电梯PLC控制系统的设计.doc

论文题目：电梯PLC控制系统的设计摘 要电梯是现代高层建筑的必备交通工具。随着人们对电梯性能及乘坐舒适度要求的提高，其控制也由PLC控制代替了原来单纯的继电器接触器控制模式。本设计在电梯继电器控制系统的基础上，采用OMRON C60P完成了对电梯的逻辑控制。本设计除了能够实现对电梯信号处理系统基本功能的控制，还考虑了其电力拖动系统在实际应用中对曳引电动机的软起动和缓制动的要求。由于实验条件限制，本次设计的实验验证部分只能模拟电梯的信号处理过程。模拟实验表明:本次设计满足了设计任务书中的各项要求，取得了满意的效果。关键词：电梯，PLC控制，软起动，缓制动ABSTRACTThe elevator is the indispensable means of transportation of the modern skyscraper. As peoples requirement of elevator performance and taking comfort improving,Its control mode is replaced by PLC control with the simple Relay control.This design is completed on the basis of the elevators relay control system with the OMRON C60P. Not only it realizes all kinds of function in the signal processing system of elevator,but also consider the request to motor sofe -start and slow-brake.As a result of experimental condition limit, the experimental verification part of the design just simulate the process of the elevators signal processing.And it demonstrate that this design has meet all the requirements, and achieved satisfactory resultsKEY WORDS:elevator, plc control,start-up softly,apply the brake slowly目录前 言1第一章：电梯概述11.1电梯的定义11.2电梯的组成21.3电梯的分类31.4电梯的工作原理51.5选题说明61.5.1交流双速电梯的主要性能与特点61.5.2集选控制电梯的功能与特点71.5.3电梯继电器控制系统存在的问题71.5.4 PLC控制电梯的优点8第二章 可编程控制器82.1可编程控制器的定义82.2 PLC的特点82.3 PLC的分类92.4 PLC的基本硬件结构112.4.1中央处理单元（CPU）122.4.2存储器122.4.3输入输出模块132.4.4电源模块142.4.5编程器152.5 PLC的内部编程器件142.6 PLC的工作原理162.7 PLC的主要性能指标192.8 PLC的编程语言20第三章 系统硬件设计213.1 PLC控制系统框图203.2 控制系统主电路213.3系统控制电路233.3.1 PLC选型原则233.3.2系统PLC的选择253.3.3 PLC控制系统原理图253.4电梯PLC控制系统实现的功能283.5演示模型硬件设计283.5.1 PLC参数283.5.2指令一览表293.5.3PLC控制系统IO地址功能分配表293.5.4 PLC电梯控制系统原理图（演示模型）31第四章 系统软件设计314.1程序流程图314.2控制系统程序说明324.2.1指层功能324.2.2 轿内指令处理功能334.2.3召唤信号处理功能364.2.4 定向选层功能384.2.5反向截层功能404.3 控制系统的程序（参见附录）41第五章 结论41致 谢43参考文献44附 录45 前 言电梯是高层建筑不可缺少的交通运输工具。作为升降设备，它起源于公元236年古希腊，随着社会的进步，电梯技术也在不断的发展。其中，其逻辑控制也有PLC控制代替了原来的继电器控制。在已有通用变频器的基础上，采用PLC对电梯进行控制，通过合理的选择与设计，提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的运行结果。本论文是在毕业设计电梯PLC控制系统的基础上完成的。