五層基于plc控制的電梯控制系統的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 易學易用，深受工程技術人員歡迎 PLC 作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言太原科技大學畢業設計論文 8 易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC 的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。 系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC 用 存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。 PLC 的結構及工作原理 PLC 結構 CPU PLC 實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上 與微型計算機相同。 CPU運算和控制中心起“心臟”作用。 縱：當從編程器輸入的程序存入到用戶程序存儲器中，然后 CPU 根據系統所賦予的功能，把用戶程序翻譯成 PLC 內部所認可的用戶編譯程序。 橫：輸入狀態和輸入信息從輸入接口輸進， CPU 將之存入工作數據存儲器中或輸入映象寄存器。然后由 CPU 把數據和程序有機地結合在一起。把結果存入輸出映象寄存器或工作數據存儲器中，然后輸出到輸出接口、控制外部驅動器。 組成： CPU 由控制器、運算器和寄存器組成。這些電路集成在一個芯片上。 CPU 通過地址總線 、數據總線與 I/O 接口電路相連接。 存儲器 存儲器具有記憶功能的半導體電路，分為系統程序存儲器和用戶存儲器。系統程序存儲器用以存放系統程序，包括管理程序，監控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲器、 ROM 組成。廠家使用的，內容不可更改，斷電不消失。用戶存儲器：分為用戶程序存儲區和工作數據存儲區。由隨機存取存儲器（ RAM）組成。用戶使用的。斷電內容消失。常用高效的鋰電池作為后備電源，壽命一般為 3~5 年。 輸入 /輸出接口 （ 1）輸入接口 太原科技大學畢業設計論文 9 光電耦合器由兩個發光二極 度管和光電三極管組成。 發光二級管：在光電耦合器的輸入端加上變化的電信號，發光二極管就產生與輸入信號變化規律相同的光信號。 光電三級管：在光信號的照射下導通，導通程度與光信號的強弱有關。在光電耦合器的線性工作區內，輸出信號與輸入信號有線性關系。 輸入接口電路工作過程：當開關合上，二極管發光，然后三極管在光的照射下導通，向內部電路輸入信號。當開關斷開，二極管不發光，三極管不導通。向內部電路輸入信號。也就是通過輸入接口電路把外部的開關信號轉化成 PLC 內部所能接受的數字信號。 （ 2）輸出接口 工作過程：當內部電路輸出數字信號 1，有電流流過，繼電器線圈有電流，然后常開觸點閉合，提供負載導通的電流和電壓。當內部電路輸出數字信號 0，則沒有電流流過，繼電器線圈沒有電流，然后常開觸點斷開，斷開負載的電流或電壓。也就是通過輸出接口電路把內部的數字電路化成一種信號使負載動作或不動作。 三種類型： 繼電器輸出：有觸點、壽命短、頻率低、交直流負載 。 晶體管輸出：無觸點、壽命長、直流負載 。 晶閘管輸出：無觸點、壽命長、交流負載 。 （ 3）編程器 編程器分為兩種，一種是手持編程器，方便。我們實驗室使用的就是手持編程器。二種是通過 STEP7 軟件向 PLC 內部輸入程序。 工作原理 PLC 采用“順序掃描，不斷循環”的工作方式，每次掃描過程。集中對輸入信號進行采樣。集中對輸出信號進行刷新。 輸入刷新過程。當輸入端口關閉時，程序在進行執行階段時，輸入端有新狀態，新狀態不能被讀入。只有程序進行下一次掃描時，新狀態才被讀入。 一個掃描周期分為輸入采樣，程序執行，輸出刷新。 元件映象寄存器的內容是隨著程序的執行變化而變化的。 掃描周期的長短由三條決定。 執行指令的速度 數 。 由于采用集中采樣、集中輸出的方式，存在輸入 /輸出滯后的現象，即輸入 /輸出響應太原科技大學畢業設計論文 10 延遲。 PLC 控制系統與繼電器控制系統的比較 以前電梯系統控制主要由繼電器來完成，隨著科技的不斷進步，繼電氣控制顯現出一些不足之處， PLC 控制開始的優勢逐漸明顯，并逐漸在取代繼電控制。以下就電梯系統控制將繼電器與 PLC 做簡要比較。 電梯繼電器控制系統的特點及存在問題 電梯繼電器控制系統的優點 （ 1）所有控制功 能及信號處理均由硬件實現，線路直觀，易于理解和掌握，適合于一般技術人員和技術工人所掌握。 （ 2）系統的保養、維修及故障檢查無需較高的技術和特殊的工具、儀器。 （ 3）大部分電器均為常用控制電器，更換方便，價格便宜。 （ 4）多年來我國一直生產這類電梯，技術成熟，已形成系列化產品，技術資料圖紙齊全熟悉掌握的人員較多。 電梯繼電器控制系統存在的問題 （ 1）系統觸點繁多接線線路復雜，且觸點容易燒壞磨損，造成接觸不良，因而故障率較高。 （ 2）普通控制電器及硬件接線方法難以實現較復雜的控制功能，使系統的控制功能不易增加，技術水平難以提高。 （ 3）電磁機構及觸點動作速度比較慢，機械和電磁慣性大，系統控制精度難以提高。 （ 4）系統結構龐大，能耗較高，機械動作噪音大。 （ 5）由于線路復雜，易出現故障，因而保養維修工作量大，費用高；而且檢查故障困難，費時費工。電梯繼電器控制系統故障率高，大大降低了電梯的可靠性和安全性，經常造 成停梯，給乘用人員帶來不便和驚擾。且電梯一旦發生沖頂或蹲底，不但會造成電梯機械部件損壞，還可能出現人身事故。 PLC 在電梯控制中的應用特點 功能強，性能價格比高 一臺小型 PLC 內有成 百上千個可供用戶使用的編程元件（如計時器，計數器，繼電器等），有很強的功能，可以實現非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器相比，具有很高的性能價格比。 