畢業(yè)設計（論文）-自動扶梯電氣控制系統(tǒng)設計.doc

摘要 自動扶梯是現(xiàn)代商場、超市不可缺少的運輸工具，用于傾斜輸送乘客、貨物。傳統(tǒng)的自動扶梯控制系統(tǒng)主要采用繼電器-接觸器進行控制，其缺點是觸點多，故障率高、可靠性差、維修工作量大等，而采用 PLC組成的控制系統(tǒng)可以很好地解決上述問題。本課題根據(jù)自動扶梯的要求，討論自動扶梯控制系統(tǒng)的組成，闡述可編程控制器（PLC）在電梯控制中的應用，采用法蘭克PLC編程的程序控制方式，提出了自動扶梯的PLC控制系統(tǒng)總體設計方案、設計過程及最后的控制結果，列出了具體的主要硬件電路、電梯的控制梯形圖，并給出了系統(tǒng)組成框圖和程序流程圖。設計了一套完整的自動扶梯控制系統(tǒng)方案。課題方案能夠能夠根據(jù)電梯運行要求很好的實現(xiàn)電梯的變速運行和故障自動檢測功能。關鍵詞：自動扶梯；PLC；控制系統(tǒng)；梯形圖I Abtract As an indispensable transportation tool for modern stores supermarkets, Escalator is used for carrying passengers, goods, the traditional escalator control system mainly adopts relays-contact device control, its shortcoming is contacts, high failure rate, poor reliability, maintenance workload big, etc, and use of PLC control system can well solve the problems.This paper discussed the composition of the escalator control system, expounded the programmable controller (PLC) in the elevator control application, adopted the mode of programming which is used Siemens PLC program control , put forward the escalator PLC control system overall design scheme, design process and the final simulation results, list the major hardware circuit, the elevator control ladder diagram, and gave the system composition diagram and program flow chart. put forward PLC programming method based on the analysis and deal with the re fault signal , designed a set of complete escalator control system scheme. And the adjustment of the program, and eventually used show the entire control interface out by animation. Key words: Escalator；PLC ；Control system；Ladder diagramII 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 目錄中文摘要I英文摘要II1 緒論11.1自動扶梯的概述11.2自動扶梯的發(fā)展和研究現(xiàn)狀62 PLC的介紹82.1 PLC的定義82.2 PLC的基本組成82.3可編程控制器的特點、分類和技術指標102.4 PLC的工作原理142.5 PLC的掃描過程163 系統(tǒng)實現(xiàn)的總體方案173.1 系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能173.2可編程控制器與其他控制器的比較184 硬件系統(tǒng)電路設計204.1PLC的選擇及其基本指令204.2變頻器的選擇204.3 紅外傳感器的選擇及作用234.4 自動扶梯系統(tǒng)硬件電路設計235 系統(tǒng)軟件設計315.1多段速頻率的選擇315.2加減速模式的選擇315.3自動扶梯調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)PLC程序設計315.4梯形圖32總結36參考文獻37致謝38 1 緒論1.1 自動扶梯的概述1.1.1 自動扶梯的定義自動扶梯，亦稱電動扶梯，是一種以運輸帶方式運送行人的運輸工具。一般是斜置。行人在扶梯的一端站上自動行走的梯級，便會自動被帶到扶梯的另一端，途中梯級會一路保持水平1。枎梯在兩旁設有跟梯級同步移動的扶手，供使用者扶握。自動扶梯可以是永遠向一個方向行走，但多數(shù)都可以根據(jù)時間、人流等需要，由管理人員控制行走方向。 自動扶梯的出現(xiàn)給人類的日常生活帶來極大的便利。