此次设计主要探讨了交流双速全集选电梯PLC控制系统的运行规律和逻辑控制，限于实验条件和能力考察侧重点，本次设计以软件设计为主，模拟演示中硬件设计主要为软件服务，演示作者所设计的电梯系统的信号处理功能。从而进一步论证PLC在电梯控制系统甚或工业控制系统中的优越性。本论文共分为五大章。第一章：介绍了电梯的相关知识；第二章：介绍了可编程逻辑控制器的相关知识；第三章：阐述了电梯PLC控制系统的硬件设计，包括模拟演示系统的设计；第四章：阐述（模拟演示）系统的软件设计；第五章：总结设计中的得失及感想。本论文在编写过程中，参考和借鉴了论文后所列的参考文献和资料，并得到郝兆明老师的悉心指导和帮助，得到了各位同学和朋友的支持，在此表示衷心的感谢。由于作者水平有限，在编写过程中难免有疏漏和不足之处，恳请各位老师、同学、朋友批评指正。第一章：电梯概述1.1电梯的定义电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的倾角小于15度的钢性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。它适用于装置在两层以上的建筑内，是输送人员或货物的垂直提升设备的交通工具。随着电子工业的发展，新技术、新产品不断用于电梯控制系统， 如无触点半导体逻辑控制硅（俗称可控硅）的应用；集成电路和数字控制、电脑和机群控制及调频调压技术的应用；拖动系统简化，性能提高。1.2电梯的组成（1）曳引系统 曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。 曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。（2）导向系统 导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。 导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。（3）轿厢 轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。 轿厢由轿厢架和轿厢体组成。（4）门系统 门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。 门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。（5）重量平衡系统 系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。 系统主要由对重和重量补偿装置组成。（6）电力拖动系统 电力拖动系统的功能是提供动力，并对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速起控制作用。 电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。（7）电气控制系统 电气控制系统的主要功能是通过各种控制电路完成相应电气动作功能，对电梯的运行实行操纵和控制，保证其安全运行。 电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜)，换速平层装置，选层器等组成。（8）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。1.3电梯的分类根据建筑的高度、用途及客流量（或物流量）的不同，而设置不同类型的电梯。目前电梯的基本分类方法大致如下。（1）按用途分类 乘客电梯，为运送乘客设计，要求有完善的安全设施以及一定的轿内装饰。 载货电梯，主要为运送货物而设计，通常有人伴随的电梯。 医用电梯，为运送病床、担架、医用车而设计的电梯，轿厢有长而窄的特点。 杂物电梯，供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电梯。 观光电梯，轿厢壁透明，供乘客观光用的电梯。 车辆电梯，用作装运车辆的电梯。 船舶电梯，船舶上使用的电梯。 建筑施工电梯，建筑施工与维修用的电梯。 其它类型的电梯，除上述常用电梯外，还有些特殊用途的电梯，如冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯、消防员用电梯等。（2）按驱动方式分类 交流电梯，用交流感应电动机作为驱动力的电梯。根据拖动方式又可分为交流单速、交流双速、交流调压调速、交流变压变频调速等。 直流电梯，用直流电动机作为驱动力的电梯。这类电梯的额定速度一般在2.00m/s以上。 