《机电一体化毕业设计（论文）电梯曳引机与控制系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化毕业设计（论文）电梯曳引机与控制系统设计.doc（26页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、摘 要本次设计是以三菱FX2n为核心的电梯控制系统的硬件组成及软件设计，采用PLC来控制轿箱提升电机的起、停和正、反转。这里主要是对电梯曳引机的参数进行设计、计算、（包括电动机、减速器、轴、轴承、联轴器、制动器）以及工艺的编排和相关图形的绘制。现在电梯都采用传统的继电器群的控制方法，由于所用的继电器较多，控制柜体积庞大，控制系统成本高，而且众多继电器的动作会产生较大的噪音，污染环境。采用PLC配合接口进行控制，可将传统的继电器控制逻辑变为计算机程序控制逻辑，去掉所有用于逻辑控制的中间继电器，使电梯系统的成本和噪音大大降低，控制柜的体积也可大大缩小。关键词：PLC ;曳引机 ;电动机 ;减速器
2、;联轴器 ;制动器。目 录摘 要I1绪论21.1电梯起源21.2电梯的种类21.2.1按用途分类21.2.2按速度分类21.2.3按拖动电动机类型分类31.2.4按驱动方式分类31.2.5按控制方式分类31.3电梯的主要组成及结构41.3.1电梯的曳引机构42有关参数的计算72.1曳引机的确定72.2减速器设计82.2.1常用减速器的型式及其应用82.2.2减速器的基本构造82.3轴的设计与计算102.3.1轴的分类102.3.2轴的常用材料102.3.3轴的结构设计102.4轴承的设计与计算102.5联轴器的设计与计算132.5.1联轴器选择应考虑的问题132.5.2联轴器的理论转矩：133
3、 PLC 电梯控制系统的设计153.1 PLC 系统概述153.1.1 PLC 的定义153.1.2 PLC 的特点153.1.3 PLC 与继电器控制系统的比较173.1.4 PLC 的基本结构173.2PLC 控制系统的设计分析193.2.1PLC 控制系统的设计的主要内容193.3 电梯 PLC 控制系统的设计203.3.1电梯的运行过程203.3.2 PLC 容量的估算方法:213.3.3PLC 规模的估算21结论22致谢23参考文献241绪论1.1电梯起源 电梯是现代多层及高层建筑物中不可缺少的垂直运输设备。早在公元前1100年前后，我国古代的周朝时期就出现了提水用的辘轳，这是一种由
4、木制的支架、卷筒、曲柄和绳索组成的简单卷扬机。公元前236年在古希腊，由著名的科学家阿基米德制成了第一台人力驱动的卷筒式卷扬机。这些就是电梯的雏形。1.2电梯的种类电梯作为一种通用垂直运输机械，被广泛用于不同的场合，其控制、拖动、驱动方式也多种多样，因此电梯的分类方法也有下列几种。1.2.1按用途分类这是一种常用的分类方法，但由于电梯有一定的通用性，所以按用途分类在使用中用得较多。但实际标准不很明确。a乘客电梯用于运送乘客为主，兼以运送重量和体积合适的日用物件。适用于高层住宅、办公大楼、宾馆或饭店等人流较大的公共场合。其轿厢内部装饰要求较高，运行舒适感要求严格，具有良好的照明与通风设施，为限制
5、乘客人数，其轿厢内面积有限，轿厢宽深比例较大，以利于人员出入。为提高运行效率，其运行速度较快。派生品种有住宅电梯、观光电梯等。b载货电梯用于运送货物为主，并能运送随行装卸人员。因运送货物的物理性质不同，其轿厢内部容积差异较大。但为了适应装卸货物的要求，其结构要求坚固。由于运送额定重量大，一般运行速度较低，以节省设备投资和电能消耗。轿厢的宽深比例一般小于1。c客货两用电梯主要用于运送乘客，也可运送货物。其结构比乘客电梯坚固，装饰要求较低。一般用于企业和宾馆饭店的服务部门。d病床电梯用于医疗单位运送病人，医疗救护器械。其特点为轿厢宽深比小，深度尺寸=2.4m，以能容纳病床，要求运行平稳，噪声小，平
