基于PLC控制交流变频调速电梯系统的研究.doc

河南工程学院毕业设计第一章 绪 论 随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具。电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行即高效节能又安全可靠。电梯是垂直运输工具，属于位能负载，并且要求频繁起停，随着载客量多少的变化、上下行的变换，在空载上行或重载下行时，电动机的负载最小，甚至是处于发电状态，而电梯在重载上行或空载下行时，电动机的负载最大，是处于电动状态，这就要求电动机在四象限运行。传统的电梯曳引电动机采用接触器来实现电动机工作状态的改变，双速异步电动机在定子回路中串电抗与电阻来实现电动机的调速，这满足不了乘客的舒适感；另外，传统的电梯控制系统由继电器控制逻辑组成，存在着电气元件多、功能弱、电气故障频繁，可靠性差和工作寿命短等缺陷。可编程控制器（PLC:Programmable Logic Controller）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速，不仅能满足乘客的舒适感和保证平层的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行列的一个热点。第一节 电梯的发展概况1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙格雷夫斯奥的斯第一次向世人展示了他的发明历史上第一部安全升降梯。从那以后，升降梯在世界范围内得到了广泛应用。以奥的斯的名字而命名的电梯公司也开始了她辉煌的旅程。150年以来，她已经发展成为世界、亚洲和中国领先的电梯公司。 自从我国实行改革开放政策以来，全国各地高层建筑不断涌现，作为高楼的垂直交通工具电梯，其需求量日益增长。各种类型、规格繁多的电梯已在高楼内投入运行。一、电梯技术发展概况1、电梯的速度要求越来越快，高速、超高速电梯的数量愈来愈多。2、电梯的拖动技术有了较大的发展，直流电梯由于能耗大、维修量大等缺点。逐步被交流电梯所代替，液压电梯由于运行平稳，机房位置灵活到呢个特点，使得在低楼层场合得到愈来愈广泛的应用。交流拖动电梯更是得到迅速的发展，已由以前的变极调速（AC-VP）发展成为调压调速（AC-VV）及调频调压调速（AC-VVVF），使得电梯的速度、加速度控制更加符合人们的生理要求，电梯的舒适感大为改善。3、电梯的逻辑控制已从过去的继电器接触器控制发展为可编程控制器（PLC）和微机控制，控制方式也从手柄控制、信号控制发展为集选控制、并联控制、群控等，电梯可靠性得到很大的提高。4、电梯的管理功能不断加强，电梯广泛采用微机控制技术，不断满足用户的使用功能要求。5、智能群控管理得到广泛应用。6、机械传动方面，由于国际上机构加工水平的不断提高，使斜齿传动和行星齿轮传动在电梯上的应用日益广泛，已使电梯的传动形式多样化。二、电梯的主要结构1、曳引部分：通常有曳引机和曳引钢丝绳组成。电动机带动曳引机旋转使轿厢上下运动。2、轿厢和厅门：轿厢由轿架，轿底，轿壁和轿门组成；厅门一般有封闭式、中分式、双折中分式和直分式等。3、电器设备及控制装置：有曳引机，选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和厅外指示器组成。4、安全保护系统：保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。由限速器，安全钳，缓冲器，端站保护装置组成。5、其他装置：对重装置、补偿装置等三、电梯发展展望1、结构不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化。随着新技术、新结构、新材料、新工艺的发展，电梯的机械系统结构简单化、体积小型化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。同时，无机房电梯在新世纪将会有较大速度发展。2、技术含量更高，性能更好。电梯行业技术发展非常迅速，几年前推出的具有先进性能、高舒适性的VVVF电梯，如今已成为电梯行业的标准配置，因为永磁同步无齿伦曳引机逐步成为新型曳引机的主流；由于永磁技术的先进性，将来很有可能取代VVVF技术。另外，网络控制和智能群控系统以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性亦是电梯的发展潮流。3、安装更方便、更快捷。高效、安全、可重复使用的无脚手架安装，将是高层电梯安装的主要方式，随着技术的开发、应用，电梯的硬件系统给安装带来更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。此外，电梯的双向安全装置、无地坑、无线控制、绿色环保安全、环保、节能、舒适，也将是未来电梯的重要发展方向。