毕业设计基于单片机的三层电梯PLC控制系统及组态监控系统设计

毕业设计（论文）三层电梯PLC控制及组态监控系统设计专业（系） 铁道自动化 班 级 102班 学生姓名 罗佳 指导老师 刘晓春 完成日期 2013.06 目 录摘 要IAbstractII第1章 任务与要求11.1课题概述11.2设计内容与要求1第2章前言32.1论文的研究背景32.2论文的研究意义32.3论文章节安排4第3章PLC可编程序控制器53.1 PLC的起源与发展53.2 硬件的组成833PLC控制系统的发展趋势12第4章 三层电梯PLC控制系统设计144.1电梯PLC控制系统的硬件电路设计144.1.1 三层电梯主电路144.1.2PLCI/O分配及外围接线图154.2电梯PLC控制系统程序设计16第5章电梯监控系统设计与调试185.1 电梯监控系统中监控界面与数据对象的设计185.1.1设计监控界面185.1.2 设计脚本程序195.1.3 增加数据对象195.1.4 修改对象属性195.2动画连接215.2.1 按钮的动画连接215.2.2 电梯层的设置235.2.3上升下降按钮设置245.3设备调试26结 束 语30致 谢31参考文献32附录33摘 要随着城市建设的不断发展，城市迅速的崛起，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。它是采用电力拖动方式，将载有乘客或货物的轿厢，运行于垂直方向的两根刚性导轨之间，运送乘客和货物的固定式提升设备。所以，电梯是为高层建筑运输服务的设备，它具有运送速度快、安全可靠、操作简便的优点。但传统的电梯控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用 PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器取代微机实现信号控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。PLC可靠性高，程序设计方便灵活。关键词：电梯 PLC控制系统 AbstractWith the continuous development of city construction, city rise abruptly quickly, high-rise building continued to increase, elevator high-rise buildings as a means of transport in the vertical run has been closely linked with peoples daily lives. It is the use of electric drive mode, carrying passengers or cargo car, running in the direction perpendicular to the two rigid rails, transporting passengers and cargo fixed upgrade equipment. Therefore, the elevator is for high-rise building transport service equipment, it has the fast conveying speed, safe and reliable, the advantages of easy to operate. But the traditional elevator control system uses the relay - contactor control, its shortcoming is the contact number, high failure rate, poor reliability, repair work, and the PLC component of the control system can well solve the problem, the elevator runs more safe, convenient, comfortable.Elevator control is currently widely used in two ways, one is using the computer as a signal control unit, the completion of the lift signal acquisition, operation and function of the set, the realization of elevator automatic dispatching and set operation function, drag the control from the converter to complete; second control using a programmable controller to replace the computer signal control. From the control methods and capabilities, these two kinds of methods and not much difference. PLC high reliability, convenient and flexible program design.Key words: Elevator PLC control system第1章 任务与要求1.1课题概述PLC在工业的应用越来越广泛，技术也不断成熟，逐步的面向大众化，更加容易被人接受。