壓縮包內(nèi)含CAD圖紙和三維建模及說(shuō)明書,咨詢Q 197216396 或 11970985
摘 要
在21世紀(jì)里存在一種普遍的現(xiàn)象就是：人們出行大都以車代步，成年人基本人手一本駕照，這體現(xiàn)了隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們對(duì)生活的方便快捷性有了更高的要求。不僅在外是以車代步，而且在同一棟高層建筑樓里也頻繁的使用電梯。由于人們的快節(jié)奏生活，對(duì)電梯的要求也越來(lái)越高。在辦公大樓里每天都有成千上萬(wàn)的人們?cè)陔娞堇镞M(jìn)進(jìn)出出，這足以看出電梯對(duì)人們的重要性。為了提高人們乘坐電梯時(shí)的舒適感，工程人員從未停止對(duì)電梯系統(tǒng)的研究。
由于電梯的誕生就是為了滿足人類的需求，所以在對(duì)電梯的改進(jìn)方面不僅是它的結(jié)構(gòu)，更重要的是它的控制系統(tǒng)。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)可以控制它的運(yùn)行速度、平層精度、運(yùn)行效率等這些都和乘客的乘坐體驗(yàn)息息相關(guān),所以這次設(shè)計(jì)的著力點(diǎn)就是設(shè)計(jì)一個(gè)比較合適且先進(jìn)的控制系統(tǒng)。由于之前的繼電器控制電梯系統(tǒng)有許多缺點(diǎn)，才使電梯PLC控制系統(tǒng)成為比較受歡迎的控制方法。要通過(guò)PLC來(lái)控制電梯，需要編程，而編程語(yǔ)言使用梯形圖來(lái)表示。
關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng)；電梯；梯形圖
Abstract
In the 21st century there is a common phenomenon is: people travel most of the car travel, most adults have a driver's license which reflects the progress of the times, people's convenience of life has a higher demand. Not only outside the car to travel, but also in the same high-rise building also frequently use the elevator. As people's fast-paced life, the requirements of the elevator is getting higher and higher. In the office building every day tens of thousands of people in and out of the elevator, which is enough to see the importance of the elevator for people. In order to improve the comfort of people taking the elevator, engineers never stop the study of the elevator system.
As the birth of the elevator is to meet the needs of mankind, the improvement of the elevator is not only its structure, more importantly, its control system. Because the control system can control its running speed, leveling accuracy, operational efficiency and so on and passengers ride experience is closely related, the focus of this design is to design a more appropriate and advanced control system. As the previous relay control elevator system has many shortcomings, so that the elevator PLC control system has become a more popular control method. To control the elevator through the PLC, you need to program, and the programming language is represented by a ladder diagram.
Key words:PLC control system;Elevator; Ladder diagram
目錄
1.緒論 1
1.1 課題的研究背景 1
1.2 電梯的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2
1.3 PLC在電梯控制中的應(yīng)用以及發(fā)展前景 3
2.電梯概述 5
2.1 電梯的基本結(jié)構(gòu) 5
2.2 電梯的種類 7
3.電梯控制系統(tǒng)的選擇 9
3.1 PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較 9
3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)的比較 9
3.3可編程控制器（PLC）的選型 10
3.4 可編程序控制器的工作方式 10
4.三菱FX2N 系列可編程序控制器介紹 12
4.1 FX2N系列的基本邏輯指令 12
4.2三菱FX2N系列PLC介紹 13
5.電梯PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15
5.1電梯的主電路 15
5.2門機(jī)電路、抱閘電路、門鎖及安全運(yùn)行電路 16
5.3 電梯的控制系統(tǒng)輸入輸出設(shè)計(jì) 17
5.4 電梯梯形圖程序設(shè)計(jì) 22
5.5電梯程序調(diào)試 34
6.總結(jié) 36
參考文獻(xiàn) 37
致 謝 38
附錄1：外文譯文 39
附錄2：外文文獻(xiàn) 42
72
電梯PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.緒論
1.1 課題的研究背景
電梯是高層賓館、商店、住宅、多層廠房和倉(cāng)庫(kù)等高層建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑物規(guī)模越來(lái)越大，樓層越來(lái)越多，對(duì)電梯的調(diào)速精度、調(diào)速范圍等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求。
電梯是集機(jī)電一體的復(fù)雜系統(tǒng)，不僅涉及機(jī)械傳動(dòng)、電氣控制和土建等工程領(lǐng)域，還要考慮可靠性、舒適感和美學(xué)等問(wèn)題。而對(duì)現(xiàn)代電梯而言，應(yīng)具有高度的安全性。事實(shí)上，在電梯上已經(jīng)采用了多項(xiàng)安全保護(hù)措施。在設(shè)計(jì)電梯的時(shí)候，對(duì)機(jī)械零部件和電器元件都采取了很大的安全系數(shù)和保險(xiǎn)系數(shù)。然而，只有電梯的制造，安裝調(diào)試、售后服務(wù)和維修保養(yǎng)都達(dá)到高質(zhì)量，才能全面保證電梯的最終高質(zhì)量。在國(guó)外，已“法規(guī)”實(shí)行電梯制造、安裝和維修一體化，實(shí)行由各制造企業(yè)認(rèn)可的、法規(guī)認(rèn)證的專業(yè)安裝隊(duì)伍維修單位，承擔(dān)安裝調(diào)試、定期維修和檢查試驗(yàn)，從而為電梯運(yùn)行的可靠性和安全性提供了保證。因此，可以說(shuō)乘坐電梯更安全。美國(guó)一家保險(xiǎn)公司對(duì)電梯的安全性做過(guò)認(rèn)真地調(diào)查和科學(xué)計(jì)算，其結(jié)論是：乘電梯比走樓梯安全5倍。掘資料統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)乘其他交通工具的人數(shù)每年約為80億人次，而乘電梯的人數(shù)每年卻有540億人次之多。目前，由可編程序控制器(PLC)和微機(jī)組成的電梯運(yùn)行邏輯控制系統(tǒng)，正以很快的速度發(fā)展著。采用PLC控制的電梯可靠性高、維護(hù)方便、開發(fā)周期短，這種電梯運(yùn)行更加可靠，并具有很大的靈活性，可以完成更為復(fù)雜的控制任務(wù)，己成為電梯控制的發(fā)展方向。
