摩天轮控制系统设计.docx

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摩天轮控制系统设计

摘要

我国工业企业的自动化程度普遍较低，PLC产品有很大的应用空间，如机械行业80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制。

因此，PLC在我国的应用潜力远没有得到充分发挥。

我国大中型企业普遍采用了先进的自动化系统对生产过程进行控制，但绝大部分小型企业尚未应用自动化系统和产品对生产过程进行控制。

随着竞争的日益加剧，越来越多的小型企业将采用经济、实用的自动化产品对生产过程进行控制，以提高企业的经济效益和竞争实力。

中国加入WTO后越来越多的国际公司把其制造基地转移到中国。

同时，中国的国有企业和民营企业也在利用难得的历史机遇大力发展制造业。

中国正在努力成为世界新的制造业基地。

制造业的控制主要以离散控制为主，PLC是该领域控制系统的首选。

制造企业为提高劳动生产率和产品质量，必然会大量采用PLC，从而为PLC的应用提供广阔的应用前景。

自2001年以来，作为基础工业之一的机械工业成为我国工业发展新的增长点，年均增长率超过20%。

与流程工业对模拟量的反馈调节不同，机械工业需对开关量进行连锁及顺序控制，因此PLC成为其控制产品的首选。

机械行业的高速增长和自动化现状为PLC应用提供了巨大的市场空间。

我国在“十五"规划中已明确提出了“用信息化带动工业化"的发展计划，大量传统产业的自动化改造将为PLC的应用提供巨大的发展空间。

我国的工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后，按目前的经济形势分析，我国将迎来一个PLC市场高速增长的时期。

基于上述原因和中国经济高速增长的现状，今后若干年内中国PLC市场将保持持续高速增长。

综合相关资料提供的数据，并分析目前中国PLC市场主要厂商的经营数据，初步估计目前在我国本土销售的PLC总量为30~40亿元人民币（不含随进口主设备配套的PLC），年增长率为15~20%。

巨大的市场需求为发展PLC业务提供了难得的历史机遇，国内有实力的自动化公司应充分利用在市场、技术、行业影响和品牌等方面的积累，大力拓展PLC业务，使国产PLC早日成为中国PLC市场的主要参与者之一。

目前中国PLC市场主要厂商为Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc等国际大公司，欧美公司在大、中型PLC领域占有绝对优势，日本公司在小型PLC领域占据十分重要的位置，韩国和中国台湾的公司在小型PLC领域也有一定市场份额，中国大陆PLC厂商的市场份额几乎可以忽略。

关键词：

自动化，PLC，信息化

目录

摘要......................................................................1

目录......................................................................2

第一章摩天轮的概述.......................................................3

1.1摩天轮的起源..........................................................3

1.2摩天轮的分类..........................................................3

1.3摩天轮结构体系及施工方法..............................................3

第二章PLC简介............................................................4

2.1PLC的起源与发展.......................................................4

2.2PLC的特点及应用.......................................................5

2.3PLC的系统结构.........................................................6

2.4PLC各部分的作用.......................................................7

第三章系统设计...........................................................8

3.1控制要求..............................................................8

3.2硬件设计..............................................................9

3.2.1电器型号选择.......................................................9

3.2.2PLC控制I/O分配...................................................13

3.2.3PLC外部接线图.....................................................14

3.3软件设计..............................................................16

3.4系统调试及解决的问题..................................................29

结束语....................................................................30

参考文献..................................................................30

第一章摩天轮的概述

摩天轮是一种大型转轮状的机械建筑设施，上面挂在轮边缘的是供乘客乘搭的座舱（Gondola）。

乘客坐在摩天轮慢慢的往上转，可以从高处俯瞰四周景色。

最常见到摩天轮存在的场合是游乐园（或主题公园）与园游会，作为一种游乐场机动游戏，与云霄飞车、旋转木马合称是“乐园三宝”。

但摩天轮也经常单独存在于其他的场合，通常被用来作为会活动的观景台使用。

1.1摩天轮的起源

的摩天轮由美国人乔治·法利士（GeorgeWashingtonFerris）在1893年为芝加哥的博览会设计，目的是与巴黎在1889年博览会建造的巴黎铁塔一较高下。

