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基于PLC三层电梯的控制系统设计摘要：电梯是高层建筑不可缺少的运输工具，用于垂直运送乘客及货物，传统的电梯控制系统采用继电器-接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高，可靠性及运行舒适性差，维修工作量大等等，而采用PLC组成的控制系统可以解决上述存在的问题。本论文通过讨论电梯控制系统的组成，阐述PLC在电梯控制中的应用，采用三菱PLC编程的程序控制方式，提出了三层电梯的PLC控制系统总体设计方案，设计过程及组成，列出了具体的主要硬件电路，电梯的控制梯形图及指令表。并给出了系统组成框图和程序流程图，在分析处理随机信号逻辑关系的基础上，提出了PLC的编程方法，设计了一套完整的电梯控制系统方案。采用本方案实现电梯控制，可以解决继电器-接触器触点多，故障率高，可靠性及运行舒适性差，安装及调试周期长，维护成本高，接线复杂等等缺点。使电梯运行更加安全、方便、舒适。关键词：电梯、PLC、梯形图 引言 随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。在许多交通设备中，电梯是自动化程度最高的先进设备的一种。 以前的电梯主要采用继电器-接触器控制，其性能等各方面不太完善，现在电梯控制系统多采用PLC，从电梯的性能、器件的灵活性及安全保障方面等都有了很大的提高。实际上电梯是根据外呼呼叫信号及自身控制规律运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。目前电梯的控制普通采用两种控制方式：一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态及功能的设置，实现电梯的自动调度及集选运行功能，拖动控制有变频器来完成。第二种是采用可编程PLC取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种控制方式并没有太大的区别。PLC控制可靠性高，程序设计方便灵活。1、 电梯的概述1.1电梯的发展历史电梯进入人们的生活已经长达150多年了，可见电梯给人们生活带来的方便！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界展示了他的发明。他站在装满货物的升降梯平台上命令助手将平台拉升到观众都能看得到的高度，然后发出信号，令助手用力斧砍断了升降梯的提升揽，令人惊讶的是升降梯并没有坠落，而是牢牢的固定在半空中-奥的斯发明的升降梯的安全装置发挥了作用“一切安全；先生们。站在升降梯平台上的奥的斯向围观的观众们致敬。谁都没想到这就是人类史上的第一台电梯诞生！1.2电梯的结构 电梯时机电合一的大型复杂产品，机械部分相当于人的躯体，电器部分相当于人体的神经。机与电的高度合一，使电梯成了现代科学技术的综合产品。对于电梯结构而言，传统的方法是分机械部分和电气部分，但以功能系统来描述，则更能反映电梯的特点。下面简单介绍电梯机械部分的结构，而我们的主要目的是怎样来控制它。一 机房部分： 1曳引机：电梯的起重机构，安装在专用承重钢梁上，其主要有下列部件组成：A. 驱动电机一采用变压变频（VVVF）驱动方式，对电机进行控制，电梯启动时，逆变部分使定子频率从零赫兹，按要求上升到额定频率，使转速相应从零速平滑上升到额定值，电梯停站前电源频率从额定频率按要求下降，使转速平滑地下降为零速，实现电梯停层，保证了电梯具有良好的舒适感。B. 制动器-闭式型电磁制动器，只有在制动器通电时松闸或当电梯停驶时即时制动。并保持轿厢位置不变，即制动器通电松闸，关电制动，充分保证工作的可靠性。C. 减速器-采用涡轮涡杆减速器或永磁同步驱动技术，涡轮涡杆减速器具有承载能力大，驱动平稳等特点，永磁同步启动具有高效率及低噪音特点。D. 防振装置-采用橡胶防振装置安装于曳引机于承重大梁之间，以消除或减小曳引机的振动，提高电梯运行时舒适感。2 限速器：由限速器的制动装置和涨紧装置组成，它通过安全绳索与轿厢连接，把轿厢的运动传递给限速器随轿厢速度相应转动，当轿厢的运动速度超过允许的安全速度时，限速器即时起作用，其过程分为：A 首先通过超速限位开关，切断控制电路。B 如果电梯继续超速，则限速器动作带动安全钳或夹绳器动作。3 控制屏控制屏是电梯电气控制中心，采用先进的微电子及电力电子元件，用现代的微机技术及变压变频技术多电梯进行电气控制。在操纵装置的配合下，使电梯正确的实现起动和停止，上行或下行，快速或慢速，以及达到设定的自动功能和安全性能。当按下厅外召唤或轿厢内呼按钮时，控制系统按原先编制设定好的程序，通过输入输出接口电路将信号输入微机处理器，根据电梯当时的状态确定电梯的运行，屏内装有自动|检修转换开关，以及上下行按钮，可对电梯实行机房控制。