基于PLC的自动扶梯控制系统设计.doc
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1、1 绪论- 2 -1.1 自动扶梯介绍- 2 - 1.1.1 Y/启动自动扶梯的介绍- 3 -1.1.2 主要功能- 4 -1.1.3 安全保护- 4 -1.2 PLC+VVVF控制方案的介绍- 4 -1.2.1 系统设计- 5 -1.2.2控制程序设计- 5 -1.3 PLC+VVVF控制方案的优点及意义- 6 -1.3.1 PLC的发展- 6 -1.3.2 PLC的特点- 7 -1.3.3 PLC与继电器控制系统的比较- 8 -2 控制电路设计- 9 -2.1 PLC+VVVF控制方案的选择- 9 -2.1.1方案描述- 9 -2.1.2主要功能- 9 -2.2设计中各元器件的选择- 10
2、 -2.3 自动扶梯的相邻区域- 11 -2.4 自动扶梯尺寸及参数- 12 -2.4.1自动扶梯尺寸- 12 -2.4.2自动扶梯技术参数- 13 -3 可编程序控制器硬件配置- 14 -3.1 PLC的工作原理- 14 -3.1.1 CPU模块- 15 -3.2 FX系列可编程序控制器梯形图中的编程元件- 17 -3.2.1 FX系列的用户数据结构- 17 -3.2.2 输入继电器与输出继电器- 17 -3.2.3 输出继电器(Y)- 18 -3.2.4 状态(S)- 18 -3.2.5 定时器(T)- 18 -3.2.6计数器- 19 -4 ABB 变频器的硬件配置- 22 -4.1 变
3、频器概述- 22 -4.2 ABB系列变频调整器的性能及技术参数- 23 -4.2.1主要功能及特点- 23 -4.3性能指标- 24 -变频器的性能指标表4-1所示- 24 -4.4变频器节能方式- 26 -4.5扶梯变频节能控制系统运行特性- 26 -5 PLC的软件设计- 28 -5.1 PLC输入PC输入输出接点信号- 28 -52 程序设计- 28 -5-3 自动扶梯的安全保护- 30 -6 结束语- 34 -1 绪论可编程序控制器(PLC)因采用了以计算机为核心的通用自动控制装置,它的功能强,可靠性高,编程简单,使用方便,体积小巧,在工业控制中得到了广泛的应用。以前的自动扶梯采用的
4、是继电接触器控制的方式,扶梯采用星三角降压启动,由于接触器频繁吸合,常常出现故障,给电机的运行及扶梯的检修带来极大的不便。PLC机从诞生以来,发展非常迅速,在发达的工业国家,已经广泛的应用在所有的工业部门,随着PLC性能、价格比的不断提高,过去在使用专用计算机的场合现在也可以使用PLC了。PLC机的作用越来越大,其最基本、最广泛的应用是开关量逻辑控制。PLC机的输入信号和输出信号都是只有通/断状态的开关量信号。这种控制与继电器控制最为接近。可以用价格较低的、仅有开关量控制功能的PLC机作为继电器控制系统的替代物。开关量逻辑控制可以用于单台设备,也可以用于自动生产线的控制。PLC还可以对温度,压
5、力,流量等连续变化的模拟量进行闭环控制。现代的PLC机具有数学运算,数据传送,转换,排序主查表,位操作等多种功能。可以完成数据的采集分析和处理。PLC机随着发展结构与功能不断改进,应用范围也迅速扩大,它可直接应用于工业环境,具有较强的抗干扰能力,广泛的适应能力和应用范围。我们要想能够胜任PLC控制系统的设计工作,按要求完成好设计任务,仅仅掌握PLC设计的基础知识是不够的,必须经过反复实践,深入工作现场,灵活应用,不断积累经验。我的设计题目是:商场自动扶梯控制系统设计。通过设计这一题目,可以将我们所学知识加以复习,巩固,从而达到能够灵活应用的目的。由于设计者学识有限,设计时间仓促,设计中一定有疏
6、漏及错误,殷切希望各位老师和同学批评指正。1.1 自动扶梯介绍自动扶梯是由一台特种结构形式的链式输送机和两台特殊结构形式的胶带输送机所组合而成,带有循环运动梯路,用以在建筑物的不同层高间向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。运载人员上下的一种连续输送机械。广泛用于车站,码头,商场,机场和地下铁道等人流集中的地方。1900年,巴黎国际博览会展出的一台阶梯状动梯是现代自动扶梯的雏形。以后,自动扶梯在各国得到迅速发展。自动扶梯由梯路(变型的板式输送机)和两旁的扶手(变形的带式输送机)组成。其主要部件有梯级,牵引链条及链轮,导轨系统,主传动系统(包括电动机,减速装置,制动器及中间传动环节等),驱动
