電梯PLC控制系統(tǒng)設計
附錄1：外文譯文
第十九屆世界大會論文集國際自動控制聯(lián)合會開普敦，南非。
2014年8月24日至29日
大型PLC程序中的定時方面的建模和正式驗證
Borja Fernandez Adiego丹尼爾·達拉斯
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，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程序構建正式模型的復雜性，特別是當需要集成時序方面時。本文通過提出一種模擬和驗證PLC程序的時序方面的方法來解決這個障礙。提出了兩種方法以允許用戶平衡模型的復雜性（即其狀態(tài)數(shù)）與可能被驗證的規(guī)范的集合之間的貿易。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提出了實際PLC程序的時序方面的驗證。
關鍵詞：PLC，定時器，正式驗證，模型檢驗，自動機，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）應用來操作其不同的粒子加速器。這些應用對于CERN操作至關重要，因此保證其行為符合其規(guī)定是最重要的。正式驗證，特別是模型檢查，似乎是一個有前途的技術，以確保PLC程序滿足其初始規(guī)格。然而，由于構建PLC程序的形式模型的復雜性，這種技術在工業(yè)中沒有被廣泛使用，構建這樣的形式模型需要對系統(tǒng)進行建模（硬件和軟件）以及基礎模型的深入知識檢查器。此外，當需要考慮定時方面，即PLC時間和定時器時，模型化任務變得甚至更復雜，因為所得到的模型，無需重新定義表示，通常在狀態(tài)空間而言過大而無法通過模型檢查器來處理。
在本文中，我們提出了一種方法來建立PLC時間和計時器。該方法被整合到Darvas等人描述的通用框架中（2013）允許從PLC程序自動生成正式模型。提出了兩種方法來考慮定時方面：現(xiàn)實和抽象模型化。在現(xiàn)實的做法表示定時器的行為和時間在PLC的內部表示高保真度。這種建模允許驗證時間相關的屬性以確保給定的動作將（或不會）在給定延遲之后或之后執(zhí)行（例如，在給定輸入被設置為真之后500ms后PLC輸出設置為真）。雖然這種模型化在表現(xiàn)力方面是強大的，但是它可能產(chǎn)生太大而不能由模型檢查器處理的模型，因此導致第二建模方法。抽象方法省略了時間本身的建模，并給出了一個非確定性的定時器模型。與第一種方法相比，這大大減少了生成模型的狀態(tài)空間，因此允許驗證大型PLC程序，同時仍然提供驗證一些時間相關規(guī)格的能力?？梢酝ㄟ^應用該第二建模來驗證的屬性例如是活性屬性（例如，在其輸入被設置為假之后，PLC輸出將被設置為真）。使用抽象時間模型化驗證的要求在現(xiàn)實模型上仍然有效，因為現(xiàn)實的方法是抽象的模型的重構。最后，工具實現(xiàn)兩種類型的時間模型化，并產(chǎn)生正式型號為NuSMV（Cimatti等人（2002）），BIP（Basu等人（2011））和UPPAAL（Amnell等人（2001））已 開發(fā)并應用于CERN的控制系統(tǒng)。
1.1相關工作
雖然以前在文獻中已經(jīng)研究了PLC程序的建模時序行為，但是它們都沒有提供允許自動地生成包括時序方面的形式模型并且同時執(zhí)行對這些模型的驗證的一般方法。此外，文獻中發(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。
事實上，Mader和Wupper（1999）或Perin和Faure（2013）提出了一種使用定時自動機模型對PLC定時器建模的方法，但不提供驗證結果。由于時間被認為是線性和單調函數(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用于大型系統(tǒng)，使得驗證是不可能的，因為是在CERN開發(fā)的系統(tǒng)。類似地，Mokadem等人（2010）提出了一個案例研究，其中為驗證目的創(chuàng)建了定時多任務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使用時鐘執(zhí)行驗證，并且因此具有單調時間表示。在Wang et al（2013）中，使用基于組件的BIP框架對包括定時器的PLC控制系統(tǒng)的幾個方面進行建模。在這種情況下，在這種情況下，它們假設xed PLC周期長度是一個大的應變，與實際的PLC定時器相比，定時器模型不夠精確。此外，不提供驗證結果。
本文的其余部分結構如下：第2節(jié)介紹了PLC中的時間和計時器的概念。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)詳細介紹了對PLC程序時序方面進行建模的兩種建議方法，以及應用模型化的案例研究。此外，本節(jié)正式表明，現(xiàn)實的時間模型化是其抽象的一個要素。最后，第5節(jié)通過突出它們的優(yōu)點和缺點來分析這兩種方法，并在文章結束。
2. 定時PLC控制系統(tǒng)
本節(jié)概述PLC控制系統(tǒng)，重點介紹時序方面。此外，提出了一個案例研究，將用于其余部分，以說明本文提出的模型化方法。
2.1 PLC的時序特性
PLC是執(zhí)行稱為掃描周期的同步和循環(huán)過程的工業(yè)計算機，包括以下主要步驟：（1）讀取存儲器的輸入值，（2）使用讀取數(shù)據(jù)解釋和執(zhí)行程序邏輯 ，以及（3）將計算的輸出值寫入實際輸出。
在標準PLC，即非安全PLC中，周期時間不是固定的，但是存在由看門狗模塊實施的上限。 如果PLC循環(huán)時間大于該上限，例如，由于PLC程序中的無限循環(huán)，PLC執(zhí)行負責處理定時錯誤的程序的特殊部分。相比之下，安全PLC具有固定周期時間。
定時器操作，例如定時器，由IEC 61131定義，可以被認為是延遲信號或產(chǎn)生脈沖的功能塊。 不同類型定時器可以在PLC中找到，最常見的定時器之一是TON（定時器打開延遲）（見圖1）。該定時器有2個輸入變量：IN和PT。IN是一個布爾輸入信號，PT是延遲時間。定時器有2個輸出：Q和ET。Q是布爾輸出變量，當IN執(zhí)行上升沿時，其值將在預定延遲（PT）后為真，如果IN為假，則其值為假。 ET是經(jīng)過的時間，其值增加到PT，當IN上出現(xiàn)上升沿時開始。
圖1.TON時間圖
PLC定時器使用特定的數(shù)據(jù)類型用于稱為TIME的定時操作。這種數(shù)據(jù)類型由IEC 61131定義為一個簡單的變量，它說明“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現(xiàn)的”。通過一個有限變量表示時間導致非單調的時間表示為變量可以溢出時（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32位整數(shù)（見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)類型是無符號的32位整數(shù)，精度為1 ms。在本文中，我們考慮在西門子PLC中標記的時間解釋。
圖2.有時間表示的后果
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)）的基本對象的庫。這些對象在PLC代碼中表示為功能塊，使用ST（結構化文本）語言，可以調用PLC上的不同功能塊。目前UNICOS被實現(xiàn)用于標準PLC，即其中周期時間不是固定的，并且取決于總體應用。
在本文中，我們重點介紹由UNICOS庫為西門子PLC提供的OnO對象。該對象用于表示作為由數(shù)字信號（例如閥，加熱器，電動機）驅動的執(zhí)行器的物理設備。使用60個輸入變量（其中13個是參數(shù)），62個輸出變量，600行ST代碼和3個定時器實例，OnO對象在大小和復雜性方面代表其他UNICOS對象。
附錄2：外文文獻
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本科畢業(yè)論文(設計)開題報告
論 文 題 目： 電梯PLC 控制系統(tǒng)設計學 院 ：業(yè) 、 班 級： 生 姓 名： （職稱）：
畢業(yè)論文（設計）開題報告要求
開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質量畢業(yè)論文
（設計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據(jù)
1. 論文（設計）題目及研究領域；
2. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值；
