電氣自動(dòng)化技術(shù)基于單片機(jī)或plc電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　天 津 大 學(xué) 網(wǎng) 絡(luò) 教 育 學(xué) 院</p><p><b>　　專科畢業(yè)論文</b></p><p>　　題目：基于單片機(jī)（或PLC）電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　完成期限：2016年1月8日 至 2016年4月20日</p><p><b>　　學(xué)習(xí)中心：</b>

2、</p><p><b>　　專業(yè)名稱：</b></p><p><b>　　學(xué)生姓名：王寧</b></p><p>　　學(xué)生學(xué)號(hào)：141901433012</p><p><b>　　指導(dǎo)教師：王正忻</b></p><p>　　基于單片機(jī)（或PLC）

3、電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　一、電梯概述</b></p><p>　　電梯在漢語詞典中的解釋為：建筑物中用電作動(dòng)力的升降機(jī),代替步行上下的樓梯。 </p><p>　　說到電梯的起源要從公元前2600年埃及人在建造金字塔時(shí)使用了最原始的提升系統(tǒng)說起，但這一類起重機(jī)的能源均為人力。到了1203年，法國的二修道院安裝了一

4、臺(tái)起重機(jī)，所不同者只是該機(jī)器是利用驢作為動(dòng)力，載荷由繞在一個(gè)大滾筒上的繩子進(jìn)行起吊。此種方法一直沿用到近代直到瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，約在1800年，煤礦主才能利用起重機(jī)把礦井中的煤輸送上來。 </p><p>　　數(shù)百年來人們制造過各種類型的升降梯，它們都具有一個(gè)共同的缺陷：只要起吊繩突然斷裂，升降梯便急速地墜落到底層。1854年奧的斯設(shè)計(jì)了一種制動(dòng)器：在升降梯的平臺(tái)頂部安裝一個(gè)貨車用的彈簧及一個(gè)制動(dòng)桿與升

5、降梯井道兩側(cè)的導(dǎo)軌相連結(jié)，起吊繩與貨車彈簧連結(jié)，這樣僅是起重平臺(tái)的重量就足以拉開彈簧，避免與制動(dòng)桿接觸。如果繩子斷裂，貨車彈簧會(huì)將拉力減弱，兩端立該與制動(dòng)桿咬合，即可將平臺(tái)牢固地原地固定免繼續(xù)下墜。“安全的升降梯”發(fā)明成功了！一時(shí)間，奧的斯成了眾人注目的中心。第一臺(tái)升降機(jī)并非奧的斯所發(fā)明，但他卻是第一臺(tái)“安全”升降梯的發(fā)明者?！鞍踩边@一概念不僅開創(chuàng)了升降梯工業(yè)，而且也為那些想建造更高層建筑物以增加更多可利用空間的設(shè)計(jì)們打開了通途。&#

6、160;</p><p>　　然而真正能夠稱為電梯（用電能驅(qū)動(dòng)升降梯）的產(chǎn)品應(yīng)該是在20世紀(jì)初才出現(xiàn)的。</p><p><b>　　二、PLC的發(fā)展</b></p><p><b>　　1、PLC的定義</b></p><p>　　可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)

7、的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 </p><p>　　總之，可編程控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能

8、力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。</p><p><b>　　2、PLC的特點(diǎn)</b></p><p>　　（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能 </p><p>　　PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格

9、的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時(shí)間高達(dá)30萬小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。 </p><p>　　此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出

10、警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。</p><p>　　（2）配套齊全，功能完善 </p><p>　　適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)

11、據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。</p><p>　　（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備 </p><p>　　它接口容易，編程語言易于為工程技

12、術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。</p><p>　?。?）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便 </p><p>　　容易改造PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)

13、設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。</p><p>　?。?）體積小，重量輕，能耗低 </p><p>　　以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。</p>

14、<p>　　3、PLC控制系統(tǒng)的組成</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)像一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一樣，也是由硬件和軟件兩個(gè)部分組成的，硬件是指PLC本身及其外圍設(shè)備，軟件是指管理PLC的系統(tǒng)軟件，PLC的應(yīng)用程序，編程語言和編程支持工具軟件。</p><p>　　圖1 PLC控制系統(tǒng)硬件組成</p><p>　　圖為典型PLC控制系統(tǒng)的硬件組成

15、圖。PLC控制系統(tǒng)的硬件是由PLC，輸入/輸出（I/O）電路及外圍設(shè)備等組成的。系統(tǒng)規(guī)?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而定，可大可小。下面對構(gòu)成控制系統(tǒng)的主要部分簡要介紹。 </p><p><b>　　主控模塊 </b></p><p>　　除了早期生產(chǎn)的整體式PLC（PLC的各個(gè)不見都在同一機(jī)殼內(nèi)）外，目前市場多數(shù)的PLC都已采用模塊化的結(jié)構(gòu)（PLC的各

