基于PLC控制的小型货物升降机调速系统设计.docx
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基于PLC控制的小型货物升降机调速系统设计
0前言
在当今的社会，科学技术的发展可谓日新月异，现代化的技术被广泛的运用于工况实践，升降机的发展经历了从原始的人力拖动，到现代的微处理器控制的以液压和机械为驱动单元的发展过程。
直到现在，大规模的集成电路在升降机中的投入使用，以及高运算速度的微处理器使得升降机的功能性、安全性以及智能化程度越来越高了。
它的应用人的智慧是无穷尽的，针对单一的动作系统，人们又提出是否能在构造成型的硬件系统不变的情况下，通过软件编程来实现硬件系统动作的多样化。
因此PLC（可编程序控制器）控制的机械设备在这种几乎是必然的情况下产生了。
可编程序控制器是在计算机技术，通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现在已经广泛的应用于工业控制的各个领域。
它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。
随着科学技术的进步、大功率晶体管电子技术的迅速发展、大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，交流电动机变频调速技术已日趋完善，变频调速用于交流异步电动机调速，其性能胜过以往任何一种交流调速方式，而且结构简单，因而成为交流电动机调速的最新潮流，由于笼型电动机占电动机总数的比例很大，故其调速方法和控制技术无疑将成为电动机控制的关键技术，而变频器与笼型电动机的结合则是交流电动机调速系统的最佳选择。
该系统具有显著的节能效果、较高的控制精度及较宽的调速范围，便于使用维护以及易于实现自动控制及远程控制等性能，因而受到普遍欢迎。
1概述
1.1升降机发展历程与趋势
升降机（Lifter）作为垂直的运输工具已经有一百多年历史了。
它是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种运输工具，其地位相当于“垂直运动的汽车”是现代生活必不可少的工具[1]。
升降机的发展经历了从原始的人力拖动，到现代的微处理器控制的以液压和机械为驱动单元的发展过程。
直到现在，大规模的集成电路在升降机中的投入使用，以及高运算速度的微处理器使得升降机的功能性、安全性以及智能化程度越来越高了。
而且随着科技的进步、现代战争的发展，它的应用领域也在不断的扩大:
从最初的只应用在建筑方面，到现在的应用在一些大型船舶领域。
我国是最早出现升降机的国家之一，据考证，公元前11巧年至1079年之间我国劳动人民就发明了一种叫辘护的升降装置[2]。
西方相对来说出现的较晚一些。
公元前236年，希腊科学家阿基米德设计出一种卷筒式升降机。
在随后近两千多年中，升降机一直是靠人力、畜力或水力作为动力[3]。
直到1858年瓦特发明蒸汽机后的一百年之后，美国制造商奥的斯才第一次把它作为升降机的动力装置并应用在了纽约的一台客梯上。
接着阿姆斯特朗发明的水压梯代替了蒸汽机梯。
1880年，德国最早出现了电力拖动的升降机。
1889年美国奥的斯公司制造了用直流电动机通过蜗轮蜗杆减速器带动卷筒卷绕绳索悬挂并升降轿厢的电动升降机，构成了现代电梯的鼻祖。
时隔三年，美国的亨利·华特发明了用调节电动机励磁场来调速的电动机—发电机电力驱动系统，使直流升降机的电力拖动结构有了重大的发展。
二次大战后，由于电子技术的发展，升降机的控制系统得到了极大的提高。
特别是1970年以后，大规模集成电路在升降机控制系统中投入使用，使得升降机的可靠性、安全性都有了很大的改善，设备体积也大大缩小。
20世纪80年代，随着大功率晶体管模块的问世及微机和数字调节器技术的不断成熟，人们通过调节脉冲宽度来调节电子逆变器，实现对升降机中交流电动机的调压调频，达到线性调速的目的。
此后，升降机的发展速度十分惊人，也开始逐渐普及起来。
目前，升降机正朝着高安全性、高可靠性、高性能、自动化、环保化、舒适化等方向发展[4]。
如联邦设备公司中标设计的美国CVN21航空母舰弹药升降机，由永磁直线同步电机驱动，不需要绳索，其运动更快，自动化程度更高，负载能力比“尼米兹”级大一倍以上。
1.2国内外升降机研究状况
近三十年来，国外升降机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。
起初的升降机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的升降机。
上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交—直—交变频原理后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。
1981年第一台用同步机悬臂传动的升降机在德国Monopol矿问世，1988年由MAVGHH和西门子合作制造的机电一体的升降机（习惯称为内装电机式）在德国Romberg矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动升降机。
