11级厦门理工学院电子及电气工程毕业设计

毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 中文题目论可编程控制器在电梯控制中的应用 英文题目 On the programmable controller in the elevator control application 学学 院：院：成人教育学院成人教育学院 专业专业年年级级： ：电电气工程及其自气工程及其自动动化化 2011 级级 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指指导导教教师师： ： 职职 称：称： 2013 年 7 月 23 日 毕业设计（论文）诚信声明书毕业设计（论文）诚信声明书 本人郑重声明：在毕业设计（论文）工作中严格遵守学校有关规定，恪守学术规 范；我所提交的毕业设计（论文）是本人在 指导教师的指导下独立研究、撰写 的成果，设计（论文）中所引用他人的文字、研究成果，均已在设计（论文）中加以 说明；在本人的毕业设计（论文）中未剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，未 篡改实验数据。 本设计（论文）和资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。 学生签名： 年 月 日 1 摘 要 随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。电 梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出 不可磨灭的贡献。 PLC 在电梯升降控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。由于 PLC 具 有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。在电梯升降过程中，各种逻辑 开关控制与 PLC 很好的结合，很好的实现了对升降的控制。 本文主要讨论利用日本 OMRON 公司的 C 系列机对电梯的升降进行控制，形成电 梯控制系统。 关键词关键词: :PLC 电梯升降控制；OMRON 2 Abstract With the continuous development of society, more and more high buildings, high-rise buildings and elevators became necessary equipment. Lift the handle switch operation from the elevator, the elevator buttons to control the development to the current elevator group control, for senior transportation made an indelible contribution. PLC in the elevator control application is mainly reflected in its logical switch control functions. As the PLC has the logic operation, counting and timing, and data input and output functions. In the elevator process, the various logic switch control and PLC good combination, to achieve a good control on the lift. This paper discusses the use of Japanese OMRONs C Series machines to control the movements of the elevator, the formation of the elevator control syste Key words: PLC elevator hoist control; OMRON 3 目 录 摘摘 要要.2 2 ABSTRACTABSTRACT.3 3 目目 录录.4 4 1.1.可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）的概述）的概述.5 5 1.1 可编程控制器（PLC）简介 .5 1.2 PLC 的产生与发展.5 1.3 PLC 的发展趋势.6 2.PLC2.PLC 与其他控制系统的比较与其他控制系统的比较 .7 7 2.1 PLC 与继电控制系统的比较.7 2.2 PLC 与微机的比较.7 3.3.电梯理想运行曲线电梯理想运行曲线.9 9 3.1 电梯速度曲线 .9 3.2 速度曲线产生方法 .10 3.3 加速给定曲的产生 .10 3.4 减速制动曲线的产生 .10 4.4.