可編程序控制器，是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機(jī)控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計(jì)算機(jī)。自1969年針對(duì)工業(yè)自動(dòng)控制的特點(diǎn)和需要而開發(fā)的第一臺(tái)PLC問(wèn)世以來(lái)，迄今己30多年，它的發(fā)展雖然包含了前期控制技術(shù)的繼承和演變，但又不同于順序控制器和通用的微機(jī)控制裝置。它不僅充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)來(lái)滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)控制要求，同時(shí)也照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維護(hù)人員的技能和習(xí)慣，摒棄了微機(jī)常用的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的表達(dá)方式，獨(dú)具風(fēng)格地形成一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的形象編程語(yǔ)言和模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，使用戶程序的編制清晰直觀、方便易學(xué)，調(diào)試和查錯(cuò)都很容易。用戶買到所需PLC后，只需按說(shuō)明書或提示，做少量的安裝接線和用戶程序的編制工作，就可靈活而方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。而且用戶程序的編制、修改和調(diào)試不需要具有專門的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言知識(shí)。這樣就破除了“電腦”的神秘感，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的普遍應(yīng)用?？删幊绦蚩刂破鱌LC在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制中是最值得重視的先進(jìn)控制技術(shù)。PLC現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱(PLC、CAD/CAM、ROBOT)之一，以其可靠性、邏輯功能強(qiáng)、體積小、可在線修改控制程序、具有遠(yuǎn)程通信聯(lián)網(wǎng)功能，易與計(jì)算機(jī)接口、能對(duì)模擬量進(jìn)行控制、具備高速記數(shù)與位控等高性能模塊等優(yōu)異性能，同益取代由大量中間繼電器、時(shí)間繼電器、記數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)的繼電一接觸控制系統(tǒng)，在機(jī)械、化工、石油、冶金、輕工、電子、紡織、食品、交通等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。PLC的應(yīng)用深度和廣度已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。
總之，電梯的控制是比較復(fù)雜的，可編程控制器的使用為電梯的控制提供了廣闊的空間。PLC是專門為工業(yè)過(guò)程控制而設(shè)計(jì)的控制設(shè)備，隨著PLC應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，將使得它的體積大大減小，功能不斷完善，過(guò)程的控制更平穩(wěn)、可靠，抗干擾性能增強(qiáng)、機(jī)械與電氣部件有機(jī)地結(jié)合在一個(gè)設(shè)備內(nèi)，把儀表、電子和計(jì)算機(jī)的功能綜合在一起。因此，它已經(jīng)成為電梯運(yùn)行中的關(guān)鍵技術(shù)。
1.2 電梯的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
在經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異的今天，樓的高度已和經(jīng)濟(jì)發(fā)展同樣的速度成長(zhǎng)起來(lái)。電梯作為建筑物內(nèi)的主要運(yùn)輸工具已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊粋€(gè)不可缺少的組成部分。一個(gè)國(guó)家的電梯需求總量，主要受其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度、城市化水平、人口密度及數(shù)量、國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等綜合因素的影響。我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)以較高的速度持續(xù)增長(zhǎng)，城市化水平不斷提高。這從客觀上導(dǎo)致了我國(guó)電梯行業(yè)的空前繁榮景象，我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的電梯市場(chǎng)。上世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)高速發(fā)展，我國(guó)電梯需求量越來(lái)越大?？傏厔?shì)是上升的，進(jìn)入了“第三次浪潮”，2004年總產(chǎn)量超過(guò)了8萬(wàn)臺(tái)，而且目前還沒(méi)有減速的跡象。從1949年建國(guó)以來(lái)全國(guó)共生產(chǎn)安裝了6l萬(wàn)多臺(tái)電梯。盡管如此，我國(guó)的電梯遠(yuǎn)未達(dá)到飽和的程度。全世界平均1000人有l(wèi)臺(tái)電梯，我國(guó)如果要達(dá)到這個(gè)水準(zhǔn)，還需要增加70萬(wàn)臺(tái)。到那時(shí)候，全國(guó)在用電梯將達(dá)到130萬(wàn)臺(tái)，每年僅報(bào)廢更新就需要6萬(wàn)臺(tái)。到2005年，中國(guó)電梯的年產(chǎn)量達(dá)到13．5萬(wàn)臺(tái)，與1980年相比，25年增長(zhǎng)了59倍，產(chǎn)量每年平均增長(zhǎng)17．8％。2005年安裝驗(yàn)收電梯124465臺(tái)，截至05年底，我國(guó)的在用電梯總數(shù)已達(dá)651794臺(tái)。如此龐大的市場(chǎng)需求為我國(guó)電梯行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的舞臺(tái)!
