基于PLC控制的交流变频调速系统设计.docx

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基于PLC控制的交流变频调速系统设计

毕业设计（论文）

题目：

基于PLC控制的交流变频调速系统设计

姓名：

指导教师：

专业：

机械设计与制造

层次：

专科

毕业论文（设计）任务书

题目

基于PLC控制的交流变频调速系统设计

学生姓名

专业

机械设计与制造

层次

专科

指导教师

概述：

当操作人员进行控制时可以对电机直接进行调速，采用标准数字比例遥控设备进行远距离无线控制，可以控制直流电机的转速、方向及制动，以及利用PLC程序实现对十层电梯实验模型的控制。

要求阅读或检索的参考资料及文献（包括指定给学生阅读的外文资料）：

[1]张凤珊.电气控制及可编程控制器.轻工出版社，1999

[2]余雷声.电气控制与PLC应用.北京:

机械工业出版社，2002

[3]俞国亮.PLC原理与应用.北京:

清华大学出版社，2004

[4]邹金慧.可编程控制及其系统.重庆：

重庆大学出版社，2004

目录

前言1

1PLC的主要特点2

2PLC的软、硬件3

2.1PLC的硬件3

2.2PLC的软件3

2.3PLCI/O接口3

3交流变频调速系统5

3.1控制系统硬件设计5

3.2模块功能5

3.3控制系统软件设计6

3.3.1PLC程序设计6

3.3.2程序流程设计6

4电梯控制系统设计8

4.1电梯的三个工作状态8

4.1.1电梯的自检状态8

4.1.2电梯的正常工作状态8

4.1.3电梯强制工作状态9

4.2电梯控制系统原理框图9

4.3电梯控制系统的硬件组成9

4.3.1系统输入部分9

4.3.2系统输出部分10

4.4系统的软件设计10

4.5模块化编程12

4.6系统调试13

结论14

致谢15

参考文献16

摘要

本文通过对电梯系统的设计简单介绍了PLC控制变频器在实际生活和生产中的应用。

由于可编程器（PLC）具有编程软件采自易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等优点，现在的电梯控制多采用可编程器来实现。

可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。

由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。

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，单纯用顺序撞制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，系统采用随机逻辑方式控制。

以及利用PLC程序实现对十层电梯实验模型的控制。

十层电梯实验模型控制系统除根据指令正确实现拖动系统（开关厅门、轿门及上下行的启停）的控制，还必须满足相关的各项限制及安全保护条件。

如：

安全保护系统工作（信号）是否正常、厅门、轿门是否紧闭等。

还有各层楼信号、轿内指令、厅外指令、平层信号、减速点信号等相关信号的处理等，并具有防误操作的功能。

关键词：

电梯模型PLC配置硬件

前言

电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。

为了适应电梯的迅速发展，开发了模拟电梯系统。

传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。

目前在电梯行业已得到广泛应用。

由于可编程器（PLC）具有编程软件采自易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等优点，现在的电梯控制多采用可编程器来实现。

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，系统采用随机逻辑方式控制。

电梯控制系统介绍，系统的控制要求，该模拟电梯模型由模拟十层电梯装置、人机界面及电梯控制系统组成，其中模拟电梯高3m，每层高4m。

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，而楼层和轿厢的呼出是随机的，因此，系统控制应采用随机逻辑控制。

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控制电梯的运行。

另外，①轿厢的位置是由脉冲编码器的脉冲数确定，并送PLC的记数器来进行控制。

同时，每层楼设置两个换速开关以利于减轻电梯启、停带来的失重现象。

②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，我们采用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。

③为了提高电梯的运行效率和平层的精度，系统要求PLC能对轿厢的加、减速以及制动进行有效的控制。

根据轿厢的实际位置以及交流调速系统劳动控制算法来实现。

1PLC的主要特点

1、高可靠性

对采用的器件进行严格的筛选。

各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

采用性能优良的开关电源。

各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

2、丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：

交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。

有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

3、采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要较强的计算机专业知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

4、安装简单，维修方便

PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

5、PLC的功能

逻辑控制，定时控制，计数控制，步进（顺序）控制，PID控制，数据控制：

PLC具有数据处理能力，通信和联网。

其它：

PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：

定位控制模块，CRT模块等。

2PLC的软、硬件

2.1PLC的硬件

主要有中央处理器CPU、存储器、输入/输出（I/O）口、通信接口、编程器和电源等部分。

PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。

以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架（CPU母板）上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板;如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板;另一种方法是配备远程I/O从站等。

这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商（代理商）、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。

PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC模板，用于反馈控制的PID模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。

另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。

PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。

它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为0.1～0.2s，更快的则选用50ms或更小的扫描周期。

它是一个数字采样控制系统。

2.2PLC的软件

为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块（或子程序），称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。

指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。

细分一般PLC的指令系统有:

基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。

另外PLC还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便。

2.3PLCI/O接口

PLC的硬件结构主要分单元式和模块式两种。

前者将PLC的主要部分（包括I/O系统和电源等）全部安装在一个机箱内。

后者将PLC的主要硬件部分分别制成模块，然后由用户根据需要将所选用的模块插入PLC机架上的槽内，构成一个PLC系统。

不论采取哪一种硬件结构，都必须确立用于连接工业现场的各个输入/输出点与PLC的I/O映象区之间的对应关系，即给每一个输入/输出点以明确的地址确立这种对应关系所采用得方式称为I/O寻址方式。

I/O寻址方式有以下三种：

（1）固定的I/O寻址方式这种I/O寻址方式是由PLC制造厂家在设计、生产PLC时确定的，它的每一个输入/输出点都有一个明确的固定不变的地址。

一般来说，单元式的PLC采用这种I/O寻址方式。

（2）开关设定的I/O寻址方式这种I/O寻址方式是由用户通过对机架和模块上的开关位置的设定来确定的。

（3）用软件来设定的I/O寻址方式这种I/O寻址方式是有用户通过软件来编制I/O地址分配表来确定的。

3交流变频调速系统

3.1控制系统硬件设计

图3-1交流变频调速系统的硬件结构

控制系统硬件结构主要包括：

可编程控制模块、控制指令输入模块、D／A转换模块、变频器调节模块。

3.2模块功能

可编程控制模块，该模块是整个控制系统控制的核心处理器，是按钮开关指令的执行中枢和变频器指令触发元件。

控制指令输入模块，该模块就是给PLC加载控制指令以实现相应的输出操作。

这里指令输入可由触摸屏按键实现，也可以由外部开关按钮实现，两种指令输入方式互为备用。

为避免由按钮开关指令实现众多指令会导致接线复杂情况出现，可以对重要的开关量实现冗余备用，非重要开关量仅由触摸屏按键实现。

D／A模块，D／A是将PLC输出的数字量转换成模拟电压量以实现变频调速的目的。

此系统采用的FX2N－2DA模块，该模块有两路模拟量输出以实现对两台变频器的控制。

变频器调节模块，变频器可根据PLC加载在其输入控制端子的指令执行相应的调节，能够执行三相异步电动机的各种工作状态。

模块通信PC机通过专用电缆与PLC模块和触摸屏模块进行通信连接，编制调试程序完毕可以直接下载到触摸屏和PLC各自程序存储器。

PLC模块与触摸屏之间由专用电缆连接，触摸屏按键指令可以由通信电缆加载到控制程序以执行相应的操作。

另外，外部按钮指令直接加载在PLC输入端以实现相应的指令操作。