电梯控制系统电梯控制系统.1212 4.1 电梯控制系统特性 .12 4.2 电梯控制构成.12 4.2.1 PLC 控制电路.13 4.2.2 电流、速度双闭环电路 .13 4.2.3 位移控制电路 .13 4.2.4 端站保护 .14 5 5 程序设计程序设计 .1515 5.1 楼层计数 .15 5.2 快速换速 .15 5.3 门区信号 .15 5.4 脉冲信号故障检测 .16 6 6 结论结论 .1717 致谢致谢.1818 参考文献参考文献.1919 4 1.可编程控制器（PLC）的概述 PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简 单尤其是它的高可靠性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。它应用大规 模集成电路，微型机技术和通讯技术的发展结果，逐步形成了具有多种优点和微型， 中型，大型，超大型等各种规格的系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算 机之间的许多控制领悟。 1.1 可编程控制器（PLC）简介 PLCProgrammable Logic Controller 即可编程序控制器。它是一种专门为在 工业环境下应用而设计的数字运算操作、顺序运算、定时、计数和算数运算等操作 的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其设备都应该按照易于与工业控制系统计算机，目前已被广泛的应用于各个 领域。 PLC 具体通用计算机所不及的各种显著的特点和功能。它体积小，重量轻，能耗 低；可靠性高，抗干扰能力强；控制功能完善，实用性强；安装接线简单，配套齐 全，易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统设计周期短，维护方便，改造容易。 不过它也有缺陷，如：PLC 工作速度较计算机慢，输出输入的响应有滞后现象；使 用中、高档，要求使用者有相当的计算机知识。 由于 PLC 把自动化技术、计算机技术和通信技术融于一体。它能完成逻辑控制； 定时控制；计数控制；步进控制；A/D、D/A 变换；数据处理；通信联网和监控的功 能。 正是因为 PLC 具有上述的许多优点和功能，所以在工业控制方面，目前 PLC 已 广泛应用于冶金、化工、轻工、机械、电力、建筑、交通和运输等工业企业。 1.2 PLC 的产生与发展 可编程控制器（PLC）是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐 渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术和通信技术融为一体的 新型工业自动控制装置，在近 40 年来它得到了迅猛的发展，至今已成为工业生产自 动化三大技术支柱（机器人技术、CAD/CAM 技术和 PLC 技术）之一，被广泛应用于 各种生产机械和生产过程的自动控制中。 PLC 从诞生至今已经快 40 年了，在这期间它的发展大概经历了以下几个阶段： 5 （1）19691972 PLC 安置的雏形阶段，功能都很简单，只有逻辑运算，定时和计数等功能，硬 件方面因集成电路还未投入大规模工业化生产，CPU 由分离元件组成，储存器为磁 芯存储器，容量为 12k,操作系统为磁芯构成的微程序，指令一般只有 2030 条， 机种单一，没有形成系列，一台 PLC 最多只能替代 200300 个继电器组成的系统， 可靠性优于继电器。 （2）19721976 美国 INTEL 公司成功开发了世界上第一片集成电路的微处理器，因此 PLC 技术 获得了较大的发展。PLC 功能除了逻辑运算外、计算机接口和模拟量控制等，软件 开发有自诊端程序，存储程序开始用了 EPROM，可靠性进步一步提高，初步形成系 列。结构上 PLC 有模块和整体式之分，整机功能从专用向通用过渡。 （3）19761983 在这个阶段，微处理技术日趋成熟，进而出现单片微处理器、半导体储存器进 入工业化生产，大规模集成电路开始普遍运用。 （4）19831988 计算机网络技术普遍应用，超过大规模集成电路、门阵列等专用集成电路迅速 发展。PLC 的 CPU 为 16 位或 32 位片式芯片构成，处理速度可达 1s/步，高速计数、 中断。PID 和运动控制等功能引入 PLC，满足了程序控制中所有要求。联网能力增强， 既可以和上位计算机联网，也可以下挂 PLC，组成多级散系统（DCS） 。编程语言除 了成熟的梯形图和语句表等，还有用于算术运算的 BASIC 语言和机床控制盒数控语 音等。 （5）1988 年至今 在这个阶段 PLC 技术日新月异，发展势头十分强劲，并不断扩大其应用领域， 如为用户配置柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）等。 1.3 PLC 的发展趋势 目前，可编程控制器正在向着两个不同的方向进一步发展。一个是简易、廉价 和超小型发展，以占领小型、分散和简单功能的工业控制市场，同时也便于适应机 电一体化的要求。