毕业设计(论文)四层楼电梯PLC控制系统设计.doc
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1、第一章 概述(一)可编程控制器的产生与定义1.可编程控制器的产生20实际20年代出现了将接触器、各种继电器、定时器、其他电器及其触头按一定逻辑关系连接的继电器控制系统,其结构简单、便宜、便于掌握,在一定范围内能满足控制要求,在工业中一直占有主导地位。但也存在着设备体积大、同做速度慢、功能少而固定、可靠性差、难于实现复杂的控制的缺点。特别是由于它是靠硬件连线逻辑构成的关系,接线复杂,当生产工艺改变时,原有的接线和控制盘就要更换,缺乏通用性和灵活性。20世纪60年代,由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的需要,人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求,但由于价格高,输入、输出电路不匹配和编
2、程技术复杂等原因,一直饿日能得到推广应用。20世纪60年代末,美国汽车制造业竞争激烈,各种生产厂家的汽车型号不断更新,它必然要求加工的生产线随之改变,整个控制系统需要重新配置。为了适应生产工艺不断更新的需要,寻找一种比继电器更可靠,功能更齐全,响应速度更快的新型工业控制器势在必行。1968年美国最大的汽车制造商美国通用汽车公司(GM)公开招标,并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件,引起了开发的热潮。这十大条件中比较主要的是:编程方便,可现场修改程序;维修方便,采用插件是式结构;可靠性高于继电器控制装置;体积小于继电器控制盘;数据可直接送入管理计算机;成本可与继电器控制盘竞争;扩展时原
3、系统改变最少。这些要求实际上提出了将继电器的简单易懂、使用方便、价格低的优点,与计算机的功能完善、通用性、灵活性好的优点结合起来,将继电器控制的硬件连线逻辑变为计算机的软件逻辑编程的设想,采用程序修改方式改变控制功能,这是从接线逻辑向存储逻辑进步的主要标志,是接线程序控制存储程序控制的转变。1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出了第一台可编程控制器PDP_14,并在GM公司汽车生产线上试用成功,并取得了满意的效果可编程控制器由此诞生。所以可编程控制器是生产力发展的必然产物。2.可编程控制器的定义可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员,是为工业控
4、制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称为PLC。可编程控制器在不断地发展,1982年国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中又作了如下定义:可编程控制器是一种数字运算的电子系统,专为在工业环境下应用而设计,它采用了一类可编程序的存储器,用于其内部存储程序,
5、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令,并通过数字式和模拟式输入输出控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。(二)可编程控制器的特点1.抗干扰能力强,可靠性高继电器控制系统虽然有较好的抗干扰能力,但使用了大量的机械触点,使设备连线复杂,由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在在开闭时受电弧的三还大大降低了系统的 可靠性。而PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成,大部分继电器和繁杂的连线被软件程序所取代,故寿命长,可靠性大大提高。微机虽然具有很强的功能,但抗干扰能力差,工业现场的电磁干扰,电源波动,机械振动,温度和湿度的变化,都可能使一般通
6、用微机不能正常工作。而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产控制经验,主要模块均采用了大规模与超大规模集成电路,I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路;在结构上对耐热、防潮、防尘、 都有精确的考虑;在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力,目前各生产厂家生产的PLC,平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时,甚至达到了几十万小时。2.控制系统结构简单、通用性强、应用灵活PLC产品均成系列化生产,品种齐全,外围模块品种也多,可由各种组件灵活组成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC的构成系统中,只需要在PLC的端子上接入相应的输入、输出信号线即可。当控制要求改变
7、,需要变更控制系统功能时,可以用编程器在线或离线修改程序,修改接线的工作量是很小的。同一个PLC装置用于不同控制对象,只是输入、输出组件和应用软件不同而已。3.编程方便,易于使用PLC是面向用户的设备,PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯,PLC程序的编制,采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似,直观易懂,容易掌握,不需要专门的计算机知识和语言,深受现场电气技术人员的欢迎,近年来又发展了面向对象的顺空谈流程图语言,也称功能图,使编程更加简单方便。 4.功能完善,扩展能力强PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软元件,可轻松地实现大规模的开关量