6、层精度高。e杂物电梯这是一种专用于运送小件品的的电梯，最大载重量为500g，如果轿厢额定载重量大于250Kg应设限速器和安全钳设施。其他特种用途的电梯还有汽车电梯，船舶电梯等。1.2.2按速度分类电梯的额定运行速度正在逐步提高，因此按速度分类的国家标准正待颁布。目前的习惯划分为：a低速电梯这种电梯的额定速度=1m/s2.5m/s。c高速电梯这种电梯的额定速度2.5m/s4m/s。d超高速电梯这种电梯的额定速度4m/s。1.2.3按拖动电动机类型分类a交流电梯将采用交流电动机拖动的电梯。其中又可分为单、双速拖动，采用该变电动机极对数的方法调速。调压拖动，通过改变电动机电源的方法调速。调频调压拖动
7、，采用同时改变电动机电源电压和频率的方法调速。b直流电源这是一种采用直流电动机拖动的电梯。由于其调速方便，加减速性好，曾被广泛采用随着电子技术的发展，直流拖动正被节省能源的交流调速拖动代替。1.2.4按驱动方式分类a钢丝绳驱动式电梯它可分成两种不同的型式，一种是被广泛采用的摩擦曳引式。另一种是卷筒强制式。前一种安全性和可靠性都较好，后一种的缺点较多，已很少采用。b液压驱动式电梯这种驱动式电梯历史较长，它可分为柱塞直顶式和柱塞侧置式。优点是机房设置部位较为灵活，运行平稳，采用直顶式时不用轿厢安全钳及底坑地面的强度可大大减小，顶层高度限制较宽。但其工作高度受柱塞长度限制，运行高度较低。在采用液压油
8、作为工作介质时，还须充分考虑防火安全的要求。c齿轮齿条驱动式电梯它通过两对齿轮齿条的齿和来运行；运行振动、噪声较大。这种型式一般不需要设置机房，由轿厢自备动力机构，控制简单，适用于流动性大的建筑工地。目前已划入建筑升降机类。d链条链轮驱动式电梯这是一种强制驱动型式，因链条自重较大，所以提升高度不能过高，运行速度也以因链条链轮传动性能局限而较低。但它在用于企业升降物料的作业中，有着传动可靠，维护方便，坚固耐用的优点。其他驱动方式还有气压式。直线电机直接驱动，螺旋驱动等。1.2.5按控制方式分类目前电梯技术的发展使电梯控制日趋完善，操作趋于简单，功能趋于多样，控制方式正向广泛应用微电子新技术的方向
9、发展。目前常见的控制方式有：微机集选控制（按钮操作）；门微机并联、梯群控制（按钮操作）；继电器信号控制和手柄控制（手柄或按钮操作）。除上述常见的分类外，目前还有按机房位置、钢丝绳传动型式等分类方法。1.3电梯的主要组成及结构机房内的主要部件通常有主机、控制屏（柜）、限速器、选层器、极限开关等。井道内的主要部件通常有轿厢、对重装置、层门等。底坑内的主要部件通常有缓冲器、对重侧护栏、限速绳张紧装置等。图1-3所示：图1-3 机房示意图1.3.1电梯的曳引机构曳引机构的组成:电梯曳引机构一般由电动机、制动器、减速箱、联轴器及曳引轮所组成。以电动机与曳引轮之间有无减速箱可分为有齿轮曳引机和无齿轮曳引机
10、。a无齿轮曳引机（无减速器曳引机）无齿轮曳引机用在运行速度v2.0m/s的高速电梯上。这种曳引机的曳引轮紧固在曳引电动机轴上，没有机械减速机构，整机结构比较简单。曳引电动机是专为电梯设计和制造的，能适应电梯运行工作特点，具有良好调速性能的直流电动机（或交流变频电动机）。该曳引机制动时所需要的制动力矩要比有减速器曳引机大得多，因此无减速器曳引机的制动器比较大。由于无减速器曳引机多数情况是用于复绕传动结构中，所以曳引轮轴、复绕轮轴及其轴承的受力要比有减速器曳引机大得多，相应的轴也显得粗大。由于无减速器曳引机没有减速器等有利因素，所以使用寿命比较长。b有齿轮曳引机有齿轮曳引机广泛用于运行速度v=2.