第二节 继电器控制系统的特点及存在的问题一、电梯继电器控制系统的优点1、所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合与一般技术人员和技术工人所掌握。2、系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。3、大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格便宜。二、电梯继电器控制系统存在的问题1、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。2、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。3、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。4、系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。5、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。第三节 PLC及其在电梯控制中的应用特点一、PLC的定义及特点PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC与普通的微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器，进行点（位）运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修。编程简单、灵活性强等特点。1、可靠性对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。（1）PLC不需要大量的活动原件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。（2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTTR，使可靠性提高。（3）PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。（4）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更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计硬件使可靠性大大提高。（5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制作流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。（6）PLC的软件方面，也采用了一系列提高系统可靠性的措施，例如，采用软件滤波等；软件自诊断；简化编程语言等。2、易操作性PLC的易操作性表现在下列几个方面：（1）操作方便PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了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要的地址编号或接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上显示。（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，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言，十分有助于编程人员的编程。（3）维修方便PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。3、灵活性PLC的灵活性表现以下几个方面：（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、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。（2）扩展的灵活性PLC的扩展灵活性使它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。（3）操作的灵活性 操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。二、可编程控制器（PLC）的应用1、PLC的开环控制开关量的开环控制是PLC的最基本控制功能。所控制的逻辑功能可以是各种各样的。PLC控制的输入输出点数可以不受限制，少则十点、几十点，多则成千上万点，并可通过联网来实现控制。用PLC进行开关量控制的实例很多，几乎所有工业领域都会用到它。人们选用PLC的主要目的就是将其用于开关量的控制。2、模拟量的闭环控制对于模拟量的闭环控制系统，除了要有开关量的输入输出点以实现某种顺序或逻辑控制外，还要有模拟量的输入输出点，以便采样输入和调节输出，实现过程控制中的PID调节或模糊控制调节，形成闭环系统。