毕业设计（论文）五层电梯PLC控制系统的设计1.doc

五层电梯PLC控制系统的设计摘要：随着经济的发展，现代城市中的高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活比不可少的代步工具。而电梯性能的好坏，除了电机等硬件以外，电梯控制系统是其核心因素。PLC因其简单易用、可靠性高、维修养护方便和抗感扰能力强等优点，在电梯控制领域应用极为广泛。本文以三菱FX2N系列PLC为例，以五层电梯为设计对象，PLC软件设计，PLC软件的调试仿真，阐述了PLC在电梯控制系统中中的应用，形成了以PLC为控制系统的完整的电梯模型，使电梯在更精确、更可靠、更快速的控制平台上运行。关键词：电梯，三菱FX2N，PLC,仿真毕业设计说明书目录 前言 3第1章 绪论 4 1.1 研究本课题的意义及目的 4 1.2 本设计的安排 4第2章 系统方案 5 3.1系统方案控制要求 5 3.2系统方案框图 5第3章 硬件的设计 6 3.1 PLC的选型 6 3.2 PLC的特点 7 3.3 主电路设计 7 3.4 PLC的软元件分配表 3.5 PLC外部接线图 8第4章 软件的设计 10 4.1 PLC的程序设计语言 10 4.2 系统梯形图的设计 12第5章 PLC的仿真软件与调试运行 19 5.1 仿真软件的介绍 19 5.2 软件中梯形图程序的编写 19 5.3 软件的调试方法 21 5.4 梯形图程序的仿真 22 致谢 26 前言随着科学技术的发展、近年来，我国的电梯生产技术得到了迅速发展。目前电梯控制系统主要有三种控制方式：继电路控制系统(“早期安装的电梯多位继电器控制系统)、PLC控制系统、微机控制系统。继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。而PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造目前国内七八十年代安装的许多电梯电气部分用继电器接触器控制系统，线路复杂，接线多，故障率高，维修保养难，许多已处于闲置状态，其拽引系统多采用交流双速电机系统换速，效率低，调速性能指标较差，严重影响电梯运行质量。由于这些电梯交流调压调速系统，交流双速电机拖动系统性能及乘坐舒适感较差，交流调压调速系统属能耗型调速的机械部分无大问题，为节约资金，大部分老式电梯用户希望对电梯的电气控制系统进行改造，提高电梯的运行性能。因此对电梯控制技术进行研究，寻找适合我国老式电梯的改造方法具有十分重要的意义电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的工作和生活日益紧密联系。PLC作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，从而使电梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和技术改造的热点之一。自80年代后期PLC引入我国电梯行业以来，由PLC组成的电梯控制系统被许多电梯制造厂家普遍采用。并形成了一系列的定型产品。在传统继电器系统的改造工程中，PLC系统一直是主流控制系统。第1章 绪论1.1研究本课题的意义及目的作为一名自动化专业即将毕业的学生，做毕业设计是十分有意义的，对于选择这个课题也是十分有意义的。在学校期间我们大多数接触的是专业基础课及专业课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去？我想这次的毕业设计就为我们提供了良好的实践平台。在这次的毕业设计中，运用到了以前所学的专业课知识以及一些实践性很强的软件和工具，如GX、CAD等虽然在过去的学习中曾独立地学习了它们中的一部分但在本次的毕业设计中要将所学的知识汇聚到了一起，并加入了一定的其它知识让我自己动手完成一项PLC任务是很有意义的。而且在学习的过程中带着问题去学我发现效率蛮高的，利用软件调试去发现问题并解决问题也让我可以让我学到许多东西。通过五层电梯PLC控制系统的设计，加深对PLC的更深层的理解，熟悉PLC的内部硬件资源，掌握PLC的编程方法及技巧。灵活运用PLC的基础知识，能够完成硬件设计，再到软件编程及系统调试仿真，完成毕业设计，加深对PLC的理解。1.2 本设计的安排本文的第1章前言主要阐述了电梯PLC控制系统的发展，第2章主要讲述了本设计的意义及目的，第3章主要是确定本设计的总体方案，第4章主要是硬件的设计，第5章主要是软件的设计，第6章主要是系统调试和利用PLC软件进行仿真。第2章 系统方案2.1 系统方案控制要求 3.1.1 电梯轿厢的控制要求：（1）选向：根据电梯各层内选外呼信号的先后和停止时轿厢所在在的楼层位置决定电梯的运行方向。