毕业设计论文基于plc液压施工升降机控制系统设计.docx
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毕业设计论文基于plc液压施工升降机控制系统设计
基于PLC液压施工升降机控制系统设计
摘要
施工升降机为建筑施工中必不可少的一种运输工具，当前电机-机械传动式升降机为主要生产的一种升降机。
但是其采用接触器来进行控制，自动化水平较低，且在施工过程中具有很多缺点，如速度比较单一、启动制动时冲击力较大、工作人员感觉不适等，无法符合中高层甚至超高层施工项目的需求。
所以对升降机控制系统的研究具有非常重要的意义，不仅可以提升工作效率，而且可以带来巨大的经济效益。
然而液压升降机具有较快的运行速度，能够实现无级调速，同时起动、制动冲击力较小，所以本文基于液压施工升降机，设计了升降机控制系统。
在对液压施工升降机的工作原理深入研究的基础下，对30层的液压升降机控制系统进行设计。
该控制系统分为PLC控制系统及监控系统。
通过串口通讯的方式实现PLC控制系统与监控系统之间进行通信，实现升降机的控制。
PLC控制系统的主CPU选取三菱FX2N-48MR-001PLC，模拟量输出模块选取FX2N-2DA。
PLC控制系统实现了接收所有输入/输出信号以及触摸屏串口通讯信号，通过其内部的程序进行处理，完成液压升降机的逻辑信号和速度的控制。
按照升降机控制系统的需要，对控制系统的主电路、电液比例控制电路，安全运行等电路进行设计。
监控系统选用昆仑通态触摸屏TPC1061Ti，通过MCGS软件设计选层参数输入以及监控运行状态界面。
本文所设计的升降机控制系统不仅提高了施工升降机的自动控制水平，而且提高了升降机的安全性和可操作性。
关键词：
液压升降机，PLC，触摸屏
1绪论
1.1课题研究背景及意义
施工升降机为一种通过平台或吊笼把人或物进行垂直运输的施工设备，其为工业、建筑、桥梁施工过程中很重要的运输设备。
升降机具有运行稳定、安全可靠、方便安装、搬运方便等特点，可以减少了施工人员的劳动强度，大大加快了施工的进度，在施工过程中占据重要的作用。
二十世纪八十年代我国生产了第一台施工升降机，历经四十年的不断发展，无论结构形式还是功能、用途等方面其都产生了巨大的变化。
由于城市高层建筑难以使用井字架及龙头架等设备，因此施工升降机在这些高层建筑施工中得到广泛的使用。
近几年来，随着经济的快速发展，建筑行业也进入了一个繁荣的阶段，施工单位更加注重施工的安全及效率。
施工升降机作为一种施工中不可缺少的垂直运输设备，其是否可以安全高效的运行及自动化控制的实现，对于加速施工进度，减少施工成本以及降低施工人员的劳动强度具有深远的现实意义。
1.2液压升降机国内外发展现状
当前国外的高速升降机主要分为两种，液压传动无极调速升降机，其标定速度为零至九十米/分，采用手动停层控制；调频调速升降机，标定速度为零至三十/四十至八十米/分，采用自动选层平层的控制方式。
当前我国使用的电机-机械传动式施工升降机，其采用接触器进行控制，存在启动与制动过程冲击较大、运行速度比较单一等不足。
由于施工高度高于二百米时其运行速度仅为三十四至三十八米/分，这延迟了施工的进度，降低了施工单位的效益，因此无法符合高层及超高层施工项目的要求。
液压升降机具有运行速度快、启动及制动过程比较平稳、对电网的冲击较小、可以实现无级调速及空载启动等优点。
因此液压升降机不存在重载时难以启动的困难，为高层建筑比较理想的运输设备。
随着社会的不断发展，建筑的高度不断增加，当前施工升降机的自动化控制程度比较低，在施工过程中存在很多缺点。
通常无超载的限制，仅可以通过对人数及物料的重量进行估计，不具有楼层的呼叫显示及自动平层等功能，所以当前的升降机在运行过程中，其运输能力不能充分的得到利用；随着按钮、接触器及继电器的不断老化，使得动作及响应的时间发生变化，引起电机响应的滞后，使得升降机无法停到目标的位置，造成误差；存在速度比较单一、起动制动冲击较大等问题。
