工学基于PLC的四层电梯控制和组态王模拟钻头控制.docx
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工学基于PLC的四层电梯控制和组态王模拟钻头控制
电气工程学院
课程设计说明书
电气控制与PLC
设计题目：
钻孔动力头系统
系别：
年级专业：
学号：
学生姓名：
指导教师：
教师职称：
燕山大学课程设计（论文）任务书
院（系）：
电气工程学院基层教学单位：
仪器科学与工程系
学号
学生姓名
专业（班级）
设计
题目
基于运算放大器的电流环设计
设
计
技
术
参
数
采用运算放大器及达林顿管，将输入的0-2.5V直流电压信号转换为4-20mA的电流信号。
设
计
要
求
1：
完成题目的理论设计模型；
2：
给出系统原理图、关键器件的参数及设计依据；
3：
完成电路的multisim仿真；
工
作
量
1：
完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）；
2：
提交一份电路原理图；
工
作
计
划
周一上午到周二上午，教室内做理论设计；
周二下午到周五上午，自己有计算机的同学在教室内做multisim仿真，没有计算机的同学到实验室进行电路仿真；
周五下午，教室内整理设计材料、准备撰写设计说明书
参
考
资
料
1:
基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计；
2：
模拟电子技术；
3：
电路理论
4：
数字电子技术；
指导教师签字
温江涛
基层教学单位主任签字
目 录
摘要······················································
第一章PLC相关知识··········································
1.1PLC基本概念············································
1.2PLC基本结构············································
1.３变频器相关知识··········································
1.3.1变频器的工作原理·······································
1.3.2变频器的控制方式·····································
第二章四层电梯控制设计······································
2.１四层电梯的动作要求·······································
2.2与设计相关的知识··········································
2.3电梯控制具体设计·······································
2.3.1输入输出分配表·······································
2.3.2主体流程·············································
2.3.2电梯上下行判断流程·································
2.4总梯形图···············································
第三章钻孔动力头系统设计··································
3.1动力钻头控制设计要求·····································
3.2组态王软件相关知识·····································
3.2.1组态王·············································
3.2.2组态王实现步骤······································
3.3用组态王实现钻孔动力钻头的控制·····························
3.3.1变量定义（数据词典）································
3.3.2组态王运行画面·····································
3.4钻孔动力头系统控制命令程序·······························
总结····················································
参考文献···················································
附录一···················································
附录二················································
摘要
PLC是一种数字式的电子装置。
它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
在这一周的课设中，我利用三菱FX1S系列单片机设计了四层电梯自动控制程序并且进行了上箱仿真实验，利用组态王软件设计了钻孔动力头的控制界面，配合组态王的编程语言实现了组态王的仿真运行。
从中学习并领悟了很多知识，对今后更深层次的学习打下了基础。
关键词：
PLC、电梯控制、组态王、钻孔动力头
第一章PLC相关知识
1.1PLC基本概念
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输人和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。
1.2PLC基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
1.电源
为PLC提供电能的设备。
2.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
3.存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
4.输入输出接口电路
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
5.功能模块
如计数、定位等功能模块。
6.通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
PLC功能强大，在本次课设中主要应用PLC的开关逻辑、顺序控制和定时控制等功能。
采用三菱FX1S系列的单片机，编程简单，使用方便。
1.3变频器相关知识
为了控制交流电梯，提高电能利用率，使自动电梯的运行更加安全稳定，须配合变频器对自动电梯进行控制。
变频器是通过轻负载降压实现节能的，安装变频器的电动机所带的机械负载，如风机、水泵并不是经常工作在满载情况下，当系统要求机械负载不在额定负载运行时，可以通过变频调节电动机的转速，使得电动机输出的功率能满足系统的要求，而不必通过风机的动叶、水泵出口的调节门的节流进行调节，降低了系统的节流损失。
