计算机控制技术综合设计Word格式.docx
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I/O单元分配
系统梯形图的设计
开门环节
关门环节
楼层显示环节
内呼信号的登记与消除环节
外呼信号的登记与消除环节
定向环节
启动环节
制动环节
第五章总结
参考文献
第一章绪论
引言
可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的崭新的工业自动控制装置。
PLC以基本代替传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域，它已跃居工业自动化三大支柱的首位。
PLC控制系统的硬件是由微处理器（CPU）、存储器（ROM和RAM）、输入/输出（I/O）单元、电源单元及外围设备等组成硬件结构如图1所示。
系统的规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。
图PLC硬件结构
可编程控制器的特点
20世纪60年代末，为了克服传统继电器的种种应用上的缺点，人们研制出了一种先进的自动控制设备PLC，由于PLC具有优良的技术性能，因此它一问世就很快得到了推广应用。
现在PLC作为用于工业生产过程控制的专用计算机，与商家、家用的微机不同，由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和工作运行的连续性，使其在设计上有许多特点。
（1）可靠性高，抗干扰能力强；
（2）接口模块功能强、品种多；
（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；
（4）编程方法简单、直观；
（5）系统的设计/安装、调试工作量少；
（6）维修工作量小、维护方便；
（7）体积小、耗能低、重量轻。
PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：
（1）开关量逻辑控制
（2）运动控制
（3）闭环过程控制
（4）数据处理
（5）通信联网
PLC的设计步骤
开发应用PLC的设计任务分为两部分，分别是硬件设计和软件设计。
1.4.1硬件设计
硬件设计主要包括：
（1）确定安排PLC的输入、输出点；
（2）设计外围电路，包括主电路；
（3）选购PLC并进行现场安装接线等内容。
1.4.2软件设计
大多数用梯形图和指令程序，主要包括：
（1）设计控制流程，根据工艺要求先画出工作循环，如有必要再画详细的状态流程图；
（2）根据工作循环图，画出虚拟的电路图----继电器梯形图；
（3）按梯形图编写指令程序表；
（4）系统调试：
根据设计要求，对程序进行调试和修改，必要时还可对硬件进行修改，直到符合要求为止。
第二章PLC的程序设计语言和编程方法
PLC的程序设计语言
在PLC中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。
梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。
采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。
这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。
每个梯级是一个因果关系。
在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。
梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。
它来源于继电器逻辑控制系统的描述。
在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。
PLC内部继电器的介绍和功能
三菱FX系列产品，它内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件，按通俗叫法分别为继电器、计时器、计数器等，它们与真实的元件有很大的差别。
一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。
1、输入继电器（X）
输入继电器是PLC接收外部输入的开关量信号的窗口，PLC通过光电耦合，将外部信号的状态读入并存储在输入映像寄存器中。
输入端可以外接常开触点或常闭触点，也可以接多个触点组成的串并联电路或电子传感器。
在编程中可以多次使用输入继电器的常开和常闭触点。
2、输出继电器（Y）
输出继电器是PLC向外部负载发送信号的窗口。
输出继电器用来将PLC的输出信号传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。
输出模块中的每一个硬件继电器仅有一对常开触点，但是在梯形图中，每一个输出继电器的常开触点和常闭触点都可以多次使用。
3、辅助继电器（M）
PLC有很多的辅助继电器，辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。
它的常开/常闭触点使用次数不受限制。
但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。