所以，通过继电器接触器进行控制的起动机无法负荷现场施工的需求。
对施工升降机自动控制系统进行设计具有重要的意义，不仅可以提升工作的效率，而且可以产生更大的经济效益。
1.3本文主要研究内容
本文在研究国内外施工升降机的基础上，以三十层的液压升降机为控制对象，设计了基于PLC的升降机自动控制系统，完成的主要内容如下：
1、根据施工升降机的控制要求，考虑到短路保护、过载保护以及限位保护等保护问题，对主控制回路、电液比例控制回路、安全运行回路等电气控制线路进行设计，减少了运行过程中可能存在的问题。
2、控制系统的PLC程序设计选用三菱的编程软件GX-developer,对升降机的逻辑信号以及速度进行控制。
3、控制系统的人机界面选用昆仑通态触摸屏,通过通讯完成触摸屏与PLC的通信，通过MCGS编程软件，设计了比较形象直观的人机交互界面，实现对控制系统的监控。
2液压升降机简介
2.1液压升降机的工作原理
液压升降机主要包括异步电机、变量泵、马达、液压阀等部分，选用三菱PLC作为主控制器，工作原理图如图2.1所示。
升降机上行与下行的工作原理差不多，所以本文介绍下行工作原理。
图2.1施工升降机工作原理图
下行开始时，PLC接收来自触摸屏的选层和下行的指令，PLC输出下行信号使得下行电磁阀YV2带电，电机起动接触器KM1通电，变量泵运行，油液进入马达，带动拽引轮旋转，进而升降机的吊笼启动。
PLC选择相应的加速信号通过D/A处理送到比例放大器得到控制电流控制比例电磁铁进而对变量泵的流量进行控制，从而对吊笼的启动运行速度进行控制，若达到最大速度，吊笼便以此速度稳定运行。
在运行工程中，PLC可接受来自井道装置的信号，并且在触摸屏上显示当前楼层位置、运行状态等。
若PLC收到减速信号，PLC根据减速曲线输出相应的减速信号，减少比例电磁阀的输入电流，进而变量泵的流量减少，吊笼的开始不断减速。
当升降机到达目标位置，PLC控制信号输出使电磁阀YV2不带电，KM2失电，关闭液压系统，升降机停止运行。
2.2液压升降机组成
升降机主要包括钢结构、安全装置、驱动装置、电气设备这四部分。
1）钢结构：
由吊笼、天轮架、附着架等组成。
2）电气装置：
电气控制系统包括电控箱、电源、操作台、电缆导向装置等。
3）驱动装置：
主要包括泵、阀门、马达、电动机、钢丝绳等部分。
4）安全装置：
主要包括限速器、防坠安全器、安全钳、缓冲弹簧、限位器、安全钩、急停开关、电磁制动器、超载开关、断绳开关等。
3液压升降机控制系统硬件设计
3.1系统总体设计
液压升降机控制系统的硬件部分主要包括PLC控制模块、模拟量输出模块、触摸屏模块、井道装置、比例变量泵、安全装置等，结构框图如图3.1所示。
图3.1系统结构框图
控制系统以PLC为核心，负责处理输入信号的数据处理以及输出信号控制。
触摸屏实现参数设定及显示的功能。
控制系统配有安全装置，保证液压升降机的安全运行，否则产生报警信号。
若升降机安全运行，在触摸屏输入层数，并在触摸屏显示层数，控制系统根据选取层数调用相应的加速曲线，输出模拟信号对比例泵进行控制，进而使吊笼按照预期的曲线运行。
运行至目的层数，系统便产生停车信号，使液压电机以及比例泵停止运行。
3.2控制系统硬件选型
3.2.1比例变量泵的选型
本文选取BCY14-1B型轴向柱塞泵，通过外控油压对变量机构进行控制，通过输入电流大小对泵的流量进行调节。
BCY14-1B的参数指标：
滞环
，
频响
。
该比例变量泵能在输入电流作用下，控制排量的比例。
该泵具有灵活控制、动作灵敏、精度高、较好的稳定性等优点，满足工业自动化的需求。
3.2.2PLC及模块选型
PLC的选型需要考虑到输入/输出点数、存储容量、响应速度、电源容量等问题。
PLC的选型不但要符合控制系统的要求，还要考虑系统的成本。
本文选取三菱FX系列PLC，该PLC电源为交流电，直流24V输入，继电器输出。