11、0m/s的各种货梯、客梯、杂物电梯上。为了减小曳引机运行时的噪声和提高平稳性，一般采用蜗轮副作减速传动装置。这种曳引机主要由曳引电动机、蜗杆、制动器、曳引绳轮、机座等构成，也有行星齿轮作减速器的行星曳引机（EPD）。根据设计参数及要求，选择有齿轮曳引机曳引机构的减速器:电梯的工作特性要求曳引机减速器具有体积小、重量轻、传动平稳，承载能力大、传动比大、噪声低等特点。还要有工作可靠、寿命长、维护保养方便的要求。电梯常用的减速器有以下几种：a蜗轮蜗杆减速器蜗轮蜗杆减速器具有传动平稳、噪声低、抗冲击承载能力大，传动比大和体积小的优点。这是电梯曳引机最常用的减速器。电梯用蜗轮蜗杆减速器通常有上置、下置和
12、侧置三种蜗杆布置型式。早期蜗杆减速器因润滑要求常采用下置式布置蜗杆，这种配置方式由于润滑液面加至蜗杆轴心线平面，因此蜗轮摩擦面润滑条件较好，有利于减少起动磨损，提高润滑效率。但是蜗杆轴伸处容易漏油，增加了蜗杆轴油封的复杂性。随着蜗杆传动润滑技术的发展和曳引机轻量化的发展要求，采用法兰盘套装连接电动机的上置和侧置形式的减速器大量出现。这种布置可减小曳引机座面积，安装方便，布置灵活，但润滑设计要求较高。b斜齿轮减速器斜齿轮减速器斜齿轮减速器在20世纪70年代开始用于电梯曳引机构。斜齿轮传动具有传动效率高，制造方便的优点。也存在着传动平稳性不如蜗轮传动，抗冲击承载能力不高，噪声较大的缺点。因此斜齿轮
13、减速器在曳引机上应用，要求有很高的疲劳强度，齿轮精度和配合精度；要保证总起动次数2000万次以上不能发生疲劳断裂。在电梯紧急制动，安全钳和缓冲器动作等冲击载荷作用时，确保齿轮不会有损伤，保证电梯运行安全。c行星齿轮减速器行星齿轮减速器具有结构紧凑，减速比大，传动平稳性和抗冲击承载能力优于斜齿轮传动，噪声小等优点。在交流拖动占主导地位的中高速电梯上有广阔的发展前景。它有利于采用小体积，高转速的交流电机；且有维护要求简单、润滑方便、寿命长的特点，是一种新型的曳引几减速器。由于我设计的是四层乘客电梯，要求运行平稳、噪声低等特点，而蜗轮蜗杆减速器正好符合这方面的要求，所以选择蜗轮蜗杆减速器。2有关参数
14、的计算2.1曳引机的确定图2-1 曳引示意图为满足上面曳引条件，在设计曳引系数时应按下式进行T1C1C2/T1C1=(g+a)/(g-a)=(9.8+2)/(9.8-2)=1.51按GB7588-95的电梯制造与安全规范中规定，C1的最小允许值为1.150.63m/sv=1.00m/s对于曳引轮绳槽为半圆行和半圆形下部开切口的C2=1，对于曳引绳槽为V形的C2=1.2采用有齿轮曳引机的电梯v=v电梯运行速度(m/s)D曳引绳轮直径(m)iy曳引比ij减速比N曳引电动机转速(r/min)根据设计参数知：表2-1 电梯曳引机系列载重量/kg速度/(m/s)曳引比中心距/mm模数节模比速比绳轮直径/
15、mm钢丝绳直径/mm静阻距/Nm原动机功率/kW平均转速/(r/min)电机型号10000.63(0.50)1:12506(7)91/53(1/61)660(620)2039.87.5980990JTD1.01:1250792/616202039.811.2980JTD1.61:1200792/616402039.816.01450YTD-2001.751:1200792/617002334171450YTD-2002.2减速器设计2.2.1常用减速器的型式及其应用按照传动结构的特点，可将减速器分为四大类。a圆柱齿轮减速器（1） 渐开线圆柱齿轮减速器（2） 圆弧齿圆柱齿轮减速器b圆锥齿轮减速器
16、（1） 渐开线圆锥齿轮减速器（2） 双曲面齿轮减速器（3） 圆弧齿圆锥齿轮减速器c蜗杆减速器（1） 圆柱蜗杆减速器（2） 环面蜗杆减速器（3） 锥蜗杆减速器d行星齿轮减速装置（1） 渐开线行星齿轮减速装置（2） 少齿差行星齿轮减速装置（3） 摆线针轮减速装置（4） 谐波齿轮减速装置2.2.2减速器的基本构造减速器主要由箱体、轴系部件（传动件、轴及轴承组合）及其附件组成。齿轮、轴及轴承组合: 齿轮、轴及轴承组成典型的轴系部件，是减速器的重要组成部分，设计时应特别注意它们之间的相互影响。齿轮的设计对轴的强度、刚度及轴承的寿命影响很大。原则上齿轮相对支撑应尽可能对称布置，这对减小载荷集中是有利的；高
17、速轴和低速轴上的齿轮布置应远离输入、输出端，以便在弯曲和扭转变形的综合作用下，有利于缓和载荷集中；多级传动的中间轴，其上若采用斜齿轮传动，且一轮为主动，另一轮为从动，两轮旋向应相同，这样轴向力可以抵消一部分，这对轴承的设计是有利的。当齿轮的齿根圆直径减速器常采用滚动轴承。应根据载荷大小和方向及其他性能要求，选择合适的轴承型号。同一轴上的轴承应尽量成对使用，这对轴系部件的受力以及提高轴承孔的加工精度都是有利的。设计时还需注意轴承的润滑和箱内齿轮的润滑的匹配以及轴承的寿命与减速器设计寿命的匹配问题。减速器的轴为转轴，起着支撑齿轮、承受弯矩、传递转矩和对轴上零件进行轴向定位的作用，因此轴必须有足够的
