《基于PLC的电梯控制系统设计与实现》17000字（论文）

目录第二章电梯控制系统的整体设计2.1电梯的结构组成（1）拽引系统电梯拽引系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。主要由拽引机，拽引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。拽弓机为电梯的运行提供动力，由电动机，抽弓轮，连轴器，减速箱，和电磁制动器组成。拽引钢丝绳的两端分别连接轿厢和对重，依靠钢丝绳和拽引轮之间的摩擦来驱动轿厢的升降。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型还可以增加拽引力。（2）导向系统导向系统由导轨，导靴和导轨架组成。它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。（3）门系统门系统由轿厢门，层门，开门机，连动机构等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门导轨架等组成，层门设在层站入口处。开门机设在轿厢上，是轿厢和层门的动力源。（4）轿厢轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件。它是由轿厢架和轿厢体组成的。轿厢架是轿厢体的承重机构，由横梁，立柱，底梁，和斜拉杆等组成。轿厢体由厢底，轿厢壁，轿厢顶以及照明通风装置，轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量和额定客人数来决定。（5）重量平衡系统重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。对重由对重架和对重块组成。对重将平衡轿厢自重和部分额定载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧拽引钢丝绳长度变化对电梯的平衡设计影响的装置。（6）电力拖动系统电力拖动系统由拽引电动机，供电系统，速度反馈装置，调速装置等组成，它的作用是对电梯进行速度控制。搜引电动机是电梯的动力源，根据电梯的配置可采用交流电动机或者直流电动机。供电系统是为电动机提供电源的装置。速度反馈系统是为调速系统提供电梯运行速度信号，一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电动机相连。调速装置对拽引电动机进行速度控制。（7）电气控制系统电梯的电气控制系统由控制装置，操纵装置，平层装置，和位置显示装置等部分组成。其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求，控制电梯的运行，设置在机房中的控制柜上。操纵装置是由轿厢内的按钮箱和厅门的召唤箱按钮来操纵电梯的运行的。平层装置是发出平层控制信号，使电梯轿厢准确平层的控制装置。所谓平层，是指轿厢在接近某一楼层的停站时，欲使轿厢地坎与厅门地坎达到同一平面的动作。位置显示装置，是用来显示电梯所在楼层位置的轿内和厅门的指示灯，厅门指示灯还用箭头指示电梯的运行方向。（8）安全保护系统安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全地使用。机械方面的有∶限速器和安全钳能起到超速保护作用，缓冲器能起到冲J顶和撞底的保护作用，还有切断总电源的极限保护装置等措施。电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节梯形图中都有所体现。2.2本设计中电梯控制系统的总体结构随着工业自动化技术的发展，电梯的控制技术经历了由继电器控制系统向PLC控制系统转变的过程。PLC电梯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大部分组成。本论文的电梯控制系统以六层六站的电梯PLC控制系统为例图2.1所示为电梯PLC控制系统的总体结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操作盘、厅外呼梯盘、楼层指示器、门机、调速装置与主拖动系统等。系统控制核心为PLC主机，操作盘、呼梯盘、井道及安全保护等信号通过PLC输入接口送入PLC中去，然后通过软件程序控制向拖动系统发出信号，以满足电梯实现起动加速、制动减速、上下方向运行等功能。图2.1电梯PLC控制系统的总体结构图本系统采用轿厢外召唤，轿厢内按钮控制方式的自动控制形式，电梯由安装在轿厢内的指令按钮进行操作，其操作内容为响应，轿厢内指令依层次指令运行起动电梯，使电梯到达目标层。