我國(guó)電梯行業(yè)已經(jīng)具備了很強(qiáng)的生產(chǎn)能力。興旺的電梯市場(chǎng)吸引了全世界所有的知名電梯公司，美國(guó)奧的斯、瑞士迅達(dá)、芬蘭通力、德國(guó)蒂森、日本三菱、日立、東芝、富士達(dá)等13家大型外商投資公司在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)份額達(dá)到了74％。先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)管理的引進(jìn)對(duì)國(guó)內(nèi)電梯企業(yè)產(chǎn)生了強(qiáng)大的推動(dòng)作用。蘇州江南、山東百斯特、浙江巨人、上海華立、昌華、東莞飛鵬、寧波宏大、蘇州申龍和東南液壓電梯等一批優(yōu)秀的電梯品牌看清了自己的定位與出路。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需要的電梯產(chǎn)品，我國(guó)電梯行業(yè)幾乎全部可以生產(chǎn)，不但大量替代了進(jìn)口，而且有一定的出口。國(guó)產(chǎn)電梯的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量正在穩(wěn)步提高。自1985年我國(guó)參加了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TCl78以來(lái)，先后等同或等效采用了一批國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的高起點(diǎn)使我國(guó)電梯行業(yè)在技術(shù)上居于有利地位。許多新技術(shù)和新產(chǎn)品，如無(wú)機(jī)房電梯、無(wú)齒輪曳引機(jī)、永磁同步拖動(dòng)技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)等，國(guó)際上也是剛剛出現(xiàn)，我國(guó)就有許多企業(yè)可以生產(chǎn)了。國(guó)產(chǎn)電梯以其高質(zhì)量，低成本的優(yōu)勢(shì)贏得了越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外客戶，為逐步進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)創(chuàng)造了有利條件。
中國(guó)電梯在亞洲市場(chǎng)占有越來(lái)越重要的位置，每年銷售量己達(dá)l萬(wàn)臺(tái)左右，約占亞洲市場(chǎng)的1/50，一些合資企業(yè)在出口創(chuàng)匯方面也做出了貢獻(xiàn)。當(dāng)今世界，電梯的生產(chǎn)情況與使用數(shù)量已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化程度的標(biāo)志之一。在一些發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家，電梯的使用相當(dāng)普遍。
世界上有名的幾家電梯公司，諸如：美國(guó)奧的斯公司、瑞士迅達(dá)公司、日本三菱和日立公司、芬蘭科恩等，其電梯的產(chǎn)量已占世界市場(chǎng)的51％。其中，奧的斯公司和三菱公司是世界上最大的電梯生產(chǎn)企業(yè)。目前，國(guó)外除了以交流電梯取代直流電梯以外，在低層樓房越來(lái)越多的使用液壓電梯。此外，家用小型電梯將成走電梯家族中新的組成部分。
1.3 PLC在電梯控制中的應(yīng)用以及發(fā)展前景
目前，在電梯的控制方式上，主要有繼電器控制、PLC控制和微型計(jì)算機(jī)控制三種。而PLC實(shí)際上是一種專用計(jì)算機(jī)，它采用循回掃描的方式分時(shí)處理各項(xiàng)任務(wù)，而且依靠程序運(yùn)行，這就保證只有正確的程序才能運(yùn)行，否則電梯不會(huì)工作；又由于PLC中的內(nèi)部輔助繼電器及保持繼電器等實(shí)際上是PLC系統(tǒng)內(nèi)存工作單元，即無(wú)線圈又無(wú)觸點(diǎn)，使用次數(shù)不受限制，屬無(wú)觸點(diǎn)運(yùn)行，因此，它比繼電器控制有著明顯的優(yōu)越性，運(yùn)行壽命更長(zhǎng)，工作更加可靠安全，自動(dòng)化水平更高。PLC控制是三種控制方式中最具有可靠性、實(shí)用性和靈活性的控制方式，它更適合于用在電梯的技術(shù)改造和控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代，是電梯控制系統(tǒng)中理想的控制新技術(shù)。
隨著科技的進(jìn)步，電梯也更加安全、舒適。然而，人們的追求并沒(méi)有就此停止下來(lái)，仍在不斷地進(jìn)行研究改進(jìn)。綠色是和平，綠色是天然，綠色是和諧。電梯是載人的機(jī)電設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)“綠色”，也就是強(qiáng)調(diào)電梯更舒適、更安全地為人類的生產(chǎn)和生活服務(wù)，強(qiáng)調(diào)電梯與環(huán)境的協(xié)調(diào)與和諧。
目前意義上的“綠色”，一般是強(qiáng)調(diào)“天然”的一面，強(qiáng)調(diào)與環(huán)境的協(xié)調(diào)與和諧。電梯屬于純粹的工業(yè)產(chǎn)品，其天然性應(yīng)表現(xiàn)為對(duì)環(huán)境影響的盡可能小，與環(huán)境的協(xié)調(diào)與平衡，以及電梯本身的人性化。這也應(yīng)是綠色電梯的發(fā)展方向。
(1)智能化。我們這罩所說(shuō)的智能化電梯是傳統(tǒng)的人工智能是無(wú)法勝任的。傳統(tǒng)的智能控制是一種技術(shù)的事先安排，說(shuō)到底是一種程序控制，是一種周期性的系統(tǒng)自動(dòng)控制，實(shí)際上還算不上智能。而真正的智能電梯應(yīng)更具人性化特點(diǎn)，不僅具有傳統(tǒng)的人工智能的所有優(yōu)點(diǎn)，而且還有傳統(tǒng)的人工智能無(wú)法比擬的東西，具有動(dòng)念和隨機(jī)處理各種問(wèn)題的能力，諸如能根據(jù)轎廂內(nèi)的情況和各層的候梯信息，自動(dòng)地制定每次最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)速度和停車政策；自動(dòng)選擇運(yùn)動(dòng)方面；雙向語(yǔ)音交流；到達(dá)目的層的語(yǔ)音提示等，讓乘客有更多的主動(dòng)性，使大樓交通運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)真正的人機(jī)對(duì)話。智能化要求電梯有自動(dòng)安全檢測(cè)功能，讓電梯自己能夠檢測(cè)到電梯的故障所在，并及時(shí)報(bào)警予以排除。
(2)安全。運(yùn)行安全是電梯的根本和關(guān)鍵。可以說(shuō)，電梯的全部其他工作都是以此為中心展開的，使電梯安全運(yùn)行更有保障。運(yùn)行安全不僅要消除電梯啟動(dòng)時(shí)較強(qiáng)的電磁輻射，使用安全材料和運(yùn)行穩(wěn)定，而且要有一種良好的視覺(jué)效果，讓每一位乘客在寬敞、明亮轎廂內(nèi)有安全、舒適的好心情。同時(shí)，電梯運(yùn)行安全也要求電梯在運(yùn)行中發(fā)生故障時(shí)，不但要使乘客容易與外界溝通聯(lián)系，而且電梯本身應(yīng)當(dāng)能自動(dòng)播放讓乘客感到放松的音樂(lè)，徹底消除產(chǎn)生緊張不安的情緒。當(dāng)小孩和老人乘坐時(shí)，電梯對(duì)他們應(yīng)給予一種如同家人般的照顧，不但讓老人和孩子感到方便和舒適，而且更讓其家人感到放心。電梯運(yùn)行安全還要求電梯有自動(dòng)休眠功能，使電梯在保證運(yùn)行效率最高的同時(shí)，使電梯能最大限度地得到休眠。
(3)與環(huán)境的協(xié)調(diào)和平衡，包括以下幾個(gè)方面：