在升降机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使升降机的电气控制系统更是日新月异。
早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器应用于升降机控制。
上世纪八十年代初，计算机又被用于升降机的监视和管理。
计算机和PLC的应用，使升降机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。
特别要强调的是，此时期在国外一些著名的升降机机制造公司，如西门子、ABB，ALSTHOM都利用新的技术和装备，开发或完善了升降机的安全保护和监控装置，使安全保护性能又有了新的提高。
就在国外科学技术突飞猛进发展的时候，我国升降机电控系统很长时间都处于落后的状况。
直到目前为止，我国正在服务的矿井升降机电控系统大多数还是转子回路串金属电阻的交流调速系统，设备陈旧、技术落后。
国产升降机安全性、可靠性差，在关键部位—上下两井口减速区段没有配套的有效的速度监视装置，就升降机控制技术而言，依然是陈旧的，和国外相比，我们存在很大的差距。
2PLC
2.1PLC简介
PLC（编程逻辑控制器）是20世纪60年代末期逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
近几年来，PLC技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到极其广泛的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技术[5]。
在PLC出现以前，继电器控制曾得到广泛应用，在机电设备和工业过程控制领域中占有主导地位。
但是继电器控制系统有明显的缺点：
体积大，可靠性低，故障查找困难，特别是因为它是由硬接线逻辑构成的系统，造成了接线复杂，容易出故障，对生产工艺变化的适应性较差。
20世纪60年代未，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断更新的需要，试图寻找一种新的生产线控制方法，使之尽可能地减少重新设计继电器控制系统的工作量以及尽量地减少控制系统硬连接线的数量，以降低生产成本，缩短制造周期，减少生产线的故障率，从而有效地提高生产效率。
当时，电子计算机的硬件己经基本完备，其主要功能是通过软件来实现的，因此具有灵活性、通用性等优点，但价格相对来说比较昂贵，于是他们想到了把继电器控制系统简单易懂、操作方便、价格便宜的长处与计算机灵活、通用的优点结合起来，用来制造一种新型的工业控制装置，并进而采用招标的方式，首先山美国数字设备公司（DEC）研制出符合上述想法的工业控制装置，命名为可编程逻辑控制器，即PLC（ProgrammableLogicController）。
1969年，第一台PLC在GM公司汽车生产线上首次运行，成功地取代了沿用多年的继电器控制系统，尽管当时的PLC功能仅具有逻辑控制、定时、计数等功能，但却标志着一种新型装置问世[6]。
随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，20世纪70年代中期又出现了微处理器和微型计算机，这些新技术很快也被用到PLC之中，使得PLC不仅其有逻辑控制功能，而且还增加了运算、数据处理和传送等功能，从而成为具有计算机功能的新型工业控制装置。
1980年美国电器制造商协会正式将其命名为可编程控制器（ProgrammableController）简称PC。
国际电工委员会（IEC）于1982年11月和1985年1月颁布了可编程控制器的第一稿和第二稿，对可编程控制器作了如下的定义：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它可采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。
之所以把可编程控制器简称为PC，因为它已经不再是仅具有逻辑控制功能的装置了。
只是由于20世纪80年代崛起的个人计算机（PersonalComputer）也简称为PC。
为了加以区别，人们又把可编程控制器简称为PLC。
2.2PLC的技术发展方向
1）向高速度、大存储量方向发展
为提高处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前大中型PLC的速度可达0.2ms/k步左右。
各大公司都把PLC的扫描速度作为一个很重要的竞争指标。
2）向多品种方向发展
目前中小型PLC比较普遍。
为适应市场的多种需要，今后PLC发展要向多品种方向，特别是向超大型和超小型两个方向发展。
目前开关量输入输出点数达到8192点的大型PLC己比较多。
为适应大规模控制系统的需要，输入输出点数还在增加。
例如：
Modicon公司的984—780、984—785的最大开关量输入输出点数为16384，西门子公司的S5-55U为10K点，RelianceElectric公司的DCS-5000为12K点。