4 主开关每台电源单独装设一只能切断该电梯所供供电电路（下列供电电路除外）的主动力开关，该开关不切断下列供电电路。A 轿厢照明，通风B 轿顶电源插座C 机房照明，电源插座D 电梯井道照明E 报警装置，该开关装于机房门内二 电梯的基本原理 A电梯的工作原理 有升降机械的电动机带动曳引机，驱动曳引绳与悬吊装置，拖动轿厢和对重在井道内作相对运动，轿厢上升对重下降，轿厢下降对重上升，由此实现电梯在井道中沿轨道上下运行。 B 机械安全保护装置的工作原理 电梯轿厢两侧装有导靴，导靴从三个方面扎紧在导轨上，以便使轿厢和对重在水平方向准确定位。一旦发生运行超速或曳引绳拉力减弱的情况，安装在轿厢上（有的对重上）的安全钳启动，牢牢把轿厢卡在导轨上，避免事故发生。如果当轿厢和对重的控制系统发生故障时急速坠落，为了避免与井道地面发生碰撞，在底坑里设置了缓冲器，以缓和着地时的冲击。 二 PLC的简介 可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC的基本设计思想是反映计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。 随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。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。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电器接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。 PLC结构从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。二 CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。3、 I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。5. 编程器 编程器是PLC的最重要外围设备。利用编辑器将用户程序送入PLC的存储器，还可以有用编辑器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图.2.3 PLC的工作原理 PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。 PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。 PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。 PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。 输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。 3 三层电梯PLC控制系统设计3.1 电梯的控制要求（1） 开始时，电梯处于任意一层。（2） 当有外呼电梯信号到来时，轿厢响应呼梯信号，达到该层时，轿厢停止运行，（轿厢门打开，延时3秒后自动关门）（3） 当有内呼电梯信号到来时，轿厢响应呼梯信号，达到该层时，轿厢停止运行，（轿厢门打开，延时3秒后自动关门）（4） 在电梯轿厢运行过程中，即轿厢在上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼信号均不响应，但如果反方向外呼电梯信号前方在无其它内，外呼梯信号时，则电梯电梯响应该电梯外呼信号。例如，电梯轿厢在一楼，将要运行到三楼，在次过程中可以响应二层向上的外呼梯信号，但不响应二层向下的外呼梯信号。当到达了二层，如果三层没有任何呼梯信号，则电梯可以响应二层向下外呼梯信号。否则电梯将继续运行至三层，然后向下运行响应二层向下外呼梯信号。（5） 电梯具有最远反向外呼梯功能。例如，电梯轿厢在一层，而同时又二层向下呼梯信号，三层向下呼梯则电梯轿厢先去三层响应三层向下的外呼梯信号。（6） 电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮都不起作用。平层且电梯轿厢停止运行后，按开门按钮轿厢开门，按关门按钮轿厢关门。 3.2 三层电梯主电路图2 三层电梯主电路图图中L1、L2、L3为三相电源，三相电动机M3为电梯轿厢上行和下行电动机，由KM7和KM8分别控制电动机正反转从而控制轿厢的上行和下行；M1、M2、M3为电梯开关门控制的直流电动机，分别由接触器KM1KM6的触点控制；QS1为总开关（刀开关），起隔离电源作用；FU为熔断器，起短路和严重过载保护；FR为热继电器，起过载和断相保护作用。