3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設計）研究的內容1.重點解決的問題；
2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）；
3. 本論文（設計）預期取得的成果。三、論文（設計）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）；
2. 論文（設計）進度計劃。四、文獻查閱及文獻綜述
學生應根據(jù)所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通
過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調研、實驗或實習的基礎上遞交相關的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎。
五、其他要求
1. 開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內完成；
2. 開題報告必須經(jīng)學院教學指導委員會審查通過；
3. 開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文（設計）工作，否則不允許參加答辯；
4. 開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師；
5. 開題報告的內容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。
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一、選題依據(jù)1、研究領域
機電工程
2、論文（設計）工作的理論意義和應用價值
隨著城市建設和經(jīng)濟活動的不斷發(fā)展，現(xiàn)代建筑物規(guī)模越來越大，樓層越來越多， 電梯作為一種重要的交通運輸工具已與人們的日常生活密不可分，且成為城市物質文明的一種標志。電梯在公辦大樓、公司、高層住宅、賓館等場所得到了廣泛應用。電梯性能的好壞對人們生活的影響越來越顯著，因此必須努力提高電梯系統(tǒng)的性能，保證電梯運行既高效節(jié)能又安全可靠，同時對電梯的調速精度、調速范圍等靜態(tài)和動態(tài)特性也提出了更高的要求。隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，建筑業(yè)的迅速發(fā)展以及高層建筑的不斷涌現(xiàn)，電梯則成為建筑內提供上下交通運輸?shù)墓ぞ?，而它的發(fā)展空間也在不斷擴大。為使發(fā)展迅速的電梯產(chǎn)業(yè)得以穩(wěn)定發(fā)展、人們的日常生活得以正常進行，電梯應具有安全、可靠、高效、環(huán)保、方便控制等優(yōu)點。
可編程序控制器（Programmable Logic Controller,簡稱 PLC）是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機控制器的基礎上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心的用作數(shù)字控制的專用計算機。它具有可靠性高、適應工業(yè)現(xiàn)場的高溫、沖擊和振動等惡劣環(huán)境的特點，已成為解決自動控制問題的最有效工具，是當前先進工業(yè)自動化的三大支柱之一。
可編程控制器（PLC）是專門為工業(yè)環(huán)境應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置，
既保留了繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于與計算機通信和維修方便等諸多高品質性能，又采用一種可編程運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產(chǎn)過程。因此，現(xiàn)在 PLC 在電梯控制領域得到了廣泛而深入的應用。
通過可編程控制器可以實現(xiàn)由繼電器實現(xiàn)的邏輯控制功能，而且最主要的是可編
程控制器的可編程功能使得當改變電梯的控制功能時，只要更改程序即可，而不需要像繼電器控制系統(tǒng)那樣改變硬件和接線。因而利用 PLC 進行控制大大提高了電梯系統(tǒng)的安全性和可靠性同時也降低了成本。
現(xiàn)有的電梯控制技術仍存在缺點和不足之處，為進一步改善運輸?shù)男Ч?、提高運行的效率、滿足乘客的需求，仍然需要更深入的探索和研究。因此運用可編程控制器
（PLC）對電梯控制系統(tǒng)進行研究與設計具有十分重大的意義。
3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢
PLC 已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC﹑CAD/CAM﹑ROBOT）之一正在被人們廣泛應用。電梯的控制普遍采用了兩種方式，一是采用微機作為信號控制單元，完成電梯信號的采集、運行狀態(tài)和功能的設定，實現(xiàn)電梯的自動調度和集選運行功能，拖
動控制則由變頻器來完成；第二種控制方式用可編程控制器（PLC）取代微機實現(xiàn)信號集選控制。從控制方式和性能上來說，這兩種方法并沒有太大的區(qū)別。但是由于 PLC 體積較小、可靠性高、程序設計方便靈、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定可靠、開發(fā)周期短等特點，所以現(xiàn)在的電梯控制系統(tǒng)廣泛采用可編程控制器來實現(xiàn)。這種電梯運行更加可靠，并具有很大的靈活性，可以完成更加復雜的控制任務，已成為電梯控制的發(fā)展方向，其許多功能是傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。PLC 的應用廣度和深度已經(jīng)成為衡量一個國家工業(yè)先進水平的重要標志之一。
(1) 電梯 PLC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)的基本功能：
①電梯運行到位后，具有手動及自動開關門功能
②電梯的每一層面均有升降及轎廂所在樓層的指示燈顯示
③每層的樓廳均有輸入（分上行和下行）按鈕召喚電梯
④具有自動定向，順向截梯、反向保號，外呼記憶，自動開/ 關門，停梯消號， 自動達層等功能
⑤電梯能在一定條件下進行啟動，加速和換速(2)電梯技術發(fā)展的趨勢
伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的不斷深入，我國的電梯行業(yè)也正經(jīng)歷著一
個高速發(fā)展期。
據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2013-2017 年中國電梯行業(yè)市場需求預測與轉型升級分析報告》數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國電梯產(chǎn)量從 1990 年的 1.03 萬臺增長到 2011 年的 40 多萬
臺，年復合增長率達近 20%，國內電梯需求量從 2000 年的僅 3.72 萬臺增長到 2011
年的 45 萬臺，到 2011 年底，我國電梯保有量達到 201.06 萬臺，超過全球總產(chǎn)量 60%;
中國電梯產(chǎn)品當年出口超過 4.7 萬臺,已經(jīng)成為名副其實的產(chǎn)銷和保有量第一大國。伴隨著巨大的市場空間，使得行業(yè)成為外資較早進入的行業(yè)之一，全球主要的電梯知名企業(yè)都在中國建立了獨資或合資企業(yè)，這些外資品牌的進入為行業(yè)帶來了國際化的技術標準、管理理念和經(jīng)營模式，使得國產(chǎn)電梯快速步入國際化行列。從產(chǎn)業(yè)布局看， 國內電梯行業(yè)聚集效應明顯，電梯整機及零部件的制造基地主要集中在長三角、珠三角地區(qū)，除了高端電梯零部件外，電梯零部件已經(jīng)基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化。盡管受房地產(chǎn)調控政策影響，電梯直接下游產(chǎn)業(yè)市場回落，但電梯行業(yè)依然保持穩(wěn)步增長的趨勢。電梯的普及給人們的生活帶來了極大的優(yōu)越性，而電梯技術也只有不斷的發(fā)展才能更好地滿足高層建筑及其群體的需要。展望未來，電梯的發(fā)展趨勢應包括以下幾點：
①無機房電梯