液压电梯，一般利用电动泵驱动液体流动，由柱塞使轿厢升降的电梯。齿轮齿条电梯，将导轨加工成齿条，轿厢装上与齿条啮合的齿轮，电动机带动齿轮旋转使轿厢升降的电梯。 螺杆式电梯，将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹，再将带有推力轴承的大螺母安装于油缸顶，然后通过电机经减速机（或皮带）带动螺母旋转，从而使螺杆顶升轿厢上升或下降的电梯。 直线电机驱动的电梯，其动力源是直线电机。 电梯问世初期，曾用蒸汽机、内燃机作为动力直接驱动电梯，现已基本绝迹。（3）按速度分类 电梯无严格的速度分类，我国习惯上按下述方法分类。 低速梯，常指低于1.00m/s速度的电梯。 中速梯，常指速度在1.002.00m/s的电梯。 高速梯，常指速度大于2.00m/s的电梯。 超高速梯，速度超过5.00m/s的电梯。 随着电梯技术的不断发展，电梯速度越来越高，区别高、中、低速电梯的速度限值也在相应地提高。（4）按电梯有无司机分类 有司机电梯，电梯的运行方式由专职司机操纵来完成。 无司机电梯，乘客进入电梯轿厢，按下操纵盘上所需要去的层楼按钮，电梯 自动运行到达目的层楼，这类电梯一般具有集选功能。 有/无司机电梯，这类电梯可变换控制电路，平时由乘客操纵，如遇客流量大或必要时改由司机操纵。（5）按操纵控制方式分类 手柄开关操纵，电梯司机在轿厢内控制操纵盘手柄开关，实现电梯的起动、上升、下降、平层、停止的运行状态。 按钮控制电梯，是一种简单的自动控制电梯，具有自动平层功能，常见有轿外按钮控制、轿内按钮控制两种控制方式。 信号控制电梯，这是一种自动控制程度较高的有司机电梯。除具有自动平层，自动开门功能外，尚具有轿厢命令登记，层站召唤登记，自动停层，顺向截停和自动换向等功能。 集选控制电梯，是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控制的电梯，与信号控制的主要区别在于能实现无司机操纵。 并联控制电梯，23台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制，共用层站外召唤按钮，电梯本身都具有集选功能。 群控电梯，是用微机控制和统一调度多台集中并列的电梯。群控有梯群的程序控制、梯群智能控制等形式。1.4电梯的工作原理曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。安全装置保证电梯运行安全。 图1-1 电梯传动方式原理示意图1.5选题说明 本次任务主要是设计一简单的四层交流双速全集选电梯，其基本运行逻辑控制功能由PLC实现，以体现PLC在电梯顺序控制方面的优越性。1.5.1交流双速电梯的主要性能与特点1.这种电梯的交流电动机具有两种速度，这样就使起动与稳定运行时具有较高的速度，从而可以大大提高电梯的输送能力。同时它又具有准确停层所需的较低速度，也保证了电梯的停层准确度（对额定速度为1.0ms时，一般停层准确度为30mm）。所以电梯的运行效率较单速电梯的大大提高。2.主驱动系统虽然比单速电梯的复杂，但相对其他电梯来说还是比较简单的。系统虽然有级调速，但可以分别对高低速进行控制和调节。因此电梯的运行效率和性能得到相当大的提高和改善，从而使得这种驱动系统在一般低速电梯中得到广泛的应用。3.这种电梯主驱动系统的制动和减速过程是采用低速绕组的再生发电制动原理，即在减速开始的瞬间，快速绕组虽然从电网撤出，并立即把低速绕组接入电网而电动机的实际转速因电梯机械传动系统的惯性，仍维持在原快速状态时的转速。因此，对低速绕组来说此时的实际转速已大大高于低速绕组的同步转速，从：而在低速绕组中产生再生发电制动减速过程。对低速饶组来说，电动机处于发电机的工作状态，即把快速运行时所具有的功能反馈到电网中去。这样的减速制动方式是较经济的，电能消耗相对较少。1.5.2集选控制电梯的功能与特点该电梯以信号控制为基础，具有自动平层、自动开门、轿厢指令登记、层站召唤登记、自动停层、顺向截停、自动换向等功能。集选电梯分上集选和下集选,方式就是顺向截梯,反向记忆。电梯在底层和顶层分别设有一个向上或向下的，而在其它层站设有向上、下两个召唤按钮。（集选控制）轿厢操作箱上则设有与停站数相等的相应的指令按钮，当进入轿厢的乘客按下指令按钮，指令信号就被登记。电梯在向上过程中按登记的指令信号和向上召唤信号逐一停靠，直到有这些信号登记的最高层站和有向下召唤登记的最底层为止，然后又反向向下安置指令及向下召唤信号逐一停靠。每次停靠时电梯自动进行减速、平层、开门。