升降机控制系统的PLC应用研究

编号
无锡太湖学院
毕业设计（论文）题目：升降机控制系统的PLC应用研究信机系机械工程及自动化专业
学号：
学生姓名：
指导教师：（职称：高级工程师）
（职称：）
2013年5月25日
无锡太湖学院本科毕业设计（论文）
诚信承诺书
本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）升降机控制系统的PLC应用研究是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。

班级：
学号：
作者姓名：
2013 年5 月25 日
无锡太湖学院
信机系机械工程及自动化专业
毕业设计
论文任务书
一、题目及专题：
1、题目升降机控制系统的PLC应用研究
二、课题来源及选题依据
可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ），简称PLC ，它主要用来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

可编程控制器（Programmable Controller ）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

PLC的优点是：1.可靠性高，抗干扰能力强;2.配套齐全，功能完善，适用性强;3.易学易用，深受工程技术人员欢迎;4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造;5.体积小，重量轻，能耗低。

三、本设计（论文或其他）应达到的要求：
I
1、熟悉PLC控制技术的发展历程，特别是近几十年来升降机在其结构形式、用途、用途及安全装置等几个方面的突破和发展；
2、熟练掌握可编程控制器的原理以及编程软件和编程语言；
3、熟练掌握升降机的工作原理；
4、熟练使用MATLAB提供的图形用户界面（GUI）工具。

四、接受任务学生：
机械94 班姓名
五、开始及完成日期：
自2012年11月12日至2013年5月25日
六、设计（论文）指导（或顾问）：
指导教师签名
签名
签名
教研室主任
〕签名
〔学科组组长
研究所所长
系主任签名
2012年11月12日
II
摘要
PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。

它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。

据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。

可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。

由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，所以很多公司都在使用PLC来控制生产线的运作，比如生产显示器、电视机就利用到了升降机。

