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1、10 前言在当今的社会，科学技术的发展可谓日新月异，现代化的技术被广泛的运用于工况实践，升降机的发展经历了从原始的人力拖动，到现代的微处理器控制的以液压和机械为驱动单元的发展过程。直到现在，大规模的集成电路在升降机中的投入使用，以及高运算速度的微处理器使得升降机的功能性、安全性以及智能化程度越来越高了。它的应用人的智慧是无穷尽的，针对单一的动作系统，人们又提出是否能在构造成型的硬件系统不变的情况下，通过软件编程来实现硬件系统动作的多样化。因此 PLC(可编程序控制器)控制的机械设备在这种几乎是必然的情况下产生了。可编程序控制器是在计算机技术，通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现在
2、已经广泛的应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，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/输出来控制机械设备或生产过程。随着科学技术的进步、大功率晶体管电子技术的迅速发展、大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，交流电动机变频调速技术已日趋完善，变频调速用于交流异步电动机调速，其性能胜过以往任何一种交流调速方式，而且结构简单，因而成为交流电动机调速的最新潮流，由于笼型电动机占电动机总数的比例很大，故其调速方法和控制技术无疑将成为电动机控制的关键技术，而变频器与笼型电动机的结合则是交流电动机调速系统的最佳选择。该系统具有显著的节能效果、较高的控制精度及较宽
3、的调速范围，便于使用维护以及易于实现自动控制及远程控制等性能，因而受到普遍欢迎。21 概述1.1 升降机发展历程与趋势 升降机(Lifter)作为垂直的运输工具已经有一百多年历史了。它是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种运输工具，其地位相当于“垂直运动的汽车”是现代生活必不可少的工具 1。升降机的发展经历了从原始的人力拖动，到现代的微处理器控制的以液压和机械为驱动单元的发展过程。直到现在，大规模的集成电路在升降机中的投入使用，以及高运算速度的微处理器使得升降机的功能性、安全性以及智能化程度越来越高了。而且随着科技的进步、现代战争的发展，它的应用领域也在不断的扩大:从最初的只应用在建筑方面，到现
4、在的应用在一些大型船舶领域。我国是最早出现升降机的国家之一，据考证，公元前 11 巧年至 1079 年之间我国劳动人民就发明了一种叫辘护的升降装置 2。西方相对来说出现的较晚一些。公元前 236 年，希腊科学家阿基米德设计出一种卷筒式升降机。在随后近两千多年中，升降机一直是靠人力、畜力或水力作为动力 3。直到 1858 年瓦特发明蒸汽机后的一百年之后，美国制造商奥的斯才第一次把它作为升降机的动力装置并应用在了纽约的一台客梯上。接着阿姆斯特朗发明的水压梯代替了蒸汽机梯。1880 年，德国最早出现了电力拖动的升降机。1889 年美国奥的斯公司制造了用直流电动机通过蜗轮蜗杆减速器带动卷筒卷绕绳索悬挂
5、并升降轿厢的电动升降机，构成了现代电梯的鼻祖。时隔三年，美国的亨利华特发明了用调节电动机励磁场来调速的电动机发电机电力驱动系统，使直流升降机的电力拖动结构有了重大的发展。二次大战后，由于电子技术的发展，升降机的控制系统得到了极大的提高。特别是1970 年以后，大规模集成电路在升降机控制系统中投入使用，使得升降机的可靠性、安全性都有了很大的改善，设备体积也大大缩小。20 世纪 80 年代，随着大功率晶体管模块的问世及微机和数字调节器技术的不断成熟，人们通过调节脉冲宽度来调节电子逆变器，实现对升降机中交流电动机的调压调频，达到线性调速的目的。此后，升降机的发展速度十分惊人，也开始逐渐普及起来。目前
6、，升降机正朝着高安全性、高可靠性、高性能、自动化、环保化、舒适化等方向发展 4。如联邦设备公司中标设计的美国 CVN 21 航空母舰弹药升降机，由永磁直线同3步电机驱动，不需要绳索，其运动更快，自动化程度更高，负载能力比“尼米兹”级大一倍以上。1.2 国内外升降机研究状况近三十年来，国外升降机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。起初的升降机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的升降机。上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交直交变频原理后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。1981 年第一台用
7、同步机悬臂传动的升降机在德国 Monopol 矿问世，1988 年由 MAV GHH 和西门子合作制造的机电一体的升降机（习惯称为内装电机式）在德国Rom berg 矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动升降机。在升降机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使升降机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器应用于升降机控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于升降机的监视和管理。计算机和PLC 的应用，使升降机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。特别要强调的是，此时期在国外一些著
8、名的升降机机制造公司，如西门子、ABB，ALSTHOM 都利用新的技术和装备，开发或完善了升降机的安全保护和监控装置，使安全保护性能又有了新的提高。就在国外科学技术突飞猛进发展的时候，我国升降机电控系统很长时间都处于落后的状况。直到目前为止，我国正在服务的矿井升降机电控系统大多数还是转子回路串金属电阻的交流调速系统，设备陈旧、技术落后。国产升降机安全性、可靠性差，在关键部位上下两井口减速区段没有配套的有效的速度监视装置，就升降机控制技术而言，依然是陈旧的，和国外相比，我们存在很大的差距。42 PLC2.1 PLC 简介PLC (编程逻辑控制器)是 20 世纪 60 年代末期逐步发展起来的一种以