7、主轴,梯路张紧装置,扶手系统,梳板,扶梯骨架和电气系统等。梯级在乘客入口处作水平运动(方便乘客登梯),以后逐渐形成阶梯;在接近出口处阶梯逐渐消失,梯级再度作水平运动。这些运动都是由梯级主轮,辅轮分别沿不同的梯级导轨行走来实现的。如图1-1示是自动扶梯控制系统流程图。图1-1自动扶梯控制系统流程图。 1.1.1 Y/启动自动扶梯的介绍自动扶梯是一种可以连续运行的客运工具,目前正广泛使用在地铁、机场,商场等客流量大的场所。扶梯控制部分主要集中在扶梯上水平段,扶梯靠一台交流电动机牵引。另外,扶梯还设置了十几个安全开关,扶梯监控,照明,电铃,自动润滑等装置。1.1.2 主要功能扶梯有两种运行状态:检修
8、点动运行和用钥匙开关控制的正常运行。用钥匙控制时,扶梯启动采用星三角降压启动,启动时先星形起动后转为三角形运行。而检修控制时只能以星形运行,此时钥匙开关控制失效,以保障维修人员的安全。1.1.3 安全保护扶梯在下列状态均会自动停止运行:(1)当安全开关之一动作时。(2)相序监控器监测到错相或缺相时。(3)电流过大,热继电器动或断路器动作时。(4)当按下停止按钮时。(5)当梯级运行速度高于或低于额定速度20%时。(6)扶梯未能正常进行星三角转换时。(7)扶梯启动未能在规定时间内达到额定速度时。(8)当使用钥匙启动扶梯时,需人工复位到中间位置,否则扶梯运行20秒后自动停机并报警,避免发生意外伤人事
9、故【1】。Y/启动控制见图1-2:图1-2 Y/启动控制图1.2 PLC+VVVF控制方案的介绍以前,自动扶梯电气系统是采用“继电器逻辑”控制,虽然其控制逻辑已经比较精炼,严密,但由于其逻辑控制部分是由继电器触点实现的,故障率较高,而且控制柜布线复杂,给确定故障范围,查找故障带来较大困难。为解决这一问题,提高扶梯质量,我们采用三菱公司FX系列的可编程控制器作为控制核心,对自动扶梯进行了改进。由于三菱公司的PLC控制可靠,价格较低,也可取得良好的经济效益。在进行系统设计时要考虑许多因素,首先是要有利于提高整个系统的可靠性指标,以满足现场对低故障率的要求,因此,我们选择PLC作为控制核心。1.2.
10、1 系统设计三菱公司的FX系列具有以下特点(1)PLC的用户程序和部分数据存放在EEPROM中,无需用锂电池进行掉电保护。手持编程器PG702中的用户程序和部分数据也可存放在其EEPROM中,使用起来十分方便。(2)具有一个存储卡插孔,需要装载程序时,只需将已存入程序的存储卡插入PLC后再上电,几秒钟后断电并把存储卡拔下,存储卡上的程序就自动装入PLC,这一功能为我厂进行批量生产或更新程序提供了很大方便。(3)利用FX1S系列编程软件,可方便地在电脑上进行编程及存储,并可通过PPI电缆实现电脑与PLC之间的通讯。(4)具有两个模拟电位器,可实现以下功能,例如:对计数器或定时器的给定值进行预设置
11、,该功能对参数的具体确定很有帮助。并可方便地实现对一些随季节变化的参数的调整。(5)具有3级口令保护功能,防泄密。1.2.2控制程序设计控制程序的设计必须充分考虑对人身安全的保障,此外,在设计中注意程序逻辑是和时序相关时,可编程序控制器都采用顺序扫描工作方式,工作时其程序被逐行扫描执行,这样就有了先后次序,往往会出现这样的现象:将一个程序中的一行或数行语句移到别的位置后会得到不同的结果。在程序编程方面,系统程序是根据自动扶梯标准的要求和原继电器逻辑电路和设计经验编制而成,虽然该用软件只是采用了PLC一些常用的指令,但其同硬件共同产生的综合效果则是以往传统继电器逻辑电路无法达到的。下面举几个具体
12、应用作简易阐述: (1)上电时将内部标位清零,这一程序是十分重要的,它能有效地防止由于突然上电使扶梯自动启动,造成人员伤害。 (2)上电时若启动用的钥匙开关没有复位,则扶梯不应启动,只有将钥匙开关复位后再次旋转扶梯才能启动。(3)用电铃的不同声响代表不同的故障。(4)对扶梯梯级运行速度进行测速。(5)用计数器和计时器组合工作,扩大计时器的计时范围。(6)在PLC剩余2个输入点中,笔者将其充分利用,当测速系统出现故障时将其分别短接,既便于区分不同故障,又能使得扶梯在排除故障前,可以继续运行而不影响用户使用。1.3 PLC+VVVF控制方案的优点及意义目前,常规的自动扶梯空载时仍是额定速度运行,存