1.5.3电梯继电器控制系统存在的问题（1）系统触点繁多，接线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因此故障率比较高；（2）普通硬件电器及硬件接线方法难以实现复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高；（3）电磁机构及触点的动作速度比较慢，机械和电磁的惯性大，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。1.5.4 PLC控制电梯的优点（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大 大提高；（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化；（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。（4）PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修；（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率；（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。第二章 可编程控制器2.1可编程控制器的定义国际电工委员会（IEC）给出的可编程序控制器（Programmable Controller）的定义是：“可编程序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，它采用可编程序的储存器，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或生产过程。可编程序控制器及其有关的设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则。”因此，可编程序控制器是集计算机技术，自动控制技术和通信技术（3C）于一体的工业自动化控制装置。它具有功能强，可靠性高，程序设计简单，灵活通用，体积小，维护方便，能适应恶劣工业环境等一系列优点，在冶金，能源，化工，交通，电力等领域的生产控制中得到广泛的应用，现已跃居现代工业自动化三大支柱的主导地位。2.2 PLC的特点 PLC出现后就受到普遍重视，其应用发展也十分迅速，原因在于与现有的各种控制方式相比，它有一系列的特点，主要是： （1）可靠性高，抗干扰能力强 PLC是专为工业控制而设计，由于采取了一系列措施，使PLC控制系统的平均无故障间隔时间一般能达到45万小时，远远超过传统继电器控制和计算机控制系统。（2）编程简单，易于掌握 常用梯形图编程方式，它与继电器控制原理图类似，具有直观、清晰、修改方便、易掌握等优点，因而受到广大现场技术人员和操作者的欢迎。（3）组合灵活使用方便 尽管PLC内部是一台专用计算机，但由于它采用标准化的通用模块结构，其I/O电路设计又采用一系列抗干扰措施，因而用户无需进行硬件的二次开发，能灵活方便地组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。且接线简单，工作量小，使用、维护都很方便。（4）功能强，通用性好 现代PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在硬件和软件两方面不断发展，使其具备很强的信息处理能力和输出控制能力。（5）开发周期短，成功率高 大多数工业控制装置的开发研制包括机械、液压、气动、电气控制等部分，需要一定的研制时间，也包含着各种困难与风险。大量实践证明采用以PLC为核心的控制方式具有开发周期短、风险小和成功率高的优点。（6）体积小，重量轻，功耗低 由于PLC采用了半导体集成电路，其体积小、重量轻、结构紧凑、功耗低。2.3 PLC的分类（1）按结构型式分类1）整体式（单元式或箱体式）PLC 将电源、CPU、存储器及IO等各个功能部分集成在一个机壳内。2）模块式（积木式）PLC 将构成PLC的各个部分按功能做成独立模块，按需要组合。此外也有将整体式与模块式结合起来称之为叠装式PLC，其配置更为灵活。 （2） 按IO点数和存储容量分类 1）小型PLC 小型和微型PLC的输入输出点数在256点以下。2）中型PLC 主要采用模块组合式结构。输入输出点数在2562048点之间。3）大型PLC 为要求连续控制的大型工厂或大型机器设计的， 其控制功能比较复杂或者需要控制的输入输出点多于2048点。 （3）按功能划分 1）低档机 主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。