另一个方向是向大型化、高速度、多功能和分散型、多层次全自 动化网络发展，这种系统不仅具有逻辑运算、计数、定时、数值计算、模拟量控制、 监控、记录、显示、以及与计算机接口并作数据传送等一般功能，同时还具有中断 控制、智能控制、过程控制盒远程控制等高级功能，此外 I/O 的点数进一步扩大， 最多已达 3200 点；处理数据的速度进一步提高；PLC 的通信协议进一步规范化。 6 2.PLC 与其他控制系统的比较 2.1 PLC 与继电控制系统的比较 PLC 取代以继电器为基础的控制系统的原因是：现在生产线要求的时间响应快， 控制精度高，可靠性好，控制程序可随工艺改变，易与计算机接口，维修方便等诸 多高品质与功能，继电器控制系统远比不上 PLC 控制系统。 常规硬件逻辑电路的控制，要是用大量的硬件控制电路，这在更改方案时，工 作时相当大，有时甚至相当于重新设计一台新的装置。PLC 的主要特点是它具有线 修改功能。它借助于软件实现重复的控制。软件本身具有可修改性，所以 PLC 机灵 活的可编程性就使它具有广泛的工业通用性。同时由于简化了硬件电路，也提高了 PLC 系统的可靠性。据不完全统计，GOULD 的 PLC 系统平均故障的间隔大于 2 万5 万小时，而平均修复时间则小于 10 分钟，而且，PLC 均能处理工业现场的强电信号， 如交流 220V、直流 24V，并可以直接驱动功率部件，可长期在严酷的工业环境中工 作。编程器采用传统的继电器符号语言，不必使用专门的高级语言。PLC 是在按钮 开关、限位开关和其他传感器等发出的监控输入信号下进行工作。根据信号控制器 就会做出反映，通过用户编辑的内部逻辑便产生输出信号，而这些输出信号可直接 控制外部的控制系统负载，如电机、接触器、指示灯 、电磁阀、电热器。 这种类型的控制系统省去了传统的电器控制系统接线和拆线的麻烦。用 PLC 的 编程逻辑提供了能随要求改变的“接线网络” ，这样生产线的自动化过程就能随意改 变。这种性能使 PLC 具有很高的经济效益。 2.2 PLC 与微机的比较 1969 年出现 PLC 时小型计算机的价格还很昂贵。因此，中内处理装置采用一位 计算机。到 70 年代初期微处理器出现了，1974 年 8080 系列、1975 年 6800 系列、 1976 年 Z-80 系列微处理机相继出现，位片式处理器也日益成熟。微机在出现标志 着电子技术，特别是集成 电路技术的飞跃。微机集成度高、体积小、功能强、价 格便宜，它的发展给 PLC 带来了深刻的影响。 （）把微机直接作为 PLC 的中央控制装置 PLC 制造厂家把通用的微机如 6800、Z-80 等直接作为 PLC 的中央控制装置，这 样做周期快，但有许多缺点，如： （1.1）没有一套面向工业过程的指令系统； 7 (1.2)PLC 工作为顺序扫描方式，要求速度快，而通用微型机均为 MOS 电路，速 度慢 ； （1.3）通用微机的适应性差，不能适应高温、强电干扰等恶劣环境。 （2）PLC 的中央处理器引进微机芯片 如前所述，通用的微机不一定适用于 PLC，但可使用芯片组成适应工业现场特 性的 PLC 这是 PLC 发展的主流。为了组成一套面向工业流程具有较高速度的指令系 统，大多数 PLC 都是用双极性型位片处理器。 （3）微机软件对 PLC 的影响 微机常用的系统软件如操作系统 DOS、汇编语言、BASIC 语言及其他高级语言都 写到 ROM 磁盘上。大多数 PLC 都采用了类似于微机语言的编程方式，但它的编程元 件都是工业流程中的电路符号，流程图语言等，只要操作人员能编出梯形图或流程 图，就能借助于键盘编辑在 CRT 上，其他的工作由系统软件完成，不要求操作人员 精通有关计算机软件和硬件方面的知识，方便了用户，利于推广和利用。 8 3.电梯理想运行曲线 根据在量的研究和实验表明，人可接受的最大加速度为 am1.5/s2，加速度变 化率 跳变到的加速度变化率，故被广泛采用。电梯的理想运行曲线按加速度可划 分为三角形、梯形和正弦波形，由于正弦波形加速度曲线实现较为困难，而三角形 曲线最大的加速度和在启动及制动段的转折点处的加速度变化率均大于梯形曲线， 即跳变到或由跳变到的加速度变化率，故很少采用，因梯形曲线容易实现并且有良 好加速度变化率频繁指标，故被广泛采用。 智能变频器是为电梯的灵活高速、控制及高精度平层等要求而专门设计的电梯 专用变频器，可配用通用的三相异步电动机，并具有智能化软件、标准接口、菜单 提示、输入电梯曲线及其它关键参数等功能。其具有高试方便，而且能自动实现单 多层功能，并具有自动优化减速曲线的功能，由其组成的高速系统的爬行时间少， 平层距离短，不论是双绕组电动机，还是单绕组电动机均可适用，其最高设计速度 可达 4m/s，其独特的电脑监控软件，可选择串行接口实现输入输出信号的无触点控 制。 变频器构成的电梯系统，当变频器接收到控制器发出呼梯方向信号，变频器依 据设定的速度及加速度值，启动电动机，达到最大速度后，匀速运行，在到达目的 层的减速点时，控制器发出切断高速度信号，变频器以设定的减速度将最大速度减 至爬行速度，在减速运行过程中，变频吕原能够自动计算出减速点到平层点之间的 距离，并计算出优化曲线，从而能够按优化曲线运行，使低速自选时间缩短至 0.3s，在电梯的平层过程中变频器通过调整平层速度或制动斜坡来调整平层精度。 