操作也变得简单，在各方面的控制都比较适应，趋向于小型化相当的实用。而MCGS技术是一种实际控制与计算机控制相结合的产物。利用现在发达的计算机技术来模拟实物的效果图，并可以通过与PLC的连接控制来实现对实物的实际控制和监控。达到实现智能化控制的目的。对于如何把两门课程的熟练掌握达到把专业知识应用到实际生活中。针对在现实生活中应用越来越多的电梯。我们就使用这两项技术实现对三层电梯的有逻辑控制。设计题目的选择：(1)设计题目：三层电梯PLC控制系统的设计(2)题目的选择：对于电梯的控制，可选用继电-接触系统或可编程控制器来完成，但是二者有各自的特点：1:继电-接触系统：它的优点是线路直观，大部分电器均为常用电器，更换方便，价格较便宜。但是他触点繁多，线路复杂，电器的电磁机构及触点动作较慢，能耗高，机械动作噪音大，而且可靠性差。2:PLC在设计和制造上采取了许多抗干扰措施，使用方便，扩展容易。它使用了梯形图和可编程指令，易于掌握。总之，PLC取代继电-接触系统已经成为大的趋势。基于上述原因，我选择用可编程控制器来完成对电梯的控制1.2设计内容与要求1.课题研究的内容课题所研究的内容主要是用可编程控制器（PLC）自动控制电梯系统。由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯。首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的总结和介绍。接着根据电梯的控制要求，确定PLC所需的输入/输出口的数量，确定PLC的型号，选定主机机型，并进行扩展。然后设计模拟控制模板，设计PLC的外部接线图、流程图等，编写控制程序，最后对编写的电梯控制程序进行仿真和调试。2.MCGS与PLC控制要求：当升降机停于一层或二层时，按三层按钮呼叫，则升降机上升至LS3停止。当升降机停于三层或二层时，按一层按钮呼叫，则升降机下降至LS1停止。当升降机停于一层时，按二层按钮呼叫，则升降机上升至LS2停止。当升降机停于三层时，按二层按钮呼叫，则升降机上升至LS2停止。当升降机停于一层，而二层、三层按钮均有人呼叫时，升降机上升至LS2时，在LS2暂停10S后，继续上升至LS3停止。当升降机停于三层，而二层、一层按钮均有人呼叫时，升降机下降至LS2时，在LS2暂停10S后，继续下降至LS1停止。当升降机上升或下降途中，任何反方向的按钮呼叫均无效。在计算机中现实自动升降机工作状态。3.电梯控制要求：1电梯轿箱的控制要求：（1）：选向：根据电梯各层内选外呼信号的先后和停止时轿箱所在的楼曾位置决定电梯的运行方向。（ 2）：选层换速：指电梯能够根据轿内所选层而决定运行方向，而且遵守或一直向上，或一直向下的原则。并且在每次平层的时候都能够换速。（3）：楼层位置的指示：选用了数码管显示的方法。由于FX2N系列已有内部计数-译码驱动模块，所以只要外部加上LED七段显示管和电源就可以显示楼层了。2电梯门的控制要求：要求当电梯平层的时候，电梯门自动打开，经过10秒钟后电梯门自动关上。如果遇到有人在门中间的情况，电梯会因为光电开关的作用而自动开门。4补充要求：出了上述两个要求以外，还要注意的一点就是备用电梯电机的使用，一但曳引电机出现故障，备用电机将手动控制转入运行状态，避免因曳引惦记出故障而引发的不必要的麻烦。第2章前言2.1论文的研究背景在经济不断发展，科学技术日新月异的今天，楼的高度已和经济发展同样的速度成长起来。作为建筑的中枢神经，电梯起着不可或缺的作用，电梯作为建筑物内的主要运输工具，像其他的交通工具一样，已经成为我们日常生活的一个不可缺少的组成部分。一个国家的电梯需求总量，主要受其经济增长速度、城市化水平、人口密度及数量、国家产业结构等综合因素的影响。在全球经济持续低迷的情况下，我国国民经济仍然以较高的速度持续增长，城市化水平不断提高。这从客观上导致了我国电梯行业的空前繁荣景象，我国已经成为全球最大的电梯市场。上世纪80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大。总趋势是上升的，目自口进入了“第三次浪潮”，2004年总产量超过了8万台，而且目前还没有减速的迹象。从1949年建国以来全国共生产安装了6l万多台电梯。尽管如此，我国的电梯远未达到饱和的程度。全世界平均1000人有l台电梯，我国如果要达到这个水准，还需要增加70万台。到那时候，全国在用电梯将达到130万台，每年仅报废更新就需要6万台。到2005年，中国电梯的年产量达到135万台，与1980年相比，25年增长了59倍，产量每年平均增长178。2005年安装验收电梯124465台，截至05年底，我国的在用电梯总数已达651794台。如此庞大的市场需求为我国电梯行业的发展创造了广阔的舞台!2.2论文的研究意义我国电梯行业已经具备了很强的生产能力。兴旺的电梯市场吸引了全世界所有的知名电梯公司，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、日本三菱、日立、东芝、富士达等13家大型外商投资公司在国内的市场份额达到了74”。先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。苏州江南、山东百斯特、浙江巨人、上海华立、昌华、东莞飞鹏、宁波宏大、苏州申龙和东南液压电梯等一批优秀的电梯品牌看清了自己的定位与出路。目前国内市场需要的电梯产品，我国电梯行业几乎全部可以生产，不但大量替代了进口，而且有一定的出口。国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高。自1985年我国参加了国际标准化组织ISOTCl78以来，先后等同或等效采用了一批国际标准和先进国家的标准。标准的高起点使我国电梯行业在技术上居于有利地位。