①視覺(jué)協(xié)調(diào)。有人曾經(jīng)做過(guò)環(huán)境色彩是否對(duì)人有影響的研究。該研究發(fā)展：視覺(jué)不協(xié)調(diào)的環(huán)境色彩對(duì)人的情緒、精神影響非常大。國(guó)內(nèi)的許多電梯公司對(duì)此的重視是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，甚至不少通過(guò)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的電梯也顯露出一副土生土長(zhǎng)的容貌。
②消除電磁輻射。如前所述，由于電梯是大樓里頻繁起制動(dòng)的大容量電器是電磁干擾的元兇，所以綠色電梯必須是一個(gè)達(dá)到自身對(duì)大樓電磁干擾最小，而又不被其他電磁干擾影響的建筑機(jī)電設(shè)備。這樣不僅可以保證乘客的身心健康，而且也可以保證大樓、大廈中的大樓的辦公自動(dòng)化(OA)、樓宇自動(dòng)化(BA)、通訊自動(dòng)化(CA)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
③舒適感。通過(guò)采用高載頻波矢量靜音變頻器，可降低噪聲變換頻率及電壓。以CPU控制電壓及頻率的連續(xù)變換方式，按人體生理適應(yīng)要求，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)而成的理想運(yùn)行曲線，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更舒適的運(yùn)行。
對(duì)現(xiàn)代化電梯性能的衡量，主要著重于可靠性、安全性和乘坐的舒適性。此外，對(duì)經(jīng)濟(jì)性、能耗、噪聲等級(jí)等方面也有相應(yīng)要求。
2.電梯概述
2.1 電梯的基本結(jié)構(gòu)
電梯的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。
圖2-1 電梯的基本結(jié)構(gòu)
1 控制柜(屏) 2 曳引機(jī) 3 曳引鋼絲繩 4 限速器 5 限速器鋼繩 6 限速器張緊裝置 7 轎廂 8 安全鉗 9 轎廂門安全觸板 10 導(dǎo)軌 11 對(duì)重 12 廳門 13 緩沖器
(1)曳引系統(tǒng)
電梯能夠?qū)崿F(xiàn)正常的運(yùn)行，必須得有一個(gè)可以驅(qū)動(dòng)電梯的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)就是電梯的曳引系統(tǒng)。由于通過(guò)此系統(tǒng)可以輸出動(dòng)力和傳遞動(dòng)力，所以它就實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的一個(gè)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)電梯的驅(qū)動(dòng)，此系統(tǒng)也需要有多個(gè)部件組成。其中包括為了實(shí)現(xiàn)電梯的正常運(yùn)行必須要有的一個(gè)動(dòng)力來(lái)源，這個(gè)來(lái)源就是曳引機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)它的這個(gè)功能，它必須要有電磁制動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、連軸器、曳引輪、減速箱這幾個(gè)至關(guān)重要的配件。毗連轎廂和對(duì)重的是對(duì)應(yīng)曳引鋼絲的兩頭，來(lái)實(shí)現(xiàn)轎廂的起落功效的是鋼絲繩和曳引輪之間的磨擦。實(shí)現(xiàn)電梯的正常運(yùn)行光有曳引機(jī)是不夠的，因?yàn)殡娞菡＿\(yùn)行時(shí)，轎廂和對(duì)重之間必須要有一定的間距，導(dǎo)向輪就能滿足此需求。
(2)導(dǎo)向系統(tǒng)
電梯在正常運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，轎廂和對(duì)重只能有一個(gè)自由度，否則電梯將出現(xiàn)安全隱患。為了滿足這個(gè)要求，特意設(shè)定了導(dǎo)向系統(tǒng)，它可以保持轎廂和對(duì)重只有一個(gè)自由度。
(3)門系統(tǒng)
電梯的門系統(tǒng)正如我們?nèi)粘Ｉ钪兴?jiàn)到的那樣由轎廂門，層門，開門，連動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。其中層門顧名思義就設(shè)定在層站入口處，而轎廂門也在轎廂入口，作為轎廂和層門動(dòng)力源的開門機(jī)則在轎廂上。
(4)轎廂
設(shè)計(jì)電梯的初衷就是為了方便人們，節(jié)約人們上下樓梯的時(shí)間，減輕人們需要上下樓梯的費(fèi)力度。就像人們乘坐火車時(shí)需要到車廂里一樣，電梯也有相應(yīng)的“車廂”，就是轎廂。
(5)重量平衡系統(tǒng)
此系統(tǒng)的功能是為了保證電梯的運(yùn)行的平穩(wěn)和正常。
(6)電力拖動(dòng)系統(tǒng)
電梯設(shè)計(jì)出來(lái)最終的目的都是為了滿足社會(huì)大眾的需求，再此基礎(chǔ)上還需增加乘客乘坐電梯時(shí)有一個(gè)好的體驗(yàn)。盡量少的去減少電梯運(yùn)行的速度變化率，讓電梯在運(yùn)行中速度保持比較平穩(wěn)，平層精度也比較好的系統(tǒng)就是電力拖動(dòng)系統(tǒng)。
(7)電氣控制系統(tǒng)
之前的那些系統(tǒng)都是電梯的一些硬件系統(tǒng)，但是光有那些硬件系統(tǒng)沒(méi)有一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)電梯功能的軟件控制系統(tǒng)也是不行的。就像人只有身體卻沒(méi)有思想和靈魂如同行尸走肉一般。所以電梯的“思想和靈魂”就是能夠?qū)崿F(xiàn)它正常運(yùn)行的一個(gè)軟件控制系統(tǒng)即電氣控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)的控制裝置，顧名思義就是為了控制電梯的運(yùn)行并且是根據(jù)電梯的運(yùn)行邏輯功能要求來(lái)的，把它設(shè)置在機(jī)房中的控制柜上。能夠?qū)崿F(xiàn)人們對(duì)電梯的操作，所以特意有了一個(gè)操作裝置。而且，就像人們乘坐公交車在能看到車窗外風(fēng)景的情況下還是在廣播里播報(bào)到站的地點(diǎn)就為了提醒乘客繼而方便乘客一樣，電梯也擁有有類似的功能的一個(gè)位置顯示裝置去提醒人們想要知道的信息。
(8)安全保護(hù)系統(tǒng)
每個(gè)物體的使用，都存在一定的安全性。所以每個(gè)產(chǎn)品在開始設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)該考慮到一個(gè)安全保護(hù)的系統(tǒng)，電梯也不列外。
2.2 電梯的種類
(1)按用途分類
乘客電梯：在日常生活中為了方便人們的上下樓梯，節(jié)約時(shí)間，特意需要乘坐電梯的乘客設(shè)計(jì)的電梯。
載貨電梯：為了滿足一部分人員往高層運(yùn)送貨物的需求，降低那些需要運(yùn)送貨物的乘客的費(fèi)力度，特意設(shè)計(jì)了專門運(yùn)送貨物的電梯，且乘客也得在上面照看他們的貨物。
醫(yī)用電梯：為了方便病人、醫(yī)護(hù)人員需使用的某些醫(yī)療器械而專門為那些醫(yī)療器械而設(shè)計(jì)的長(zhǎng)而窄的電梯。
雜物電梯：專供那些需要運(yùn)送到指定地點(diǎn)的雜貨而實(shí)際的電梯。
觀光電梯：在一些旅游勝地或游樂(lè)場(chǎng)之類的場(chǎng)所，特意為游客們?cè)O(shè)計(jì)的，便于他們欣賞外面怡人的風(fēng)景。
車輛電梯：在一些特殊的場(chǎng)合，特意為運(yùn)送車輛而設(shè)計(jì)的電梯。
