三菱PLC的三层电梯控制系统设计教学文稿.docx

郑州工业应用技术学院课程设计任务书题目 基于PLC的三层电梯控制系统设计 专业、班级14级电气自动化 学号 1402030109 姓名 黄腾腾 主要内容：利用三菱FX系列PLC系统，进行三层电梯控制系统的设计,编写PLC的梯形图程序。在FX系列PLC综合实验面板上，进行实验电路的熟悉和连接。应用组态设计软件进行三层电梯的监控程序设计，要求与PLC程序实现同步。基本要求：电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵，其操纵内容为电梯运行方向。电梯轿箱内设有楼层内选按钮S1S3，用以选择需停靠的楼层。L1为一层指示、L2为二层指示、L3为三层指示，SQ1SQ3为到位行程开关。电梯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。例如，电梯停在一层，在二层轿箱外呼叫时，必须按二层上升呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从一层运行到二层），按二层下降呼叫按钮无效；反之，若电梯停在三层，在二层轿箱外呼叫时，必须按二层下降呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从三层运行到二层），按二层上升呼叫按钮无效。参考资料 1王玮.电气工程实验教程.北京：北京交通大学出版社，2006 2胡学林.可编程控制器教程.北京：电子工业出版社，2005 3刘美俊.电气控制与PLC工程应用.北京：机械工业出版社，2011完 成 期 限： 指导教师签名： 课程负责人签名： 2016年 11 月 28 日 郑州工业应用技术学院课程设计说明书题目：基于PLC的三层电梯控制系统设计姓 名： 黄腾腾 院 （系）： 机电工程学院 专业班级： 14级电气自动化 学 号： 1402030109 指导教师： 赵娟萍 陈静 成 绩： 时间： 2016年 11月 28日至 2016 年 12 月 9日目录第1章 绪论11.1研究背景11.2研究意义11.3电梯的发展历史11.4电梯的基本结构21.5电梯的分类21.5.1 按用途分类21.5.2 按速度分类31.5.3 按控制方式分类3第2章 PLC可编程控制器42.1 可编程控制器简介42.2 PLC的结构及各部分的作用42.3 PLC的结构组成52.4 PLC的工作原理62.5 PLC的编程语言72.5.1 梯形图编辑语言72.5.2 语句表编程语言7第3章 设计内容83.1 基本要求83.2 输入/输出信号编址93.3 PLC外部接线93.4 程序设计10第4章 程序调试144.1 程序输入144.2 外部连线144.3 PLC的通信及下载15第5章 调试结果及分析165.1 调试结果165.2 调试结果分析16总结19参考文献20附录21梯形图21语句表24第1章 绪论1.1研究背景随着城市进步而不断发展，城市快速的崛起，高层建筑不断增多，电梯成为高层建筑中垂直运行的工具已与人们的日常生活息息相关的一部分。它是采用电力拖动，把载有物品与乘客的轿厢，在刚性导轨之间垂直的运行，运送乘客与货物的升降设备。所以，电梯是作为高层运输的服务的设施。电梯具有安全可靠性高、运送速度快，操作简易的优点。而传统的电梯控制方式主要采用继电器的接触器进行控制，其缺点有触点多，故障高、可靠差、维修工作大等，但是采用 PLC控制电梯可以很好地解决哪些问题，使电梯运转更加安全、方便、舒适。 眼下电梯的控制方式一般采用这两种方式，一是运用微机当作信号控制系统单元，完成电梯的信号的采集工作、运转状态和性能的设定，完成它的自动调度和选择运行功能，电梯拖动控制是由变频器去完成；第二种方式则是用可编程控制器代替微机来实现控制。从控制方式与性能上比较，这两种方式并没有过大的区别。PLC可靠性强，设计程序也比较方便简单。1.2研究意义通过可编程控制器可以实现由继电器实现的逻辑控制功能，而且最主要的是可编程控制器的可编程功能使得当改变电梯的控制功能时，只要更改程序即可，而不需要想继电器控制系统那样改变硬件和接线。因而利用PLC进行控制大大提高了电梯系统的安全性和可靠性同时也降低了成本。由可编控制器（PLC）和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。采用PLC控制的电梯可靠性高维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更加复杂的控制任务，已成为电梯控制的发展方向，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。1.3电梯的发展历史电梯在汉语词典中的解释为：建筑物中用电作为动力的升降机，代替步行上下的楼梯。