18、强度和刚度以及合理的结构形状。轴的形状应力求简单，以减缓应力集中。在结构允许的情况下，应尽量减小支撑间的跨距，增加轴承和支座的刚度。轴的悬臂端应尽可能短。箱体:箱体是减速器中结构和受力最复杂的零件，目前尚无完整的理论设计方法。因此，一般是在满足强度、刚度的前提下，同时考虑结构紧凑、制造方便、质量轻及使用方便等方面要求，作经验设计。箱体通常用灰铸铁铸造，对于重载荷或有冲击载荷的减速器也可以采用铸钢箱体。箱体通常做成沿轴心线水平剖分的形式，以便于轴承部件的装卸。上箱盖和下箱盖用螺栓联接成一体，轴承座的联接螺栓应尽量靠近轴承底孔，而轴承座旁的凸台，应具有足够的承托面，以便放置联接螺栓，并保证旋紧螺栓
19、时所需的扳手空间，为保证箱体具有足够的刚度，在轴承孔附近应加支撑肋。为保证减速器安置在基础上的稳定性并尽可能减少箱体底座平面的机械加工面积，箱体底座一般不采用完整的平面。按照现代工业美学的要求，箱体造型设计出现了下列趋势：外表几何形状简单，限于直线平面，轴承孔露在外面而肋藏在箱体里面；装地脚螺栓用地脚不伸出箱体的外表面；起吊减速器用的吊耳与箱体铸成一体，箱体没有伸出部分，使减速器在传动的总体布局中易于配置；箱盖顶部的水平面是加工剖分面和安装时对准减速器用的工艺基准面；箱体内的贮油空间增大。当然这种外貌比较整齐美观的箱体结构也存在某些公认的缺点：质量稍有增加；铸造造型工时多；内部清理和涂漆困难。
20、为了减少这些缺点，对中小型减速器，可只在低速级轴孔处下设肋板，一减少肋板数目。附件:为了保证减速器的正常工作，除了应对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计予以足够的重视外，还应考虑到为减速器注油、排油、检查油面高度、加工及拆装检修时箱盖与箱座的精确定位，吊装等辅助零件和部件的合理选择和设计。减速器的传动比分配:在设计两级或多级减速器时，合理地分配各级传动的传动比很重要，因为它将影响减速器的传动性能、尺寸、质量及润滑方式等。根据所选的是齿轮-蜗杆减速器，这类减速器，当齿轮布置在高速级时，为使箱体内结构紧凑和便于润滑，通常取齿轮传动比i1=22.5；。当蜗杆布置在高速级时，可使传动有较高的效率，这时
21、取齿轮传动的传动比i2=(0.030.06)i为宜。2.3轴的设计与计算轴是机械设备中的重要零件之一。其主要功能是支承作回转运动的零件，并传递运动和动力。轴通过轴承与机架相联，装在轴上的零件都围绕轴心线作回转运动，形成了一个以轴为基础的轴系部件。因此，在轴的设计中，不能只考虑轴的本身，还必须计及轴系零（部）件对轴的影响。轴的设计主要包括工作能力计算和结构设计两个方面的内容。2.3.1轴的分类根据轴的受力情况不同，可把轴分成心轴、转轴和传动轴三种。a心轴 工作时仅承受弯矩作用的轴称为心轴。根据工作情况，心轴还可分为固定心轴和转动心轴。如行星减速器中支承行星齿轮的轴和某些卷筒轴。固定心轴，轴的弯曲
22、应力性质随弯矩性质而定；转动心轴，轴的应力为循环变化的弯曲应力，多为对称循环变化。b转轴 工作时，同时承受弯矩和转矩作用的轴称为转轴，如齿轮减速器中的轴。轴中的弯曲应力为循环变应力，其应力性质，常为对称循环变应力和非对称循环变应力，扭转应力性质则随转矩性质而定。c传动轴 只传递转矩，不承受弯矩或承受很小弯矩的轴，称为传动轴。2.3.2轴的常用材料根据电梯启、制动频繁，冲击载荷大的工作特点，减速器中轴的材料，应具有足够的静强度和疲劳强度，并具有一定的韧性、耐磨性和抗腐蚀性。选择轴的材料时除首先要满足使用要求外，还要考虑材料的工艺性及经济性等。轴的材料主要采用碳素钢和锻件。轴的常用材料为优质中碳钢
23、，如35、45、50钢，其中以45钢最为常用。对工作要求较高或较重要的轴，可考虑选用合金钢，如40Cr；不重要的轴可用碳素结构,如Q235、Q255、Q275等。2.3.3轴的结构设计轴的结构设计就是要确定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构设计本身必须同时考虑强度问题，结构不合理往往给强度带来不利的影响。在许多情况下，是轴的结构要求决定了它的外形及尺寸，而且轴的结构设计应使轴具有合理的外形，同时应满足使用和工艺要求，这比强度计算考虑的因素更多。2.4轴承的设计与计算 曳引机用轴承一般分为两大类：滑动轴承及滚动轴承。滚动轴承，适于一般使用条件，起动及工作时摩擦力矩小，起动灵活，效率高；径向游