自動扶梯作為運送旅客的交通工具, 不僅成功地縮小了目標間的距離, 而且使超短途( 如樓層、月臺間等) 的大流量人員運輸成為可能。因此, 經(jīng)濟學家說: “自動扶梯的出現(xiàn)使人們有了逛大型商場的欲望2。”交通學家說“是自動扶梯和自動人行道的應用使我們可以把車站、機場建的盡可能大。”自動扶梯的應用已經(jīng)改變了我們的生活, 并已經(jīng)成為現(xiàn)代物質(zhì)文明的一個重要標志。1.2.2 自動扶梯的基本結構自動扶梯的主要由桁架、驅(qū)動裝置、載系統(tǒng)、扶手裝置、安全裝置、潤滑系統(tǒng)及室外自動扶梯防盜防水防塵設施等組成。桁架自動扶梯的金屬骨架，一般由上水平段、下水平段和直線段組成，也是承載部件，具有連接兩個不同層高的地面、承受各種載荷及安裝支撐所有零部件的作用。因此它必須具有足夠大的強度和剛度，一般由角鋼、型鋼焊接而成。驅(qū)動裝置通常由電動機、減速器、中間傳動件、主驅(qū)動軸、制動器、傳動鏈輪及鏈條等組成 ，安裝在桁架的端部，主要功能和作用是驅(qū)動扶梯運行，同時限制超速和阻止逆轉運行，是扶梯的主要部件，也是主要的振動源和噪聲源。運載系統(tǒng)由梯級、牽引構件、梯路導軌系統(tǒng)、梳齒前沿板等組成。當扶梯運行時，梯級鏈將驅(qū)動主機的動力傳送給梯級，使梯級沿著梯路導軌運行，安全快速運輸乘客。扶手裝置由扶手帶、扶手帶驅(qū)動裝置、護壁板、扶手支架和導軌、扶手帶張緊裝置、圍裙板、內(nèi)蓋板、外蓋板等組成，扶手裝置安裝在兩臺特殊的膠帶輸送機上，與梯級同步運行，也有流動的美感效果。安全保護裝置工作制動器、緊急制動器和附加制動器工作制動器安裝在主機上，是確保扶梯正常停車的制動器，緊急制動器直接作用在主驅(qū)動軸上，是確保扶梯緊急情況下有效地停車、并保持靜止狀態(tài)的制動器，附加制動器直接安裝在主驅(qū)動軸上，在工作制動器失效時實現(xiàn)加強制動力矩，確保扶梯停止運行。超速保護裝置當扶梯超速運行至某設定值或欠速運行至某設定值時超速保護裝置動作，切斷扶梯的電源，使扶梯停止運行。防逆轉保護裝置是防止扶梯改變規(guī)定運行方向的自動停止控制裝置，當扶梯發(fā)生逆轉時，該裝置能使工作制動器或附加制動器動作，使扶梯停止運行3。梳齒板安全保護裝置當異物卡在梯級踏板和梳齒之間造成梯級不能與梳齒板正常嚙合時，此時梯級不能正常進入梳齒板，梯級的前進力會使梳齒板抬起移位，使微動開關動作，扶梯停止運行，達到安全保護的作用。扶手帶入口安全保護裝置當扶手帶的入口的橡膠套受到3050N的壓力時，會使微動開關動作，是電梯停止運行，防止人的手和手臂被扯入。潤滑系統(tǒng)機械零件摩擦會產(chǎn)生大量的熱，加劇機件的磨損，配備自動加油潤滑裝置可以減少機件摩擦產(chǎn)生的熱量，降低運行噪聲，延長使用壽命，主要潤滑的機械部件包括主驅(qū)動鏈條、梯級驅(qū)動鏈條、扶手驅(qū)動鏈條、以及導軌轉向壁等。其基本結構如圖1.1所示；商場模型如圖1.2所示。 圖1.1 自動扶梯金屬結構圖圖1.2 商場自動扶梯模型1.2.3 自動扶梯控制系統(tǒng)方框圖本課題主要通過PLC、變頻器、電機實現(xiàn)電梯的主體控制。其控制系統(tǒng)基本機構如圖1.3所示：圖1.3 自動扶梯控制系統(tǒng)方框圖 首先紅外傳感器檢測到有人或者無人，傳感器把信息傳至PLC，PLC再把信息輸入變頻器。通過變頻器控制電動機的轉速，進而實現(xiàn)扶梯有人時額定速度運轉、無人五分之一速度運轉、檢修狀態(tài)下二分之一速度運轉。1.2.4 自動扶梯的分類自動扶梯的分類方法很多，可以從不同角度來分。(1)按驅(qū)動方式分類：有鏈條式(端部驅(qū)動)和齒輪齒條式(中間驅(qū)動)兩類。(2)按使用條件分：有普通型(每周少于140h運行時間)和公共交通型(每周大于140h運行時間)。(3)按提升高度分：有最大至8m的小提升高度，和最大至25m中提升高度以及最大可達65m的大提升高度3類。(4)按運行速度分：有恒速和可調(diào)速兩種。(5)按梯級運行軌跡分：有直線型(傳統(tǒng)型)、螺旋型、跑道型和回轉螺旋型4類。1.2.5 自動扶梯的主要參數(shù)自動扶梯的主要參數(shù)有：提升高度H，理論輸送能力Ct，額定速度v，梯級寬度Z1，及梯級的傾斜角度等。1) 提升高度H：建筑物上，下樓層間的高度。取H5m，為小提升高度。我國目前生產(chǎn)的自動扶梯系列為：小提升高度H=310m，中提升高度H1045m，大提升高度H4565m。2）理論輸送能力：設備每小時內(nèi)理論上能輸送的人數(shù)。當自動扶梯的各梯級均站滿人時，就達到了其理論輸送能力，由下式計算： =kv/ (1-1)式中：理論輸送能力（人/h）k承載系數(shù)，與踏板名義寬度Z1有關。取k=2.當Z10.6m時，k=1；當Z10.8m時，k=1.5；當Z11.0m時，k=2。v額定速度（m/s），取v=0.50m/s 梯級深度（m），梯級深度一般為0.4m，取Y1=0.4m所以 =36002.5=9000(人/h)3) 額定速度v 自動扶梯運行速度的快慢，直接影響到乘客在扶梯上的停留時間。如果太快，影響乘客順利登梯，滿載系數(shù)反而下降。反之，速度太慢時，則不必要地增加了乘客在梯上的停留時間。因此，正確選用額定速度十分重要。扶梯額定速度v一般為0.50m/s、0.65m/s、0.75m/s三種。