液压施工升降机电气控制系统设计毕业设计Word格式.docx
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液压施工升降机的上、下行工作原理基本相似。
以上行工作为例，在工作开始时，可编程控制器PLC接受到来自于触摸屏按钮的选层及上行控制指令，PLC输出上行控制信号使上行电磁阀YV1带电，电机启动接触器KM1通电，启动变量泵工作，油液进入马达，带动曳引轮旋转，从而施工升降机吊笼启动。
同时，PLC按照理想加速曲线输出相应的加速曲线信号经D/A模块后至比例放大器，比例放大器为比例电磁铁提供特定的控制电流，从而控制变量泵的输出流量，进而控制吊笼的启动运行速度，当速度达到最大值时，吊笼以速度最大值稳定运行。
在施工升降机运行过程中，PLC接收井道装置各处信号，数据处理后将楼层的当前位置、运行监控状态等信息及时显示，以便了解施工升降机的运行状态。
当PLC接收到减速信号时，PLC按照理想减速曲线模拟输出速度，比例电磁铁的输入电流也随着理想减速曲线减少，液压系统流量减少，从而使吊笼运行速度不断下降。
当施工升降机到站时，PLC输出控制信号使上行电磁阀YV1不带电，电动机启动接触器KM1失电，液压系统关闭，施工升降机停止运行。
2液压施工升降机（电气控制系统）的硬件设计
2.1液压施工升降机控制系统的组成
图2.1施工升降机的控制方案
如图2.1所示，本控制系统的硬件主要由可编程控制器核心控制模块、模拟量输出模块、井道及安全装置等。
控制系统主要包括信号控制和速度控制两大部分。
控制系统的核心是
PLC，集中解决输入信号的数据处理和输出逻辑控制的问题。
系统参数设
定、显示功能则由触摸屏完成。
系统设有安全运行电路，只有满足安全运
行条件，施工升降机才能运行，否则发生故障报警信号，并让PLC所有输
出点恢复安全输出状态。
当满足安全运行条件时，输入呼层信号时，系统进行判断识别，送出呼层显示至触摸屏显示，系统通过选层后调用加速曲线，通过模拟输出模块输出速度信号不断传输给比例电磁铁，控制比例泵的输出流量进而控制吊笼的运行速度，使吊笼按预定曲线运行。
当吊笼到达目的层时，系统发出吊笼停车的信号、消层信号，系统调用减速曲线，进而使液压电动机制动、比例泵停转。
综上所述，本系统采用PLC为核心控制器，触摸屏作为监控显示模块，两者通过串口进行通信来控制系统的执行部件，实现施工升降机的控制。
2.2PLC选型及模块介绍
2.2.1PLC的选型
目前，可编过程控制器的生产厂家众多，产品型号、规格不可胜数，但主要分为欧、日、美三大块。
在中国市场上，欧洲的代表是西门子公司，日本的代表是三菱和欧姆龙公司，美国的代表是AB与GE公司。
各大公司在中国均推出自己的从微型到大型的系列化产品。
PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。
三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一，在工业中应用的较广泛，因此这里选择了FX2N系列的FX2N-48MR作为系统的主控单元，几乎所有的编程控制、数据处理及通讯功能均由它来实现。
它具有24个输入点和24个输出点，而系统只需16个输入点和9个输出点，因此留有足够的余量，以备将来改进生产工艺扩展用。
2.2.2PLC模块介绍
PLC是在继电器控制技术、计算机技术和现代通信技术的基础上逐步发展起来的一项先进的控制技术。
在现代工业发展中PLC技术、CAD/CAM技术和机器人技术并称为现代工业自动化的三大支柱。
它主要以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出（I/O）来控制各种生产过程。
1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了第一台可编程逻辑控制器——PDP-14，并成功地应用在GM公司的生产线上。
第一台PLC采用计算机的初级语言编写应用程序，其CPU采用中、小规模集成电路组成，以逻辑运算为主，它实质上是一台专用的逻辑控制计算机。
1971年，日本引进了这项技术，并开始生产自己的PLC。
1973年，欧洲一些国家也生产出自己的PLC。
1974年，我国开始了PLC技术的研究，并在1977年研制出第一台具有实用价值的PLC。
