【电气工程及其自动化】基于plc四层电梯控制系统的软件设计

本科生毕业论文（设计）基于PLC的四层电梯控制的软件设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月24日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录摘要11绪论111本设计的目的与意义112国内外研究现状213系统功能简介3131本次设计目标3132电梯的构造32初步设计方案321整体设计322功能作用43硬件电路介绍431硬件设计框图与接线图432人机交换界面54软件模块设计541控制要求概述542基本输入输出信号的分析，与IO分配表643开门环节744关门环节745信号登记与消除环节8451楼层信号产生与消除8452内选信号的产生与消除8453外呼信号的产生与消除846电梯定向环节847停车信号环节948电梯启动加速、稳定运行、停车制动环节95系统调试与模拟1051安装GTDESIGNER3与GTSIMULATOR31052调试和模拟116结论与展望11参考文献13附录14基于PLC四层电梯控制系统的软件设计摘要本论文介绍的是基于PLC的四层电梯控制系统的软件部分。本次设计的是别墅电梯，能实现乘客需要的基本功能，并有简单的保护功能。电梯控制系统由三菱FX系列PLC完成，利用变频器调速，轿厢内设有触摸屏。论文主要介绍电梯程序设计。电梯运行的模拟和调试在仿真软件中完成。关键词电梯；控制系统；三菱PLCTHESOFTWAREDESIGNOFFOURLAYERELEVATORCONTROLSYSTEMBASEDONPLCABSTRACTTHISPAPERINTRODUCEDTHESOFTWAREDESIGNOFFOURLAYERELEVATORCONTROLSYSTEMBASEDONPLCTHEDESIGNOFTHEVILLAELEVATORCANACHIEVETHEBASICFUNCTIONSOFTHEPASSENGERSNEEDANDASIMPLEPROTECTIONFUNCTIONTHEELEVATORCONTROLSYSTEMISCOMPLETEDBYMITSUBISHIFXSERIESPLCUSINGFREQUENCYCONVERTERTOSPEEDREGULATIONANDTHECARWITHTOUCHSCREENTHISPAPERMAINLYINTRODUCESTHEELECTRICALDESIGNPROGRAMTHESIMULATIONOFELEVATORRUNNINGANDDEBUGGINGONTHETOUCHSCREENSIMULATIONSOFTWAREKEYWORDSELEVATORCONTROLSYSTEMMITSUBISHIPLC1绪论11本设计的目的与意义在现代社会和经济活动中，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。特别在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。电梯涉及机械工程、电子技术、电力电子技术、电机与拖动理论、自动控制理论、电力拖动自动控制系统、微机技术等多个学科领域。目前电梯的生产情况和使用数量已成为一个国家现代化程度的标志之一。电梯需要具有运送速度快、安全可靠、操作简便的要求。随着微电子技术和电力电子技术的发展和完善，电梯的拖动方式已由原来的直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。电梯作为现代建筑中的重要交通工具，它与一般的交通工具有着较大的差别。良好的电梯控制技术是电梯高质量运行的重要保障，电梯运行安全舒适、高效、节能控制器的性价比等都是电梯技术发展面临的重大，传统的电梯控制是继电器控制，但继电器控制系统触点繁多接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高；普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高；电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高；系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大；由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；而且检查故障困难，费时费工。