许多新技术和新产品，如无机房电梯、无齿轮曳引机、永磁同步拖动技术、远程监控技术等，国际上也是刚刚出现，我国就有许多企业可以生产了。国产电梯以其高质量，低成本的优势赢得了越来越多的国内外客户，为逐步进入国际市场创造了有利条件。中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置，每年销售量己达l万台左右，约占亚洲市场的1/50，一些合资企业在出口创汇方面也做出了贡献。当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍。世界上有名的几家电梯公司，诸如：美国奥的斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等，其电梯的产量已占世界市场的51。其中，奥的斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。目前，国外除了以交流电梯取代直流电梯以外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。此外，家用小型电梯将成走电梯家族中新的组成部分。2.3论文章节安排全书分课题概述、硬软件设备介绍、系统调试、心得体会四部分（共五章）进行介绍。第一部分是概述部分，较全面地介绍了三层电梯控制系统的概况及发展方向，可以建议对三层电梯控制系统的清晰概念。本部分有两个章节。第一章节是讲述课题的任务要求。是本论文的大纲。第二章节是讲述课题在现实生活中的应用意义以及发展对该项技术的要求。第二部分是硬软件部分。简要介绍了PLC、组态的基本概况和针对本系统的设计。着重介绍了PLC、组态软件的发展、工作原理和优点。这是三层电梯控制系统稳定的特色。本部分是第四章节。会介绍PLC的硬件设施。还会讲解PLC的控制程序和该程序的每项意义。并详述组态软件的画面设计、动画的连接与调试和控制程序的设计。第三部分是系统调试部分。本部分在第五章节。讲述了PLC程序和组态软件的调试结果，以及在后面的两部分联合调试。对程序的缺陷进行不断优化。以确保该系统运行的稳定性。第四部分是论文总结部分。它是对本次论文进行总结以及写出自己对于本次论文的心得体会。第3章PLC可编程序控制器3.1 PLC的起源与发展在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛的用于工业生产的各个领域，继电器控制系统通常可以看承由输入电路，控制电路，输出电路和生产现场这4个部分组成的。其中输入电路也是由按钮，行程开关，限位开关，传感器等构成。用已向系统送入控制信号。输出电路部分是由接触器，电磁阀等执行元件构成，用以控制各种被控制对象，如电动机，电炉，阀门等。继电器控制电路部分是控制系统的核心部分。它通过导线将各个分立的继电器，电子元器件连接起来对工业现场实施控制；生产现场是指被控制的对象（如电动机等）或生产过程。继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用，随着生产规模的逐步扩大，市场经济竞争日趋激烈，继电器控制系统已越来越难以适应，因为继电器控制电路通常是针对着某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。它的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制，定时，计数等这样一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须进行重新设计，布线，装配，和调试。显然，这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。这就迫使人们要放弃原来已占统治地位的继电器控制系统，研制可以替代继电器控制系统的新型的工业控制系统。出于上述考虑，美国通用汽车公司（GM）于1968年提出了公开招标研制新型的工业控制器的设想，第二年，即1969年美国数字设备公司（DEC）就研制出了世界上第一台可编程序控制器。在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算，定时，计数等顺序控制功能。所以人们将可遍程序控制器称之为PCL（Programmable Logical Controller），即可编程序逻辑控制器： 20世纪70年代末80年代初，微处理器技术日趋成熟，使可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊，如浮点运算，函数运算，查表等。这样可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，还可以对模拟量进行控制。因此，美国电气制造协会NEMA（National Electrical Manufacturers Association）将之正式命名为PC（Programmable Controller）。值得注意的是，因为个人计算机的简称也是PC（Personal Computer），有时为了避免混淆，人们习惯上仍将可编程序控制器简称PLC（尽管这是早期的名称）。本书采用PLC的称呼。20世纪80年代后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以16位和32位微处理器够成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使之在概念上，设计上，性能价格比等方面有了重大突破。可编程序具有了高速计数，中断技术，PID控制等功能，同时联网通信功能也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。