这类PLC系统能实现对温度、流量、压力、位移、速度等参量的连续调节与控制。3、数字量的智能控制利用PLC能实现接收和输出高速脉冲的功能，而这个功能在实际中用途很大。在配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环型分配器、功放、步进电机）后，PLC控制系统也能实现数字量的智能控制。4、数据采集与监控PLC作为现场数据采集监控系统，普遍采用的方法是PLC加触摸屏，这样既可随时观察采集下来的数据，又能及时进行统计分析。有的PLC本身就具有数据记录单元，。此时可利用一般的便携计算机的存储卡，插入到该单元中保存采集到的数据。其另一个特点是自监信号多，可以实现自诊断式的监控，同时还可以减少故障修复时间，提高系统可靠性。5、联网、通信及集散控制PLC的联网、通信能力很强，可实现PLC与PLC之间的联网通信，也可实现与上位计算机的联网和通信，。也能与智能仪表、智能执行装置进行联网和通信。利用PLC强大的联网通信功能，把PLC分布到控制现场，实现各PLC控制站间的通信以及上下层间的通信，从而实现分散控制集中管理的目的。这样的系统实际上就是PCS（过程控制系统）系统，有的企业把全厂的自动化系统组成通信网络，从而组成计算机集成制造系统。第四节 电梯变频调速控制的特点随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频技术是当今节电，改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点被国内外公认为最有发展前途的调速方式。1、变频调速电梯使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。2、变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能；调速范围宽、控制精度高、动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速。3、变频调速电梯使用先进的SPWM技术和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。第五节 本设计的主要内容首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）、变频器作了比较全面的介绍，接着阐述了电梯控制系统的分类及特点，电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分。确定了系统设计的总体结构，由PLC来实现电梯信号控制，变频器实现变频调速，完成了变频器的参数设置及PLC的选型、I/O点数分配以及旋转编码器与PLC的连接。在设计出软件流程图的基础上，分析了电梯系统的软件设计方法，提出了模块化编程思想，给出了七层电梯控制系统的梯形图程序。第二章 PLC的选择及其硬件设计电梯控制系统硬件由轿厢操纵盘、厅门信号、PLC、变频器、调速系统构成，控制系统结构图如图2.1所示。图2.1 控制系统结构图图中变频器只完成调速功能，而电气控制部分是由PLC完成的。PLC负责处理各种信号的电气关系，从而向变频器发出起停信号，同时变频器也将本身的工作状态送给PLC，形成双向联络关系。系统还配置了与电动机同轴连接旋转编码器及PG卡，完成速度检测及反馈，形成速度闭环和位置闭环。此外系统还必须配置制动电阻，当电梯减速运行时，电动机处于再发电状态，向变频器回馈电能，抑制直流电压升高。第一节 变频器选择及其参数设计一、变频器的选择电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，它的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容。本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行，以改善电梯运行的舒适感；另外，由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。考虑以上各种因素，本设计选用安川VS-616G5型全数字变频器。VS-616G5变频器的特点如下：（1）包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。（2）有丰富的内藏与选择功能。（3）由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。（4）保护功能完善、维修性能好。（5）通过LCD操作装置，可提高操作性能。VS-616G5型通用变频器的标准规格如表2.1。