課程設(shè)計（論文）四層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄摘要.ii目錄.iii1 概述.11.1 plc 的發(fā)展歷程.11.2 plc 組成及特點.21.3 plc 的工作原理.41.4 plc 的編程語言.51.5 plc 在電梯上的應(yīng)用.52 程控制器的機型選擇.72.1 控制電磁閥等所需的 i/o 點數(shù) .72.2 內(nèi)存估計 .72.3 響應(yīng)時間 .72.4 輸入輸出模塊的選擇 .83 硬件設(shè)計.93.1 硬件配置簡介 .93.2 電梯控制系統(tǒng) .93.3 電氣控制系統(tǒng)框圖 .113.4 輸入輸出的分配 .114 軟件設(shè)計.134.1 程序流程圖 .134.2 電梯定向邏輯 .154.3 電梯 plc 控制系統(tǒng)設(shè)計 .164.4 四層電梯

2、的梯形圖設(shè)計 .195 系統(tǒng)調(diào)試.245.1 硬件部分調(diào)試 .245.2 軟件部分調(diào)試 .24總結(jié).26致謝.27參考文獻.281 概述1.11.1 plcplc 的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程第一臺可編程控制器的設(shè)計規(guī)范是美國通用公司提出的。當(dāng)時的目的是要求設(shè)計一種新的控制裝置以取代繼電器盤，在保留了繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，同時具有現(xiàn)代化生產(chǎn)線所要求的時間響應(yīng)快、控制精度高、可靠性好、控制程序、可隨工藝改變、易于與計算機接口、維修方便等諸多高品質(zhì)與功能。這一設(shè)想提出后，美國數(shù)字設(shè)備公司（dec）于 1969 年研制成第一臺 plc，型號為 pdp-14，投入通用汽車

3、公司的生產(chǎn)線控制中，取得了令人滿意的效果，從此開創(chuàng)了 plc 的新紀(jì)元。在短時間內(nèi)，plc 在其他工業(yè)部門也得到應(yīng)用。到 70 年代初，食品、金屬和制造等工業(yè)部門相繼使用 plc 代替繼電器控制設(shè)備，邁出了其實用化階段的第一步。70 年代中期，由于大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使 8 位微處理器和位片處理器相繼問世，使可編程控制技術(shù)產(chǎn)生了飛躍。在邏輯運算功能的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運算、閉環(huán)控制、提高了運算速度，擴大了輸入輸出規(guī)模。在這個時期，日本、西德（原）和法國相繼研制出了自己的 plc，我國在 1974 年也開始研制。70 年代由于超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使 plc 向大規(guī)模、高速性能方向發(fā)展，形成

4、了多種系列化產(chǎn)品。這是面向工程技術(shù)人員的編程語言發(fā)展成熟，出現(xiàn)了工藝人員使用的圖形語言。在功能上，plc 可以代替某些模擬控制裝置和小型機 ddc 系統(tǒng)。進入八九十年代后，plc 的軟硬件功能進一步得到加強，plc 已發(fā)展成為一種可提供諸多功能的成熟的控制系統(tǒng)，能與其他設(shè)備通信，生成報表，調(diào)度產(chǎn)生，可診斷自身故障及機器故障。這些改進使 plc 符合今天對高質(zhì)量高產(chǎn)出的要求。盡管 plc 功能越來越強，但他仍然保留了先前的簡單與易于使用的特點。1.21.2 plcplc 組成及特點組成及特點plc 的硬件系統(tǒng)由主機系統(tǒng)、輸入輸出擴展部分及外部設(shè)備組成。除了硬件系統(tǒng)外，還需要軟件系統(tǒng)的支持，它們相

5、輔相成，卻一不可，共同構(gòu)成plc。plc 的軟件系由系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分組成。plc 能如此迅速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需求外，還因為他具有許多獨特的優(yōu)點。他較好到解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。以下是其主要特點。 （1）編程方法簡單易學(xué)（2）功能強，性能價格比高（3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強（4）可靠性高、抗干擾能力強（5）系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少（6）維修工作量小，維修方便（7）體積小、耗能低1.2.11.2.1 硬件的可靠性硬件的可靠性可編程控制是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制系統(tǒng)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)

6、自動控制裝置。它具有體積小、功能強、靈活通用與維修方便等一系列的優(yōu)點。特別是它的高可靠性和較強的適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力，受到用戶的青睞。因而在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱之一。一個設(shè)計良好的 plc 能置于有很強的電噪聲、電磁干擾、機械振動、極端溫度和濕度很大的環(huán)境中。plc 的硬件系統(tǒng)由主機系統(tǒng)、輸入輸出擴展部件及外部設(shè)備組成。各部分之間通過內(nèi)部系統(tǒng)總線進行連接。cpu 是 plc 的核心部分，由它實現(xiàn)邏輯運算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作，它的運行是按照系統(tǒng)程序所賦予的任務(wù)進行的。plc 的對外功能主要是通過各類接口模塊的紅外線，實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)過