船舶電梯：有一些船上也設(shè)計(jì)了好幾層的空間，為了減少人們的費(fèi)力度而特意設(shè)計(jì)的。
建筑施工電梯：在一些還沒(méi)有完成建設(shè)的施工現(xiàn)場(chǎng)，專門為方便施工人員而設(shè)計(jì)的“交通工具”。
生活中還有很多各種各樣用途的電梯，只要哪里需要哪里就會(huì)有的。
(2)按驅(qū)動(dòng)方式分類
交流電梯：生活中電流都會(huì)有交流和直流之分，電梯也不例外。用交流電源驅(qū)動(dòng)的電梯就叫做交流電梯。
直流電梯：同上，用直流電源驅(qū)動(dòng)的叫直流電梯。
齒輪齒條電梯：利用齒輪齒條的嚙合來(lái)驅(qū)動(dòng)的電梯。
(3)按速度分類
就如人們正常生活中的交通工具一樣：有火車、動(dòng)車、高鐵、飛機(jī)等。這幾種方式最后都能到達(dá)目的地，但需花費(fèi)的價(jià)錢不一樣。原因就在于它們的速度不同，同樣的路程所花費(fèi)的時(shí)間不一樣。同理，根據(jù)人們生活中的不同需求，電梯也有快慢之分。
超高速梯：以目前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，V≥5.00m/s的電梯就屬于超高速了。
高速梯：2.00m/s≤V≤5.00m/s的電梯。
中速梯：1.00m/s≤V≤5.00m/s的電梯。
低速梯： V≤1.00m/s的電梯。
(4)按電梯有無(wú)司機(jī)分類
有司機(jī)電梯：這種電梯不能根據(jù)乘客的需求和喜好來(lái)自己控制，像我們坐火車需要司機(jī)駕駛一樣，它也得由專職司機(jī)來(lái)控制。
無(wú)司機(jī)電梯：此電梯的運(yùn)行方式可根據(jù)乘客的需求和喜好隨心所欲的操作。
有/無(wú)司機(jī)電梯：此類電梯是以上兩類電梯的綜合，可以由專職司機(jī)操縱來(lái)完成，也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
3.電梯控制系統(tǒng)的選擇
3.1 PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較
繼電器控制系統(tǒng)是比較早出現(xiàn)的一個(gè)控制系統(tǒng)，相應(yīng)地它也曾被應(yīng)用于電梯控制系統(tǒng)當(dāng)中。但是隨著時(shí)代的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，電梯也隨著人們對(duì)生活水平要求的提高而凸顯出繼電氣控制電梯系統(tǒng)的種種不足和無(wú)法達(dá)到大眾所期望的程度。
由于可編程邏輯控制器即PLC可以運(yùn)用一些數(shù)字量或模擬量的輸入輸出且聯(lián)合計(jì)算機(jī)科學(xué)的一些性能來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能。況且繼電器控制系統(tǒng)的某些不足，所以PLC越來(lái)越多地被應(yīng)用于好多需要控制的系統(tǒng)中包括電梯控制系統(tǒng)。同時(shí)，由于社會(huì)的進(jìn)步和各個(gè)科學(xué)家的努力專研，我們的機(jī)電交流變頻調(diào)速技術(shù)也逐漸發(fā)展起來(lái)。所以，為了社會(huì)的進(jìn)步我們也把此調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電梯上。綜上可得，把以上兩種比較先進(jìn)的技術(shù)都應(yīng)用于電梯上是現(xiàn)在社會(huì)的一大熱點(diǎn)。
選擇PLC控制代替繼電器控制系統(tǒng)，是因?yàn)槔^電器控制系統(tǒng)存在很多的問(wèn)題，滿足不了當(dāng)前社會(huì)大眾的要求。并且它的系統(tǒng)比較復(fù)雜，接線線路也很復(fù)雜，還實(shí)現(xiàn)不了比較復(fù)雜的控制功能，很難提高技術(shù)水平，容易出現(xiàn)故障，維修浪費(fèi)時(shí)間不說(shuō)還得花費(fèi)一大筆金錢。所以用繼電器控制系統(tǒng)控制的電梯，可用率不高，有時(shí)還有可能對(duì)我們的人身安全造成威脅。
然而用PLC控制電梯，它具有很多繼電器控制系統(tǒng)沒(méi)有的諸多優(yōu)點(diǎn)。例如：（1）由于用PLC控制系統(tǒng)不需要那么多的硬件，也就少了很多硬件故障的可能性，從而提高其控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。（2）沒(méi)有那么繁瑣的各種硬件和連接硬件的線，相當(dāng)簡(jiǎn)潔。（3）對(duì)比繼電器控制，利用PLC可以輕易地實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制，也可以很方便快捷地增加或改變控制功能。（4）PLC還具有自我檢測(cè)的功能，可以自動(dòng)的進(jìn)行故障排查，不用工作人員時(shí)時(shí)刻刻的觀察。（5）由于PLC可以很簡(jiǎn)單地控制比較復(fù)雜系統(tǒng)，所以它可以一物多用，可用率比較大，運(yùn)行效率也比較高。（6）只通過(guò)改變軟件的參數(shù)就可以改變我們的控制系統(tǒng)，而不需重新接線，大大減少了繁瑣程度。
3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)的比較
得益于世界上那些偉大科學(xué)家的專研，計(jì)算機(jī)技術(shù)有了很大的發(fā)展，因此計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也流行起來(lái)。其中應(yīng)用于機(jī)械建筑裝置的是由于此系統(tǒng)具有可以在環(huán)境非常不好的情況下也能正常工作的工控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是由于工控機(jī)并不適用于全部惡劣的工業(yè)環(huán)境下，并且一旦系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，維修的人員需要擁有大量的知識(shí)儲(chǔ)備，必須是比較資深的專業(yè)維修人才才可以進(jìn)行一個(gè)維修，對(duì)維修人員的要求也相當(dāng)高?？墒且晕覈?guó)目前的發(fā)展情況來(lái)看并不現(xiàn)實(shí)。所以可編程邏輯控制器對(duì)它進(jìn)行了一定量的修改，是它成為一個(gè)專用的工控機(jī)，能在惡劣工況下正常的運(yùn)行和工作。
3.3可編程控制器（PLC）的選型
通過(guò)對(duì)自己大學(xué)四年里學(xué)到的知識(shí)貯備量的評(píng)估和考量，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)最后決定設(shè)計(jì)一個(gè)可以控制六層電梯的控制系統(tǒng)。根據(jù)本設(shè)計(jì)此電梯系統(tǒng)的一個(gè)要求，具體情況具體分析，此次選擇平常的一個(gè)PLC的響應(yīng)速度就已經(jīng)足夠滿足它的控制要求了。通過(guò)對(duì)性能和價(jià)格還有自己的知識(shí)貯備的一番考量，最后決定應(yīng)用日本三菱公司生產(chǎn)的 FX2N系列 PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)六層電梯系統(tǒng)的控制。
FX2N 系統(tǒng) PLC 具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：
(1)應(yīng)用FX2N的時(shí)候具有很高的靈活性，可以根據(jù)設(shè)計(jì)人員的需求來(lái)隨意變換。
(2)FX2N具有很快的執(zhí)行速度，不僅如此，還有很豐富的功能。
(3)FX2N可以用各種元件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如：輔助繼電器 M，狀態(tài)繼電器 S，定時(shí)器 T，寄存器 D，計(jì)數(shù)器 C 等。