（2）选层：指电梯能够根据轿内所选层而决定运行方向，而且遵守或一直向上或一直向下的原则。（3）楼层位置的指示：选用七段数码管显示的方法。 3.1.2 电梯门的控制要求： 要求当电梯平层的时候，电梯门自动打开，经过5秒钟后电梯门自动关上。如果遇到有人在门中间的情况，电梯门自动打开。2.2 系统方案框图因为本设计是PLC控制系统，所其输入端的输入信号是由按钮来提供的，其输出端是来控制电梯开门和楼层显示的，所以其系统方案框图见21所示。输入模块第3章 硬件的设计3.1 PLC的选型考虑到本次设计的电梯系统有五层，且开关量居多，模拟量较少；对于开关量控制为主的系统而言，一般PLC的响应速度足以满足控制的要求，在小型PLC中整体式比模块式的体积小，综合考虑后，系统选择了日本三菱公司生产的FX2N系列的PLC。FX2N系列PLC具有以下几方面的优点：1、 FX2N配置灵活，除主机单元外，还可扩展I/O模块，A/D模块，D、A模块和其它特殊功能模块。2、 FX2N指令功能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。3、 FX2N可用内部辅助继电器M,状态继电器S，定时继电器T，寄存器D，计数器C的功能和数据满足了系统控制要求的需要。4、 FX2N的编程可用编程器，也可以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSE MEDOC来进行。编程语言可用梯形图或指令表。尤其是可用PC机对系统实时进行监控。为调试和维护提供了极大的方便。经过分析，本五层电梯控制系统中共需要24个输入量、24个输出量，因此选择三菱FX2N系列的FX2N48MR型PLC。PLC参数见表41和图41所示。表41 PLC参数PLC型号输入电源输出类型输入点数输出点数FX2N48MRAC电源DC24V继电器输出2424 图41 PLC外观4.2 PLC的特点PLC的主要特点如下：1、 抗干扰能力强、可靠性高在工业现场存在着电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化等因素，这些因素都影响着计算机的正常工作。而PLC从硬件和软件两个方面都采取了一系列的抗干扰措施。在硬件方面，PLC采用大规模和超大规模的集成电路，采用了隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施，并采取了耐热、防潮、防尘、抗震等措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。以上这些措施使PLC具有了很强的抗干扰能力和很高的可靠性。2、 控制系统结构简单、使用方便在PLC控制系统中，只需在PLC的输入/输出端子上接入相应的信号线即可，不需要选接继电器之类的低压电器和大量复杂的硬件接线电图，大大简化了控制系统的结构。PLC体积小、质量轻，安装与维护极为方便。另外，PLC的编程大多采用类似于继电器的控制线路的梯形图形式，这种编程语言形象直观、容易掌握，编程非常方便。3、 功能强大、通用性好PLC内部有成百上千个可供用户使用的编程元件，具有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。另外，PLC的产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户使用，用户灵活方便的进行系统配置，组成不同功能、不同规模的控制系统。4.3 主电路设计主电路接线图（见图42）中有两个电机，一个为曳引机的牵引电机，为交流异步电机；另一个为开关门电机，为直流电机。KM1与KM2的切换，可以实现异步电机的正反转，即控制电梯的上下行。当KM3闭合时，定子绕组接成三角形接法，电梯低速运行；当KM4闭合时，定子绕组接成双星形接法，电梯高速运行。KM6与KM7的切换，可以实现直流电机的正反转，即控制电梯的开关门。图42 主电路电气原理图4.4 PLC的外部接线图PLC外部接线图见图43所示。图43 PLC外部接线图第5章 软件的设计5.1 PLC的程序设计语言在PLC中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、功能表语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在PLC中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左边，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。 