2）中档机 有较强的模拟量处理、数值运算、数据处理、 PID控制、远程I/O及联网通信等功能。3）高档机 增设有特殊功能运算和制表、表格传送等功能；具有更强的通信联网能力，可用于大规模过程控制。 （4） PLC的应用1）开关逻辑控制 开关逻辑控制是PLC最基本最广泛的应用领域。PLC具有强大的逻辑运算能力，用PLC可取代传统继电器系统和顺序控制器，实现单机控制、多级控制及自动生产线控制2） 模拟量控制 在工业生产过程中，打多数控制变量都是模拟量。PLC所处理的是数字量，为了能接受模拟量输入并能输出模拟信号，PLC中配有A/D和D/A模块，将现场的温度、压力等这些模拟量经过A/D转换为数字量，经微处理器进行处理，微处理器处理的数字量又经过D/A转换变为模拟量去控制被控对象。这样就实现了PLC对模拟量的控制。3） 闭环过程控制 应用PLC不仅可以对模拟量进行控制，而且还可以进行闭环控制，现在大中型PLC一般都配备了专门的比例、积分、微分（PID）控制模块。4） 定时控制 PLC具有定时控制的功能，它可以为用户提供几十甚至上百个记时器，其记时的时间可以由用户在编写用户程序时设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定，实现定时或延时的控制。5） 计数控制 为用户提供了几十个甚至上百个的计数器，设定方式如同定时一样。如果用户需要对频率较高的信号进行计数的话，则可以选择高速计数模块。6） 顺序控制 实现顺序控制，可以用移位寄存器和步进指令编写程序，也可以采用国际电工委员会规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图（Sequential Function Chart）编写程序，PLC便可以实现按照事件或输入状态的顺序，控制输出。7） 数据处理 现代PLC都具有数据处理能力。它不仅能进行算术运算，数据传送，而且能进行数据比较，数据转换，数据显示和打印及数据通信等。对于大中型PLC还可以进行浮点运算，函数运算等。8） 通信和联网 PLC的控制已从早期的单机控制发展到了多机控制，实现了工厂自动化。这是由于现代的PLC一般都有通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信。2.4 PLC的基本硬件结构PLC的类型繁多，但其结构和工作原理则大同小异，一般是由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出单元（I0单元）、编程器、电源等主要部分构成的，如图2-1所示。图2-1 PLC的基本结构2.4.1中央处理单元（CPU）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的信号处理过程如图2-2所示。图2-2 CPU的信号处理过程2.4.2存储器PLC中的存储器主要用于存放系统程序，用户程序和工作状态数据。现代PLC都采用半导体存储器作为它的存储器。用户程序存储区用于存放用户经编程器输入的应用程序。一般采用EPROM存储器，用户可擦除重新编程。用户程序存储器的容量一般就代表PLC的标准容量。通常小型机小于8KB，中型机小于50KB，大型机可在50KB以上。 2.4.3输入输出模块PLC的控制对象是工业生产过程，PLC与工业生产过程的联系是通过I/O模块实现的。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 开关量是指只有开和关(或1和0)两种状态的信号,模拟量是指连续变化的量常用的I/O分类如下:开关量:按电压水平分,有220VAC110VAC24VDC,按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离模拟量:按信号类型分,有电流型(4-20mA,0-20mA)电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等,按精度分,有12bit,14bit,16bit等 输入接口电路 输入模块是将生产现场的信号进行电平和格式转换，能为CPU所能接收、存储和传送的TTL标准电平的二进制信号。图2-3是PLC的输入接口电路与输入设备之间的连接示意图（直流输入型），输入端子可以是继电器触点、按钮开关、拨动开关或行程开关等。输入信号通过光电偶合电路传送给内部电路。图中LED1和LED2为发光二极管，LED1显示有无信号输入，LED2与光电三极管T作光电偶合。 图2-3 PLC的输入接口电路（直流输入型） 输出接口电路 输出模块的任务是将CPU输出的控制信息转化为生产现场所需的、能驱动各种特定设备的控制信号，以驱动各执行机构动作。