第一个摩天轮重2200吨，可乘坐2160人，高度相等于26层楼。

正由于法利士的成就，日后人们皆以「法利士巨轮」（FerrisWheel）来称呼这种设施，也就是我们所熟悉的摩天轮。

1.2摩天轮的分类

根据运作机构的差异，摩天轮可分为重力式摩天轮（FerrisWheel）和观景摩天轮（ObservationWheel）两种。

重力式摩天轮的座舱是挂在轮上，以重力维持滑轴水平；而观景摩天轮上的座舱则是悬在轮的外面，需要较复杂的连杆类机械结构，随着车厢绕转的位置来同步调整其保持水平。

1.3摩天轮结构体系及施工方法

摩天轮结构的施工技术和方法，应根据具体的结构形式和现场条件指定。

目前，已建摩天轮结构的施工方法可归纳为以下3种。

一、地面拼装、整体吊装法

摩天轮轮缘钢结构在工厂分段加工和组装，运至现场后再把轮缘组装成整体，然后连接内部的刚性桁桁架支撑或柔性钢缆索体系，最后进行整体吊装就位。

英国“伦敦之眼”采用该施工方法，轮缘的钢管桁架分成3段在工厂加工完成，运至现场组装成整体，接着安装轮缘内部的钢索并进行张拉，导入预应力，最后将轮盘结构和支承塔架结构形成整体结构后，进行吊装。

地面拼装、整体吊装法有利于钢结构安装，安装精度易保证；但摩天轮结构规模和重量一般较大，所以需要较大的施工场地和较强的起吊能力。

二、立面旋转安装法

　　立面旋转安装法，是指支承塔架和轮轴安装就位后，采用临时刚性轮辐带动分段轮缘和钢索旋转安装的施工方法。

立面旋转安装法又分为单侧旋转安装法和两侧旋转安装法，适用于依靠钢缆索提供向心力的柔性摩天轮结构体系，该法已用于天津慈海桥摩天轮结构中。

　　立面旋转安装法可以避免大量的高空作业，风险性较低；但是需要较大的牵引动力系统和良好的制动系统，尤其是两侧旋转安装法还需对摩天轮中心轮轴做特殊处理。

三、中心旋转安装法

中心旋转安装法，是指支承塔架和轮轴安装就位后，以塔架设置工作平台，或利用起吊系统从中心向外围逐圈安装摩天轮结构体系，在一些中、小型的摩天轮安装工程中应用较多。

第二章PLC的简介

20世纪70年代，诞生了两种改变整个世界及商业管理模式的计算机。

产生于1976年的苹果II型，是世界上最早得到广泛使用的微型计算机。

当今价值数十亿美元的个人计算机产业就是从这个当初由两名年轻人在车库里成立的小公司衍生而来的。

另外一类计算机，是由RichardMorley在1972年发明的，如今称之为可编程逻辑控制器（PLC）。

它最初并没有像个人计算机那样得到名称上的广泛认同，但是却给制造业带来了同样意义重大的冲击。

PLC通常被称为工厂级别的个人计算机。

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

2.1PLC的起源与发展

一、起源

1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；　　

1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。

1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；　　

1971年，日本研制出第一台DCS-8；　　

1973年，德国研制出第一台PLC；　　

1974年，中国研制出第一台PLC。

二、发展

20世纪70年代初出现了微处理器。

人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。

此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。

20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。

2.2PLC的特点及应用

一、PLC的主要特点

1.使用灵活、通用性强——PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。

在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。

当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。

　　2.可靠性高、抗干扰能力强——微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；传统的继电器—接触器控制系统抗干扰能力强，但由于存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。

PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达4～5万小时。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。

如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰，其工作环境温度为0～60℃，无需强迫风冷。

　　3.接口简单、维护方便——PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修更换。

有的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。

　　4.体积小、功耗小、性价比高——以小型PLC（TSX21）为例，它具有128个I/O接口，可相当于400～800个继电器组成的系统的控制功能，其尺寸仅为216×127×110mm3，重2.3kg，不带接口的空载功耗为1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的10～20％。

PLC的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。

　　5.编程简单、容易掌握——PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑了现场工程技术人员的技能和习惯。

大多数PLC的编程均提供了常用的梯形图方式和面向工业控制的简单指令方式。

编程语言形象直观，指令少、语法简便，不需要专门的计算机知识和语言，具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内掌握。

利用专用的编程器，可方便地查看、编辑、修改用户程序。

6.设计、施工、调试周期短——用继电器—接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。

而采用PLC控制，由于其靠软件实现控制，硬件线路非常简洁，并为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。