利用升降机可以把显示器运送到加温层，运送包装线，在运送的过程中就可以利用PLC控制，进行测试、检验。

最后实现科学运作。

本文主要是升降机控制系统的PLC应用研究。

主控系统采用FX2N48MR-001PLC为控制核心,结合模拟量输出模块FX2N-2DA,并设计了施工升降的理想速度曲线。

PLC系统完成了所有I/0信号和上位机串口通信信号的接收,根据其内部设计程序进行集中运算处理,实现了对液压施工升降机的控制系统的逻辑信号及速度控制。

另外,还根据控制系统要求,设计了控制系统主回路、安全运行电路、电液比例控制回路等。

关键词：升降机；PLC；程序；设计
III
Abstract
PLC programmable logic controller is a microprocessor based on a combination of computer technology, automatic control technology and communication technology evolved a new type of industrial control devices. It has a simple structure, easy programming and high reliability.It has been widely used in the automatic control of industrial processes and position. According to statistics, the programmable controller is the most widely used kind of equipment in the industrial automation devices. Programmable controller will become one of the main means of industrial control and important infrastructure, PLC, robotics, CAD / CAM will become the three pillars of the industrial production. PLC has the use of environmental adaptability characteristics, while its internal timer resources are very rich, so many companies are using the PLC to control the operation of the production line, such as the production of the display, the TV on the use of the lift. Lift the monitor can be transported to the heating layer, transport packaging line, in the course of transportation can make use of PLC control, test, test. Finally, science operations.
In this paper, the lift control system PLC applied research.The master control system for the control of the core FX2N48MR-001PLC, combined with analog output module FX2N-2DA designed the construction lift the ideal speed curve. A PLC system to complete all of the I / 0 signal and the host computer serial communication signal receiver, according to its internal design process, the central arithmetic processing logic signals and speed control of the control system of the hydraulic lift construction. In addition, according to the requirements of the control system, the design of the control system the main loop, the safe operation of the circuit, electro-hydraulic proportional control loop.
Keywords: lift; PLC; program; design
IV
目录
摘要 (III)
Abstract .............................................................................................................................................. I V 目录 (V)
1 绪论 (1)
1.1 升降机在国内外的发展现状 (1)
1.2 为何采用PLC控制系统的原因 (2)
1.2.1 PLC控制系统的发展和生产 (2)
1.2.2 PLC控制技术区别于其他控制技术 (2)
2 升降机的具体工作原理和其组成 (5)
2.1 升降机的基本工作原理 (5)
2.2 升降机的主要组成部分 (6)
3 升降机控制系统的硬件设计 (8)
3.2控制系统的主要性能 (8)
3.2.1 比例变量泵的介绍 (8)
3.2.2 可编程控制器和模块选择 (9)
3.3控制电路设计 (12)
3.3.1电路设计 (12)
3.3.2 系统回电路设计 (13)
3.3.3 输入输出回路设计 (13)
3.3.4 PLC的I/O存储地址分配 (14)
4 升降机控制系统软件设计 (16)
4.1 概述 (16)
4.1.1 PLC及运行原理 (16)
4.1.2 PLC运行软件 (17)
4.1.3 编程工具软件和编程语言 (17)
4.1.4 PLC软件的设计 (17)
4.2 控制系统的设计 (18)
4.2.1 楼层位置信号的发生和清除环节 (19)
4.2.2 选层指令登记、消除与显示 (19)
4.2.3停层信号的发生与消除 (20)
4.2.4 停车制动 (20)
4.2.5 启动加速与稳定运转 (21)
5 控制系统抗干扰设计 (23)
5.1电磁干扰类型和影响 (23)
5.2 PLC系统干扰来源 (23)
5.3 抗干扰措施 (24)
V
5.3.1 控制电源系统引发的干扰 (24)
5.3.2 控制输出端引发的干扰 (24)
5.3.3 安装和布线 (24)
5.3.4 正确选择接地点 (25)
6 结论和展望 (26)
致谢 (27)
参考文献 (28)
附录 (29)
VI
升降机控制系统的PLC应用研究
1绪论
1.1升降机在国内外的发展现状
升降机作为在各行各业不可缺少的垂直运输的机械，在1973年第一台由我国生产的齿轮条式升降机诞生以来。

已经过去了30多年，在这30多年中的不断发展，升降机在其结构形式、用途、用途及安全装置等几个方面都有了很大的突破和发展。

升降机的主要通途在于城市高层建筑和超高层的各类建筑中，其主要原因是因为这种类型的建筑高度对于使用井字架、龙门架来完成一系列的作业是十分困难的。

近几年来，城市发展很快，建筑的楼层高度不断增加架设大高度的升降机的需求也在不断的增加。

其中建筑施工升降机不光在高层建筑中得以应用，在大桥的建设中也广泛的应用。

此外，它还可以应用在大型工厂冷却塔、发电厂烟囱、广播电视塔和煤矿等多种复杂施工场合下。

由此看来，升降机已经成为僵住行业之中不可缺少的机械设备了。

就国际上来看，目前的国外高速升降机分为两种：一种是液压传动无极调速，其代表是瑞典的ALIMAK公司，速度的标定时0-90m/min、控制方法是手动停层，在我国也有进口；另外一种是调频调速，其代表公司是德国的Steinweg，速度的标定是0-30-40-80m/min，操作方式是自动选层平层。

然而我国国内普遍生产机电——机械传动式的升降机，这种机电式的升降机由于它的控制方式是通过接触器控制得以实现，速度单一、启制动的冲击量大、乘员感觉不适等等缺点，不能完全满足中高层或者更高层的建筑工作要求。