無機房電梯不單單是電梯有無機房的簡單局部改進，而是涉及到一系列技術問 題，如曳引系統(tǒng)、控制柜、限速器等的安裝位置以及轎廂、極限開關、緩沖器等部件， 都要進行重新設計，變更部件的尺寸與安裝位置也要重新考慮。它是電梯發(fā)展過程中的一次意義深遠的變革，它所采用的一些關鍵技術將會被進一步推廣用到其它電梯產(chǎn)
品上，進而促進整個電梯行業(yè)技術的進步。
②綠色電梯
綠色電梯的研究主要在電梯制造、配置及安裝、使用過程中節(jié)能和減少環(huán)境污染等方面。
③遠程監(jiān)控系統(tǒng)
遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用，使得電梯狀態(tài)監(jiān)控的智能可以在監(jiān)控中心就可以監(jiān)測到電梯的運行狀態(tài)，監(jiān)控中心隨時可以監(jiān)控電梯發(fā)生的故障，并且可以診斷出故障的類型和發(fā) 生的位置，使電梯維護更加安全、方便。
④全微機化電梯
全微機化電梯的開發(fā)和使用，是電梯發(fā)展趨勢的一個重要方向。全微機化電梯是指電梯的傳動系統(tǒng)及操縱控制系統(tǒng)方面實現(xiàn)微機控制的電梯。隨著現(xiàn)代微機技術的不斷進 步和完善，全微機化電梯(包括單微機控制電梯、多微機控制電梯及人工智能控制電梯) 必將全面滿足人們對電梯高質量，高水平，高標準的要求。
除以上幾方面外，諸如 IC 卡的智能管理系統(tǒng)，應用模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡技術的群管理系統(tǒng)，以及數(shù)碼技術、聲控技術、載波技術等也將在電梯技術領域中得到推廣和發(fā)展。
二、論文（設計）研究的內容1.重點解決的問題
(1) 電梯 PLC 控制系統(tǒng)總體方案設計(2)電梯 PLC 控制系統(tǒng)硬件設計
(3)電梯 PLC 控制梯形圖設計及模擬調試
2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）
通過查閱資料，首先介紹說明可編程控制器 PLC 的產(chǎn)生，以及國內外可編程控制器 PLC 的現(xiàn)狀和以后的發(fā)展趨勢，重點突出分析可編程控制器 PLC 的優(yōu)越性。再對電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計進行整體的規(guī)劃和設想，最后進行電梯 PLC 控制梯形圖設計及模擬調試。
論文寫作大綱： 1.緒論
1.1 課題的背景
1.2 本題的研究內容
1.3 目前的研究概況和發(fā)展趨勢2.電梯的介紹和可編程控制器簡介
2.1 電梯的介紹
2.2 可編程控制器簡介3.電梯結構設計
4. 電梯 PLC 控制系統(tǒng)的設計
4.1 設備的選擇
4.2 電梯 PLC 系統(tǒng)的控制原理
4.3 電梯 PLC 控制系統(tǒng)方案設計
4.4 電梯 PLC 控制系統(tǒng)部件選配
4.5 電梯 PLC 控制梯形圖設計及模擬調試5.總結
3. 本論文（設計）預期取得的成果 (1)電梯 PLC 控制系統(tǒng)總體方案設計(2)電梯 PLC 控制系統(tǒng)軟硬件設計(3)相關的 CAD 設計圖紙
三、論文（設計）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）
對 PLC 編程語言和程序結構進行研究，然后與電梯結合，設計適合的控制程序， 最終完成電梯 PLC 控制系統(tǒng)的設計工作。
2. 論文（設計）進度計劃
第 1 ～ 2 周:查閱相關材料，初步方案設計；
第 3 ～ 4 周:總體方案設計,撰寫并完善開題報告；
第 5 周:電梯結構設計；
第 6 ～ 7 周:電梯 PLC 控制系統(tǒng)方案設計； 第 8 周:電梯 PLC 控制系統(tǒng)部件選配； 第 9 ～ 10 周:電梯 PLC 控制程序設計；
第 11 周:電梯 PLC 控制程序模擬調試； 第 12 ～ 13 周:繪制相關 CAD 圖紙；
第 14 ～ 15 周:撰寫并完善畢業(yè)設計說明書；
第 16 周:完善畢業(yè)設計各項內容，準備答辨；
四、需要閱讀的參考文獻
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[4] 第二節(jié) 未來三年電梯行業(yè)需求量預測 (一)未來三年電梯行業(yè)需求量預測[A].
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附：文獻綜述
文獻綜述
1、電梯的發(fā)展史
電梯進入人們的生活已經(jīng) 150 多年了。一個半世紀的風風雨雨，翻天覆地的是歷史的變遷，永恒不變的是電梯提升人類生活質量的承諾。人類利用升降工具運輸貨物、人員的歷史非常悠久。早在公元前 2600 年，埃及人在建造金字塔時就使用了最原始的升降系統(tǒng)，這套系統(tǒng)的基本原理至今仍無變化：即一個平衡物下降的同時，負載平臺上升。早期的升降工具基本以人力為動力。1203 年，在法國海岸邊的一個修道院里安裝了一臺以驢子為動力的起重機，這才結束了用人力運送重物的歷史。英國科學家瓦特發(fā)明蒸汽機后，起重機裝置開始采用蒸汽為動力。緊隨其后，威廉·湯姆遜研制出用液壓驅動的升降梯，液壓的介質是水。在這些升降梯的基礎上，一代又一代富有創(chuàng)新精神的工程師們在不斷改進升降梯的技術。然而，一個關鍵的安全問題始終沒有得到解決，那就是一旦升降梯拉升纜繩發(fā)生斷裂時，負載平臺就一定會發(fā)生墜毀事故。生活在繼續(xù)，科技在發(fā)展，電梯也在進步。150 多年來，電梯的材質由黑白到彩色， 樣式由直式到斜式，在操縱控制方面更是步步出新——手柄開關操縱、按鈕控制、信號控制、集選控制、人機對話等等，多臺電梯還出現(xiàn)了并聯(lián)控制，智能群控；雙層轎廂電梯展示出節(jié)省井道空間，提升運輸能力的優(yōu)勢；變速式自動人行道扶梯的出現(xiàn)大大節(jié)省了行人的時間；不同外形——扇形、三角形、半菱形、半圓形、整圓形的觀光電梯則使身處其中的乘客的視線不再封閉。如今，以美國奧的斯公司為代表的世界各大著名電梯公司各展風姿，仍在繼續(xù)進行電梯新品的研發(fā)，并不斷完善維修和保養(yǎng)服務系統(tǒng)。調頻門控、智能遠程監(jiān)控、主機節(jié)能、控制柜低噪音耐用、復合鋼帶環(huán)保—
—一款款集納了人類在機械、電子、光學等領域最新科研成果的新型電梯競相問世，
冷冰冰的建筑因此散射出人性的光輝，人們的生活因此變得更加美好。[1] 2、電梯技術發(fā)展趨勢
2.1 綠色環(huán)保
當今世界,人獷潤卜常清晰地認識到生存與發(fā)展的關系:不環(huán)保就無法生存,沒有生存根本談不上發(fā)展。綠色理念已經(jīng)深入人心,成為全球電梯發(fā)展總趨勢。有專家預言“誰最先推出綠色產(chǎn)品并搶占市場,誰就掌握市場競爭主動權”。
綠色電梯的主要發(fā)展趨勢如下:不斷改進產(chǎn)品的設計,生產(chǎn)環(huán)保型低能耗、低噪聲、
無漏油、無漏水、無電磁干擾、無井道導軌油漬污染的電梯;電梯曳引采用尼龍合成纖維曳引繩,鋼皮帶等無潤滑油污染曳引方式;電梯裝磺將采用無(少)環(huán)境污染材料; 電梯空載上升和滿載下行電機再生發(fā)電回收技術;安裝電梯將無需安裝手腳架;電梯零件在生產(chǎn)和使用過程中對環(huán)境沒有影響(如剎車皮一定不能使用石棉)并且材料是可以回收的。[3]
2.2 電梯產(chǎn)業(yè)將信息化、網(wǎng)絡化
電梯控制系統(tǒng)如何與網(wǎng)絡技術相結合將是未來電梯設計的主流趨勢。在 21 世紀的今天,如何提供用戶滿意產(chǎn)品和服務已成為關系到各企業(yè)生死存亡問題。電梯上網(wǎng)能確保為客戶提供更優(yōu)質全程的服務。[6]
2.3 電梯智能群控系統(tǒng)
電梯智能群控系統(tǒng)將基于強大的計算機軟硬件資源,如基于專家系統(tǒng)的群控、基于模糊邏輯的群控、基于計算機圖像監(jiān)控的群控、基于神經(jīng)網(wǎng)絡控制的群控、基于遺傳基因法則的群控等,能適應電梯交通的不確定性、控制目標的多樣化、非線性表現(xiàn)等動態(tài)特性。隨著智能建筑的發(fā)展,電梯的智能群控系統(tǒng)能與大樓所有的自動化服務設備結合成整體智能系統(tǒng)。[6]
2.4 藍牙技術在電梯上的應用
藍牙《lBuetoofh)技術是一種全球開放的、短距無線通訊技術規(guī)范,它可通過短距離無線通訊把電梯各種電子設備連接起來,無需縱橫交錯的電纜線,可實現(xiàn)無線組網(wǎng)。這種技術將減少電梯的安裝周期和費用,提高電梯的可靠性和控制精度,更好地解決電氣設備的兼容性,有利于把電梯歸納到大樓管理系統(tǒng)或智能化管理小區(qū)系統(tǒng)中。[5] 3.電梯控制系統(tǒng)