(4)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)FX2N的編程，不僅可以用編程器來(lái)進(jìn)行編程，也可以在電腦上使用三菱公司GX Developer來(lái)進(jìn)行編程。
3.4 可編程序控制器的工作方式
3.4.1. PLC的掃描工作方式
每一種工具在工作時(shí)都有一定的工作順序和工作方式，都需要跟著它的工作方式一步步循序漸進(jìn)的進(jìn)行，可編程序控制器也不例外。它的掃描工作方式如右圖所示，首先輸入第一條指令開始，然后經(jīng)過(guò)PLC的一個(gè)內(nèi)部處理和通信處理之后，需要PLC的處理器自己判斷它是否處于“Run”狀態(tài)，如果是就輸入進(jìn)去進(jìn)行掃描，掃描之后才執(zhí)行程序，最后輸出結(jié)果；如果不是“Run”狀態(tài) ，又回到需要進(jìn)行內(nèi)部處理和通信處理的步驟，就這樣循環(huán)往復(fù)進(jìn)行下去。
圖3-1 掃描過(guò)程
3.4.2. PLC的程序執(zhí)行過(guò)程
PLC的程序的執(zhí)行過(guò)程如圖3-2所示。首先是輸入采樣階段，通過(guò)外部輸入相應(yīng)的信號(hào)和指令到輸入端子；然后是程序執(zhí)行階段：通過(guò)輸入映像寄存器對(duì)輸入信號(hào)做相應(yīng)的處理，如果輸入端是屬于常開狀態(tài)輸入進(jìn)去之后就閉合傳到輸出端，還有可能出現(xiàn)自鎖的一個(gè)現(xiàn)象；最后是輸出刷新階段：通過(guò)上一階段的輸出信號(hào)傳到輸出映像寄存器再傳到輸出鎖存器，還需要傳到輸出端子，最后輸出結(jié)果。
圖3-2 PLC的程序執(zhí)行過(guò)程
3.4.3. PLC的掃描周期
完成每一次全部的PLC控制都需要一定的時(shí)間，但PLC的掃描周期并不僅僅只是那樣的一段時(shí)間。因?yàn)镻LC的功能很強(qiáng)大，自然它的任務(wù)也就繁多，它的掃描周期也應(yīng)該包含它完成自我檢測(cè)和完成與外面的設(shè)備通信所需的一個(gè)時(shí)間段。
3.4.4. PLC的I／O響應(yīng)時(shí)間
它的定義就是：通過(guò)外部輸入相應(yīng)的信號(hào)和指令到輸入端子開始算起一直到完成PLC的執(zhí)行，最后通過(guò)輸出端子輸出信號(hào)時(shí)結(jié)束，這期間所花費(fèi)的時(shí)間就是PLC的I／O響應(yīng)時(shí)間。
4.三菱FX2N 系列可編程序控制器介紹
4.1 FX2N系列的基本邏輯指令
如果我們想利用PLC對(duì)電梯系統(tǒng)進(jìn)行控制，首先需要做的第一步就是了解怎么去編寫程序。那么編程的第一步就是需要了解哪些基本的邏輯指令，因?yàn)榛镜倪壿嬛噶钍荘LC中最基本需要了解的編程語(yǔ)言，就像你在正常生活中想要和外國(guó)人交流就必需要懂得他們的語(yǔ)言一樣。由于基本邏輯指令對(duì)于各種型號(hào)的PLC來(lái)說(shuō)都大同小異，考慮到這次是利用FX2N來(lái)編程，所以我這次專門對(duì)FX2N系列的編程語(yǔ)言做一個(gè)詳細(xì)的說(shuō)明和闡述。
下面把LD/LDI/OUT三條指令的功能、梯形圖表示形式、操作元件以列表的形式加以說(shuō)明：
表4-1 輸入輸出指令表
表4-2 線圈串聯(lián)和并聯(lián)指令表
表4-3 電路塊的并聯(lián)和串聯(lián)指令表
表4-4程序結(jié)束指令表
因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在編程的過(guò)程中，是遵循從左到右從上到下的原則編程，并且編程完成的一個(gè)最重要的標(biāo)志就是最后這個(gè)END指令和符號(hào)，不然系統(tǒng)自認(rèn)為你的編程并沒(méi)有完成。
4.2三菱FX2N系列PLC介紹
4.2.1. 三菱FX2N PLC的主要特點(diǎn)：
(1)集成型高性能。CPU、電源、輸入輸出三為一體。
(2)高速運(yùn)算
基本指令：0.08μs／指令
應(yīng)用指令：1.52～幾百μs／指令
(3)安全、寬裕的存儲(chǔ)器規(guī)格
內(nèi)置8000步RAM存貯器
安裝存儲(chǔ)盒后，最大可以擴(kuò)展到16000步。
(4)豐富的軟元件范圍
輔助繼電器：3072點(diǎn)，定時(shí)器：256點(diǎn)，計(jì)數(shù)：235點(diǎn)
數(shù)據(jù)寄存器；8000點(diǎn)
(5)面向海外的產(chǎn)品適合各種安全規(guī)格
為大量實(shí)際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能：
4.2.2. PLC的性能指標(biāo)和分類
(1) PLC的主要性能指標(biāo)
①輸入／輸出點(diǎn)數(shù)（I／O點(diǎn)數(shù)）
這個(gè)點(diǎn)數(shù)是根據(jù)設(shè)計(jì)人員的要求而去決定選擇哪款PLC編程的。這個(gè)點(diǎn)數(shù)就是這個(gè)系統(tǒng)的輸入和輸出有多少個(gè)，把它們的總和相加起來(lái)的結(jié)果。
②存儲(chǔ)容量
就像使用的很多電子設(shè)備、可移動(dòng)磁盤、網(wǎng)上云盤等都有一個(gè)儲(chǔ)存容量一樣，它的意思就是此設(shè)備最多能夠存儲(chǔ)的文件的最大容量。
③掃描速度
速度的定義就是路程除以時(shí)間，而同理的是這個(gè)PLC的掃描速度一般是以執(zhí)行1000步指令所需時(shí)間來(lái)衡量，單位為ms/k步。
④功能擴(kuò)展能力
設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)一款軟件時(shí)，肯定會(huì)對(duì)它的一個(gè)拓展能力做一個(gè)考量。此系統(tǒng)也不例外，此系統(tǒng)增加了很多其他的應(yīng)用模塊，以方便一些特殊人士的功能要求。
⑤指令系統(tǒng)
此系統(tǒng)最主要的功能就是利用各種指令來(lái)進(jìn)行編程并且使它實(shí)現(xiàn)所要求的功能，所以指令系統(tǒng)是PLC最重要的因素。
(2) PLC的分類
市面上的PLC種類有很多，根據(jù)它的生產(chǎn)廠家的不同，可以分為西門子公司的、三菱公司的、歐姆龍等；根據(jù)大的輸入輸出點(diǎn)數(shù)分類，可以分為小、中、大型；根據(jù)它的結(jié)構(gòu)形式有整體式和分散式等。
5.電梯PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1電梯的主電路
圖5-1 主電路圖
5.2門機(jī)電路、抱閘電路、門鎖及安全運(yùn)行電路
圖5-2 門機(jī)、抱閘、門鎖及安全運(yùn)行電路
5.3 電梯的控制系統(tǒng)輸入輸出設(shè)計(jì)
為了對(duì)此電梯PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一個(gè)比較好的說(shuō)明和闡述，也便于自己以后檢查設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題，以下列出了此系統(tǒng)中的各種電器元件的含義。
表5-1 電器元件表
根據(jù)此電梯PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，也對(duì)照日常生活中人們對(duì)電梯的種種需求，經(jīng)過(guò)一番精心的計(jì)算和考量，PLC需要的I/O接口為73左右。73個(gè)接口剛好在三菱公司FX2N-64和FX2N-80之間，接口只能多不能少，故使用FX2N-80系列的PLC，其接線圖如圖5-3所示。
圖5-3 I/O接線圖
5.3.1 系統(tǒng)流程圖
