLC的功能更多更强。能进行远程控制，构成分布式控制系统，成为整个工厂的自动化网络。（4）.PLC的特点1）.丰富的I/O接口：PLC除了具有计算机的基本部分，如CPU、存储器等以外，还有丰富的I/O接口模块。对不同的工业现场信号（如交流、直流、电压、电流、开关量、模拟量、脉冲等），都有相应的I/O模块与工业现场的器件。另外有些PLC还有通信模块、特殊功能模块等。2）.编程简单、使用方便：PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前PLC大多数采用梯形图语言编程方式，它继承了传统控制线路的清晰直观感，很容易被技术人员所接受，易于编程，程序改变时也易于修改。3）.高可靠性：PLC之所以具有高可靠性是因为它采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，另外还采用了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施。它的平均故障间隔时间为3万~5万小时以上。4）.模拟调试：可编程控制器能对所控功能在实验室内进行模拟调试，缩短现场的调试时间。（5）.PLC的功能1）.A/D、D/A转换：PLC具有“模数”转换（A/D）、“数模”转换（D/A）功能，能完成对模拟量的控制与调节。2）.定时与计数控制：PLC具有定时、计算功能，它为用户提供了若干个定时器、计数器，并设置了定时、计数指令，定时值、计数值可由用户在编程时设定，以满足生产工艺的要求。3）.控制系统监控：现代PLC配置有较强的监控功能，操作人员通过监控命令可以监视有关部分的运行状态，可以调整定时、计数等设定值，便于调试、使用和维护。4）.逻辑控制：PLC具有逻辑运算功能，它设有“与”“或”“非”等逻辑指令，能够进行继电器触点的串联、并联、串并联等各种连接，因此它可以代替继电器进行组合逻辑与顺序逻辑控制。5）.数据处理：PLC具有数据处理能力，能进行数据并行传送、比较和逻辑运算，BCD码的加、减、乘、除等运算，还能进行字“与”、字“或”、字“异或”、求反、逻辑移位、数据检索、比较及数制转换等操作。6）.步进控制：PLC能完成步进控制功能，步进控制是指在完成一道工序以后，在进行下一步工序，也就是顺序控制。7）.通信与联网：现代PLC采用了通信技术，可以进行远程I/O控制，多台PLC之间可以进行连接，还可以与计算机进行通信。由一台计算机和若干台PLC可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂控制。（6）.PLC的应用领域PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。根据使用情况可分为以下几类：1）.开关量逻辑控制：取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2）.工业过程控制：在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。3）.运动控制：PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4）.数据处理：PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。三层双速（快速与慢速）电梯主电路选用S7-200系列中的CPU222作为主机，还增加了一个数字量扩展模块EM223和一个模拟量扩展模块EM225。在这个控制系统中，有19个数字输入量、1个模拟输入量和13个数字输出量。.19个数字量输入地址分配输入地址输入设备输入地址输入设备运行/维修按钮上平层限位器门区限位器楼层1上行按钮下平层限位器楼层2上行按钮楼层2下行按钮开门到位限位器楼层3下行按钮关门到位限位器楼层1上层限位器楼层1选择按钮楼层2上层限位器楼层2选择按钮楼层2下层限位器楼层3选择按钮楼层3下层限位器开门按钮关门按钮13个数字输出量地址分配输出地址输出设备输出地址输出设备上行继电器上行指示灯下行继电器下行指示灯快速运行继电器慢速运行继电器厢体开门厢体关门楼层1指示灯楼层2指示灯抱闸停止楼层3指示灯超重报警1个模拟量输入地址分配输入地址输入设备AIW0压力传感器PLC控制硬件I/