通常PLC的输出有三种形式：一是继电器输出型；二是晶体管输出型；三是双向晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管。图2-4和图2-5为PLC的继电器输出接口电路和晶体管输出接口电路。继电器输出型为触点输出方式，存在触点的寿命问题，用于开关通断频率较低的直流负载或者交流负载，从电路可以看出，其对驱动负载电源极性没有要求；晶体管输出型为无触点输出方式，常用于开关频率较高的直流负载，对驱动负载的电源极性要连接正确。此外，还有晶闸管输出接口电路。图2-4 PLC的继电器输出接口电路图2-5 晶体管输出接口电路2.4.4电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源电源输入类型有:交流电源(220VAC或110VAC),直流电源(常用的为24VAC)2.4.5编程器编程器是PLC的重要外部设备。主要任务就是编写用户程序、输入程序、调试程序和监控程序的执行过程。按照编程器的结构来化分，可以分为三种： 简易编程器 可直接与PLC上的专用插座或电缆与PLC相连。一般只能用助记符编程。图形编程器 显示屏有液晶显示（LCD）和阴极射线管（CRT）。计算机编程 采用通用的计算机，通过硬件接口和专用软件包，用户直接在计算机上连机或脱机方式编程，可以是梯形图编程也可以用助记符指令编程。2.5 PLC的内部编程器件继电器系统是通过硬件电路实现其控制功能，在电路设计中要用到各种继电器、接触器、时间继电器等一系列有特定功能的逻辑器器件。而PLC则是通过程序实现外部控制功能。在PLC梯形图程序设计中也需要有各种逻辑器件和运算器件，称之为编程器件，以PLC程序所赋予的逻辑运算、算术运算、定时、计数等功能。这些器件有着与硬件继电器类似的功能，为便于区别我们称PLC编程器件为软器件。编程器件实质上是由PLC内部的电子电路和用户存储区中一个储单元构成的，存储单元地址与它们的编号相对应。输入继电器 输入继电器的作用是用于接收和存储外部开关量信号，它能提供无数对常开、常闭触头用于内部编程。每一个输入继电器线圈与PLC的一个输入端子相联。输入继电器有两个特点：一是其状态只能由外部信号驱动改变，而无法用程序驱动。因此，在梯形图中只见输入继电器的触头而不会出现输入继电器线圈符号。其二是输入继电器触头只能用于内部编程，无法驱动外部负载。输出继电器 有两个作用，其一是提供无数对常开、常闭触头用于内部编程，其二是能提供一副常开触头驱动外部负载。每一个输出继电器的外部常开触头与一个PLC输出点相联。输出继电器状态只能由程序驱动，外部信号不能直接改变输出继电器的状态。内部继电器 有很多内部继电器，相当于继电器系统中的中间继电器。用于状态暂存、移位、辅助运算及赋予特殊功能等。线圈是由程序驱动，也能提供无数对常开、常闭触头用于内部编程，但没有输出控制能力。锁存继电器 用于PLC的输入、输出状态的锁存。特殊继电器 用于PLC的工作状态和出错状态的显示等用途的专用继电器。它有两个特点；一是不能输出到外部；二是可以以位或字为单位进行处理。计时器 其作用相当于时间继电器。所有计时器都是通电延时型，可用程序方式获得断电延时功能。定时器输出触头可供编程使用，使用次数不限。计数器 是PLC实现逻辑运算和算术运算及其它各种特殊运算必不可少的重要软器件。当计数器当前值等于计数器设定值时，计数器计数到达位即接通。数据寄存器 PLC在进行输入输出处理、模拟量控制、数字控制时，需要有许多数据寄存器用以存储各种数据。每个数据寄存器都是16位，可用两个数据寄存器串联存放32位数据。特殊寄存器 特殊寄存器D用于PLC内各种器件的运行监视。指示器 指示器P两种类型：一种是分支指令用指针，用来指定跳转指令或子程序调用指令等分支指令的跳转目标，指针在用户程序和PLC内用户存储器占有一定空间；二是中断用指针，用于执行标号后面的中断程序。 2.6 PLC的工作原理PLC是一种工业控制的专用计算机。CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，所以按程序分时扫描工作是其基本特征。PLC内相应各种软器件是按程序号顺序在时间上串行工作的。继电器逻辑系统各电器元件在时间上是并行工作的，因此两者的工作方式、工作特点是不相同的。考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了另一方面，PLC虽然采用了计算机技术，但由于其工作环境、技术指标、控制要求、应用领域等与微机有很大不同。PLC用周期循环扫描、集中输入与集中输出的工作方式。