最关键的问题在于使用高度达到200m左右而运行速度却只能在34~38m/min，大大影响了它的工作效率，继而影响的工作效益。

因此，超高升降机提高其速度成为了突破的关键。

如今的国内又开始进口少量高速升降机，如何抢占国内市场、尽量少的进口、振兴民族工业将是在升降机技术界一个很大的突破口。

液压升降机的运行速度快，因此可实现无极调速，启动、制动平稳，而启动时对于电网的要求和冲击相对较小，因而能实现空载启动、从而解决了由于工地电网容量的限制而造成了一般升降机重载时引发困难的问题，是200m以上高层建筑施工理想的运输机械。

然而，随着社会不断变化，需求也在不断变化，对建筑物的高度不断增加，目前对于在地面通过按钮控制的升降机，其自动化控制的水平较低，在施工运行过程中，存在一下大量问题：1，一般没有超载限制，单单靠对人数的控制或者预估材料的重量来确定，更没有楼层间的呼叫和提醒，没有自动的平层功能，所以在目前升降机其中的工作运行是被动的，不能确定其定载荷率，来使升降机的运输能力得不到很好的发挥，部分的能量以及时间往往浪费在空车的来回运行上；2，按钮的运作时间和继电器、接触器触头器触头响应时间会随着元件的不断老化而变化的难以确定，从而造成了之后电动机响应，迫使停车位置与目标位置相差较大，同时起升距离越大，误差越难得到有效控制；3，单一的速度、启制动冲击量大、乘客普遍感到不适等等的不足。

所以，传统中的继电接触器自动控制系统已经越来越不能够满足于工作现场的需求。

所以，研究升降机的控制系统就尤为重要，是一个很有意义的工作，既能提高工作的效率，消除很多安全隐患，更能够生产更大的经济效益。

所以，本论文以升降机为背景，对其控制系统进行设计研究。

1
无锡太湖学院学士学位论文
1.2 为何采用PLC控制系统的原因
1.2.1 PLC控制系统的发展和生产
早期的工业控制中，大多采用继电器的控制系统，然而这种系统体积大、耗电量多，从而改变生产程序非常困难。

为了改变现状，在20世纪60年代末期，所在美国的通用汽车公司（GM）首先提出要求，并且公开招标。

而后，美国的数字设备公司（DEC）就研制出了世界上的第一台可编程控制器，并且成功的运用于汽车生产线上。

接着，德国和日本等国家相继引入了PLC的技术，越来越多的知名公司的加入使得PLC 技术得到前所未有的迅速发展，如：日本的松下、OMRON和三菱；德国的BBC和西门子等等公司。

就目前来看，全世界大概有两百多家公司从事于PLC的开发研究和制造，生产了四百多个系列的产品。

在早期的可编程控制器中，指令系统简单，只能有效的完成顺序的控制，一般的话只具备逻辑运算、定时、计算等等的功能。

但是，随着微电子技术、控制技术和信息技术的不断发展，PLC也同时在不断的发展。

20世纪80年代后期，就以16位与32位数处理器构成的微机化PLC得到了相应巨大的发展，同时使其在概念上，设计上，性价比上等方面都有了巨大的突破。

因此，可编程控制器就具有了浮点运算、运算函数、高速计数、中断计数、PID 控制及其联网等功能，种种这些都是的PLC的技术的范围应用和领域都不断的扩大。

1.2.2 PLC控制技术区别于其他控制技术
1、PLC控制技术与继电器控制技术的区别
PLC的编程语言中，用的最多的语言是梯形图。

PLC的梯形图和继电器控制线路图比较极为相似，在信号的输入/输出形式以及控制功能也是相同的，但是PLC的控制和继电器的控制又有其不同之处，在几个方面都有所体现。

（1）控制逻辑：继电器控制逻辑采用了硬接线逻辑，利用继电器机械触头的串联或并联以及时间继电器的延时等组成了控制逻辑。

它的缺点是接线复杂，增加或者改变功能都非常困难，继电器的触头数目同样有所限制。

而PLC则利用其内部存储器，以程序方式将控制逻辑存储在内存中，用改变程序的方法就可以实现很方便的改变控制逻辑，此外，大部分都是为软继电器触头，所以不管是灵活性还是扩展性，对于PLC控制逻辑都非常好。