梯形图程序设计语言的特点：1、它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线；2、梯形图中的接点（触点）只有常开、常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态；3、梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。内部继电器、寄存器、计数器等都不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。 4、PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中，所以输出点的值可以当条件使用。5.2 PLC的软元件分配FX2N48MR型号的PLC软元件分配表见表51所示。表51 PLC软元件分配表软元件功能1楼2楼3楼4楼5楼输入X继电器上呼按钮手动按钮X0（上行）X1（下行）X2（低速）X3（点动）下呼按钮X4（停止）X5X6X7内选层按钮X10X11X12X13X14限位开关X21X22X23X24X25其他X15开门X16关门X17手动X20司机X26开门限位X27关门限位Y输出继电器上呼信号灯Y0Y1Y2Y3下呼信号灯Y4Y5Y6Y7内选信号灯Y10Y11Y12Y13Y14电动机控制Y15开门Y16关门Y17上行Y20下行Y21低速数码管笔画Y22b笔画Y23c笔画Y24d、a笔画Y25e笔画Y26f笔画Y27g笔画M辅助继电器上呼信号M0M1M2M3下呼信号M4M5M6M7内选信号M10M11M12M13M14上或内选信号M20M21M22M23下或内选信号M41M42M43M44上或下或内选信号M31M32M33M34M35当前层记忆M51M52M53M54M55其他M100上行辨别M101下行辨别M102停止信号T定时器其他T0延时关门T1低速时间T24S震荡T34S震荡5.3 系统梯形图的设计 5.3.1 门厅上行呼叫信号 门厅上行呼叫信号的用途：乘客在14楼层时，用按钮发出上行的信号以便电梯运行到乘客所在的楼层，控制梯形程序如图51所示。图51 门厅上行呼叫信号梯形图X0X3输入继电器表示14楼的上行按钮，Y0Y3分别控制14楼上行信号灯，表示对应的按钮发出的命令，与同一楼层的上行按钮和上行信号灯装在一起，采用带灯按钮，当按钮按下时，按钮中的灯发光显示上行标志。当1楼的乘客按下上行按钮X0时，Y0得电自锁，1楼上行信号亮，当电梯下降到1楼时，1楼限位开关X21动作，其上信号灯Y0灭。2、3、4楼的上行呼叫信号控制原理与1楼原理基本相同的。5楼是顶层，没有上行呼叫信号。门厅下行呼叫信号与门厅上行呼叫信号原理基本相似。只有1楼没有下行呼叫信号。 5.3.2 轿厢内选层信号灯的控制轿厢内选层信号梯形图如图52所示。图52 轿厢内选层信号梯形图当轿厢内乘客按下某层按钮时，对应的选层信号灯亮。当轿厢内乘客要到4楼时，按下4楼选层按钮X13时，M13得电自锁，则按钮中的信号灯亮显示“4”，电梯到达4楼后，4楼限位开关X24动作，消除信号，4楼选层信号灯灭。 5.3.3 楼层呼叫选层综合信号 在电梯控制中，电梯的运行是根据门厅的上下行按钮呼叫信号和轿厢内选层按钮呼叫信号来控制的。为了是上下行辨别控制梯形图清晰简练，将每一层的门厅的上下行呼叫信号和轿厢内选层呼叫信号用一个辅助继电器来表示，如图53所示。图53 楼层呼叫选层综合信号梯形图 5.3.4 开门控制电梯只有在停止的时候Y17=0，Y20=0时，才能开门。 开门有4中情况： （1）当电梯行驶到某楼层停止时，电梯由高速转为低速运行T1时间时，T1接点闭合，Y15得电并自锁开门。门打开时碰到门开限位开关X26，Y15失电。开门结束。（2）在轿厢内，按下开门按钮X15时，开门。（3）在关门过程中，若有人被门夹住，此时与开门按钮并联的限位开关X15动作，断开开关门线圈Y16，接通开关门线圈Y15，将门打开。（4）轿厢停在某一层时，在门厅外按下上呼或下呼按钮，开门。而其它楼层按按钮不开门。开门控制梯形图如图54所示。图54 开门控制梯形图 5.3.5 楼层显示1、 轿厢不运行时，七段数码管要显示所在楼层；2、 轿厢运行时，电梯在两层之间运行时要正确显示所在楼层。楼层显示用七段数码管显示，七段数码管显示图解如图55所示。图55 七段数码管其中1到5楼显示分别是：bc段、abdeg段、abcdg段、bcfg段和acdfg段。楼层确定由M51、M52、M53、M54和M55登记与保持。其中七段数码管的输出分别为：ad段是Y24；b段是Y22；c段是Y23；e段是Y25；f段是Y26；g段是Y27。