中南大学机电专业科技创新设计任务书.docx
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中南大学机电专业科技创新设计任务书
中南大学机电专业科技创新设计任务书
设计题目:
三层电梯PLC控制系统软件设计
题目类型:
机电一体化工程设计时间:
2011.1.2至2011.1.15
专业班级:
机械0701班指导教师:
王刚
课程设计内容要求:
(1)基本功能要求
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S1~S3,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,SQ1~SQ3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。
实验面板如图所示。
第一章系统的创新点..................................................................................................3
1.1功能创新...........................................................................................................3
1.2选型创新...........................................................................................................3
1.3软件编程技巧及程序调试技巧.......................................................................3
第二章PLC控制回路的设计方法概述.....................................................................4
2.1PLC控制回路的设计原则...............................................................................4
2.2设计的主要内容和任务..................................................................................5
第三章三层电梯PLC控制系统硬件设计.................................................................6
3.1PLC的I/O点数和类型...................................................................................6
3.2建立输入/输出地址分配表...........................................................................10
3.3控制面板布置图及接线图.............................................................................10
第四章三层电梯PLC控制系统软件设计...............................................................13
4.1主程序的编制.................................................................................................13
4.2程序流程图.....................................................................................................13
4.3程序的梯形图及注释.....................................................................................17
第五章心得体会........................................................................................................27
第一章系统创新点
1.1功能创新
在本系统的设计中,把关闭电梯的软原件放在主程序当中,当系统关闭的时候,控制系统会自动地执行完子程序,让轿厢停在特定的楼层,并把门打开,然后再转向主程序。
这样可以避免把乘电梯的人困在电梯里面,就可以减少对乘电梯的人的人身伤害。
1.2选型创新
由于电梯的控制系统不是很复杂,因此选择三菱公司生产的的更自由、更便捷的FX系列PLC。
它不仅满足本次设计的各项要求,因其可靠性、丰富的扩展性和通用性,使我们设计的控制系统有很强的适用性和扩展性。
为了防止电梯关闭时人被夹到,在电梯门上安装了现在最流行也是最常用的红外对射感应器,既有利于安装而且购买方便。
1.3软件编程技巧及程序调试技巧
分别用不同的软件进行编程和调试。
用FXGP_WIN-C软件进行顺序功能图的编程,而用GXDeveloper软件进行程序的调试。
因为GXDeveloper软件在编程时状态器S的输入单独占一行,这为程序的编写和阅读带来了困难,而FXGP_WIN-C软件就克服了这一困难,在程序的另一行开头输入状态器S,符合我们的编程和阅读习惯。