（2）控制速度：继电器的控制是通过继电器的机械梳头的动作来得以实现，其出头的开合关闭多做大约实在几十毫秒的数量级。

但是PLC不同，它通过程序指令来控制半导体电路得以实现控制逻辑，则一跳指令的执行时间往往在微妙数量级。

（3）限时控制：继电器控制逻辑运用了时间继电器的滞后多做实现限时控制，不过缺点在于定时精度不高，容易受到环境的影响，调整起来比较困难。

PLC利用半导体集成电路定时器，定时的精度相对较高，大概的定时范围在0.001s到若干分钟之间，尤为方便的通过编写程序来进行有效的定时控制。

（4）计数控制：一般继电器控制逻辑不具备计数的功能，但是PLC却能通过程序便捷的实现计数功能。

（5）可维护性和可靠性：在继电器的控制逻辑中使用了大量的机械触头，然而触头在开合时产生的电弧极易损害触点，因而它的可维护性和可靠性都相对较差。

但是PLC却采用了没有
2
触点的半导体电路来替换了继电器触点，所以基本不存在以上的缺陷，另外,PLC自带的自检功能，也为现场进行的调试与维护给予了很大的便利。

（6）价格：继电器控制逻辑大多运用机械开关、继电器等，功能相对简单，价格方面也较便宜。

但是PLC大多使用的集成电路，就价格来看相对昂贵。

2、PLC控制技术区别于通用计算机控制技术
PLC是专业为工业的控制环境而设计开发的，然而通用计算机则是专门为科学技术和数据的处理而设计的，双方均采用计算机的结构，不过两者设计理念的途径却是不同的，因此两者也存在诸多的差异，主要的体现在如下几个方面。

（1）应用范围：通用计算机不光应用在控制领域，更大量存在于科学计数、数据处理、计算机通信等领域。

然而PLC却主要运用于工业的机械控制领域。

（2）使用环境：通用计算机对环境的依赖程度高。

然而PLC却能使用在环境相对较差的工业现场。

（3）程序设计：通用计算机拥有丰富多样的程序设计语言，如汇编语言、C语言等，完成一系列复杂的应用，对于编程者来说要求较高。

但是PLC所提供的编程语言不多，逻辑简洁，上手快。

（4）运算速度和储存容量：各种电子技术的不断发展，通用计算机的运算速率越来越快，大约在微秒级，容量的存储也在增加。

但是PLC相较于通用计算机运行的速度要慢些，它的编程软件不多，编程简洁，内存空间也小。

（5）价格：通用计算机的功能繁多，硬件烦杂，但是PLC就相对功能单一，所以在价格上PLC往往比通用计算机更加实惠。

3、PLC控制技术区别于单片机控制技术
单片机控制技术往往运作于数据的采集和工业的控制，单片机的配置上比通过计算机简单很多，在价格上也有优势，但是它和通用计算机相同，同样不能单一为工业现场的控制所设计。

和通用计算机相同，单片机编程烦杂，不太容易掌握，需要处理大量的I/0接口，它的输出口驱动负载的能力较差，要驱动负载就需要有复杂的外围电路。

单片机控制技术最大的优点就在于它拥有强大的数据处理能力，但是工业控制过程要解决的是大量的开关量，因此作用在工业现场控制中单片机的优点得不到很好的发展，所以它的可靠性远远不如PLC，大部分单片机控制技术只使用在比较单一的工业控制过程和数据的处理能力要求比较高的场所。

