大学毕设论文基于plc三层电梯控制系统设计.docx
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大学毕设论文基于plc三层电梯控制系统设计
摘要……………………………………………………………………………………………2
1电梯的概述4
1.1电梯的发展简史4
1.2电梯的基本结构4
2可编程控制器简介5
2.1PLC的结构及各部分的作用5
2.2PLC的工作原理6
2.3PLC的编程语言6
2.4PLC基本指令6
2.5梯形图设计规则7
3三层电梯PLC控制系统设计8
3.1电梯的控制要求8
3.2三层电梯主电路8
3.3PLC机型的选择9
3.4输入输出点数分配9
3.5PLC外围接线图10
3.6程序分析11
3.7三层电梯梯形图程序17
3.8三层电梯梯形图及助记符语句程序20
4器件的选择28
4.1数码管的选择28
4.2蜂鸣器的选择28
4.3电梯的选择28
4.4压力传感器28
4.5控制系统保护元件的选择28
4.6电动机的选择29
总结30
致谢31
参考文献32
摘要
可编程控制器是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置，本文将可编程控制器应用于三层电梯进行逻辑控制，列出了具体的主要硬件电路、电梯的控制梯形图及指令表。
并给出了系统组成框图和程序流程图，在分析、处理随机信号逻辑关系的基础上，提出了PLC的编程方法，设计了一套完整的电梯控制系统方案。
采用本方案实现电梯控制，能够解决继电器——接触器触点多，故障率高、可靠性差、安装调试周期长、维修工作量大、接线复杂等缺点。
使电梯运行更加安全、方便、舒适。
关键词：
电梯、PLC、控制系统、梯形图
Abstract
Programmablelogiccontrollerisamicroprocessorasthecore,theautomaticcontroldeviceofanewindustrydevelopedintegratedcomputertechnology,automaticcontrolandcommunicationtechnology,theprogrammablecontrollerisappliedtothethreestoreyelevatorcontrollogic,listingthespecificmainhardwarecircuit,theelevatorcontrolladderdiagramandinstructionlistItalsoshowstheconstructionofframechartofthesystemandprocessflowchart.ThustheprogrammingmethodofPLCisbroughtforwardonthebasisofanalyzinganddealingwiththelogicrelationshipofrandomsigns.Italsodesignedacomplicatedelevatorcontrolsystem.Iftheprojectcanbeaccepted,itcansolvetheproblemswhichcanbebroughtbyrelay,suchastoomanycontactingpoints,highfaultrate,lowreliability,longinstallationanddebuggingtime,heavyrepairingwork,complexconnectionandsoon.
Keywords：
Elevator，PLC，Controlsystem，LaderView
1电梯概述
1.1电梯的发展简史
很久之前，人们就使用一些原始的升降工具运送人和货物。
公元前100年前后，我国古人发明了辘轳，它采用卷筒的回转运动完成升降动作，因而增加了提升物品的高度。
公元前236年，希腊数学家Archimedes设计制作了由绞车和滑轮组构成的起重装置。
这些升降工具的驱动力一般是人力或畜力。
19世纪初，在欧美开始用蒸汽机作为升降工具的动力。
1845年，威廉汤姆逊研制出1台液压驱动的升降机，其液压驱动的介质是水。
尽管升降工具被一代代富有革新精神的工程师们进行不断改进，然而被工业界普遍认可的升降机仍未出现，直到1852年世界第1台安全升降机诞生。
1889年，升降机开始采用电力驱动，真正出现了电梯。
19世纪末,采用沃德-伦纳德系统驱动控制的直流电梯出现，使电梯的运行性能明显改善。
在20世纪初，美国OTIS电梯公司首先使用直流电动机作为动力，生产出以槽轮式驱动的直流电梯。
从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异的发展着。
目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘坐舒适。
1.2电梯的结构
电梯是一个具有特种容载装置轿厢沿着恒定不变的铅垂导轨，在不同水平面间歇运动的用电力驱动的起重机械，它适宜于装置在二层以上的高层建筑物内，专供上下运送人员或货物之用。
电梯的结构及其装备可分为机械、电气两大部分，电梯的主要部件包括曳引机、限速器、控制屏、主开关。
2可编程控制器简介