取v=0.50m/s扶梯運行速度與滿載系數(shù)密切相關，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)并經(jīng)線性回歸，得 1.10.6v=1.1-0.60.500.80 (1-2)所以，實際輸送能力（人/h）4) 梯級名義寬度 ：目前我國自動扶梯梯級名義寬度有三種規(guī)格：0.6m、0.8m、1.0m， 取=1.0m5) 傾角為1.2 自動扶梯的發(fā)展和研究現(xiàn)狀1.2.1 自動扶梯的發(fā)展歷史 自動扶梯的起源可以追溯到1859年，當時的那森艾米斯申報了一項“自動滾梯”方案，該方案由一套通過滾輪驅(qū)動，首尾相連、連續(xù)不斷運動的樓梯組成。 十九世紀末，兩名美國人分別在研究電動扶梯。1897年，杰斯雷諾(Jesse W. Reno)在美國紐約康尼島的游樂場建成了一條使用斜板行走，類似自動扶梯的機動游戲。而查理斯西伯格(Charles Seeberger)則在1898年購下一項關于自動扶梯的發(fā)明專利，并且與奧的斯電梯公司合作，1899年在紐約州制造出第一條有水平的梯級，扶手和梳齒板的電動扶梯。1900年舉行的巴黎博覽會上，西伯格成功展出了他們以“電動扶梯”(Escalator)為名的產(chǎn)品，并且獲得了一項頭獎。1910年奧的斯收購了西柏格的專利，次年再購下雷諾的公司。1920年,奧的斯把兩者的設計結合，成為今天自動扶梯的基本設計。1922年, 奧的斯公司制造了世界上第一臺現(xiàn)代化自動扶梯, 水平楔槽式梯級與梳齒板相結合, 此后被其它自動扶梯制造商所沿用。1985年, 三菱電機公司研制出曲線運行的螺旋型自動扶梯, 并成功投入生產(chǎn)。1991年, 三菱電機公司開發(fā)了帶有中間水平段的大提升高度自動扶梯。這種多坡度型自動扶梯, 在大提升高度時可降低乘客對高度的恐懼感, 并能與大樓樓梯結構協(xié)調(diào)配置。1993 年,據(jù)日立評論報道,日本日立制作所開發(fā)了可以乘運大型輪椅的自動扶梯, 幾個相鄰梯級可以聯(lián)動形成支持輪椅的平臺。20世紀90 年代末, 富士達公司開發(fā)了變速式自動人行道,即自動人行道以分段速度運行, 乘客從低速段進入, 然后進入高速平穩(wěn)運行段, 再后進入低速段離開。這樣提高了乘客上下自動人行道時的安全性, 縮短了長行程時的乘梯時間。2000年4月, 美國Elevator World報道, 位于德國漢堡的蒂森自動扶梯工廠,制造出全彩色自動扶梯梯級,它由玻璃纖維材料制成,有藍色、綠色、紅色、灰色和黑色等。彩色梯級為建筑師提供了豐富的設計想象空間。2002年4月17日至20日,三菱電機公司在第5屆中國國際電梯展覽會上展出了傾斜段高速運行的自動扶梯模型?？摄q接伸縮的驅(qū)動齒條結構在運行時可使梯級的間隔發(fā)生變化, 從而使速度也產(chǎn)生變化。其傾斜段的速度是出入口水平段速度的1.5倍, 這樣既縮短了乘客的乘梯時間, 也提高了乘客上下扶梯的安全性與平穩(wěn)性。2003 年2 月, 奧的斯公司發(fā)布新型的Next Step自動扶梯, 它采用Guarded 踏板設計, 梯級踏板和圍裙板成為協(xié)調(diào)運行的單一模塊; 它還采用了其它一些提高自動扶梯安全性的新技術, 自動扶梯技術又一次更新。隨著科學技術的發(fā)展，自動扶梯技術也越來越成熟。各國扶梯產(chǎn)業(yè)入雨后春筍，在改革開放的大潮流下，中國的扶梯產(chǎn)業(yè)也日漸成熟。1.1.2國內(nèi)自動扶梯的實例介紹目前世界各大電梯企業(yè)在國內(nèi)都有了合資企業(yè)，如迅達、奧的斯、三菱、日立、東芝、通力等。在中國目前的重載公共交通型自動扶梯市場領域內(nèi)主要有以下幾位廠商：OTIS（天津、廣州）公司的主導產(chǎn)品為510PSE型自動扶梯，最大提升高度為12m，精曠的外觀設計給人以厚重的安全感，其產(chǎn)品在軌道交通領域內(nèi)的應用實例為上海地鐵一號線。SCHINDLER（中迅、蘇迅）公司的主導產(chǎn)品為SC9700和SC9300型自動扶梯，最大提升高度為50m，外觀設計精巧、細致。備有4種驅(qū)動方式，3種扶手帶傳動方式以適用于不同的用戶需求。具有ECO節(jié)能方式。其產(chǎn)品在軌道交通領域內(nèi)的應用實例為上海輕軌明珠線、北京地鐵復八線、香港荃灣交通線等。KONE公司的主導產(chǎn)品為TRANS VARIO-RHD型自動扶梯，最大提升高度為50m，產(chǎn)品不僅擁有精巧的外觀，內(nèi)在品質(zhì)也很高。曳引方式采用無鏈驅(qū)動，曳引、減速、傳動三者融為一體，行星齒輪傳動高效靜噪。CNIM公司的扶梯系列產(chǎn)品，因其較早確立在城市軌道交通領域內(nèi)的領先優(yōu)勢，一度成為工程業(yè)主的首選品牌。其產(chǎn)品在軌道交通領域內(nèi)的應用實例為北京地鐵復八線、香港地鐵、臺北捷運系統(tǒng)等。SJEC(江南)公司是借90年代早期國內(nèi)扶梯市場供不需求的東風而迅速崛起的，其產(chǎn)品已經(jīng)走出國門。江南電梯公司曾開發(fā)出我國第一臺變頻多坡度自動扶梯，在中國電梯界激起一陣波瀾。其JHD型自動扶梯現(xiàn)運行于廈門市政工程中，外觀落落大方。2 PLC的介紹2.1 PLC的定義可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程5?？