基于PLC的四层电梯设计和基于组态王的行车方向的控制

目录引 言3第1章 四层电梯控制要求4第2章 理论知识基础 52、1 自动电梯相关原理知识 52、2 PLC相关知识6 2、3变频器相关知识7第3章 电梯控制具体设计 9 3、1 输入输出分配表 9 3、2 主体流程11 3、3 总梯形图 12第4章 组态王软件相关知识 12 4、1 组态王简介 12 4、2 组态王实现步骤12第5章 用组态王实现行车方向的控制 14 5、1行车 动作要求 14 5、2 组态王设计行车方向控制的主画面15 5、3 定义变量（数据词典）15 5、4 斗车初始位置16 5、5 斗车行进16 5、6 斗车后退 16 5.、7 组态王实现行车方向控制的命令语言 17课设总结 17参考文献 18附录一 18附录二 21引言PLC是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，可靠性高，抗干扰能力强，配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改，体积小，重量轻，能耗低。而组态王是一款开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构在这次为期一周的课设中，我利用三菱系列PLC设计了四层电梯自动控制程序并且进行了仿真实验，利用组态王软件设计了行车方向的控制人机界面，配合组态王的编程语言实现了组态王的仿真运行。关键字： 四层电梯 变频器 组态王 行车方向的控制 心得体会第一章 四层电梯控制要求如电梯模拟实验台结构所示，其动作要求如下：1 电梯上行： 当电梯停于1楼(1F)或2F、3F时，4楼呼叫则上行到4楼碰行程开关后停止； 电梯停于1F或2F，3F呼叫、则上行，到3F行程开关控制停止； 电梯停于1F，2F呼叫，则上行，到2F行程开关控制停止； 电梯停于lF，2F、3F同时呼叫，则电梯上行到2F后，停3秒种，继续上行到3F停止； 电梯停于1F，3F、4F同时呼叫，电梯上行到3F，停3秒，继续上行到4F停止； 电梯停于1F，2F、4P同时呼叫，电梯上行到2F，停3秒，继续上行到4F停止； 电梯停于1F，2F、3F、4F同时呼叫，电梯上行到2F，停3秒，继续上行到3F，停5秒，继续上行到4F停止； 电梯停于2F、3F，4F同时呼叫，电梯上行到3F停3秒，继续上行到4F停止。2 电梯下行： 电梯停于4F或3F或2F，1F呼叫，电梯下行到1F停止； 电梯停于4F或3F，2F呼叫，电梯下行到2F停止； 电梯停于4F，3F呼叫，电梯下行到3F停止； 电梯停于4F，3F、2F同时呼叫，电梯下行到3F，停3秒，继续下行到2F停止； 电锑停于4F，3F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停3秒，继续下行到1F停止； 电梯停于4F，2F、1F同时呼叫，电梯下行到2F，停3秒，继续下行到1F停止； 电梯停于4F，3F、2F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停3秒，继续下行到2F停3秒，继续下行到lF停止。3 各楼层运行时间应在15秒以内，否则认为有故障。4 电梯停于某一层，数码管应显示该层的楼层数。5 设计电梯停于2F,3F时，电梯运行状态。（上下同时呼叫时，采取先上后下的原则）第二章 理论知识基础2、1 自动电梯相关原理知识电梯以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。电梯是机电一体化产品。其机械部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。2、2 PLC相关知识2、2、1 PLC基本概念PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输人和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。2、2、2 PLC基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： 1.电源：为PLC提供电能的设备。2. 中央处理单元(CPU)：PLC的控制中枢。3.存储器：存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 4.输入输出接口电路 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 5.功能模块：如计数、定位等功能模块。 