2022年毕业设计方案四层电梯的PLC控制设计方案 .pdf
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1、毕业设计题目四层电梯的 PLC 控制设计系别专业班级姓名学号指 导 教 师日期精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 32 页I / 32 设计任务书设计题目:四层电梯的 PLC控制设计设计要求 : 电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行操纵,其操纵内容为电梯运行方向。电梯轿厢内设有楼层内选按钮,外面有外选层按钮,用以选择需停靠的楼层。电梯在上升途中只响应上升呼叫,下降途中只响应下降呼叫。任何反方向的呼叫均无效。当电梯轿内或门厅呼叫按钮按下时,根据监测到的上行或下行指令给出相应的信号,从而控制电梯的驱动电机进行相应的动
2、作。当有多个呼叫信号到达时,执行方式为优先响应电梯运行方向上的信号,再响应另一方向信号。设计进度要求:第一周:确定题目,查阅资料。第二周:根据设计要求分析四层电梯工作原理。第三周:深入公司进行实践,收集四层电梯的资料。第四周:对硬件进行设计。第五周:对软件进行设计。第六周:进行调试,找出问题,改进设计。第七周:撰写论文,准备答辩。指导教师 、PLC 控制系统、微机控制系统。由于PLC 具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。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。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。为了
3、改善电梯的舒适感和运行的可靠性,现在都改为用PLC来控制电梯的运行,这样大大提高了电梯的性能。本文就是详细介绍PLC 的特点及整个设计过程。关键词: 控制系统,电梯,西门子精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 32 页I / 32 目录摘要 II 1 概述 1 1.1 可编程控制器 (PLC的产生及定义 1 1.2 PLC 的分类及特点 2 1.3 PLC 的工作原理 5 1.4 PLC 的编程语言 6 1.5 PLC 在电梯中的应用 7 1.6 电梯的发展历程8 2 电梯的具体介绍 10 2.1 电梯的定义及组成10 2.2
4、 电梯的原理 11 2.3 电梯的 PLC控制系统的功能分析13 2.4 电梯 PLC控制系统的解决思路13 3 电梯硬件设计 15 3.1 电梯的控制要求 15 3.2 PLC 输入输出点数的确定16 3.3 PLC 机型的选择 17 3.4 PLC 外部硬件电路的设计18 4 电梯软件设计 19 4.1 程序流程图 20 4.2 程序梯形图 22 致谢 27 参考文献 28 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 32 页1 / 32 1 概述1.1 可编程控制器 (PLC的产生及定义1.1.1 可编程控制器 (PLC的产生
5、20 世纪是人类科学技术迅猛发展的一个世纪,电器控制技术也由继电器控制过渡到计算机控制系统。各种工业用计算机控制产品的出现,对提高机械设备自动控制性能起到关键的作用。进入21 世纪,各种自动控制产品在向着控制可靠,操作简单,通用性强,价格低廉的方向发展,使自动控制的实现越来越容易。自动控制装置的研究,是为了最大限度的满足人们及机械设备的要求。曾一度在控制领域占主导地位的继电器控制系统,存在着控制能力弱,可靠性低的缺点,并且设备的固定接线控制装置不利于产品的更新换代。20 世纪 60 年代末期,在技术浪潮的冲击下,为使汽车结构及外型不断改进,品种不断增加,需要经常变更生产工艺。这就希望在控制成本
6、的前提下,尽可能缩短产品的更新换代周期,以满足生产的需求,使企业在激烈的市场竞争中取胜。美国通用汽车公司(GM1986年提出了汽车装配生产线改造工程控制器的十项指标,即新一代控制器应具备的10 项指标:1)编程简单,可在现场修改和调试程序;2)维护方便,采用插入式模块结构;3)可靠性高于继电器控制系统;4)体积小于继电器控制柜;5)能与管理中心计算机系统进行通信;6)成本可与继电器控制系统相竞争;7)输入量是 115V交流电压 美国电网电压 110);8)输出量是 115V,输出电流在 2A,能直接驱动电磁阀;9)系统扩展时,原系统只需作很小改动;首先研制出第一台符合要求的控制器,及可编程逻辑
7、控制器,并在美国GE 公司的汽车自动装置上试用成功。此后,这项研究技术迅速发展,从美国、日本、欧洲普及到全世界。我国从1976年开始研制, 1977年应用于工业控制。目前世界上已有数百家厂商生产可编程控制器,型号多达数百种。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 32 页2 / 32 1.1.2 可编程控制器 (PLC的定义IEC在 1987年对可编程控制器 (PLC下的定义是:可编程控制器 (PLC是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计;它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑计算、顺序控制、定
8、时、计数和算术操作等面向用户的指令;并通过数字式或模拟式输入/ 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连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。由上述定义可见, PLC 是工业专用计算机,这种计算机采用面向用户的指令,因而编程方便。它能完成“逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作”,还具有“数字量 , 模拟量输入 / 输出控制”的能力。并且容易与“工业控制系统连为一体”,易于扩充。因而可以说PLC是近乎理想的工业控制计算机。1.2 PLC 的分类及特点1.2.1 PLC 的分类目前,可编程控制器 (PLC产品种类很多,型号和规格也不统一。通常只能
9、按照其用途、功能、结构、点数等进行大致分类。1)按点数和功能分类可编程控制器用于对外部设备的控制,外部信号的输入及PLC运算结果的输出都要通过 PLC输入,输出端子来进行接线,输入输出端子的数目之和被称作PLC的输入,输出点数,简称I/O 点数。为满足不同控制系统处理信息量的需求,PLC具有不同的 I/O 点数、用户程序存储量和控制功能。由I/O 点数的多少可将 PLC分成小型,中型和大型。小型 PLC的 I/O 点数小于 256 点,以开关量控制为主,具有体积小,价格低的优点。适合小型设备的控制。中型 PLC的 I/O 点数在 2561024之间,功能比较丰富,兼有开关量和模拟量的控制能力,