16、個(gè)部件獨(dú)立封裝，稱之為模塊）。在PLC中各個(gè)模塊均通過系統(tǒng)總線相互連接起來構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中最核心的模塊是主控模塊（也稱CPU），它包括：CPU，存儲(chǔ)器，通信接口等部分。</p><p><b>　　輸入/輸出模塊 </b></p><p>　　PLC的控制對象是工業(yè)生產(chǎn)過程，它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過I/O模塊實(shí)現(xiàn)的。生產(chǎn)過程有許多控制變量，如溫

17、度，壓力，液位，速度，電壓，開關(guān)量，繼電器狀態(tài)等，因此，需要有相應(yīng)的I/O模塊作為CPU與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的橋梁。且這些模塊應(yīng)具有較好的抗干擾能力。目前，生產(chǎn)廠家已開發(fā)出各種型號(hào)的模塊供用戶選擇。對于輸入/輸出模塊有：數(shù)字量輸入/輸出模塊，開關(guān)量輸入/輸出模塊，模擬量輸入/輸出模塊，交流新號(hào)輸入/輸出模塊，220V交流輸入/輸出模塊。還有智能模塊，它本身帶CPU，存儲(chǔ)器和監(jiān)控系統(tǒng)，可獨(dú)立完成各種運(yùn)算。智能模塊的種類很多，如高速計(jì)數(shù)模塊，PI

18、D調(diào)節(jié)的模擬量控制模塊，閥門控制模塊，智能存儲(chǔ)模塊和智能I/O模塊。</p><p><b>　　電源模塊 </b></p><p>　　該模塊將交流電源轉(zhuǎn)換成供CPU存儲(chǔ)器所需的直流電源，是整個(gè)PLC系統(tǒng)的能源供給中心。它的好壞直接影響到PLC的功能和可靠性。目前，大多數(shù)PLC采用高質(zhì)量的開關(guān)式穩(wěn)壓電源，與普通電源相比，PLC的電源工作穩(wěn)定性好，抗干擾能力

19、也強(qiáng)。有些機(jī)器的電源除了供內(nèi)部電路使用外，還向外提供24VDC的穩(wěn)壓電源，用于外部傳感器的需要，這樣就避免了因外部電源不合格而引起的外部故障。 </p><p><b>　　I/O電路 </b></p><p>　　PLC的基本功能就是控制，它采集被控對象的各種信號(hào)。經(jīng)過PLC處理后，通過執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)控制。輸入電路就是被控對象（需要進(jìn)行控制的機(jī)器，

20、設(shè)備和生產(chǎn)過程）進(jìn)行檢測，采集，轉(zhuǎn)換和輸入。另外，安裝在控制臺(tái)上的按鈕，開關(guān)等也可以向PLC送控制指令。輸出電路的功能就是接受PLC輸出的控制信號(hào)，對被控對象執(zhí)行控制任務(wù)。</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)的軟件主要是系統(tǒng)軟件，應(yīng)用軟件，編程語言及編程支持工具軟件幾個(gè)部分組成。 </p><p>　　（1）系統(tǒng)軟件與工作過程  </p><

21、;p>　　PLC系統(tǒng)軟件是PLC工作所必須的軟件。在系統(tǒng)軟件的支持PLC對用戶程序進(jìn)行逐條的解釋，并加以執(zhí)行，直到用戶程序結(jié)束，然后返回到程序的起始又開始新的一輪掃描。PLC的這種工作方式就稱之為循環(huán)掃描。 </p><p><b>　　（2）應(yīng)用軟件 </b></p><p>　　PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是指為完成PLC實(shí)際控制任務(wù)而編制的

22、各種軟件。隨著PLC應(yīng)用領(lǐng)域范圍的不斷擴(kuò)大，應(yīng)用水平的提高，PLC應(yīng)用軟件也大大豐富起來了。</p><p>　　4、電梯模型PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　由于電梯的運(yùn)行是根據(jù)樓層和轎廂的呼叫信號(hào)、行程信號(hào)進(jìn)行控制，而樓層</p><p>　　和轎廂的呼叫是隨機(jī)的，因此，系統(tǒng)控制采用隨機(jī)邏輯控制。即在以順序邏輯控制實(shí)現(xiàn)電梯的基本控制要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)隨機(jī)的