傊?，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設計編制。2.2 PLC的基本組成 從廣義上將，PLC實質(zhì)上是一種以數(shù)字控制為主要特征的工業(yè)控制計算機，由硬件和軟件兩部分組成。與一般的計算機相比，它具有更強的與工業(yè)控制相連接的接口，編程語言更直接使用于控制要求。因此，在硬件結構上，PLC與計算機的組成十分相似，主要包括中央處理器（CPU）/存儲器、I/O接口、電源等。PLC的基本結構如圖2.1所示。 圖2.1 PLC的基本結構中央處理單元(CPU)CPU是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。存儲器PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器用來存放系統(tǒng)軟件用戶程序存儲器用來存放應用軟件。PLC通常使用以下幾種物理存儲器（1）隨即存取存儲器（RAM）用戶可以用編程裝置讀出RAM中的內(nèi)容，也可以將用戶程序?qū)懭隦AM，其存取速度最快，由鋰電池支持。（2）只讀存儲器（ROM）ROM的內(nèi)容只能讀出，不能寫入，它是非易失性的，電源切斷后，仍能保存儲存的內(nèi)容。ROM用來存放PLC的系統(tǒng)程序。（3）電擦除可編程的只讀存儲器（EEPROM）EEPROM是非易失性的，但是可以用編程裝置對它編程，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機存取優(yōu)點，但是將信息寫入它所需的時間比RAM長得多。EEPROM用來存放用戶程序和需長期保存的重要數(shù)據(jù)，存儲器的信息可保留10年以上。I/O接口I/O接口是PLC與外界連接的接口。PLC通過輸入模塊把控制現(xiàn)場的狀態(tài)、信息讀入主機，通過輸出模塊把經(jīng)用戶程序的運算與決策所得的操作結果輸出給執(zhí)行機構。輸入模塊用于將控制現(xiàn)場輸入信號變成CPU能接受的信號，并對其進行濾波、電平轉換、隔離、放大等。輸入接口用來接收和采集兩種類型的輸入信號：一類是有按鈕、選擇開關、行程開關、繼電器觸點、接近開關、光電開關、數(shù)字撥碼開關等來的開關量輸入信號；另一類是由電位器、測速發(fā)電機和各種變送器等來的模擬量輸入信號。輸出模塊用于將CPU的決策輸出信號變換成驅(qū)動控制對象執(zhí)行機構的控制信號（含開關量或模擬量），執(zhí)行元件如，接觸器、電磁閥、指示燈，調(diào)節(jié)閥（模擬量）、調(diào)速裝置（模擬量）等，并對輸出信號進行功率放大、隔離PLC內(nèi)部電路和外部執(zhí)行元件等。2.3 可編程控制器的特點、分類和技術指標2.3.1可編程控制器的特點 PLC技術之所以迅速發(fā)展，除了工業(yè)自動化領域的客觀需要外，主要原因在于與現(xiàn)有的各種控制方式相比，它具有一系列深受用戶歡迎的特點。它較好地解決了工業(yè)領域中普遍關注的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。主要具有以下特點： 1.使用靈活、通用性強 PLC的硬件是標準化的，加之PLC的產(chǎn)品已系列化，功能模塊品種多，可以靈活組成各種不同大小和不同功能的控制系統(tǒng)。在PLC構成的控制系統(tǒng)中，只需在PLC的端子上接入相應的輸入輸出信號線。當需要變更控制系統(tǒng)的功能時，可以用編程器在線或離線修改程序，同一個PLC裝置用于不同的控制對象，只是輸入輸出組件和應用軟件的不同。 2.可靠性高、抗干擾能力強微機功能強大但抗干擾能力差，工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾，電源波動，機械振動，溫度和濕度的變化，都可能導致一般通用微機不能正常工作；傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)抗干擾能力強，但由于存在大量的機械觸點（易磨損、燒蝕）而壽命短，系統(tǒng)可靠性差。PLC采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的電子存儲器件來完成，大部分繼電器和繁雜連線被軟件程序所取代，故壽命長，可靠性大大提高，從實際使用情況來看，PLC控制系統(tǒng)的平均無故障時間一般可達45萬小時。PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，能適應有各種強烈干擾的工業(yè)現(xiàn)場，并具有故障自診斷能力。如一般PLC能抗1000V、1ms脈沖的干擾，其工作環(huán)境溫度為060，無需強迫風冷6。 3.接口簡單、維護方便PLC的接口按工業(yè)控制的要求設計，有較強的帶負載能力（輸入輸出可直接與交流220V，直流24V等強電相連），接口電路一般亦為模塊式，便于維修更換。有的PLC甚至可以帶電插拔輸入輸出模塊，可不脫機停電而直接更換故障模塊，大大縮短了故障修復時間。 4.體積小、功耗小、性價比高以小型PLC（TSX21）為例，它具有128個I/O接口，可相當于400800個繼電器組成的系統(tǒng)的控制功能，其尺寸僅為216127110mm3，重2.3kg，不帶接口的空載功耗為1.2W，其成本僅相當于同功能繼電器系統(tǒng)的1020。