10、适用于较复杂的逻辑控制和闭环过程控制。大型 PLC的 I/O 点数在 1024 点以上,用于大规模过程控制,集散式控制和工厂自动化网络。各厂家可编程控制器产品的自我定义的大、中、小各有不同。如有的厂家建议小型 PLC为 512 点一下,中型 PLC为 5122048 点,大型 PLC在 2048 点以上。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 32 页3 / 32 2)按结构形式分类根据结构形式不同,可编程逻辑控制器可分为整体式和模块式结构两大类。小型 PLC一般采用整体式结构,即将所有电路安装于1 个箱内为基本单元,另外可以通
11、过并行接口电路连接I/O 扩展单元。中型以上 PLC多采用模块式,不同功能的模块,可以组成不同用途的PLC ,适用于不同要求的控制系统。3)按用途分类根据可编程控制器的用途,PLC可分为通用性和专用型两大类。通用型 PLC作为标准装置,可供各类工业控制系统选用。专用型 PLC是专门为某类控制系统设计的,由于其专用,结构设计更为合理,控制性能更完善。随着可编程控制器应用的逐步普及,专为家庭自动化设计的超小型PLC也正在形成家用微型系列。1.2.2 PLC 的特点PLC能如此迅速发展,除了工业自动化的客观需求外,还因为他具有许多独特的优点。他较好得解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方
12、便、经济等问题。以下是其主要特点 :1 )可靠性高、抗干扰能力强。2)编程简单使用方便。 3)接线简单通用性好。4)可连接为控制网络系统。5)维修工作量小,维修方便。6)体积小、耗能低。1)硬件的可靠及抗干扰能力可编程控制是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制系统和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维修方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力,受到用户的青睐。因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用,成为了现代工业的三大支柱之一。一个设计良好的PLC能用于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大
13、的环境中。PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部件及外部设备组成。各部分之间通过内部系统总线进行连接。CPU 是 PLC的核心部分,由它实现逻辑运算,协调控制系统内部各部分的工作,它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。PLC的对外功能主要是通过各类接口模块,实现对工业设备和生产过程的检测和控制。PLC的电源一般采用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 32 页4 / 32 开关电源,其特点是输入电压范围宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好。一旦某模块出现故障,进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。2)编程简单
14、,使用方便用微机实现自动控制,常使用汇编语言编程,难于掌握,要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。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,目前大多数 PLC 均采用的梯形图语言编程方式,既继承了传统控制线路的清晰直观感,又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受,易于编程,程序改变时也容易修改,很灵活方便。3)接线简单,通用性好PLC的接线只需将输入信号的设备按钮、开关等)与PLC输入端子连接,将接受输出信号执行控制任务的执行元件接触器、电磁阀等)与PLC输出端子连接。接线简单、工作最少,省去了传统的继电器控制系统接线和拆
15、线的麻烦。PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”,这样生产线的自动化过程就能随意改变。这种性能使 PLC具有很高的经济效益。用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC 的组成部分,模块化的自诊断接口电路能指出故障,并易于排除故障与替换故障部件,这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用。4)可连接为控制网络系统PLC可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类:一类是低速网络,采用主从方式通信,传输速率从几千波特到上万波特,传输距离为5002500m ;另一类为高速网络,采用令牌传送方式通信,传输速率为1M 10Mbps ,传输距离为5001000m ,网上结点可达 1024 个
16、。这两类网络可以级连,网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机,从而组成控制范围很大的局部网络。5)易于安装,便于维护PLC安装简单而且功能有效,其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方,在从继电器系统改换到PLC系统的情况下, PLC小型模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端,其实改换很方便,只要将输入/ 输出设备连向接线端即可。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 32 页5 / 32 在大型安装中,长距离输入/ 输出站点安放在最优地点。长距离站通过同轴电缆双扭线连向 CPU ,这种配置大
17、大减少了物料和劳力,长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线,这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。从一开始, PLC便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的,维护时只需更换模块级插入式部件,故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中,就能指示是否正常工作,借助于编程设备可见输入/ 输出是 ON 还是 OFF ,还可写编程指令来报告故障。PLC的这些及其它特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后,其作用立即显现,其收益也马上实现,向其他智能设备一样,PLC 的潜在优点还取决于应用时的创造性。1.3 PLC 的工作原理PLC具有微机的
