三菱PLC控制四层电梯课件Word下载.docx

三菱PLC控制四层电梯课件Word下载.docx

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模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

（4）电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

（5）底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

（6）PLC系统的其它设备

编程设备：

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

也就是我们系统的上位机。

人机界面：

最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

1.2.9PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入处理阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；

或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；

或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；

相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

（3）输出处理阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

1.2.10常用的程序设计语言

（1）梯形图（LD→LadderDiagram）

梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。

这种表达方式与传统的继电器控制电路图非常相似，不同点是它的特定的元件和构图规则。

它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器--接触器控制系统的人来说，易被接受。

这种表达方式特别适用于比较简单的控制功能的编程。

如图1-1a）所示的继电器控制电路，用PLC完成其功能的梯形图如图1-1b）。

图1-1继电器控制电路及用PLC完成其功能的梯形图

梯形图的要点：

梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。

每个继电器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。

每一逻辑行起于左母线，然后是触点的各种连接，最后终止于继电器线圈（也可以加上一条右母线）。

整个图形呈阶梯状。

（2）功能模块图（FBD→FunctionBlackDiagram）

功能模块图是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言。

该语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。

例如对应于图1-2a）的功能模块图如图1-2b）所示。

图1-2功能模块图

功能模块图的特点是：

以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；

以图形的形式表达功能，直观，有数字电路基础的人很容易掌握；

对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。

（3）顺序功能流程图（SFC→SequentialFunctionChart）

顺序功能流程图的规则是：

将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。

每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。

在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。

由于顺序功能流程图描述控制过程详细具体（包括：

每一步的输入信号，每一步的工作内容，每一步的输出状态，框与框之间的转换条件。

），因此程序结构清晰，易于阅读及维护，可大大减轻编程工作量，缩短编程和调试时间。

特别适用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。

图1-3是一个简单的顺序功能流程图的示意图。

图1-3顺序功能流程图的示意图

（4）指令表（IL→InstructionList）

它采用类似于汇编语言的指令语句来编程。

指令语句的一般格式为：

操作码操作数。

操作码又称为编程指令，用助记符表示，它指示CPU要完成的操作，包括逻辑运算、算术运算、定时、计数、移位、传送等。

操作数给出操作码所指定操作的对象或执行该操作所需的数据，通常为编程元件的编号或常数，如输入继电器、输出继电器、内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器以及定时器、计数器的设定值等。

指令语句对熟悉汇编语言的编程者特别容易接受，它编程设备简单，编程简便。

采用指令语句编程时，通常都预先用以上几种方式之一表达控制原理，然后改写成相应的指令语句。

应用最多的是采用梯形图与指令语句结合编程，即先按控制要求画出梯形图，再根据梯形图写出相应的指令程序。

因PLC是按照指令存入存储器中的先后顺序来执行程序的，故要求程序中指令和顺序要正确。

图1-4为图1-2a）的指令表。

（5）结构化文本（ST→StructuredText）

结构化文本是IEC工作组对各种高级编程语言合理地吸收、借鉴的基础上创建的针对工业控制的一种专用高级编程语言。

结构化文本的特点是：

能实现较复杂的控制运算；

编写的程序简洁、紧凑；

需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧。

因此，这种语言主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制。

第二章课题的任务分析

2.1基于三菱FX2N系列PLC电梯控制系统分析

2.1.1概述

随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。

电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。

实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。

目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；

第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。

从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。

国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；

而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。

2.1.2电梯理想运行曲线

根据大量的研究和实验表明,人可接受的最大加速度为am≤1.5m/s2,加速度变化率ρm≤3m/s3,电梯的理想运行曲线按加速度可划分为三角形、梯形和正弦波形，由于正弦波形加速度曲线实现较为困难，而三角形曲线最大加速度和在启动及制动段的转折点处的加速度变化率均大于梯形曲线，即+ρm跳变到-ρm或由-ρm跳变到+ρm的加速度变化率，故很少采用，因梯形曲线容易实现并且有良好加速度变化率频繁指标，故被广泛采用，采用梯形加速度曲线电梯的理想运行曲线如图2-1所示：

图2-1电梯的理想速度曲线

智能变频器是为电梯的灵活调速、控制及高精度平层等要求而专门设计的电梯专用变频器，可配用通用的三相异步电动机，并具有智能化软件、标准接口、菜单提示、输入电梯曲线及其它关键参数等功能。