另一方面，小型的PLC向微型化、多功能、实用性发展，由于可编程控制器向微型化发展，起应用已不仅仅局限在工业领域，广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化和商业领域。
3）编程语言多样化
PLC系统结构不断发展的同时，编程软件也在不断发展。
编程语言朝着多种编程语言的方向发展。
尽管大多数PLC采用继电器梯形图语言，但是新的编程语言还是不断出现，现在有部分PLC已采用高级语台，例如：
Teletrol系统公司的286集成系统就是用C语言，使个人计算机技术得以溶入PLC之中。
4）发展智能模块
智能模块是以微处理器为基础的功能部件。
它可以与PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。
发展智能模块可进一步提高PLC处理信息的能力和控制功能。
2.3PLC的基本结构和工作原理
PLC是以微处理器为核心的数字式电子、电气自动控制装置，也可以说是一种专用微型计算机。
各种PLC的具体结构虽然多种多样，但其组成的一般原理基本相同，即都是以微处理器为核心，并辅以外围电路和I/O单元等硬件所构成。
正像通用的微机一样，PLC的各种功能的实现，不仅基于其硬件的作用，而且要靠其软件的支持[7]。
2.3.1PLC的硬件组成
PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出部件（I/O）、电源和编程器几大部分组成。
其组成如图1-1所示。
图1-1PLC的结构
Fig.1-1PLCgraph
1）中央处理单元（CPU）
PLC中所采用的CPU随机型不同而有所不同，通常有三种：
a.通用微处理器（8086、80286、80386等）。
b.单片机芯片（8031、8096等）。
c.位片式微处理器（AMD-2900等）。
PLC的档次越高，CPU的位数也越多，运算速度也越快，其指令功能也越强。
2）存储器
PLC的内部存储器（简称内存）用来存储系统管理程序和用户程序。
内存有两种：
a.随机存储器RAM。
b.只读存储器ROM、PROM、EPROM、E2PROM。
3）输入/输出（I/O单元）
输入、输出信号分为开关量、模拟量、数字量。
本设计中采用的是开关量为输入和输出，所以这里仅以开关量为例进行说明。
I/O单元是PLC与被控对象之间传递输入输出信息的接口部件。
为了防止各种干扰和高电压窜入PLC内部而影响其工作可靠性，I/O单元首先应具有电隔离作用和滤波作用。
PLC的各种输入器件（如：
各种开关、接头和热电偶等）和各种输出控制器件（如：
电磁阀、接触器、和继电器等）有交流和直流型，有高电压和低电压型，有电压型和电流型。
为保证PLC能正常工作，I/O单元必须把外部的电压和电流信号变换成PLC能接受和识别的低电压信号，以及把PLC输出的低电压信号变换成被控器件能接受或所要求的电压、电流信号，因此I/O单元还应具有电压、电流的变换作用。
通常PLC的输入有三种类型：
一种是直流（DC）12—24V输入，另一种是交流（AC）100—120V或200—240V输入，第三种是交直流（AC/DC）12-24V输入。
输入开关可以是无源触点或传感器的集电极开路晶体管。
各种PLC的输入电路大致相同。
输入电路的一次电路与二次电路间用光耦合器隔离，在电路中设有RC滤波器，以消除输入触点的抖动和沿输入线引入的外部噪声的干扰。
因此，外部输入从ON—OFF或从OFF—ON变化时，PLC内部有约10ms的响应滞后。
输入指示灯亮，光耦合器的发光二极管发光，而三极管从截止状态变为饱和导通状态，PLC的输入数据产生了0和1的改变。
通常，PLC的输出也有三种形式：
一种是继电器输出型，CPU输出时接通或断开继电器的线圈，继电器的触点闭合或断开，通过继电器触点控制外电路的通断；另一种是晶体管输出型，通过光耦合使开关晶体管截止或饱和导通以控制外电路；第三种是双向晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管。
在这三种输出中，以继电器输出响应最慢。
每种输出电路都有隔离措施。
继电器的触点和线圈将PLC内部电路与外部负载电路进行电气隔离。
品体管输出型是在PLC内部电路与输出晶体管之间用光耦合器进行隔离。
双向晶闸管输出型是在PLC内部电路与双向晶闸管之间采用光触发晶闸管进行隔离。
输出电路的负载电源由外部提供。
输出电流一般为0.5-2A。
输出电流的额定值与负载性质有关。
4）电源
PLC的电源一般为单相交流电源，电源电压必须与额定电压相符（通常为110V或220V），也有用直流24V供电的。
PLC对电源的稳定性要求不高，一般允许电源电压额定值在±15%的范围内波动。
PLC都包括一个稳压电源，用于对CPU和I/O单元供电。
有些PLC的电源与CPU合为一体。
有的PLC特别是大中型PLC备有专用电源模块。
有些PLC电源部分还提供有DC24稳压输出，用于对外部传感器供电。
5）编程器
编程器是PLC很重要的附件，它主要由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成。
编程器分简易型和智能型两类。