电梯上行、下行由一台交流电动机来驱动，电动机正转，电梯上升;电动机反转，电梯下降;并可以实现电梯的启动加速、稳定运行、制动减速等调速环节。电梯轿厢门由另一台它励直流电动机驱动，该电动机正转，轿厢门开，电动机反转，轿厢门关，每层电梯都设有呼叫按钮，轿厢内开门按钮，轿厢内关门按钮。电梯的厅门外每层都有楼层位置的数码管显示装置及电梯运行方向指示灯等装置。2.3电梯的安全措施及保护装置（1）电磁制动器∶装于曳引电动机轴上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层后断电制动。（2）强迫减速开关∶将分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站时换速且未减速时，轿厢上的撞块就会触动此开关，通过电气传动控制装置，使电动机强迫减速。（3）限位开关∶当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，此限位开关立即动作，切断电源并产生制动，强迫停车。（4）行程极限保护开关∶当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关将动作。（5）急停按钮∶装于轿厢司机操纵盘上，发生异常情况时，按此按钮切断电源，电磁制动器制动，电梯紧急停车。（6）厅门开关∶每个厅门都装有电梯门锁开关。仅当厅门关上时才允许电梯启动;在运行中如出现厅门开关断开时，电梯应立即停车。（7）关门安全开关;常见的是装干轿厢门边的安全触板上，在关门过程中如安全触板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门，此外还有红外线开关等。（8）超载开关∶当轿厢超载时轿厢底部的开关动作，电梯不能关门和运行。（9）其它的开关∶安全窗开关，钢带轮的断带开关等。第三章电梯控制系统的硬件设计3.1电梯系统中的主要电气设备（1）牵引电动机齿轮牵引机为电梯的提升机构。主要由驱动电动机，电磁制动器（也称电磁抱闸），减速器牵引轮组成。（2）自动门机用来完成电梯的开门与关门。电梯的门分为厅门（每层站一个）与轿门（只有一个）。只有当电梯停靠在某层站时，此层厅门才允许开启（由门机拖动轿门，轿门带动厅门完成）;也只有当厅门、轿门全部关闭后才允许电梯启动运行。（3）楼层指示灯楼层指示灯也叫层显，安装在每层站厅门的上方和轿箱内轿门的上方，用以指示电梯的运行方向以及电梯所处的位置。过去常由低压灯泡构成，现大多由数码管组成，且与呼梯盒做成一体结构。（4）呼梯盒用以产生呼叫信号。常安装在厅门外，距离地面一米左右的墙壁上。基站与底站只有一只按钮，中间层站由上呼叫与下呼叫两个按钮组成。（5）操纵箱操纵箱安装在轿箱内，供乘客对电梯发出动作命令。其上面设有与电梯层站数相同的轿厢内选层按钮。（6）平层及开门装置由平层感应器及楼层感应器组成，该装置如图4.2所示。上行时，上磁铁板先触发楼层感应器，发出减速停车信号;电梯开始减速，至平层信号触发时，发出开门及停车信号，电动机停转，抱闸抱死。下行时，下磁铁板先触发楼层感应器，发出减速停车信号;电梯开始减速，至平层信号触发时，发出开门及停车信号。（7）轿厢位置检测装置（简称选层器）它主要是检测电梯轿厢的运行状态以及所处的位置，并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逐步淘汰而淘汰。图3.1六层电梯的平层、停层装置示意图通常轿厢位置检测方法主要有以下两种∶(1)用干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或位置开关，当所设计的楼层较高时，会占用PLC太多的输入点数。（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，在各种编码方式中合电梯控制的只有格雷变形码，进行运算时需采用PLC指令译码，所以此种方法比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。由于本文是六层电梯的控制系统，故选用干簧管磁感应器检测轿厢的位置。3.2PLC机型的选择本论文的电梯控制系统以六层六站的电梯PLC控制系统为例，根据系统需要控制的开关量信号，设备大约有36个输入节点，36个输出节点需进行控制，所以选用常用的整体式三菱FX2系列PLC作为主控制器。故设计中选择PLC的型号为FX2-80MR，其输入输出节点各为40个。该型号的三菱PLC既能满足软件设计中输入输出节点个数的要求，而且还留有一定的冗余量，为以后电梯控制系统的功能扩展提供了方便。3.3三菱PLC的输入输出(I/O)设计其输入输出的I/0分配如表4.1所示，梯形图程序中相关的中间继电器的定义如表3.2所示。