3.3 输入输出点数分配 1. 输入部分:表2 输入接口分配表X1一层内呼 SB1X13一层开门到位 SQ1X4一层到位 SQ7X2二层内呼 SB2X14二层开门到位 SQ2X5二层到位 SQ8X3三层内呼 SB3X15三层开门到位 SQ3X6三层到位 SQ9X23一层外呼 SB4X20一层关门到位SQ4X10一层防夹 SQ10X24二层外呼 SB5X21二层关门到位 SQ5X11二层防夹 SQ11X25三层外呼 SB6X22三层关门到位 SQ6X12三层防夹 SQ122. 输出部分:表3 输出接口分配表Y1灯LY14一层关门KM4Y2上升显示L4Y15二层关门KM5Y3下降显示L5Y16三层关门KM6Y4一层到位显示L1Y13电梯上升输出KM7Y5二层到位显示L2Y17电梯下降输出KM8Y6三层到位显示L3Y11二层开门KM2Y10一层开门KM1Y12三层开门KM33.4 PLC外围接线图图3 PLC外围接线图3.5 功能指令表概述 由于PLC是由取代继电器开始产生并发展起来的，且早期的PLC绝大部分用于顺序控制，于是许多人习惯把PLC看作是继电器 、定时器、 计数器的集合把PLC的作用局限地等同于继电控制系统顺控器等， 其实PLC就是工业控制计算机PLC系统具有一切计算机控制系统的功能，大型的PLC系统就是当代最先进的计算机控制系统小型的PLC由于运算速度及存贮容量的限制功能自然稍弱。但为了使PLC在其基本逻辑功能 顺序步进功能之外具有更进一步的特殊功能以尽可能多地满足PLC用户的特殊要求，从80年代开始PLC制造商就逐步地在小型PLC中加入一些功能指令或称为应用指令。这些功能指令实际上就是一个个功能不同的子程序 。随着芯片技术的进步，小型PLC的运算速度、存贮容量不断增加，其功能指令的功能也越来越强。 许多技术人员梦寐以求甚至以前不敢想象的功能，通过功能指令就成为极容易实现的现实从而大大提高了PLC的实用价值。3.6.1 程序总体结构图6程序总体结构图3.6.2 电梯上下控制程序分析比较呼叫信号D1、楼层限位 D2里面的数值，以比较结果指挥电梯动作。D1D2：电梯在下，呼叫在上，电梯此时应该上升。D1=D2：电梯与呼叫在同一位置，可根据不同的楼层 位置驱动不同的门进行开关。图7 电梯控制程序分析图3.6.3 电梯呼叫信号分析根据不同的按钮动作把呼叫信号转换成数值存入寄存器D1里面当第一层呼叫时，就把常数1放在D1里面当第二层呼叫时，就把常数2放在D1里面当第三层呼叫时，就把常数3放在D1里面. 电梯呼叫信号程序（第一层）图8 电梯呼叫信号图3.6.4 电梯位置判断程序分析通过传感器把电梯位置信号转换成相应的信号送到寄存器D2里面去如果在第一层，把常数1 赋给D2；如果在第二层，把常数2 赋给D2；如果在第三层，把常数3 赋给D2。图9 电梯位置判断分析图3.6.5 电梯楼层显示程序分析1. 电梯楼层显示程序：利用三个层限开关进行判断：当一层层限开关触发时 一层指示灯亮；当二层层限开关触发时 二层指示灯亮；当三层层限开关触发时 三层指示灯亮。图10电梯楼层分析图2. 电梯上下显示程序分析上下显示完全按照电机当前状态来确定当电机正转时显示上升状态当电机反转时显示下降状态电梯上下显示程序：图11电梯上下分析图3.6.6 电梯开关门程序分析当电梯到位后，延时0.5秒， 根据当前的楼层驱动相应的门进行开门动作。开门到位后再延时1秒进行关门。如果在关门过程中检测到有障碍，立即停止关门动作，继续重新开门。1. 电梯开关门程序（第一层）：图12 电梯开关程序图 三层电梯梯形图程序3.7 三层电梯助记符语句程序11 MPP12 ANI Y01313 ANI Y01714 ANI M11015 0UT M416 LD X00217 OR X02418 MPS19 ANI Y01320 ANI Y017 21 ANI M11022 MOV K2 D127 MPP28 ANI Y01329 ANI Y01730 ANI M11031 OUT M532 LD X00333 OR X02534 MPS35 ANI Y01336 ANI Y01737 ANI M11038 MOV K3 D143 MPP44 ANI Y01345 ANI Y01746 ANI M11047 OUT M648 LD X00449 ANI Y01350 ANI Y01751 MOV K1 D256 LD X00557 ANI Y01358 ANI Y01759 MOV K2 D264 LD X00665 ANI Y01366 ANI Y01767 MOV K3 D272 LD X00473 OR X00474 ANI X00575 ANI X00676 OUT X00477 LD X00578 OR X00579 ANI X00480 ANI X004 81 OUT Y00582 