PLC控制技术和单片机控制技术相对比而言，更加适用于工业的现场过程控制中，但是它的数据处理能力没后者强。

因此两者都各有优点，但不能两者替代。

由此看来，伴随着PLC 的成本的降低和处理数据的能力加强，在工业现场控制方面，PLC控制技术在对其他的控制技术领域的挑战就会一直具备自身的优势。

所以，掌握了PLC控制技术在工业控制技术方面的人员来看将是不可缺少的技能之一。

综上所述，PLC是将微处理器作为基础，集合了计算机技术、自动控制技术以及通信技术发展噶不去来的一类通用工业自动控制装置。

这类的装置具备体型小、功能作用强、设计程序简单、运用灵活通用、维护便捷等的优势，尤其是它的高可靠性与较强的适用恶劣工业环境的能力，获得了用户的公认好评。

所以，本升降机控制系统就是采用了基于PLC的控制
系统。

2升降机的具体工作原理和其组成
2.1升降机的基本工作原理
如图2.1所示，为升降机的工作原理图，系统一般由三相交流异步电动机、电液比例变压泵、变量马达、换向阀和各类液压阀等部件组成，它的控制器采用三菱PLC。

由于施工升降机上!下行工作原理基本相似,因此以上行工作原理为例介绍"施工升降机上行工作开始时,可编程控制器PLC接收到来自触摸屏的选层及上行控制指令,PLC输出上行控制信号使上行电磁阀YV1带电,电机启动接触器KMI通电,启动变量泵工作,油液进入马达,带动曳引轮旋转,从而施工升降机吊笼起动。

图2.1升降机基本工作原理图
同时,PLC按照理想加速曲线输出相应的加速曲线信号经D/A模块后至例放大器,比例放大器为比例电磁铁提供特定的控制电流,从而控制变量泵的输出流量,进而控制吊笼的起动运行速度,当速度达到最大值时,吊笼以速度最大值稳定运行"在施工升降机运行过程中,PLC接收井道装置各信号,数据处理后将楼层当前位置!运行监控状态等信息通过触摸屏中及时显示,以便了解施工升降机的运行状态"当PLC接收到减速点信号时,PLC按照理想减速曲线模拟输出速度,比例电磁铁的输入电流也随着理想减速曲线减少,液压系统流量减少,从而吊笼运行速度不断下降"当施工升降机到站时,PLC输出控制信号使上行电磁阀YVI不带电,电动机启动
接触器KMI失电,液压系统关闭,施工升降机停止运行。

2.2升降机的主要组成部分
升降机构造:分钢结构、驱动装置、安全装置、电器设备四部分组成。

一、钢结构:包括导轨架、吊笼、天轮架、附着架等部件。

二、驱动装置:
由电动机、泵、方向阀、马达、配重、钢丝绳等组成,泵带动马达旋转,通过钢丝绳使吊笼做上、下运行。

三、电器设备:
1、施工升降机的电气控制系统由电源箱!电控箱!操作台及安全保护系统等组成。

2、电缆导向装置:在吊笼作上、下运行时,电缆导向装置确保使接入吊笼内的电缆线不至于偏离电缆笼或发生不正常的卡死,以保证升降机正常供电。

四、安全装置:
1、限速器:为防止吊笼坠落装有锥鼓式限速器。

2、防坠安全器:当吊笼出现不正常超速时,将吊笼制停。

动作时,其上安全开关断开电源,制动器制动。

3、安全钳:使吊笼制动的安全装置。

4、缓冲弹簧:施工升降机的底架上有缓冲弹簧,以便当吊笼发生坠落事故时,减吊笼的冲击。

有圆锥卷弹簧和圆柱螺旋弹簧。

圆锥卷弹簧的制造工艺较难,成本高,但体积小,承载力强。

一般情况下,每个吊笼对应的底架上装有两个圆锥卷弹簧,也有四个圆柱螺旋弹簧,安装的目的是缓冲吊笼和配件着地时的冲击。

5。

、上、下限位器:为防止吊笼上!下超过需停位置时,因操作者误操作和电气故障等原因继续上升或下降引发事故而设置。

6、上、下极限限位器:上、下限位器一旦不起作用,吊笼继续上升或下降到设计规定的最高极限或最低极限位置时能及时切断电源,以保证吊笼安全。

7、安全钩:下限位器和上极限位器因各种原因不能及时动作,吊笼继续向上运行,将导致吊笼冲击导轨架顶部而发生倾翻坠落事故而设置的,安全钩是安装在吊笼上部的重要也是最后一道安全装置,它能使吊笼上行到导轨架顶部的时候,安全钩钩住导轨架,保证吊笼不发生倾翻坠落事故。