圖5-4系統(tǒng)流程圖 5.3.2繼電器的詳細(xì)說(shuō)明
圖5-5 繼電器
5.4 電梯梯形圖程序設(shè)計(jì)
5.5電梯程序調(diào)試
GX-Developer的功能很強(qiáng)大，不僅可以用它編程，還可以用它來(lái)調(diào)試自己編寫的程序。進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試之后，根據(jù)它的提醒來(lái)改正已經(jīng)編好的程序，如圖5-6、5-7、5-8。
圖5-6 程序的調(diào)試及監(jiān)控
圖5-7 程序的調(diào)試及監(jiān)控
圖5-8 程序的調(diào)試及監(jiān)控
6.總結(jié)
從2016年最后的那兩個(gè)星期開始，一直都在準(zhǔn)備大學(xué)四年里的最后一個(gè)最重要的學(xué)習(xí)成果。除去假期的翻譯外文文獻(xiàn)的時(shí)間，大概花了近三個(gè)月的時(shí)間來(lái)做這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我對(duì)PLC控制電梯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了更深入的了解，也讓我學(xué)會(huì)了活學(xué)活用，把課堂上學(xué)到的關(guān)于那些PLC的知識(shí)點(diǎn)去應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中。
自從確定了畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是PLC控制電梯的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，“電梯”這兩字就潛移默化的影響著我，在生活中乘坐電梯時(shí)總是會(huì)去觀察它的工作方式和結(jié)構(gòu)。這次使用的編程軟件是日本三菱公司的GX Developer，為了實(shí)現(xiàn)編程特意去找各種資源，網(wǎng)上自學(xué)視頻教程，還好之前有學(xué)過(guò)plc的基礎(chǔ)，所以學(xué)起來(lái)也比較順利，最后完成了這次畢設(shè)。
作為一名學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化機(jī)電方向的學(xué)生來(lái)說(shuō)，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要成果有：電梯的CAD結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、控制電梯系統(tǒng)的PLC控制程序。
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致 謝
首先我最想要感謝的是我的指導(dǎo)老師劉老師對(duì)我的悉心教導(dǎo)，由于是一邊實(shí)習(xí)一邊做畢設(shè)的情況，回學(xué)校的時(shí)間并不多，但老師通過(guò)網(wǎng)上聯(lián)系的方式還是在耐心的幫我解答疑問(wèn)。其次感謝母校大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院所有老師對(duì)我的培養(yǎng)，四年的時(shí)間，一晃而過(guò)，這四年里，不僅使我學(xué)到了很多新知識(shí)，更重要的是，使我建立起了一種比較完善的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，正是有了這樣科學(xué)的分析和思考問(wèn)題的方式，才能使我克服畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到的一系列問(wèn)題，同時(shí)這在我以后的生活、學(xué)習(xí)和工作中也將起到至關(guān)重要的作用。
附錄1：外文譯文
第十九屆世界大會(huì)論文集國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)開普敦，南非。
2014年8月24日至29日
大型PLC程序中的定時(shí)方面的建模和正式驗(yàn)證
Borja Fernandez Adiego丹尼爾·達(dá)拉斯
Enrique Blanco Vi?nuela Jean-Charles Tournier
V ctor M. Gonzalez Suarez Jan Olaf Blech
CERN，歐洲核研究組織，CH-1211 Geneva 23，瑞士（電子郵件:fborja.fernandez.adiego,daniel.darva，enrique.blanco，jean-charles.tournierg@cern.ch）。
ISA，University of Oviedo，Campus de Viesques 33204 - Gijon，Spain（電子郵件：victor@isa.uniovi.es）
RMIT大學(xué)，澳大利亞墨爾本（電子郵件：janolaf.blech@rmit.edu.au）
摘要：防止模型檢查在工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛使用的主要障礙之一是從PLC程序構(gòu)建正式模型的復(fù)雜性，特別是當(dāng)需要集成時(shí)序方面時(shí)。本文通過(guò)提出一種模擬和驗(yàn)證PLC程序的時(shí)序方面的方法來(lái)解決這個(gè)障礙。提出了兩種方法以允許用戶平衡模型的復(fù)雜性（即其狀態(tài)數(shù)）與可能被驗(yàn)證的規(guī)范的集合之間的貿(mào)易。已經(jīng)開發(fā)了一種支持該方法的工具，該方法允許直接從PLC程序產(chǎn)生用于不同模型檢查器的模型。 本文使用NuSMV提出了實(shí)際PLC程序的時(shí)序方面的驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：PLC，定時(shí)器，正式驗(yàn)證，模型檢驗(yàn)，自動(dòng)機(jī)，抽象
1.引言
CERN，歐洲核研究組織，依靠大量的PLC（可編程邏輯控制器）應(yīng)用來(lái)操作其不同的粒子加速器。這些應(yīng)用對(duì)于CERN操作至關(guān)重要，因此保證其行為符合其規(guī)定是最重要的。正式驗(yàn)證，特別是模型檢查，似乎是一個(gè)有前途的技術(shù)，以確保PLC程序滿足其初始規(guī)格。然而，由于構(gòu)建PLC程序的形式模型的復(fù)雜性，這種技術(shù)在工業(yè)中沒(méi)有被廣泛使用，構(gòu)建這樣的形式模型需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模（硬件和軟件）以及基礎(chǔ)模型的深入知識(shí)檢查器。此外，當(dāng)需要考慮定時(shí)方面，即PLC時(shí)間和定時(shí)器時(shí)，模型化任務(wù)變得甚至更復(fù)雜，因?yàn)樗玫降哪Ｐ?，無(wú)需重新定義表示，通常在狀態(tài)空間而言過(guò)大而無(wú)法通過(guò)模型檢查器來(lái)處理。