電梯控制系統(tǒng)主要有三種基本控制方式:繼電器控制、微機控制和 PLC 控制，其中繼電器控制系統(tǒng)具有線路直觀、維修方便、成本腳底等優(yōu)點，同時也具有故障率高、可靠性差、接線復雜、通用性差等缺點，所以使用率的較低。1976 年微機開始用于電梯，使電梯的電氣控制進入了一個嶄新的發(fā)展時期。微機控制具有控制系統(tǒng)體積減小、節(jié)能、可靠性提高，尤其是對群控、通訊等復雜電梯控制功能更具優(yōu)越性，因此，微機控制系統(tǒng)多用于性能要求較高較高檔的客梯中。當然微機控制也有其缺點，那就是微機控制系統(tǒng)的抗干擾能力弱，而 PLC 控制系統(tǒng)運行可靠，編程簡單，維修方便，抗干擾性強，已成為目前電梯系統(tǒng)中使用最多的控制方式。[7]
PLC(Programmable Logic Controller)是一種可編程序的控制器，在其內部執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產(chǎn)過程的設備。伴隨著時間的推移以及微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，PLC 從 1969 年的第一代經(jīng)歷的三次變革?，F(xiàn)在的 PLC 更多地融入了計算機的功能，不僅能夠實現(xiàn)邏輯控制，而且具有了數(shù)據(jù)處理、通信和網(wǎng)絡等功能。它具有體積小、組裝維護方便、編程簡單、可靠性高、抗干擾能力強等特點，已廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。[8]
隨著計算機技術在不斷的更新，對信號的處理技術、控制技術以及對用戶的需求都在不斷的提高，在對電梯 PLC 控制系統(tǒng)進行研究中，該系統(tǒng)是一種可編程邏輯控制器?？删幊踢壿嬁刂破髦饕诳刂葡到y(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。該系統(tǒng)是集成繼電器控制的原理進行發(fā)展而來的。在程邏輯控制器運行時按照存儲程序的內容逐條進行，最終完成工藝流程的具體要求。在該控制器中，裝有中央處理器，在內部具有指示程序步存儲地質的程序計數(shù)器，在控制器運行中，每執(zhí)行一步，控制器就會增加。通常是由零開始，在完成后，然后返回繼續(xù)執(zhí)行，在控制完成一次循環(huán)操作后就叫做一個掃描周期，掃描的周期按照不同型號的控制器來具體規(guī)定。在該系統(tǒng)的設計中，能夠將所有的輸入當成一種開關量來具體處理?；旧鲜前凑?16 位和 32 位作為一個模擬量最終將計算的結果輸送給邏輯控制器的控制器中。[9]
在電梯進行正常的運行中，主要是借助于外部的指示信號以及電梯本身的指示來完成的。但是在電梯 PLC 控制系統(tǒng)中，主要是人與電機之間的配合，當電梯在運行中,當人發(fā)出指示后，PLC 系統(tǒng)就會迅速的發(fā)出指令，然后經(jīng)過控制系統(tǒng)邏輯計算后發(fā)出具體的指令。當 PLC 在接收到具體的指令后，決定電梯的走向，然后通過變頻器下達指令，具體的調節(jié)電梯的速度。在 PLC 控制系統(tǒng)中將程邏輯控制作為基礎， 在電梯的群控制技術中進行有集選控制和隨機邏輯控制，采用 PLC 控制系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是：保證了電梯在正常運行中的安全性能以及在節(jié)能方面有著重要的保障，為了促進電梯在日常生活中更加方便人們的生活，這就需要電梯專業(yè)人員結合 PLC 控制系統(tǒng)對電梯的工作原理以及具體的性能進行深入研究，全面控制電梯運行的整個過程中以及在電梯的保養(yǎng)工作中不斷的提高技術。將 PLC 控制系統(tǒng)作為電梯控制系統(tǒng)的控制器，來進一步實現(xiàn)軟件對電梯運行的自動控制，在安全系統(tǒng)中提高可靠性，來進一步加強電梯運行的效率。[10]
本設計選用西門子 PLC 控制系統(tǒng)通過控制驅動器來控制電梯。電梯采用 PLC 控制系統(tǒng)后,其控制系統(tǒng)中的硬件結構將得到簡化,而且采用“軟接線”形式的控制程序, 又確保了電梯運行時的安全性、靈活性和可靠性。雖然電梯采用 PLC 控 制 系 統(tǒng) 的
前 期 投 入,要 比 采 用 繼 電器、微機的投入高,但是 PLC 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性、故障及時顯示等優(yōu)點,是繼電器系統(tǒng)無法替代的。
壓縮包內含CAD圖紙和三維建模及說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985
摘 要
在21世紀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)了隨著時代的進步，人們對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，對電梯的要求也越來越高。在辦公大樓里每天都有成千上萬的人們在電梯里進進出出，這足以看出電梯對人們的重要性。為了提高人們乘坐電梯時的舒適感，工程人員從未停止對電梯系統(tǒng)的研究。
由于電梯的誕生就是為了滿足人類的需求，所以在對電梯的改進方面不僅是它的結構，更重要的是它的控制系統(tǒng)。因為控制系統(tǒng)可以控制它的運行速度、平層精度、運行效率等這些都和乘客的乘坐體驗息息相關,所以這次設計的著力點就是設計一個比較合適且先進的控制系統(tǒng)。由于之前的繼電器控制電梯系統(tǒng)有許多缺點，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PLC來控制電梯，需要編程，而編程語言使用梯形圖來表示。
關鍵詞：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 電梯的國內外發(fā)展狀況 2
1.3 PLC在電梯控制中的應用以及發(fā)展前景 3
2.電梯概述 5
2.1 電梯的基本結構 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 計算機控制系統(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)設計 15
5.1電梯的主電路 15
5.2門機電路、抱閘電路、門鎖及安全運行電路 16
5.3 電梯的控制系統(tǒng)輸入輸出設計 17
5.4 電梯梯形圖程序設計 22
5.5電梯程序調試 34
6.總結 36
參考文獻 37
致 謝 38
附錄1：外文譯文 39
附錄2：外文文獻 42
72
電梯PLC控制系統(tǒng)設計
1.緒論
1.1 課題的研究背景
電梯是高層賓館、商店、住宅、多層廠房和倉庫等高層建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。隨著社會的發(fā)展，建筑物規(guī)模越來越大，樓層越來越多，對電梯的調速精度、調速范圍等靜態(tài)和動態(tài)特性提出了更高的要求。
電梯是集機電一體的復雜系統(tǒng)，不僅涉及機械傳動、電氣控制和土建等工程領域，還要考慮可靠性、舒適感和美學等問題。而對現(xiàn)代電梯而言，應具有高度的安全性。事實上，在電梯上已經(jīng)采用了多項安全保護措施。在設計電梯的時候，對機械零部件和電器元件都采取了很大的安全系數(shù)和保險系數(shù)。然而，只有電梯的制造，安裝調試、售后服務和維修保養(yǎng)都達到高質量，才能全面保證電梯的最終高質量。在國外，已“法規(guī)”實行電梯制造、安裝和維修一體化，實行由各制造企業(yè)認可的、法規(guī)認證的專業(yè)安裝隊伍維修單位，承擔安裝調試、定期維修和檢查試驗，從而為電梯運行的可靠性和安全性提供了保證。因此，可以說乘坐電梯更安全。美國一家保險公司對電梯的安全性做過認真地調查和科學計算，其結論是：乘電梯比走樓梯安全5倍。掘資料統(tǒng)計，在美國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)和微機組成的電梯運行邏輯控制系統(tǒng)，正以很快的速度發(fā)展著。采用PLC控制的電梯可靠性高、維護方便、開發(fā)周期短，這種電梯運行更加可靠，并具有很大的靈活性，可以完成更為復雜的控制任務，己成為電梯控制的發(fā)展方向。