24、隙小，且可用预紧力的方法，提高支撑刚度及旋转精度；同尺寸轴颈宽度小，轴向尺寸紧凑；属于标准件，型号齐全，更换、维修方便，成本低；润滑简便；承受冲击载荷小，高速时噪声大；径向尺寸大，属整体式，在个别情况下不好安装。总之，它可以在广泛的载荷、转速、精度、尺寸范围内工作。在很多场合逐渐取代了滑动轴承，曳引机设计中也不例外。滑动轴承具有滑动摩擦特性属副低副机构，有减振、抗冲击和降低噪声的性能；结构简单；径向尺寸小承载能力大、寿命长；可剖分安装。但润滑稍困难，维修比较复杂，轴向尺寸大。但从全面分析并结合具体条件和设计水平，采用滚动轴承。采用滚动轴承完全能满足曳引机性能要求，并且能达到良好的产品质量。a曳
25、引轮右端轴承的选择： =500求当量动载荷P：式中-径向载荷，N； -轴向载荷，N； 、-径向动载荷系数和轴向动载荷系数； -冲击载荷系数 其中、可由表查2-2取： 表2-2 径向动载荷系数和轴向动载荷系数轴承类型单列轴承双列轴承深沟球轴承0.0140.0280.0560.0840.110.170.280.420.560.190.220.260.280.300.340.380.420.44100.562.301.991.711.551.451.311.151.041.00100.562.31.991.711.551.451.311.151.041角接触轴承0.0150.0290.0580.08
26、70.120.170.290.440.580.380.40.430.460.470.500.550.560.56100.441.471.401.301.231.191.121.021.001.0011.651.571.461.381.341.261.141.121.120.722.392.382.1121.931.821.661.631.63表2-10中径向载荷系数要根据值查取，是轴承的径向额定静载荷，未选轴承型号前暂不知道，故用试算法计算，根据上表暂取，则，由 查得：，可由表2-3查： 表2-3 冲击载荷系数载荷性质机器举例平稳运转或轻微冲击电机、通风机、汽轮机1.0-1.2中等冲击车辆、机
27、床、起重机、冶金设备1.2-1.8强大冲击破碎机、轧钢机、工程机械1.8-3.0取=1.1计算所需的径向额定动载荷值由下可得：式中-当量动载荷，N； -基本额定寿命，常以为单位；-寿命系数，对于球轴承=3，对于滚子轴承=10/3选择轴承型号：查有关轴承的手册，根据，选得6210轴承，其，.6210轴承的、与初定值相近，所以选用深沟球轴承6210合适。选择轴承型号：查有关轴承的手册，根据，选30212轴承，其.b蜗杆轴承的选用： 求当量动载荷P：根据式，计算所需的径向额定动载荷值由式可得：查有关轴承的手册，根据，选30309轴承，其，2.5联轴器的设计与计算联轴器是用于连接不同机构中两轴，使之同
28、回转，并传递转矩的一种部件。在曳引机中用于联接电动机轴和减速器主动轴（输入轴）。联轴器在曳引机中占有重要位置，若选择不当，会直接影响曳引机的振动、噪声和传动效率，严重时会产生较大附加载荷，影响曳引机的使用寿命。联轴器的种类很多，按其性能分为：a刚性联轴器（1） 套筒联轴器（2） 凸缘联轴器（3） 夹壳联轴器（4） 紧箍咒夹壳联轴器b挠性联轴器（1） 无弹性元件挠性联轴器（2） 非金属弹性元件挠性联轴器（3） 金属弹性元件挠性联轴器2.5.1联轴器选择应考虑的问题在深知所设计产品的工况及技术要求的情况下，选择联轴器应考虑以下问题：a 所需传递转矩大小、载荷性质及产品对缓冲和减振方面的要求；b 轴
29、的转速高低和引起的离心力大小；c两轴对位移大小（径向位移、轴向位移、角位移）；d联轴器的制造、安装、维修、成本。曳引机联轴器的选用应首先考虑曳引机工况条件，联轴器的工作特性两者接近时即可采用。曳引机是在输入轴与电动机轴间安装有联轴器。一般情况下，为了使结构紧凑、外观美观，多把联轴器和制动轮作为一体，所以多用弹性柱销联轴器2.5.2联轴器的理论转矩：计算转矩：其中-许用名义转矩，由手册查出；-载荷系数，见表2-4。在选取值时要注意：刚性联轴器和无弹性元件的挠性联轴器宜取大值；弹性联轴器宜取小值； 联轴器的规格选择：联轴器的规格选择：查手册选取型弹性柱销联轴器表2-4 载荷系数K动力机特性工作机特