在这一时期，PLC主要是用于顺序控制。
随着半导体技术，尤其是微型计算机技术的发展，到了20世纪70年代中期以后，PLC广泛采用微处理器作为中央处理器，并且在外围的输入/输出（I/O）电路中逐渐使用了大规模和超大规模的集成电路，这时的PLC已经不仅仅具有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和通信联网功能。
虽然美国电气制造商协会其正式命名为可编程控制器，但由于近年来PC又可表示为个人计算机，为了加以区别，人们常把可编程控制器称为PLC。
1987年国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准草案中对PLC作了如下的定义：
“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，用来在其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，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围设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。
（1）PLC的特点
PLC技术的高速发展，除了得益于工业自动化的客观需求外，主要是由于它具有许多独特的优点。
PLC是传统的继电器技术和现代的计算机技术相结合的产物。
而在工业控制方面，PLC还具有继电器控制或计算机控制所无法比拟的优点。
①可靠性高，抗干扰能力强
可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。
这主要是由于它采用了一系列特有的硬件和软件措施。
硬件方面：
在输入/输出（I/O）通道采用光电隔离，有效抑制外部干扰源对PLC的影响；
在设计中采用滤波器等电路增强PLC对电噪声、电源波动、振动、电磁波等的干扰，确保PLC在高温、高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣工业环境下能稳定地工作；
对中央处理器（CPU）等重要部件采用具有良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少电磁干扰。
软件方面：
PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延迟，保证在程序出错和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；
当CPU、电池、输入/输出接口、通信等出现异常时，PLC的自诊断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大；
停电时，后备电池会正常工作。
②应用灵活，编程方便
PLC的方便灵活性主要体现在以下两个方面。
编程的灵活性：
PLC采用与实际电路非常接近的梯形图方式编程，广大电气技术人员非常熟悉，易于掌握，易于推广。
对于企业中一般的电气技术人员和技术工人，也可以很容易地学会程序设计。
这种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的计算机语言相比更易于接受，故梯形图被称为面向“蓝领的编程语言”，PLC也被称为“蓝领计算机”。
扩展的灵活性：
它可以根据应用的规模进行容量、功能和应用范围的扩展，甚至可以通过与集散控制系统（DCS）或其他上位机的通信来扩展功能，并与外围设备进行数据的交换。
③易于安装、调试、维修
PLC用软件功能取代了继电器-接触器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，大大减少了控制设备外部的接线。
在安装时，由于PLC的I/O接口已经做好，因此可以直接和外围设备相连，而不再需要专用的接口电路，所以硬件安装上的工作量大幅减少。
用户程序可以在实验室进行模拟调试，调试完成后再进行生产现场联机调试，使可编程控制器原理与应用控制系统设计及建造的周期大为缩短。