为了使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化。国际电工委员会（IEC）制定了PLC的标准，并给出了它的定义。“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部储存执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等才操作，并通过数字式，模拟式的输入与输出，控制各类的机械或生产过程。可编程序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设计。” 综上所述，PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。这种装置具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，得到了用户的公认和好评。他经过短短的几十年发展后，现在已成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和CAD/CAM）之一，被广泛地应用于机械，冶金，化工交通，电力等领域中。 以PLC作为控制器的PLC控制系统是从根本上改变了传统的继电器控制系统的工业原理和方式。继电器控制系统是控制功能是通过采用硬件接线的方式来实现的，而PLC控制系统的控制功能是通过存储程序来实现的，不仅可以实现开关量控制，还可以进行模拟量控制，顺序控制。另外，它的定时和计数功能也远比继电器控制系统强很多，一般可以为用户提供几十个甚至上百个定时器，计数器。随着计算机和通信几刷的发展，现代PLC控制系统已远不是几十年前的哪个样子，PLC的控制从早期的单机控制发展到多机控制，实现了工厂自动化。尽管现在的PLC控制系统已发生了很大的变化，但是从自动控制的角度来看，PLC控制系统与传统的继电器系统在结构上仍有相似之处。现在以集中型的PLC控制系统为例说明集中型PLC控制系统与继电器控制系统在结构上有那些相同和不同之处，这对初学者理解PLC控制系统的工作原理是有帮助的。集中型PLC控制系统的结构。将两种系统相比，就会发现PCL控制系统与继电器控制系统输入，输出部分基本相同，输入电路也是由按钮，开关，传感器所构成：输出电路也好似由接触器，执行器，电磁阀多构成的。不同的是继电器控制系统在控制线路被PLC中的程序代替，这样一旦生产工艺发生变化，就只需要修改程序就可以了。正是上述原因，PLC控制系统除了可以完成传统继电器控制系统所具有的全部功能外，还可以实现模拟量控制，开环或闭环过程控制，甚至多级分布式控制。随着微电子技术的进一步发展，PLC的成本在降低，传统的继电器控制系统被PLC控制系统代替已是发展的必然趋势。进入20世纪70年代，采用微处理器的工业控制计算机出现了。它与PLC共同推动着传统工业的技术改造。经过较长时间是实践，人们又发现，PLC与一般的工业控制计算机相比，PLC还是有着较强的优势，其原因是PLC专为在工业环境下的应用而设计，在PLC中采用了如下的硬件和软件措施： 光电耦合隔离和R-C滤波器，有效地防止了干扰信号的进入。 内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。 采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。具有良好的自诊断功能可对CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。 对程序及有关数据有电池供电进行后备，一旦断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失。 对采用的器件都进行了严格的筛选和简化，排除了因器件问题而造成的故障。 采用了冗余技术进行一步增强了可靠性。对某些大型PLC还采用了双CPU构成冗余系统，或三CPU构成表决式系统。 随着构成PLC的元器件性能的提高，PLC的可靠性也在相应的提高。一般PLC的平均无故障时间可达到几万小时以上。某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后生产PLC不再标明可靠性这一指标，因为对PCL来讲这一指标已毫无意义了。经过大量时间人们发现PLC系统在使用中发生的故障大是是由于PLC的外部开关，传感器，执行机构引起的，而不是PLC本身发生的。 另外，PLC程序设计简单，易学易懂易维护，更适合于工程技术人员。因此，PLC在工业控制方面获得了极大成功，成为工业控制中的主流。但是必须指出的是：计算机在信息处理方面还是优于PLC，所以在一些自动化控制系统中，常常将两者结合起来，PLC做下位机进行现在控制，计算机做上位机信息处理。计算机与PLC之间通过通信线路实现信息的转换和交换。这样相辅相成，构成一个功能较强的完整的控制系统。 PLC控制系统与集散型控制系统的比较由前所述可知，PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散型控制系统DCS（Distribution Control System）是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。而PLC随微电技术，计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上，速度上，智能化模块以及联网通信上，都用很大的提高。并开始与小型计算机联成网络，构成了以PLC为重要部件的分布式控制系统。