表2.1 VS-616G5型变频器的标准规格电压200V400V容量范围1.21100KVA1.4460KVA电源电压频率200V：三相200/200/208/220V400V：三相380/400/415/460V电压允许变动+10% -15%频率允许变动+15% -15%控制特性控制方式正弦波PWM控制：无传感器矢量控制（无PG）带传感器矢量控制（带PG）V/F控制带传感V/F控制启动转矩150%HZ 150%r/min速度控制范围1：100（无PG） 1：1000（带PG）速度控制精度+0.2% -0.2%（无PG） 0.02%（带PG）速度响应5HZ（无PG）30HZ（带PG）转矩极限有转矩精度5% -5%转矩响应20HZ（无PG）以上 150HZ（带PG）以上频率控制范围0.1400HZ频率精度数字式指令频率设定分辨率数字式指令0.01HZ/100 HZ 模拟式指令0.03 HZ /60 HZ输出频率分辨率0.01HZ过载量额定输出电流的150%IN频率设定信号-10V10V，010V，420MA加减速时间0.016000.0S制动转矩约20% 带制动选择150%抑制高次谐波电源直流电抗器内带（200V24KVA、400V26KVA以下可选择）12相整流不能变动主要控制功能瞬停再起动、下降控制、转矩控制、零点伺服控制等操作装置16字2线液晶显示器接通插件板可选择16种（最多可装3块）保护功能电机保护、变频过载、瞬间过电流、电压下降、过电压、输入缺相二、VS-616G5型通用变频器电梯调速系统通用变频VS-616G5可直接控制交流异步电动机的电流，使电动机保持较高的输出转矩；它适合用于各种应用场合，可以低速下实现平稳起动并且极其精确地运行，其自动调整功能可使各种电动机达到高性能的控制。VS-616G5将U/F控制、矢量控制、闭环U/F控制、闭环矢量控制四种控制方式融为一体，其中闭环矢量控制是最适合电梯控制要求的。变频器的配置及容量选择VS-616G5变频器用在电梯调速系统中时，必须配PG卡及旋转编码器，以供电动机测速及反馈。旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B、两相脉冲，当A相脉冲超前B相脉冲90时，可认为电动机处于正转状态。当A相脉冲滞后于B相脉冲90时可认为电动机处于反转状态，旋转编码器根据AB相脉冲的相序，可判断电动机旋转方向，并根据AB脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反馈信号送给616G5内部，以便进行运算调节。AB两相脉冲波形图如图2.2所示。图2.2 AB两相脉冲波形图VS-616G5用在电梯调速系统中时，还必须配置制动电阻。当电梯减速运行时，电动机处于发电状态，向变频器回馈电能。这时同步转速下降，交-直-交变频器的直流部分电压升高，制动电阻的作用就是消耗回馈电能。抑制直流电压升高。除PG卡和制动电阻外。VS-616G5还需要配置600脉冲旋转编码器和电梯运行曲线输入板。其容量可选1：1配置，即电动机容量和变频器容量相等。最好采用大一数量级选配，即11KW电动机选15KW的变频器、15KW电动机选18KW的变频器。三、变频器结构及参数设计VS-616G5变频器共有9组参数。每一组参数的设计都具有特定的含义。常用参数如表2.2所示。表2.2 变频器常用参数参数功能A组确定控制模式B组选择运行功能C组确定加减速时间和转矩补偿时间D组选择频率E组确定运行压频曲线F组保护装置H组确定偏差标准1、变频器容量计算变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行计算。设电梯曳引机电机功率为P1，电梯运行速度为V，电梯自重为W1，电梯载重为W2，配重为W3，重力加速度为g，变频器功率为P。在最大载重下，电梯上升所需要曳引功率为P2：P2=(W1+W2+W3)g+F1V （2-1）其中F1=(W1+W2+W3)g+为摩擦力，可忽略不计。电动机功率P1，变频器功率P应接近电机功率P1，相对于P2留有安全裕量，可取P=1.52P2。W1=2000Kg，W2=1000Kg,W3=2400Kg,g=9.8m/s V=1.5m/s所以：P2=（6009.8+1089.8）1.510.4KW又所以：P=1.5P2=15.6KW。由于采用变频调速，效率高。依照计算结果选1.5倍裕量，取变频器容量为15KW。2、变频器制动电阻参数的计算由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频器调速装置应具有制动功能。带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高，采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻Rz上，成本较低而且具有良好的使用效果，能耗制动电阻的大小应使制动电流Iz的值不超过变频器额定电流的一半，即：Iz=Uo/RzIn/2 （2-2）Rz2 U/ IN=2513/35.528.9()其中Uo为额定情况下变频器的直流母线电压，取Rz30由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。