GXDeveloper软件的调试功能比FXGP_WIN-C软件强大,因此用GXDeveloper软件进行程序的调试。
采用顺序功能图法进行设计可以提高编程效率,并且程序的调试、修改和阅读也很方便。
本程序中用到了很多定时器,采用这种编程方法程序是一步一步运行的,因此用一个定时器就可以实现全部的定时功能,节约了定时器。
功能切换采用输入继电器加状态器的方式。
采用这种方式的好处一是可以很容易的实现各个功能之间的切换,另外方便调试和阅读。
第二章PLC控制系统的设计方法综述
2.1PLC控制回路的设计原则
A、最大限度地满足机械电气设备的控制要求和生产过程的要求;
B、在满足控制要求的前提下,应力求控制系统结构简单、经济;
C、保证控制系统的安全可靠;
D、考虑生产的发展和工艺完善,使PLC的容量留有适当余地。
具体选择时主要考虑以下几点:
2.1.1确定合理的结构型式_
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中;而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。
考虑此系统控制比较简单,应用于小批量的生产线故此选择整体试PLC的结构形式较为合适。
2.1.2确定合理的安装方式
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。
集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,系统反应快、成本低;远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源;多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。
在工厂小批量生产中降低成本是很重要的,所以此系统选择集中试的安装方式。
2.1.3满足相应的功能要求
_一般小型(_低档)_PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。
_对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。
_对于控制较复杂,要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高档PLC。
但是中、高档PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
此系统只需用开关量控制,选用一般小型PLC即可。
2.1.4满足响应速度要求
_PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。
如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具有高速I/O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
本系统不需要跨范围使用PLC对某些功能或信号也没有特殊的速度要求,不需要选用具有高速I/O处理功能的PLC。
2.1.5满足系统可靠性要求
对于一般系统PLC的可靠性均能满足。
对可靠性要求很高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。
本系统选用一般系统PLC能够满足要求,不需要考虑太多此方面的问题。
2.2PLC系统设计的主要内容和任务
PLC系统设计的内容可涉及诸多方面,对于不同的控制系统,有着不同的被控对象和设计任务,又要考虑到与大量的现场输入、输出设备相连接,但系统设计的主要任务应包括以下几个方面。
1.拟定控制系统设计的技术条件。
技术条件一般是以设计任务书的形式来确定,它是整个控制系统设计的依据;
2.选择用户输入、输出设备;
3.选定可编程控制器的型号与配置;
4.编制PLC的输入/输出分配表(含输入/输出通道分配表)和绘制输入/输出端的子接线图;
5.根据系统设计任务书的要求设计控制程序——设计应用软件,即用相应的编程语言(常用梯形图)进行程序设计;
6.设计操作台、电器柜及非标准电器部件;
7.编写设计说明和使用说明书。
课程设计具体内容包括:
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S1~S3,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,SQ1~SQ3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。
A、制定基于PLC控制系统的软件设计方案:
要求系统能完成上述基本功能要求,并在此基础上实现功能创新。
B、根据节点数选择PLC,绘制控制面板布置图。
C、根据I/O分配表,绘制PLC控制系统输入输出接线图。
D、绘制用户程序流程图,并编制PLC程序(要求梯形图+程序注释)。
E、实验室模拟调试程序。
F、整理相关文档,完成课程设计说明书。
第三章三层电梯PLC控制系统硬件设计
3.1PLC的I/O点数和类型
根据题目要求,要完成电梯的呼叫操作、内选按钮选择所需要停靠的楼层和楼层的指示等功能,下面我们将对电梯的运动过程进行分析。
我们以电梯停在一楼举例。
当电梯停在一楼时,可以在一楼、二楼和三楼分别呼叫。
当在一楼呼叫时,电梯门直接打开,按下所选楼层后,电梯门关闭,到达所选楼层后,电梯门打开,人出来以后,电梯门自动关闭,等待呼叫;在二楼呼叫时,电梯先到达二楼(通过电机的正转实现),电梯门打开,按下所选楼层,电梯门自动关闭,到达所选楼层以后,电梯门打开人员出来,电梯门关闭,等待呼叫,在三楼呼叫时和在二楼呼叫时分析方法相同。
