基于欧姆龙PLC模拟控制电梯的试验

基于欧姆龙PLC模拟控制电梯的试验1 前言1.1 PLC简介可编程序控制器，简称PLC。是继电器控制技术、计算机技术、微电子技术相结合的工控电子产品，因为它体积小、重量轻、能耗低、可靠性高、抗干扰能力强、使用和维护方便，所以越来越广泛地应用于工业自动控制系统中。欧姆龙PLC是一种功能完善的紧凑型PLC，能为业界领先的输送分散控制等提供高附加欧姆龙PLC示意图值机器控制；它还具有通过各种高级内装板进行升级的能力，大程序容量和存储器单元，以Windows环境下高效的软件开发能力。欧姆龙PLC也能用于包装系统，并支持 HACCP(寄生脉冲分析关键控制点)过程处理标准。欧姆龙PLC它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。1.1.1 欧姆龙PLC的结构及各部分的作用欧姆龙PLC功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由中央处理器（CPU）、输入/输出单元、电源端口、通信接口、外部设备接口等几个主要部分组成，除此之外，还可以加选通信板和扩展存储板。PLC的硬件系统结构如下图1示：可编程控制器CPU模块输入模块输出模块编程装置交流接触器电机电源开关图1 PLC硬件系统结构图1.1.2 PLC的工作原理欧姆龙PLC的类型繁多，但它们的工作原理基本是一致的。PLC采用“循环扫描”的工作方式工作。PLC的工作过程答题可以分为内部处理（如CPU自诊断）、通信操作处理、输入刷新、执行程序、输出刷新五个阶段，并进行周期性循环。PLC工作原理如图2示：编程内部处理通信操作输入刷新执行程序输入刷新运行图2 PLC工作原理流程图1、 CPU自诊断等内部处理阶段。CPU检测主机应尽啊，同事检测所输入输出模块的状态，进行系统初始化，检测系统工作模式等。2、 通信操作处理阶段。CPU自动检测来自各个通信控的通信信息，并对通信信息进行自动处理。3、 输出刷新阶段。以扫描方式按顺序从输入锁存器中读入所有输入端子的通断状态或输入数据，并将其写入对应的输入状态映像寄存器中，这一过程称为输入刷新。输入刷新后关闭输入端口，进入程序执行阶段。在程序执行阶段，即使输入端状态有变化，输入映像寄存器中的状态也不会改变。4、 执行程序阶段。从输入状态映像寄存器和元件状态寄存器中读入元件状态，经过相应的运算处理后，将结果再写入晕啊见状态映像寄存器中。因此，对于每一个元件来说，元件状态映像寄存器中所存的内容将会随着程序的执行而改变。5、 输入刷新阶段。当程序所有指令执行完毕，输出状态映像寄存器的通断状态在CPU的控制下被一次集中送至输出锁存器中，并通关过一定输出方式输出，推动外部相应执行元件工作，这就是PLC的输出刷新。2 硬件部分2.1 硬件结构1、电机正反转控制系统电机正反转控制系统的硬件由电源、三相/单相漏电保护开关、塑料外壳断路器、电流互感器、交流接触器、电动机等组成。整个硬件控制系统如下图3示：交流接触器电动机开关电流互感器断路器保护开关电源图2 电机正反转硬件框图实验所用交流接触器型号为CJ20-40，其工作原理为：当接触器电磁线圈不通电时，弹簧的反作用力和衔铁芯的自重使主触点保持断开位置。当电磁线圈通过控制回路接通控制电压(一般为额定电压)时，电磁力克服弹簧的反作用力将衔铁吸向静铁心，带动主触点闭合，接通电路，辅助接点随之动作。用电器气压开关停止开关启动开关交流接触器图3 交流接触器硬件框图电动机的旋转方向取决于磁场的旋转方向，而磁场的旋转方向取决于电源的相序，所以电源的相序决定了电动机的旋转方向。任意改变电源的相序时，电动机的旋转方向也会发生改变。连接电动机的原理图如下图所示，其中电动机的正转用接触器1和按钮“1”进行控制；反转电路由按钮“3”和接触器2相连接进行控制。 联系到控制柜上接线控制电路设计：使用三状态旋钮开关作为系统的控制端，旋转到“1”位置接通接触器1，接触器1与其他器件形成自锁，使得电动机开始正传；旋转到“3”位置接通接触器2，接触器2与其他器件形成自锁，使得电动机开始反转。电机采用星接，由两个交流接触器分别控制其输入电流的相位。具体实现接线图如下：图4 电机正反转接线图2、三层电梯的控制实验共使用4个按钮和一个三状态旋钮开关作为系统的输入，四个按钮分别代表“一楼上行”、“二楼下行”、“二楼上行”、“三楼下行”，旋钮控制电梯的“上行状态”、“下行状态”、“停机状态”。由于欧姆龙CP1E系列PLC其开关量输入端需要上拉电压，因此每个输入需要传在一个电压为24V的电路当中。使用电机的正、反转代表电梯的上行、下行。并且在程序中将控制电机正、反转的输出端进行逻辑互锁。其硬件结构图如下：交流接触器电动机开关电流互感器断路器保护开关电源PLC控制器上位机电源图5 三层电梯控制的硬件框图实验装置提供的主机型号有欧姆龙CP1E系列的N30DR-A型号的PLC控制器。