基于歐姆龍PLC模擬控制電梯的試驗(yàn)

1、基于歐姆龍PLC模擬控制電梯的試驗(yàn)1 前言1.1 PLC簡(jiǎn)介可編程序控制器，簡(jiǎn)稱PLC。是繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)相結(jié)合的工控電子產(chǎn)品，因?yàn)樗w積小、重量輕、能耗低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、使用和維護(hù)方便，所以越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中。歐姆龍PLC是一種功能完善的緊湊型PLC，能為業(yè)界領(lǐng)先的輸送分散控制等提供高附加歐姆龍PLC示意圖值機(jī)器控制；它還具有通過(guò)各種高級(jí)內(nèi)裝板進(jìn)行升級(jí)的能力，大程序容量和存儲(chǔ)器單元，以Windows環(huán)境下高效的軟件開發(fā)能力。歐姆龍PLC也能用于包裝系統(tǒng)，并支持 HACCP(寄生脈沖分析關(guān)鍵控制點(diǎn))過(guò)程處理標(biāo)準(zhǔn)。歐姆龍PLC它采用可編程序的存儲(chǔ)

2、器，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言知識(shí)，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。用戶在購(gòu)到所需的PLC后，只需按說(shuō)明書的提示，做少量的接線和簡(jiǎn)易的用戶程序編制工

3、作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。1.1.1 歐姆龍PLC的結(jié)構(gòu)及各部分的作用 歐姆龍PLC功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結(jié)構(gòu)與工作原理則大同小異，通常由中央處理器（CPU）、輸入/輸出單元、電源端口、通信接口、外部設(shè)備接口等幾個(gè)主要部分組成，除此之外，還可以加選通信板和擴(kuò)展存儲(chǔ)板。PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1示：可編程控制器CPU模塊輸入模塊輸出模塊編程裝置交流接觸器電機(jī)電源開關(guān)圖1 PLC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.1.2 PLC的工作原理 歐姆龍PLC的類型繁多，但它們的工作原理基本是一致的。PLC采用“循環(huán)掃描”的工作方式工作。PLC的工作過(guò)程答題可以分為內(nèi)部處理（如C

4、PU自診斷）、通信操作處理、輸入刷新、執(zhí)行程序、輸出刷新五個(gè)階段，并進(jìn)行周期性循環(huán)。PLC工作原理如圖2示：編程內(nèi)部處理通信操作輸入刷新執(zhí)行程序輸入刷新運(yùn)行圖2 PLC工作原理流程圖1、 CPU自診斷等內(nèi)部處理階段。CPU檢測(cè)主機(jī)應(yīng)盡啊，同事檢測(cè)所輸入輸出模塊的狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，檢測(cè)系統(tǒng)工作模式等。2、 通信操作處理階段。CPU自動(dòng)檢測(cè)來(lái)自各個(gè)通信控的通信信息，并對(duì)通信信息進(jìn)行自動(dòng)處理。3、 輸出刷新階段。以掃描方式按順序從輸入鎖存器中讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)，并將其寫入對(duì)應(yīng)的輸入狀態(tài)映像寄存器中，這一過(guò)程稱為輸入刷新。輸入刷新后關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行階段，

5、即使輸入端狀態(tài)有變化，輸入映像寄存器中的狀態(tài)也不會(huì)改變。4、 執(zhí)行程序階段。從輸入狀態(tài)映像寄存器和元件狀態(tài)寄存器中讀入元件狀態(tài)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算處理后，將結(jié)果再寫入暈啊見狀態(tài)映像寄存器中。因此，對(duì)于每一個(gè)元件來(lái)說(shuō)，元件狀態(tài)映像寄存器中所存的內(nèi)容將會(huì)隨著程序的執(zhí)行而改變。5、 輸入刷新階段。當(dāng)程序所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)映像寄存器的通斷狀態(tài)在CPU的控制下被一次集中送至輸出鎖存器中，并通關(guān)過(guò)一定輸出方式輸出，推動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這就是PLC的輸出刷新。2 硬件部分2.1 硬件結(jié)構(gòu)1、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的硬件由電源、三相/單相漏電保護(hù)開關(guān)、塑料外殼斷路器、電流互感器、交流接

6、觸器、電動(dòng)機(jī)等組成。整個(gè)硬件控制系統(tǒng)如下圖3示：交流接觸器電動(dòng)機(jī)開關(guān)電流互感器斷路器保護(hù)開關(guān)電源圖2 電機(jī)正反轉(zhuǎn)硬件框圖實(shí)驗(yàn)所用交流接觸器型號(hào)為CJ20-40，其工作原理為：當(dāng)接觸器電磁線圈不通電時(shí)，彈簧的反作用力和銜鐵芯的自重使主觸點(diǎn)保持?jǐn)嚅_位置。當(dāng)電磁線圈通過(guò)控制回路接通控制電壓(一般為額定電壓)時(shí)，電磁力克服彈簧的反作用力將銜鐵吸向靜鐵心，帶動(dòng)主觸點(diǎn)閉合，接通電路，輔助接點(diǎn)隨之動(dòng)作。用電器氣壓開關(guān)停止開關(guān)啟動(dòng)開關(guān)交流接觸器圖3 交流接觸器硬件框圖電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，而磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向取決于電源的相序，所以電源的相序決定了電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。任意改變電源的相序時(shí)，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)