具有四十八点数字量输入/输出，输入输出分别为二十四点。
该控制系统要求输出模拟量信号控制变量泵，对升降机的速度进行调节，选用FX2N-2DA模拟量输出模块。
主单元FX2N-48MR-001PLC本身自带四十八点数字量输入/输出量，可以扩展到256点，运行速度快。
有较强的通讯功能，有两个COM口，一个为RS232通讯口，用于PLC程序的编写、下载、调试。
另一个为RS485通讯口，可以连接变频器等设备。
模拟量输出模块FX2N-2DA，具有两通道的模拟量输出，可以输出4-20mA电流，0-5V或0-10V电压信号，通过接线方式进行选择。
精度为±1%，转换速度为4ms/通道。
主PLC通过FROM/TO指令实现对模拟量模快设定及转换值读取。
3.2.3触摸屏选型
升降机控制系统中，通过触摸屏，实现信息的输入及显示功能。
触摸屏通过串口将信息传送至PLC，PLC按照井道装置的信号，输出相应信号控制变量泵及电磁阀，实现升降机的自动运行，并对运行状态进行监控。
本系统选取昆仑通态触摸屏TPC1061Ti，其性能参数为：
10.2英寸TFT液晶显示屏，1024x600分辨率，存储器容量内存为128M，系统存储为128M，通讯接口COM1（RS232），COM2（RS485）。
3.3控制电路设计
3.3.1PLC的I/O存储地址分配
升降机输入输出设备及端子分配如下表3-1所示。
输入端子
名称
输入端子
名称
X0
门锁继电器KA1
Y0
上行电磁阀YV1
X1
运行继电器KA2
Y1
下行电磁阀YV2
X2
基站开关SA1
Y2
电源指示灯HL1
X3
上限位开关SQ3
Y3
超载报警指示灯HL2
X4
下限位开关SQ4
Y4
液压故障指示灯HL3
X5
上极限开关SQ5
Y5
吊笼开到位指示HL4
X6
下极限开关SQ6
Y6
电机主接触器KM1
X7
开到位开关SQ10
Y7
Y型接触器KM2
X10
关到位开关SQ11
Y10
三角型接触器KM3
X11
超载开关SQ44
X12
上减速感应开关1KR
X13
下减速感应开关2KR
X14
急停开关SB1SB2
X15
液压接通SB3
X16
液压断开SB4
X17
电机断路器QF
表3-1输入/输出端子
3.3.2输入输出回路设计
把触摸屏的输入信号以及升降机运行过程中的信号传送到PLC的输入端便组成了输入电路。
PLC输出端输出信号用于控制升降机运行过程中的执行元件以及显示运行状态，便组成了输出电路，输入/输出电路如图3.2所示。
图3.2PLC输入/输出控制图
3.3.3电液比例控制电路设计
本文选用BCY14-1B型电压比例变量泵，VT-PF-DC-A1-10V型比例放大器，直流电源供电，0-10V信号输入，电液比例控制电路如图3.3所示。
控制系统主电路25、26端子输出电压作为该控制电路的供电电压。
PLC的D/A模块输出作为该控制电路的输入信号。
流量比例阀的线圈F+、F-与比例电磁铁连接，使其带电，进而对比例调节泵进行驱动。
图中的电容可以滤除FX2N-2DA模块输出的波动。
图3.3电液比例控制电路
图中端子功能：
1）V+为DC18-36V
2）0V为DC0V
3）P+、P-为压力比例阀线圈
4）F+、F-为流量比例阀线圈
5）Pin为压力信号输入口
6）Fin为流量信号输入口
7）GND为信号输入公共点
8）+12V作为电位器用电源
9）（F）Dither为颤振频率
10）（F）Down为下降斜坡时间
11）（F）Up为上升斜坡时间
12）（F）MAX为最大设定值
13）（F）MIN为其实电流值
3.3.4主电路设计
主电路需要一台异步电机对变量泵进行驱动，需要一个接触器KM1进行控制。
电机选取星三角启动方式，减少启动电流。
制动选取电磁抱闸断电的方式，当KM1不带电时，抱闸线圈YB通过闸瓦抱紧闸轮，使得电机停止转动。
当KM1得电时，主触点闭合，YB得电，闸瓦与制动轮分开，电机便启动运行。