表3.2输入输出I/0分配表3.3交流双速电梯的性能特点电梯的拖动系统有许多种，性能好的有直流发电机—电动机可控硅励磁拖动系统、变频调压调速系统，但它们价格都比较昂贵。简单的有交流调压调速系统，单/x速交流电动机拖动系统，在速度1.5m/s以下的中低速电梯中经常采用后者来拖动，医为它结构简单，经济实用。本文对交流双速电机拖动系统进行重点研究。交流双速电梯的主要性能特点有以下三个方面∶（1）这种电梯的交流电动机具有两种速度，这样就使得电梯在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很速度，也保证了电梯的停层准确度（对额定速度为1.0m/s时，一般停层准确为30mm）所以交流双速电梯的运行效率比单速电梯有较大提高。（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。系统虽然是有级调速，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）电梯的主驱动系统和制动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干低速绕组的同步转速，从而在低速绕组中将产生再生发电制动减速过程。对低速绕组来说，电动机处干发申机的工作状态，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比较经济的，电能消耗相对较少。3.4交流双速电梯系统的主电路图及工作原理图3.3电梯调速系统主电路如图3.3所示为交流双速电梯控制系统的主电路图。图中M为YYTD系列电梯专用双速笼型异步电动机（4/16极）;KM3、KM4为电动机正反转接触器，用以实现电梯的上、下行控制;KM5、KM6分别为电梯的高低速运行接触器，用以实现电梯的高速或低速运行;KM7为起动加速接触器;KM8、KM9、KM10为制动减速过程接触器，用以调整电梯制动时的加速度;L1、L2与R1、R2为串入电动机定子电路中的电抗与电阻，与KM7—KM10相配合实现对电动机的加减速控制。当KM3或KM4与KM5通电吸合时，电梯将进行上行或下行的起动，梯形图程序中设定延时1.5S后KM7通电吸合，切除R1、L1，电梯将转为上行或下行的稳定速度运行过程;当电梯接收到停层指令时，KM5断电释放，KM6通电吸合，电动机转为低速接法，串入电抗制动，实现上升与下降的低速运行，且KM8—KM10依次通电吸合，程序中设定三个接触器动作的时间依次为1S、1.5S、2S。用来控制制动过程的强度，提高停车制动时的舒适感。至平层位置时，接触器全部断电释放，机械抱闸，电梯停止运行。电梯在检修状态下运行时，电梯只能在低速接法下实现点动运行。图3.4原理接线图 第四章电梯控制系统的软件设计4.1软件设计思想及主程序流程图4.1.1电梯的正常工作状态PLC上电后，PLC中的梯形图程序已经开始运行，但因为电梯尚未读入任何输入信号的数据，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。为满足处干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的位置且电梯门处于关闭状态。从而电梯完成一个正常呼叫响应的步骤如下所示∶（1）电梯在检测到厅门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进行比较，再通过定向模块进行选向。（2）电梯通过拖动调速模块驱动电动机拖动轿厢运动。轿厢运动速度要经过先低速运行再转变为高速，并以高速运行至减速点。（3）当电梯检测到目标层楼层检测点产生的减速点信号时，电梯进入减速制动状态，又由高速变为低速，并以低速运行到平层点停止。（4）平层后，电梯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的楼层位置。4.1.2电梯的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、下行极限点间的任意位置处。例如控制台上检修按钮按下后，使电梯立刻停止原来的运行，然后按上行启动（或下行启动）按钮，电梯将上行（或下行）;一旦放开该按钮，电梯运行将立刻停止。实现检修状态的点动。由于电梯控制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，将电梯各个输入信号和输出信号的属性进行分类，模块与模块之间的衔接可以用中间寄存器来传递信息。并且采用模块化的程序设计方法，可方便于程序的修改和完善。