即当电梯停得太早时，变频器增大低速度值或减少制动斜坡值，反之则减少低速值 或增大制动斜坡值，在电梯到距平层位置 4-10cm 时，有平层开关自动断开低速信号， 系统按优化曲线实现高精度的平层，从而达到平层的准确可靠。 3.1 电梯速度曲线 电梯运行的舒适性取决于其运行过程中加速度 a 和加速度变化率 p 的大小，过 大的加速度或加速度变化率会造成乘客的不适感。同时，为保证电梯的运行效率， a、p 的值不宜过小。能保证 a、p 最佳取值的电梯运行曲线称为电梯的理想运行曲 线。电梯运行的理想曲线应是抛物线直线完全速度曲线，即电梯的加、减过程由 抛物线和直线构成。电梯给定曲线是否理想，直接影响实际的运行曲线。 9 3.2 速度曲线产生方法 利用 PLC 扩展功能模块 D/A 模块实现速度理想曲线输出，事先将数字化的理想 速度曲线存入 PLC 寄存器，程序运行时，通过查表方式写入 D/A，由 D/A 转成模拟 量后将速度理想曲线输出。 3.3 加速给定曲的产生 位 D/A 输出 05V010V，对应数字值为 16 进制数 00FF，共 255 级。若 电梯加速时间在 2.53 秒之间。按保守值计算，电梯加速过程中每次查表的时间间 隔不宜超过 10ms。 由于电梯逻辑控制部分程序最大，而 PLC 运行采用周期扫描机制，因而采用通 常的查表方法，每次查表的指令时间间隔过长，不能满足给定曲线的精度要求。在 PLC 运行过程中，其 CPU 与各设备之间的信息交换、用户程度的执行、信号采集、 控制量的输出等操作都按照固定的顺序以循环扫描的方式进行的，每个循环都要对 所有功能进行查询、判断和操作。这种顺序和格式不能人为改变。通常一个扫描周 期，基本要完成六个步骤的工作，包括运行监视、与编程器交换信息、与数字处理 器交换信息、与通讯处理器交换信息、执行用户程序和输入输出接口服务等。在一 个周期内，CPU 对整个用户程序只执行一遍。这种机制有其方便的一面，但实时性 差。过长的扫描时间，直接影响系统对信号效应的效果，在保证控制功能的前提下， 最大限度，最大限度地缩短 CPU 的周期扫描时间是一个很复杂的问题，一般只能从 用户程序执行时间最短采取方法。电梯逻辑控制部分的程序扫描时间已超过 10ms， 尽管采取了一些减少程序扫描时间的办法，但仍无法将扫描时间降到 10ms 以下。同 时，制动段曲线采取按距离原则，每段距离到的响应时间也不宜超过 10ms。为满足 系统的实时性要求，在速度曲线的产生方式中，采用中断方法，从而有效地克服了 PLC 扫描机制的限制。 起动加速运行由定周期中断服务程序完成。这种中断不能由程序进行开关，一 旦设定，就一直按设定时间间隔循环中断，所以，起动运行条件需放在中断服务程 序中，在不满足运行条件时，中断即返回。 3.4 减速制动曲线的产生 为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。在减 速点确定之前，电梯一直处于加速或稳速运行过程中。加速过程由固定中断完成， 加速到对应模式的最大值之后，加速程序运行条件不再满足，每次中断后，不再执 10 行加速程序，直接从中断返回，电梯以对应模式的最大值运行，在该模式减速点到 后，产生高速计数中断执行减速服务程序。在该中断服务程序中修改计数器设定值 的条件，保证下次中断执行。 在 PLC 的内部寄存器中，减速曲线表的数值由大到小排列，每次中断都执行一 次“表指针家 1”操作，则下一次中断的查表值将小于本次中断的差表值。门区和 平层区的判断均由外部信号给出，以保证减速过程的可靠性。 11 4.电梯控制系统 4.1 电梯控制系统特性 在电梯运行曲线中的启动段是关系到电梯运动舒适感指标的主要环节，而舒适 感又在加速度直接相关，根据控制理论，要使某个量按预定规律变化必须对其进行 直接控制，对于电梯控制系统来说，要使加速度按理想曲线变化就必须采用加速度 反馈，根据电动机的力矩方程式：MMZ=M=J（dn/dt）,可见加速度的变化率反映 了系统动态转距的变化，控制加速度就控制系统的动态转距M=MMZ。 故在此段采用加速度的时间控制原则，当启动上升速度达到稳态值的 90 时，将 系统由加速度控制切换到速度控制，因为在稳速段，速度为恒值控制波动较小，加 速度变化不大，且采用速度环闭控制可以使稳态速度保持一定的精度，为制动段的 精确平层创造条件。在系统的速度上升段和稳速段虽都采用 PI 调节器控制，但两段 的 PI 参数是不同的，以提高系统的动态响应指标。 在系统的制动段，既要对减速进行必要的控制，以保证舒适感，又要严格地按 电梯运行的速度和距离关系来控制，以保证平层的精度。在系统的转速降至 120r/min 之前，为了使两者得到兼顾，采取以加速度对时间控制为主，同时根据在 每一制动距离上实际转速与理论转速的偏差来修正加速度给定曲线的方法。 