13、在耗能大,机械磨损大,使用寿命短等缺点。通过PLC+VVVF控制方案的扶梯进行可靠性检验,该技术在功能,节能,安全等各方面具有明显优势。自动扶梯变频节能改造技术采用进口PLC可编程序控制器与变频器的控制组合,具有功能强,改造工作量小等优点。在无人乘梯时,扶梯自动平稳过渡到节能运行状态,以1/5额定速度运行,此时的运行电流仅为改造前的1/3。在有人乘梯时,扶梯自动从节能速度平稳过渡到额定速度运行。在检修运行时,扶梯以1/2额定速度运行,便于观察扶梯的运行情况并进行检修,避免了原系统额定速度点动停止不及时的不足。由于无人乘梯时节能运行的速度很慢,在很大程度上减少了机械部分的磨损,相对延长了扶梯的使
14、用寿命。同时,变频技术的采用大大降低了扶梯启动时对电网的冲击,有效改善了电网的功率因数,减少了无功损耗。改造中充分考虑了变频系统与原系统的并存,将原系统的安全条件与变频器自身的安全环节相结合,便于系统故障时的相互切换,不影响用户的使用,也使得改造后的系统安全性更为可靠。1.3.1 PLC的发展可编程序控制器,是随着生产不断地发展,新技术不断出现,特别是电子技术的出现而发展起来的一种新型的控制技术。过去传统的继电接触式顺序控制器,有着许多难以克服的缺点,寿命较短,可靠性差、通用性及灵活性差、耗电高,尤其是改变生产程序很困难,这就与生产的高速发展形成了尖锐矛盾,为了解决此矛盾,电子技术经历了十余年
15、的发展,PLC机已进入了实用性阶段,PLC技术的产生和迅猛发展,不仅极大地提高了劳动生产率和自动化程度,而且推动了工业技术革命的进程。1.3.2 PLC的特点PLC是一种数字式的电子装置,它使用了可编程序的记忆体以储存指令,用来执行诸如逻辑,顺序,计时,计数与演算等功能,并通过数字或类似的输入/输出模件,以控制各种机械或工作程序。可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计的,其特点和优点有以下几点:可靠性高,适用于工业现场环境。工业生产一般要求控制设备具有很强的抗干扰能力,能在恶劣的环境中可靠地工作,也就是说,对PC的可靠性提出很高要求,一般要求有很长的平均无故障时
16、间和很短的修复时间。PLC控制系统的故障可分为两类:一类是由于外界恶劣环境如电磁干扰,超高温,超低温,过电压,负电压等引起的。这类故障只要不引起系统部件的损坏,一旦环境条件恢复正常,系统本应随着恢复正常。但因PLC受外界影响后,内部所存储的信息被破坏,就可能引起混乱,这样就不能在此种情况下继续原来的工作,这类故障称为偶发性故障。另一类故障是由于元件本身的缺陷或外界的影响而损坏,这种损坏是不可恢复的,这类故障称为永久性故障。PLC的逻辑部分是采用无触点的半导体电路的“接点网络”,而不是大量的机械触点的串并联完成的,只需要输入输出与现场有少量的连线,这就从根本上减少了永久性故障的机会,是使PLC可
17、靠性提高的主要原因。如果再能限制偶发性故障的发生条件,使PLC能承受较严重的恶劣环境或把影响的后果限制在最小范围之内,以使恶劣条件消失后能够恢复正常,这样就有可能延长平均无故障时间。此外,对永久性故障,主要是着手迅速、准确地查出,以减小PLC的平均修复时间。一般在PLC上增加一些诊断一些适当的保护手段,则在永久性,就能很快查出。我们设计的这台专用设备用PLC机控制。PLC机内部的继电器就象是许多个继电器集成在一起,只需考虑输入与输出的接线。在一般人的印象中,PLC机的价格可能较高,像计算机一样,它的一些元件是由分立的,可以被集成,最后到大规模集成电路。它简化了计算机内部电路,而且随着内部电路的
18、简化,成本也逐渐降低。PLC机也是经历着同样的简化过程。70年代后期,随着微处理器的出现,由于其体积小,功能强,价格便宜等优点,很快被用于PLC机中,使PLC机的功能增强,工作速度加快,体积减小,可靠性增加,成本降低。在一些人看来,掌握与运用微型计算机,是要付出一定的努力,因为它的语言比较复杂,不容易被人接受。但PLC机借鉴了微型计算机的高级语言,采用极易为员工掌握的梯形图编程语言来编写程序的。这就大大提高了它的发展潜力。我们所设计的可编程序控制器-变频调速器控制自动扶梯,不但设计过程不复杂,对于操作人员和维护人员来说也较容易掌握。它可以按照操作人员的要求,进行程序调整,并且具有极强的安全可靠