PLC的輸入輸出系統(tǒng)能夠直觀地反應現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀地反映控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如內(nèi)部工作狀態(tài)、通訊狀態(tài)、I/O點狀態(tài)、異常狀態(tài)和電源狀態(tài)等，對此均有醒目的指示，非常有利于運行和維護人員對系統(tǒng)進行監(jiān)視。 5.編程簡單、容易掌握PLC是面向用戶的設備，PLC的設計者充分考慮了現(xiàn)場工程技術人員的技能和習慣。大多數(shù)PLC的編程均提供了常用的梯形圖方式和面向工業(yè)控制的簡單指令方式。編程語言形象直觀，指令少、語法簡便，不需要專門的計算機知識和語言，具有一定的電工和工藝知識的人員都可在短時間內(nèi)掌握。利用專用的編程器，可方便地查看、編輯、修改用戶程序。6.設計、施工、調(diào)試周期短用繼電器接觸器控制完成一項控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏（柜）的布置和接線圖等，進行安裝調(diào)試，以后修改起來十分不便。而采用PLC控制，由于其靠軟件實現(xiàn)控制，硬件線路非常簡潔，并為模塊化積木式結構，且已商品化，故僅需按性能、容量（輸入輸出點數(shù)、內(nèi)存大?。┑冗x用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在PLC到貨前進行，因而縮短了設計周期，使設計和施工可同時進行。由于用軟件編程取代了硬接線實現(xiàn)控制功能，大大減輕了繁重的安裝接線工作，縮短了施工周期。PLC是通過程序完成控制任務的，采用了方便用戶的工業(yè)編程語言，且都具有強制和仿真的功能，故程序的設計、修改和調(diào)試都很方便，這樣可大大縮短設計和投運周期。2.3.2可編程控制器的分類 PLC產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對PLC的分類，通常根據(jù)其結構形式的不同、功能的差異和I/O點數(shù)的多少等進行大致的分類。1.按結構形式分類根據(jù)PLC的結構形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。 （1）整體式PLC 整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)，具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。小型PLC一般采用這種整體式的結構。整體式的PLC由不同I/O點數(shù)的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成?；締卧獌?nèi)有CPU、I/O接口、與I/O擴展單元相連的擴展口以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等。擴展單元內(nèi)只有I/O和電源等。沒有CPU.基本單元和擴展單元之間一般用扁平的電纜連接7。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。 （2）模塊式PLC 模塊式OLC是將PLC各組成部分，分別做成若干個單獨的模塊，入CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式PLC的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配匥，便于擴展或維修。大、中型PLC一般采用模塊式結構。 還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂的疊裝式PLC。疊裝式PLC的CPU、電源、I/O接口等也是各自獨立的模塊，但他們之間是靠電纜進行連接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可以做的體積小巧。 2.按功能分類根據(jù)PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔PLC三類。 （1）低檔PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量I/O、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制和單機控制系統(tǒng)。 （2）中檔PLC 除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量I/O、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉換、遠程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設中斷控制、PID控制等功能，適用于復雜控制系統(tǒng)。 （3）高檔PLC 除具有中檔PLC的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構成分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。 