PLC功能强大，在本次课设中主要应用PLC的开关逻辑、顺序控制和定时控制等功能。采用三菱FX1S系列的单片机，编程简单，使用方便。2、3变频器相关知识为了控制交流电梯，提高电能利用率，使自动电梯的运行更加安全稳定，须配合变频器对自动电梯进行控制。变频器是通过轻负载降压实现节能的，安装变频器的电动机所带的机械负载，如风机、水泵并不是经常工作在满载情况下，当系统要求机械负载不在额定负载运行时，可以通过变频调节电动机的转速，使得电动机输出的功率能满足系统的要求，而不必通过风机的动叶、水泵出口的调节门的节流进行调节，降低了系统的节流损失。另外，变频器可以改变电动机的无功损耗，改善启动条件，提高功率因素，可以降低无功功率传递而引起的有功损耗，这对节能也是存在一定意义的。2、3、1变频器的工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。2、3、2 变频器的控制方式 低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下四代：1、1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式： 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 2、电压空间矢量(SVPWM)控制方式： 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 3、矢量控制(VC)方式：矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。4、直接转矩控制(DTC)方式： 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 5、矩阵式交交控制方式： 矩阵式交交控制方式能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。矩阵式交交变频具有快速的转矩响应(<2ms)，很高的速度精度(±2%，无PG反馈)，高转矩精度(<+3%)；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时(包括0速度时)，可输出150%200%转矩。第三章 电梯控制具体设计3、1 输入输出分配表表一 输入输出分配表输入输出主机实验模块注释主机实验模块注释X1LAY1一楼行程开关Y0DJB电机下行X2LAY2二楼行程开关Y1DJA电机上行X3LAY3三楼行程开关LED COMGNDX4LAY4四楼行程开关COM224VX122DN二层下呼Y6A数码管段码X133DN三层下呼Y7BX144DN四层下呼Y10CX111UP一层上呼Y11DX122UP二层上呼Y12EX133UP三层上呼Y13FY14GX0RST复位COM024VCOM124VX5IN1一层内选按钮24V24VX6IN2二层内选按钮GNDGNDX7IN3三层内选按钮L0Y11层指示灯X10IN4四层内选按钮L1Y22层指示灯COMCOMGNDL2Y33层指示灯L3Y44层指示灯 3、2 主体流程四层电梯的自动控制主体思想是将四层楼分为四个状态，每个楼层分为两个子状态一、二，状态一为该楼层的等待状态，状态二为该楼层的行进状态。四个楼层状态之间依据限位开关进行切换，即一层状态可以切换到二层状态，二层状态可以切换到一、三层的状态。切换时首先判断该层是否被呼叫，如果被呼叫则切换到该层的等待状态中，等待3秒后进入该层的行进状态中。主体流程图如下，假设电梯在一层：根据限位开关确定楼层,进入响应状态一层等待子程序二层行进子程序二层是否被呼叫?二层等待子程序阿二层行进子程序三层是否被呼叫? 二楼限位开关ON N Y 三楼限位开关ON N Y 图2 电梯设计主流程图主程序包括开机分支转移程序、等待子程序、行进子程序、数码管显示程序、楼层呼叫指示灯显示程序、报警部分。3、3 总梯形图（见附录）。第四章 组态王软件相关知识4、1 组态王简介组态王是一款开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。4、2 组态王实现步骤1、定义变量对于变量的定义，就是创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如时间、位置等。在我们的题目中我们需要定义的变量有：现在位置、水平移动、指示灯等等。当我们创建动画时需要用这些变量将不同的画面之间建立联系。变量的类型选择需要根据具体的应用来选择，由于此次课程设计我们实验室的PLC试验箱不能实现与组态王相连接，因此定义的变量类型均为内存型的。