电机通过热继电器FR进行过载保护，若过载，FR的常闭触点便接入安全运行电路中。
熔断器FU具有短路保护功能，若短路，FU熔断将电路切断起保护的功能。
断路器QF具有欠压保护功能，如出现失压、欠压等故障时，QF自动将故障的电路断开。
控制变压器T1、T2具有降压、隔离的功能。
将急停按钮SB1、SB2按下，可能导致接触器KM1失电，断开主电路，使得电机停转；SB1、SB2断开，KA2断开，PLC的电源切断；SB1、SB2闭合时，KM4得电，熔断器FU熔断，电机停止运行。
PLC与电磁换向阀的供电电压为交流220V，安全运行电路的供电电压为交流110V，控制系统主电路如下图3.4所示。
图3.4控制系统主电路
3.3.5抱闸、门锁、安全运行电路设计
该系统泵通过电机进行控制，电机通过KM1对其启停线圈就行控制，以此通过KM1对抱闸线圈的通断就行控制。
把全部楼层门的开关连接到一起，通过对门锁继电器KA1进行控制，确保所有楼层的门正常关闭才可以控制升降机的运行。
把安全窗开关SQ1、安全钳开关SQ2、上下限位开关（SQ3、SQ4）、上下极限开关（SQ5、SQ6）、安全防坠开关SQ7、限速开关SQ8、围栏关到位开关SQ12、断绳开关SQ13、基站开关SA1、热继电器FR连接到一起，便组成了安全回路，对安全运行继电器KA2进行控制，只有安全时，KA2闭合，升降机才可以运行。
抱闸、门锁、安全运行电路如图3.5所示。
图3.5抱闸、门锁、安全运行电路
4液压升降机控制系统软件设计
控制系统软件设计主要包含PLC软件设计以及触摸屏软件设计这两部分，PLC程序设计包含信号控制与速度控制两部分。
4.1PLC概述
可编程控制器从本质上来说，属于计算机系列，由于其硬件结构与计算机类似，其主要服务于工业控制行业，具有编程语言简单易懂便于实现编程。
可编程控制器由中央处理单元、存储器、输入/输出单元、编程器、电源等组成。
1）中央处理器（CPU）
PLC的核心为中央处理器，其根据输入的指令，执行相应的程序，其实现仓库保管，检测校验功，执行程序，诊断故障的功能。
2）存储器
PLC同计算机在存储器方面比较相似，可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器三类。
3）输入/输出接口
输入/输出接口为PLC和外界进行连接的桥梁。
输入接口实现信息的采集，通过输入接口PLC便可清楚外围的信息指令。
4）通信接口
PLC配有多种接口，便于PLC与PLC之间以及PLC与触摸屏之间进行通信。
采用这些通信接口能够和监视器、打印机等设备进行连接。
4.2PLC软件设计
PLC程序开始时，在确保系统处于安全运行条件下，才可以进入PLC主程序。
在PLC主程序中，需要看电机以及液压系统有无正常运行，基于此得出输出。
PLC主程序主要实现以下功能：
产生楼层信号以及信号清除、登记选层信号以及显示与清除、产生停层信号以及信号清除、停车制动、启动加速及稳定运行等。
其流程图如图4.1所示。
图4.1系统程序流程图
4.2.1楼层信号产生与清除设计
若升降机到达某一楼层时，将所处层数的信号传送到触摸屏来显示当前层数。
其部分梯形图如图4.2所示。
其中D300为升降机所处的楼层数，在触摸屏上显示。
X3为上限位开关，安装于30层，上升到30层，D300为30。
X4为下限位开关，安装于1层，下降到1层，D300为1。
中间的楼层，上升一层，D300加1，下降一层，D300减1。
升降机在1层到30层，分别将M301~M330置1，强选层信号清除。
图4.2楼层信号产生与清除梯形图
4.2.2选层信号的登记、清除及显示设计
工作人员可以通过触摸屏上1至30层选择相应的层数。
选层信号M401至M430置1时，将信号传送到PLC中进行登记，而且点亮该层数。
若升降机直至选择的层数，则清除停层信号，触摸屏上点亮的层数熄灭。