即：PzUU/ Rz=0.4513513/303.5 KW最后，选用的制动电阻为R=30，功率为P=3.5 KW的电阻。第二节 可编程控制器（PLC）的选择电梯PLC控制系统不再使用继电器控制系统中模拟轿厢运动的机械选层器。电梯运行过中，轿厢所处楼层的位置如何检测，PLC软件如何根据给的输入信号及运行条件判断楼层数，是电梯正常运行的首要问题，是正确定向和选层换速的前提。一、轿厢位置检测轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态，所处位置，及时向控制系统发出所需要的信号。其主要功能是：根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系，确定运行方向；当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机减速信号，使其换速；当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢当前位置，选层器种类较多，通常分为三大类，即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的发展而淘汰。位置检测方法主要有如下几种：1、用于簧管磁感应器或其它位置开关。这种方法直观、简单，但由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。2、利用稳态磁保开关。这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，进行运算时需采用PLC指令码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。3、利用旋转编码器。旋转编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，用以测量转动量，并把它们转换成数字形式的输出信号。在电梯中用码盘来检测轿厢的运行速度及轿厢所处位置，用作速度反馈信号和位置指示信号。旋转编码器的转轴直接与曳引电动机转轴相连接，当电动机转动时，编码器输出与转角对应的脉冲数，通过累计脉冲数量可直接算出轿厢相应的位置行程，进而，算出电梯运行过程中轿厢所处楼层位置，确定换速点、提前开门区、平层停车点等。以上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其它方法，故系统采用此法。二、可编程控制器（PLC）的选型根据以上选择的轿厢楼层位置检测法，要求可编程控制器必须具有高数计数器，综合考虑后，本设计选择了日本三菱公司生产的FX2N系统PLC。FX2N系统PLC具有以下几个方面的优点：1、FX2N配置灵活，除主机单元外，还可扩展I/O模块，A/D模块,D/A模块和其它特殊功能模块。2、FX2N指令能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。3、FX2N可用内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器能接受脉冲编码器脉冲。4、FX2N的编程可用编程器，也可在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSE MEDOC来进行。编程语言可用梯形图或指令表，尤其是可用PC机对系统实时进行监控，为调试和维护提供了极大的方便。第三节 PLC控制系统硬件设计电梯PLC的控制系统主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图2.3为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。图2.3 电梯PLC控制系统的基本结构图系统控制核心为PLC主机、操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。一、设计思想1、信号控制系统电梯信号控制基本由PLC软件实现。电梯信号控制系统如图2.4所示，输入到PLC的控制信号有：运行方式选择、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器、光电脉冲、开关门及限位信号、门区或平层信号等。图2.4 电梯PLC信号控制系统框图 2、电梯控制系统实现的功能电梯的控制系统实现如下功能：（1）一台电机控制上升和下降，各层设上/下呼叫开关。（2）电梯到位后，具有手动或自动开门关门功能。（3）电梯内设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯及楼层指示键，警铃风扇及照明按键。（4）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。自动关门待客。当完成全部轿厢内指令，又无层外呼梯信号时，电梯应自动关门在调定时间内自动关闭轿厢照明。