2、图形界面的设计图形界面的设计是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。由于我们的任务是设计一个控制钻孔动力钻头的动画，因此我们在创建动画时需要绘制出电动机、动力钻头、指示灯、限位开关、定时装置等内容。由于组态王当中提供了图库，但是对于那些图库里没有的图片，我们需要去网上搜索素材，整理后再应用组态王中的点位图等工具进行编辑。3、建立动画连接当我们完成控制工程的图画设计与变量定义之后，要想建立动画还应该将这些图画与定义的变量进行连接，应用组态王的编程语言，通过编程来实现对变量的控制，进而实现了对画面运行的控制。程序的设计是基于工程控制来进行的，以实际情况为基础我们建立的动画应满足实际情况。这样，我们就完成了对工业控制过程的模拟，如果与外设相连还可以对控制过程进行监测和控制。当建立动画连接完成后，就可以对动画进行运行。第五章 用组态王实现行车方向的控制5、1行车 动作要求：（1） 当斗车所在暂停位置的LS号码大于呼叫的PB号码时，斗车往左行，到呼叫的PB位置后停止。（2） 当斗车所在暂停位置的LS号码小于呼叫的PB号码时，斗车往右行，到呼叫的PB位置后停止。其工作示意图如下图所示。5、2 组态王设计行车方向控制的主画面5、3 定义变量（数据词典）5、4 斗车初始位置,小车指示灯1闪烁5、5 当按下按键5时，小车行驶到第五道路口，同时小车指示灯5闪烁5、6 当按下按键3时，小车向后行驶到第三道路口，同时小车指示灯3闪烁5.、7 组态王实现行车方向控制的命令语言（见附录二）。课设总结在这次为期一周的PLC课设中，我们学习了组态王软件的使用，并且用组态王实现了课设要求的控制功能。我们在书本上学到的知识，在这次课设中得到体系化、架构化，对于PLC电气控制理论，有了更加深刻的理解。PLC和组态王在自动化领域发挥着十分重要的作用，作为一个电气学院的学生，我们应该熟练掌握PLC和组态王，具备利用两者实现各种控制功能、控制工程的能力。这一周的课设中，我第一次实际操作组态王软件，从画面布局到命令程序设计，再到程序仿真，一步一步都是自己心血的结晶，我也深刻感受到了组态王软件的强大之处，课设后我将更加深入地学习这款软件，学以致用。同时我们应用PLC软件设计了四层电梯控制的梯形图程序，大家一起讨论程序实现的方法，巩固了PLC编程语言，开发了我们各自的创新思维。我在这次课设中学到的诸多知识不尽列举，总之我十分感谢这次课设，十分感谢张老师的耐心指导！参考文献1.史国生主编 气控制与可编程控制器技术 化学工业出版社 20042.王永华现代电气及可编程控制技术 北京航空航天大学出版社 20023.邓则名电器与可编程控制器应用技术 机械工业出版社 19974.徐世许可编程序控制器原理应用网络 中国科学技术大学出版社 2001附录一（基于PLC的四层电梯步进梯形图）：附录二（组态王实现行车方向的上位机程序）：24 / 24文档可自由编辑打印if(S1=1 && 现在位置>0) 水平移动=水平移动-1; 后退=后退+1; if(前进>=2) 前进=0; if(水平移动<=0) S1=0; 现在位置=0; if(S6=1 && 现在位置<5) 水平移动=水平移动+1; 前进=前进+1; if(前进>=50) 前进=0; if(水平移动>=50) S6=0; 现在位置=5; if(S2=1 && 现在位置<1) 水平移动=水平移动+1; 距离=(1-现在位置)*10; if(水平移动>=距离) S2=0; 现在位置=水平移动/10; if(S2=1 && 现在位置>1) 水平移动=水平移动-1; 距离=(现在位置-1)*10; if(水平移动<=距离) S2=0; 现在位置=水平移动/10; if(S3=1 && 现在位置<2) 水平移动=水平移动+1; 距离=(2-现在位置)*10; if(水平移动>=距离) S3=0; 现在位置=水平移动/10; if(S3=1 && 现在位置>2) 水平移动=水平移动-1; if(水平移动<=20) S3=0; 现在位置=水平移动/10; if(S4=1 && 现在位置<3) 水平移动=水平移动+1; if(水平移动>=30) S4=0; 现在位置=水平移动/10; if(S4=1 && 现在位置>3) 水平移动=水平移动-1; if(水平移动<=30) S4=0; 现在位置=水平移动/10; if(S5=1 && 现在位置<4) 水平移动=水平移动+1; if(水平移动>=40) S5=0; 现在位置=水平移动/10; if(S5=1 && 现在位置>4) 水平移动=水平移动-1; if(水平移动<=40) S5=0; 现在位置=水平移动/10;