由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。

PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。

二、PLC的应用

1.使用灵活、通用性强——PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。

在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。

当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。

　　2.可靠性高、抗干扰能力强——微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；传统的继电器—接触器控制系统抗干扰能力强，但由于存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。

PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达4～5万小时。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。

如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰，其工作环境温度为0～60℃，无需强迫风冷。

　　3.接口简单、维护方便——PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修更换。

有的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。

　　4.体积小、功耗小、性价比高——以小型PLC（TSX21）为例，它具有128个I/O接口，可相当于400～800个继电器组成的系统的控制功能，其尺寸仅为216×127×110mm3，重2.3kg，不带接口的空载功耗为1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的10～20％。

PLC的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。

　　5.编程简单、容易掌握——PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑了现场工程技术人员的技能和习惯。

大多数PLC的编程均提供了常用的梯形图方式和面向工业控制的简单指令方式。

编程语言形象直观，指令少、语法简便，不需要专门的计算机知识和语言，具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内掌握。

利用专用的编程器，可方便地查看、编辑、修改用户程序。

6.设计、施工、调试周期短——用继电器—接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。

而采用PLC控制，由于其靠软件实现控制，硬件线路非常简洁，并为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。

由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。

PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。

2.3PLC的系统结构

目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。

主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。

其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。

如图2-1所示，PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。

由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。

图2-1PLC硬件结构图

2.4PLC各部分的作用

1.中央处理器

CPU是由控制器和运算器组成的。

运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。

控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。

他的重要功能如下：

（1）诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。

（2）采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。

（3）按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。

（4）将存于寄存器中的处理结果送至输出端。

（5）应各种外部设备的工作请求。

2.存储器

PLC的存储器分为两大部分：

一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。

二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。

3.输入输出接口电路

PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。

输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。

4.电源

PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。

5.输入输出I/O扩展接口

若主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机单元相连接。

第三章系统设计

3.1控制要求

1.摩天轮也叫天塔，它的示意图如下图3-1。

2.摩天轮可以绕着中心轴正反转。

3.按下启动按钮，摩天轮启动旋转。

4.灯“1路”、“2路”、“3路”、“4路”、“5路”、“6路”、“7路”、“8路”、“9路”路按顺序从下至上亮0.4S（后亮前灭）；然后灯“10路”、“11路”、“12路”、“13路”、“14路”、“15路”按从里之外亮0.2S（后亮前保持）；接着灯“10路”、“11路”、“12路”、“13路”、“14路”、“15路”闪烁3次，时间间隔为亮0.1S停0.1S；最后灯“10路”、“11路”、“12路”、“13路”、“14路”、“15路”亮0.8S。

周而复始，反复循环。

5.灯“10路”、“11路”、“12路”、“13路”、“14路”、“15路”为绕着各自圆环轨迹的环圆灯。

6.为了增加摩天轮的气氛，灯“1路”、“2路”、“3路”、“4路”、“5路”、“6路”、“7路”、“8路”、“9路”、“10路”、“11路”、“12路”、“13路”、“14路”、“15路”为各种颜色的花灯。

7.灯和摩天轮都可以单独控制。

注意：

每一路灯均有许多个灯连接组成，通过接触器控制。

图3-1

3.2硬件设计

3.2.1电器型号选择

一、PLC的选择

（一）系统对PLC的要求

1.确定系统所需输入输出点数

通过对控制要求分析，系统输入设备有六个按钮开关，PLC至少要有六个输入点，彩灯有十五路，电动机正反转，PLC要用十七个输出点来驱动它们。

为了指令后期调整和扩充，需再加15%-20%的裕量，因此可编程控制器的输入输出总点数至少要有28个。

2.系统对PLC响应时间的要求

系统输入输出量都是开关量，系统开启后连续工作，PLC的响应时间一般为10ms，因此对于本次设计，任何类型的PLC都能满足要求。

3.内存的估计

用户程序所需内存量要受到内存利用率、开关输入输出点数、模拟量输入输出点数及用户编程水平的影响。

对于本次设计，估算内存量只考虑开关量输入输出点数，用户编程水平。

（1）、一般设计中，根据开关量输入输出点数和的经验公式来估计所需内存

字数。

所需内存字数=开关量总数×10

（2）、程序编程质量

给据经验公式可确定存储器字数

总存储字数=开关量总点数×10+模拟量×150

考虑到用户编程水平及后期调整，在计算的存储其字数的基础上再加上25%的裕量，所需总字数为150字节

4.输入输出模块选择

可