LD X00683 OR Y00684 ANI X00485 ANI X00586 OUT Y00687 LD M800088 CMP DI D295 MPS96 AND M11097 ANI X00698 ANI Y01799 OUT Y013100 MRD 101 AND M101102 MPS103 AND X004104 ANI M4105 OUT M1106 MRD107 AND X005108 ANI M5109 OUT M2110 MPP 111 AND X006112 ANI M6113 OUT M3114 MPP115 AND M102116 ANI X004117 ANI Y013118 OUT Y017119 LD Y013120 OUT Y002121 LD Y017122 OUT Y003123 LD M1124 PLS M51126 LD M51127 OR T10 128 OR Y010129 ANI M11130 ANI X013131 ANI Y014132 OUT Y010133 LD X010134 OR X010135 ANI T0136 OUT T0139 OUT M11140 LD TO141 OR Y014142 AND X010143 ANI X010144 ANI X020145 OUT T10146 LDI X010147 OUT T10 K5 150 LD M2 151 PLS M52153 LD M52154 OR T11155 OR Y011156 ANI M12157 ANI X014158 ANI Y015159 OUT Y011160 LD X011161 OR M2162 ANI T1163 OUT T1 K10 166 OUT M12 167 LD T1168 OR Y015169 AND X011170 ANI Y011171 ANI X021172 OUT Y015173 LDI X011174 OUT T11 K5177 LD M3178 PLS M53180 LD M53181 OR T12182 OR Y012183 ANI M13184 ANI X015185 ANI X016186 OUT Y012187 LD X012188 OR M13189 ANI T2190 OUT T2193 OUT M13194 LD T2195 OR Y016196 AND X012197 ANI Y012198 ANI X022199 OUT Y016200 LDI X012201 OUT T12 K5204 END 99 OUT Y013100 MRD 101 AND M101102 MPS103 AND X004104 ANI M4105 OUT M1106 MRD107 AND X005108 ANI M5109 OUT M2110 MPP 111 AND X006112 ANI M6113 OUT M3114 MPP115 AND M102116 ANI X004117 ANI Y013118 OUT Y017119 LD Y013120 OUT Y002121 LD Y017122 OUT Y003123 LD M1124 PLS M51126 LD M51127 OR T10 128 OR Y010129 ANI M11130 ANI X013131 ANI Y014132 OUT Y010133 LD X010134 OR X010135 ANI T0136 OUT T0139 OUT M11140 LD TO141 OR Y014142 AND X010143 ANI X010144 ANI X020145 OUT T10146 LDI X010147 OUT T10 K5 150 LD M2 151 PLS M52153 LD M52154 OR T11155 OR Y011156 ANI M12157 ANI X014158 ANI Y015159 OUT Y011160 LD X011161 OR M2162 ANI T1163 OUT T1 K10 166 OUT M12 167 LD T1168 OR Y015169 AND X011170 ANI Y011171 ANI X021172 OUT Y015173 LDI X011174 OUT T11 K5177 LD M3178 PLS M53180 LD M53181 OR T12182 OR Y012183 ANI M13184 ANI X015185 ANI X016186 OUT Y012187 LD X012188 OR M13189 ANI T2190 OUT T2193 OUT M13194 LD T2195 OR Y016196 AND X012197 ANI Y012198 ANI X022199