7、方向也會(huì)發(fā)生改變。連接電動(dòng)機(jī)的原理圖如下圖所示，其中電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)用接觸器1和按鈕“1”進(jìn)行控制；反轉(zhuǎn)電路由按鈕“3”和接觸器2相連接進(jìn)行控制。 聯(lián)系到控制柜上接線控制電路設(shè)計(jì)：使用三狀態(tài)旋鈕開關(guān)作為系統(tǒng)的控制端，旋轉(zhuǎn)到“1”位置接通接觸器1，接觸器1與其他器件形成自鎖，使得電動(dòng)機(jī)開始正傳；旋轉(zhuǎn)到“3”位置接通接觸器2，接觸器2與其他器件形成自鎖，使得電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)。電機(jī)采用星接，由兩個(gè)交流接觸器分別控制其輸入電流的相位。具體實(shí)現(xiàn)接線圖如下：圖4 電機(jī)正反轉(zhuǎn)接線圖2、三層電梯的控制實(shí)驗(yàn)共使用4個(gè)按鈕和一個(gè)三狀態(tài)旋鈕開關(guān)作為系統(tǒng)的輸入，四個(gè)按鈕分別代表“一樓上行”、“二樓下行”、“二樓上行”、“三

8、樓下行”，旋鈕控制電梯的“上行狀態(tài)”、“下行狀態(tài)”、“停機(jī)狀態(tài)”。由于歐姆龍CP1E系列PLC其開關(guān)量輸入端需要上拉電壓，因此每個(gè)輸入需要傳在一個(gè)電壓為24V的電路當(dāng)中。使用電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)代表電梯的上行、下行。并且在程序中將控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的輸出端進(jìn)行邏輯互鎖。其硬件結(jié)構(gòu)圖如下：交流接觸器電動(dòng)機(jī)開關(guān)電流互感器斷路器保護(hù)開關(guān)電源PLC控制器上位機(jī)電源圖5 三層電梯控制的硬件框圖實(shí)驗(yàn)裝置提供的主機(jī)型號(hào)有歐姆龍CP1E系列的N30DR-A型號(hào)的PLC控制器。輸入點(diǎn)數(shù)為24，輸出點(diǎn)數(shù)為16 ，試驗(yàn)接線時(shí)輸入端接入的是來(lái)自電流互感器的輸出模塊和上位機(jī)的輸出的通信端口模塊；輸出端口接入的是交流接觸器的輸出

9、端口。接線圖如圖6、圖7、圖8所示：圖6 PLC控制器的輸入口圖7 PLC控制器的輸出口啟動(dòng)停止24VCOM000CH0001100CH00COMKM1L(火線)N輸入輸出圖8 三層電梯接線圖3、加入變頻器進(jìn)行變頻控制電梯轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)所用的變頻器為ACS550型號(hào)的變頻器，使用用PLC模擬量輸出模塊，連接變頻器的模擬量輸出端子，設(shè)置變頻器參數(shù)，通過(guò)PLC的輸出信號(hào)改變變頻器的頻率給定值，使電機(jī)可以在多個(gè)轉(zhuǎn)速下切換運(yùn)行。下圖10為ABB變頻器ACS550型號(hào)的結(jié)構(gòu)圖。其硬件框如下圖9所示：圖9 變頻器結(jié)構(gòu)框圖3 軟件部分PLC 上電后，PLC 中的梯形圖程序已經(jīng)開始運(yùn)行，但因?yàn)殡娞萆形醋x入任何輸入

10、信號(hào)的數(shù)據(jù)，也就無(wú)法在收到請(qǐng)求信號(hào)后通過(guò)固化在 PLC 中的程序作出響應(yīng)。為滿足處于響應(yīng)呼叫就緒狀態(tài)這一條件，必須使電梯處于平層狀態(tài)已知樓層的位置且電梯門處于關(guān)閉狀態(tài)。也就是初始狀態(tài)。從而電梯完成一個(gè)正常呼叫響應(yīng)的流程框圖如下所示： 是否停止運(yùn)行延時(shí)停止N開始上電初始化是否呼叫確認(rèn)本層與目標(biāo)層目標(biāo)層與本層是否同層電梯啟動(dòng)電梯制動(dòng)樓層檢測(cè)是否目標(biāo)層電梯勻速運(yùn)行NYNN圖10 三層電梯設(shè)計(jì)流程圖具體實(shí)現(xiàn)三層電梯控制的步驟如下：1、重置按鍵，將CS（當(dāng)前層數(shù)）設(shè)置為1層。 2、當(dāng)按下一樓按鍵時(shí)，程序進(jìn)行判斷，如果當(dāng)前層數(shù)為二層且T001定時(shí)器未被觸發(fā)時(shí)，則觸發(fā)內(nèi)存變量W3.00并將當(dāng)前樓層設(shè)置為一層