电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊扰。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。而PLC实际上是一种专用计算机，它采用扫描周期的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作；又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，属无触点运行，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。随着科技的进步，电梯也更加安全、舒适。12国内外研究现状电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。多层厂房和多层仓库需要有货梯高层住宅需要有住宅梯百货大楼和宾馆需要有客梯,自动扶梯。在现代社会,电梯已像汽车、轮船一样,成为人类不可缺少的交通运输工具。据统计,美国每天乘电梯的人次多于乘载其它交通工具的人数。当今世界,电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。追溯电梯这种升降设备的历史,据说它起源于公元前236年的古希腊。当时有个叫阿基米德的人设计出人力驱动的卷筒式卷扬机。1858年以蒸汽机为动力的客梯，在美国出现,继而有在英国出现水压梯。1889年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力,这才出现名副其实的电梯,并使电梯趋于实用化。1900年还出现了第一台自动扶梯。1949年出现了群控电梯,首批46台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。1955年出现了小型计算机真空管控制电梯。1962年美国出现了速度达8米/秒的超高速电梯。1963年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。1967年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统筒化，性能提高。1971年集成电路被应用于电梯。第二年又出现了数控电梯。1976年微处理机开始用于电梯，使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期。目前，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造等的优点因此采用PLC组成的控制系统会比较可靠。，PLC的电梯控制系统软件也比较容易进行扩展，不管是高层的大型电梯还是只有几层的小型电梯，PLC控制系统都可以进行应用1。13系统功能简介131本次设计目标本次设计是对基于PLC四层电梯的控制程序进行设计，能在电梯外对电梯进行呼叫，乘客在轿厢内能选择希望到达的楼层，电梯运行到指定位置后，具有自动开/关门的功能，也能手动开门和关门。能判断电梯运行方向，发出相应指示信号，而且规定在运行方向确定后，不响应中途的反向呼唤要求，直到本方向的最远站。电梯使用变频器调速，具有多速度档位。132电梯的构造电梯由轿厢、配重、拖动电动机、减速传动机械、井道、井道设备、招唤系统及安全装置构成。井道是指建筑物中用于安装电梯并提供运行的通道，轿厢及配重在井道中运行。井道在各楼层都有门厅及呼梯设备。门厅有门厅门，门顶设有楼层指示器。门厅有呼梯盒，用于召唤电梯。四层电梯中一、四层各只有一个按钮，二、三层各有两个按钮，按钮带有呼梯记忆灯。轿厢内设有开、关门按钮、层面指示按钮。2初步设计方案21整体设计图1整体框图上图为PLC电梯控制系统设计框架图，PLC通过接收各种传感器和按钮的输入控制信号，再经过程序的处理，对变频器、电机等设备进行控制。PLC输输入出保护功能信号轿厢外显示开关门信号井道传感器信号变频器外呼梯信号曳引机门机触摸屏内呼编码器触摸屏显示22功能作用本系统以PLC为核心，采用了变频器对电机的调速，实现四层电梯的控制。PLC通过对信号的采集控制电梯的停层、加速、减速、制动以及开关门和信号显示的功能。