8、控制,这是一般的继电器控制所不能实现的。PLC内部具有许多控制功能,能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算,实现过程控制、数字控制等功能。PLC具有通信联网功能,它不仅可以控制一台单片机,一条生产线,还可以控制一个机群,许多条生产线。它不但可以进行现场控制,还可以由于远程控制。5 .PLC控制系统设计、安装、调试方便PLC中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”。数量巨大,硬软件齐全,且为模块化积木式结构,并已经商品化,故可按性能容量(输入、输出点数、内存大小)等选用组装。又由于用软件编程取代了硬件接线西县控制功能,使安装接线工作量大大减小,设计人员只要有一台PLC
9、就可进行控制系统的设计并可在实验室进行模拟调试。6维修方便,维修工作量小PLC具有完善的自诊断,履历情报存储及监视功能。对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过他可以查出故障原因,便于迅速处理,及时排除。7体积小、重量轻、是“机电一体化”特有的产品由于PLC是专为工业控制而设计的专用计算机,其结构紧密、坚固、体积小巧,并由于具备很强的抗干扰能力,使之易于装入机械设备内部,因而成为实现“机电一体化”较理想这控制设备。(三) 可编程控制器的组成与工作原理1. 可编程控制器的组成可编程控制器主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)输入输出单元(I/O
10、)、电源和编程器等几部分组成,其结构框图如图1-1所示。编辑器用户程序存储器系统程序存储器中央处理单元输入单元输出单元电源 图1-1 PLC的结构框图2. 可编程控制器的工作原理PLC才用循环扫描的工作方式,其扫描过程如图1-2所示。 这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需要的时间称为一个扫描周期。内部处理阶段,PLC检查CPU模块的硬件是否正常,复位监视定时器等。在通信操作服务阶段,PLC处于停状态,只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时,从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出,一直循环扫描工作。(1)
11、输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段,顺序读入所有输入端子的通断状态,并将读入的信息存入内存中所对应的映象存储器。在此输入映象寄存器被刷新,接着进入程序执行阶段。在程序执行时,输入映象寄存器与外界隔离,即使输入信号发生变化,其映象寄存器的内容也不会发生变化,只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。(2)程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则,按先左后右先上后下的步序,逐句扫描,执行程序,但遇到程序跳转指令,则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时,PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态,从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态
12、,根据用户程序进行逻辑运算,运算结果再存入有关器件寄存器中,对每个器件而言,器件映象寄存器中所寄存的内容,会随着程序执行过程而变化。(3)输出处理程序执行完毕后,将输出映象寄存器,即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态,在输出处理阶段转存到输出锁存器,通过隔离电路,驱动功率放大电路,是输出端子向外界输出控制信号,驱动外部负载。循环扫描的工作方式是PLC的一大特点,也可以说PLC是“串行”工作的,这和传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别,PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。内部处理通信操作输入处理程序执行输出处理停止运行 图1-2 扫描过程(四)可编程控制器的应
13、用PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使得其应用受到限制。但最近几年来,PLC的应用面越来越扩大,其主要原因是:一方面由于微处理机芯片及时性有关元件的价格大大下降,由此PLC的成本下降;另一方面PLC的功能大大增强,它也能解决复杂的计算和通信问题,PLC的应用面也日益增大。目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、娱乐等各行各业。PLC的应用范围通常可分成五种类型:1、顺序控制这是今日PLC最广泛应用的领域,它取代传统的继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制。2、运动控制PLC制造商目前已提供了拖
14、动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下,PLC把描述目标位置的数据送给模块,模件移动一轴或数轴到目标位置。当每个轴移动时,位置控制模块保持适当的速度和加速度,确保运动平滑。3、闭环过程控制PLC能控制大量的物理参数,例:温度、压力、速度和流量。PID(Proportional Integral Derivative)模块的提供使PC具有了闭环控制的功能,即一个具有PID控制能力的PC可用于过程控制。当由于控制过程中某个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。4、数据处理在机械加工中,出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制设备紧密结合的趋