随着PLC网络通信功能不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据告诉公路上（Data Highway）挂接在线通用计算机，实现在线组态，编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就已具备了集散控制系统的形态，加上PLC的价格和可靠性优势，使之可以与传统的集散控制系统相互竞争。PLC控制系统的组成PLC控制系统像一般的计算机控制系统一样，也是由硬件和软件两个部分组成的，硬件是指PLC本身及其外围设备，软件是指管理PLC的系统软件，PLC的应用程序，编程语言和编程支持工具软件。 3.2 硬件的组成PLC控制系统的硬件是由PLC，输入/输出（I/O）电路及外围设备等组成的。系统规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。下面对构成控制系统的主要部分简要介绍。 PLC系统 （1）主控模块 除了早期生产的整体式PLC（PLC的各个不见都在同一机壳内）外，目前市场多数的PLC都已采用模块化的结构（PLC的各个部件独立封装，称之为模块）。在PLC中各个模块均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。在这个系统中最核心的模块是主控模块（也称CPU），它包括：CPU，存储器，通信接口等部分。 CPU：CPU是PLC的控制中枢，它由控制器和运算器组成。其中，控制器是用来统一指挥和控制PLC工作的部件。运算器则是进行逻辑，算术等运算部件。PLC在CPU的控制下使整个机器有条不紊的协调工作，以实现对现场各个设备的控制。CPU的具体作用如下： 执行接受，存储用户程序的操作指令。 用以扫描方式来自输入单元的数据和状态信息，并存入相应的数据存储区。 执行监控程序和用户程序。完成数据和信息的处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作。响应外部设备（如编程器，打印机）的请求。 PLC中所采用的CPU随机型的不同而不同，通常有3种：通用微处理器（如8086，80286，80386等），单片机芯片，位片式处理器。一般来说，小型PLC大采用8位微处理器或单片机作为CPU，如Intel8086，Inter96系列单片机，具有集成度高，运算速度快，可靠性高等优点。如日本欧姆龙公司生产的OMRONC200H型PLC采用的是Motorola公司生产的MC68B09的CPU芯片。这是一种增强型8位微处理器。对大型PLC，大多采用高速位片式微处理器，它具有灵活性强，速度快，效率高的优点。 目前，一些厂家生产的PLC中，还采用了冗余技术，即采用双CPU或三CPU工作，进一步提高了系统可靠性。采用冗余技术可使PLC的平均无故障工作时间达几十万小时以上。 存储器：PLC系统中的存储器主要用于存放系统程序，用户程序和工作状态数据。 系统程序存储区：采用PROM或EPROM芯片存储器。它是由生产厂家直接存放的，永久存储的程序和指令，称为监控程序。监控程序和PLC的硬件组成与专用部件的特性有关，用户不能随意访问和修改这部分存储器的程序。 存储器区：工作数据是PLC运行过程中经常变化的，需要随机存取的一些数据。这些数据一般不需要长久保存，因此采用随机存储器RAM。数据存储区包括输入，输出数据映象区，定时器/计数器预置和当前数值的数据。 用户程序存储区：用于存放用户经编程器或计算机输入的应用程序。一般采用EPROM或EEPROM存储器，用户可檫写重新编程。用户程序存储器的容量一般就代表PLC的标称容量。通常，小型机小于8KB，中型机小于50KB，而大型机可以在50KB以上。 通信接口：主控模块通常有一个或一个以上的通信接口（简称通信口），用以与计算机，编程器相连，实现编程，调试，运行，监视等功能。 （2）输入/输出模块 PLC的控制对象是工业生产过程，它与工业生产过程的联系是通过I/O模块实现的。生产过程有许多控制变量，如温度，压力，液位，速度，电压，开关量，继电器状态等，因此，需要有相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场的桥梁。且这些模块应具有较好的抗干扰能力。目前，生产厂家已开发出各种型号的模块供用户选择。对于输入/输出模块有：数字量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，模拟量输入/输出模块，交流新号输入/输出模块，220V交流输入/输出模块。还有智能模块，它本身带CPU，存储器和监控系统，可独立完成各种运算。智能模块的种类很多，如高速计数模块，PID调节的模拟量控制模块，阀门控制模块，智能存储模块和智能I/O模块。 （3）电源模块 该模块将交流电源转换成供CPU存储器所需的直流电源，是整个PLC系统的能源供给中心。它的好坏直接影响到PLC的功能和可靠性。目前，大多数PLC采用高质量的开关式稳压电源，与普通电源相比，PLC的电源工作稳定性好，抗干扰能力也强。有些机器的电源除了供内部电路使用外，还向外提供24VDC的稳压电源，用于外部传感器的需要，这样就避免了因外部电源不合格而引起的外部故障。 I/O电路 PLC的基本功能就是控制，它采集被控对象的各种信号。经过PLC处理后，通过执行装置实现控制。输入电路就是被控对象（需要进行控制的机器，设备和生产过程）进行检测，采集，转换和输入。另外，安装在控制台上的按钮，开关等也可以向PLC送控制指令。输出电路的功能就是接受PLC输出的控制信号，对被孔对象执行控制任务。 PLC外围设备 PLC的外围设备很多，但基本功能不外乎对信息和数据的处理。常用的有编程器，可编程终端，打印机，条码读入机等等。编程器PLC的重要外围设备之一，它可以将用户编写的程序送到PLC的用户程序存储器。