在FX2N系列中普遍采用M0-M499，共500点通用辅助继电器，其地址按十进制编号。
4、定时器（T）
PLC中的定时器（T）相当于继电器系统中的时间继电器。
它是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。
定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。
5、计数器（C）
FX2N系列中的16位加计数器，是16位二进制加法计数器，它是在计数信号的上升沿进行计数。
16位加计数器的设定值为1-32767。
16位通用计数器的通道有C0-C99，共100点；
16位电池后备/锁存计数器的通道有C100-C199，共100点；
32位通用双向计数器的通道有C200-C219，共20点；
32位电池后备/锁存双向计数器的通道有C220-C234，共15点。
PLC的基本逻辑指令
基本逻辑指令是PLC中最基本的编程语言，掌握了它也就初步掌握了PLC的使用方法，各种型号PLC的基本逻辑指令都大同小异，现在我们针对本次使用的三菱FX2N系列PLC，简单介绍一些指令的功能和使用方法。
1、输入、输出指令（LD、LDI、OUT）
LD：
电路开始的常开触点对应的指令，可以用于X、Y、M、T、C和S。
LDI：
电路开始时的常闭触点对应的指令，可以用于X、Y、M、T、C和S。
OUT：
驱动线圈的输出指令，可以用于Y、M、T、C和S。
LD和LDI指令对应的触点一般都与左母线相连，在使用ANB、ORB指令时，用来定义与其他电路串并联的电路的起始触点。
OUT指令不能用于输入继电器X，线圈和输出类指令应放在梯形图的最右边，OUT指令可以连续使用若干次，相当于线圈的并联。
2、触点的串联（AND/ANI）、并联（OR/ORI）指令
AND：
常开触点串联连接指令。
ANI：
常闭触点串联连接指令。
OR：
常开触点并联连接指令。
ORI：
常闭触点并联连接指令。
串、并联指令可以用于X、Y、M、T、C和S。
3、置位复位指令
SET：
置位指令，使操作保持ON的指令。
RST：
复位指令，使操作保持OFF的指令。
SET指令用于Y、M和S，RST指令可以用于复位Y、M、S、T、C，或将字元件D、V和Z清零。
4、程序结束指令（END）
在程序结束处写上END指令，PLC只执行第一步至END之间的程序，并立即输出处理。
若不写END指令，PLC将以用户存储器的第一步执行到最后一步，因此，使用END指令可缩短扫描周期。
梯形图的设计与编程方法
2.4.1梯形图的编程规则
梯形图作为一种编程语言，绘制时有一定的规则。
在编辑梯形图时，要注意以下几点：
（1）每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。
（2）梯形图的每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有接触点）。
（3）线圈不能直接接在左边母线上。
（4）在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容易引起误操作，应尽量避免。
（5）在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在梯形图中单方向流动—即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。
2.4.2梯形图的设计方法
FX系列的PLC梯形图设计方法通常有三种类型：
经验设计法、根据继电器电路图设计法和顺序控制法。
1、经验设计法
经验设计法类似于通常设计继电器电路图的方法，即在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修复和完善梯形图。
设计方法的特点：
有时需要多次反复地调试和修复，增加一些触点或中间编程元件，最后才能得到一个满意的结果。
而且这种方法没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果也不一定是惟一的，设计的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系，一般只用于较简单的梯形图的设计。
2、根据继电器电路图设计法
用PLC改造继电器控制系统时，因为原有的继电器控制系统经过长期使用和考验，已有被证明能完成要求的控制功能，而继电器电路图和梯形图在表示方法和分析方法上有很多相似之处，因此可以根据继电器电路图来设计梯形图，即将继电器电路图翻译为具有相同功能的PLC的外部硬件接线图和梯形图。
3、顺序控制设计法
顺序控制设计法是一种先进的设计方法，很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计效率，程序的调试、修改和阅读也很方便。
顺序控制设计法具有简单、规范和通用的优点。
使用顺序控制设计法时首先根据系统的工艺流程，画出顺序功能图，然后根据顺序功能图画出梯形图。
顺序功能图是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计PLC的顺序控制程序的有力工具。
顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作组成。
第三章系统软件的设计
控制系统的工作流程