8、吊笼门、底笼门联锁装置:防止因吊笼或底笼门未关闭就启动运行而造成人员坠落和物料坠落,只有完全关闭时才能启动运行。

9、急停开关:操作者应能及时按下急停开关,使吊笼立即停止,防止事故的发生,急停开关必须是非自行复位的电气安全装置。

10、楼层通道门:运行时处于常闭状态,只有在吊笼停靠时才能由吊笼内的人打开,楼层内的人员无法打开此门。

11、电磁制动器:装于电动机轴上,一般采用直流电磁制动器,启动时通电松闸,停层后断电制动。

12、超载开关:当超载时吊笼底下超载开关动作,吊笼不能启动运行。

13、其它开关:安全窗开关、防松绳开关、断绳开关等。

为了便于对施工升降机的工作原理及PLC控制系统进行分析,现列出30层30站升降机的电气元件。

见表2-1。

表2-1 30层30站升降机的电器元件表
元件符号名称及作用元件符号名称及作用
SQ1 名称窗开关SQ44 超载开关
SQ2 安全钳开关YV1 上行电磁阀线圈
SQ3 上限位开关YV2 下行电磁阀线圈
SQ4 下限位开关SA1 基站开关
SQ5 上限位开关1KR 上平层感应器
SQ6 下限位开关2KR 下平层感应器
SQ7 安全防坠器开关QS 电源开关
SQ8 限速器开关KM1 电动机起动接触器
SB1 吊笼内急停按钮KM2 Y型接触器
SQ10 吊笼开门到位开关KM3 Δ型接触器
SQ11 吊笼开门到尾开关1HL 超载指示灯
SQ12 围栏门开门到位开关2HL 超载指示灯
SQ13 断绳开关3HL 电源指示灯
SB3 液压接通按钮SB4 液压故障指示灯SQ14-SQ43 1-30层楼层门开关SB2 操作站急停按钮
3升降机控制系统的硬件设计
本控制系统的硬件主要由触摸屏人机交互模块!可编程控制器核J心控制模块、模拟量输出模块、井道及安全装置等。

系统框图如图3.1：
图3.1 升降机的控制方案
控制系统主要包括信号控制和速度控制两大部分。

控制系统的核心是PLC,集中解决输入信号的数据处理和输出逻辑控制的问题、系统参数设定、显示功能则由触摸屏完成、系统设有安全运行电路,只有满足安全运行条件,施工升降机才能运行,否则发生故障报警信号,并让PLC所有输出点恢复安全输出状态。

当满足安全运行条件时,通过触摸屏输入呼层信号时,系统进行判断识别,送出呼层显示至触摸屏显示,系统通过选层后调用加速曲线,通过模拟输出模块输出速度信号不断传输给比例电磁铁,控制比例泵的输出流量进而控制吊笼的运行速度,使吊笼按预定曲线运行。

当吊笼到达目的层时,系统发出吊笼停车的信号、消层信号,系统调用减速曲线,进而使液压电动机制动!比例泵停转。

综上所述,本系统采用PLC为核心控制器,触摸屏作为监控显示模块,两者通过串口进行通信来控制系统的执行部件,实现施工升降机的控制。

3.2控制系统的主要性能
3.2.1比例变量泵的介绍
本系统选用公称排量为160ml/r的BCY14-1B型电液比例控制变量泵,是利用(流量-位移-。