因此，它的主要任务是输入程序，调试程序和监控程序的执行过程。可编程终端是具有I/O功能的PLC人机界面产品。人可以通过触摸屏幕将信息输入PLC中同样可编程终端也可以将PLC的输入数据和信息显示在屏幕上。 软件的组成 PLC控制系统的软件主要是系统软件，应用软件，编程语言及编程支持工具软件几个部分组成。 PLC系统软件与工作过程 PLC系统软件是PLC工作所必须的软件。在系统软件的支持西，PLC对用户程序进行逐条的解释，并加以执行，直到用户程序结束，然后返回到程序的起始又开始新的一轮扫描。PLC的这种工作方式就称之为循环扫描。 值得注意的是在继电器控制系统中，一个继电器的线圈被接通或断开，继电器的所用触点（常开触点和常闭触点）都会立即动作。但在PLC中，由于采用的是循环扫描的工作方式，所用只有扫描到”线圈”的触点时，才会动作，没有扫描到时，触点就不会动。并且PLC扫描一次用户程序的时间即扫描周期与拥护程序的长短和扫描速度有关，一般为1ms至几十毫秒。现以OMRONP型机为例来说明PLC扫描的工作过程，如上图在没有扫描之前，PLC首先应保证自身的完好性。接通电源之后，为消除各元件状态的随机性，进行清零或复位处理，检查I/O单元连接是否正确，再执行一段程序。使它涉及到各种指令和内存单元，如果执行的时间不超过规定的时间范围，则证明自身完好，否则系统关闭。上述操作完成后，将时间监视定时复位，才允许扫描用户程序。 公共操作公共操作是在每次扫描程序前又一次自检，若发现故障，除了报警显示灯亮之外，还判断故障性质。一般性故障，只报警不停机，等待处理；对于严重故障，则停止运行用户程序，此时PLC切断一切输出。 I/O数据输入/输出操作有的称为I/O状态刷新。它包括两种操作：一是采样输入信号（即刷新输入状态的内容）；二是送出处理结果（即按输出状态表的内容刷新输出电路）。 输入映象存储器及刷新。由上图所示可知送入PLC端子上的输入信号，经过电隔离，电平转换，滤波处理后，进入缓冲器内CPU的采样。在PLC的存储器有一个专门存放I/O数据区，其中对应输入端子的数据区，称之为输入映象存储器。当CPU采样时，输入信号由缓冲区进入映象区。接着就是数据输入或输出状态刷新。 只有在采样刷新的时刻，输入映象存储器中的内容才与输入信号（不考虑电路固有的惯性和滤波滞后影响）一致，其他时间范围输入信号变化是不会影响映象存储器的内容的。由于PLC扫描周期一般只有几十毫秒，所以两次采样时间很短，对一般开关量来说，可以认为没有因间断采样引起的误差。即认为输入信号一旦变化，就能立即进入输入映象的存储器内。 输出映象存储器及输出状态刷新。同样道理，CPU不能直接驱动负载。按用户程序要求及当前输入状态，要保持到下次刷新为止。同样，对于变化较慢的控制过程来说，因为两次刷新的时间间隔和输出电路的惯性时间常数一般才几十毫秒，可以认为输出信号是及时的。 执行用户程序这里又包括监视与执行两部分。 监视定时器WDT。监视定时器就T1是通常所说的”看门狗”WDT（Watch-DogTimer），它是用来监视程序执行是否正常。正常时，执行完用户程序多用的时间不会超过T1，在程序复位WDT，即执行程序并开始计时：执行完用户程序后立即令WDT复位，表示程序执行正常。当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循环，则WDT会发出超时报警信号，使程序重新开始执行。如果是偶然因素造成超时，重新程序不会再遇到”偶然干扰”，系统便转入正常运行；若由于不可恢复的确定性故障，则系统会自动地停止执行用户程序，切断外部负载，发出故障信号，等待处理。 执行用户程序。用户程序是放在用户程序存储器中的，扫描时，按顺序从零步开始，逐步解释和执行，直到执行END指令才结束对用户程序的扫描。 应用软件 PLC控制系统的应用软件是指为完成PLC实际控制任务而编制的各种软件。随着PLC应用领域范围的不断扩大，应用水平的提高，PLC应用软件也大大丰富起来了。PLC应用软件与一般计算机信息处理软件相比，有很大不同，PLC应用软件有以下几个特点： 应用软件设计必须与生产工艺紧密结合。生产工艺要求不同，控制的功能也就要求不同，即使是相同的生产过程，由于各种设备的工艺参数不一样，控制实现的方式也不一样。所以程序设计人员必须深入现场，严格尊守生产工艺的具体要求来设计应用程序。 应用软件与硬件紧密相关。软件设计人员不能抛开硬件配置和系统孤立地考虑软件设计。设计必须根据硬件系统，接口的实际情况进行相应的程序设计。 PLC应用软件的设计需要计算机，自动控制技术甚至网络通信技术等多种知识。特别是PLC网络的出现，PLC控制系统不再是一个单独的装置。在控制系统中，可能包括有多台不同型号的PLC，计算机，外围设备等。因此在进行软件设计时，实现和处理某种控制功能都离不开计算机，自动控制和通信技术。因此，应用程序中不仅有PLC程序，还有计算机程序和通信网络程序等。 编程语言及编程支持工具软件 PLC有多种编程语言：梯形图语言，助记符语言，逻辑功能图语言，布尔代数语言和某些高级语言（Basic，C语言等）。但使用广泛的还是梯形图语言和助记符语言。现在世界上各个PLC生产厂家都研制了自己的PLC编程支持工具软件和监控组态软件。用户可以根据自己的需要利用这些软件来改善软件的开发环境，提高编程效率。33PLC控制系统的发展趋势PLC当初是针对工业顺序控制发展而研制的。经过30几年的迅速发展，PLC已不仅能进行开关量控制，而且还能进行模拟量控制，位置控制。特别是PLC的通信网络技术的发展，使得PLC如虎添翼，由单机控制向多机控制，由集中控制向多层次分布式控制系统发展。现在PLC的足迹已遍布了国民经济的各个领域，形成了满足各种需要的PLC应用系统。今后PLC控制系统将朝什么方向发展呢？在市场经济发达的今天，产品的发展取决于市场的需求。