7、程的檢測和控制。plc 的電源一般采用開關(guān)電源，其特點是輸入電壓范圍寬、體積小、質(zhì)量輕、效率高、抗干擾性能好。路串一旦某模塊出現(xiàn)故障，進行在線插拔、調(diào)試時不會影響各機的正常運行。1.2.21.2.2 編程簡單，使用方便編程簡單，使用方便用微機實現(xiàn)自動控制，常使用匯編語言編程，難于掌握，要求使用者具有一定水平的計算機硬件和軟件知識。plc 采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程，容易掌握。例如，目前打多數(shù) plc 均采用的梯形圖語言編程方式，既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀感，又顧及了大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及應(yīng)用微機的水平很容易被電氣技術(shù)人員所接受，易于編程，程序改變時也容易修改，很靈

8、活方便。1.2.31.2.3 接線簡單，通用性好接線簡單，通用性好plc 的接線只需將輸入信號的設(shè)備（按鈕、開關(guān)等）與 plc 輸入端子連接，將接受輸出信號執(zhí)行控制任務(wù)的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與 plc 輸出端子連接。接線簡單、工作最少，省去了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)接線和拆線的麻煩。plc 的編程邏輯提供了能隨要求而改變的“接線網(wǎng)絡(luò)” ，這樣生產(chǎn)線的自動化過程就能隨意改變。這種性能使 plc 具有很高的經(jīng)濟效益。用于連接現(xiàn)場設(shè)備的硬件接口實際上是 plc 的組成部分，模塊化的自診斷接口電路能指出故障，并易于排除故障與替換故障部件，這樣的軟硬件設(shè)計就使現(xiàn)場電氣人員與技術(shù)人員易于是用。1.2.

9、41.2.4 可連接為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可連接為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)plc 可連成功能很強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)可分為兩類：一類是低速網(wǎng)絡(luò)，采用主從方式通信，傳輸速率從幾千波特到上萬波特，傳輸距離為 5002500m；另一類為高速網(wǎng)絡(luò)，采用令牌傳送方式通信，傳輸速率為 1m10mbps，傳輸距離為 5001000m，網(wǎng)上結(jié)點可達 1024 個。這兩類網(wǎng)絡(luò)可以級連，網(wǎng)上可兼容不同類型的可編程控制器和計算機，從而組成控制范圍很大的局部網(wǎng)絡(luò)。1.2.51.2.5 易于安裝，便于維護易于安裝，便于維護plc 安裝簡單而且功能有效，其相對小的體積使之能安裝在通常繼電器控制箱所需空間的一半的地方，在從繼電器系統(tǒng)改換到 plc

10、 系統(tǒng)的情況下，plc小 的模塊結(jié)構(gòu)使之能安裝在繼電器附近并將連線向已有接線端，其實改換很方便，只要將輸入/輸出設(shè)備連向接線端即可。在大型安裝中，長距離輸入/輸出站點安放在最優(yōu)地點。長距離站通過同軸電纜獲雙扭線連向 cpu，這種配置大大減少了物料和勞力，長距離子系統(tǒng)方法也意味著系統(tǒng)不同部分可在到達安裝場地前由 plc 制造商預(yù)先連好線，這一方法大大減少了電氣技術(shù)人員的現(xiàn)場安裝時間。從一開始，plc 便以易維護作為設(shè)計目標(biāo)。由于幾乎所有器件都是固態(tài)的，維護時只需更換模塊級插入式部件，故障檢測電路將診斷指示器嵌在每一部件中，就能指示器是否正常工作，借助于編程設(shè)備可見輸入/輸出是 on 還是off，

11、還可寫編程指令來報告故障。plc 的這些及其他特性使之成為任何一個控制系統(tǒng)的有益部分。一旦安裝后，其作用立即顯現(xiàn)，其收益也馬上實現(xiàn)，向其他智能設(shè)備一樣,plc 的潛在優(yōu)點還取決于應(yīng)用時的創(chuàng)造性。1.31.3 plcplc 的工作原理的工作原理plc 的工作原理與計算機的工作原理是基本一致的。他通過執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制任務(wù)。但是，在時間上，plc 執(zhí)行的任務(wù)是串行，與繼電接觸器控制系統(tǒng)中任務(wù)的執(zhí)行有所不同。plc 采用循環(huán)掃描工作方式。在程序執(zhí)行過程的周期中，程序?qū)Ω鱾€過程輸入信號進行采樣，對采樣的信號進行運算和處理，并把結(jié)果輸出到生產(chǎn)過程的執(zhí)行機構(gòu)中。所謂 i/o 刷新即對 plc 的輸入進