可編程序控制器，是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機控制器的基礎上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計算機。自1969年針對工業(yè)自動控制的特點和需要而開發(fā)的第一臺PLC問世以來，迄今己30多年，它的發(fā)展雖然包含了前期控制技術的繼承和演變，但又不同于順序控制器和通用的微機控制裝置。它不僅充分利用微處理器的優(yōu)點來滿足各種工業(yè)領域的實時控制要求，同時也照顧到現(xiàn)場電氣操作維護人員的技能和習慣，摒棄了微機常用的計算機編程語言的表達方式，獨具風格地形成一套以繼電器梯形圖為基礎的形象編程語言和模塊化的軟件結構，使用戶程序的編制清晰直觀、方便易學，調試和查錯都很容易。用戶買到所需PLC后，只需按說明書或提示，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應用于生產(chǎn)實踐。而且用戶程序的編制、修改和調試不需要具有專門的計算機編程語言知識。這樣就破除了“電腦”的神秘感，推動了計算機技術的普遍應用?？删幊绦蚩刂破鱌LC在現(xiàn)代工業(yè)自動化控制中是最值得重視的先進控制技術。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、體積小、可在線修改控制程序、具有遠程通信聯(lián)網(wǎng)功能，易與計算機接口、能對模擬量進行控制、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)得到廣泛應用。PLC的應用深度和廣度已經(jīng)成為一個國家工業(yè)先進水平的重要標志之一。
總之，電梯的控制是比較復雜的，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)過程控制而設計的控制設備，隨著PLC應用技術的不斷發(fā)展，將使得它的體積大大減小，功能不斷完善，過程的控制更平穩(wěn)、可靠，抗干擾性能增強、機械與電氣部件有機地結合在一個設備內，把儀表、電子和計算機的功能綜合在一起。因此，它已經(jīng)成為電梯運行中的關鍵技術。
1.2 電梯的國內外發(fā)展狀況
在經(jīng)濟不斷發(fā)展，科學技術日新月異的今天，樓的高度已和經(jīng)濟發(fā)展同樣的速度成長起來。電梯作為建筑物內的主要運輸工具已經(jīng)成為我們日常生活的一個不可缺少的組成部分。一個國家的電梯需求總量，主要受其經(jīng)濟增長速度、城市化水平、人口密度及數(shù)量、國家產(chǎn)業(yè)結構等綜合因素的影響。我國的國民經(jīng)濟以較高的速度持續(xù)增長，城市化水平不斷提高。這從客觀上導致了我國電梯行業(yè)的空前繁榮景象，我國已經(jīng)成為全球最大的電梯市場。上世紀80年代以來，隨著經(jīng)濟建設的持續(xù)高速發(fā)展，我國電梯需求量越來越大?？傏厔菔巧仙?，進入了“第三次浪潮”，2004年總產(chǎn)量超過了8萬臺，而且目前還沒有減速的跡象。從1949年建國以來全國共生產(chǎn)安裝了6l萬多臺電梯。盡管如此，我國的電梯遠未達到飽和的程度。全世界平均1000人有l(wèi)臺電梯，我國如果要達到這個水準，還需要增加70萬臺。到那時候，全國在用電梯將達到130萬臺，每年僅報廢更新就需要6萬臺。到2005年，中國電梯的年產(chǎn)量達到13．5萬臺，與1980年相比，25年增長了59倍，產(chǎn)量每年平均增長17．8％。2005年安裝驗收電梯124465臺，截至05年底，我國的在用電梯總數(shù)已達651794臺。如此龐大的市場需求為我國電梯行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的舞臺!
我國電梯行業(yè)已經(jīng)具備了很強的生產(chǎn)能力。興旺的電梯市場吸引了全世界所有的知名電梯公司，美國奧的斯、瑞士迅達、芬蘭通力、德國蒂森、日本三菱、日立、東芝、富士達等13家大型外商投資公司在國內的市場份額達到了74％。先進技術和先進管理的引進對國內電梯企業(yè)產(chǎn)生了強大的推動作用。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。目前國內市場需要的電梯產(chǎn)品，我國電梯行業(yè)幾乎全部可以生產(chǎn)，不但大量替代了進口，而且有一定的出口。國產(chǎn)電梯的技術水平和產(chǎn)品質量正在穩(wěn)步提高。自1985年我國參加了國際標準化組織ISO/TCl78以來，先后等同或等效采用了一批國際標準和先進國家的標準。標準的高起點使我國電梯行業(yè)在技術上居于有利地位。許多新技術和新產(chǎn)品，如無機房電梯、無齒輪曳引機、永磁同步拖動技術、遠程監(jiān)控技術等，國際上也是剛剛出現(xiàn)，我國就有許多企業(yè)可以生產(chǎn)了。國產(chǎn)電梯以其高質量，低成本的優(yōu)勢贏得了越來越多的國內外客戶，為逐步進入國際市場創(chuàng)造了有利條件。
中國電梯在亞洲市場占有越來越重要的位置，每年銷售量己達l萬臺左右，約占亞洲市場的1/50，一些合資企業(yè)在出口創(chuàng)匯方面也做出了貢獻。當今世界，電梯的生產(chǎn)情況與使用數(shù)量已經(jīng)成為衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化程度的標志之一。在一些發(fā)達的工業(yè)國家，電梯的使用相當普遍。
世界上有名的幾家電梯公司，諸如：美國奧的斯公司、瑞士迅達公司、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，國外除了以交流電梯取代直流電梯以外，在低層樓房越來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控制和微型計算機控制三種。而PLC實際上是一種專用計算機，它采用循回掃描的方式分時處理各項任務，而且依靠程序運行，這就保證只有正確的程序才能運行，否則電梯不會工作；又由于PLC中的內部輔助繼電器及保持繼電器等實際上是PLC系統(tǒng)內存工作單元，即無線圈又無觸點，使用次數(shù)不受限制，屬無觸點運行，因此，它比繼電器控制有著明顯的優(yōu)越性，運行壽命更長，工作更加可靠安全，自動化水平更高。PLC控制是三種控制方式中最具有可靠性、實用性和靈活性的控制方式，它更適合于用在電梯的技術改造和控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代，是電梯控制系統(tǒng)中理想的控制新技術。
隨著科技的進步，電梯也更加安全、舒適。然而，人們的追求并沒有就此停止下來，仍在不斷地進行研究改進。綠色是和平，綠色是天然，綠色是和諧。電梯是載人的機電設備，要實現(xiàn)“綠色”，也就是強調電梯更舒適、更安全地為人類的生產(chǎn)和生活服務，強調電梯與環(huán)境的協(xié)調與和諧。
目前意義上的“綠色”，一般是強調“天然”的一面，強調與環(huán)境的協(xié)調與和諧。電梯屬于純粹的工業(yè)產(chǎn)品，其天然性應表現(xiàn)為對環(huán)境影響的盡可能小，與環(huán)境的協(xié)調與平衡，以及電梯本身的人性化。這也應是綠色電梯的發(fā)展方向。
(1)智能化。我們這罩所說的智能化電梯是傳統(tǒng)的人工智能是無法勝任的。傳統(tǒng)的智能控制是一種技術的事先安排，說到底是一種程序控制，是一種周期性的系統(tǒng)自動控制，實際上還算不上智能。而真正的智能電梯應更具人性化特點，不僅具有傳統(tǒng)的人工智能的所有優(yōu)點，而且還有傳統(tǒng)的人工智能無法比擬的東西，具有動念和隨機處理各種問題的能力，諸如能根據(jù)轎廂內的情況和各層的候梯信息，自動地制定每次最優(yōu)的運動速度和停車政策；自動選擇運動方面；雙向語音交流；到達目的層的語音提示等，讓乘客有更多的主動性，使大樓交通運輸實現(xiàn)真正的人機對話。智能化要求電梯有自動安全檢測功能，讓電梯自己能夠檢測到電梯的故障所在，并及時報警予以排除。
(2)安全。運行安全是電梯的根本和關鍵?？梢哉f，電梯的全部其他工作都是以此為中心展開的，使電梯安全運行更有保障。運行安全不僅要消除電梯啟動時較強的電磁輻射，使用安全材料和運行穩(wěn)定，而且要有一種良好的視覺效果，讓每一位乘客在寬敞、明亮轎廂內有安全、舒適的好心情。同時，電梯運行安全也要求電梯在運行中發(fā)生故障時，不但要使乘客容易與外界溝通聯(lián)系，而且電梯本身應當能自動播放讓乘客感到放松的音樂，徹底消除產(chǎn)生緊張不安的情緒。當小孩和老人乘坐時，電梯對他們應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。電梯運行安全還要求電梯有自動休眠功能，使電梯在保證運行效率最高的同時，使電梯能最大限度地得到休眠。