可编程控制器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。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫PLC（ProgrammableLogicController），PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电器接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。
另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。
由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业
控制界的欢迎，并得到迅速的发展。
目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。
2.1PLC的结构
可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。
通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输出输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。
图2.1PLC的结构图
2.2PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，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，直到遇到结束符后又返回到第一条，如此周而复始不断循环。
PLC的扫描过程分为内部处理、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的时间称为扫描周期。
当PLC处于停状态时，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。
2.3PLC的编程语言
（1）梯形图编程语言
梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，它是在电路控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变来的，形象、直观、实用。
梯形图的设计应注意以下三点：
（一）梯形图按从左到右、从上到下的顺序排列。
每一逻辑行起始于左母线，然后是触点的串、并联接，最后是线圈与右母线相联。
（二）梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。
这个“概念电流”只是形象地描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。
（三）输入继电器用于接收外部的输入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触点来驱动。
因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。
输出继电器输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出继电器线圈得电时,就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。
输出继电器的触点可供内部编程使用。
（2）语言表编程语言
指令语句表示一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，但比汇编语言易懂易学。
一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。
2.4三菱PLC基本指令
表2.1基本指令表
名称
助记符
目标元件
说明
取指令
LD
XYMSTC
常开接点逻辑运算起始
取反指令
LDI
XYMSTC
常闭接点逻辑运算起始
线圈驱动指令
OUT
YMSTC
驱动线圈的输出
与指令
AND
XYMSTC
单个常开接点的串联
与非指令
ANI
XYMSTC
单个常闭接点的串联
或指令
OR
XYMSTC
单个常开接点的并联
或非指令
ORI
XYMSTC
单个常闭接点的并联
或块指令
ORB
无
串联电路块的并联连接
与块指令
ANB
无
并联电路块的串联连接
主控指令
MC
YM
公共串联接点的连接
主控复位指令
MCR
YM
MC的复位
置位指令
SET
YMS
使动作保持
复位指令
RST
YMSDVZTC
使动作复位
上升沿产生脉冲指令
PLS
YM
输入信号上升沿产生脉冲输出
下降沿产生脉冲指令
PLF
YM
输入信号下降沿产生脉冲输出
空操作指令
NOP
无
使步序作空操作
程序结束指令
END
无
程序结束
2.5梯形图设计规则
1.触点的安排
梯形图的触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上。
2.串、并联的处理
在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图最上面。
在有几个并联图回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。
3.线圈的安排
不能将触点画在线圈右边，只能在触点的右边接线圈。
4.不准双线圈输出
如果在同一程序中同一元件的线圈使用两次或多次，则称为双线圈输出。
这时前面的输出无效，只有最后一次才有效，所以不应出现双线圈输出。
5.重新编排电路
如果电路结构比较复杂，可重复使用一些触点画出它的等效电路，然后再进行编程就比较容易。
6.编程顺序