1PLC进行运算和控制功能2变频器对电梯进行调速3门机实现开关门4显示对呼梯信号的显示和电梯所在楼层的显示5输入模块输入内、外呼梯信号；电梯加速、减速停车定位等信号的输入6电动机电动机带动曳引机旋转使轿厢上下运动7编码器对电梯进行准确的定位3硬件电路介绍31硬件设计框图与接线图在硬件方面不作介绍，只给出硬件框图与接线图。输输入出PLC接接口口安全保护信号触摸屏信号外指令信号光电脉冲呼梯信号指示楼层显示运行方向指示报警信号开关门控制门区域平层信号拖动控制系统开关门信号运行方式选择运行控制信号图2硬件控制框图32人机交换界面人机交换界面的目的就是为电梯轿厢内的乘客提供良好的信息交互，通过液晶屏显示当前电梯所处的楼层信息，以及其他呼叫信息，从而实现用户和PLC之间的信息交换，提高了人机交互性6。与传统方式比较，轿厢内使用人机交换界面能减少按钮的使用，楼层数多时，更易于乘客楼层的选择。4软件模块设计41控制要求概述1一台曳引电机控制上升和下降，一台门机控制开关门。2各层设上/下呼叫开关最顶层与起始层只设一只。3电梯到位后具有手动或自动开门关门功能。4电梯内设有层楼指令键，开关门按键，警铃，超重指示。5电梯内外设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯。6待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门迎客。7自动关门与提早关门在一般情况下，电梯停站46S应能自动关门，在延时时间内，若按下关门按钮，门将不经延时提前实现关门动作。8按钮开门。在开关过程中或门关闭后，电梯启动前（2S），按下操纵盘上开关按钮，门将打开。9内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序自动停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。10自动定向。当轿厢内操纵盘上，方向时，电梯应能按先入为主的原则，选层指令相对与电梯位置具有不同自动确定运行方向。11呼梯记忆与顺向截停。电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。12电梯能实现自动调速功能。图3软件设计框图42基本输入输出信号的分析，与IO分配表根据以上的控制要求，可确定需要的输入输出信号，输入信号有内选信号、外呼信号、门到位信号等，输出信号有楼层的等信号、记电梯运行制动停车信号电梯定向内呼信号外呼信号开关门信号楼层信号需要停靠层信号信号收集保护信号（超重，被夹）忆灯信号、变频器控制信号等，具体见下图。X0编码器脉冲输入Y0开门继电器X1开门按钮Y1关门继电器X2关门按钮Y2上行STFX3开门到位Y3下行STRX4关门到位Y4高速RHX5红外传感器（右）Y5中速RMX6红外传感器（左）Y6低速RLX7报警Y7电梯制动X10超重报警Y10报警X111楼上行按钮Y11超重指示灯X122楼上行按钮Y121楼指示X132楼下行按钮Y132楼指示X143楼上行按钮Y143楼指示X153楼下行按钮Y154楼指示X164楼下行按钮Y161楼上行按钮Y172楼上行按钮Y202楼下行按钮Y213楼上行按钮Y223楼下行按钮Y234楼下行按钮Y24上行指示灯Y25下行指示灯图4IO分配表43开门环节电梯自动运行停层延时2S开门。电梯在停层时，至平层位置，控制用平层继电器M104接通，T0时间继电器开始计时，2S后电接通M101电梯开门，并能使用本层的外呼开门和电梯内的开门按钮控制电梯开门。图5开门环节44关门环节电梯开门到位后接通T1时间继电器2S后接通M102，电梯关门，电梯在超重情况下X10接通，电梯无法关门，电梯超重指示灯点亮。电梯在关门过程如果有人阻挡电梯关门，则接通X5，X6红外传感器左）或（右），电梯立刻停止关门，同时接通M101电梯开门。电梯关门按钮可以随时按下，电梯关门到位时X4接通，电梯停止关门。图6关门环节45信号登记与消除环节451楼层信号产生与消除电梯的定位可以使用编码器实现，通过高精度的旋转编码器，使得脉冲信号被PLC内部的高速计数器所接收，通过高速计数器的值与各楼层的数据进行比较，来获得电梯轿厢所处的楼层位置3。由于编码器产生的是高频率的脉冲，为了不受PLC的的扫描周期限制，设计使用了单相单计数输入高速计数器C235。如图，把4层电梯分为四个脉冲区，利用DHZS指令比较C235在脉冲区的值来确定电梯所在层数。高速计数器的增减由M8235决定。电梯平层脉冲数为1层（5000）、2层（15000）、3层（25000）、四层（35000）。当电梯需要停车时，首先会进入需要停靠楼层的区域，然后电梯减速，到达平层时，电梯制动。