(3)與環(huán)境的協(xié)調和平衡，包括以下幾個方面：
①視覺協(xié)調。有人曾經(jīng)做過環(huán)境色彩是否對人有影響的研究。該研究發(fā)展：視覺不協(xié)調的環(huán)境色彩對人的情緒、精神影響非常大。國內的許多電梯公司對此的重視是遠遠不夠的，甚至不少通過引進國外技術國產(chǎn)化的電梯也顯露出一副土生土長的容貌。
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達到自身對大樓電磁干擾最小，而又不被其他電磁干擾影響的建筑機電設備。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化(OA)、樓宇自動化(BA)、通訊自動化(CA)的正常運轉。
③舒適感。通過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，按人體生理適應要求，利用計算機優(yōu)化設計而成的理想運行曲線，實現(xiàn)更穩(wěn)定、更舒適的運行。
對現(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，對經(jīng)濟性、能耗、噪聲等級等方面也有相應要求。
2.電梯概述
2.1 電梯的基本結構
電梯的基本結構如圖2-1所示。
圖2-1 電梯的基本結構
1 控制柜(屏) 2 曳引機 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 導軌 11 對重 12 廳門 13 緩沖器
(1)曳引系統(tǒng)
電梯能夠實現(xiàn)正常的運行，必須得有一個可以驅動電梯的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)就是電梯的曳引系統(tǒng)。由于通過此系統(tǒng)可以輸出動力和傳遞動力，所以它就實現(xiàn)對電梯的一個驅動運行。要實現(xiàn)電梯的驅動，此系統(tǒng)也需要有多個部件組成。其中包括為了實現(xiàn)電梯的正常運行必須要有的一個動力來源，這個來源就是曳引機。為了實現(xiàn)它的這個功能，它必須要有電磁制動器、電動機、連軸器、曳引輪、減速箱這幾個至關重要的配件。毗連轎廂和對重的是對應曳引鋼絲的兩頭，來實現(xiàn)轎廂的起落功效的是鋼絲繩和曳引輪之間的磨擦。實現(xiàn)電梯的正常運行光有曳引機是不夠的，因為電梯正常運行時，轎廂和對重之間必須要有一定的間距，導向輪就能滿足此需求。
(2)導向系統(tǒng)
電梯在正常運行的過程當中，轎廂和對重只能有一個自由度，否則電梯將出現(xiàn)安全隱患。為了滿足這個要求，特意設定了導向系統(tǒng)，它可以保持轎廂和對重只有一個自由度。
(3)門系統(tǒng)
電梯的門系統(tǒng)正如我們日常生活中所見到的那樣由轎廂門，層門，開門，連動機構等組成。其中層門顧名思義就設定在層站入口處，而轎廂門也在轎廂入口，作為轎廂和層門動力源的開門機則在轎廂上。
(4)轎廂
設計電梯的初衷就是為了方便人們，節(jié)約人們上下樓梯的時間，減輕人們需要上下樓梯的費力度。就像人們乘坐火車時需要到車廂里一樣，電梯也有相應的“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行的平穩(wěn)和正常。
(6)電力拖動系統(tǒng)
電梯設計出來最終的目的都是為了滿足社會大眾的需求，再此基礎上還需增加乘客乘坐電梯時有一個好的體驗。盡量少的去減少電梯運行的速度變化率，讓電梯在運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)沒有一個可以實現(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”就是能夠實現(xiàn)它正常運行的一個軟件控制系統(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行并且是根據(jù)電梯的運行邏輯功能要求來的，把它設置在機房中的控制柜上。能夠實現(xiàn)人們對電梯的操作，所以特意有了一個操作裝置。而且，就像人們乘坐公交車在能看到車窗外風景的情況下還是在廣播里播報到站的地點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位置顯示裝置去提醒人們想要知道的信息。
(8)安全保護系統(tǒng)
每個物體的使用，都存在一定的安全性。所以每個產(chǎn)品在開始設計時都應該考慮到一個安全保護的系統(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)約時間，特意需要乘坐電梯的乘客設計的電梯。
載貨電梯：為了滿足一部分人員往高層運送貨物的需求，降低那些需要運送貨物的乘客的費力度，特意設計了專門運送貨物的電梯，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)療器械而設計的長而窄的電梯。
雜物電梯：專供那些需要運送到指定地點的雜貨而實際的電梯。
觀光電梯：在一些旅游勝地或游樂場之類的場所，特意為游客們設計的，便于他們欣賞外面怡人的風景。
車輛電梯：在一些特殊的場合，特意為運送車輛而設計的電梯。
船舶電梯：有一些船上也設計了好幾層的空間，為了減少人們的費力度而特意設計的。
建筑施工電梯：在一些還沒有完成建設的施工現(xiàn)場，專門為方便施工人員而設計的“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有的。
(2)按驅動方式分類
交流電梯：生活中電流都會有交流和直流之分，電梯也不例外。用交流電源驅動的電梯就叫做交流電梯。
直流電梯：同上，用直流電源驅動的叫直流電梯。
齒輪齒條電梯：利用齒輪齒條的嚙合來驅動的電梯。
(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、動車、高鐵、飛機等。這幾種方式最后都能到達目的地，但需花費的價錢不一樣。原因就在于它們的速度不同，同樣的路程所花費的時間不一樣。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)展狀況來看，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)按電梯有無司機分類
有司機電梯：這種電梯不能根據(jù)乘客的需求和喜好來自己控制，像我們坐火車需要司機駕駛一樣，它也得由專職司機來控制。
無司機電梯：此電梯的運行方式可根據(jù)乘客的需求和喜好隨心所欲的操作。
有/無司機電梯：此類電梯是以上兩類電梯的綜合，可以由專職司機操縱來完成，也可以實現(xiàn)自動控制。
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)的一個控制系統(tǒng)，相應地它也曾被應用于電梯控制系統(tǒng)當中。但是隨著時代的進步和社會的發(fā)展，電梯也隨著人們對生活水平要求的提高而凸顯出繼電氣控制電梯系統(tǒng)的種種不足和無法達到大眾所期望的程度。
由于可編程邏輯控制器即PLC可以運用一些數(shù)字量或模擬量的輸入輸出且聯(lián)合計算機科學的一些性能來實現(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越來越多地被應用于好多需要控制的系統(tǒng)中包括電梯控制系統(tǒng)。同時，由于社會的進步和各個科學家的努力專研，我們的機電交流變頻調速技術也逐漸發(fā)展起來。所以，為了社會的進步我們也把此調速技術應用于電梯上。綜上可得，把以上兩種比較先進的技術都應用于電梯上是現(xiàn)在社會的一大熱點。
選擇PLC控制代替繼電器控制系統(tǒng)，是因為繼電器控制系統(tǒng)存在很多的問題，滿足不了當前社會大眾的要求。并且它的系統(tǒng)比較復雜，接線線路也很復雜，還實現(xiàn)不了比較復雜的控制功能，很難提高技術水平，容易出現(xiàn)故障，維修浪費時間不說還得花費一大筆金錢。所以用繼電器控制系統(tǒng)控制的電梯，可用率不高，有時還有可能對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)沒有的諸多優(yōu)點。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)的準確性和可靠性。（2）沒有那么繁瑣的各種硬件和連接硬件的線，相當簡潔。（3）對比繼電器控制，利用PLC可以輕易地實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的控制，也可以很方便快捷地增加或改變控制功能。（4）PLC還具有自我檢測的功能，可以自動的進行故障排查，不用工作人員時時刻刻的觀察。（5）由于PLC可以很簡單地控制比較復雜系統(tǒng)，所以它可以一物多用，可用率比較大，運行效率也比較高。（6）只通過改變軟件的參數(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 計算機控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)的比較