其具有调试方便快捷，而且能自动实现单多层功能，并具有自动优化减速曲线的功能，由其组成的调速系统的爬行时间少，平层距离短，不论是双绕组电动机，还是单绕组电动机均可适用，其最高设计速度可达4m/s，其独特的电脑监控软件，可选择串行接口实现输入/输出信号的无触点控制。

变频器构成的电梯系统，当变频器接收到控制器发出的呼梯方向信号，变频器依据设定的速度及加速度值，启动电动机，达到最大速度后，匀速运行，在到达目的层的减速点时，控制器发出切断高速度信号，变频器以设定的减速度将最大速度减至爬行速度，在减速运行过程中，变频器的能够自动计算出减速点到平层点之间的距离，并计算出优化曲线，从而能够按优化曲线运行，使低速爬行时间缩短至0.3s,在电梯的平层过程中变频器通过调整平层速度或制动斜坡来调整平层精度。

即当电梯停得太早时，变频器增大低速度值或减少制动斜坡值，反之则减少低速度值或增大制动斜坡值，在电梯到距平层位置4-10cm时，有平层开关自动断开低速信号，系统按优化曲线实现高精度的平层，从而达到平层的准确可靠。

2.1.3电梯速度曲线

电梯运行的舒适性取决于其运行过程中加速度a和加速度变化率p的大小，过大的加速度或加速度变化率会造成乘客的不适感。

同时，为保证电梯的运行效率，a、p的值不宜过小。

能保证a、p最佳取值的电梯运行曲线称为电梯的理想运行曲线。

电梯运行的理想曲线应是抛物线-直线综合速度曲线，即电梯的加、减过程由抛物线和直线构成。

电梯给定曲线是否理想，直接影响实际的运行曲线。

（1）速度曲线产生方法

采用的FX2N-64-MRPLC，并考虑输入输出点要求增加了FX-8EYT、FX-16EYR、FX-8EYR三个扩展模块和FX2-40AW双绞线通信适配器，FX2-40AW用于系统串行通信。

利用PLC扩展功能模块D/A模块实现速度理想曲线输出，事先将数字化的理想速度曲线存入PLC寄存器，程序运行时，通过查表方式写入D/A，由D/A转换成模拟量后将速度理想曲线输出。

（2）加速给定曲线的产生

8位D/A输出0～5V/0～10V，对应数字值为16进制数00～FF，共255级。

若电梯加速时间在2.5～3秒之间。

按保守值计算，电梯加速过程中每次查表的时间间隔不宜超过10ms。

由于电梯逻辑控制部分程序最大，而PLC运行采用周期扫描机制，因而采用通常的查表方法，每次查表的指令时间间隔过长，不能满足给定曲线的精度要求。

在PLC运行过程中，其CPU与各设备之间的信息交换、用户程序的执行、信号采集、控制量的输出等操作都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进行的，每个循环都要对所有功能进行查询、判断和操作。