3.1.1输入设备数量的确定
需要有三个开关来控制内选按钮,分别设为X0、X1和X2;每个楼层都要有呼叫按钮,因为是三层所以需要四个,分别设为X3、X4、X5和X6;每一层都需要一个行程开关,一共三个,分别设为X7、X10和X11;轿厢内关门和开门个需要一个,分别设为X12和X13;传感器的输入需要一个输入接口,设为X14;此外,还需要两个开关来分别控制电梯的运行和关闭,分别设为X15和X16。
因此,总共需要15个输入。
3.1.2输出设备的数量确定
每一层的外面需要三个指示灯来指示所到达的楼层,分别设为Y0、Y1和Y2;电梯的上升、下降和停止需要控制电机的正反转和控制刹车,需要三个输出,分别设为Y3、Y4和Y12;在轿厢内选择所需要到达的楼层以后,需要让所选的楼层点亮,需要三个输出,分别设为Y5、Y6和Y7;在上升和下降的时候需要有上升指示和下降指示,分别设为Y13和Y14。
因此,总共需要13个输出。
3.1.3选择PLC
考虑到I/O要各留30%余量,应选择开关量输入24点,开关量输出24点的PLC。
考虑到以后应用到楼层更高、控制更复杂的电梯系统中,所选择的PLC应该留有30%的输入输出余量,并且要易于扩展。
因此选择FX2N-48MR-D,共有24个输入和24个输出,满足要求,并且和此型号PLC配套的有输入输出扩
展模块、特殊功能模块/单元、混合温度传感器输入、和通信/网络等单元,易于后续的开发和改进。
图1FX2N-48MR型PLC
3.1.4传感器的选择
A、传感器的选择原则
首先需要考虑检测对象。
光学性质与物理距离将决定采用何种传感模式与哪种光源最合适。
例如,在检测单色纸箱的情况下,也许可以采用廉价的、从纸箱上反射光束的散射传感器。
但当纸箱为彩色从而使反射率不同时,就不能采用以上解决方案。
在这种情况下,最好的解决方案也许是采用相反或反射模式传感器。
在此方案中,系统是通过屏蔽光束来工作。
当纸箱到位时,光束被遮挡,从而使纸箱检测。
如果没有透明的箱子,此技术应该能获得可靠的结果。
目前已有好几种传感器能检测不同高度的纸箱。
距离在选择光源,例如LED或激光时起重要作用。
LED虽比较便宜,但由于它是一种散射度较高的光源,因此适合短距离使用。
激光可聚焦在一个点上,因此能获得传播距离更远的光束。
当需要检测细微特征时,良好的聚焦也很重要。
如果需要从几英尺外对准细微特征,则必须使用激光。
激光传感器要比LED要贵很多倍,不过这种差别已经被激光二极管价格的下降缩小了。
虽然目前使用的激光仍然较贵,但比起过去的花销已经降低了很多。
其次是传感器的工作环境。
选择传感器时的另一项决定因素是工作环境。
一些行业(如食品与汽车行业等)的工作环境可能会很脏或很危险,或二者都有。
在处理食品时,湿度可能会较高以及有很多液体。
处理引擎或其他零件的汽车制造厂车间,也可能会有沙子、润滑剂和冷却剂等。
在这种情况下,必须考虑传感器的环境适应性,如果传感器不能适应污垢环境就不能被使用。
这种考虑还会影响所需的检测范围,因为可能需要将传感器放在恶劣环境外一个更远的位置上(而不是放在所需的位置)。
如果指示灯被弄脏或信号减弱,那么能够主动告警和通知是很有帮助的。
类似的环境问题也会影响传感器的尺寸,尺寸的变化可以从比一个手指还小到比张开的手掌还大。
小尺寸传感器比大尺寸传感器要贵,因为将所有部件都装入一个小空间内的成本更高。
小尺寸传感器收集光线的面积更小,一次检测范围更小,光学性能更低。
这些缺点必须克服,以便小尺寸传感器能更好地可用物理空间相匹配。
再如,在半导体洁净室设备中所使用的传感器虽然工作环境不恶劣,但必须在狭窄的空间内工作。
其检测距离通常为数英寸,因此传感器一般都较小。
这些传感器还常常使用光纤来将光线导入(或导出)检测区。
最后,根据前面的介绍和比较,为了便于PCL控制程序的编写,利于公司企业的经济效益,综合其各种情况,选定传感器。
B、本系统传感器的选择
根据本设计的要求需要对位置检测装置和压力传感器进行选用。
位置检测装置检测物件动作是否到位,压力传感器检测轿厢内是否有人。
(1)位置检测装置
在该系统设计过程中,当轿厢在各个楼层之间运动的时候,需要判断轿厢的位置,以让轿厢准确停在特定的楼层而不至于出现事故,所以要加位置传感器。
位置检测装置按测量方法不同可分为增量式和绝对式测量。
脉冲编码器,旋转变压器,感应同步器,光栅,磁栅,激光干涉仪等都是增量检测装置。
绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘(或称多圈式绝对编码盘)。
按检测信号不同可分为数字式和模拟式测量。
常见的位置检测装置如下表
类型
增量式
绝对式
回转型
脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅
多速旋转变压器、绝对脉冲编码器、三速圆感应同步器
直线型
直线感应同步器、计量光栅、磁尺激光干涉仪
三速感应同步器、绝对值式磁尺
表1常见的位置检测装置
而最常用的位置检测装置是行程开关。
行程开关又称限位开关,是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器,用于控制机械设备的行程及限位保护。
在实际生产中,将行程开关安装在预先安排的位置,当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时,行程开关的触点动作,实现电路的切换。
行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。
X7、X10和X11处的位置检测是要求机器人旋转一定角度后,检测其是否回原位。
故需要采用回转型,由于对精度要求不高,所以采用旋转变压器。