3.按I/O點數(shù)分類根據(jù)PLC的I/O點數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型和大型PLC三類。 （1）小型PLC I/O點數(shù)為256點以下的為小型PLC。期中，I/O點數(shù)小于64點的為超小型或微型PLC。 （2）中型PLC I/O點數(shù)為256點以上、2048點一下的為中型PLC。 （3）大型PLC I/O點數(shù)為2048以上的為大型PLC。其中，I/O點數(shù)超過8192點的為超大型PLC. 在實際中，一般PLC功能的強弱與其I/O點數(shù)的多少事相互關聯(lián)的，即PLC的功能越強，其可配置的I/O點數(shù)越多。因此，通常我們所說的小型、中型、大型PLC，除指I/O點數(shù)不同外，同時也表示其對應功能為低檔、中檔、高檔。2.3.3 可編程控制器的技術指標存儲容量 存儲容量一般是指用戶程序存儲的容量。用戶程序存儲器的容量大，可以編制出復雜的程序。一般來說，小型PLC的用戶存儲器容量為幾千字節(jié)，而大型PLC的用戶存儲器容量為幾萬字節(jié)。有些PLC的用戶存儲器需要另購外插的存儲卡，或者可以用存儲卡擴充。I/O點數(shù) I/O點數(shù)是PLC可以接受的輸入信號和輸出信號的總和，是衡量PLC性能的重要指標。I/O點數(shù)越多，外部可接的輸入設備和輸出設備就越多，控制規(guī)模就越大。掃描速度 掃描速度是指PLC執(zhí)行用戶程序的速度，是衡量PLC性能的重要指標。一般以掃描1K步用戶程序所需的時間來衡量掃描速度，通常以ms/K步為單位。PLC用戶手冊一般給出執(zhí)行各條指令所用的時間，可以通過比較各種PLC執(zhí)行相同的操作所用的時間，來衡量掃描速度的快慢。指令的功能與數(shù)量 指令功能的強弱、數(shù)量的多少也是衡量PLC性能的重要指標。編程指令的功能越強，數(shù)量越多，PLC的處理能力和控制能力也就越強，用戶編程也越簡單和方便，越容易完成復雜的控制任務。內(nèi)部元件的種類與數(shù)量 在編制PLC程序時，需要用到大量的內(nèi)部元件來存放變量、中間結果、保持數(shù)據(jù)、定時計數(shù)、模塊設置和各種標志位等信息。這些元件的種類與數(shù)量越多，表示PLC的存儲和處理各種信息的能力越強。特殊功能單元 特殊功能單元種類的多少與功能的強弱是衡量PLC產(chǎn)品的一個重要指標。近年來各PLC廠商非常重視特殊功能單元的開發(fā)，特殊功能單元種類日益增多，功能越來越強，使PLC的控制功能日益擴大。例如：高速計數(shù)模塊，位置控制模塊。閉環(huán)控制模塊等。 PLC的可擴展能力包括I/O點數(shù)的擴展、存儲容量的擴展、聯(lián)網(wǎng)功能的擴展、各種功能模塊的擴展等。在選擇PLC時，經(jīng)常需要考慮PLC的可擴展能力。2.4 PLC的工作原理與繼電器控制系統(tǒng)相比，PLC的工作原理是建立在計算機工作原理基礎上的，是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。CPU是以分時操作方式來處理各項任務的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以，程序的執(zhí)行時按程序順序依次完成相應各電器的動作，在時間上形成串行工作方式。PLC的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式，每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作2.4.1PLC的工作模式PLC有RUN和STOP兩種工作模式：在RUN模式下，通過執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制功能；在STOP模式，CPU不執(zhí)行用戶程序，可以用編程軟件創(chuàng)建和編輯用戶程序，設置PLC的硬件功能，并將用戶程序和硬件設置信息下載到PLC。如果有致命錯誤，在消除它之前不允許從STOP模式進入RUN模式。PLC操作系統(tǒng)存儲非致命錯誤，供用戶檢查，但不會從RUN模式自動進入STOP模式?？梢杂媚Ｊ介_關來改變工作模式。CPU模塊上的模式開關在STOP位置時，將停止用戶程序的運行；在RUN位置時，將啟動用戶程序的運行。模式開關在STOP或TERM位置時，電源通電后CPU自動進入STOP模式；在RUN位置時，電源通電后自動進入RUN模式。 圖2.2 PLC掃描過程2.4.2 PLC工作過程 PLC工作過程可用圖2.3所示的運行框圖來表示。 整個運行可分為3部分。 上電處理 PLCC上電后對系統(tǒng)進行一次初始化工作，包括：硬件初始化，I/O模塊配置檢查，停電保持范圍設定及其他初始化處理等。 掃描過程 PLC完成上電處理后，進入掃描工作過程。先完成輸入處理，其次完成與其他外設的通信處理，再次進行時鐘、特殊寄存器更新。當CPU處于STOP方式時，轉入執(zhí)行自診斷檢查。當CPU處于RUN方式時，還要完成用戶程序的執(zhí)行和輸出處理，再轉入執(zhí)行自診檢查。 