PLC与D／A模块由扩展电缆连接，将PLC输出数字量转换成对应的两路电压信号加载到变频器输入端子以实现调速控制。

3.3控制系统软件设计

3.3.1PLC程序设计

根据控制系统要求，确定开关量输入、输出数量并对PLC分别地址分配。

X00～X04、X10～X14分别分配给电动机1、2的开关量输入端子（包括正转、反转、点动、停止）和变频器故障输入端子。

Y00～Y04、Y10～Y14分别分配给电动机1、2的开关量输出指示（包括正转、反转、点动、停止）故障指示。

Y20～Y22、Y30～Y32分别连接两台变频器的E1、E2和28控制端子。

其中，E1端子功能为高电平时激活固定给定转速；E2端子控制旋转方向；28端子控制电机启动和停止。

M00～M05、M10～X15分别分配给1、2按键指令的PLC写入地址（包括正转、反转、点动、加速、减速、停止）。

此外，寄存器D1、D2分别为存储两台电机的D／A待转换数值，寄存器M8000监视PLC运行状态。

3.3.2程序流程设计

PLC程序采用三菱FXGP－WIN－E编程软件实现，程序采用模块化、功能化结构，便于扩展应用，对应的流程图如下。

程序流程图如图3-2所示

4电梯控制系统设计

电梯控制系统可分为电力拖动系统和电气控制系统两个主要部分。

电力拖动系统主要包括电梯垂直方向主拖动电路和轿箱开关电路。

二者均采用易于控制的直流电动机作为拖动动力源。

主拖动电路采用PWM调试方式，达到了无级调速的目的。

而开关门电路上电机仅需一种速度进行运动。

电气控制系统则由众多呼叫按钮、传感器、控制用继电器、指示灯、LED七段数码管和控制部分的核心器件（PLD）等组成。

PLC集信号采集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。

十层电梯控制系统由呼叫到响应形成一次工作循环，电梯工作过程又可细致分为自检、正常工作、强制工作等三种工作状态。

电梯在三种工作状态之间来回切换，构成了完整的电梯工作过程。

4.1电梯的三个工作状态

4.1.1电梯的自检状态

将程序下载到AB公司的MicroLogix1000型PLC后上电，PLC中的程序已开始运行，但因为电梯尚未读入任何数据，也就无法在收到请求信号后通过固化在PLC中的程序作出响应。

为满足处于响应呼叫就绪状态这一条件，必须使电梯处于平层状态已知楼层且电梯门处于关闭状态。

电梯自检过程的目标为：

先按下启动按钮，再按下恢复正常工作按钮，电梯首先电梯门处于关闭状态，然后电梯自动向上运行，经过三个平层点后停止。

4.1.2电梯的正常工作状态

电梯完成一个呼叫响应的步骤如下：

（1）电梯在检测到门厅或轿箱的呼叫信号后将此楼层信号与轿箱所在楼层信号比较，通过选向模块进行运行选向。

（2）电梯通过拖动调速模块驱动直流电机拖动轿箱运动。

轿箱运动速度要经过低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至减速点。

（3）当电梯检测到目标层楼层检测点产生的减速点信号时，电梯进入减速状态，由中速变为低速，并以低速运行至平层点停止。

（4）平层后，经过一定延时后开门，直至碰到开关到位行程开关；再经过一定延时后关门，直到碰到关门到位行程开关。

电梯控制系统始终实时显示轿箱所在楼层。

4.1.3电梯强制工作状态

当电梯的初始位置需要调整或电梯需要检修时，应设置一种状态使电梯处于该状态时不响应正常的呼叫，并能移动到导轨上、下行极限点间的任意位置。

控制台上的消防/检修按钮按下后，使电梯立刻停止原来的运行，然后按下强迫上行（下行）按钮，电梯上行（下行）；一旦放开该按钮，电梯立刻停止，当处理完毕时可用恢复正常工作按钮来使电梯跳出强制工作状态。

4.2电梯控制系统原理框图

电梯控制系统原理框图如图4-1所示，主要由轿箱内指令电路、门厅呼叫电路、主拖动电机电路、开关门电路、档层显示电路、按钮记忆灯电路、楼层检测与平层检测传感器及PLC电路等组成的。