30、性转矩变化小转矩变化冲击载荷中等转矩变化冲击载荷大电动机、汽轮机1.3-1.51.7-1.92.3-3.1多缸内燃机1.5-1.71.9-2.12.5-3.3单、双缸内燃机1.8-2.42.2-2.82.8-4.0取=2.93 PLC 电梯控制系统的设计3.1 PLC 系统概述3.1.1 PLC 的定义由于 PLC 在不断发展，因此，对它下一个确切的定义是困难的。在二十世纪七十年代PLC 问世后，由美国电气制造商协会(National Electric Manufacturer Associa-tion-NEMA)对 PLC 下过如下的定义:PLC 是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储
31、器来存储指 令，实现逻辑运算、顺序运算、计数计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程 进行控制。1982 年，国际电工委员会(International Electrical Committee-IEC)颁布了 PLC 标 准草案，1985 年提交了第 2 版，1987 年的第 3 版对 PLC 作了如下的定义:PLC 是一种专门 为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器， 用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能 通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外 围设备都应按照易
32、于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。上述的定义表明，PLC 是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，它有与其他顺序控制装置不同的特点。3.1.2 PLC 的特点PLC 能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些下列特点可靠性1.可靠性对可以维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。PLC 的可靠性高，表现在下列几方面。(1)与继电器逻辑控制系统比较，PLC 可靠性提高的主要原因:1) PLC 不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少。与此同时，系统 的维修简单、维修时间缩短，因此可靠性得到提高。2) PLC 采用了一系列可靠性设计的方法进行设
33、计，例如冗余设计、掉电保护、故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性得到提高。3) PLC 有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因此对操作和维修人员的技能要求降低，容易学习和掌握，不容易发生操作的失误，可靠性高。(2)与通用的计算机控制系统比较，PLC 可靠性提高的主要原因:1) PLC 是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了经简化的编程语言，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。因此，PLC 的可靠性较通用计算机控制系统的可靠性有较大提高。2)在 PLC 的硬件设计方面，采
34、用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的 元件:采用先进的工艺制造流水线生产;对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等，设有对电源的掉 电保护、存储器内容的保护并采用看门狗和其他自诊断措施、便于维修的设计等等。3)在 PLC 的软件设计方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波、软件自诊断、简化编程语言、信息保护和恢复、报警和运行信息的显示等等。 一份用户选用 PLC 原因的调查报告指出，在各种选用 PLC 的原因中，第一位的原因是由于 PLC 可靠性高的用户达 93%。其次，才是性能和维修方便等原因。可见，可靠性高是PLC 的主要特点。易操作性PLC 的易操作性表现在下列三个方