圖2.3 PLC的工作過程 出錯處理 PLC每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢 ，確定PLC自身的動作是否正常，例如，CPU、電池電壓、程序存儲器、I/O、通信等是否異常或出錯。如檢查出異常時，CPU面板上的LED積異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯怠慢。當出現(xiàn)致命錯誤時，CPU被強制為STOP方式，所有的掃描停止。2.5 PLC的掃描過程 PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作8。PLC的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。1）輸入采樣階段：PLC 在輸入采樣階段，首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。2）程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應的運算和處理后，其結果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。3） 輸出刷新階段：當所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應輸出設備工作。3 系統(tǒng)實現(xiàn)的總體方案3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能 本次畢業(yè)設計的研究對象是某三場商場的四臺自動扶梯。根據(jù)現(xiàn)實的需求，每臺自動扶梯應當是互相獨立的，且應具備正常運行和檢修兩種工作狀態(tài)。對自動扶梯的控制系統(tǒng)設計提出了以下要求：1.為降低啟動電流，扶梯曳引電機必須采用星形啟動，正常運行時曳引電機繞組需采用三角形連接，以保證全壓運行。2.為保證檢修方便及安全，自動扶梯應該可以點動運行。3.自動扶梯運行速度太快乘客容易跌倒，運行速度太慢既浪費乘客時間，也可能導致電機負荷太大而損壞電機，為保障乘客與設備的安全，自動扶梯應在一定速度范圍內(nèi)運行，超出該速度范圍自動扶梯應停止運行。4.為保障乘客安全，自動扶梯控制系統(tǒng)應設計有啟動前示警、出人口梯級間隙照明等裝置。 5。為了加強對自動扶梯機械部件的保護，減少扶梯的機械磨損，電氣系統(tǒng)應帶有自動加油潤滑裝置。6.為了方便操作維修人員實時監(jiān)測扶梯運行狀態(tài)和實現(xiàn)故障自診斷，控制系統(tǒng)應帶有運行狀態(tài)與故障顯示模塊。7.自動扶梯運行過程中可能會出現(xiàn)一些如卡住乘客手腳、梯級鏈、驅(qū)動鏈斷裂等突發(fā)事件，自動扶梯應設有安全保護系統(tǒng)，以確保有突發(fā)事件時扶梯能馬上停止運行。8.自動扶梯還應設有急停開關、運行狀態(tài)保護、電壓異常和過載保護等裝置。3.1.1 扶梯的運行與停止功能 扶梯的運行與停止，是通過控制三相電機的啟動、停止來實現(xiàn)的。為保障乘客的人身安全及扶梯的設備安全。自動扶梯具備了自動安全監(jiān)測回路。按下啟動按鈕后，首先進行安全回路監(jiān)測，只有沒有安全故障時，扶梯才能進入正常工作狀態(tài)。否則，扶梯無法啟動且自動顯示故障代碼，等待維修人員進行維修。3.1.2 扶梯的故障處理功能 所謂故障處理功能指扶梯出現(xiàn)安全電路、超速等故障時，能自動停梯并進行顯示。提示由專門維修人員檢修，在故障未修復之前扶梯無法在啟動。例如當扶梯上行時，上部扶手帶出入口安全開關動作，PLC對信號進行處理后，斷開相關的輸入信號，主接觸器、上行接觸器、下行接觸器的線圈斷電，扶梯停止，運行指示器顯示相應故障代碼，提示維修人員停梯的原因是上部扶手帶出入口安全開關動作，同時把故障碼傳送到監(jiān)控系統(tǒng)。從而使維修人員能在最短的時間內(nèi)到達現(xiàn)場并準確排除故障，令扶梯盡快恢復工作狀態(tài)。3.1.3 扶梯的自動潤滑功能 自動潤滑系統(tǒng)是大型機械、 冶金設備和自動生產(chǎn)線正常工作時不可缺少的重要組成部分。對于不同的被潤滑對象,自動潤滑系統(tǒng)通過采用相對應的極壓鋰基潤滑油脂, 對其各個關節(jié)、 軸承以及回轉部位的間歇性定量自動潤滑，從而達到減輕磨損, 降低勞動強度,提高各個關節(jié)、軸承以及回轉部位的潤滑可靠性,延長設備的使用壽命,自動潤滑系統(tǒng)能否正常工作將直接決定被潤滑對象的潤滑效果,工作效率以及使用壽命。 本設計中，對自動扶梯的潤換周期是：正常工作48小時后潤換一次，每次潤滑1分鐘。潤滑過程中如果液位過高導致溢出或液位過低導致潤滑不充分，自動扶梯都會停止工作，顯示相應故障代碼，等待維修人員檢修。3.2可編程控制器與其他控制器的比較3.2.1可編程控制器與繼電接觸器控制系統(tǒng)的比較傳統(tǒng)的幾點接觸器控制系統(tǒng)是用分離的元器件連接而成的硬件接線系統(tǒng)，如圖3.1所示。當控制現(xiàn)場的輸入元件（如開關、按鈕、觸點等）的狀態(tài)產(chǎn)生變化時，通過與這些輸入元件連接的硬接線系統(tǒng)會產(chǎn)生輸出信號，控制輸出執(zhí)行元件（繼電器、接觸器、電磁閥等）狀態(tài)的變化進而達到控制和完成生產(chǎn)過程的目的。