12、行一次讀取，將輸入端各變量的狀態(tài)重新讀入 plc 中存入內(nèi)部寄存器，同時將新的運算結(jié)果送到輸出端。這實際是將存入輸入、輸出狀態(tài)的寄存器內(nèi)容進行了一次更新，故稱為“i（輸入）/o(輸出) 刷新” 。由此可見，若輸入變量在 i/o 刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出端也會相應(yīng)的發(fā)生變化，或者說輸出隊輸入產(chǎn)生了響應(yīng)。反之，若在本次i/o 刷新之后，輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，即不響應(yīng)，而要到下一次掃描期間輸出才會產(chǎn)生響應(yīng)。由于 plc 采用循環(huán)掃描的工作方式，所以它的輸出對輸入的響應(yīng)速度要受掃描周期的影響。掃描周期的長短主要取決于這幾個因數(shù)：一是 cpu 執(zhí)行指令的速度，二是每條指

13、令占用的時間，三是指令條數(shù)的多少，即程序的長短。對于慢速控制系統(tǒng)，響應(yīng)速度常常不是主要的，故這種方式不但沒有壞處反而可以增強系統(tǒng)抗干擾能力。因為干擾常是脈沖式的、短時的，而由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，常常要幾個掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，瞬間干擾所引起的誤動作將會大大減少，故增加了抗干擾能力。但對控制時間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，這一問題就需慎重考慮。應(yīng)對響應(yīng)時間作出精確的計算，精心編排程序，合理安排指令的順序，以盡可能減少周期造成的響應(yīng)延時等的不良影響。1.41.4 plcplc 的編程語言的編程語言plc 提供了較完整的編程語言，以適應(yīng) plc 在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用。利用編程語言，按照

14、不同的控制要求編制不同的控制程序，這相當(dāng)于設(shè)計和改變繼電器的硬接線線路，這就是所謂的“可編程序” 。程序由編程器送到 plc 內(nèi)部的存儲器中，它也能方便地讀出、檢查與修改。plc 提供的編程語言通常由三種：梯形圖、指令表、功能圖等。梯形圖(lad)編程語言是從繼電器控制系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上演變而來的。plc 梯形圖 plc 的梯形圖與電氣控制系統(tǒng)梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號和表達方式上有一定區(qū)別。plc 的梯形圖使用的時內(nèi)部繼電器、定時器/計數(shù)器，都是由軟件實現(xiàn)的。梯形圖語言簡單明了，易于理解，是所有編程語言的首選。指令表（stl）編程語言類似于計算機中的助記符語言，他是可編程控制器

15、最基礎(chǔ)的編程語言。所謂指令表編程，是用一個或幾個容易記憶的字符來代表可編程控制器的某種操作功能。順序功能流程圖（sfc）編程是一種圖形化的編程方法，亦稱功能圖。使用它可以對具有并發(fā)、選擇等復(fù)雜的系統(tǒng)進行編程。許多 plc 都提供了用于 sfc編程的指令。每一種編程方法都有它的優(yōu)點和缺點，根據(jù)每一種特殊的控制要求，根據(jù)編程者的熟練程度正確合理應(yīng)用編程方法。1.51.5 plcplc 在電梯上的應(yīng)用在電梯上的應(yīng)用隨著科技的發(fā)展，工業(yè)控制的自動化程度不斷提高，以微處理器為核心組成的可編程序控制器（plc）得到了廣泛的應(yīng)用。很多工廠的生產(chǎn)流水線、加工設(shè)備、船舶上貨物的裝卸裝置、電梯的運行等都由 plc

16、 控制，只要把預(yù)定的控制任務(wù)編成程序，用一串指令的形式存放到存儲器中，然后根據(jù)輸入各種指令，經(jīng)過模擬量、數(shù)字量等輸入輸出部件對生產(chǎn)過程和設(shè)備進行控制。 plc 在電梯中的應(yīng)用也已很成熟。plc 作為主控制器，一方面要采集電梯的各種輸入信號，包括電梯的位置、狀態(tài)、內(nèi)外指令的按鈕信號、門鎖信號、門區(qū)信號、井道內(nèi)的強迫減速信號、防沖信號以及消防信號等。另一方面要把采集到的信號進行計算和處理給出電梯的樓層信號和速度信號，并驅(qū)動相應(yīng)的開關(guān)門信號、方向繼電器和抱閘繼電器，以控制電梯的運行。我們利用 plc 內(nèi)的條件跳轉(zhuǎn)和主控指令，把對電梯的控制程序劃分為幾個程序段：檢修控制、正常加速和穩(wěn)速段、減速爬行段、