4层（3000035000）43层（2000029999）32层（1000019999）21层（50009999）1图7楼层定位脉冲范围452内选信号的产生与消除当乘客按下轿厢内操作盘上14层选层按钮后，可选择欲去的楼层。选层信号被登记，所选层指示灯点亮。当电梯到达所选楼层后，信号即被消除，指示灯也会熄灭。此处信号的产生可以通过点动开关对输出自锁实现。如下图。图8内选信号记忆453外呼信号的产生与消除乘客在厅外呼梯时，呼梯信号被接收和记忆。当电梯到达该楼层时，且定向方向与目的地方向一致时，呼梯要求已满足，呼梯信号被消除。与内选信号不一样的是，外呼信号产生和消除与电梯定向有关系，再次我们先定义电梯上行与电梯下行的变量，在后面才进行电梯定向的编程。下图是外呼信号的产生与消除，这里给出了1、2楼的外呼信号，其他楼层同理可得。图9外呼信号记忆454信号的分析电梯所在楼层信号、内选信号、外呼信号已经得出，这些都是电梯收集到乘最基本的信号，这些信号相互之间不会有冲突，他们只是作为一种记忆，为后面编程作基础。所以乘客无论在轿厢内，还是在轿厢外，都可以呼叫电梯。46电梯定向环节电梯运行首先要确定运行方向，定向只有两种情况，上行和下行。电梯处于待命状态，接收到内选和外呼的信号时，应将电梯所在层与信号比较，确定上行还是下行。电梯一旦定向后，只有到达需要到达的最远端才会能改变方向。当确定电梯所在层时，可以发现如果电梯上行，所在层以下的层的信号只有暂时记忆直到电梯到达上行的最远端才可以让电梯转为下行，电梯下行时也同理。利用这一思路，我们能设计出定向环节的算法。图中M105，M108为上行，下行辅助继电器。因为M105M108在电梯上行下行全过程中存在不能全程接通情况，如上行到4楼时，M114接通，则M105立即断开，所以我们引入M107，M110解决。最后由M107,M110接通上、下行指示灯。47停层信号环节电梯在停车制动前，应首先确定楼层信号，即确定要停靠的楼层。应根据内、外选信号和电梯运行方向比较得出。在电梯需要停层时都产生一个停层信号。M130M133为14层需要停靠时产生的停层信号。48电梯启动加速、稳定运行、停车制动环节根据上文的电梯定向、停车信号的收集，能确定电梯运行的运行路线。电梯的加速、减速通过改变变频器多段速度选择端子RH、RM、RL的参数实现，电梯电机正反转通过改变变频器（STF、STR）端子参数实现，本次设计只使用三段速。当变频器接通RL和SD，与STF或STR，曳引机工作在第一段速，断开STF或STR，曳引机停止；当变频器接通RM和SD，与STF或STR，曳引机工作在第二段速，断开STF或STR，曳引机停止；当变频器接通RH和SD，与STF或STR，曳引机工作在第三段速，断开STF或STR，曳引机停止。在此我们设置每段速频率分别为，第一段15HZ，第二段30HZ，第三段50HZ。电梯启动加速时会逐级将频率上升到50HZ。我们可以对变频器参数进行设置，我们还需要设置一个启动加速时间，当电梯启动时，会在1S内加速到第一段速（15HZ），每段相隔1S。停车信号与停层信号不同，收到停车信号M129，说明电梯已经到达需要停靠的层，应立即制动减速。电梯制动时会逐级将频率下降到15HZ，然后停车。使用变频器能更好的适应人体生理反应。能给让乘客在乘坐电梯时更加舒适。5系统调试与模拟51安装GTDESIGNER3与GTSIMULATOR3GTDESIGNER是三菱的人机界面触摸屏软件，可以对GXWORK2里的软元件用虚拟的按钮、灯等代替，编辑好各个软元件后，可在GTSIMULATOR中进行调试，使得调试变得更加直观。图10GTDESIGNER仿真界面图11GTDESIGNER仿真界面52调试和模拟把对应的软元件在触摸屏仿真软件中表示出了，电梯的升降和门的开关使用的是一个液位的表示方法。由于调试时没有编码器，所以高速计数器不能使用，所以我们将程序中C235用D235代替，把脉冲数用较低的数值表示，电梯运行时用M8012产生脉冲使D235中数值增减，从而实现了模拟编码器对电梯准确的定位。在模拟界面中绿色液位条为电梯所在位置的表示，红色长方型为电梯门开关模拟，在红色长方形旁的两个蓝色按钮作用是模拟红外线传感器，界面还有超重和报警的模拟。由于没到位开关，开关门部分也需要对程序进行改动，使用的是计数器，和比较指令。模拟中能看到电梯基本的功能已经实现。6结论与展望这次的别墅电梯设计，已经实现软件模拟。然而本次设计的算法比较繁琐，并不能适应当代需求。梯今后会