35、面:(1)操作方便对 PLC 的操作包括程序输入的操作和程序更改的操作。大多数 PLC 采用 编程器进行程序输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的 PLC， 编程器采用 CRT 屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根 据所需的地址编号、继电器编号或触点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信 息可在液晶屏或 CRT 屏幕上显示。所以 PLC 具有操作方便的特点。(2)编程方便 PLC 有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，梯形图由于与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。所以有利于程序的编写和学习。采用布尔助记 符编程语言时，由于符号
36、是功能的简单缩写，十分有利于编程人员的编程。虽然功能表图、 功能模块图和高级描述语句的编程方法应用尚未普及，但是，由于它们具有功能清晰、易 于理解等优点，正为广大技术人员所接纳和采用,并发挥出更有效的功能特点。(3)维修方便 PLC 所具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低了。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障信号灯的提示和故障代码 的显示，或通过编程器和 CRT 屏幕的显示，很快地找到故障所在的部位，为迅速排除故障 和修复节省了时间。为便于维修工作的开展，有些 PLC 的制造企业提供了维修用的专用仪表或设备，提供了故障树等维修用的资料。有些厂商还提供维修用
37、的智能卡件或插件板，使维修工作变得十分方便。PLC 的面板和结构的设计也考虑了维修的方便性，例如，对需维修的部件设置在便于 维修的位置，信号灯设置在易于观察的部位，接线端子采用便于接线与更换的类型等，这 些设计使维修工作能方便地进行，从而大大节省维修时间。采用标准化元件和标准化工艺生产流水线作业，使维修用的备品备件简化，也使维修变得方便。灵活性 PLC 的灵活性表现在下列三方面:(1)编程的灵活性 PLC 采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块 图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。编程方法的多样性使编 程方便，应用面拓展。由于采用软连接的方法，在生产工艺流
38、程更改或者生产设备更换时， 可以不必改变 PLC 的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这种编程的灵 活性是继电器顺序控制系统所不能比拟的。正是由于编程的柔性特点，使 PLC 能大量地替 代继电器顺序控制系统，成为当今工业控制领域的重要控制设备。在柔性制造单元(FMC)、 柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和计算机集成过程控制系统(CIPS)中，PLC 正成为主要的控制设备，得到广泛的应用。(2)扩展的灵活性 PLC 的扩展灵活性是它的一个重要的特点。它可根据应用的规模不 断扩展，即可进行容量的扩展，功能的扩展，应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增 加输入输出
39、单元来增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，也可以通过多台 PLC 的通信来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统(DCS)或其他上位机的通信来扩展它的功能，并与外部设备进行数据的交换等。这种扩展的灵活性大大地方便了用户。(3)操作的灵活性操作的灵活性是指设计的工作量大大减少，编程的工作量和安装施 工的工作量大大减少，操作十分灵活方便，监视和控制变得容易。在继电器顺序控制系统 中所需的一些操作可以简化，不同的生产过程可采用相同的控制台或控制屏等。3.1.3 PLC 与继电器控制系统的比较几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工 业领域中大量地应用，然而其控