（5）自动关门与提早关门，在一般情况下，电梯停站46S应自动关门；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。（6）按钮开门。在开关过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按钮，门将打开。（7）内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。（8）自动定向，当轿厢内操纵盘选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向。自动换向，当电梯完成全部顺向指令后，应能自动换向，应答相反方向的信号。（9）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，对符号运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。（10）自动返基站。当电梯设有基站时，电梯在完成全部指令后，自动驶回基站，停机待客。3、电梯操作方式单台电梯的操作方式有手柄操纵控制、按钮控制、信号控制和集选控制等。在乘客电梯中几乎全部采用集选控制方式。（1）单轿厢下集选控制：登记所有轿厢和厅门下行召唤；轿厢上行时，只答应轿厢召唤，直至最高层；自动改变运行方向为下行，应答厅门下行召唤。（2）单轿厢全集选：登记所有厅门和轿厢召唤；上行时顺应答轿厢和厅门上召唤，直至最高自动反向应答下行召唤和轿厢召唤。系统采用全集选操作方式。二、I/O点数的分配及机型的选择设计七层的电梯系统，根据需要控制的开关，设备大约有52个输入点，34个输出点，需要进行控制，考虑1015%的裕量，故选择FX2N-128MR, I/O分配表如表2.2、2.3、2.4、2.5所示。表2.2输入部分X0、X1高速计数器输入端X20消防开关X2硬件复位X21变频器故障信号X3开门开关X22红外线传感开关X4有/无司机操作方式转换X23急停按钮X5轿厢门锁X24变频器“运转”信号X6开门限位开关X25变频器故障信号X7关门限位开关X26、X27轿内、轿顶检修X10超载触点X30X36轿内指令通道X11直驶开关X40X46厅门锁X12检修开关X50X5516层上召唤按钮X13警铃按钮X56、X57上/下极限开关X14关门开关X60X6527层下召唤按钮X15轿内检修向上运行按钮X66、X67上/下强迫换速开关X16轿内检修向下运行按钮X17底层钥匙开关表2.3 中间继电器M0M6楼层位置信号通道M73检修顶上向信号通道M10M16轿内指令登记信号通道M74检修顶下向信号通道M20M26选层信号通道M75人员前沿微分通道M30M36呼梯信号通道M80上行前沿微分通道M40M45上召唤信号登记通道M81下行前沿微分通道M50M55下召唤信号登记通道M82消防上升沿微分通道M60上召唤直驶和反向信号M83消防下升沿微分通道M61下召唤直驶和反向信号M84门连锁信号通道M62下行顺向截梯M85消防员专用信号M63下行顺向截梯M86消防运行继电器M64电梯运行状态M56无司机起动运行信号M65顺向截梯M57检修状态通道M66反向截梯M70本层开门中间信号通道M67换速信号通道M71定上向信号通道M68平层中间继电器M72定下向信号通道M69关门信号通道M76M78高速计数器输出通道表2.4 输出部分M63下行顺向截梯M86消防运行继电器M64电梯运行状态M56无司机起动运行信号M65顺向截梯M57检修状态信号通道M66反向截梯M70本层开门中间信号通道M67换速信号通道M71顶上向信号通道M68平层中间继电器M72定下向信号通道M69关门信号通道M76M78高速计数器输出通道表2.5 其他名称功能时间继电器T0开门限位开关失效，定时使开门停T1定时断开红外线检测回路T2自动关门定时T3关门限位失效，定时使开门停T4自动开门定时特殊功能继电器M8000监视PLC操作状态M8005备用电池失效位ONM8011M80013产生0.01S、0.1S、1S时钟脉冲计算器高速计算器C251第三章 系统软件设计在电梯控制中，有大量的电气信号需要处理，这部分工作是由PLC来完成的，电梯根据运行要求及保护要求由PLC来实现电气控制。第一节 电梯的三个工作状态电梯控制系统由呼叫到响应形成一次工作循环，电梯工作过程又细分为自检、正常工作、强制工作等三种工作状态。电梯在三种工作状态之间来回切换，构成了完整的电梯工作过程。一、电梯的自检状态PLC上电后，PLC中的程序已开始运行，但因为电梯尚未读入任何数据，也就无法在收到请求信号后通过固化在PLC中的程序作出响应。为满足处于响应呼叫就绪状态这一条件，必须使电梯处于平层状态已知楼层且电梯门处于关闭状态，电梯自检过程的目标为：先按下启动按钮，再按下恢复正常工作按钮，电梯首先是电梯门处于关闭状态，然后电梯自动向上运行，经过两个平层点后停止。二、电梯的正常工作状态电梯完成一个呼叫响应的步骤如下：1、电梯在检测到门厅或轿厢的呼叫信号后将此楼层信号与轿厢所在的楼层信号比较，通过选向模块进行选向。