PLC还能够通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O状态和电源状态等，非常有利于维护人员对系统的工作状态进行监视。
另外，PLC的模块化结构可以使维护人员很方便地检查、更换故障模块，当控制功能改变时能及时更改系统的结构和配置。
而且各种模块上均有运行状态和故障状态指示灯，便于用户了解运行情况和查找故障。
如果一旦其中某个模块发生故障，用户可通过更换模块的办法，使系统迅速恢复运行。
有些PLC如奥地利贝加莱公司的产品还允许带电插拔I/O模块。
④功能完善，适用性强
PLC发展至今，已形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可用于各种规模的工业控制场合。
PLC除了具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能外，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能，可用于各种数字控制领域。
此外，PLC还具有较完善的自诊断、自测试功能。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
由于PLC通信功能的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种自动控制系统变得非常容易。
PLC还具有强大的网络功能。
它所具有的通信联网功能，使相同或不同厂家和类型的PLC可进行联网，并与上位机通信构成分布式控制系统。
使其不仅能做到远程控制、进行PLC内部或与上位机进行通信，还具备专线上网、无线上网等功能。
这样PLC就可以组成远程控制网络。
⑤体积小，能耗低
PLC内部电路主要采用微电子技术设计，因此具有体积小、质量轻的特点。
这些特点使其很容易装入机械结构内部，组成机电一体化的设备。
2.3比例变量泵
本系统选用公称排量为160ml/r的BCY14-1B型电液比例控制变量泵，是利用“流量——位移——力反馈”的原理设计的，是CY14-1B型轴向柱塞泵中一种新的变量型式，是靠外力空油压来控制变量机构，并利用输入比例电磁铁的电流大小来改变泵的流量，输入电流与泵的流量成比例关系。
其变量特性曲线及液压原理符号。
BCY14-1B型变量泵的主要性能指标为：
滞环H1<
5%,重复精度HR<
3%，非线性度HLI<
5%。
H△1<
2%，频响f-3dB≥1.5MHz（160、250BCY泵），f-3dB≥3MHz（25、63BCY泵）。
图2.2BCY14一IB变量泵变量特性曲线及液压原理符号
另外，比例变量泵可在输入电流的作用下，对排量实现比例控制而不受负载的干扰。
该泵控制灵活、动作灵敏、重复精度高、稳定性好，能方便的实现液压系统的遥控、自控、无级调速、跟踪反馈同步和计算机控制，适用于工业自动化的要求。
2.4控制系统设计
2.4.1主回路设计
根据系统的控制要求，主电路只要一台三相异步电动机用以驱动变量泵，并且该电动机只需单方向旋转，因此可用一个接触器KM1进行控制。
为了限制起动电流，减小其起动是对电源电压的冲击，三相异步电动机采用星形-三角形降压启动方式。
采用电磁抱闸断电制动，接触器KM1断电释放时，电磁抱闸线圈YB使闸瓦制动器紧紧地抱住与电动机同轴的制动轮，于是电动机迅速停转；
当接触器KM1得电吸也得电合并自锁时，其主触点闭合，电磁抱闸线圈也得电，使抱闸的闸瓦和闸轮分开，电动机启动运转。
电动机采用带断相保护的热继电器FR做过载保护：
当电动机过载时，热继电器FR常闭触点串接在安全运行电路中；
短路保护：
短路时，熔断器FU的熔体熔断而切断电路起保护作用；
欠电压、失电压保护：
当线路出现过载、短路、失压、欠压故障时，具有欠电压保护功能的断路器QF能自动分断故障路线。
控制变压器T1、T2起降压、隔离作用。
如图2.3所示：
图2.3控制系统主回路
2.4.2输入/输出回路设计
将施工升降机运行过程中的各种输入信号，送入PLC的输入中构成其输入电路图。
完成施工升降机运行的各种执行元件及指示施工升降机运行状态的各种显示，均要受到PLC输出口的控制，构成其输出电路，其输入/输出电路如图2.4所示，I/O分配如表2.1所示，触摸屏分配表如表2.2所示。
图2.4施工升降机PLC控制I\O图
表2.1I/O分配表
输入
元件符号