另外，变频器可以改变电动机的无功损耗，改善启动条件，提高功率因素，可以降低无功功率传递而引起的有功损耗，这对节能也是存在一定意义的。
1.3.1变频器的工作原理
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:
电压型、电流型。
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
1.3.2变频器的控制方式
1、非智能控制方式
在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
（1）V/f控制
V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。
V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。
（2）转差频率控制
转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。
这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。
（3）矢量控制
矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。
通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。
例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。
目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。
基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。
因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。
但是应用范围受到限制。
无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。
这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。
（4）直接转矩控制
直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。
即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩。
（5）最优控制
最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。
（6）其他非智能控制方式
在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。
2、智能控制方式
智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统和学习控制等，目前智能控制方式在变频调速控制系统中的具体应用中已取得一些成功经验。
第二章四层电梯控制设计
2.1四层电梯的动作要求
[1]电梯上行：
①当电梯停于1楼（1F）或2F、3F时，4楼呼叫．则上行到4楼碰行程开关后停止。
②电梯停于1F或2F，3F呼叫、则上行，到3F行程开关控制停止。
②电梯停于1F，2F呼叫，则上行，到2F行程开关控制停止。
④电梯停于lF，2F、3F同时呼叫，则电梯上行到2F后停3秒种，继续到3F停止。
⑤电梯停于1F，3F、4F同时呼叫，电梯上行到．3F，停3秒，继续上行到4F停止。
⑥电梯停于1F，2F、4P同时呼叫，电梯上行到2F，停3秒，继续上行到4F停止
⑦电梯停于1F，2F、3F、4F同时呼叫，电梯上行到2F，停3秒，继续上行到3F，停5秒，继续上行到4F停止。
⑧电梯停于2F、3F，4F同时呼叫，电梯上行到3F停3秒，继续上行到4F停止。
[2]电梯下行：
①电梯停于4F或3F或2F，1F呼叫，电梯下行到1F停止。
②电梯停于4F或3F，2F呼叫，电梯下行到2F停止。
③电梯停于4F，3F呼叫，电梯下行到3F停止。
④电梯停于4F，3F、2F同时呼叫，电梯下行到3F，停3秒，继续下行到2F停止
⑤电锑停于4F，3F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停3秒，继续下行到1F停止
⑥电梯停于4F，2F、1F同时呼叫，电梯下行到2F，停3秒，继续下行到1F停止。
⑦电梯停于4F，3F、2F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停3秒，继续下行到2F停3秒，继续下行到lF停止。
[3]各楼层运行时间应在15秒以内，否则认为有故障。
[4]电梯停于某一层，数码管应显示该层的楼层数。
[5]设计电梯停于2F,3F时，电梯运行状态。
（上下同时呼叫时，采取先上后下的原则）
2.2与设计相关的知识
电梯以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。
也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。
电梯是机电一体化产品。
其机械部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。
电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。
1—控制柜（屏）
2一拽引机
3—拽引钢丝绳
4—限速器
5—限速器钢绳
6—限速器张紧装置
7—轿厢
8—安全钳
9—轿厢门安全触板
10—导轨
11—对重
12—厅门
13—缓冲器
图1电梯的基本结构
2.3电梯控制具体设计
2.3.1输入输出分配表
输入
输出
主机
实验模块
注释
主机
实验模块
注释
X1
LAY1
一楼行程开关
Y0
DJB
电机下行
X2
LAY2
二楼行程开关
Y1
DJA
电机上行
X3
LAY3
三楼行程开关
COM1
24V
X4
LAY4
四楼行程开关
COM0
24V
X12
2DN
二层下呼
Y6
A
数码管段码
X13
3DN
三层下呼
Y7
B
X14
4DN
四层下呼
Y10
C
X11
1UP
一层上呼
Y11
D
X12
2UP
二层上呼
Y12
E
X13
3UP
三层上呼
Y13
F
Y14
G
X0
RST
复位
LEDCOM
GND
COM2
24V
X5
IN1
一层内选按钮
X6
IN2
二层内选按钮
24V
24V
X7
IN3
三层内选按钮
GND
GND
X10
IN4
四层内选按钮
COM
COM
GND
2.3.2主体流程
四层电梯的自动控制主体思想是将四层楼分为四个状态，每个楼层分为两个子状态一、二，状态一为该楼层的等待状态，状态二为该楼层的行进状态。
四个楼层状态之间依据限位开关进行切换，即一层状态可以切换到二层状态，二层状态可以切换到一、三层的状态。
切换时首先判断该层是否被呼叫，如果被呼叫则切换到该层的等待状态中，等待3秒后进入该层的行进状态中。
主体流程图如下，假设电梯在一层：
图2电梯设计主流程图
下面根据具体功能编写程序：
一、开机分支转移程序
.