得益于世界上那些偉大科學家的專研，計算機技術有了很大的發(fā)展，因此計算機控制系統(tǒng)也流行起來。其中應用于機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來實現(xiàn)的。但是由于工控機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)問題，維修的人員需要擁有大量的知識儲備，必須是比較資深的專業(yè)維修人才才可以進行一個維修，對維修人員的要求也相當高。可是以我國目前的發(fā)展情況來看并不現(xiàn)實。所以可編程邏輯控制器對它進行了一定量的修改，是它成為一個專用的工控機，能在惡劣工況下正常的運行和工作。
3.3可編程控制器（PLC）的選型
通過對自己大學四年里學到的知識貯備量的評估和考量，此次畢業(yè)設計最后決定設計一個可以控制六層電梯的控制系統(tǒng)。根據(jù)本設計此電梯系統(tǒng)的一個要求，具體情況具體分析，此次選擇平常的一個PLC的響應速度就已經(jīng)足夠滿足它的控制要求了。通過對性能和價格還有自己的知識貯備的一番考量，最后決定應用日本三菱公司生產(chǎn)的 FX2N系列 PLC來實現(xiàn)對六層電梯系統(tǒng)的控制。
FX2N 系統(tǒng) PLC 具有以下幾方面的優(yōu)點：
(1)應用FX2N的時候具有很高的靈活性，可以根據(jù)設計人員的需求來隨意變換。
(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可以用各種元件來進行設計，比如：輔助繼電器 M，狀態(tài)繼電器 S，定時器 T，寄存器 D，計數(shù)器 C 等。
(4)為了實現(xiàn)對FX2N的編程，不僅可以用編程器來進行編程，也可以在電腦上使用三菱公司GX Developer來進行編程。
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的進行，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PLC的一個內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)，如果是就輸入進去進行掃描，掃描之后才執(zhí)行程序，最后輸出結果；如果不是“Run”狀態(tài) ，又回到需要進行內部處理和通信處理的步驟，就這樣循環(huán)往復進行下去。
圖3-1 掃描過程
3.4.2. PLC的程序執(zhí)行過程
PLC的程序的執(zhí)行過程如圖3-2所示。首先是輸入采樣階段，通過外部輸入相應的信號和指令到輸入端子；然后是程序執(zhí)行階段：通過輸入映像寄存器對輸入信號做相應的處理，如果輸入端是屬于常開狀態(tài)輸入進去之后就閉合傳到輸出端，還有可能出現(xiàn)自鎖的一個現(xiàn)象；最后是輸出刷新階段：通過上一階段的輸出信號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，最后輸出結果。
圖3-2 PLC的程序執(zhí)行過程
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間，但PLC的掃描周期并不僅僅只是那樣的一段時間。因為PLC的功能很強大，自然它的任務也就繁多，它的掃描周期也應該包含它完成自我檢測和完成與外面的設備通信所需的一個時間段。
3.4.4. PLC的I／O響應時間
它的定義就是：通過外部輸入相應的信號和指令到輸入端子開始算起一直到完成PLC的執(zhí)行，最后通過輸出端子輸出信號時結束，這期間所花費的時間就是PLC的I／O響應時間。
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對電梯系統(tǒng)進行控制，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，因為基本的邏輯指令是PLC中最基本需要了解的編程語言，就像你在正常生活中想要和外國人交流就必需要懂得他們的語言一樣。由于基本邏輯指令對于各種型號的PLC來說都大同小異，考慮到這次是利用FX2N來編程，所以我這次專門對FX2N系列的編程語言做一個詳細的說明和闡述。
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程序結束指令表
因為設計人員在編程的過程中，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最重要的標志就是最后這個END指令和符號，不然系統(tǒng)自認為你的編程并沒有完成。
4.2三菱FX2N系列PLC介紹
4.2.1. 三菱FX2N PLC的主要特點：
(1)集成型高性能。CPU、電源、輸入輸出三為一體。
(2)高速運算
基本指令：0.08μs／指令
應用指令：1.52～幾百μs／指令
(3)安全、寬裕的存儲器規(guī)格
內置8000步RAM存貯器
安裝存儲盒后，最大可以擴展到16000步。
(4)豐富的軟元件范圍
輔助繼電器：3072點，定時器：256點，計數(shù)：235點
數(shù)據(jù)寄存器；8000點
(5)面向海外的產(chǎn)品適合各種安全規(guī)格
為大量實際應用而開發(fā)的特殊功能：
4.2.2. PLC的性能指標和分類
(1) PLC的主要性能指標
①輸入／輸出點數(shù)（I／O點數(shù)）
這個點數(shù)是根據(jù)設計人員的要求而去決定選擇哪款PLC編程的。這個點數(shù)就是這個系統(tǒng)的輸入和輸出有多少個，把它們的總和相加起來的結果。
②存儲容量
就像使用的很多電子設備、可移動磁盤、網(wǎng)上云盤等都有一個儲存容量一樣，它的意思就是此設備最多能夠存儲的文件的最大容量。
③掃描速度
速度的定義就是路程除以時間，而同理的是這個PLC的掃描速度一般是以執(zhí)行1000步指令所需時間來衡量，單位為ms/k步。
④功能擴展能力
設計人員在設計一款軟件時，肯定會對它的一個拓展能力做一個考量。此系統(tǒng)也不例外，此系統(tǒng)增加了很多其他的應用模塊，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進行編程并且使它實現(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)大的輸入輸出點數(shù)分類，可以分為小、中、大型；根據(jù)它的結構形式有整體式和分散式等。
5.電梯PLC控制系統(tǒng)設計
5.1電梯的主電路
圖5-1 主電路圖
5.2門機電路、抱閘電路、門鎖及安全運行電路
圖5-2 門機、抱閘、門鎖及安全運行電路
5.3 電梯的控制系統(tǒng)輸入輸出設計
為了對此電梯PLC控制系統(tǒng)的設計有一個比較好的說明和闡述，也便于自己以后檢查設計中出現(xiàn)的問題，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)設計的要求，也對照日常生活中人們對電梯的種種需求，經(jīng)過一番精心的計算和考量，PLC需要的I/O接口為73左右。73個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繼電器的詳細說明
圖5-5 繼電器
5.4 電梯梯形圖程序設計
5.5電梯程序調試
GX-Developer的功能很強大，不僅可以用它編程，還可以用它來調試自己編寫的程序。進行運行調試之后，根據(jù)它的提醒來改正已經(jīng)編好的程序，如圖5-6、5-7、5-8。
圖5-6 程序的調試及監(jiān)控
圖5-7 程序的調試及監(jiān)控
圖5-8 程序的調試及監(jiān)控
6.總結
從2016年最后的那兩個星期開始，一直都在準備大學四年里的最后一個最重要的學習成果。除去假期的翻譯外文文獻的時間，大概花了近三個月的時間來做這次的畢業(yè)設計。通過此次畢業(yè)設計，讓我對PLC控制電梯系統(tǒng)的設計有了更深入的了解，也讓我學會了活學活用，把課堂上學到的關于那些PLC的知識點去應用到實踐當中。
自從確定了畢業(yè)設計的題目是PLC控制電梯的控制系統(tǒng)設計后，“電梯”這兩字就潛移默化的影響著我，在生活中乘坐電梯時總是會去觀察它的工作方式和結構。這次使用的編程軟件是日本三菱公司的GX Developer，為了實現(xiàn)編程特意去找各種資源，網(wǎng)上自學視頻教程，還好之前有學過plc的基礎，所以學起來也比較順利，最后完成了這次畢設。