15、向。5、通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化系统发展的需要,首先,必须发展PLC之间、PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统,PLC数据通信速率要求高,而且要考虑出现停电、故障时的对策等。(五)电梯的发展状况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。一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。更新换代生产更新型的电梯,电梯主要分为机械系统与控制系统两大部份,随着自动控制理论与微电子技术的发展,电梯的拖动方式与控制手段均发生了很大的变化,交流调速是当前电梯拖动的主要发展方向。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
16、)、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。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
17、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。第二章 总体设计(一)设计目的1.根据实际控制要求,掌握应用PLC解决实际问题的能力。2.用PLC构成一个四层电梯自动控制系统,熟悉电梯自动运行过程。3.进一步熟悉PLC的I/O点数并掌握PLC的编程。(二)设计方案与技术指标1.设计方案(1)电梯的上升,下降由一台电动机控制:正转时电梯上升,反转时电梯下降。 (2)电梯的开门和关门由一
18、台电动机控制:正转时电梯开门,反转时电梯关门。(3)各层两个呼叫开关(一个上升开关,一个下降开关),由于本设计是四层电梯,因此,在四楼只需设一个呼叫开关,一楼只需设一个上升开关。各层设一个到位行程开关。(4)轿厢内设置一个开门按钮和一个关门按扭 。 2.主要技术指标(1)每个楼层都有一个到位指示灯,到达每个楼层对应的指示灯亮。(2)电梯在上升和下降的过程由一台电动极控制,电动极正转,电梯上升;电动极反转,电梯下降。(3)开门关门的过程由另外一台电动极控制,电动极正转,电梯开门;电动极反转,电梯关门。3.系统设计(1)熟悉控制对象确定控制范围首先要全面详细地了解被控制对象的特点和生产工艺过程,归
19、纳出工作循环图或状态流程图,与继电器控制系统和工业控制计算机进行比较后加以选择。如果控制对象是工业环境较差,而安全性、可靠性要求又特别高、系统工业又复杂、输入输出点数多,则用常规继电器系统难以实现。工艺流程又要经常变动的机械和现场,用PLC进行控制是合适的。(2)制定控制方案,进行PLC选型根据生产工艺和机械运动的控制要求,确定电控系统的工作方式是手动、半自动还是全自动;是单机运行还是多机联线运行等。(3)硬件和软件设计PLC选型和I/O配置是硬件设计的重要内容。设计出合理的PLC外部接线图也很重要。对PLC的输入、输出进行合理的地址编号,会给PLC系统的硬件设计、软件设计和系统调整带来很多方
20、便。输入输出地址编号确定后,硬件设计和软件设计工作可平行进行。(4)模拟调试将设计好的程序键入PLC后应仔细检查与验证,改正程序设计语法错误。之后在实验室里进行用户程序的模拟运行和程序调试,观察各输入量、输出量之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求,发现问题及时修改,直到满足工艺流程和状态流程图的要求。(5)现场运行调试模拟调试好的程序传送到现场使用的PLC存储器中,接入PLC的实际输入接线和负载。进行现场调试的前提是PLC的外部接线一定要准确无误。反复现场调试,发现问题现场解决。如果系统调试达不到指标要求,则可对硬件和软件作市调整,通常只需修改用户程序即可达到调整目的。现场调试后,一般将程
21、序固化在有长久记忆功能的可擦可编程只读存储器(DPROM)卡盒中长期保持。第三章 硬件设计(一)装置结构与工艺要求本系统采用轿厢外召唤、轿厢内按钮控制方式的形式。电梯的上升和下降由一台电动机驱动。电动机正转,电梯上升;电动机反转,电梯下降。电梯轿厢门由另外一台电动机驱动。该电动机正转,电梯开门;电动机反转,电梯关门。每个楼层都置呼叫开关,具体要求如下:1电梯在一层时,三层有呼叫请求,则电梯上升到三层。2电梯在一层时,二层有呼叫请求,则电梯上升到二层3电梯在一层时,一层有呼叫请求,则电梯不动,呼叫无效。4电梯在一层时,二层三层同时都有呼叫请求,则电梯先上升到二层,再继续上升到三层。5电梯在二层时
22、,三层有呼叫请求,则电梯上升到三层。6电梯在二层时,二层有呼叫请求,则电梯不动,呼叫无效。7.电梯在二层时,一层有呼叫请求,则电梯下降到一层。8电梯在二层时,三层先有呼叫请求,然后一层也有呼叫请求,则电梯上升到三层。9电梯在三层时,二层有呼叫请求,则电梯下降到二层。10电梯在三层时,一层有呼叫请求,则电梯下降到一层。11电梯在三层时,三层有呼叫请求,则电梯不动,呼叫无效。12电梯在三层时,二层一层同时都有呼叫请求,则电梯先下降到二层,再继续下降到一层。13电梯在四层时,一层有呼叫请求,则电梯下降到一层。14.电梯在四层时,二层有呼叫请求,则电梯下降到二层。15.电梯在四层时,三层有呼叫请求,则
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