对复杂的程序可先将程序分成几个简单的程序段，每一段从最左边触点开始，由上之下向右进行编程，再把程序逐段连接起来。
3三层电梯PLC控制系统设计
3.1电梯的控制要求
电梯由安装在各楼层厅门口的呼叫按钮进行呼叫操纵和电梯轿厢内设有楼层内选按钮进行控制，用以选择需停靠的楼层。
楼层指示灯有三个，分别指示电梯当前位置。
运行状态指示灯有两个，分别指示当前电梯运行的状态。
电梯每次运行只响应单一呼叫，例如，电梯停在一层，在三层轿厢外呼叫时，必须按三层呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从一层运行到三层），在电梯停止运行前按其他层呼叫按钮均无效，依此类推。
3.2三层电梯主电路
图3.1三层电梯主电路图
图中L1、L2、L3为三相电源，三相电动机M3~为电梯轿厢上行和下行电动机，由KM7和KM8分别控制电动机正反转从而控制轿厢的上行和下行；M1、M2、M3为电梯开关门控制的直流电机，分别由接触器KM1~KM6的触点控制；QS1为总开关（刀开关），起隔离电源作用；FU为熔断器，起短路和严重过载保护；FR为热继电器，起过载和断相保护作用。
3.3PLC机型选择
考虑到本设计需要分配18个输入接口和14个输出接口，因此PLC机型选择FX1N-40MR（24输入点：
16继电器输出），它是三菱PLC中FX1N系列是一种卡片大小的PLC，适合在小型环境中进行控制。
它具有卓越的性能、串行通讯功能以及紧凑的尺寸，这使得它们能用在以前常规PLC无法安装的地方。
3.4输入输出点数分配
1.输入部分:
表3.1输入接口分配表
X1
一层内呼SB1
X013
一层开门到位SQ1
X4
一层到位SQ7
X2
二层内呼SB2
X014
二层开门到位SQ2
X5
二层到位SQ8
X3
三层内呼SB3
X015
三层开门到位SQ3
X6
三层到位SQ9
X23
一层外呼SB4
X020
一层关门到位SQ4
X10
一层防夹SQ10
X24
二层外呼SB5
X021
二层关门到位SQ5
X11
二层防夹SQ11
X25
三层外呼SB6
X022
三层关门到位SQ6
X12
三层防夹SQ12
2.输出部分:
表3.2输出接口分配表
Y1
灯L
Y14
一层关门KM4
Y2
上升显示L4
Y15
二层关门KM5
Y3
下降显示L5
Y16
三层关门KM6
Y4
一层到位显示L1
Y13
电梯上升输出KM7
Y5
二层到位显示L2
Y17
电梯下降输出KM8
Y6
三层到位显示L3
Y11
二层开门KM2
Y10
一层开门KM1
Y12
三层开门KM3
3.5PLC外围接线图
图3.2PLC外围接线图
3.6程序分析
3.6.1程序总体结构
电梯呼叫信号采集
电梯位置判断程序
电梯状态显示程序
电梯开关门控制程序
电梯上下控制程序
电梯保护控制程序
电梯楼层显示
防夹程序
电梯上下状态显示
图3.3程序总体结构图
3.6.2电梯上下控制程序分析
比较呼叫信号D1、楼层限位D2里面的数值，以比较结果指挥电梯动作。
D1电梯在上，呼叫在下，电梯此时应该下降。
D1>D2：
电梯在下，呼叫在上，电梯此时应该上升。
D1=D2：
电梯与呼叫在同一位置，可根据不同的楼层位置驱动不同的门进行开关。
图3.4电梯控制程序分析图
3.6.3电梯呼叫信号分析
根据不同的按钮动作把呼叫信号转换成数值存入寄存器D1里面
当第一层呼叫时，就把常数1放在D1里面
当第二层呼叫时，就把常数2放在D1里面
当第三层呼叫时，就把常数3放在D1里面
电梯呼叫信号程序（第一层）
图3.5电梯呼叫信号图
3.6.4电梯位置判断程序分析
通过传感器把电梯位置信号转换成相应的信号送到寄存器D2里面去
如果在第一层，把常数1赋给D2；
如果在第二层，把常数2赋给D2；
如果在第三层，把常数3赋给D2。
图3.6电梯位置判断分析图
3.6.5电梯楼层显示程序分析
1.电梯楼层显示程序：
利用三个层限开关进行判断：
当一层层限开关触发时一层指示灯亮；
当二层层限开关触发时二层指示灯亮；
当三层层限开关触发时三层指示灯亮。
图3.7电梯楼层分析图
2.电梯上下显示程序分析
上下显示完全按照电机当前状态来确定
当电机正转时显示上升状态
当电机反转时显示下降状态
电梯上下显示程序：
图3.8电梯上下分析图
3.6.6电梯开关门程序分析
当电梯到位后，延时0.5秒，根据当前的楼层驱动相应的门进行开门动作。
开门到位后再延时1秒进行关门。
如果在关门过程中检测到有障碍，立即停止关门动作，继续重新开门。
下面以第一层的开关为例分析：
图3.9电梯开关程序图
3.7三层电梯梯形图程序
3.8三层电梯助记符语句程序
0LDX001
1ORX023
2MPS
3ANIY013
4ANIY017
5ANIM110
6MOVK1D1
7MPP
8ANIY013
9ANIY017
10ANIM110
110UTM4
16LDX002
17ORX024
18MPS
19ANIY013
20ANIY017
21ANIM110
22MOVK2D1
27MPP
28ANIY013
29ANIY017
30ANIM110
31OUTM5
32LDX003
33ORX025
34MPS
35ANIY013
36ANIY017
37ANIM110
38MOVK3D1
43MPP
44ANIY013
45ANIY017
46ANIM110
47OUTM6
48LDX004
49ANIY013
50ANIY017
51MOVK1D2
56LDX005
57ANIY013
58ANIY017
59MOVK2D2
64LDX006
65ANIY013