23、輸入信號(hào)，以及電梯的相應(yīng)狀態(tài)適時(shí)的控制電梯的運(yùn)行。而對樓層和轎廂的呼叫信號(hào)以指示燈顯示(開關(guān)上帶有指示燈)。采用PLC實(shí)現(xiàn)的電梯控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)主要部分構(gòu)成如圖所示:</p><p><b>　　圖2 電梯控制系統(tǒng)</b></p><p><b>　　PLC的選型</b></p><p>　　輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算

24、</p><p>　　為了完成設(shè)定的控制任務(wù),主要根據(jù)電梯輸入/輸出點(diǎn)數(shù)確定PLC的機(jī)型。根</p><p>　　據(jù)電梯控制的要求，電梯應(yīng)具有內(nèi)呼和外呼按鈕、行程開關(guān)、開關(guān)門按鈕，以及相應(yīng)的指示燈，估算所需I/O口的數(shù)量，并繪制I/O口分配表，見下表。</p><p>　　表1 I/O口分配表</p><p><b>　　

25、PLC的選型</b></p><p>　　根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)，輸入47，輸出47，所以選用CPM2AE-60CDR-A型的PLC，加一個(gè)CPM2A系列PLC可用的CPM1A-40EDR擴(kuò)展單元和一個(gè)CPM1A-20EDR的擴(kuò)展單元，共120點(diǎn)，可以滿足要求。</p><p>　　圖3 CPM2AE-60CDR-A</p><p>　　圖4

26、0;CPM1A-40EDR</p><p>　　圖5 CPM1A-20EDR</p><p><b>　　3、PLC外圍接線</b></p><p>　　圖6 CPM2AE-60CDE-A外圍接線</p><p>　　圖7 CPM1A-40EDR外圍接線</p><p&g

27、t;　　圖8 CPM1A-20EDR外圍接線</p><p><b>　　4、控制流程圖</b></p><p>　　電梯上下行流程圖見圖。假設(shè)電梯停在N（N=B2，B1，1,2,3,4,5,6,7,8）樓,M樓有信號(hào),M＞N時(shí)，電梯上行；M＜N時(shí)，電梯下行。 </p><p><b>　　流程圖如下：</b

28、></p><p><b>　　圖9 上下行流程圖</b></p><p>　　在電梯運(yùn)行過程中，電梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信號(hào)均不響應(yīng)，但如果反向外呼梯信號(hào)前方向無其它內(nèi)、外呼電梯信號(hào)時(shí)，則電梯響應(yīng)該信號(hào)。 </p><p>　　電梯應(yīng)具有最遠(yuǎn)反向外梯響應(yīng)功能。例如：電梯在一樓，而同時(shí)有

29、二層向下外呼梯，三層向下外呼梯，四層向下外呼梯，則電梯先去四樓響應(yīng)四層向下外呼梯信號(hào)。 </p><p>　　電梯響應(yīng)流程圖見圖： </p><p>　　圖10 電梯響應(yīng)流程</p><p>　　當(dāng)電梯到達(dá)系統(tǒng)控制的目標(biāo)樓層時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出開門信號(hào)，電梯門開，當(dāng)門開到開門限位時(shí)，計(jì)時(shí)6秒鐘，然后關(guān)門。</p><p&

30、gt;<b>　　四、梯形圖及注釋 </b></p><p>　　1、報(bào)警器及超重控制</p><p>　　按下警報(bào)器按鈕(00211)，警報(bào)器響(01403)，計(jì)時(shí)10秒鐘(TIM000)，警報(bào)器關(guān)。此系統(tǒng)由電梯載重控制儀控制電梯載重。當(dāng)電梯超重時(shí)(00210)，電梯禁止上下運(yùn)行，并且超重指示燈亮起（01402）。</p><p>

31、　　2、內(nèi)指令信號(hào)的登記與消除</p><p>　　以2層內(nèi)呼為例：當(dāng)按下2層內(nèi)呼時(shí)(00003)，若電梯未在2樓平層(00304)開門（01306），2層指示燈亮(01003)，電梯運(yùn)行至2樓平層，門打開，2層指示燈滅。</p><p>　　3、外召喚信號(hào)的登記與消除</p><p>　　以7層外呼上指示燈為例：按下7層外呼上按鈕（00202），若電梯未在7樓平層

32、時(shí)(00309)，指示燈亮(01302)，當(dāng)電梯運(yùn)行至7樓平層，并且該外呼信號(hào)得以響應(yīng)時(shí)，門打開(01306)，指示燈滅；若電梯停在7樓平層且門未處于打開動(dòng)作時(shí)，按下7層外呼下按鈕，指示燈亮，電梯門打開，指示燈滅。</p><p><b>　　4、定層</b></p><p>　　為了判斷呼電梯的地方是在比轎廂高的樓層還低的樓層，必須得先定層。B2-8層分別用0140