根据外国相关资料表示，在公元前 2800年，古代的埃及，当时为了造那时的金字塔，使用过是由人力来驱动升降装置的机械。公元1765年，瓦特发明了出来蒸气机后，1858年美国的研究以蒸汽作动力，并且通过履带传动和一些减速的配置来驱动电梯，1878年阿姆斯特，创造了水压梯，后来水压梯的进一步发展逐渐取代蒸汽梯，接下来又出现了由液压泵以及直接柱塞式和侧柱塞式结构的液压梯，这种至今仍被人们采用。因为18世纪后期发明了电机，尤其是交流双速电动机的发明，明显改善了电梯的一些不足。然而真正能够称为电梯的产品应该是在20世纪初期才出现的，美国OTIS电梯公司第一个用直流电动机当为动力，创造以槽轮式驱动的直流电梯。在此之后，电梯这种产品，随着时间发展一直在跟新换代。现在的电梯，不仅规格多，自动化水平高，并且安全性能高，乘坐舒适性也高。1.4电梯的基本结构电梯一般由五部分组成：井道和机房、传动部分、升降部分、安全装置、控制部分。1.5电梯的分类1.5.1 按用途分类（1）客梯 代号K 为运行乘客而设计的电梯,有完善的安全装置。（2）货梯 代号H 为运送货物而设计的电梯,通常有人操作,有必备的安全装置。（3）客货梯 代号L 主要用作运送乘客,但也可运送货物,它与客梯的区别在于轿厢内部装饰结构不同。（4）病床电梯 代号B 为运送病床而设计的电梯,具有轿厢长而窄的特点。（5）住宅电梯 代号Z 住宅楼使用的电梯,一般采用下集选控制方式,轿厢内部装饰较简单。（6）杂物电梯 代号W 供图书馆,办公楼,饭店运送图书,文件,食品等。不容许人员进入电梯,结构简单,无乘人必备的安全装置。（7）船舶电梯 代号C 用于船舶上的电梯,能在船舶摇晃中正常工作。（8）观光电梯 代号G 轿厢壁透明供乘客观光之用。（9）还有一些专用电梯。1.5.2 按速度分类（1）低速电梯 速度不大于1米/秒的电梯（2）快速电梯 速度大于1米/秒,低于2米/秒的电梯（3）高速电梯 速度在2米/秒以上的电梯1.5.3 按控制方式分类（1）手柄操纵控制电梯 由司机操纵轿厢内的手柄开关，实行轿厢运行控制的电梯。 （2）按钮控制电梯 具有简单的自动控制方式的电梯，具有自动平层功能。（3）信号控制电梯 自动控制程度较高的有司机电梯.基友自动平层，自动开门。（4）集选控制电梯 高度自动控制的电梯，可无司机驾驶，初信号控制的电梯功能外，还具有自动掌握停站时间，自动应召服务，自动换向应答反向厅外召唤等功能。（5）下集选控制电梯 只有在电梯下行时才能被截停的集选控制电梯。（6）并联控制电梯 几台电梯被连在一起控制，共用厅门外召唤信号的电梯，具有集选功能。（7）梯群程序控制电梯 多台集中排列，共用厅外召唤按钮，按规定程序集中调度和控制的电梯。（8）梯群智能控制电梯 由电脑根据客流情况，自动选择最佳运行方式的集群控制电梯。第2章 PLC可编程控制器2.1 可编程控制器简介可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程控制器PLC，为了用来代替继电器，来执行判断、计数、等顺序功能控制。PLC的基本设计思想是反映计算机功能灵活、完善、通用等优点和继电器控制系统的操作方便、简单易懂、价格便宜等优点统一的结合起来，控制器的那些硬件是通用的、标准的。依据实际对象，将控制内容写成软件输入到控制器的程序存储器中。被控对象与控制器连接方便。随着技术的发展，特别是微型计算机和微处理器的发展，到70年代以后，PLC已普遍地使用微处理器当作中央处理器。的输入输出模块和外接电路全部都运用了大、中规模乃至于超大规模的集成电路，现在的PLC已经不再是只具有判断功能，它还同时有PID调节、数据处理、和数据通信等功能。可编程控制它是一种用数字运算来操作的电子系统，专门为在工业条件下应用而去设计，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。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。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。2.2 PLC的结构及各部分的作用可以编程控制器的结构各式各样，但是它们所组成的原理一般基本相同，全部是用微处理器作为核心结构。一般是由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM、 RAM）、输入输出单元（I/O）、编程器和电源等几个部分所组成。PLC的结构如图2.2-1所示。图2.2-1 PLC的结构图2.3 PLC的结构组成（1）中央处理单元（CPU）CPU作为整个PLC的核心，充当总指挥作用。