66ANIY017
67MOVK3D2
72LDX004
73ORY004
74ANIX005
75ANIX006
76OUTY004
77LDX005
78ORY005
79ANIX004
80ANIX006
81OUTY005
82LDX006
83ORY006
84ANIX004
85ANIX005
86OUTY006
87LDM8000
88CMPD1D2M100
95MPS
96ANDM110
97ANIX006
98ANIY017
99OUTY013
100MRD
101ANDM101
102MPS
103ANDX004
104ANIM4
105OUTM1
106MRD
107ANDX005
108ANIM5
109OUTM2
110MPP
111ANDX006
112ANIM6
113OUTM3
114MPP
115ANDM102
116ANIX004
117ANIY013
118OUTY017
119LDY013
120OUTY002
121LDY017
122OUTY003
123LDM1
124PLSM51
126LDM51
127ORT10
128ORY010
129ANIM11
130ANIX013
131ANIY014
132OUTY010
133LDX010
134ORM11
135ANIT0
136OUTT0K10
139OUTM11
140LDT0
141ORY014
142ANDX010
143ANIX010
144ANIX020
145OUTY014
146LDIX010
147OUTT10K5
150LDM2
151PLSM52
153LDM52
154ORT11
155ORY011
156ANIM12
157ANIX014
158ANIY015
159OUTY011
160LDX011
161ORM2
162ANIT1
163OUTT1K10
166OUTM12
167LDT1
168ORY015
169ANDX011
170ANIY011
171ANIX021
172OUTY015
173LDIX011
174OUTT11K5
177LDM3
178PLSM53
180LDM53
181ORT12
182ORY012
183ANIM13
184ANIX015
185ANIX016
186OUTY012
187LDX012
188ORM13
189ANIT2
190OUTT2K10
193OUTM13
194LDT2
195ORY016
196ANDX012
197ANIY012
198ANIX022
199OUTY016
200LDIX012
201OUTT12K5
204END
4电气元件的选择
4.1数码管的选择
数码管中LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近30%。
一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%。
本设计选用八个高亮的共阴极七段数码管，其工作电压为2V、额定电流25mA（每段）。
本设计使用直流12V电源供电，为了限制其供电电流，须加入限流电阻R，其电阻阻值为4千欧。
4.2蜂鸣器的选择
蜂鸣器选择腾飞达公司生产的型号为KXG1212的压电无源插针蜂鸣器,其工作电压为12V。
4.3电梯的选择
电梯选择上海三菱公司生产的型号为LEHY-II的电梯,其工作速度是1.0m/s，载重量是800Kg。
其四大特点是：
自由、环保、精确、扩展。
4.4压力传感器
压力传感器是测量电梯载荷的装置，为控制系统提供电梯的载荷信号。
工作原理是：
将电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当的方式组成电桥，从而将物体的质量转换成电信号。
主要由两部分组成，第一部分是弹性敏感元件，将被测物体的压力、质量转换为弹性体的应变值；第二部分是作为传感元件的电阻应变计他将弹性体的应变同步的转换为电阻值的变化在进行相应的转化后输出。
4.5控制系统保护元件的选择
4.5.1 短路保护
选用熔断器FU的熔体熔断而切断电路来进行短路保护。
4.5.2 过载保护
采用热继电器FR。
由于热继电器的热惯性较大，即使发热元件流过几倍于额定值得电流，热继电器也不会立即动作。
因此在电动机启动时间不太长的情况下，热继电器不会动作，只有在电动机长期过载时，热继电器才会动作，用它的常闭触头使控制电路断电。
4.5.3 失电压保护
通过接触器KM的自锁环节来实现。
当电源电压由于某种原因而严重欠电压或失电压（如停电）时，接触器KM断电释放，电动机停止转动。
当电源电压恢复正常时，接触器线圈不会自行通电，电动机也不会自行启动，只有在操作人员重新按下启动按钮后，电动机才能启动。
4.5.4超程保护
超程也叫超行程，多用于电力设备断路器。
超程是真空开关触头完全闭合后，动或静触头所能移动的距离。
如果超程太小，就不能保证触头在烧损后应有的触头压力，同时，初始分闸速度变小，会影响真空开关的开断关合和动热稳定性能，甚至产生重合闸弹振。
若超程太大，会增加操作机构的合闸功，使合闸变得极不可靠。
真空开关的超程取额定开距的15%～40%左右，10kV级真空开关的超程一般取3～4mm。
本设计的真空开关动静触头之间的接触采用平板接触，其目的是为了保证接触压力，从而保证开关接触良好。
4.6电动机及其自动门机的选择
电动机额定电压选择一般是由工厂或车间的供电条件决定的。
我国一般标准是交流电
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