2、电梯通过拖动调速模块驱动直流电机拖动轿厢运动。轿厢运动速度要经过低速转变为中速再转变为高速，并高速运行至减速点。3、当电梯检测到目标层楼层检测点产生的减速点信号时，电梯进入减速状态，由中速为低速，并以低速运行到平层点停止。4、平层后，经过一定延时后关门，直到碰到关门到位行程开关；再经过一定延时后关门，直到碰到关门到位行程开关。电梯控制系统始终实时显示轿厢所在楼层。三、电梯强制工作状态当电梯的初始位置需要调整或电梯需要检修时，应设置一种状态使电梯处于该状态时不响应正常的呼叫，并能移动到导轨上、下行极值点间的任意位置。控制台上消防/检修按钮按下后，使电梯立刻停止原来的运行，然后按下强迫上行（或下行）按钮，电梯上行（或下行）；一旦放开该按钮，电梯立刻停止，当处理完毕时可用恢复正常按钮来使电梯跳出强制工作状态。第二节 系统的软件设计方法确定一、软件设计特点由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用随机电气控制。即在以顺序电气控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的响应状态适时的控制电梯的运行。另外，轿厢的位置是由脉冲编码器的脉冲数确定，并送PLC的计数器进行控制。同时，每层楼设置一个接近开关用于检测系统的楼层信号。系统的软件设计有如下几个特点：1、采用优先级队列根据电梯所处的位置和运行方向，在编程中，采用了四个优先级队列，即上行优先级队列、上行次优先级队列、下行优先级队列、下行次优先级队列。其中，上行优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以上楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层所具有的脉冲数存放的寄存器所构成的队列。控制系统在电梯运行中按时排列的四个优先级队列。为实现随机电气控制提供了基础。2、采用先进先出队列根据电梯的运行方向，将同向的优先级队列中的非零单元送入寄存器队列，我们利用先进先出读出指令，将第一个单元中数据送入比较寄存器。3、采用随机电气控制当电梯以某一运行方向接近某楼层的减速位置时，判别该楼层是否有同向的呼叫信号，如有，将相应的寄存器的脉冲数与比较寄存器进行比较，如相同，则在该楼层减速停车；如果不相同，则将该寄存器数据送入比较寄存器，并将原比较寄存器数据保存，执行该楼层的减速停车。该动作完毕后，将被保存的数据重新送入比较寄存器，以实现随机电气控制。4、采用软件显示系统利用行程判断楼层，并转化成BCD码输出，通过硬件接口电路以LED显示。5、对变频器的控制，PLC根据随机电气控制的要求，可向变频器发出正向运行、反向运行、减速以及制动信号，再由变频器根据一定的控制规律和控制算法来控制电机。同时，当系统出项故障时，PLC向变频器发出信号。二、程序流程系统的软件主程序流程图如图3.1所示。系统的楼层显示程序流程图如图3.2所示。图3.1 电梯控制主程序流程图 图3.2 楼层显示程序流程图三、模块化编程方法系统是集选式控制系统，控制比较复杂，适合采用模块化编程方法，将各个输出信号的属性分类，模块与模块之间的衔接可以用中间寄存器来传递信息。系统软件大致分为：楼层检测电路模块、控制七段数码管显示楼层电路模块、电梯选向电路模块、减速点信号产生电路模块、电梯桥厢开关门电路模块和按钮记忆灯显示电路模块等几大模块。楼层检测电路模块主要是读入楼层编码并将该记忆信号存入对应的中间寄存器，直到楼层改变为止。控制七段数码管显示楼层电路模块主要控制数码管的显示。电梯的选向模块主要是完成电梯在响应呼出时作出的向上运行还是向下运行的判断。减速点信号产生电路模块完成将减速点信号通知系统的任务。电梯在运行到目标楼层检测点时要进入减速状态，而电梯在运行过程中会碰到很多的楼层检测点，只有到目标楼层的检测点时才会发出减速通知，电梯在经过目标楼层检测点时接到这个信号就开始减速了。电梯轿厢开关门电路模块和按钮记忆灯显示电路模块是为了便于控制组成的模块，分别控制轿厢的开关门和按钮接通之后需要记忆显示的发光二极管电路。第三节 系统的软件设计一、电梯的开关门运行程序设计1、开关门控制开关门控制程序是按照双开门有/无司机控制来设计的。主要完成电梯的手动开门、无司机状态下的本层开门、电梯运行到达目的层站时的自动开门、手动关门、无司机状态下的自动延时关门、基站外启动时的开关门等功能。（1）本层开门控制本层开门是指电梯在停车状态和非检修条件下，当轿厢所在层楼有上召唤且没有定下方向，或有下召唤而没有定上方向时，电梯自动开门，电梯本层开门的条件也可简化为：在停车状态下，当轿厢所在楼层有厅外召唤时，电梯自动开门。如假设轿厢现停在三层，则M2为ON，当三层厅外有上召唤信号时，X52为ON,在没有定下方向，且停车状态下，M70为ON，发出本层开门控制信号，如图3.3所示。图3.3 本层开门（2）开门控制及安全保护控制正常情况下，开门的条件有以下几种：本层开门、停车状态按轿内开门按钮、关门过程中有红外检测信号、正常运行换速平层停车自动开门。