CPU由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU的功能有以下一些：从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。（2）存储器（ROM、RAM）存储器一般用于存放系统的程序、用户的程序及工作的数据。存放系统软件的存储器叫做系统程序存储器；存放应用软件的存储器叫做用户程序存储器；存放工作数据的存储器叫做数据存储器。常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。掉电时，可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM都是只读存储器。用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。（3） 输入输出单元（I/O单元）I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器往往是电磁阀、接触器、继电器。（4）电源电源是指为CPU、I/O存储器接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也是输入设备提供直流电源。（5）编程器 编程器是PLC的最主要外围设备。用编辑器把用户程序写入PLC的存储器，还可以有用编辑器检查程序，修改程序，监视PLC运行状态。除此，在个人计算机上添加相应的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。2.4 PLC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处于暂停状态时，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。（1）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像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映像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。遇到程序跳转指令，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从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。对于每个器件来说，器件映像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，将输出映像寄存器，即器件映像寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。2.5 PLC的编程语言PLC的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制设计的。2.5.1 梯形图编辑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：（1）梯形图按从左到右、从上到下的顺序排列。每一逻辑行始于左母线，然后是触点的串、并联连接，最后是线圈与右母线相连。（2）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”只是形象的描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。（3）输入继电器用于接收外部的输入信号，而不能由PLC内部其他继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只能出现输入继电器触点，而不能出现其线圈。输出继电器输出程序执行的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。2.5.2 语句表编程语言 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。第3章 设计内容3.1 基本要求本设计所用控制面板如图3.1-1所示。电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵，其操纵内容为电梯运行方向。电梯轿箱内设有楼层内选按钮S1S3，用以选择需停靠的楼层。L1为一层指示、L2为二层指示、L3为三层指示，SQ1SQ3为到位行程开关。电梯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。