这种工作方式的显著特点是：可靠性高、抗干扰能力强，但响应滞后、速度慢。也就是说PLC以降低速度求得高可靠性。图2-6是PLC的工作框图，框图全面表示了PLC控制系统的工作过程。 当PLC处于停止（STOP）状态，只进行内部处理和通信服务等内容，一旦进入运行（RUN）状态，就采用周期循环扫描方式执行用户程序。在正常情况下，一个用户程序扫描周期由三个阶段组成，如图2-7所示。图2-6 PLC顺序工作流程 图2-7 用户扫描工作过程（1）输入（采样）处理阶段 集中采样方式运用于小型PLC，响应速度慢，但提高了系统的抗干扰能力，增强了可靠性。而大中型PLC，采用定期输入采样、直接输入采样、中断输入采样及智能化I/O接口模块等多种采样方式，以求提高运行速度。 扫描所有输入端子并将输入量（开关或0/1状态）顺序存入输入映像寄存器，此后关闭输入通道，转入程序执行阶段。（2）程序执行阶段 在程序执行过程中根据程序执行需要，将有关元件的状态、数据读出，按程序要求运行逻辑运算和算术运算并将每步运算结果写入相关元件映像寄存器（有关存储器或数据寄存器）。因此，内部元件寄存器随程序执行在不断刷新。（3）输出处理阶段 所有程序指令执行完毕，将内部元件寄存器中所有输出继电器状态（构成输出状态表）在输出处理阶段一次转存到输出锁存器中，经隔离、驱动功率放大电路送到输出端子，并通过PLC外部接线驱动实际负载。2.7 PLC的主要性能指标（1）IO点数 IO点数是PLC可以接受的输入开关量信号和输出开关量信号的数量总和。对于单元式PLC，它的IO点数由机架数和基本IO单元数决定。这是PLC的一项基本指标。IO点数越多，PLC可外接的输入开关器件和输出控制器件就越多，控制规模就越大。（2）存储器配置和容量 在编制PLC程序时，需要大量的存储器（简称内存）来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、单元设置和各种标志等信息。内存种类越多，容量越大，越便于PLC进行各种逻辑控制及模拟量控制。用户内存的容量决定着PLC可以容纳用户程序的长短，一般以字为单位来计算。每16位二进制数为一个字（W），每1024个字为1KW。一般中、小型PLC的用户内存为在几千字到几百千字以上。（3）扫描速度 扫描速度是指PLC执行一步指令的时间，单位为us步。扫描速度越快，执行指令的时间就越短。（4）指令功能及数量 PLC实现控制任务的数量，通常取决于PLC的功能指令的条数。一般而言，指令条数越多，所支持的功能相对越强；指令功能越强，PLC的处理能力和控制能力也就越强。（5）支持软件 从本质上讲，PLC所能识别的只是机器语言。它之所以能使用助记符语言、梯形图语言、逻辑功能图以及高级语言等，全靠这些语言所开发的各种支持软件。支持软件不仅可编制程序，还具有监控PLC工作的功能。（6）专用功能单元的种类 专用功能单元的种类越多，则PLC所能完成的功能相对越多。因此，专用功能单元的种类及其功能的强弱，是衡量现代PLC产品水平高低的一个重要指标。（7）可扩展性 在选择PLC时，需要考虑PLC的可扩展性，它主要包括输入输出点数的扩展、存储容量的扩展、通信联网功能的扩展以及可扩展的单元数量。2.8 PLC的编程语言（1）梯形图编程语言 梯形图编程语言（Ladder Diagram）传统继电器控制电路图相似；梯形图与继电器控制图设计思路也基本一致；梯形图很容易由电气控制电路转化而来。由于梯形固是PLC用户程序的一种图形表达形式，因此梯形图设计又称为PLC程序设计或编程。（2）指令表编程语言 指令表编程语言（Instruction List）采用助记符指令（又称语句），并以程序执行顺序逐句编写成指令表，指令表可直接键入简易编程器。梯形图与指令表完成同样控制功能，两者之间存在一定对应关系。由于简易编程器既没有大屏幕显示梯形图，也没有梯形图编程功能，所以小型PLC采用指令表编程语言更为方便、实用。（3）顺序功能图编程语言 顺序功能图编程语言（Sequential Function Chart），简称为SFC编程语言，顺序功能图又称为功能表图或状态转移图。它将一个完整的控制过程分为若干个阶段（状态），各阶段具有不同动作，阶段间有一定的转换条件，条件满足就实现状态转移，上一状态动作结束，下一状态动作开始。采用状态转移方式表达一个完整控制过程。第三章 系统硬件设计3.1 PLC控制系统框图电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。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。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。