小型PLC常用简易编程器，大中型PLC多用智能CRT编程器。
编程器的作用是编制用户程序，将程序送入存储器。
利用编程器检查修改用户程序和在线监视PLC的工作状况。
除上述简易型和智能型这两种编程器之外，还可采用通用计算机作为编程器。
现在有些公司在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可使这些微机作为编程器用。
用微机作为编程器，可以直接编制梯形图，监视功能也比较强，并且对于己经拥有微机的用户，可省去一台编程器，节省开支。
编程器的功能随着PLC功能的不断增强也在不断强化，它已不是一个单一的程序输入装置，而兼有许多功能。
编程器通常有两种编程方式：
a.在线（联机）编程方式
编程器与PLC上的专用插座直接相连，程序可直接写入到PLC的用户程序存储器中去，也可先将程序存放在编程器内，然后再转入PLC的存储器中。
这种编程方式不但调试程序方便，而且还能监视PLC内部工作状态。
b.离线（脱机）编程方式
编程器与PLC脱开，待程序写完后才与PLC相连。
离线编程方式不影响PLC的现行工作。
2.3.2PLC程序的表达方式
与计算机的工作原理一样，PLC的操作是按其程序要求进行的，而程序是用程序语言表达的。
表达方式有多种多样，不同的PLC生产厂家，不同的机种，采用的表达方式也不相同。
但基本上可归纳为字符表达方式（即用文字符号表达程序，如语句表程序表达方式）和图形符号表达方式（即用图形符号表达程序，如梯形图程序表达方式）这两大类。
也有将这两种方式结合起来表示PLC程序[8]。
1）梯形图
PLC的梯形图编程语言与传统的“继电、接触”控制原理图十分相似，它形象、直观、实用，为广大电气技术人员所熟知。
这种编程语言继承了传统的继电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，使得程序直观易读。
当今世界上各国的PLC制造厂家所生产的PLC大都采用梯形图语言编程。
2）语句表
用语句表所描述的编程方式是一种与计算机汇编语言类似的助记符编程方式。
由于不同型号的PLC的标识符和参数表示方法不一，所以无千篇一律的格式。
3）逻辑符号图
采用逻辑符号图表示控制逻辑时，首先定义某些逻辑符号的功能和变量函数，它类似于“与”、“或”、“非”逻辑电路结构的编程方式。
一般说来，用这三种逻辑能够表达所有的控制逻辑。
这是国际电工委员会（IEC）颁布的PLC编程语言之一。
4）高级编程语言
随着软件技术的发展，近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，已开始用高级语言进行编程。
许多PLC采用类似PASCAL语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言编程的自动编译程序。
采用高级语言编程后，用户可以像使用普通微形计算机一样操作PLC。
除了完成逻辑控制功能外，还可以进行PID调节、数据采集和处理以及计算机通信等。
上述几种编程语言（方式），最常用的是梯形图和语句表，其次是逻辑符号图，近几年来也使用高级语言。
下面简述梯形图和语句表的编程格式及特点。
2.3.3PLC的工作方式
1）PLC中等效元件的功用及其编号
PLC中的等效输入继电器X和等效输出继电器Y。
计时器T、计数器C、辅助继电器M等均可理解为一个线圈和多个动合（常开）、动断（常闭）触点，并都可以在PLC内部控制电路中使用，且均具有各自的相应编号，下面分别简介其功用与编号。
a.输入继电器（X）
PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，PLC内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制输入），线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。
内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。
输入电路的时间常数一般小于10ms。
各基本单元都是八进制输入的地址，输入为X000～X007，X010～X017，……。
它们一般位于机器的上端。
b.输出继电器（Y）
PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。
输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供内部程序使用。
输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。
输出电路的时间常数是固定的。
各基本单元都是八进制输出，输出为Y000～Y007，Y010～Y017，……。
它们一般位于机器的下端。
c.辅助继电器（M）
PLC内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。
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。