18、许多特点,但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。 PLC则采用循环扫描工作方式。在PLC中,用户程序按先后顺序存放,CPU 从第一条指令开始执行程序,直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。每一个循环称为一个扫描周期。所谓 I/O 刷新即对 PLC的输入进行一次读取,将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器,同时将新的运算结果送到输出端。这实际是将输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新,故称为“I 刷新” 。由此可见,若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化,则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化,或者说输出输入产生了响应。反之,若在本次I/O
19、刷新之后,输入变量才发生变化,则本次扫描输出不变,即不响应,而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。由于PLC 采用循环扫描的工作方式,所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。扫描周期的长短主要取决于这几个因数:一是CPU执行指令的速度,二是每条指令占用的时间,三是指令条数的多少,即程序的长短。对于慢速控制系统,响应速度常常不是主要的,故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。因为干扰常是脉冲式的、短时的,而由于系统响应较慢,常常要几个扫描周期才响应一次,而多次扫描后,瞬间干扰所引起的误动作将会大大减精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - -
20、- - -第 9 页,共 32 页6 / 32 少,故增加了抗干扰能力。但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统,这一问题就需慎重考虑。应对响应时做出精确的计算,精心编排程序,合理安排指令的顺序,以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。1.4 PLC 的编程语言PLC为用户提供了完整的编程语言,以适应编制用户程序的需要。PLC提供的编程语言通常有以下几种:梯形图、指令表、功能图和功能块图。 梯形图 (LAD编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC 梯形图与继电器控制系统的基本思想是一致的,只是在使用符号和表达方式上有一定区别。梯形图的一个关键概念是“能流”(Powe
21、r Flow 。如果有“能流”从左至右流向线圈,则线圈被激励。如没有,则线圈未被激励。“能流”以通过被激励(ON 的常开接点和未被激励 (OFF的常闭接点自左向右流。“能流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。在梯形图中,触点代表逻辑“输入”条件,如开关、按钮、内部条件等;线圈通常代表逻辑“输出”结果,如灯、电机接触器、中间继电器等。对S7200 的PLC 来说,还有一种输出“盒”,它代表附加的指令,如定时器、计数器和功能指令等。梯形图语言简单明了,易于理解,是所有编程语言的首选。 指令表 (STL编程语言类似于计算机中的助记符语言,它是可编程控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程,是用一个或
22、几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。 顺序功能流程图 (SFC 编程是一种图形化的编程方法,亦称功能图。使用它可以对具有选择等复杂结构的系统进行编程,许多PLC 都提供了用于 SFC 编程的指令。 S7200 的 PLC专门提供了 FBD编程语言,利用 FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令。它没有梯形图编程器中的触点和线圈,但有与之等价的指令,这些指精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 32 页7 / 32 令是作为盒指令出现的,程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定。也就是说,一个指令(例如 AND 盒
23、的输出可以允许另一条指令( 例如定时器 ,这样可以建立所需要的控制逻辑。这样的连接思想可以解决范围广泛的逻辑问题。FBD编程语言有利于程序流的跟踪,但在目前使用较少。在编程语言的选择上,具体是用梯形图编程还是语句表编程或使用功能图编程,这主要取决于以下几点:1)有些 PLC使用梯形图编程不是很方便,则可用语句表编程,但梯形图比语句表直观。2)经验丰富的人员可用语句表直接编程,就像使用汇编语言一样。本设计中,选择用梯形图作为编程语言。1.5 PLC 在电梯中的应用随着科技的发展,工业控制的自动化程度不断提高,以微处理器为核心组成的可编程序控制器 可应用于各种自动化系统。紧凑的结构, 低廉的成本及
24、功能强大的指令集使得 S7200 PLC 成为各种小型控制任务理想的解决方案。利用西门子S7200 可编程序控制器编写一个四层电梯的控制系统。分别完成轿内指令、厅外召唤指令、楼层位置指示、平层换速控制、开门控制等控制任务。PLC在电梯中的应用也已很成熟。PLC作为主控制器,一方面要采集电梯的各种输入信号,包括电梯的位置、状态、内外指令的按钮信号、门锁信号、门区信号、井道内的强迫减速信号、防冲信号以及消防信号等。另一方面要把采集到的信号进行计算精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 32 页8 / 32 和处理给出电梯的楼层信号
25、和速度信号,并驱动相应的开关门信号、方向继电器和抱闸继电器,以控制电梯的运行。我们利用PLC内的条件跳转和主控指令,把对电梯的控制程序划分为几个程序段:检修控制、正常加速和稳速段、减速爬行段、以及开关门阶段。当给电梯送电时,PLC就开始扫描电梯的所有输入、输出信号,检测电梯的安全回路是否接通、厅门轿门是否关闭、电梯处在何种状态。正常自动状态时,PLC检测门锁是否接通,若门锁不通则给出关门信号,控制电梯关门;当门锁接通时,进入待机状态,此时收到指令信号电梯即起动。1.6 电梯的发展历程人类利用升降工具运输货物、人员的历史非常悠久。早在公元前2600年,埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统
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