O接线图编程元件设置表元件意义内容备注维修状态标志on有效正常运行标志on有效上行运行标志on有效下行运行标志on有效开门完成标志on有效关门完成标志on有效楼层到达标志on有效快速运行标志on有效慢速运行标志on有效抱闸停车标志on有效开门启动标志on有效关门启动标志on有效速度切换标志on有效超重报警标志on有效上行复位楼层1寄存器on有效上行复位楼层2寄存器on有效下行复位楼层3寄存器on有效下行复位楼层2寄存器on有效VB0电梯现在所在楼层寄存器VB1厢内楼层1寄存器VB2厢内楼层2寄存器VB3厢内楼层3寄存器VB4楼层1上行寄存器VB5楼层2上行寄存器VB6楼层2下行寄存器VB7楼层3下行寄存器元件意义内容备注VB10目标楼层寄存器VW100传感器返回值VW102重量标准值T37关门延时定时器202sT38开门延时定时器101s三层双速（快速与慢速）电梯梯形图程序.电梯运行状态选择程序在此系统中，主要有两种运行状态，即维修状态和运行状态。当在维修状态时，运行/维修按钮断开，则维修状态标志中间继电器闭合，无论电梯处于什么位置，都将忽略用户的其他指令，将电梯直接运行到底层，如果电梯就在底层，则厢门上的限位器传送信号到PLC中，表示电梯已到达目标位置，延迟一段时间后，厢门开启进行维修工作。当在运行状态时，可根据电梯内外及各个楼层之间的用户指令，以及电梯现在所处的位置，自动判断电梯的运行方向，根据PLC接收的其他外部设备的控制信号，自动完成速度切换，完成用户的控制要求运行至指定的楼层。楼层指令输入程序在正常运行状态时，接收每个楼层的上行/下行指令和厢内控制按钮的指令。在此程序中，先将收到的楼层指令存储到对应的寄存器中，然后电梯以此为目标在楼层之间运行，如果在运行过程中，有其他楼层的按钮被按下，则经过PLC的运算，按照输入的指令停止在指定的楼层上。电梯上下行运动判断程序在此程序中，如果电梯处于底层或顶层，则运行只有一个方向，上行或下行。如果停留在中间楼层，就需要通过PLC的运算将电梯现在所处的楼层和输入指令的楼层进行比较，然后输出上行或下行指令。当电梯处于空闲状态时，无论是厢内还是厢外的控制按钮被按下后，所对应的楼层寄存器都和电梯所在的楼层的寄存器进行比较，如果大于电梯所在楼层则上行，反之则下行。同时，在运行过程中，不断比较目标楼层与电梯目前所处楼层，用来确定电梯的上行和下行工作状态。最近上行目标楼层确定程序当电梯已经接收到目标楼层指令，且正在向上开始移动，还没达到目标楼层之前。例如，正在1层开始运动，有人在2层按下聊上行按钮，则电梯的最近上行目标楼层应立刻更新为2，而如果此时1层按下上行按钮，则不会影响电梯上行的运动状态。在此段程序中，PLC在每个扫描周期都检测厢内和每个楼层的按钮状态，若有按钮被按下，且所在楼层高于之前的目标楼层数，则更改目标楼层数。上行运行程序在确定了最近的目标楼层后，由PLC输出的指令控制电梯向上运动，接近目标楼层后，通过目标楼层的下层限位器输入的信号，输入PLC中，在调用速度切换程序。最近下行目标楼层确定程序当电梯已经接收到目标楼层指令，且正在向下开始移动，还没达到目标楼层之前。如正在从3层开始运动，有人在2层按下聊下行按钮，则电梯的最近下行目标楼层应立刻更新为2，而如果此时3层按下下行按钮，则不会影响电梯下行的运动状态。在此段程序中，PLC在每个扫描周期都检测厢内和每个楼层的按钮状态，若有按钮被按下，且所在楼层低于之前的目标楼层数，则更改目标楼层数。下行运行程序在确定了最近的目标楼层后，由PLC输出的指令控制电梯向下运动，接近目标楼层后，通过目标楼层的上层限位器输入的信号，输入PLC中，在调用速度切换程序。开关门程序在电梯运行时，即使按下开门按钮，电梯门也不会打开。同样，如果电梯门没有完全关闭，电梯是不会进行上下运动的，以此来保证乘客的安全。在开关门程序中，当电梯门处于正在开门的状态时，必须等厢门完全打开后，才能执行关门程序，只有在闭合后，手动关门才能开始操作。反过来，当电门处于正在关门的状态时，可通过手动开门按钮断开关门自锁继电器,然后通过开门自锁继电器,将关门状态转化为开门状态。换速程序为了保证电梯运行的快速稳定，而且能够提供给乘客一个舒适的乘坐环境，该控制系统采用双速运行方式。在电梯启动阶段，速度较低，增加到快速运行阶段，既能较快地打达目标楼层，又不会产生较强烈的不舒适感。门定位程序在该程序中