PLC的主要应用领域是自动化。不同的企业对自动化的要求，规模以及投资数额都不相同，存在着不同的层次需求。从我国目前正在开展的以高新技术带动传统产业发展形式来看，我们不仅要大力发展适合于大，中型企业的高水准的PLC网络，而且也要发展合适小型企业该找的性能价格比高的小型PLC控制系统。所以今后PLC控制系统将朝着两个方向发展：一是向小型化，微型化系统方向发展。作为控制系统的关键设备，PLC将朝着体积更小，速度更快，功能更强，价格更低的方向发展。二是向大型化，网络化，多功能的方向发展。 小型化、高性能、低成本、简单使用近年来，小型PLC应用十分普遍，超小型PLC的需求日趋增多。据统计，美国机床行业应用超小型PLC几乎占据了市场的1/4，国外许多PLC厂家正在积极地研制开发出各种超小型微型的PLC。例如德国西门子公司的S7-200既可以单机运行也可以联网实现复杂的控制。S7-200的最小配置是8个数字量输入和6个数字量输出，还可以根据实际情况扩展27个模块，最多可达到128个输入和120输出，此外S7-200还可以进行模拟量控制，是一种性能价格比较好的微型PLC 大型化、网络化、多功能多层次分布式控制系统与集中型相比，具有更高的安全性和可靠性。系统设计，组态也更为灵活方便，地域分布也广，是当前控制系统发展的主要潮流。为了适应这种发展，实现工厂自动化，世界上各PLC生产厂家不断地研制开发功能更强的PLC网络系统。这种PLC网络一般是多级的，网络的最底层是现场执行级，网络的最上层为组织管理级。现场执行级可以由多个PLC或远程I/O工作站所组成，中间一级由PLC或计算机构成。最高一级一般由高性能的计算机组成。它们之间采用工业以太网，MAP网和工业现场总线相连构成一个多级分布式PLC。随着自动控制系统技术的发展，这种多分布式的PLC控制系统不再是单一的，除了控制功能外，还可以实现在线优化，生产过程的实时调度，产品计划，统计管理等功能，成为一种测，控，管一体化的多功能综合系统。 PLC控制系统将与智能控制系统更进一步地相互渗透和结合目前，PLC与计算机已成为地结合并广泛应用，PLC不再是单独的一个控制装置，它成为控制系统中的一个重要的组成部分和环节。随着集成电路和计算机技术的进一步发展，今后的PLC将更加注重它与智能控制系统的结合。许多PLC开发商已经注意到了PLC的兼容性，不仅是PLC与PLC的兼容，而且还注意到PLC与计算机的兼容，使之可以充分地利用计算机现有的软件资源。例如西门子的S7-300采用SIMATICS7的模块，它的软件编程，监控都可以在Windows操作平台上操作和运行。今后PLC将采用速度更快，功能更强的CPU，容量更大的存储器。并将更充分地利用计算机资源。PLC与工业控制计算机，集散控制系统，嵌入式计算机等系统还将进一步渗透与结合，这必将更进一步拓宽PLC的应用领域和空间。第4章 三层电梯PLC控制系统设计4.1电梯PLC控制系统的硬件电路设计PLC硬件包括设计主电路、输入输出分配，PLC的硬件接口设计为输入、输出接线图。4.1.1 三层电梯主电路如图4.1所示，其中L1、L2、L3为三相电源，三相电动机M1为电梯轿厢上行和下行电动机，由KM1和KM2分别控制电动机正反转从而控制轿厢的上行和下行；M2为电梯开关门控制的交流电动机，分别由接触器KM3和KM4的触点控制；QS为总开关（刀开关），起隔离电源作用；FU为熔断器，起短路和严重过载保护；FR为热继电器，起过载和断相保护作用。图4.1三层电梯主电路图4.1.2PLCI/O分配及外围接线图根据电梯的控制要求，设计一定的输入点和输出点。输入输出信号与PLC地址编号对照表如下表所示：符号地址符号地址三层下I0.3二层上灯Q0.1二层上I0.1二层下灯Q0.2二层下I0.2三层下灯Q0.3一层上I0.0内叫一层灯Q0.4一层限位I0.4内叫二层灯Q0.5二层限位I0.5内叫三层灯Q0.6三层限位I0.6一楼数码显示Q0.7内叫一层I1.0二楼数码显示Q1.0内叫二层I1.1三楼数码显示Q1.1内叫三层I1.2电梯上行Q1.2开门I1.5电梯下行Q1.3关门I1.6开门继电器Q1.4关门限位I1.4一层上灯Q0.0开门限位I1.3关门继电器Q1.5I/O分配表根据I/O分配表，PLC的外围接线图如下图所示：图4.2 PLC外围接线图4.2电梯PLC控制系统程序设计硬件系统和软件相互结合才能构成一个完整PLC控制系统，完成各种复杂的控制功能。PLC的软件系统由系统程序和用户程序组成。系统程序（又称系统软件）用于PLC控制系统的管理、服务及对用户程序的编译。系统程序质量的优劣直接影响PLC的性能。系统软件是由PLC生产厂家提供并固化在内部程序存储器中，用户不行存取和修改。用户程序也称为应用程序或应用软件，它由PLC使用者根据被对象的控制要求用程序语言编制而成。用户程序是通过编程器键入到PLC内，并线性地放在由管理程序指定的存储区域内。 小型PLC的用户程序比较简单，通常是顺序编制而成。大中型PLC的用户程序容量较大且比较复杂，为使用户程序编制简单，可以按功能、结构或使用目的将用户程序分为各个程序模块，每个模块各自完成一个确定的功能，然后把它们链接在一起构成一个完整的软件系统。程序请见附录1第5章电梯监控系统设计与调试 MCGS的简介MCGS（Monitor and Control Generated System，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。其主要特征和功能大体为：具有简单灵活的可视化操作界面、实时性强、有良好的并行处理性能、有丰富生动的多媒体画面、开放式结构、广泛的数据获取和强大的数据处理功能、完善的安全机制、强大的网络功能、多样化的报警功能、支持多种硬件设备、方便控制复杂的运行流程、良好的可维护性和可扩充性、设立对象元件库组态工作简单方便、能实现对工控系统的分布式控制和管理等等。