19、性,所以适用较为广泛。1.3.3 PLC与继电器控制系统的比较(1)控制方式继电器的控制是采用硬件接线实现的,是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑,只能完成既定的逻辑控制。PLC采用存储逻辑,其控制逻辑是以程序方式存储在内存中,要改变控制逻辑,只需改变程序即可,称软接线。 (2)控制速度继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制9,工作频率低,毫秒级,机械触点有抖动现象。PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制,速度快,微秒级,严格同步,无抖动。 (3)延时控制继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制,而时间继电器定时精度不高,受环境影响大,调整
20、时间困难。PLC用半导体集成电路作定时器,时钟脉冲由晶体振荡器产生,精度高,调整时间方便,不受环境影响。2 控制电路设计2.1 PLC+VVVF控制方案的选择2.1.1方案描述目前市场上的自动扶梯多为恒速运行的,比较费电,所以设计该扶梯可以起到节能的效果。VF/PC控制屏控制系统采用了PLC程序控制变频来驱动主机,主要控制器及主驱动控制部分均在上部控制箱内。电源要求三相五线制,相电压为380V(+7%-10%),接地电阻不大于4欧姆。2.1.2主要功能变频多速运行(正常运行快速,无人时慢速)、自动运行、检修运行、缺相和错相保护机过载保护、变频器超速保护(1)检修运行:手持操纵盒插入检修插座并将
21、正常检修开关置为检修档。合上主电源开关K1和K2,FU1,FU2,FU3。当安全回路畅通(即KC吸合),PLC供电正常,且在“RUN”状态下,将正常检修转换开关置为“检修状态”,打开检修盒上停止开关,点动检修盒上或下行按钮,接触器将按下列顺序工作:即PLC输入点X3(慢上)或X4(慢下)亮,PLC输出点Y2(正转)或Y3(反转)点动亮,变频器显示40HZ左右,扶梯(或人行道)正常检修运行。(2)正常运行:通过钥匙开关操纵,钥匙开关在人行道入口的右边盖板上,正常运行起动时,正常检修转换开关应置为正常。将正常检修转换开关置为“正常”状态,拔下检修插头。合上主电源开关K1和K2,FU1,FU2,FU
22、3。当安全回路畅通(即KC吸合),PLC供电正常,且在“RUN”状态下,插入运行起动钥匙开关运行过程顺序为:即PLC输入点X5(正常上)X6(正常下)得电,PLC输出点Y2或Y3亮,Y4,Y5亮,扶梯正常启动运行,当无人时检测光电X10或X11,根据客流量交替点亮,扶梯(或人行道)进入变频运行状态(快速运行时变频器显示50HZ,慢速运行时变频器显示20HZ左右)。(3)安全回路:从接线端号23(即PLC的X0点)开始经SJT1,KPH,KR,50,51,52,53,54,55,56,57,5859,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,SJT3,SJT4到0V(即PLC的
23、输入COM点)为安全回路、在检修运行时,为排除故障可能临时跨接。在安全回路全部接通后,主接触器KC才会吸合。旋转方向及速度监控(变频器超速保护)(4)带故障显示(GYM):故障显示器的工作电压为DC24V。输入安全回路的开关接点,当这些接点无动作时,显示器显示“P”。否则显示器显示出所对应的故障号码。(5)安全保护装置:供电系统断错相保护,由于供电系统的断相和错相,相序保护继电器动作,人行道不能开车。电动机过载保护:当电动机过载,线圈温长过高,保护起作用,人行道停车。梯级曳引机链断链或伸长保护:当梯级曳引链在使用中断裂或过分伸长,保护触电动作,人行道停车。梳齿板保护:当梯级进入梳齿板处,有异物
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