图4-1电梯控制系统原理框图

4.3电梯控制系统的硬件组成

电梯控制系统的硬件结构如图3-2所示。

包括按钮编码输入电路、楼层传感器检测电路、发光二极管记忆灯电路、PWM控制直流电机无线调速电路、轿箱开关电路、楼层显示电路及一些其他辅助电路等。

为减少PLC输入输出点数，采用编码的方式将31个呼叫及指层按钮编码五位二进制码输入PLC。

4.3.1系统输入部分

系统输入部分分为两个部分，一是直接输入到PLC输入口的开关量信号部分，包括：

控制台上的启动按钮、恢复正常工作按钮、消防/检修按钮、强迫上行（下行）按钮部分以及开关门行程到位开关。

二是按钮编码输入信号部分。

本系统为十层电梯系统，在轿箱内的选层按钮和门厅旁的向上、向下呼叫按钮共有28个之多，采用优先编码的方法将31个按钮信号编为五位二进制码。

这里采用四片8位优先编码器4532和五个四二输入端或门4072组成32级优先编码器。

图4-2电梯控制系统硬件结构框图

4.3.2系统输出部分

  系统的输出部分包括发光二极管记忆灯电路、PWM控制调速电路、轿箱开关门电路和七段数码管楼层显示电路等。

在PWM控制直流电机无线调速电路中，PWM产生电路接收来自PLC的八位二进制码，随着码值的改变，其输出的脉冲占空比也相应改变。

轿箱开关门电路使用两个继电器、两个行程开关、直流电动机、功率反相器2003等构成控制电路。

在七段数码管楼层显示电路中，七段数据管不经专用驱动芯片驱动而由PLC提供特定的二进制码直接输入。

4.4系统的软件设计

软件流程图如图4-3和图4-4所示：

图4-3电梯控制主程序流程图

图4-4楼层现实程序流程图

4.5模块化编程

本系统是集选式控制系统，控制比较复杂，适合采用模块化编程方法。

首先要将各个输出信号的属性分类，模块与模块之间的衔接可以用中间寄存位来传递信息。

如：

门厅呼叫电路和轿箱内指层电路均要求读入按钮呼叫信号，并保持至呼叫被响应完成为止。

将门厅呼叫按钮、箱内指层按钮、箱内开关门按钮、报警按钮等通过32级优先编码电路编码后输入PLC，在软件上就形成了读按钮编码电路模块。

系统软件大致分为八个模块：

读按钮编码电路模块、楼层检测电路模块、控制七段数码管显示楼层电路模块、电梯选向电路模块和系统非正常工作状态及电机调速拖动电路模块、减速点信号产生电路模块、电梯轿箱开关门电路模块和按钮记忆灯显示电路模块。

楼层检测电路模块主要是读入楼层编码并将该记忆信号存入对应的中间寄存位，直到楼层改变为止。

控制七段数码管显示楼层电路模块主要控制两片七段数码管的显示。

电梯的选向模块主要是完成电梯在响应呼叫时作出的向上运行还是向下运行的判断。

该模块有两个对系统来说特别重要的中间量输出，即上行中间寄存位和下行中间寄存位。

系统正常工作状态及电机调速拖动电路模块将系统初始化过程、强制工作过程及电机调速拖动过程合并为一个模块。

减速点信号产生电路模块完成将减速点信号通知系统的任务。

电梯在运行到目标楼层检测点时要进入减速状态，而电梯在运行过程中会碰到很多的楼层检测点，只有到目标楼层的检测点时才会发出减速通知，电梯在经过目标楼层检测点时接到这个信号就开始减速了。

电梯轿箱开关门电路模块和按钮记忆灯显示电路模块是为了便于控制组成的模块，分别控制轿箱的并关门和按钮接过之后需要记忆显示的发光二极管电路。

4.6系统调试

电梯系统为模拟实用旅客电梯系统的教学实验装置。

它能实现实际旅客电梯系统的绝大部分功能，包括：

门厅召唤功能、轿箱内选层功能、顺向截梯功能、智能呼叫保持功能、电梯自动开关门功能、电梯手动开关门功能、清除无效指令功能、智能初始化功能、消除/检修功能、楼层显示功能和电梯平滑变速功能。

虽然本电梯控制系统已能满足基本的电梯运行要求，但仍有许多需要改进的地方。

增加与微机通信的接口，实现联网控制，多台电梯的综合控制由微机完成。

优化电梯的选向功能，使之能随客流量的变化而改变，达到高效运送乘客的目的。

增加出现紧急情况时的电梯处理办法。

需输入密码才能乘电梯到达特殊档层功能，且响应该楼层呼叫时不响应其他楼层呼叫。

设置电容感应装置，如关门时仍有乘客进出，则轿门未触及人体就能自动重新开门。

结论

通过设计，综合了我们所学的专业知识，在设计中发现了自己许多不足之处，使我明白学好课本上的知识仅仅是基础，要掌握一门技术必须还得更深层的学习，为了设计完成查阅了很多相关资料，在设计过程中让我学会了独立思考问题，自己提出问题并去解决问题，并初步具备了创新精神和创业能力。

把理论与实践相结合，巩固了所学的知识，使我们的创新意识有所提高，吃苦耐劳精神也得到了锻炼，激发了我们作为新一代大学生的斗志。

了解了许多当今社会先进的PLC编程软件和电梯模型，对电梯的控制技术也有了新的认识，为将来走向社会从事有关PLC或者是电梯设计和安装等相关工作打下了坚实的基础。

只是由于自身的原因，在编程过程中出现了许多错，花费了很多时间，以至于电梯的部分控制功能不能实现，我也一直在努力，努力做到最好。

致谢

在这次设计中，我所做的这个设计涉及到PLC的分析和应用。

由于本人的能力有限，在毕业设计的制作过程中，遇到的问题和困难很多，但在老师的指导和同学的帮助下，我成功地完成了系统的分析和设计工作。

在临近毕业之际，我还要借此机会向给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们的辛勤栽培。

不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成。

参考文献

[1]张凤珊.电气控制及可编程控制器.轻工出版社，1999

[2]余雷声.电气控制与PLC应用.北京:

机械工业出版社，2002

[3]俞国亮.PLC原理与应用.北京:

清华大学出版社，2004

[4]邹金慧.可编程控制及其系统.重庆：

重庆大学出版社，2004