名称及作用
输出
X0
KA2
安全运行继电器
Y0
YV1
上行电磁阀线圈
X1
KA1
门锁继电器
Y1
YV2
下行电磁阀线圈
X2
SA1
基站开关
Y2
HL1
电源指示灯
X3
SQ10
开门到位开关
Y3
HL2
超载报警指示灯
X4
SQ11
关门到位开关
Y4
HL3
液压故障指示
X5
SQ3
上限位开关
Y5
KM1
电动机起动主接触器
X6
SQ4
下限位开关
Y6
KM2
Y型接触器
X7
SQ5
上极位开关
Y7
KM3
△型接触器
X10
SQ6
下极位开关
Y10
HL4
吊笼开门到位指示
X11
1KR
上减速/下平层感应器开关
X12
2KR
下减速/上平层感应器开关
X13
SQ44
超载开关
X14
SB3
液压接通
X15
SB4
液压断开
X16
QF
FR
电动机断路器
热继电器
表2.2触摸屏分配表
M101~M110
停层辅助
M95
上行信号
M201~M210
当前所在层
M96
下行信号
M301~M310
选层信号
M475/M476
停车信号
M401~M410
选层记录
M483
制动
2.5触摸屏选用
该系统引入三菱F940GOT触摸屏，一方面提高自动化水平，另一方面有良好的人机界面功能，用于监控PLC输入和输出各点以及内部寄存器的状况，同时可以在屏幕上设定控制参数启停机器，还能显示实时数据、工作状态和故障信息以及实现与PLC通讯等作用。
3控制系统软件设计
3.1编程软件介绍
采用三菱公司的GXDeveloper软件对PLC进行编程。
该软件能实现的功能较多。
（1）制作程序，见图3.1。
图3.1制作程序示意图
（2）对可编程控制器CPU的写入/读出，见图3.2。
图3.2可编程控制器CPU的写入/读出
（3）监视功能（例：
软元件同时监视机能）
监视功能包括回路监视，软元件同时监视，软元件登录监视机能。
（4）调试，见图3.3。
把制作好的可编程控制器程序写入可编程控制器的CPU内，测试此程序能否正常运转。
此外，使用新开发的GXSimulator6能够用电脑单体进行调试。
图3.3调试示意图
（5）PC诊断。
因为会见现在的错误状态或是故障履历表示出来，可以在短时间内恢复作业。
此外，由于系统监视（仅QCPU（Q模式））能够知道特殊机能的详细情报，发生错误的时候就能够更快的在短时间内恢复作业。
3.2运行流程图
3.2.1系统程序流程如图3.4所示
图3.4方式选择流程图
3.2.2加减速状态运行流程如图3.5所示
图3.5加减速运行流程图
3.3控制梯形图
（1）层楼位置信号的产生与清除环节程序如图3.6所示
图3.6层楼位置信号的产生与清除环节程序梯形图
程序说明：
当施工升降机位于某一层时，产生位于该层的信号，以控制屏幕显示层楼所处的位置，离开该层时，该楼层信号被新的楼层信号（上一层或下一层）所取代。
其楼层梯形图如图3.7所示。
D2OO为施工升降机的楼层数，通过触摸屏显示出来。
X5是上限位开关，装在10楼，当施工升降机运行到10楼时，使D20O为10。
X6是下限位开关，装在1楼，当施工升降机运行到1楼时，使D200为1。
在中间的某些楼层中，施工升降机上行时，每上一层时，D2OO加1;
当下行时，每下一层，D200减1。
另外在施工升降机在1楼～10楼时，分别使M201一M21O置ON，用于消除选层指令。
如果施工升降机楼层显示有误，只要将施工升降机开到顶层或一层，马上就能显示正常。
（2）选层指令信号的登记、消除和显示环节程序如图3.7所示
图3.7选层指令信号的登记、消除和显示环节程序梯形图
操作人员可以选择欲去的楼层。
选层信号M301一M310通过触摸屏置位后发送给PLC登记，同时选层数显示发亮。
当施工升降机到达所选的楼层后，停层信号被消除，触摸屏选层数也应熄灭。
其10层梯形图如图3.7所示。
（3）停层信号的产生和消除环节程序梯形图如图3.8所示
图3.8停层信号的产生和消除环节程序梯形图
施工升降机在停车制动之前，首先确定其停层信号，即确定要停靠
的楼层，每一层产生一个停层辅助信号，1楼一10楼的停层辅助分别是
M101一M110。
1楼停层的条件是施工升降机下行到1楼，10楼的停层条件
是施工升降机上行到10楼;
中间层产生的条件是登记选层信号时并且施
工升降机到达该层。
当施工升降机减速时间达到1S后，停车信号被取消。