作為一名學機械設計制造及其自動化機電方向的學生來說，這次畢業(yè)設計的主要成果有：電梯的CAD結構簡圖、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老師劉老師對我的悉心教導，由于是一邊實習一邊做畢設的情況，回學校的時間并不多，但老師通過網(wǎng)上聯(lián)系的方式還是在耐心的幫我解答疑問。其次感謝母校大連大學機械工程學院所有老師對我的培養(yǎng)，四年的時間，一晃而過，這四年里，不僅使我學到了很多新知識，更重要的是，使我建立起了一種比較完善的分析問題和解決問題的能力，正是有了這樣科學的分析和思考問題的方式，才能使我克服畢業(yè)設計中遇到的一系列問題，同時這在我以后的生活、學習和工作中也將起到至關重要的作用。
附錄1：外文譯文
第十九屆世界大會論文集國際自動控制聯(lián)合會開普敦，南非。
2014年8月24日至29日
大型PLC程序中的定時方面的建模和正式驗證
Borja Fernandez Adiego丹尼爾·達拉斯
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，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程序構建正式模型的復雜性，特別是當需要集成時序方面時。本文通過提出一種模擬和驗證PLC程序的時序方面的方法來解決這個障礙。提出了兩種方法以允許用戶平衡模型的復雜性（即其狀態(tài)數(shù)）與可能被驗證的規(guī)范的集合之間的貿易。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提出了實際PLC程序的時序方面的驗證。
關鍵詞：PLC，定時器，正式驗證，模型檢驗，自動機，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）應用來操作其不同的粒子加速器。這些應用對于CERN操作至關重要，因此保證其行為符合其規(guī)定是最重要的。正式驗證，特別是模型檢查，似乎是一個有前途的技術，以確保PLC程序滿足其初始規(guī)格。然而，由于構建PLC程序的形式模型的復雜性，這種技術在工業(yè)中沒有被廣泛使用，構建這樣的形式模型需要對系統(tǒng)進行建模（硬件和軟件）以及基礎模型的深入知識檢查器。此外，當需要考慮定時方面，即PLC時間和定時器時，模型化任務變得甚至更復雜，因為所得到的模型，無需重新定義表示，通常在狀態(tài)空間而言過大而無法通過模型檢查器來處理。
在本文中，我們提出了一種方法來建立PLC時間和計時器。該方法被整合到Darvas等人描述的通用框架中（2013）允許從PLC程序自動生成正式模型。提出了兩種方法來考慮定時方面：現(xiàn)實和抽象模型化。在現(xiàn)實的做法表示定時器的行為和時間在PLC的內部表示高保真度。這種建模允許驗證時間相關的屬性以確保給定的動作將（或不會）在給定延遲之后或之后執(zhí)行（例如，在給定輸入被設置為真之后500ms后PLC輸出設置為真）。雖然這種模型化在表現(xiàn)力方面是強大的，但是它可能產(chǎn)生太大而不能由模型檢查器處理的模型，因此導致第二建模方法。抽象方法省略了時間本身的建模，并給出了一個非確定性的定時器模型。與第一種方法相比，這大大減少了生成模型的狀態(tài)空間，因此允許驗證大型PLC程序，同時仍然提供驗證一些時間相關規(guī)格的能力?？梢酝ㄟ^應用該第二建模來驗證的屬性例如是活性屬性（例如，在其輸入被設置為假之后，PLC輸出將被設置為真）。使用抽象時間模型化驗證的要求在現(xiàn)實模型上仍然有效，因為現(xiàn)實的方法是抽象的模型的重構。最后，工具實現(xiàn)兩種類型的時間模型化，并產(chǎn)生正式型號為NuSMV（Cimatti等人（2002）），BIP（Basu等人（2011））和UPPAAL（Amnell等人（2001））已 開發(fā)并應用于CERN的控制系統(tǒng)。
1.1相關工作
雖然以前在文獻中已經(jīng)研究了PLC程序的建模時序行為，但是它們都沒有提供允許自動地生成包括時序方面的形式模型并且同時執(zhí)行對這些模型的驗證的一般方法。此外，文獻中發(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。
事實上，Mader和Wupper（1999）或Perin和Faure（2013）提出了一種使用定時自動機模型對PLC定時器建模的方法，但不提供驗證結果。由于時間被認為是線性和單調函數(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用于大型系統(tǒng)，使得驗證是不可能的，因為是在CERN開發(fā)的系統(tǒng)。類似地，Mokadem等人（2010）提出了一個案例研究，其中為驗證目的創(chuàng)建了定時多任務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使用時鐘執(zhí)行驗證，并且因此具有單調時間表示。在Wang et al（2013）中，使用基于組件的BIP框架對包括定時器的PLC控制系統(tǒng)的幾個方面進行建模。在這種情況下，在這種情況下，它們假設xed PLC周期長度是一個大的應變，與實際的PLC定時器相比，定時器模型不夠精確。此外，不提供驗證結果。
本文的其余部分結構如下：第2節(jié)介紹了PLC中的時間和計時器的概念。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)詳細介紹了對PLC程序時序方面進行建模的兩種建議方法，以及應用模型化的案例研究。此外，本節(jié)正式表明，現(xiàn)實的時間模型化是其抽象的一個要素。最后，第5節(jié)通過突出它們的優(yōu)點和缺點來分析這兩種方法，并在文章結束。
2. 定時PLC控制系統(tǒng)
本節(jié)概述PLC控制系統(tǒng)，重點介紹時序方面。此外，提出了一個案例研究，將用于其余部分，以說明本文提出的模型化方法。
2.1 PLC的時序特性
PLC是執(zhí)行稱為掃描周期的同步和循環(huán)過程的工業(yè)計算機，包括以下主要步驟：（1）讀取存儲器的輸入值，（2）使用讀取數(shù)據(jù)解釋和執(zhí)行程序邏輯 ，以及（3）將計算的輸出值寫入實際輸出。
在標準PLC，即非安全PLC中，周期時間不是固定的，但是存在由看門狗模塊實施的上限。 如果PLC循環(huán)時間大于該上限，例如，由于PLC程序中的無限循環(huán)，PLC執(zhí)行負責處理定時錯誤的程序的特殊部分。相比之下，安全PLC具有固定周期時間。
定時器操作，例如定時器，由IEC 61131定義，可以被認為是延遲信號或產(chǎn)生脈沖的功能塊。 不同類型定時器可以在PLC中找到，最常見的定時器之一是TON（定時器打開延遲）（見圖1）。該定時器有2個輸入變量：IN和PT。IN是一個布爾輸入信號，PT是延遲時間。定時器有2個輸出：Q和ET。Q是布爾輸出變量，當IN執(zhí)行上升沿時，其值將在預定延遲（PT）后為真，如果IN為假，則其值為假。 ET是經(jīng)過的時間，其值增加到PT，當IN上出現(xiàn)上升沿時開始。
圖1.TON時間圖
PLC定時器使用特定的數(shù)據(jù)類型用于稱為TIME的定時操作。這種數(shù)據(jù)類型由IEC 61131定義為一個簡單的變量，它說明“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現(xiàn)的”。通過一個有限變量表示時間導致非單調的時間表示為變量可以溢出時（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32位整數(shù)（見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)類型是無符號的32位整數(shù)，精度為1 ms。在本文中，我們考慮在西門子PLC中標記的時間解釋。
圖2.有時間表示的后果
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)）的基本對象的庫。這些對象在PLC代碼中表示為功能塊，使用ST（結構化文本）語言，可以調用PLC上的不同功能塊。目前UNICOS被實現(xiàn)用于標準PLC，即其中周期時間不是固定的，并且取決于總體應用。
在本文中，我們重點介紹由UNICOS庫為西門子PLC提供的OnO對象。該對象用于表示作為由數(shù)字信號（例如閥，加熱器，電動機）驅動的執(zhí)行器的物理設備。使用60個輸入變量（其中13個是參數(shù)），62個輸出變量，600行ST代碼和3個定時器實例，OnO對象在大小和復雜性方面代表其他UNICOS對象。
附錄2：外文文獻