它的电子常开/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中普遍途采用M0～M499，共500点辅助继电器，其地址号按十进制编号。
辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如：
掉电继电器、保持继电器等，在这里就不一一介绍了。
d.定时器（T）
在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，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。
在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。
即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。
定时器通道范围如下：
100ms定时器T0～T199，共200点，设定值：
0.1～3276.7秒；
10ms定时器T200～TT245，共46点，设定值：
0.01～327.67秒；
1ms积算定时器T245～T249，共4点，设定值：
0.001～32.767秒；
100ms积算定时器T250～T255，共6点，设定值：
0.1～3276.7秒；
当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时，T200的当前值计数器对10ms的时钟脉冲进行累积计数，当前值与设定值K123相等时，定时器的输出接点动作，即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒（10*123ms=1.23s）时才动作，当T200触点吸合后，Y000就有输出。
当驱动输入X000断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。
每个定时器只有一个输入，它与常规定时器一样，线圈通电时，开始计时；断电时，自动复位，不保存中间数值。
定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时值寄存器，编程时，由用户设定累积值。
定时器线圈T250的驱动输入X001接通时，T250的当前值计数器对100ms的时钟脉冲进行累积计数，当该值与设定值K345相等时，定时器的输出触点动作。
在计数过程中，即使输入X001在接通或复电时，计数继续进行，其累积时间为34.5s（100ms*345=34.5s）时触点动作。
当复位输入X002接通，定时器就复位，输出触点也复位。
e.计数器（C）
FX2N中的16位增计数器，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，它有两个输入，一个用于复位，一个用于计数。
每一个计数脉冲上升沿使原来的数值减1，当现时值减到零时停止计数，同时触点闭合。
直到复位控制信号的上升沿输入时，触点才断开，设定值又写入，再又进入计数状态。
其设定值在K1～K32767范围内有效。
设定值K0与K1含义相同，即在第一次计数时，其输出触点就动作。
通用计数器的通道号：
C0～C99，共100点。
保持用计数器的通道号：
C100～C199，共100点。
通用与掉电保持用的计数器点数分配，可由参数设置而随意更改。
由计数输入X011每次驱动C0线圈时，计数器的当前值加1。
当第10次执行线圈指令时，计数器C0的输出触点即动作。
之后即使计数器输入X011再动作，计数器的当前值保持不变。
当复位输入X010接通（ON）时，执行RST指令，计数器的当前值为0，输出接点也复位。
应注意的是，计数器C100～C199，即使发生停电，当前值与输出触点的动作状态或复位状态也能保持。
f.数据寄存器
数据寄存器是计算机必不可少的元件，用于存放各种数据。
FX2N中每一个数据寄存器都是16bit（最高位为正、负符号位），也可用两个数据寄存器合并起来存储32bit数据（最高位为正、负符号位）。
通用数据寄存器D：
通道分配D0～D199，共200点。
只要不写入其他数据，已写入的数据不会变化。
但是，由RUN→STOP时,全部数据均清零。
（若特殊辅助继电器M8033已被驱动，则数据不被清零）。
停电保持用寄存器：
通道分配D200～D511，共312点，或D200～D999，共800点（由机器的具体型号定）。
基本上同通用数据寄存器。
除非改写，否则原有数据不会丢失，不论电源接通与否，PLC运行与否，其内容也不变化。
然而在二台PLC作点对的通信时，D490～D509被用作通信操作。
文件寄存器：
通道分配D1000～D2999，共2000点。
文件寄存器是在用户程序存储器（RAM、EEPROM、EPROM）内的一个存储区，以500点为一个单位，最多可在参数设置时到2000点。
用外部设备口进行写入操作。
在PLC运行时，可用BMOV指令读到通用数据寄存器中，但是不能用指令将数据写入文件寄存器。
用BMOV将数据写入RAM后，再从RAM中读出。
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