液压施工升降机电气控制系统设计

上海工程技术大学毕业设计（论文）液压施工升降机电气控制系统设计1摘要施工升降机是建筑施工中不可缺少的运输机械，本论文主要讲述的是液压式施工升降机的电气控制系统设计。本次设计主要结合了PLC与触摸屏的技术，使其自动化控制水平较低，速度单一、启制动冲击大、乘员感觉不适等缺点得到进一步改善。本论文在内容安排上首先介绍了题目的概述与它的软硬件设计；电气控制系统方案的确定、组成、设计思想与理论依据等；随后对系统进行了详细设计，包括:控制电路的硬件设计、安装；软件设计并编制梯形图；系统通信及调试等。主控系统采用FX2N-48MR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，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。显示监控系统选用的是三菱F940GOT触摸屏,采用GTDesigner2触摸屏编程软件,设计友好的选层参数的输入和运行状态监控界面，实现了施工升降机运行过程的良好人性化。最后，论文对全文进行总结，并提出了进一步研究的展望。关键词：PLC，控制系统，自动化上海工程技术大学毕业设计（论文）液压施工升降机电气控制系统设计2液压施工升降机电气控制系统设计唐婉丽164A071040引言施工升降机是建筑施工中不可缺少的机械，因在高层和超高层等建筑中使用井字架、龙门架来完成作业十分困难，所以液压施工升降机是建筑施工在中高层建筑中不可缺少的垂直运输工具，主要担负着运送施工人员、工具、设备及物料的任务。由于其独特的箱体结构使其乘坐起来既舒适又安全，施工升降机在工地上通常是配合塔吊使用，一般载重量在1-3吨，运行速度为1-60M/min。施工升降机的种类很多，按起运行方式有无对重和有对重两种，按其控制方式分为手动控制式和自动控制式。按需要还可以添加变频装置和PLC控制模块，另外还可以添加楼层呼叫装置和平层装置。施工升降机的构造原理、特点：升降机为适应桥梁、烟囱等倾斜建筑施工的需要，它根据建筑物外形，将导轨架倾斜安装，而吊笼保持水平，沿倾斜导轨架上下运行。本论文根据液压施工升降机的工艺流程和控制要求，设计一台简单的多层液压施工升降机的电气控制系统。是一种升降稳定性好，适用范围广的货物举升设备主要用于生产流水线高度差之间货物运送；物料上线、下线；大型设备装配时部件举升；可配置附属装置，进行任意组合，利用PLC对其工作过程进行全程控制。并根据施工升降机的控制要求，对施工升降机的硬件进行了设计。用PLC编程软件GXDeveloper设计了PLC控制程序。本液压施工升降机控制系统的核心组件是三菱PLCFX2N-48MR，具有手动/自动控制、工作状态显示等功能，几乎所有的操作均可在触摸屏上上海工程技术大学毕业设计（论文）液压施工升降机电气控制系统设计3进行。1液压施工升降机电气控制系统设计的概述系统主要由三相交流异步电动机、电液比例变量泵、变量马达、换向阀等部件组成，控制器采用三菱的PLC。液压施工升降机的上、下行工作原理基本相似。以上行工作为例，在工作开始时，可编程控制器PLC接受到来自于触摸屏按钮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KM1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启动。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模块后至比例放大器，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，进而控制吊笼的启动运行速度，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接收井道装置各处信号，数据处理后将楼层的当前位置、运行监控状态等信息及时显示，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，从而使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YV1不带电，电动机启动接触器KM1失电，液压系统关闭，施工升降机停止运行。2液压施工升降机（电气控制系统）的硬件设计2.1液压施工升降机控制系统的组成上海工程技术大学毕业设计（论文）液压施工升降机电气控制系统设计4图2.1施工升降机的控制方案如图2.1所示，本控制系统的硬件主要由可编程控制器核心控制模块、模拟量输出模块、井道及安全装置等。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，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。上海工程技术大学毕业设计（论文）液压施工升降机电气控制系统设计52.2PLC选型及模块介绍2.2.1PLC的选型目前，可编过程控制器的生产厂家众多，产品型号、规格不可胜数，但主要分为欧、日、美三大块。在中国市场上，欧洲的代表是西门子公司，日本的代表是三菱和欧姆龙公司，美国的代表是AB与GE公司。各大公司在中国均推出自己的从微型到大型的系列化产品。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一，在工业中应用的较广泛，因此这里选择了FX2N系列的FX2N-48MR作为系统的主控单元，几乎所有的编程控制、数据处理及通讯功能均由它来实现。它具有24个输入点和24个输出点，而系统只需16个输入点和9个输出点，因此留有足够的余量，以备将来改进生产工艺扩展用。2.2.2PLC模块介绍PLC是在继电器控制技术、计算机技术和现代通信技术的基础上逐步发展起来的一项先进的控制技术。在现代工业发展中PLC技术、CAD/CAM技术和机器人技术并称为现代工业自动化的三大支柱。它主要以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出(I/O)来控制各种生产过程。