PLC與幾點接觸器控制的主要區(qū)別在于把幾點接觸器線路所示的硬接線系統(tǒng)內(nèi)的控制、運算關系編制成可執(zhí)行的用戶程序，通過執(zhí)行該戶程序來完成控制任務。PLC屬于存儲程序控制，如圖3.1繼電器控制和PLC控制系統(tǒng)結構圖。其控制功能是通過存放在存儲器內(nèi)的程序來實現(xiàn)的，若要對控制功能做必要修改，只需改變軟件指令即可，使硬件軟件化。PLC的優(yōu)點，從軟件；來講，它的程序可編，也不難編；從硬件上講，它的配置可變，也易變。 (a) 繼電器控制系統(tǒng) （b）PLC控制系統(tǒng) 圖3.1 繼電器和PLC控制系統(tǒng)結構圖3.2.2 可編程控制器與微機控制系統(tǒng)的比較微機既可以應用于科學計算、科學管理領域，也可以應用于工業(yè)控制領域，但是用環(huán)境要求較高。而PLC是一種工業(yè)自動化控制的專用微機控制系統(tǒng)，結構簡單、抗干擾能力強，價格也比一般的微機系統(tǒng)低，但數(shù)據(jù)處理能力不如微機。簡而言之，微機是通用的專業(yè)機，PLC則是專用的通用機9。3.2.3 可編程控制器與單片機控制的比較 單片機具有結構簡單、使用方便、價格較低等優(yōu)點。一般用于數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制。但是，由于單片機不是專門針對工業(yè)現(xiàn)場的自動化控制而設計的，所以與PLC相比，學習起來有一定難度，不容易掌握。用單片機來實現(xiàn)自動控制，一般要在I/O接口上作大量工作，抗干擾性能較差。4 硬件系統(tǒng)電路設計4.1PLC的選擇及其基本指令PLC即可編程序控制器，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設計。它采用了可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程；而有關的外圍設備，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。本設計選用三菱 PLC FX2N。 目前市場上的PLC種類繁多，F(xiàn)X2N系列PLC 是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，采用整體式和模塊式相結合的疊裝式結構，具有較高的性能價格比，應用廣泛。三菱的FX2N系列PLC適用于各行各業(yè)、各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。4.2變頻器的選擇變頻器是把工頻電源(50Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備。變頻器的型號很多，選擇合適的變頻器對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有很大的幫助。 MM440應用高性能的矢量控制技術，采用微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術的絕緣雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和功能的多樣性，且MM440是適用于三相電動機速度控制和轉矩控制的變頻器系列，所以本系統(tǒng)選用MM440變頻器10。4.2.1MM440的接線：(1)強電回路強電回路的接線如圖4.1所示。三相交流電源先經(jīng)過三相熔斷器，再經(jīng)過開關。開關一般為空氣開關。經(jīng)開關控制后，三相交流電可以進入輸入濾波器，也可以與變頻器直接連接（輸入濾波器是可選件）。變頻器的輸出為PWM波，而負載希望得到的是正弦波，因此可以在變頻器的輸出端接入輸出濾波器，當然輸出濾波器也可以省略。 圖4.1 變頻器強電回路接線(2)弱電回路MM440變頻器為用戶提供了很多用于控制和檢測的輸入、輸出接線端子。用戶可以根據(jù)需要選擇這些端子構成系統(tǒng)的弱電回路。接線端子如圖4.2所示。4.2.2變頻器參數(shù)設定系統(tǒng)應用先進的MM440變頻器，其參數(shù)的設定直接關系到自動扶梯調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。根據(jù)上述要求，組成調(diào)速系統(tǒng)的硬件結構如圖的4個開關量輸入，采用數(shù)字輸入端DIN1-DIN4。參數(shù)設定如下：設定電動機選擇類型，P0300=1：即為異步電動機。設置功率，P0307=11：電動機的額定功率（KW）。設置電壓，P0304=380：電動機的額定電壓（V）。設置電流，P0305=28.95：電動機的額定電流（A）。設置頻率，P0310=50：電動機的額定頻率（Hz）。設置效率，P0309=91：電動機的效率（%）。設置轉速，P0311=1460：電動機的額定轉速（min/s）。命令源設定，P0700=2：“2”表示端子排輸入，即DINn作為輸入。設定數(shù)字輸入的功能：數(shù)字輸入1，P0701=1：即5號端子為“1”，ON正轉；OFF無效。數(shù)字輸入2，P0702=2：即6號端子為“2”，ON反轉；OFF無效。數(shù)字輸入3，P0703=17，即7號端子為“17”，以二進制編碼選擇，直接輸入+