这种顺序和格式不能人为改变。

通常一个扫描周期，基本要完成六个步骤的工作，包括运行监视、与编程器交换信息、与数字处理器交换信息、与通讯处理器交换信息、执行用户程序和输入输出接口服务等。

在一个周期内，CPU对整个用户程序只执行一遍。

这种机制有其方便的一面，但实时性差。

过长的扫描时间，直接影响系统对信号响应的效果，在保证控制功能的前提下，最大限度地缩短CPU的周期扫描时间是一个很复杂的问题。

一般只能从用户程序执行时间最短采取方法。

电梯逻辑控制部分的程序扫描时间已超过10ms，尽管采取了一些减少程序扫描时间的办法，但仍无法将扫描时间降到10ms以下。

同时，制动段曲线采用按距离原则，每段距离到的响应时间也不宜超过10ms。

为满足系统的实时性要求，在速度曲线的产生方式中，采用中断方法，从而有效地克服了PLC扫描机制的限制。

起动加速运行由定周期中断服务程序完成。

这种中断不能由程序进行开关，一旦设定，就一直按设定时间间隔循环中断，所以，起动运行条件需放在中断服务程序中，在不满足运行条件时，中断即返回。

（3）减速制动曲线的产生

为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。

在减速点确定之前，电梯一直处于加速或稳速运行过程中。

加速过程由固定周期中断完成，加速到对应模式的最大值之后，加速程序运行条件不再满足，每次中断后，不再执行加速程序，直接从中断返回。

电梯以对应模式的最大值运行，在该模式减速点到后，产生高速计数中断，执行减速服务程序。

在该中断服务程序中修改计数器设定值的条件，保证下次中断执行。

在PLC的内部寄存器中，减速曲线表的数值由大到小排列，每次中断都执行一次“表指针加1操作，则下一次中断的查表值将小于本次中断的查表值。

门区和平层区的判断均由外部信号给出，以保证减速过程的可靠性。

2.1.4电梯控制系统

（1）电梯控制系统特性

在电梯运行曲线中的启动段是关系到电梯运行舒适感指标的主要环节,而舒适感又与加速度直接相关,根据控制理论,要使某个量按预定规律变化必须对其进行直接控制,对于电梯控制系统来说,要使加速度按理想曲线变化就必须采用加速度反馈,根据电动机的力矩方程式:

M—MZ=ΔM=J（dn/dt），可见加速度的变化率反映了系统动态转距的变化，控制加速度就控制系统的动态转距ΔM=M—MZ。

故在此段采用加速度的时间控制原则，当启动上升段速度达到稳态值的90%时，将系统由加速度控制切换到速度控制，因为在稳速段，速度为恒值控制波动较小，加速度变化不大，且采用速度闭环控制可以使稳态速度保持一定的精度，为制动段的精确平层创造条件。

在系统的速度上升段和稳速段虽都采用PI调节器控制，但两段的PI参数是不同的，以提高系统的动态响应指标。

在系统的制动段，即要对减速度进行必要的控制，以保证舒适感，又要严格地按电梯运行的速度和距离的关系来控制，以保证平层的精度。

在系统的转速降至120r/min之前，为了使两者得到兼顾，采取以加速度对时间控制为主，同时根据在每一制动距离上实际转速与理论转速的偏差来修正加速度给定曲线的方法。

例如在距离平层点的某一距离L处，速度应降为Vm/s，而实际转速高为Vm/s，则说明所加的制动转距不够，因此计算出此处的给定减速度值-ag后，使其再加上一个负偏差ε，即使此处的减速度给定值修正为-（ag+ε）使给定减速度与实际速度负偏差加大，从而加大了制动转距，使速度很快降到标准值，当电动机的转速降到120r/min以后，此时轿厢距平层只有十几厘米，电梯的运行速度很低，为防止未到平层区就停车的现象出现，以使电梯能较快地进入平层区，在此段采用比例调节，并采用时间优化控制，以保证电梯准确及时地进入平层区，以达到准确可靠平层。

（2）电梯控制构成

由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用随机逻辑控制。

即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。

另外，轿厢的位置是由脉冲编码器的脉冲数确定，并送PLC的计数器来进行控制。

同时，每层楼设置一个接近开关用于检测系统的楼层信号。

为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在的楼层进行显示，采用LED和发光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示（开关上带有指示灯）。

2.2整体设计流程的确定

系统设计的步骤

（1）确定控制对象和控制范围

（2）可编程控制器的机型选择

（3）制定控制方案

（4）硬件与程序设计

（5）总装调试

第三章可编程控制器的机型选择

3.1PLC的I／O点数估算

根据被控对象对PLC控制系统的技术指标和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的I／O点数。

在估算系统的I／O点数和种类时，要全面考虑输入、输出信号的个数，I／O信号类型（数字量／模拟量），电流、电压等级，是否有其他特殊控制要求等因素。

以上统计的数据是一台PLC完成系统功能所必须满足的，但具体要确定I／0点数时则要按实际I／0点数，再向上附加20％～15％的备用量。

根据机型的选择，再对被控对象进行I／0点数的估算，根据被控对象I／O信号的点数，考虑留有15％～20％的备用量以调整和扩充。

估算出被控对象的I／0点总数，就可根据此点数选择相当的PLC。

I／0点数是衡量PLC规模大小的重要指标，选择相应规模的PLC需要留有余量。

3.2内存估计

（1）内存利用率：

用户编的程序通过编程器键入主机内，最后以机器语言的形式存放于内存中。

同样的程序，在不同厂家的产品中，所需的内存量不同，把一个程序段中接点数与存放该程序所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。