其部分梯形图如下图4.3所示。
图4.3选层信号的登记、清除及显示梯形图
4.2.3停层信号的产生与清除设计
升降机在停车以前，要确定出所要停的层数，每一层将产生停层辅助信号，三十层的停层辅助信号分别为M201至M230。
当升降机下降至一层在一层停层，当升降机上升至三十层在三十层停层，当升降机在中间层停层，登记所选层信号，然后控制升降机升降到相应的层数，其部分梯形图如下图4.4所示。
图4.4产生于清除停车信号梯形图
4.2.4停车制动设计
进行停车制动以前，首先将生成停车制动信号M575、M576，进而通过停车制动信号控制继电器M485来完成停车制动。
为避免升降机进入平层区才产生停车信号，引起升降机的过急停车的产生，选取微分命令把X12、X13转换为短信号。
其部分梯形图如图4.5所示。
在上升的过程中，首先将X12接通，那么M583接通，升降机便减速，若到达X13接通，则升降机制动。
下降过程中，首先将X13接通，升降机便减速，若X12接通，则升降机制动。
图4.5停车制动梯形图
4.2.5启动加速与稳定运行设计
在确保升降机的运行方向以及吊笼门关好的情况下，启动升降机，部分梯形图如图4.6所示。
上升的过程中，通过触摸屏将M195接通，X10接通，那么M585接通，升降机加速上升。
下降过程中，通过触摸屏将M196接通，X10接通，那么M585接通，升降机加速下降。
若制动信号M583接通，上升过程中，接触到X13，便将M485清零，升降机停止，下降的过程中，接触到X12，便将M485清零，升降机停止。
图4.6启动加速与稳定运行梯形图
4.2.6速度曲线设计
因为施工升降机用于载人和货物，垂直方向的运输工具，人员对升降机的速度的变化较为敏感。
因此，升降机速度的设计要满足人体舒适感以及运行效率两种要求。
施工升降机运行过程中的加速度以及加速度的变化率决定了运行的舒适感，特别是升降机进行启动以及制动的过程可能会引起乘客不舒服。
而且，要确保升降机的运行效率，因而加速度及加速度变化率不能太小。
本文将升降机的速度曲线划分为五个工作时段，加速段、匀速段、减速段、平层段以及停靠段，如图4.7所示。
从图中可看出，停靠段的速度比较低，对速度控制的影响较小，很难进行准确的控制，引进对四工作段进行控制。
当进入第五个工作段时，将比例泵流量关闭，让升降机自然停靠。
本系统选取的最大速度为一米/秒，平层速度为0.1米/秒，进行加速与减速的时间均是一秒，平层的时间是0.5秒。
图4.7升降机速度曲线图
由图得速度的表达式为：
其中：
t1为加速段的第2段始端，
t2为匀速段始端，
t3为减速段的第1段始端，
t4为减速段的第2段始端，
t5为平层段的始端，
t6为平层段的末端。
通过吊笼线速度V同液压转速n的关系、液压转速n同流量q的关系、流量q同比例变量泵电流I关系、变量泵I同比例放大板电压U的关系以及电压U与模拟量输出模块D的关系，计算出模拟量输出模块D和吊笼速度的关系为
通过PLC的模拟量扩展模块完成D/A转换功能，如图4.8所示。
采取对模块的增益进行设定，选取0~10V的电压输出与0~4000的数字量相对应，把数字化的速度曲线保存在PLC的D301~D400寄存器。
本文通过PLC的定时中段来生成速度曲线。
图4.8数模转换梯形图
因为该控制系统的逻辑控制部分的程序比较大，PLC运行采取周期扫描的方式。
PLC在运行的工程中，采用固定顺序循环扫描的方式对PLC和各种设备之间进行信息的交换、信息采集、控制量的输出等操作。
一般一个扫描周期实现运行监控、和编程器进行信息交换、同数字处理器进行信息交换、通过通信处理器进行信息交换、用户程序的执行、输入输出接口服务。
在一个扫描周期内，CPU顺序对程序执行一次，该方式的实时性比较差。
扫描的时间比较长，可能对信号的响应产生影响。
由于升降机逻辑控制部分的程序的扫描周期较长，速度曲线的采用中断的方式生成，确保了系统具有良好的实时性。