5.1 电梯监控系统中监控界面与数据对象的设计5.1.1设计监控界面在组态平台上，创建“三层电梯实验监控”用户窗口，单击“动画组态”，进入动画制作窗口。利用组态工具，绘制三层电梯实验监控界面。图5.0 三层电梯PLC实验监控界面5.1.2 设计脚本程序完整程序请见附录25.1.3 增加数据对象单击工作台上的【实时数据库】按钮，进入【实时数据库】窗口。氨基数据库窗口的空白处，使数据库窗口中没有任何对象被选中。然后单击窗口右边的【新增对象】按钮，在窗口的数据列表中，就会增加新的对象。多次单击该按钮，则增加多个数据对象，系统默认的第一位“data1”“data2”“data3”等。如图5.1所示：图5.1实时数据库窗口5.1.4 修改对象属性在【实时数据库】窗口中，选中数据对象，单击窗口右边的【对象属性】按钮或双击选中的对象，则打开【数据对象属性设置】窗口。在此窗口中，将系统定义的默认对象改为用户自定义的名称，并指定对象类型，在【对象内容注释】栏中输入数据对象注释文字，提搞工程的可读性。如图5.2所示：图5.2按钮1对象属性设置在【基本属性】中，将【对象名称】改为“按钮1”；【对象类型】选择“开关”。对象内容注释为“下降到一层”。其他设置不变。用同样的方法，对对象“按钮2”“按钮3”和“报警“进行设置。”一层”“二层”“三层”的设置和按钮设置类似只要把“按钮”改为“一层”“二层”和“三层”即可，将对象类型设置为【事件】即可。“按钮组“对象属性设置，如图5.3所示：图5.3组对象基本属性在【基本属性】中，【对象名称】设为“按钮组“；【对象类型】选择”组对象“：其他设置不变。单击【存盘属性】，打开数据对象【存盘属性】设置界面，如图 5.4所示：图5.4按钮组存盘属性【数据值的存盘】选择【定时存盘】，【存盘周期】为5s 【存盘时间设置】选择为【永久存盘】，其他设置不变。单击【组对象成员】，如图5.5所示：图5.5组对象成员设置在左边栏中选择“按钮1”、”按钮2”、“按钮3”选择增加即可添加最对象成员。“层组”的设置和按“钮组“的设置一样。5.2动画连接5.2.1 按钮的动画连接在用户窗口中，双击【三层电梯模拟】进入窗口。双击“按钮1”，弹出【动画组态属性设置】窗口，如图5.6所示：图5.6按钮连接设置选择【属性设置】，选择在【颜色动画连接】下的【填充颜色】。同理选择在【输入输出连接】下的【显示输出】和【特殊动画连接】下方的【可见度】。单击【填充颜色】，其设置如图5.7所示：图5.7填充颜色设置单击表达式右边的“？”，选择“按钮1”，设置为“按钮1=1”，单击【增加】按钮，“0”对应的颜色可以改变颜色。一般将“0”和“1“设置成红色和绿色。单击【显示输出】按钮，如图5.8所示：图5.8显示输出设置设置过程和【填充颜色】设置一样。【可见度】设置如图5.9所示：图5.9可见度设置同理“按钮2”、“按钮3”的设置同上。5.2.2 电梯层的设置双击“一层”按钮进入到【动画组态属性设置】窗口。如图5.10所示：图5.10一层电梯动画属性设置在【属性设置】窗口的设置如图所示。单击【颜色填充】选项，设置如图所示：图5.11颜色填充设置【显示输出】设置如图5.12所示：图5.12显示输出设置同理“二层”和“三层”的设置和“一层”的设置一样。5.2.3上升下降按钮设置双击“上升”按钮进入【单元属性】设置界面，选中【动画连接】选项，如图5.13所示：图5.13上升按钮设置单击右侧的“”按钮进入图5.14的设置界面：图5.14在【操作属性】窗口设置，选中【数据对象值操作】，单击“？”选中“上升”。单击【可见度属性】，设置如图5.15所示：图5.15 同理，下降按钮的设置与其一样。5.3设备调试本系统的设备包括PLC程序、组态以及联机调试。其主要目的是保证该系统的稳定性。 调试步骤连接过程包括添加设备、设置设备属性、调试设备三部分。1.添加设备（1）单击工作台中的“设备窗口”选项卡，进入“设备窗口”页，如图5.16所示。图5.16设备窗口 （2）单击右侧的“设备组态”按钮或双击“设备窗口”图标，弹出设备组态窗口。如果之前没有装入任何设备，窗口内为空白，没有任何设备。 (3)单击工具条上的“工具箱”图标，弹出“设备工具箱”窗口，单击“设备管理”图标，弹出设备管理窗口， S7-200PLC的串口设备可以用“串口通讯设备”，也可以用“通用串口父设备”。“通用串口父设备”可以再“可选设备”列表中直接看到。 图5.17 设备窗口（4）双击“通用串口父设备”，该设备将出现在“选定设备”栏，（5）双击“PLC设备”，弹出能够与MCGS通信的列表。选择“西门子-S7200PPI”图标，添加到“选定设备”栏，（6）单击“确定”，设备窗口出现以上两个设备，则完成设备的添加。如下图6.11所示。至此完成设备的添加。 2.设置“通用串口父设备”基本属性 在“基本属性”页做如下设置：（1）初始工作状态：设为1，代表启动该设备。如果设为0，则为停止。（2）最小采集周期（ms）：200（3）串口端口号（1-255）：0。这个号必须与实际设置一致，否则将不能正常通信。本系统PLC连接到计算机的COM1上，因此必须选COM1.（4）数据校验方式：“偶校验”。设置后的情况如下图5.18所示。单击“确定”，回到设备组态窗口图5.18 通用串口设备属性设置3.设置“S7-200PPI设备”基本属性（1）双击“设备0-S7200PPI”，在“基本属性”页，设置初始工作状态：启动；最小采集周期：200；设备地址：2（2）单击“内部属性”之后出现“. . .”按钮，单击该按钮，其上列出了PLC的通道及含义，I0000.0代表I0.0。现在需要将输出Q0.0-Q0.2增加进去。单击“增加通道”，增加Q输出寄存器（输出通道）。通道地址为Q0。共3个通道，地址连续，从Q0的第0