输入点数为24，输出点数为16 ，试验接线时输入端接入的是来自电流互感器的输出模块和上位机的输出的通信端口模块；输出端口接入的是交流接触器的输出端口。接线图如图6、图7、图8所示：图6 PLC控制器的输入口图7 PLC控制器的输出口启动停止24VCOM000CH0001100CH00COMKM1L(火线)N输入输出图8 三层电梯接线图3、加入变频器进行变频控制电梯转速，试验所用的变频器为ACS550型号的变频器，使用用PLC模拟量输出模块，连接变频器的模拟量输出端子，设置变频器参数，通过PLC的输出信号改变变频器的频率给定值，使电机可以在多个转速下切换运行。下图10为ABB变频器ACS550型号的结构图。其硬件框如下图9所示：图9 变频器结构框图3 软件部分PLC 上电后，PLC 中的梯形图程序已经开始运行，但因为电梯尚未读入任何输入信号的数据，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的位置且电梯门处于关闭状态。也就是初始状态。从而电梯完成一个正常呼叫响应的流程框图如下所示： 是否停止运行延时停止N开始上电初始化是否呼叫确认本层与目标层目标层与本层是否同层电梯启动电梯制动楼层检测是否目标层电梯匀速运行NYNN图10 三层电梯设计流程图具体实现三层电梯控制的步骤如下：1、重置按键，将CS（当前层数）设置为1层。 2、当按下一楼按键时，程序进行判断，如果当前层数为二层且T001定时器未被触发时，则触发内存变量W3.00并将当前楼层设置为一层。3、当按下一楼按键时，程序进行判断，如果当前层数为三层且T002定时器未被触发时，则触发内存变量W3.05并将当前楼层设置为一层。4、当按下二楼按键时，程序进行判断，如果当前层数为三层且T001定时器未被触发时，则触发内存变量W3.02并将当前楼层设置为二层。5、当按下二楼按键时，程序进行判断，如果当前层数为一层且T001定时器未被触发时，则触发内存变量W3.01并将当前楼层设置为二层。6、当按下三楼按键时，程序进行判断，如果当前层数为二层且T001定时器未被触发时，则触发内存变量W3.03并将当前楼层设置为三层。7、当按下三楼按键时，程序进行判断，如果当前层数一层且T002定时器未被触发时，则触发内存变量W3.04并将当前楼层设置为三层。说明：1层到2层，2层到3层，3层到2层，2层到1层所用的定时器类型都是100ms定时器，定时器好为001设置值是#30，即定时器设定为3秒。1层到3层，3层到1层，所用的定时器类型都是100ms定时器，定时器好为002设置值是#60，为单层间传递的2倍，即定时器设定为6秒。通过Q100.01和Q100.02分别代表电梯的上行、下行状态输入。当电梯上行时，在程序中将下行指令锁死。即使按下下行相关的按钮也无法触发执行器Q100.02。当按下上、下行相关按钮时，会分别触发内存变量W3.00-W3.05，进而触发电机正、反转和定时器。延时3秒或6秒后定时器定时结束，切断控制电机的输出，表示电梯已抵达目标楼层。三层电梯PLC控制程序为：4 实验结果1、 对于正反转试验，按下按钮“1”，电机正传，按下按钮“3”，电机反转。能够实现物理按键让电机正反转，对于这个实验可以尝试用PLC实现软开关的控制。2、 对于三层电梯的控制实验，按下4个可以实现 “一楼上行”、“二楼下行”、“二楼上行”、“三楼下行”，旋钮控制电梯的“上行状态”、“下行状态”、“停机状态”。对于这个试验只完成了外呼叫的控制，设备只可以安装5个开关不能实现更多的功能，可以尝试多加一些开关完成内呼叫的情况下的电梯控制。3、 对于变频器控制电机速度的试验，因为时间有限，变频器过几天就不在实验室，所以没能够完成。图11 三层电梯设计实物图5 总结这次实验的设计、调试，完成了使用物理按键控制电机正、反转的实验以及使用PLC模拟三层电梯的实验，整个系统用PLC做主控器，该系统安全可靠，基本模拟真实电梯，形成了电路原理的设计图纸，对未来的实验具有一定的可重复性和参考价值。但是实验过程中出现了很多问题，例如：一开始对设备不熟悉，无从下手，接上线，电机却不工作，PLC程序编写时有些功能实现等。不过在大家的积极讨论下，努力查阅相关资料，最后都这些问题还是都解决了。因为此次实验室是在220V电压下工作的，所以在上电之前一定要再三检查线路，不要存在隐患，万一发生事故，对人身伤害和设备的损害会很大。由于学时较少，主要对硬件电路部分做了详尽分析，对程序部分没有做详尽的解剖，这是本实验的不足之处。PLC目前应用广泛，操作简单，虽然课程已经结束，但要在课后多了解PLC的相关知识，学会自己编程。通过这次设计使我对电梯的控制有了深入的了解，尤其是电梯的PLC控制。在这次设计中，我经历了 查资料做笔记思考定位选设备的过程，使我了解的不仅仅是电梯的控制，或是设备的选择，或浅或深，最重要的是我掌握了一种设计的方法，思维的方式，使受益非浅。