例如，电梯停在一层，在二层轿箱外呼叫时，必须按二层上升呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从一层运行到二层），按二层下降呼叫按钮无效；反之，若电梯停在三层，在二层轿箱外呼叫时，必须按二层下降呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从三层运行到二层），按二层上升呼叫按钮无效。图3.1-1 控制面板图3.2 输入/输出信号编址根据设计要求可知，该系统输入信号有10个：三个楼层的接近开关SQ1、SQ2、SQ3，三个电梯内部楼层选择按钮S1、S2、S3，四个外部上下召唤按钮D3、U2、D2、U1。系统共有8个输出信号：上行指示灯UP，下行指示灯DOWN，楼层显示指示灯L1、L2、L3，目标楼层显示灯SL1、SL2、SL3，其I/O地址分配表如表3.2-1所示。表3.2-1 PLC的三层电梯控制系统的I/O口分配表输入信号输出信号S3X001L3Y000S2X002L2Y001S1X003L1Y002D3X004DOWNY003D2X005UPY004U1X006SL3Y005U2X007SL2Y006SQ1X010SL1Y007SQ2X011SQ1X0123.3 PLC外部接线本设计使用控制器的是三菱的小型PLC，电梯模块是三层电梯模块。由于本设计使用的输入输出较多，因此在连接外部接线时一定要有顺序的进行，以免连错线。三层电梯系统外部接线图如图3.3-1所示。图3.3-1 三层电梯系统外部接线图3.4 程序设计本设计核心思想是使用中间继电器作为状态存储器，把个输入输出以及运行状态记录下来。如图3.4-1所示，给电梯一个起始脉冲，使电梯停在初始位置一楼。图3.4-1 起始脉冲片段如图3.4-2所示，电梯位于一楼时，从电梯内部呼叫以及从电梯外部呼叫指令，电梯开始运行上楼。图3.4-2 一楼内呼外呼片段如图3.4-3所示，电梯运行上升时，由拨动开关对电梯进行位置限定，决定着电梯到达二楼或三楼的运行。图3.4-3 上升时位置限定片段如图3.4-4所示，电梯位于二楼时，电梯向上运行或者向下运行，其对应的指示灯亮。图3.4-4 二楼内呼外呼片段如图3.4-5所示，电梯位于三楼时，从电梯内部呼叫以及从电梯外部呼叫指令，电梯开始运行下楼，对应指示灯亮。图3.4-5 三楼内呼外呼片段如图3.4-6所示，是电梯运行下降时，由拨动开关对电梯进行位置限定，决定着电梯到达二楼或一楼的运行。图3.4-6 下降时位置限定片段如图3.4-7所示，电梯位于二楼时，电梯向上运行或者向下运行，其对应的指示灯亮。图3.4-7 二楼内呼外呼片段第4章 程序调试4.1 程序输入由于本程序的网络较多，故输入程序时要较细心耐心的完成，在程序输入完成时一定要在次细致的检查。最终程序梯形图及语句表如附录所示。4.2 外部连线由于使用的I/O较多所以连线较复杂，所以应有序的连线，先接PLC电源线、模块电源线、I/O的电源线，再其次是输入接口的连线，然后就是输出口的接线，最后还是要细致的检查一遍。PLC接线图如图4.2-1所示，模块接线图如图4.2-2所示。图4.2-1 PLC接线图图4.2-2 模块接线图4.3 PLC的通信及下载用网线把PLC和电脑主机连接在一起，在软件上打开通信功能，找到添加CPU再把程序下载到PLC中。第5章 调试结果及分析5.1 调试结果本设计通过三层电梯模块系统模拟调试，调试结果良好可以实现电梯的正确功能，例如电梯在一楼人在二楼时，按下二楼的向下召唤按钮可以使二楼向下指示灯点亮，同时电梯上行指示灯点亮，表示电梯正在向上运行，然后拨动开关SQ2这时二楼指示灯L2亮，最后上行指示灯和二楼向下召唤指示灯熄灭，人成功的登上电梯。5.2 调试结果分析内呼：首先打开PLC开关并拨动开关SQ1给系统一个起始脉冲，此时一楼电梯指示灯L1亮，说明电梯在一楼，按下电梯内部S2按钮，对应指示SL2灯亮，关闭开关SQ1后拨动开关SQ2，灯L1和SL2熄灭，灯L2亮，电梯到达二楼。此状态如图5.2-1所示。图5.2-1 调试状态结果1按下电梯内部S3按钮，对应指示灯SL3亮，关闭开关SQ2后拨动开关SQ3，灯L2和SL3熄灭，灯L3亮，电梯到达三楼。此状态如图5.2-2所示。图5.2-1 调试状态结果2按下电梯内部S1按钮，对应指示灯SL1亮，关闭开关SQ3后拨动开关SQ1，灯L3和SL1熄灭，灯L1亮，电梯到达一楼。此状态如图5.2-3所示。图5.2-3 调试状态结果3外呼：此时电梯处于一楼（初始状态处），灯L1亮，按下开关D3，关闭开关SQ1后拨动开关SQ3，此时灯L1灭，L3亮，电梯到达三楼。按下开关U2、D2，关闭开关SQ3后拨动开关SQ2，此时灯L3灭，灯L2亮，电梯到达二楼。按下开关U1，关闭开关SQ2后拨动开关SQ1，此时灯L2灭，灯L1亮，电梯到达一楼。整个运行过程结束，整个调试过程指示灯状态准确无误，说明程序被完整的执行，程序没有错误发生。