課程設計（論文）_基于PLC的四層電梯控制和組態(tài)王模擬鉆頭控制

1、目錄前言2四層電梯控制要求2設計相關知識3電梯控制具體設計 9組態(tài)王軟件相關知識 16用組態(tài)王實現(xiàn)鉆孔動力鉆頭的控制 18心得體會 31參考文獻 32第一章前言PLC是一種數(shù)字式的電子裝置。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，實現(xiàn)邏輯運算、順序運算、計數(shù)、計時和算術運算等功能，用來對各種機械或生產(chǎn)過程進行控制。組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng) HYPERLINK :/baike.baidu /view/37.htm t _blank 軟件，是新型的工業(yè) HYPERLINK :/baike.baidu /view/99881.htm t _blank 自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)

2、取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。在這次為期一周的課設中，我利用三菱FX1S系列單片機設計了四層電梯自動控制程序并且進行了仿真實驗，利用組態(tài)王軟件設計了鉆孔動力頭的控制人機界面，配合組態(tài)王的編程語言實現(xiàn)了組態(tài)王的仿真運行。下面將分別介紹兩個題目的具體設計過程。第二章 四層電梯控制要求 如電梯模擬實驗臺結構所示，其動作要求如下：電梯上行： 當電梯停于1樓(1F)或2F、3F時，4樓呼叫那么上行到4樓碰行程開關后停止。 電梯停于1F或2F，3F呼叫、那么上行，到3F行程開關控制停止。 電梯停于1F，2F呼叫，那么上行，到2F行程開關控制停止。 電梯停于

3、lF，2F、3F同時呼叫，那么電梯上行到2F后，停3秒種，繼續(xù)上行到3F停止。 電梯停于1F，3F、4F同時呼叫，電梯上行到3F，停3秒，繼續(xù)上行到4F停止。 電梯停于1F，2F、4P同時呼叫，電梯上行到2F，停3秒，繼續(xù)上行到4F停止 電梯停于1F，2F、3F、4F同時呼叫，電梯上行到2F，停3秒，繼續(xù)上行到3F，停5秒，繼續(xù)上行到4F停止。 電梯停于2F、3F，4F同時呼叫，電梯上行到3F停3秒，繼續(xù)上行到4F停止。電梯下行： 電梯停于4F或3F或2F，1F呼叫，電梯下行到1F停止。 電梯停于4F或3F，2F呼叫，電梯下行到2F停止。 電梯停于4F，3F呼叫，電梯下行到3F停止。 電梯停于

4、4F，3F、2F同時呼叫，電梯下行到3F，停3秒，繼續(xù)下行到2F停止 電銻停于4F，3F、1F同時呼叫，電梯下行到3F，停3秒，繼續(xù)下行到1F停止 電梯停于4F，2F、1F同時呼叫，電梯下行到2F，停3秒，繼續(xù)下行到1F停止。 電梯停于4F，3F、2F、1F同時呼叫，電梯下行到3F，停3秒，繼續(xù)下行到2F停3秒，繼續(xù)下行到lF停止。各樓層運行時間應在15秒以內，否那么認為有故障。電梯停于某一層，數(shù)碼管應顯示該層的樓層數(shù)。設計電梯停于2F,3F時，電梯運行狀態(tài)。上下同時呼叫時，采取先上后下的原那么第三章 設計相關知識3.1 自動電梯相關原理知識電梯以電動機為動力的垂直 HYPERLINK :/b

5、aike.baidu /view/585317.htm t _blank 升降機，裝有箱狀吊艙，用于多層建筑乘人或載運貨物。也有臺階式，踏步板裝在履帶上連續(xù)運行，俗稱自動電梯。電梯是機電一體化產(chǎn)品。其機械局部通過控制局部調度，密切協(xié)同，使電梯可靠運行。電氣控制局部由電力拖動系統(tǒng)，運行邏輯功能控制系統(tǒng)和電氣平安保護等系統(tǒng)組成。1控制柜(屏)2一拽引機3拽引鋼絲繩4限速器5限速器鋼繩6限速器張緊裝置7轎廂8平安鉗9轎廂門平安觸板10導軌11對重12廳門13緩沖器圖1 電梯的根本結構3.2 PLC相關知識 PLC根本概念PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制