9、计算机技术为基础的新型工业控制装置。近几年来，PLC 技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到极其广泛的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技术 5。在 PLC 出现以前，继电器控制曾得到广泛应用，在机电设备和工业过程控制领域中占有主导地位。但是继电器控制系统有明显的缺点：体积大，可靠性低，故障查找困难，特别是因为它是由硬接线逻辑构成的系统，造成了接线复杂，容易出故障，对生产工艺变化的适应性较差。20 世纪 60 年代未，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为了适应汽车型号不断更新的需要，试图寻找一种新的生产线控制方法，使之尽可能地减少重新设计继电器控
10、制系统的工作量以及尽量地减少控制系统硬连接线的数量，以降低生产成本，缩短制造周期，减少生产线的故障率，从而有效地提高生产效率。当时，电子计算机的硬件己经基本完备，其主要功能是通过软件来实现的，因此具有灵活性、通用性等优点，但价格相对来说比较昂贵，于是他们想到了把继电器控制系统简单易懂、操作方便、价格便宜的长处与计算机灵活、通用的优点结合起来，用来制造一种新型的工业控制装置，并进而采用招标的方式，首先山美国数字设备公司(DEC)研制出符合上述想法的工业控制装置，命名为可编程逻辑控制器，即 PLC(Programmable Logic Controller)。1969 年，第一台PLC 在 GM
11、公司汽车生产线上首次运行，成功地取代了沿用多年的继电器控制系统，尽管当时的 PLC 功能仅具有逻辑控制、定时、计数等功能，但却标志着一种新型装置问世 6。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，20 世纪 70 年代中期又出现了微处理器和微型计算机，这些新技术很快也被用到 PLC 之中，使得 PLC 不仅其有逻辑控制功能，而且还增加了运算、数据处理和传送等功能，从而成为具有计算机功能的新型工业控制装置。1980 年美国电器制造商协会正式将其命名为可编程控制器(Programmable Controller)简称 PC。国际电工委员会(IEC)于 1982 年 11 月和 1985 年 1 月颁布
12、了可编程控制器的第一稿和第二稿，对可编程控制器作了如下的定义：5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。它可采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。之所以把可编程控制器简称为 PC，因为它已经不再是仅具有逻辑控制功能的装置了。只是由于 20 世纪 80 年代崛起的个人计算机(Personal Computer)也简称为 PC。为了加以区别，人们又把可编程控制
13、器简称为 PLC。2.2 PLC 的技术发展方向1）向高速度、大存储量方向发展为提高处理能力，要求 PLC 具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前大中型PLC 的速度可达 0.2ms/k 步左右。各大公司都把 PLC 的扫描速度作为一个很重要的竞争指标。2）向多品种方向发展目前中小型 PLC 比较普遍。为适应市场的多种需要，今后 PLC 发展要向多品种方向，特别是向超大型和超小型两个方向发展。目前开关量输入输出点数达到 8192 点的大型PLC 己比较多。为适应大规模控制系统的需要，输入输出点数还在增加。例如：Modicon 公司的 984780、984785 的最大开关量输入输出点数为 1
14、6384，西门子公司的 S5- 55U为 10K 点，Reliance Electric 公司的 DCS- 5000 为 12K 点。另一方面，小型的 PLC 向微型化、多功能、实用性发展，由于可编程控制器向微型化发展，起应用已不仅仅局限在工业领域，广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化和商业领域。3）编程语言多样化PLC 系统结构不断发展的同时，编程软件也在不断发展。编程语言朝着多种编程语言的方向发展。尽管大多数 PLC 采用继电器梯形图语言，但是新的编程语言还是不断出现，现在有部分 PLC 已采用高级语台，例如：Teletrol 系统公司的 286 集成系统就是用 C语言，使个人计算机技术得以溶
15、入 PLC 之中。4）发展智能模块智能模块是以微处理器为基础的功能部件。它可以与 PLC 的主 CPU 并行工作，占用主 CPU 的时间很少，有利于提高 PLC 的扫描速度。发展智能模块可进一步提高 PLC6处理信息的能力和控制功能。2.3 PLC 的基本结构和工作原理PLC 是以微处理器为核心的数字式电子、电气自动控制装置，也可以说是一种专用微型计算机。各种 PLC 的具体结构虽然多种多样，但其组成的一般原理基本相同，即都是以微处理器为核心，并辅以外围电路和 I/O 单元等硬件所构成。正像通用的微机一样，PLC 的各种功能的实现，不仅基于其硬件的作用，而且要靠其软件的支持 7。2.3.1 P
16、LC 的硬件组成PLC 主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入/输出部件(I/O)、电源和编程器几大部分组成。其组成如图 1-1 所示。图 1-1 PLC 的结构Fig.1-1 PLC graph 1）中央处理单元(CPU)PLC 中所采用的 CPU 随机型不同而有所不同，通常有三种：a.通用微处理器 (8086、80286、80386 等) 。b.单片机芯片(8031、8096 等)。c.位片式微处理器 (AMD-2900 等) 。PLC 的档次越高， CPU 的位数也越多，运算速度也越快，其指令功能也越强。2）存储器PLC 的内部存储器 (简称内存)用来存储系统管理程序和用户程序。内存有两种：a.随机存储器 RAM。7b.只读存储器 ROM、PROM、EPROM、E2PROM。3）输入/输出(I/O 单元) 输入、输出信号分为开关量、模拟量、数字量。本设计中采用的是开关量为输入和输出，所以这里仅以开关量为例进行说明。I/O 单元是 PLC