高的利用率给用户带来好处，同样的程序可以减少内存，从而降低内存投资，同时，也可缩短扫描周期，从而提高系统的响应速度。

（2）开关量I／0点数：

可编程控制器开关量I／0总点数是计算所需内存储器容量的重要依据，一般系统中，开关量输入输出的比为6：

4，然后根据I／0点数来估算所需内存量，经验公式为所需内存总数=开关量（输入十输出）总点数×

10

（3）模拟量I／0总数：

具有模拟量控制的系统就要用到数学传送和运算的功能指令，这些功能指令内存利用率较低，因此所占内存数要增大。

在只有模拟量输入的系统中，一般要对模拟量进行读入，数字滤波，传送和比较运算。

在模拟量I／0同时存在的情况下，就要进行较复杂的运算，一般是闭环控制，内存要比只有模拟量输入的需要量大：

在模拟处理中，常常把模拟量读入、滤波及输出编成子程序使用，这使所占内存大大减少，特别是在模拟量路数比较多时，每一路模拟量所需的内存会明显减少，下面给出一般情况下的经验公式：

只有模拟量输入时：

内存系数=模拟量点数×

100

模拟量I／O同时存在时：

200

这些经验公式的算法是在模拟量点数10点左右，当点数小于10时，就适当加大，点数较多时，可适当减少。

（4）用户编写的程序质量：

用户编写的程序优劣，对程序长短和运行时间都有较大影响，对于同样系统不同用户编写的程序可能会使程序长度和执行时间差别很大。

一般来说，对初编者应多留一些内存余量，而有经验者可少留一些余量综上所述，推荐下面的经验公式：

存储器总数=开关量I／0总点数×

10+模拟量点数×

150然后按计算结果的25％余量。

3.3响应时间

扫描周期和响应时间必须认真考虑。

可编程序控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠的接收持续时间小于扫描周期的输入信号。

例如：

某PLC产品检测系统，其有效检测宽度为5cm，若产品传送速度为50m／min，为了确保不会漏检经过的产品，要求可编程控制器的扫描周期不能大于产品通过检测的时间间隔60ms。

3.4输入输出模块的选择

来自现场的设备按钮、限位开关、行程开关等的电平信号并将其转换为机器内部电平信号，模块类型为直流和交流两种。

根据设备与模块之间的远近程度选择电压的大小，一般5V、12V、24V属低电平，传输距离不宜太远，例如5V的输入模块最远不能超过l0m，也就是说，距离较远的设备选用较高电压的模拟比较可靠。

另外，高密度的输入模块如32点、64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。

一般讲，同时接通点数不得超过60%。

系统的稳定性，必须考虑门槛电平（接通电平与关断电平之差）的大小。

门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。

输出模块的任务是将机器内部电平信号转换为外部的控制信号。

频繁、电感性、低功率因数的负载，推荐使用晶闸管输出模块，但缺点是模块价格高，过载能力差。

输出模块优点是适用电压范围宽，导通压降损失小，价格便宜，缺点是寿命短，响应速度慢。

输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。

3.5机型的确定

3.5.1FX2N-48MR-001技术指标

合计总数48点－24点输入，DC24V，24点继电器输出；

尺寸（mm）：

182×

87×

90。

3.5.2FX2N-48MR-001系列PLC的功能

（1）集成型&

高性能

CPU电源输入输出三为一体。

对6种基本单元，可以以最小8点为单位连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。

（2）高速运算

基本指令：

0.08μs/指令，.应用指令：

100μs/指令

（3）安心、宽裕的存储器规格

内置8000步RAM存储器。

安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。

（4）丰富的软元件范围

辅助继电器：

3072点，定时器：

256点，计数器：

235点

.数据寄存器：

8000点

根据PLC机型选择的基本原则，本课题中选择了三菱公司FX2N-48-MR-001系列的PLC。

第四章硬件设计

4.1电梯模型介绍

该装置由底座、立柱及面板、主电路板等组成。

底座背部设有电源插座及保险管座，保险管规格为250V1A。

电源开关设置在底座上面。

本装置电源为交流220V50HZ。

轿厢在模型的左侧，由小型直流电机来控制它的上升和下降，轿厢门模拟在装置的右上方，