输 输入 出信 PLC 信 号 号运行方式选择门区或平层信号安全保护信号楼层显示Y1A内呼叫信号指示外召唤信号指示内指令信号开关门控制运行方式指示井道磁感应信号外召唤信号拖动控制系统运行控制信号开关信号 LL 图3-1 PLC电梯控制系统框图3.2 控制系统主电路 交流双速电梯采用变极调速电动机作为曳引电动机，其变极比通常为624极、4624极和4618极的。从电动机结构看，有采用单绕组改变接线方式实现变极和采用两组绕组的，它们各自具有不同的极数，通过接通不同的绕组来实现不同的转速。此次设计中，采用单绕组变极电动机，其主电路如图3-2。电梯的主要动作有两个：上升和下降，可由电动机的正反转来实现。现以电梯一次上升运动为例说明该电路的工作情况。1）PLC自动定向后，当电梯轿门与各层厅门均已关好，即SC3、1SMT-4SMT全部闭合，其信号输入PLC，PLC输出信号使上运行接触器KMF和快车接触器KMK吸合。如上行缓速开关2SQ闭合，并输入PLC，且上行限位开关4SQ闭合，曳引电动机M快速绕组串电阻RS起动。电磁制动器线圈KB通过KMF触点、1KM、2KM常闭触点接通电源，制动器松闸，M正转，轿厢向上运行。同时PLC内部起动定时器计时，并使0507延时输出，1KM吸合，其主触点将起动电阻RS短接，曳引电动机在额定电压下加速至额定转速运行。同时1KM常闭触点断开，KB通过电阻R1继续接通电源，保持松闸状态。2）电梯向上运行至停车层楼的换速感应器时，PLC开始计时或计数至换速点时，发出换速信号，使KMK、1KM接触器释放，慢车接触器KMM吸合，使电动机M低速绕组串电阻RB制动减速。PLC发出换速信号的同时，减速定时器开始计时，一、二、三级减速定时器依次计时到，PLC输出信号，使制动减速接触器2KM、3KM、4KM先后吸合，RB电阻先部分被短接、再大部分被短接、最后全部被短接，电动机M随之经一、二、三级减速至平层速度运行，轿厢缓慢进入平层区。3）当轿厢运动到平层位置时，平层指令将KM1、KA3、KM接触器全部切断，同时抱闸也断电，将电动机轴上的制动轮抱住刹车，最终使电动机停转，轿厢停靠在所选楼层。由于串入起动电阻，一方面限制了起动时的电流，减小电梯起动对电网的冲击，另一方面减小起动时的转矩冲击，改善舒适感。由于串入制动电阻，并渐次短接，使电动机可以分级减速。从而使电机实现了加速度、软起动、缓制动。图3-2 电梯PLC控制系统主电路3.3系统控制电路3.3.1 PLC选型原则（1）输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。（2）存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，大体上可按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。（3）控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 运算功能 简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。 控制功能 控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。 通信功能 大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。 编程功能 离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。 诊断功能 PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。 PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 处理速度 PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。 处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。（4）冗余功能的选择 重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应冗余设计。 在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。 控制回路的多点I/O卡应冗余配置。 重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。（5）经济性的考虑 选择P