6、程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸人和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴展其功能的原那么而設計。3.2.2 PLC根本結構PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構根本上與微型計算機相同，根本構成為： 1.電源 為PLC提供電能的設備。2. 中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。3.存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 4.輸入輸出接口電路 現(xiàn)場輸入接口電

7、路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道?，F(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)存放器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。 5.功能模塊 如計數(shù)、定位等功能模塊。 6.通信模塊 如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等。PLC功能強大，在本次課設中主要應用PLC的開關邏輯、順序控制和定時控制等功能。采用三菱FX1S系列的單片機，編程簡單，使用方便。變頻器相關知識為了控制交流電梯，提高電能利用率，使自動電梯的運行更加平安穩(wěn)定，須配合變頻器對自動電梯進行控制。變頻器是通過輕負載降壓實現(xiàn)節(jié)能的，安裝變

8、頻器的電動機所帶的機械負載，如風機、水泵并不是經(jīng)常工作在滿載情況下，當系統(tǒng)要求機械負載不在額定負載運行時，可以通過變頻調節(jié)電動機的轉速，使得電動機輸出的功率能滿足系統(tǒng)的要求，而不必通過風機的動葉、水泵出口的調節(jié)門的節(jié)流進行調節(jié)，降低了系統(tǒng)的節(jié)流損失。另外，變頻器可以改變電動機的無功損耗，改善啟動條件，提高功率因素，可以降低無功功率傳遞而引起的有功損耗，這對節(jié)能也是存在一定意義的。變頻器的工作原理變頻器主要由整流交流變直流、濾波、再次整流直流變交流、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成的。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。主電路是給 HYPERL

9、INK :/baike.baidu /view/54317.htm t _blank 異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換局部，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型、電流型。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式VVVF變頻或矢量控制變頻，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供應電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個局部組成。整流局部為三相橋式不可控整流器，逆變局部為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 變頻器的控制方式1、非智能控制方式 在交流變頻器中使用的非

10、智能控制方式有V/f協(xié)調控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。 (1) V/f控制 V/f控制是為了得到理想的轉矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器根本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結構非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能到達較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。 (2) 轉差頻率控制 轉差頻率控制是一種直接控制轉矩的控制方式，它是在V/f控制的根底上，按照知道異步電動機的實際轉速對應的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉矩來調節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應的輸出轉矩。

11、這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反應，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應特性。 (3) 矢量控制 矢量控制是通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位，以到達對電動機在d、q、0坐標軸系中的勵磁電流和轉矩電流分別進行控制，進而到達控制電動機轉矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種PWM波，到達各種不同的控制目的。例如形成開關次數(shù)最少的PWM波以減少開關損耗。目前在變頻器中實際應用的矢量控制方式主要有基于轉差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器

12、的矢量控制方式兩種。 基于轉差頻率的矢量控制方式與轉差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標變換對電動機定子電流的相位進行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉矩電流過渡過程中的波動。因此，基于轉差頻率的矢量控制方式比轉差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動機上安裝速度傳感器，因此，應用范圍受到限制。 無速度傳感器矢量控制是通過坐標變換處理分別對勵磁電流和轉矩電流進行控制，然后通過控制電動機定子繞組上的電壓、電流辨識轉速以到達控制勵磁電流和轉矩電流的目的。這種控制方式調速范圍寬，啟動轉矩大，工作可靠，操作方便，但

13、計算比擬復雜，一般需要專門的處理器來進行計算，因此，實時性不是太理想，控制精度受到計算精度的影響。 (4) 直接轉矩控制 直接轉矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，通過檢測定子電阻來到達觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉矩。 (5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實際中的應用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移

14、控制兩種策略，以實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。 (6) 其他非智能控制方式 在實際應用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現(xiàn)，例如自適應控制、滑模變結構控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。2、智能控制方式智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、專家系統(tǒng)和學習控制等，目前智能控制方式在變頻調速控制系統(tǒng)中的具體應用中已取得一些成功經(jīng)驗。第四章 電梯控制具體設計4.1 輸入輸出分配表表一 輸入輸出分配表輸入輸出主機實驗模塊注釋主機實驗模塊注釋X1LAY1一樓行程開關Y0DJB電機下行X2LAY2二樓行程開關Y1DJA電機上行X3LAY3三樓行程開關COM124VX4LAY4四樓行程開