11、。3、當(dāng)按下一樓按鍵時(shí)，程序進(jìn)行判斷，如果當(dāng)前層數(shù)為三層且T002定時(shí)器未被觸發(fā)時(shí)，則觸發(fā)內(nèi)存變量W3.05并將當(dāng)前樓層設(shè)置為一層。4、當(dāng)按下二樓按鍵時(shí)，程序進(jìn)行判斷，如果當(dāng)前層數(shù)為三層且T001定時(shí)器未被觸發(fā)時(shí)，則觸發(fā)內(nèi)存變量W3.02并將當(dāng)前樓層設(shè)置為二層。5、當(dāng)按下二樓按鍵時(shí)，程序進(jìn)行判斷，如果當(dāng)前層數(shù)為一層且T001定時(shí)器未被觸發(fā)時(shí)，則觸發(fā)內(nèi)存變量W3.01并將當(dāng)前樓層設(shè)置為二層。6、當(dāng)按下三樓按鍵時(shí)，程序進(jìn)行判斷，如果當(dāng)前層數(shù)為二層且T001定時(shí)器未被觸發(fā)時(shí)，則觸發(fā)內(nèi)存變量W3.03并將當(dāng)前樓層設(shè)置為三層。7、當(dāng)按下三樓按鍵時(shí)，程序進(jìn)行判斷，如果當(dāng)前層數(shù)一層且T002定時(shí)器未被觸發(fā)時(shí)

12、，則觸發(fā)內(nèi)存變量W3.04并將當(dāng)前樓層設(shè)置為三層。說(shuō)明：1層到2層，2層到3層，3層到2層，2層到1層所用的定時(shí)器類型都是100ms定時(shí)器，定時(shí)器好為001設(shè)置值是#30，即定時(shí)器設(shè)定為3秒。1層到3層，3層到1層，所用的定時(shí)器類型都是100ms定時(shí)器，定時(shí)器好為002設(shè)置值是#60，為單層間傳遞的2倍，即定時(shí)器設(shè)定為6秒。通過(guò)Q100.01和Q100.02分別代表電梯的上行、下行狀態(tài)輸入。當(dāng)電梯上行時(shí)，在程序中將下行指令鎖死。即使按下下行相關(guān)的按鈕也無(wú)法觸發(fā)執(zhí)行器Q100.02。當(dāng)按下上、下行相關(guān)按鈕時(shí)，會(huì)分別觸發(fā)內(nèi)存變量W3.00-W3.05，進(jìn)而觸發(fā)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)和定時(shí)器。延時(shí)3秒或6秒后

13、定時(shí)器定時(shí)結(jié)束，切斷控制電機(jī)的輸出，表示電梯已抵達(dá)目標(biāo)樓層。三層電梯PLC控制程序?yàn)椋? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、 對(duì)于正反轉(zhuǎn)試驗(yàn)，按下按鈕“1”，電機(jī)正傳，按下按鈕“3”，電機(jī)反轉(zhuǎn)。能夠?qū)崿F(xiàn)物理按鍵讓電機(jī)正反轉(zhuǎn)，對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以嘗試用PLC實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的控制。2、 對(duì)于三層電梯的控制實(shí)驗(yàn)，按下4個(gè)可以實(shí)現(xiàn) “一樓上行”、“二樓下行”、“二樓上行”、“三樓下行”，旋鈕控制電梯的“上行狀態(tài)”、“下行狀態(tài)”、“停機(jī)狀態(tài)”。對(duì)于這個(gè)試驗(yàn)只完成了外呼叫的控制，設(shè)備只可以安裝5個(gè)開關(guān)不能實(shí)現(xiàn)更多的功能，可以嘗試多加一些開關(guān)完成內(nèi)呼叫的情況下的電梯控制。3、 對(duì)于變頻器控制電機(jī)速度的試驗(yàn)，因?yàn)闀r(shí)間有限，變頻器過(guò)幾天就不在實(shí)驗(yàn)室，所以沒(méi)能夠完成。圖11 三層電梯設(shè)計(jì)實(shí)物圖5 總結(jié)這次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、調(diào)試，完成了使用物理按鍵控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)以及使用PLC模擬三層電梯的實(shí)驗(yàn)，整個(gè)系統(tǒng)用PLC做主控器，該系統(tǒng)安全可靠，基本模擬真實(shí)電梯，形成了電路原理的設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)未來(lái)的實(shí)驗(yàn)具有一定的可重復(fù)性和參考價(jià)值。但是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了很多問(wèn)題，例如：一開始對(duì)設(shè)備不熟悉，無(wú)從下手，接上線，電機(jī)卻不工作，PLC程序編寫時(shí)有些功能實(shí)現(xiàn)等。不過(guò)在大家的積極討論下，努力查閱相關(guān)資料，最后都這些問(wèn)題還是都解決了。因?yàn)榇舜螌?shí)驗(yàn)室是在220V電壓下工作的，所以在上電之前一定要再三檢查線路，不要存在隱患，萬(wàn)一發(fā)生事故，對(duì)人身傷害和設(shè)備的損害