二、等待子程序
三、行进子程序：
2.3.2电梯上下行判断流程
Lay1——Lay4是四个楼层的限位开关，对应输入X1——X4，四个楼层的呼叫信号对应输入X11——X14，对应中间继电器M11——M14，将四个开关量作为一个整体K1X1、K1M11，然后进行比较，如果K1X1>K1M11，代表呼叫楼层在电梯所在楼层下面，因此电梯下行；相反的，如果K1X1>K1M11，代表呼叫楼层在电梯所在楼层上面，因此电梯上行。
对应的子流程图如下：
图3电梯上下行判断流程
部分程序如下：
另外设置了数码管显示、楼层呼叫指示灯、主控制按钮和报警部分。
一、数码管显示部分
当电梯行驶或停靠在某一楼层时，数码管显示出对应的楼层号，利用输出端口Y6——Y14输出数码管显示信号到数码管，即可显示出电梯当前所在的楼层，对应梯形图如下：
一层数码管显示子程序：
二层数码管显示子程序：
三层数码管显示子程序：
四层数码管显示子程序：
楼层呼叫指示灯：
L1~L4对应四个楼层的呼叫指示灯，哪一层有呼叫，哪一层的指示灯就亮，电梯行进到这一层后，指示灯即熄灭。
二、主控制按钮
利用电梯面板上的RESET按钮作为主控按钮，按下后电梯停止当前动作，停在当前位置。
再次按下主控按钮后，电梯继续之前的动作。
三、报警部分
电梯上行、下行电机运行时间超过15s后，发出报警指示。
报警部分程序：
2.4总梯形图
见附录1。
第三章钻孔动力头系统设计
3.1动力钻头控制设计要求
自动线上有一个钻孔动力头，该动力头的工作循环过程如下。
动力头在原位时，加启动命令后接通电磁阀F1，动力头快进，碰到限位开关K1时接通电磁阀F1和F2转为工作进给，碰到限位开关K2时，停止进给。
延时10s后接通电磁阀F3，动力头快速退回，当原点限位开关K3接通时动力头快退结束。
要求利用组态王软件实现钻孔动力头的模拟演示。
3.2组态王软件相关知识
组态王是一款开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
3.2.1组态王
组态王具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
3.2.2组态王实现步骤
1、定义变量
对于变量的定义，就是创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如时间、位置等。
在我们的题目中我们需要定义的变量有：
钻头位置、控制电机、各个控制开关、指示灯等等。
当我们创建动画时需要用这些变量将不同的画面之间建立联系。
变量的类型选择需要根据具体的应用来选择，由于此次课程设计我们实验室的PLC试验箱不能实现与组态王相连接，因此定义的变量类型均为内存型的。
2、图形界面的设计
图形界面的设计是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。
由于我们的任务是设计一个控制钻孔动力钻头的动画，因此我们在创建动画时需要绘制出电动机、动力钻头、指示灯、限位开关、定时装置等内容。
由于组态王当中提供了图库，但是对于那些图库里没有的图片，我们需要去网上搜索素材，整理后再应用组态王中的点位图等工具进行编辑。
3、建立动画连接
当我们完成控制工程的图画设计与变量定义之后，要想建立动画还应该将这些图画与定义的变量进行连接，应用组态王的编程语言，通过编程来实现对变量的控制，进而实现了对画面运行的控制。
程序的设计是基于工程控制来进行的，以实际情况为基础我们建立的动画应满足实际情况。
这样，我们就完成了对工业控制过程的模拟，如果与外设相连还可以对控制过程进行监测和控制。
当建立动画连接完成后，就可以对动画进行运行。
3.3用组态王实现钻孔动力钻头的控制
3.3.1变量定义（数据词典）
3.3.2组态王运行画面
组态王实现钻孔动力头系统的画面及各个环节动作的画面如下所示。
图4组态王设计具体布置画面
图5系统启动前的画面
按下启动按钮后，动力头快速进给。
图6动力头快速进给画面
动力头碰到限位开关K1后，转为工作进给。
图7动力头工作进给画面
动力头碰到限位开关K2时，停止进给并延时10s。
图8动力头延时到3s的画面
图9动力头延时到10s画面
延时10s后接通电磁阀F3，动力头快速退回，当原点限位开关K3接通时动力头快退结束。
图10动力头快速退回的画面
图11动力头碰到K3停止退回的画面
3.4钻孔动力头系统控制命令程序（见附录二）
总结
在这次为期一周的PLC课设中，我学习了PLC软件和组态王软件的使用，并且用组态王实现了课设要求的控制功能。
我们在书本上学到的知识，在这次课设中得到体系化、架构化，对于PLC电气控制理论，有了更加深刻的理解。
通过这次课程设计，我不仅学会了如何做课程设计，而且也学会了和同学们团结共进，整个设计我都参与其中，这令我的分析设计以及动手能力有了很大的提高，培养了我思考问题的全面性。
让我明白，做一项工作要有一丝不苟的态度，遇到困难要有勇往直前的精神，做事情要有耐心和毅力，要学会与人合作，认真听取他人的意见，这样才能达到事半功倍的效果。
PLC和组态王在自动化领域发挥着十分重要的作用，我们应该熟练掌握PLC和组态王，具备利用两者实现各种控制功能、控制工程的能力。
这一周的课设中，我第一次实际操作组态王软件，从画面布局到命令程序设计，再到程序仿真，一步一步都是自己心血的结晶，我也深刻感受到了组态王软件的强大之处，课设后我将更加深入地学习这款软件，学以致用。
同时我们应用PLC软件设计了四层电梯控制的梯形图程序，大家一起讨论程序实现的方法，巩固了PLC编程语言，开发了我们各自的创新思维。
总之这次课设教会了我很多，在此感谢老师的耐心指导和同学的热心帮助！
参考文献
1、PLC电气控制技术漆汉宏主编机械工业出版社
2、小型可编程控制器实用技术王兆义主编机械工业出版社
3、可编程控制器教程王兆义主编机械工业出版社
4、机械电气设计简明手册韩教礼主编机械工业出版社
附录一
附录二
if（移动==30）
{底座=40;
小钻头=28;
动力钻头=20;
电机1=0;
电机2=0;
电机3=0;
文字1=0;
文字2=0;
文字3=0;
文字4=1;
文字5=1;
文字6=1;
K1=100;
K2=100;
K3=100;
计时字样=0;
指示=0;
定时00=0;
定时01=0;
定时02=0;
定时03=0;
定时04=0;
定
升级会员 