15、關COM024VX122DN二層下呼Y6A數(shù)碼管段碼X133DN三層下呼Y7BX144DN四層下呼Y10CX111UP一層上呼Y11DX122UP二層上呼Y12EX133UP三層上呼Y13FY14GX0RST復位LED COMGNDCOM224VX5IN1一層內選按鈕X6IN2二層內選按鈕24V24VX7IN3三層內選按鈕GNDGNDX10IN4四層內選按鈕COMCOMGND 4.2 主體流程四層電梯的自動控制主體思想是將四層樓分為四個狀態(tài)，每個樓層分為兩個子狀態(tài)一、二，狀態(tài)一為該樓層的等待狀態(tài)，狀態(tài)二為該樓層的行進狀態(tài)。四個樓層狀態(tài)之間依據(jù)限位開關進行切換，即一層狀態(tài)可以切換到二層狀態(tài)，二層

16、狀態(tài)可以切換到一、三層的狀態(tài)。切換時首先判斷該層是否被呼叫，如果被呼叫那么切換到該層的等待狀態(tài)中，等待3秒后進入該層的行進狀態(tài)中。主體流程圖如下，假設電梯在一層：圖2 電梯設計主流程圖開機分支轉移程序：.等待子程序：行進子程序：4.3 電梯上下行判斷流程Lay1Lay4是四個樓層的限位開關，對應輸入X1X4，四個樓層的呼叫信號對應輸入X11X14，對應中間繼電器M11M14，將四個開關量作為一個整體K1X1、K1M11，然后進行比擬，如果K1X1K1M11，代表呼叫樓層在電梯所在樓層下面，因此電梯下行；相反的，如果K1X1K1M11，代表呼叫樓層在電梯所在樓層上面，因此電梯上行。對應的子流程圖

17、如下：圖3電梯上下行判斷流程局部程序如下： 另外設置了數(shù)碼管顯示、樓層呼叫指示燈、主控制按鈕和報警局部。數(shù)碼管顯示局部：當電梯行駛或?？吭谀骋粯菍訒r，數(shù)碼管顯示出對應的樓層號，利用輸出端口Y6Y14輸出數(shù)碼管顯示信號到數(shù)碼管，即可顯示出電梯當前所在的樓層，對應梯形圖如下：一層數(shù)碼管顯示子程序：二層數(shù)碼管顯示子程序：三層數(shù)碼管顯示子程序：四層數(shù)碼管顯示子程序：樓層呼叫指示燈：L1L4對應四個樓層的呼叫指示燈，哪一層有呼叫，哪一層的指示燈就亮，電梯行進到這一層后，指示燈即熄滅。主控制按鈕：利用電梯面板上的RESET按鈕作為主控按鈕，按下后電梯停止當前動作，停在當前位置。再次按下主控按鈕后，電梯繼續(xù)

18、之前的動作。報警局部：電梯上行、下行電機運行時間超過15s后，發(fā)出報警知識。報警局部程序：總梯形圖見附錄。第五章 組態(tài)王軟件相關知識 組態(tài)王簡介組態(tài)王是一款開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)

19、王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。組態(tài)王實現(xiàn)步驟1、定義變量對于變量的定義，就是創(chuàng)立一個具體的數(shù)據(jù)庫，并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性，比方時間、位置等。在我們的題目中我們需要定義的變量有：鉆頭位置、控制電機、各個控制開關、指示燈等等。當我們創(chuàng)立動畫時需要用這些變量將不同的畫面之間建立聯(lián)系。變量的類型選擇需要根據(jù)具體的應用來