例如在距离平层点的某一距离 L 处，速度应降为 Vm/s，而实际转速高为 Vm/s，则说明所加的制动转距不够，因此计算出此处的给定减速度值-ag 后，使 其再加一个负偏差 ，即使此处的减速度给定值修正为-(ag)使给定减速度与实 际速度负偏差加大，从而加大了制动转距，使速度很快降到标准值，当电动机的转 速降到 120r/min 以后，此时轿厢距平层只有十几厘米，电梯的运行速度很低，为防 止未到平层区就停车的现象出现，以使电梯能较快地进入平层区，在此段采用比例 调节，并采用时间优化控制，以保证电梯准确及时地进入平层区，以达到准确可靠 平层。 4.2 电梯控制构成 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，系统控制采用随机逻辑控制。即在以顺序逻辑控制实 现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时 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 12 计数器来进行控制。同时，每层楼设置一个接近开关用于检测系统的楼层信号。 为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在的楼层进行显示，采用 LED 和发 光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示(开关上带有指示灯)。 为了提高电梯的运行效率和平层的精度，系统要求 PLC 能对轿厢的加、减速以 及制动进行有效的控制。根据轿厢的实际位置以及交流调速系统的控制算法来 实现。为了电梯的运行安全，系统应设置可靠的故障保护和相应的显示。采用 PLC 实现的电梯控制系统由以下几个主要部分构成。 4.2.1 PLC 控制电路控制电路 PLC 接收来自操纵盘和每层呼梯的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以 及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC 在 输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加减速运行和制动 停梯等信号。 4.2.2 电流、速度双闭环电路电流、速度双闭环电路 变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环；通过和电机同轴联接 的旋转编码器，产生 a、b 两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时，利用脉冲计数 构成速度闭环。 4.2.3 位移控制电路位移控制电路 电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行 平稳，乘坐舒适，停靠准确。采用变频调速双环控制可基本满足要求，但和国外高 性能电梯相比还需进一步改进。本设计正是基于这一想法，利用现有旋转编码器构 成速度环的同时，通过变频器的 PG 卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数， 将其引入 PLC 的高速计数输入端口 0000，通过累计脉冲数，经世式(1)计算出脉冲 当量，由此确定电梯位置。电梯位移 h=SI 式中 I累计脉冲数 S脉冲当量 S=IpD，(pr)(1) 本系统采用的减速机，其减速比 I=132，曳引轮直径 D=580mm，电机额定转速 ned=1450rmin，旋转编码器每转对应的脉冲数 p=1 024，PG 卡分频比 r=1，1 8， 代入式(1)得 13 S=10mm/脉冲 4.2.4 端站保护端站保护 当电梯定向上行时，上行方向继电器、快车辅助接触器、快车运行接触器、门 锁继电器、上行接触器均得电吸合，抱闸打开，电梯上行。当轿厢碰到上强迫换速 开关时，PLC 内部锁存继电器得电吸合，定时器 TimlO、Timll 开始定时，其定时的 时间长短可视端站层距和梯速设定。上强迫换速开关动作后，电梯由快车运行转为 慢车运行，正常情况下，上行平层时电梯应停车。如果轿厢未停而继续上行，当 Tim10 设定值减到零时，其常闭点断开，慢车接触器和上行接触器失电，电梯停止 运行。在骄厢碰到上强迫换速开关后，由于某些原因电梯未能转为慢车运行，及快 车运行接触器未能释放，当 Tim11 设定值减到零时，其常闭点断开，快车运行接触 器和上行接触器均失电，电梯停止运行。因此，不管是慢车运行还是快车运行，只 要上强迫换速开关发出信号，不论端站其他保护开关是否动作，借助 Tim10 和 Tim11 均能使电梯停止运行，从而使电梯站保护更加可靠。 14 5 程序设计 利用变频器 PG 卡输出端（TA2.1）将脉冲信号引入 PLG 的调整计数输入端 0000,构 成位置反馈。调整计数器（CNG47）累加的脉冲数反映电梯的位置。调整计数器的值 不断地与各信号点对应的脉冲数进行比较，由此判断电梯的运行距离、换速点、平 层电和制动停车点等信号。理论上这种控制方式其平层误差可在1 个脉冲当量范 围。在考虑减速机齿轮合间隙等