本控制系统选取的三菱PLC的中断功能有三种分别为输入中断、定时器中断、计数器中断。
程序选取定时器中断的方式，系统运行状态的监测、运行保护、选层等逻辑控制的完成都在主程序中。
中断服务程序中完成运行条件的判断、查表以及速度曲线的产生。
在中断服务器中设置启动运行条件，不符合条件，则执行中断返回。
加速段的中断服务程序需要对设定值条件进行修改，确保下一次中断的执行。
其确保实现系统的制动，在主程序中要确定减速点以及判断制动条件，为达到减速点前，升降机处于匀速或加速的过程。
若加速达到最大值，便不再执行加速程序，匀速到减速点便执行减速中断程序，对设定值进行修改，确保下一次中断的执行，加速与减速程序流程图如图4.9所示。
图4.9加减速程序流程图
这种生产速度曲线的方法，不仅简化了硬件系统的设计，而且提高的可靠性以及舒适感。
采用中断的方式进行速度曲线的产生提高了系统的实时性。
4.3触摸屏软件设计
（1）触摸屏界面的设计
人机界面是PLC应用中必不可少的组成部分，其与系统的性能有直接的联系，本文采取菜单界面与图形界面设计相结合的方式进行设计，显示系统画面菜单采用MCGS软件进行设计，MCGS软件中具有很多控制器件库、图形控件，可以显示系统的运行状态、当前值、以及故障报警等。
软件还可以对不同的操作人员设定不同的权限。
触摸屏软件的设计包含于PLC程序的通讯、画面以及信息的建立。
主要分为以下几步：
1）可视化设计。
界面的组态包括输入/输出、指示器、功能键、控制键以及文本的组态，按照实际的要求进行画面设计。
2）设定变量。
触摸屏中的变量与PLC中对应的输入/输出和存储的单元相连接，通过触摸屏完成层数信息输入以及PLC当前值显示以及报警等。
3）对通信参数的设置，完成PLC与触摸屏之间的通讯。
升降机控制系统主界面如图4.10所示，该界面为系统的默认界面，通过该界面可以进入选层以及状态监控这两个界面。
图4.10升降机控制系统主界面
选层操作界面如图4.11所示，通过该界面来选择楼层，该界面具有选层按钮，可以选择1~30层，楼层位置显示、上行下行按钮，该界面可以切换到监控界面。
图4.11升降机选层界面
状态监控界面如图4.12所示，通过该界面，可以实时监控该升降机的运行状态，并对故障进行报警。
图4.12升降机状态监控界面
5液压升降机控制系统抗干扰设计
5.1抑制电源系统引入的干扰
选取性能较好的电源，来减少电源引入产生的干扰，电源在PLC控制系统中占据非常重要的位置。
通过PLC的供电电源、变送器供电电源等将电网的干扰引入PLC控制系统中。
因为施工升降机用于室外，干扰对其影响比较大，为确保PLC控制系统的正常运行，在PLC的220V供电电源前增加隔离变压器，电网电压通过隔离变压器供电给PLC，隔离变压器的变比为1。
5.2抑制输出端引入的干扰
因为该系统的PLC的输出端与电磁阀、交流接触器等负载连接，在输出信号由导通变为关断或由关断变为导通的过程中，有可能引起一些变量的变化因而产生干扰。
为避免输出端引入干扰，在交流负载的两端接CR浪涌吸收器。
浪涌吸收器的电容选取0.47
，电阻选取47欧姆。
5.3安装与布线
分别对系统的PLC电源线、控制线、输入/输出线进行配线，隔离变压器选取双绞线与PLC相连，PLC的输入/输出线与大功率的线在在不同的线槽进行布线，可以有效降低干扰。
PLC不能与大型设备靠近，禁止同高压设备安装于同一柜子中。
PLC的输入量与输出量分开走线，模拟量通过屏蔽线进行传送，屏蔽层一端接地。
5.4选择正确的接地点，完善接地系统
接地系统对PLC系统的干扰是由于各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，产生地环路电流，对系统正常工作造成干扰。
（1）安全接地
把电源线接地端与柜体相连再接
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