因为所需检测的范围为0到180度,故不采用正余弦旋转变压器,而采用线性旋转变压器。
(2)红外传感器的选择
红外技术发展到现在,已经为大家所熟知,这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。
红外传感系统是用红外线为介质的测量系统,按照功能能够分成五类:
(1)辐射计,用于辐射和光谱测量;
(2)搜索和跟踪系统,用于搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置并对它的运动进行跟踪;(3)热成像系统,可产生整个目标红外辐射的分布图像;(4)红外测距和通信系统;(5)混合系统,是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。
本电梯采用红外对射感应器,来检测在电梯在关门的时候是否有乘客想进出电梯。
图2红外对射感应器SAB-20
在电梯门上安装红外对射感应器,一边门装发射极,一边装接收极。
当中间光束被挡,接收极收不到发射的光束,就说明有人通过电梯门口,电梯门停止动作;当感应器的接收极接收到光束,说明此时已经没有人从电梯门口经过,可以进行关门动作。
这样就避免了人被夹在电梯的门里而受到伤害的情况。
光源
数字式滤波
光轴调整角度(水平)
180°(±90°)
应答速度
35~700msec可调
光轴调整角度(垂直)
24°(±10°)
报警输出
输出触点容量ACDC30V0.5Amax
瞄准器
视窗式
电源
DC12~18V
接线
螺旋式端子
使用温度
-25℃~+55℃
除露、除霜方式
加热式外罩
防拆输出
输出触点容量ACDC30V0.5Amax
高度
28CM
表2红外对射感应器性能参数
该型号红外对射感应器具有如下特点:
(1)抗强光达50,000LUX,内置自动调节强光过滤系统,避免受强光或灯光的影响;
(2)全密封防雨(雾)、防尘(虫)等的全天候一体化结构设计使其能在恶劣的环境中正常工作;
(3)当遇到浓雾或天气恶劣时探测器会自动增强灵敏度(AGC电路);
(4)上下光学镜片同时调整机械设计,使得调整更快、更方便、更准确;
(5)模块化的设计便于探测器的添加及层叠;
(6)水平/垂直光学角度调整方便,易于校准;
(7)内置光学瞄准镜,便于调试;
(8)精密光学聚焦镜技术以及总线控制技术;
(9)具有高水准的抗RFI/EMI能力;
(10)独特的数字滤波电路设计;
(11)感光余裕度达99%;
(12)防雷击电路设计;
(13)带防雨罩设计;
(14)C型继电器输出;
(15)射束遮断周期可调使其更加灵活适应性更强;
(16)专业抗干扰光学外罩;
(17)大功率红外发接收对管,低功耗数字变频处理技术。
3.2建立输入/输出地址分配表
在确定输入/输出设备的数量并选型后,应建立建立输入/输出地址分配表,这对绘制PLC与输入/输出设备之间的接线图及编程用户程序都有很大的帮助。
如表1和表2所示。
序号
名称
输入点
序号
名称
输入点
0
三层内选按钮S3
X0
8
二层行程开关SQ2
X10
1
二层内选按钮S2
X1
9
三层行程开关SQ3
X11
2
一层内选按钮S1
X2
10
红外对射感应器
X12
3
三层下呼按钮D3
X3
11
轿厢内开门按钮
X13
4
二层下呼按钮D2
X4
12
轿厢内压力传感器
X14
5
一层上呼按钮U1
X5
13
电梯打开开关DK
X15
6
二层上呼按钮U2
X6
14
电梯关闭开关GB
X16
7
一层行程开关SQ1
X7
表3输入地址分配表
序号
名称
输出点
序号
名称
输出点
0
三层指示L3
Y0
7
一层内选指示SL1
Y7
1
二层指示L2
Y1
8
电梯门打开KM
Y10
2
一层指示L1
Y2
9
电梯门关闭GM
Y11
3
轿箱下降DOWN
Y3
10
制动SC
Y12
4
轿箱上升UP
Y4
11
下降显示SSXS
Y13
5
三层内选指示SL3
Y5
12
上升显示XJXS
Y14
6
二层内选指示SL2
Y6
表4输出地址分配表
3.3控制面板布置图及PLC和输入、输出设备之间的接线图
图3控制面板图
COM
KM
SL1
SL2
SL3
UP
DOWN
L1
L2
L3
Y7
Y6
Y5
Y4
Y3
Y2
Y1
Y0
Y13
~220V0
+24V0
X16
图4PLC和输入、输出设备之间的接线图
第四章三层电梯PLC控制系统软件设计
4.1主程序的编制
根据图4所示的流程图,首先编制出主程序。
主要的编程思路和特点如下:
A、将主程序分为三大步,分别用输入继电器和状态器的状态判断程序进入哪一个分支,实现了轿厢在哪一个楼层的判别,为分支程序的运行做了铺垫。
B、在每一个主程序下都有三个小的分支程序,分别判断要乘电梯的人员在哪一层呼叫,如果哪一层的呼叫有响应的话,分别执行不同的动作,到达人想去的楼层。
例如电梯停在一层,如果人在一层呼叫,电梯门打开,人进去后可以选择去二层或者三层;如果人在二层呼叫,电梯首先从一层运行到二层,等待人进去以后可以选择去一层或者三层;如果人在三层呼叫,电梯首先从一层运行到三层,等待人进去以后可以选择去一层或者二层,取相应的楼层只需要按相应的按钮就可以了。
C、除了以上这些程序之外,还专门设计了启动、关闭和保护程序,以有利于电梯的正常运行和安全。
4.2程序流程图
图5电梯控制系统的主程序
图6电梯停在一层子程序
图7电梯停在二层子程序
图8电梯停在三层子程序
4.3程序的梯形图及注释
开始
上电
上升显示
刹车
二层显示
到达二层一层
上升
一层显示
二层呼叫
三层呼叫
一层呼叫
停在三层
停在二层
停在一层
关
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