20、選擇，由于此次課程設計我們實驗室的PLC試驗箱不能實現(xiàn)與組態(tài)王相連接，因此定義的變量類型均為內存型的。2、圖形界面的設計圖形界面的設計是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應的工控設備。由于我們的任務是設計一個控制鉆孔動力鉆頭的動畫，因此我們在創(chuàng)立動畫時需要繪制出電動機、動力鉆頭、指示燈、限位開關、定時裝置等內容。由于組態(tài)王當中提供了圖庫，但是對于那些圖庫里沒有的圖片，我們需要去網(wǎng)上搜索素材，整理后再應用組態(tài)王中的點位圖等工具進行編輯。3、建立動畫連接當我們完成控制工程的圖畫設計與變量定義之后，要想建立動畫還應該將這些圖畫與定義的變量進行連接，應用組態(tài)王的編程語言，通過編程來實現(xiàn)對變量的控

21、制，進而實現(xiàn)了對畫面運行的控制。程序的設計是基于工程控制來進行的，以實際情況為根底我們建立的動畫應滿足實際情況。這樣，我們就完成了對工業(yè)控制過程的模擬，如果與外設相連還可以對控制過程進行監(jiān)測和控制。當建立動畫連接完成后，就可以對動畫進行運行。第六章 用組態(tài)王實現(xiàn)鉆孔動力鉆頭的控制動力鉆頭控制設計要求自動線上有一個鉆孔動力頭，該動力頭的工作循環(huán)過程如下。動力頭在原位時，加啟動命令后接通電磁閥F1，動力頭快進，碰到限位開關K1時接通電磁閥F1和F2轉為工作進給，碰到限位開關K2時，停止進給。延時10s后接通電磁閥F3，動力頭快速退回，當原點限位開關K3接通時動力頭快退結束。 組態(tài)王設計主畫面6.3

22、 變量定義數(shù)據(jù)詞典6.4 組態(tài)王仿真結果起始狀態(tài)按下啟動鍵后，鉆頭快速進給：經(jīng)過限位開關K1后，開始工作進給，鉆頭轉動：工作進給到限位開關K2后，停止5s：5s計時結束后，鉆頭快退：6.5 組態(tài)王命令語言見附錄。心得體會每次課設，都是對自己的一個考驗；每次課設，自己都會有很大的提升。正如在測控電路課設中我們學會了multisim的用法，在單片機課設中我們學會了wave、keil的用法，在信號處理課設中我們學會了matlab在信號處理中的應用，在這次為期一周的PLC課設中，我們學習了組態(tài)王軟件的使用，并且用組態(tài)王實現(xiàn)了課設要求的控制功能。我們在書本上學到的知識，在這次課設中得到體系化、架構化，對

23、于PLC電氣控制理論，有了更加深刻的理解。PLC和組態(tài)王在自動化領域發(fā)揮著十分重要的作用，作為一個電氣學院的學生，我們應該熟練掌握PLC和組態(tài)王，具備利用兩者實現(xiàn)各種控制功能、控制工程的能力。這一周的課設中，我第一次實際操作組態(tài)王軟件，從畫面布局到命令程序設計，再到程序仿真，一步一步都是自己心血的結晶，我也深刻感受到了組態(tài)王軟件的強大之處，課設后我將更加深入地學習這款軟件，學以致用。同時我們應用PLC軟件設計了四層電梯控制的梯形圖程序，大家一起討論程序實現(xiàn)的方法，穩(wěn)固了PLC編程語言，開發(fā)了我們各自的創(chuàng)新思維。我在這次課設中學到的諸多知識不盡列舉，總之我十分感謝這次課設，十分感謝王娜老師的耐心指導！參考文獻?信號處理原理及應用? ；謝平、王娜、林洪彬 編著； 機械工業(yè)出版社?MATLAB7.X數(shù)字信號處理? ；郭仕劍 等 編著； 人民郵電出版社?數(shù)字信號處理?； 張文新 等 編著； 高等教育出版社?MATLAB與信號處理?； 陳幗眉 等 編著； 清華大學出版社?MATLAB入門? ； 李洪森 等 編著； 遼寧大學出版社?數(shù)字信號處理原理與實現(xiàn)? ； 張建人 等 編著； 電子工業(yè)出版社?MATLAB與圖像處理?； 林筱泓 等 編著； 國防工業(yè)出版社 附錄1：組態(tài)王命令程序if(動力鉆頭=0) 底座=27; 電機