在本文中，我們提出了一種方法來(lái)建立PLC時(shí)間和計(jì)時(shí)器。該方法被整合到Darvas等人描述的通用框架中（2013）允許從PLC程序自動(dòng)生成正式模型。提出了兩種方法來(lái)考慮定時(shí)方面：現(xiàn)實(shí)和抽象模型化。在現(xiàn)實(shí)的做法表示定時(shí)器的行為和時(shí)間在PLC的內(nèi)部表示高保真度。這種建模允許驗(yàn)證時(shí)間相關(guān)的屬性以確保給定的動(dòng)作將（或不會(huì)）在給定延遲之后或之后執(zhí)行（例如，在給定輸入被設(shè)置為真之后500ms后PLC輸出設(shè)置為真）。雖然這種模型化在表現(xiàn)力方面是強(qiáng)大的，但是它可能產(chǎn)生太大而不能由模型檢查器處理的模型，因此導(dǎo)致第二建模方法。抽象方法省略了時(shí)間本身的建模，并給出了一個(gè)非確定性的定時(shí)器模型。與第一種方法相比，這大大減少了生成模型的狀態(tài)空間，因此允許驗(yàn)證大型PLC程序，同時(shí)仍然提供驗(yàn)證一些時(shí)間相關(guān)規(guī)格的能力。可以通過(guò)應(yīng)用該第二建模來(lái)驗(yàn)證的屬性例如是活性屬性（例如，在其輸入被設(shè)置為假之后，PLC輸出將被設(shè)置為真）。使用抽象時(shí)間模型化驗(yàn)證的要求在現(xiàn)實(shí)模型上仍然有效，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)的方法是抽象的模型的重構(gòu)。最后，工具實(shí)現(xiàn)兩種類型的時(shí)間模型化，并產(chǎn)生正式型號(hào)為NuSMV（Cimatti等人（2002）），BIP（Basu等人（2011））和UPPAAL（Amnell等人（2001））已 開發(fā)并應(yīng)用于CERN的控制系統(tǒng)。
1.1相關(guān)工作
雖然以前在文獻(xiàn)中已經(jīng)研究了PLC程序的建模時(shí)序行為，但是它們都沒(méi)有提供允許自動(dòng)地生成包括時(shí)序方面的形式模型并且同時(shí)執(zhí)行對(duì)這些模型的驗(yàn)證的一般方法。此外，文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的所有方法都限于特定的模型檢查器，從而阻止了不同類型的模型檢查器的優(yōu)點(diǎn)。
事實(shí)上，Mader和Wupper（1999）或Perin和Faure（2013）提出了一種使用定時(shí)自動(dòng)機(jī)模型對(duì)PLC定時(shí)器建模的方法，但不提供驗(yàn)證結(jié)果。由于時(shí)間被認(rèn)為是線性和單調(diào)函數(shù)，所以生成的模型將具有巨大的狀態(tài)空間，如果這種方法將被應(yīng)用于大型系統(tǒng)，使得驗(yàn)證是不可能的，因?yàn)槭窃贑ERN開發(fā)的系統(tǒng)。類似地，Mokadem等人（2010）提出了一個(gè)案例研究，其中為驗(yàn)證目的創(chuàng)建了定時(shí)多任務(wù)PLC程序的全局模型。這種方法類似于由Mader和Wupper（1999）提出的方法，但是使用UPPAAL使用時(shí)鐘執(zhí)行驗(yàn)證，并且因此具有單調(diào)時(shí)間表示。在Wang et al（2013）中，使用基于組件的BIP框架對(duì)包括定時(shí)器的PLC控制系統(tǒng)的幾個(gè)方面進(jìn)行建模。在這種情況下，在這種情況下，它們假設(shè)xed PLC周期長(zhǎng)度是一個(gè)大的應(yīng)變，與實(shí)際的PLC定時(shí)器相比，定時(shí)器模型不夠精確。此外，不提供驗(yàn)證結(jié)果。
本文的其余部分結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)介紹了PLC中的時(shí)間和計(jì)時(shí)器的概念。第3節(jié)概述了所提出的方法，允許為PLC程序中的各種模型檢查器生成正式模型。第4節(jié)詳細(xì)介紹了對(duì)PLC程序時(shí)序方面進(jìn)行建模的兩種建議方法，以及應(yīng)用模型化的案例研究。此外，本節(jié)正式表明，現(xiàn)實(shí)的時(shí)間模型化是其抽象的一個(gè)要素。最后，第5節(jié)通過(guò)突出它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)來(lái)分析這兩種方法，并在文章結(jié)束。
2. 定時(shí)PLC控制系統(tǒng)
本節(jié)概述PLC控制系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹時(shí)序方面。此外，提出了一個(gè)案例研究，將用于其余部分，以說(shuō)明本文提出的模型化方法。
2.1 PLC的時(shí)序特性
PLC是執(zhí)行稱為掃描周期的同步和循環(huán)過(guò)程的工業(yè)計(jì)算機(jī)，包括以下主要步驟：（1）讀取存儲(chǔ)器的輸入值，（2）使用讀取數(shù)據(jù)解釋和執(zhí)行程序邏輯 ，以及（3）將計(jì)算的輸出值寫入實(shí)際輸出。
在標(biāo)準(zhǔn)PLC，即非安全PLC中，周期時(shí)間不是固定的，但是存在由看門狗模塊實(shí)施的上限。 如果PLC循環(huán)時(shí)間大于該上限，例如，由于PLC程序中的無(wú)限循環(huán)，PLC執(zhí)行負(fù)責(zé)處理定時(shí)錯(cuò)誤的程序的特殊部分。相比之下，安全PLC具有固定周期時(shí)間。
定時(shí)器操作，例如定時(shí)器，由IEC 61131定義，可以被認(rèn)為是延遲信號(hào)或產(chǎn)生脈沖的功能塊。 不同類型定時(shí)器可以在PLC中找到，最常見(jiàn)的定時(shí)器之一是TON（定時(shí)器打開延遲）（見(jiàn)圖1）。該定時(shí)器有2個(gè)輸入變量：IN和PT。IN是一個(gè)布爾輸入信號(hào)，PT是延遲時(shí)間。定時(shí)器有2個(gè)輸出：Q和ET。Q是布爾輸出變量，當(dāng)IN執(zhí)行上升沿時(shí)，其值將在預(yù)定延遲（PT）后為真，如果IN為假，則其值為假。 ET是經(jīng)過(guò)的時(shí)間，其值增加到PT，當(dāng)IN上出現(xiàn)上升沿時(shí)開始。
圖1.TON時(shí)間圖
PLC定時(shí)器使用特定的數(shù)據(jù)類型用于稱為TIME的定時(shí)操作。這種數(shù)據(jù)類型由IEC 61131定義為一個(gè)簡(jiǎn)單的變量，它說(shuō)明“這些數(shù)據(jù)類型中的值的范圍和表示的精度是依賴于實(shí)現(xiàn)的”。通過(guò)一個(gè)有限變量表示時(shí)間導(dǎo)致非單調(diào)的時(shí)間表示為變量可以溢出時(shí)（比較圖的上半部分圖2）。例如，在Siemens S7 PLC中，TIME數(shù)據(jù)類型定義為具有1毫秒相同精度的有符號(hào)32位整數(shù)（見(jiàn)Siemens（1998）），其上限約為+24天，下限為 的24天。然而，在Schneider和Beckho PLC中，TIME數(shù)據(jù)類型是無(wú)符號(hào)的32位整數(shù)，精度為1 ms。在本文中，我們考慮在西門子PLC中標(biāo)記的時(shí)間解釋。
圖2.有時(shí)間表示的后果
2.2案例研究
在本文的上下文中，把CERN開發(fā)和使用的工業(yè)控制系統(tǒng)框架稱為UNICOS（Blanco等人（2011））作為一個(gè)案例研究。UNICOS提供了表示通用工業(yè)控制儀器（例如傳感器，執(zhí)行器，子系統(tǒng)）的基本對(duì)象的庫(kù)。這些對(duì)象在PLC代碼中表示為功能塊，使用ST（結(jié)構(gòu)化文本）語(yǔ)言，可以調(diào)用PLC上的不同功能塊。目前UNICOS被實(shí)現(xiàn)用于標(biāo)準(zhǔn)PLC，即其中周期時(shí)間不是固定的，并且取決于總體應(yīng)用。
在本文中，我們重點(diǎn)介紹由UNICOS庫(kù)為西門子PLC提供的OnO對(duì)象。該對(duì)象用于表示作為由數(shù)字信號(hào)（例如閥，加熱器，電動(dòng)機(jī)）驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器的物理設(shè)備。使用60個(gè)輸入變量（其中13個(gè)是參數(shù)），62個(gè)輸出變量，600行ST代碼和3個(gè)定時(shí)器實(shí)例，OnO對(duì)象在大小和復(fù)雜性方面代表其他UNICOS對(duì)象。
附錄2：外文文獻(xiàn)