1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了第一台可编程逻辑控制器——PDP-14，并成功地应用在GM公司的生产线上。第一台PLC采用计算机的初级语言编写应用程序，其CPU采用中、小规模集成电路组成，以逻辑运算为主，它实质上是一台专用的逻辑控制计算机。1971年，日本上海工程技术大学毕业设计（论文）液压施工升降机电气控制系统设计6引进了这项技术，并开始生产自己的PLC。1973年，欧洲一些国家也生产出自己的PLC。1974年，我国开始了PLC技术的研究，并在1977年研制出第一台具有实用价值的PLC。在这一时期，PLC主要是用于顺序控制。随着半导体技术，尤其是微型计算机技术的发展，到了20世纪70年代中期以后，PLC广泛采用微处理器作为中央处理器，并且在外围的输入/输出(I/O)电路中逐渐使用了大规模和超大规模的集成电路，这时的PLC已经不仅仅具有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和通信联网功能。虽然美国电气制造商协会其正式命名为可编程控制器，但由于近年来PC又可表示为个人计算机，为了加以区别，人们常把可编程控制器称为PLC。1987年国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对PLC作了如下的定义：“可编程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。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。（1）PLC的特点PLC技术的高速发展，除了得益于工业自动化的客观需求外，主要是由于它具有许多独特的优点。PLC是传统的继电器技术和现代的计算机技术相结合的产物。而在工业控制方面，PLC还具有继电器控制或计算机控制所无法比拟的优点。①可靠性高，抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。这主要是由于它采用了一系列特有的硬件和软件措施。硬件方面：在输入/输出(I/O)通道采用光电隔离，有效抑制外部干扰上海工程技术大学毕业设计（论文）液压施工升降机电气控制系统设计7源对PLC的影响；在设计中采用滤波器等电路增强PLC对电噪声、电源波动、振动、电磁波等的干扰，确保PLC在高温、高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣工业环境下能稳定地工作；对中央处理器(CPU)等重要部件采用具有良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少电磁干扰。软件方面：PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延迟，保证在程序出错和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当CPU、电池、输入/输出接口、通信等出现异常时，PLC的自诊断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大；停电时，后备电池会正常工作。②应用灵活，编程方便PLC的方便灵活性主要体现在以下两个方面。编程的灵活性：PLC采用与实际电路非常接近的梯形图方式编程，广大电气技术人员非常熟悉，易于掌握，易于推广。对于企业中一般的电气技术人员和技术工人，也可以很容易地学会程序设计。这种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的计算机语言相比更易于接受，故梯形图被称为面向“蓝领的编程语言”，PLC也被称为“蓝领计算机”。扩展的灵活性：它可以根据应用的规模进行容量、功能和应用范围的扩展，甚至可以通过与集散控制系统(DCS)或其他上位机的通信来扩展功能，并与外围设备进行数据的交换。③易于安装、调试、维修PLC用软件功能取代了继电器-接触器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，大大减少了控制设备外部的接线。在安装时，由于PLC的I/O接口已经做好，因此可以直接和外围设备相连，而不再需要专用的接口电路，所以硬件安装上的工作量大幅减少。用户程序可以在实验室进行模拟调试，调试完成后再进行生产现场联机调试，使可编程控制器原理与应用控制系统设计及建造的周期大为缩短。上海工程技术大学毕业设计（论文）液压施工升降机电气控制系统设计8PLC还能够通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O状态和电源状态等，非常有利于维护人员对系统的工作状态进行监视。另外，PLC的模块化结构可以使维护人员很方便地检查、更换故障模块，当控制功能改变时能及时更改系统的结构和配置。而且各种模块上均有运行状态和故障状态指示灯，便于用户了解运行情况和查找故障。如果一旦其中某个模块发生故障，用户可通过更换模块的办法，使系统迅速恢复运行。有些PLC如奥地利贝加莱公司的产品还允许带电插拔I/O模块。④功能完善，适用性强PLC发展至今，已形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可用于各种规模的工业控制场合。PLC除了具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能外，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能，可用于各种数字控制领域。此外，PLC还具有较完善的自诊断、自测试功能。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。由于PLC通信功能的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种自动控制系统变得非常容易。PLC还具有强大的网络功能。它所具有的通信联网功能，使相同或不同厂家和类型的PLC可进行联网，并与上位机通信构成分布式控