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強 太原科技大學畢業設計論文 11 可編程序控制器產品已經標準化，系列化，模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用。用戶能靈活方便的進行系統配置，組成不同的功能、不規模的系統。楞編程序控制器的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 PLC 有很強的帶負載能力，可以直接驅動一般的電磁閥和交流接觸器。 可靠性高，抗干擾能力強 傳統的繼 電器控制系統中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現故障， PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少互繼電器控制系統的 1/101/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。 PLC 采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均無故障時間達到數萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業生產現場， PLC 已被廣大用戶公認為最可靠的工業控制設備之一。 系統的設計、安裝、調試工作量少 PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系 統中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少。 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制設計方法。這種編程方法很有規律，很容易掌握。對于復雜的控制系統，梯形圖的設計時間比設計繼電器系統電路圖的時間要少得多。 PLC 的用戶程序可以在實驗室模擬調試，輸入信號用小開關來模擬，通過 PLC 上的發光二極管可觀察輸出信號的狀態。完成了系統的安裝和接線后，在現場的統調過程中發現的問題一般通過修改程序就可以解決，系統的調試時間比繼電器系統少得多。 編程方法簡單 梯形圖是使 用得最多的可編程序控制器的編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。 梯形圖語言實際上是一種面向用戶的一種高級語言，可編程序控制器在執行梯形圖的程序時，用解釋程序將它“翻譯”成匯編語言后再去執行。 維修工作量少，維修方便 PLC 的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。 PLC 或外部的輸入裝置和執行機構發生故障時，可以根據 PLC 上的發光二極管或編程器提供的實時梯形圖的狀態 迅速的查明故障的原因，用修改程序或更換模塊的方法可以迅速地排除故障。 太原科技大學畢業設計論文 12 體積小，能耗低 對于復雜的控制系統，使用 PLC 后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型PLC 的體積相當于幾個繼電器大小，因此可將開關柜的體積縮小到原來的確 1/21/10。 PLC的配線比繼電器控制系統的配線要少得多，故可以省下大量的配線和附件，減少大量的安裝接線工時，可以減少大量費用。 PLC 的選型 考慮到本次設計的電梯系統有 五 層，且開關量居多，模擬量較少；對于開關量控制為主的系統而言，一般 PLC 的響應速度足 以滿足控制的要求，在小型 PLC 中整體式比模塊式的價格便宜，體積也小， 綜合考慮后，系統選擇了德國西門子公司生產的 S7200 系統 PLC。綜合輸入輸出點的計算以及要實現的電梯控制功能，使用西門子 s7200PLC（ CPU226）加一個擴展模塊，這樣就能完全能夠滿足設計要求。 S7200 系統 PLC 具有以下幾方面的優點： S7200 配置靈活，除主機單元外，還可擴展 I/O 模塊， A/D 模塊， D/A 模塊和其它特殊功能模塊。 S7200 指令功能豐富，有各種指令，且指令執行速度快。 S7200 可用內部 輔助繼電器 M，狀態繼電器 S，定時器 T，寄存器 D，計數器 C 的功能和數量滿足了系統控制要求的需要。 S7200 的編程可用編程器，也可以在 PC 機上使用西門子公司的專用編程軟件STEP7Micro/WIN 來進行。編程語言可用梯形圖或指令表。尤其是可用 PC 機對系統實時進行監控。為調試和維護提供了極大的方便。 電梯 PLC 輸入輸出 圖 21 PLC I/O接線圖 太原科技大學畢業設計論文 13 第三章 變頻器簡介 圖 31 變頻器內部結構圖 變 頻器簡介 變頻器是將工頻電源變成另一種頻率的電能控制裝置。目前，我們所使用的變頻器主要采用交一直一交方式，即先把工頻電源 (50Hz)經過整流裝置整流成直流，再把直流電源轉換成頻率、電壓均可變的交流電。它一般由整流、中間直流環節、逆變和控制 4 個部分組成。整流由整流橋實現，將方向不斷改變的交流電變成方向單一的直流電，中間直流環節起濾波、儲能、緩沖無功功率的作用，逆變器為 IGBT 二相橋式逆變器，輸出 PWM波形。 太原科技大學畢業設計論文 14 圖 32 “交 直 交”變頻器的結構框圖 變頻器出現后，廣泛應用十電機的調速，成為當代電動機調速的潮流。它以可靠性高、精度高、功能強、操作簡便、體積小、重量輕、轉矩大等優點，不斷替換以前的調速方式，從而使變頻調速廣泛應用各個行業，諸如機械、化工、石油、建筑、鋼鐵、電子、醫藥、電梯、城市供水、中央空調、污水處理等各領域。 變頻器的主要功能 變頻器的功能主要具有以下一些功能： 頻率給定功能。變頻器可以根據給定的信號，輸出對應的頻率。給定信號可以是模擬量信號，也可以是數字量信號。給定信號為模擬量信號 時，變頻器輸出的頻率精度略有下降，通常為士 %以內。變頻器根據輸入的電壓或者電流值得到相應的頻率輸出。變頻器外部有若干個輸入端，