+表示或的关系，通过元件的并联实现；代表与的关系，通过元件的串联实现。M51到M55和七段数码管的逻辑关系是： a段 b段 c段 d段 e段 f段 g段 楼层的登记与消除部分的梯形图如图56所示。图56 楼层的登记与消除部分的梯形图楼层显示的梯形图如图57所示。图57 楼层显示的梯形图5.3.6 系统的总梯形图见附录。 第6章 PLC的仿真软件与调试运行6.1 仿真软件的介绍GX Developer是三菱PLC的编程软件。适用于Q、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。三菱全系列PLC仿真软件GX Simulator：首先，仿真软件的功能就是将编写好的程序在电脑中虚拟运行，如果没有编好的程序，是无法进行仿真的。所以，在安装仿真软件GX Simulator之前，必须先安装编程软件GX Developer，并且版本要互相兼容。其次，安装好编程软件和仿真软件后，在桌面或者开始菜单中并没有仿真软件的图标。因为仿真软件被集成编程软件GX Developer中了，其实这个仿真软件相当于编程软件的一个插件。6.2 软件中梯形图程序的编写GX Developer使用方便，使用时只需将软件程序安装到电脑中，运行程序就可以进行梯形图的编写。具体方法：点击工程，选中创建新工程，就会出现图61所示界面。图61 创建新工程界面所有设置如图61所示：PLC系列选FXCPU，PLC类型选FX2N(C)，程序类型选梯形图。选择完成后，点击确定，新工程创建完毕。新工程创建好后，就可以进行梯形图的编写。图62是工具栏中梯形图输入按钮。选取所需创建的软元件类型，或接线的类型，即可进行梯形图的编写。图62 软元件输入工具栏图63是梯形图的编写界面，编写区域的颜色为灰色，代表变换前的程序。图63 梯形图编写界面输入触点、输出和继电器的触点与输出的编写方法基本类似。在要编写的位置双击鼠标左键，或者点击工具栏中相应按钮，就会得到如图64所示界面，选择相应的类型，输入名称即可。图64 梯形图输入浮动窗特殊地，对有内部参数的软元件编写。同样，选好类型后，输入名称，然后空格，最后输入软元件参数即可。以定时器的定时时长为5s，则输入方法如图65所示。图65 定时器的输入6.3 软件的调试方法梯形图程序编写完成后，即可进行软件的调试。调试前首先要进行梯形图的变换，点击任务栏中的变换，在下拉菜单中选中变换，或者点击工具栏按钮中的 ，即可实现梯形图的变换。变换后的梯形图编辑区域由灰色变成白色如图66。图66 梯形图变换后界面梯形图变换后，若要修改变换过的梯形图，只需在要修改的地方鼠标双击即可，此时修改区域的颜色又变回灰色，待修改完后，则需再进行一次梯形图变换。程序运行过程中有多种模式，梯形图的编写和修改都是在写入模式下进行的。有时会遇到无法写入的情况，原因就是没选择写入模式。各种模式的转换可以通过工具栏中的编辑下拉菜单内的选择完成，也可通过快捷按钮单击完成。梯形图变换完成后要进行程序检查，点击工具下拉菜单下的程序检查，或者点击按钮 便可实现。图67为程序检查浮动窗口。图67 程序检查浮动窗口6.4 梯形图程序的仿真程序调试结束后要进行程序的仿真。选中工具下拉菜单下的梯形图逻辑功能测试，或者点击 ，即可进行梯形图的仿真。图67为PLC写入过程。图67 PLC写入过程图68为仿真控制窗口，可控制仿真的停止与运行等。图68为仿真控制窗口选中仿真控制窗口工具栏的菜单启动下拉菜单的继电器内存监视，则出现了DEVICE MEMORY MONITOR浮动窗口，在此窗口中的软元件X、Y和M，就会出现仿真浮动窗口。如图69所示。图69 仿真结果显示窗口根据程序的要求，分别给予相应的输入信号，观察是否有预期的输出，如运行合理，则按步骤仿真，直到结束；若不满足要求，返回到梯形图编写窗口检查错误，进行修改，直至程序运行合理。致谢首先，我要感谢我的指导老师芮老师在毕业设计中对我给予的悉心指导和严格要求，同时也感谢其他一些老师在毕业设计期间所给予我得帮助。在我毕业论文写作期间，各位老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀，没有您们这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业设计，借此机会，向您们表示由衷的感激。 接着，我要感谢我的同学。在毕业设计的短短两个月里，你们给我提出很多宝贵的意见，给了我不少帮助还有工作上的支持，在此也真诚的谢谢你们。同时，我还要感谢我的寝室同学和身边的朋友，正是在这样一个团结友爱，相互促进的环境中，在和他们的相互帮助和启发中，才有我今天的小小收获。