根据电梯的工作流程可以将电梯的工作过程画成如下的流程图（如图3-1）。
图中展示了电梯运行时的三种状态，即初始状态、运行中状态和运行后状态。
直观的展示了电梯的工作流程。
图3-1电梯运行的流程图
根据电梯运行流程图，大致可将软件的设计分为以下几个大部分：
开关门环节、楼层显示环节、轿内呼叫信号的登记与消除环节、厅外呼叫信号的登记与消除环节、定向环节、启动环节、制动环节。
控制系统的功能要求
3.2.1电梯内外部功能
在电梯内部，应该有5个楼层（1-5层）按钮、开门和关门按钮以及楼层指示灯。
上升和下降显示器。
当乘客进入电梯后，电梯内应有能让乘客按下的代表其要去的目的地的楼层按钮，称为内呼按钮。
电梯停下时，应具有开门、关门的功能，即电梯门可以自动打开，经过一定延时后，又可自动关闭。
而且，在电梯内部也应有控制电梯开门、关门的手动按钮，使乘客可以在电梯停下时随时地控制电梯的开门与关门。
电梯的外部共分5层，每层都应该有呼叫按钮、呼叫指示灯、上升和下降指示灯及楼层指示灯。
呼叫按钮是乘客用来发出呼叫的工具，呼叫指示灯在完成相应的呼叫请求之前应一直保持亮，它和上升指示灯，下降指示灯、楼层显示器一样，都是用来显示电梯所处的状态的。
3.2.2电梯运行状态的分析
电梯的运行状态可分为初始状态、运行中状态和运行后状态。
1、电梯的初始状态。
此时电梯位于1层待命，电梯照明灯亮，各显示屏都被初始化，电梯处于以下状态：
（1）各层呼叫灯均不亮。
（2）电梯内部以及外部各显示屏均为“1”。
（3）电梯内部及外部各层电梯门均关闭。
2、电梯在运行过程中。
电梯处于以下状态：
（1）按下某层呼叫按钮（1-5层）后，该层呼叫灯亮，电梯响应该层呼叫。
（2）电梯上行时，若呼叫层处于电梯当前运行之上目标运行层之下，则电梯在完成前一指令之前先上行至该层，完成该层呼叫后再由近及远的完成其他各个呼叫动作。
若呼叫层处于电梯当前层之下，则电梯在完成前一指令之前不响应该指令，直至电梯重新处于待命状态为止。
电梯上行时，若有多个下行呼叫且均位于当前楼层之上，则电梯到达最高的下行呼叫层，然后依次从高到低响应其它下行呼叫层。
（3）电梯下行时，若呼叫层处于电梯当前运行之下目标运行层之上，则电梯在完成前一指令之前先下行至该层，完成改层呼叫后再由近及远的完成其他各个呼叫动作。
若呼叫层处于电梯当前层之上，则电梯在完成前一指令之前不响应该指令，直至电梯重新处于待命状态为止。
电梯下行时，若有多个上行呼叫且均位于当前楼层之下，则电梯到达最低的下行呼叫层，然后依次从低到高响应其它上行呼叫层。
（4）各楼层显示随电梯移动而改变，各层指示灯也随之而变。
（5）运行中电梯门始终关闭，到达指定层时，门才打开。
（6）在电梯运行过程中支持其它呼叫。
3.2.3电梯运行后状态。
在到达指定楼层后，电梯会继续待命，直到新的命令给出。
（1）电梯在到达指定楼层后，电梯门会自动打开，经一段延时自动关闭，在此过程中，支持手动开门或关门。
（2）各楼层显示值为该层所在位置，且上行下行指示灯均灭。
第四章程序设计
I/O单元分配
经过对电梯运行流程和电梯的控制要求，选取控制系统的软元件，软元件包括输入继电器、输出继电器、辅助继电器和定时器，其编号分别如下列表所示。
表4-1输入继电器
名称
编码
一层内呼
X001
手动关门
X007
三层外呼（上）
X013
二层内呼
X002
手动开门
X006
三层外呼（下）
X014
三层内呼
X003
一层外呼（上）
X010
四层外呼（上）
X015
四层内呼
X004
二层外呼（上）
X011
四层外呼（下）
X016
五层内呼
X005
二层外呼（下）
X012
五层外呼（下）
X017
一楼下平层
X020
三楼上平层
X023
四楼下平层
X026
二楼上平层
X021
三楼下平层
X024
五楼上平层
X027
二楼下平层
X022
四楼上平层
X025
开门到位
X031
关门到位
X032
表4-2输出继电器
一楼内呼显示
Y001
1楼指示灯
Y011
开门输出
Y025
二楼内呼显示
Y002
2楼指示灯
Y012
关门输出
Y026
三楼内呼显示
Y003
3楼指示灯
Y013
电机制动
Y027
四楼内呼显示
Y004
4楼指示灯
Y014
一层上行外呼
Y030
五楼内呼显示
Y005
5楼指示灯
Y015
二层上行外呼
Y031
上行显示
T006
上行（电机正转）
Y016
二层下行外呼
Y032
下行显示
Y007
下行（电机反转）
Y017
三层上行外呼
Y033
三层下行外呼
Y034
四层上行外呼
Y035
四层下行外呼
Y036
五层下行外呼
Y037
表4-3定时器和中间继电器的编号和功能
T50
开门计时1S
T51
开门到位计时
M1
轿厢在一楼中间继电器
M2
轿厢在二楼中间继电器
M3
轿厢在三楼中间继电器
M4
轿厢在四楼中间继电器
M5
轿厢在五楼中间继电器
M8
开门中间继电器
M9
关门中间继电器
M10
一楼内呼信号保持中间继电器
M11
二楼内呼信号保持中间继电器
M12
三楼内呼信号保持中间继电器
M13
四楼内呼信号保持中间继电器
M14
五楼内呼信号保持中间继电器
M15
一楼上外呼信号保持中间继电器
M16
二楼上外呼信号保持中间继电器
M17
二楼下外呼信号保持中间继电器
M18
三楼上外呼信号保持中间继电器
M19
三楼下外呼信号保持中间继电器
M20
四楼上外呼信号保持中间继电器