开门到位后，若没有碰到开门限位开关，或限位开关失灵，则由于开门继电器吸合，门电动机会发生堵转，时间一长电机可能烧毁。为此，设计了门电动机保护程序，当开门动作时间超过正常开门时间23S后，通过定时器计时自动断开开门信号，停止开门。如果没有外界开门信号，即X3和M70为OFF，其闭点为ON，则定时器T0开始计时，当计时时间到，如限位开关仍未工作，则通过T0闭点断开Y2，停止开门，并由T0开点使定时器自锁，Y2维持OFF。当有开门信号时，X3或M70为ON，其闭点OFF，定时器复位，T0闭点为ON，可再次进行开门控制，如图3.4所示。图3.4 开门控制及安全保护2、关门控制关门的条件有以下几种：停车状态下关门按钮、无司机状态下自动关门、时间到、锁梯时钥匙开关断开。停车关门或不关门的条件：关门到位碰到关门限位开关、有开门信号、开门继电器吸合、超载开关动作。如锁梯时，X17为ON，则M69为ON，可使Y3为ON，执行关门动作；而超载时，闭点X10为OFF，则M69为OFF，可使Y3也为OFF，不能关门运行。在关门梯形图中也设置了关门安全保护，因为关门限位开关若不动作或失灵，同样容易将电机烧毁。与开门过程保护一样，可在开始关门后通过定时器计时，超过正常关门时间，自动停止关门，以保护电机，如图3.5所示。二、电梯的选层定向及反向截梯程序设计电梯的定向是综合考虑电梯的运行方式、轿内指令、厅外召唤及电梯所处楼层的位置的基础上，确定电梯的运行方向。选层是在有轿内指令或厅外召唤信号的情况下，电梯应响应哪个信号；电梯即将到达有轿内指令登记或与电梯运行方向相同的厅外召唤信号的楼层时，发出换速信号。在有司机正常运行状态下，厅外召唤信号根据电梯的所处位置来参与电梯的定向。图3.5 关门控制1、司机内选定向程序设计有司机操作时，X4的开点为OFF，则起动运行信号M56为OFF，因而M62、M63均为OFF。此时只有内指令信号登记通道M10M16能对选层信号通道M20M26对应位置位，而厅外上、下召唤信号登记通道M40M45、M50M55的信号不能对选层信号通道M20M26置位。当选层信号通道M20M26中有选层信号后，是定上行方向还是定下形方向，取决与内指令信号在轿厢所在楼层的上方是下方。即楼层位置信号通道M0M6中某一位为ON时，其闭点为OFF，将定向梯形图中选层信号通道M20M26中的各点分为两部分，若选层信号通道M20M26中选层信号的最高位低于楼层位置信号通道M0M6中状态为ON的位，则定下方向M72为ON；反之若选层信号通道M20M26中的选层信号位高于楼层位置信号通道M0M6中状态为ON的，则顶上方向M71为ON，如图3.6所示。2、无司机内选外呼定向程序设计无司机状态下X4为ON，当满足轿厢门锁X5为ON的条件时，无司机起动运行信号M56为ON，在停车状态下，M62和M63均为ON，所以外召唤信号M40M45、M50M55中的各位可对选层信号通道置位，发出选层信号。即可进行定向，其原理与有司机定向相同。机运行状态，电梯才对反向召唤信号应招服务。当有多个反向呼梯信号时，先应招最远的反向呼梯信号即最远反向截梯，然后再以顺向截梯方式应招其他外召唤信号。外召唤信号的作用主要在与顺向截梯与最远反向截梯。梯形图中，电梯上行时M62为ON，因而厅外上召唤信号M40M45可对选层信号M20M26置位，M62起上行顺向截梯的作用。同理，M63用于下等顺向截梯。图3.6 司机内选定向反向截梯时，若轿厢向上云翔，楼层位置通道M0M6中数据逐位上移，其闭点为OFF。当呼梯信号通道M30M36中较高位有外呼信号时，则M65、M66为ON，M66的闭点为OFF，则M63为OFF，所有下召唤信号不能对选层信号位置位即反向呼梯信号不能选层换向停车。在无司机状态下，只有当较差运行到最高位，M6为ON，其闭点位OFF，则M66开点为OFF，其闭点为ON，M63开点为ON，下召唤信号才能对选层信号位置位，进行最远反向截梯，如图3.7所示。图3.7 反向截梯三、利用旋转编码器获取楼层信号使用高精度的旋转编码器后，由数字选层器代替机械选层器。电梯轿厢所处的位置与可编程控制器收到的脉冲数有关。轿厢的运行距离与脉冲数之间关系如式3-1所示。S=(DN)/(BiR)mm （3-1）式中：S轿厢运行距离； D曳引绳轮直径； N收到的旋转编码器脉冲数； Bi电动机每转一转旋转编码器发出的脉冲数（脉冲/转）。首先设定基本坐标；然后分别确定其它楼层平层位置的脉冲数；取得不同楼层脉冲数的方法很多，可以直接计算，也可以让电梯从一楼慢车上行从PLC中读出；取得各层脉冲数后，将其放在寄存器中。下列程序中D200,D202,D204,D206,D208,D210,D212分别存放1/F7/F楼层的脉冲数，C251为PLC内部高速计数器，D250存放减速距离脉冲数。M0M6为1/F7/F楼层继电器，电梯运行时取得各层楼层信号程序如图3.8所示。图3.8 楼层信息四、楼层位置指示PLC输出端直接与七段数码管连接，无需外部硬件译码器，由PLC软件进行七段译码，直接