33、4-01505記錄，．以B2層為例，當(dāng)B2層平層觸發(fā)，樓層指示繼電器得電并自鎖，直到其他平層被觸發(fā)使樓層指示繼電器失電。程序如下所示：</p><p><b>　　5、上升程序</b></p><p>　　根據(jù)I/o分配可知：01001-01101分別是B2-8層樓的內(nèi)選應(yīng)答；01103-01303分別是B2-8層樓的外呼應(yīng)答，也就是說，若轎廂在B2樓則其中任何一個(gè)按

34、鈕按下去電梯都將上升．若轎廂在B1樓，01405斷開，這樣按B1樓的內(nèi)選外呼按鈕電梯將不上升，若在1樓，01406斷開，這樣按B1樓、1樓內(nèi)選外呼按鈕都沒用，若電梯在其他樓則依次類推。</p><p><b>　　6、下行程序</b></p><p>　　下降也有兩種情況，一種是有人在低于轎廂所在層的地方呼電梯；另一種是人在轎廂里面要往下行． 根據(jù)I／O分配

35、表可知： </p><p>　　01000-01100分別為B2-7層的內(nèi)選應(yīng)答；00102-01302分別是B2-7樓的外呼應(yīng)答，也就是說，若轎廂在8樓則其中任何一個(gè)按鈕按下去電梯都將下降．若轎廂在7 樓，則01504斷開，這樣按7樓的內(nèi)選外呼按鈕電梯將不下降，若在6樓，則01503斷開，這樣按6樓、7樓的內(nèi)選外呼按鈕都沒用，若電梯在其他樓時(shí)則以此類推。</p><p&g

36、t;<b>　　程序如下：</b></p><p><b>　　7、抱閘程序</b></p><p>　　防止突然斷電造成電梯下滑，程序如下：</p><p><b>　　8、開門程序</b></p><p>　　開門主要有以下兩種情況: </p>&l

37、t;p>　?。?）本層呼電梯開門。人在轎廂所在的層，用外選按鈕進(jìn)行呼電梯，比如說轎廂在三樓，那么如果有人要到三樓去乘電梯，不管他是要上行還是下走，只要他按外選按鈕，門就會(huì)自動(dòng)帶開，圖所示本層呼電梯程序:</p><p>　　由I/o分配可知：00010-00203是B2-7樓的外選按鈕，而01404-01505分別表示B2-8樓，20000是上升繼電器，20001是下降繼電器，01306是開門繼電器．由程序

38、圖可知：只要上升、下降或開門繼電器有一個(gè)得電對本層說是起不到作用的．當(dāng)三個(gè)繼電器都沒得電時(shí)，若轎廂在B2樓(01404)，則按01102本層繼電20012得電，若轎廂在B1樓(即01405閉合)，則按下01103或01104本層繼電器20002得電，在其他樓時(shí)都一樣。</p><p>　?。?）到層開門。轎廂到達(dá)乘客所要到達(dá)的地方或者說到達(dá)呼電梯的地方，門會(huì)自動(dòng)打開，這就是到層開門。到層(即判停)程序：</

39、p><p>　　I/o分配可知：01000-01100分別為B1-7層的內(nèi)選指示；00102-01302分別是B1-7樓的外呼指示，，01404-01505是B1-8樓指示，20000和20001分別是上行定向和下行定向。內(nèi)選判停：比如說，有人要去B2樓，01001得電吸合，當(dāng)轎廂沒有到B2樓之前20003不得電，當(dāng)轎廂到達(dá)B2樓之后，01405得電吸合則內(nèi)部輔助繼電器20003得電，起到內(nèi)選判停作用．外呼和內(nèi)選基本

40、一樣。</p><p>　?。?）按開門按鈕開門．按一下開門按鈕，門自動(dòng)帶開，設(shè)計(jì)較為簡單.</p><p><b>　　9、關(guān)門程序</b></p><p>　　關(guān)門主要有兩種情況:</p><p>　?。?）按關(guān)門按鈕關(guān)門：</p><p>　?。?）6秒鐘后還沒人去使用，則自動(dòng)關(guān)門。<

41、/p><p><b>　　下圖所示關(guān)門程序：</b></p><p><b>　　五、結(jié)論 </b></p><p>　　這次設(shè)計(jì)也存在一定的不足。由于時(shí)間的倉促、設(shè)備條件和專業(yè)知識(shí)的限制，未能對相關(guān)的元器件進(jìn)行選型和制作電梯模型。另外，整篇論文肯定存在尚未發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，肯請閱讀此篇論文的老師多予指正。面對問題，