M21
四楼下外呼信号保持中间继电器
M22
五楼下外呼信号保持中间继电器
M23
上行显示中间继电器
M24
下行显示中间继电器
M31
电机制动中间继电器
M29
电机启动中间继电器
M35
制动辅助中间继电器1
M36
制动辅助中间继电器2
M40
关门辅助中间继电器1
M41
关门辅助中间继电器2
系统梯形图的设计
根据电梯运行流程，把电梯控制系统分为如下九块：
开门环节、关门环节、楼层显示环节、内呼信号登记与消除环节、外呼信号登记与消除环节、定向环节、启动环节、制动环节和抱闸环节。
分块设计如下。
4.2.1开门环节
开门环节应该满足如下几点要求：
1、按下轿厢内的手动开门按钮，开门输出；
2、电梯到所选楼层（外呼和内呼），平层抱闸后自动开门；
3、电梯在某层停用，本层外呼，开门输出。
开门环节的梯形图如图4-1所示。
图4-1开门环节梯形图
4.2.2关门环节
关门环节应该满足的要求：
1、轿厢内按下手动关门按钮，关门输出；
2、开门到位15s后自动关门。
此环节的梯形图如图3-2所示。
图4-2关门环节梯形图
4.2.3楼层显示环节
楼层显示环节应该满足的条件是：
1、轿厢不运行时，楼层指示灯要显示；
2、轿厢运行时，电梯在两层之间运行时要正确显示所在楼层。
楼层的登记与消除部分和楼层显示部分组成了完整的楼层显示环节。
楼层的登记与指示灯显示的梯形图如图4-3所示。
图4-3楼层的登记与消除部分梯形图
4.2.4内呼信号的登记与消除环节
内呼信号由轿厢内的选层按钮产生，内呼信号被登记后，要由程序完成保持，直至电梯到达内选确定的楼层后信号才被消除。
内呼信号被保持的阶段，内呼信号输出要一直导通，即内呼显示灯要一直亮。
内呼信号的登记与消除环节梯形图如图4-4所示。
图4-4内呼信号的登记与消除环节梯形图
内呼信号的消除条件是：
电梯到达所选楼层，且电梯牵引电机抱闸停转。
4.2.5外呼信号的登记与消除环节
外呼信号的登记与消除环节类似于内呼，都经过登记-保持-消除三个步骤。
虽然电梯运行过程中要碰到很多的情况，比如，电梯在三楼正上行，此时二楼和五楼同时外呼，虽然外呼信号都要被登记和保持，但是并不影响电梯的正常运行，因为定向环节会确定电梯的运行方向，如此一来，虽然外呼信号都被登记，但有一些不会对电梯的运转产生影响。
外呼信号的消除条件是：
同样电梯在某层停转，乘客外呼本层，外呼信号不会被登记。
但是若电梯在某层停用，即不运转，也没有内外呼，此时虽然外呼信号不能被登记，但是轿厢的门会自动打开，这是由开门环节决定的。
外呼信号的登记与消除环节的梯形图如图4-5所示。
图4-5外呼信号的登记和消除
图4-6外呼信号的显示
4.2.6定向环节
定向环节分为两个部分，即定上行和定下行。
由于定上行和定下行的情况基本类似，故只以定上行为例介绍定向环节的原理。
上行要满足的条件：
1、电梯在一楼，楼上只要有外呼，或有内呼，电梯就上行；
2、轿厢在二楼及以上楼层时，上级楼层有外呼，且外呼满足此时运行方向条件，则上行。
3、定向时，内呼信号的优先级要高于外呼信号。
定上行部分的梯形图如图4-7所示。
图4-7定上行部分梯形图
图4-8定下行部分梯形图
4.2.7启动环节
本程序设计的启动环节其实包括低速启动和高速平稳运行两个部分。
电梯的启动条件是：
轿厢门关好，定向完成以及牵引电机停转。
启动条件满足，牵引电机开始启动。
启动环节的梯形图如图4-9所示。
图4-9启动环节梯形图
4.2.8制动环节
制动环节程序设计时也分上行制动和下行制动两块来分析和设计，最后把两块整合，即为完整的制动环节程序。
制动信号由平层感应触点触发，上行由上平层感应触点触发，轿厢碰到上平层感应触点到电梯停层位置还有一段距离，这段距离就开始制动，以便让电梯停在正确的位置。
制动环节的梯形图如图4-10所示。
图3-11制动环节梯形图
第五章总结
通过这次完整的电梯PLC程序设计，我的理论知识又得到了增强。
通过与实际设计相结合，锻炼了我综合运用所学专业基础知识来解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他的专业能力水平。
综合考虑电梯PLC控制系统，能够达到“稳、准、快”的要求，这就要求我们的设计必须严密、可靠。
通过这次毕业设计，提高了我的意志力和品质力，提升了自己的忍耐力，懂得了怎样缓解压力，学会了独立思考、逻辑思维、提出问题、分析问题、解决问题的方法。
这是我们希望看到的，也正是我们进行设计的目的所在。
虽然此次课程设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获却更加丰富。
通过老师的悉心指导，我了解到到了电梯控制系统的设计方法，相关设备的选用标准，以及各种容易忽略的细节，我的能力得到了提高。
虽然提高是有限的，但这次提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了大量的实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的理解能力，更强的沟通能力和更快的应变能力。
由于我的设计水平有限以及设计时间有限，在设计中不免出现错误之处，诚请老师们批评指正。
总结人：
2013年11月29日
参考文献
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