17、以及開關(guān)門階段。當(dāng)給電梯送電時，plc 就開始掃描電梯的所有輸入、輸出信號，檢測電梯的安全回路是否接通、廳門轎門是否關(guān)閉、電梯處在何種狀態(tài)。正常自動狀態(tài)時，plc檢測門鎖是否接通，若門鎖不通則給出關(guān)門信號，控制電梯關(guān)門；當(dāng)門鎖接通時，進入待機狀態(tài)，此時一收到指令信號電梯即起動。當(dāng)電梯到達減速樓層時, plc 程序是仿照繼電器控制理念進行編制。2 程控制器的機型選擇2.12.1 控制電磁閥等所需的控制電磁閥等所需的 i/oi/o 點數(shù)點數(shù)有電磁閥的動作原理可知，一個單線圈電磁閥用可編程控制器時需兩個輸入及一個輸出；一個雙線圈電磁閥需三個輸入及兩個輸出；一個比例式電磁閥需三個輸入及五個輸出。一個按

18、鈕需一個輸入；一個光電開關(guān)要占用一個或兩個輸入點；一個信號占用一個輸出點；而波段開關(guān)，有幾個波段就占用幾個輸入點；一般情況，各種位置開關(guān)都要占用兩個輸入點。根據(jù)上面所述原理分析，本設(shè)計用到十個按鈕，需要十個輸入點。四個位置按鈕，需要八個輸入點。十六個信號燈，需要十六個輸出點。2.22.2 內(nèi)存估計內(nèi)存估計用戶程序所需內(nèi)存容量要受到下面幾個因素的影響：內(nèi)存利用率；開關(guān)量輸入輸出點數(shù)；模擬量輸入輸出點數(shù)；用戶的編程水平。2.2.12.2.1 內(nèi)存利用率內(nèi)存利用率我們把一個程序段中的接點數(shù)與存放該程序段所代表的機器語言所需的內(nèi)存字?jǐn)?shù)的比值稱為利用率。2.2.22.2.2 開關(guān)量輸入輸出的點數(shù)開關(guān)量輸

19、入輸出的點數(shù)一般系統(tǒng)中，開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出的比為 6：4。這方面的經(jīng)驗公司是根據(jù)開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出的總點數(shù)給出的。所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)=開關(guān)量（輸入+輸出）總點數(shù)*102.2.32.2.3 模擬量輸入輸出的總點數(shù)模擬量輸入輸出的總點數(shù)只有模擬量輸入時： 內(nèi)存字?jǐn)?shù)=模擬量點數(shù)*100模擬量輸入輸出同時存在：內(nèi)存擬量字?jǐn)?shù)*2002.32.3 響應(yīng)時間響應(yīng)時間可編程控制器順序掃描的工作方式使它不能可靠的接收持續(xù)時間小于掃描周期的輸入信號。系統(tǒng)響應(yīng)時間是指輸入信號產(chǎn)生時刻與由此而使輸出信號狀態(tài)發(fā)生變化時刻的時間間隔。系統(tǒng)響應(yīng)時間=輸入濾波時間+輸出濾波時間+掃描周期。2.42.4 輸入輸出模塊的選擇輸

20、入輸出模塊的選擇模塊輸出的任務(wù)是將機器內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)換為外部過程的控制信號。輸出模塊同時接通點數(shù)的電流累計值必須小于公共段所允許通過的電流值。輸出模塊的電流值必須大于負(fù)載電流的額定值。3 硬件設(shè)計3.13.1 硬件配置簡介硬件配置簡介plc 產(chǎn)品出現(xiàn)以來，它以面向工業(yè)控制的鮮明特點，普遍受到電器控制領(lǐng)域的歡迎。特別是中小容量 plc 成功取代了傳統(tǒng)的繼電控制系統(tǒng)，使得控制系統(tǒng)的可靠性大大提高。目前各國生產(chǎn)的 plc 品種繁多，發(fā)展速度快。本文所用到的產(chǎn)品是 s7-200 系列的 plc 作系列電梯的。在此簡單的介紹該機型的一些技術(shù)指標(biāo)。技術(shù)性能分為：一般性能，功能特性（基本單元） ，輸入性能，輸出性能和其它性能。3.23.2 電梯控制系統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)電梯模擬系統(tǒng)如下圖所示：電梯控制系統(tǒng)的模擬二層底層轎廂三層四層輸入 輸出配置 圖 3.2.1 電梯系統(tǒng)控制模擬圖3.33.3 電氣控制系統(tǒng)框圖電氣控制系統(tǒng)框圖