（4）停车制动环节程序梯形图如图3.9所示
图3.9停车制动环节程序梯形图
停层信号产生后，与上、下平层感应器配合，进行停车制动。
停车制
动之前，应先产生停车制动信号M475、M476，然后由停车制动信号控制辅
助继电器M483实现停车制动。
为解决施工升降机进入平层区间后才出现
的停车信号致使施工升降机过急停车的问题，采用微分指令将Xll及Xl2
变成短信号。
其三层程序梯形图如图3.9所示。
施工升降机上行时，先接通上行减速信号Xll，则M483接通，施工升
降机开始减速，当达到上平层信号X12接通时，施工升降机制动。
T5是减
速时间，T5触点接通消除停层信号M101～M110。
施工升降机下行时，先
接通下行减速信号X12，施工升降机开始减速，当接通Xll时，施工升降
机停止。
（5）启动加速和稳定运行环节程序梯形图如图3.10所示
图3.10启动加速和稳定运行环节程序
施工升降机启动的条件是运行方向已确定，吊笼门己关好。
其程序梯形图如图3.10所示。
上行时，上行信号M95通过触摸屏接通，当吊笼门关好后X4接通，则M485接通，施工升降机开始加速上行。
下行时，下行信号M96通过触摸屏接通，当吊笼门关好后X4接通，则M485接通，施工升降机开始加速下行。
如果制动信号M483接通时，上行时，碰到上平层X12，则M485为OFF，施工升降机制动;
下行时，碰到下平层Xll，则M485为OFF，施工升降机制动。
（6）数模转换梯形图如图3.11所示
图3.11数模转换梯形图
速度曲线产生方法是利用PLC扩展功能模块D/A模块实现的，其数模转换如图3.11所示。
通过对模块增益设定，采用O一4000的数字量对应0~1OV的电压输出，将数字化的理想速度曲线存入PLC寄存器（D201一D300）。
利用PLC的定周期中断产生施工升降机的理想速度曲线。
3.4安装与调试
3.4.1安装要求
（1）安装与布线
①动力线，控制线以及PLC的电源线和I/O应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双绞线连接。
②PLC应远离强干扰源，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。
③PLC的输入输出最好分开走线，开关量和模拟量也要非开铺设。
模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或二端接地，接地电阻应小于屏蔽电阻的1/10。
④PLC基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独铺设，以防外界信号干扰。
⑤交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆。
（2）外部安全电路
为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源发生故障、PLC出现异常、误操作以及误输出造成的重大损失，和伤害，PLC外部应安装必要的保护电路。
①急停电路
②保护电路
③可编程控制器有监视定时器等自检功能，检测出异常时，输出全部关闭
④电源过负荷保护
⑤重大故障的报警及保护
3.4.2调试
（1）层楼位置信号的产生与清除状态，如图3.12所示
图3.12层楼位置信号的产生与清除控制时序图
（1）
启动后，先设置当前层数，每上行一层为+1，下行一层为-1,设有上下限位开关为X5（10楼）和X6（1楼）。
使所有楼层置ON，用于消除选层指令。
（2）选层指令信号的登记、消除和显示流程，如图3.13所示
图3.13选层指令信号的登记、消除和显示控制时序图
（2）
当施工升降机到达所选的楼层后，停层信号被消除选层数熄灭。
（3）停层信号的产生和消除，如图3.14所示。
图3.14停层信号的产生和消除控制时序图
施工升降机在停车制动之前，首先确定停层信号，每一层产生一个停层辅助信号，1楼--10楼的停层辅助分别是M101一110。
（4）停车制动，如图3.15所示。
图3.14停车制动控制时序图
当有上下平层感应时产生一个脉冲与停车制动信号M475、M47
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