总结本次课程设计是三层电梯控制系统设计，此次课程设计使我深刻的理解了PLC内部运行的机制，同时也是一次很好的复习基础知识的机会，弥补了之前实际操作不足的缺陷。通过此次课程设计，我深刻地认识到要完成一项任务，首先必须要有一个详细的计划，要有系统的思维方式和方法，对待设计过程中的每一个问题都要有耐心，能够运用自己所现有的资源来解决；同时在实践过程中还要善于发现和解决问题，要相信自己有解决问题的能力和勇气。这次课程设计也让我明白了如何去培养创新精神，就要不断地战胜自我，超越自我。我还认识到在电气行业，拥有稳固的基础知识非常重要，每一步操作都需要有熟练地技能做基础，而这正是我所不足的，在未来的学习生活中，我会努力将自己的短板补足了，做自己力所能及的，厚积薄发，超越前人。在此，也感谢老师和同学们让我有一个难忘的课程设计，收获颇多。参考文献1台方.可编程控制器应用教程M. 北京：中国水利水电出版社，2001.9.2余国亮.PLC技术与应用M清华大学出版社，2005.6. 3陈建明.电气控制与PLC应用M电子工业出版社，2006.8.4李长久.PLC原理及应用M机械工业出版社，2006.9.5魏召刚.工业变频器原理及应用M电子工业出版社，2006.9.6余国亮.PLC原理与应用M清华大学出版社，2005.6.7张桂香.电气控制与PLCM机械工业出版社，2006.12.8魏召刚.工业变频器原理及应用M电子工业出版社，2006.9.9陈建明.电气控制与PLC应用M电子工业出版社，2006.8.附录梯形图语句表0 LD X006 31 OR M231 SET M1 32 ANB2 LD X007 33 SET M423 SET M2 34 RST M414 LD X003 35 LD M425 SET M11 36 MPS6 LD X002 37 AND X0117 SET M12 38 LD M128 LD X001 39 OR M29 SET M13 40 LD M2210 LD X005 41 ANI M1211 SET M22 42 ANI M2312 LD X004 43 ORB13 SET M23 44 ANB14 LD M8002 45 SET M4315 SET M40 46 RST M4216 LD M40 47 MPP17 AND X010 48 AND X01218 SET M41 49 SET M4519 RST M40 50 RST M4220 LD M4 51 LD M4221 RST M1 52 RST M222 RST M11 53 RST M1223 OUT T1 K10 54 OUT T226 AND T1 57 AND T227 LD M2 58 MPS28 OR M12 59 LD M1329 OR M13 60 OR M2330 OR M22 61 ANB62 SET M42 95 ORB63 RST M43 96 ANB64 MPP 97 SET M4765 ANI M13 98 RST M4666 ANI M23 99 MPP 67 LD M11 100 AND X01068 OR M1 101 SET M4169 ANB 102 RST M4670 SET M46 103 LD M4771 RST M43 104 RST M2272 LD M45 105 RST M1273 RST M23 106 OUT T4 K1074 RST M13 109 AND T475 OUT T3 K10 110 MPS78 AND T3 111 LD M179 LD M2 112 OR M1180 OR M12 113 ANB81 OR M11 114 SET M4682 OR M22 115 RST M4783 OR M1 116 MPP84 ANB 117 ANI M1185 SET M46 118 ANI M186 RST M45 119 LD M1387 LD M46 120 OR M2388 MPS 121 ANB89 AND X011 122 SET M4290 LD M12 123 RST M4791 OR M22 124 LD M4192 LD M2 125 OUT Y00293 ANI M11 126 LD M4394 ANI M1 127 OR M47121 ANB122 SET M42123 RST M47124 LD M41125 OUT Y002126 LD M43127 OR M47128 OUT Y001129 LD M45130 OUT Y000131 LD M11132 OUT Y007133 LD M12134 OUT Y006135 LD M13136 OUT Y005137 LD M42138 OUT Y004139 LD M46140 OUT Y003141 END142