40、制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和 发展，与 PLC 相比较，存在着质的差别，表 1-1 给出了 PLC 与继电器控制系统功能与特点 的比较。3.1.4 PLC 的基本结构PLC 的型号、规格繁多。它主要由中央处理单元 CPU、存储器、输入、输出等部分组成。中央处理单元 CPUCPU 是 PLC 的核心，其主要作用是:(1)接收从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中;(2)用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入相应的数据寄存器;(3)执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序解释后逐条执 行，完成程序规定的逻辑和算术运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，
41、实现程序规 定的各种操作。(4)通过故障自诊断程序，诊断 PLC 的各种运行错误。因此，CPU 的性能对 PLC 的整机性能有着决定性的影响。存储器PLC 的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。(1)系统程序存储器该存储器存放系统程序(系统软件)。系统程序是 PLC 研制者所编的程序，它是决定 PLC 性能的关键。系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标准子程序库及其他 各种管理程序等。系统程序由制造厂家提供，一般都固化在 ROM 或 EPROM 中，用户不能直接存取。系统程序用来管理、协调 PLC 各部分的工作，翻译、解释用户程序，进行故障诊断等(2)用户程序存储器
42、该存储器存放用户程序(应用软件)。用户程序是用户为解决实际问题并根据 PLC 的指 令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经 CPU 存放入用户存储器。为便于程序的调试、 修改、扩充、完善，该存储器使用 RAM。(3)变量(数据)存储器变量存储器存放 PLC 的内部逻辑变量，如内部继电器、I/O 寄存器、定时器/计数器中 逻辑变脸的现行值等，这些现行值在 CPU 进行逻辑运算时需随时读出、更新有关内容，所 以，变量存储器也采用 RAM。现今用户程序存储器和变量存储器常采用低功耗的 CMOS-R AM 及铿电池供电的掉电保持技术，以提高运行可靠性。通常 PLC 产品资料中所指的内存储器 容量，是
43、指用户程序存储器而言，且以字(16 位/字)为单位来表示存储器的容量。输入输出接口(简称 I/O )输入输出接口是 CPU 与工业现场装置之间的连接部分，是 PLC 的重要组成部分。与微 机的 I/O 接口工作于弱电的情况不同， PLC 的 I/O 接口是按强电要求设计的，即其输入接 口可以接受强电信号，其输出接口可以直接和强电设备相连接。对于小型 PLC，厂家通常将 I10 部分就装在 PLC 的本体部分，而对于中、大型 PLC 各厂家通常都将 I/O 部分做成可供选取、扩充的模块组件，用户可根据自己的需要选取不同功能、不同点数的 I/O 组件来组成自己的控制系统。为便于检查，每个 I/O
44、点都接有指示灯，某点接通时，相应的指示灯发光指示。用户可以方便地检查各点的通断状态 输入接口输入接口的功能是采集现场各种开关接点的状态信号，并将其转换成标准的逻辑电平，送给 CPU 处理。 一般的输入信号多为开关量信号，各种开关量输入接口的基本结构大同小异，常有直流和交流开关量输入接口电路两种。交流开关量输入接口电路与直流开关量输入接口电路的主要区别是，前者要由现场提供交流电流，输入的交流信号经整流后得到直流，再去驱动光电祸合器。 在机械设备中，除开关量外，还常遇到一些模拟量如温度、压力、位移和速度等。对这些模拟量进行采集时，必须经模数转换器(ACD)将模拟量转换成数字量，才能为 PLC 的C
45、PU 所接受。输出接口为适应不同的负载，输出接口有多种方式。常用的有晶体管输出方式、晶闸管输出方 式和继电器输出方式。晶体管输出方式用于直流负载:双向晶闸管输出方式用于交流负载， 继电器输出方式可用于直流负载，也可用于交流负载。一些 PLC 还真有模拟输出接口，用于需要摸拟信号驱动的负载。编程器编程器是 PLC 中一种主要的外部设备，它是开发、维护 PLC 控制系统的必备设备。编 程器用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视，还可以通过其键盘去调用与显示 PLC 的一些内部状态和系统参数。它通过通信端口与 CPU 联系，完成人机对话连接。编程器上 有供编程用的各种功能键和显示灯，以及编程、监控转换开关。编程器的键盘采用梯形图 语言键符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。编程器有便携式和 CRT