电梯控制系统软件大致可分为;电梯开关门及保护和故障显示模块、楼层信号的产生消除和数码管显示模块、外呼信号的产生消除和显示模块、轿厢内选信号的产生及消除与显示模块、电梯的确定上下行方向模块、电梯停层信号的产生和消除模块、电梯停车制动模块、电梯自动运行时启动加速和稳定运行模块等几大模块。楼层信号的产生与消除模块主要是由PLC的比较指令和加减指令读入楼层信息并将该记忆信号存入对应的中间继电器，直到楼层改变为止并用七段数码管显示楼层的位置。电梯的确定上下行方向模块主要是完成电梯在响应呼叫时做出的向上运行还是向下运行的判断。电梯停层信号和制动模块是要求电梯在运行到目标楼层检测点时即进入减速制动状态，而电梯在运行过程中会遇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信号，电梯在经过目标楼层检测点时接到这个信号就开始制动减速了。电梯轿厢开关门电路模块和按钮记忆指示灯显示电路模块是为了控制轿厢的开关门和按钮接通之后需要指示的发光二极管电路。将这些模块逐一进行梯形图编程，并按顺序连接在一起就构成总程序。根据上述电梯的两种工作状态以及软件设计的模块化编程思想，可以画出电梯控制系统的主流程图如图4.1所示。图4.1电梯控制系统的主流程图4.2电梯各环节梯形图软件设计4.2.1楼层位置的数码管显示环节梯形图电梯在运行过程中所处的楼层位置将通过七段数码管显示，数据寄存器DO为电梯运行过程中的楼层数，它通过译码器（BCD码转换指令）用七段数码管显示。X34是上置数行程开关，安装在六层（顶层），当电梯运行至六层时，使DO置数为"6"。X35是下置数行程开关，安装在一层（底层），当电梯运行至一层时，使D0置数为"1"。当电梯运行在中间的某些楼层时，每上行一层时，寄存器D0将加1;每下行一层时，寄存器D0将减1。如果电梯在运行过程中由于某些原因使楼层位置显示有误，只要将电梯开到六层或者一层，七段数码管马上就能纠正错误，并且楼层位置能正确显示。其程序梯形图如图4.2所示。图4.2电梯楼层位置的显示译码梯形图由于PLC的程序设计语言有多种，下面以布尔助记符程序设计语言为例，对图4.2的程序梯形图用布尔助记符编程如下所示。从以上两种编程语言可以发现，梯形图编程语言与原有继电器逻辑控制技术相一致，与电气操作原理图相对应，更具有直观性和对应性，易于掌握和学习。本论文后面的软件编程只给出梯形图程序设计。楼层的具体位置可由七段数码管显示，并且PLC的输出端直接可与七段数码管连接，无需外部硬件译码器，由PLC的软件程序直接驱动七段数码管用来显示楼层位置。在七段显示电路中，PLC的输出端子Y34～Y37信号就可以控制数码管相对应区段的亮或灭，以组成相应的字形，来表示当前电梯所处的楼层位置。十段数码管a段到g段的排列顺序与PLC的输出端的连接如图4.3所示。图4.3七段数码管管脚排列图4.2.2楼层信号的产生与消除环节梯形图当电梯在运行过程中处于某一层时，应产生位于该楼层的位置信号，以控制七段数吗管显示器显示当前电梯所处的楼层位置，当电梯离开该楼层时，该楼层的位置信号应被新的楼层信号（上一层信号或下一层信号）所取代。下面以电梯的一层至三层为例，用比较指令（CMP）来介绍楼层信号的产生，其程序梯形图如图4.4所示。图4.4电梯一层至三层楼层信号的产生梯形图在电梯运行至相对应的楼层位置时，就会使电梯一层至三层的楼层信号中间继电器M40-M43分别置ON（或1），这样就产生了楼层辅助信号。其程序梯形图如图4.5所示。图4.5电梯一层至三层楼层辅助信号的产生梯形图4.2.3电梯开门环节梯形图电梯的开门环节主要由以下七部分组成，将以下七种情况的梯形图进行并联，就得到电梯开门环节总的梯形图，其总程序梯形图如图4.6所示。图4.6电梯开门环节梯形图（1）电梯投入运行之前的开门此时电梯位于基站，将开关电梯钥匙插入开锁并旋转至开电梯位置，梯形图中的特殊辅助继电器M8002（初始化脉冲）和X41（基站）都将接通，此时PLC的电源也接通，程序梯形图开始运云行，申梯白动开门1，乘客或司机进入轿厢，选层后电梯能自动运行。（2）电梯在自动运行中停层时的开门电梯在停层时，到达平层位置，会使自动平层开门信号M25接通，电梯将实施开门。（3）电梯在关门过程中需要重新开门在电梯关门的过程中，当需要重新开门时，可以通过手动开门按钮XO实施重新开门。现在大多数电梯采用光幕或机械安全触板来进行检测，在电梯关门过程中将会自动发送重新开门信号，以达到重新开门的需求。（4）电梯厅门有外呼信号时的开门当电梯运行到达某层站，若没有乘客继续使用电梯，电梯将停靠在该层站待命;若有乘客在该层站呼叫，电梯将首先开门，以满足乘客用梯的要求。电梯在运行的过程中，当有外呼信号要求时，若电梯是顺向运行，则停层开门;若电梯是逆向运行，则不停层。（5）电梯在检修状态下的开门J电梯在检修状态下，梯形图中检修开关X40将接通，开门为手动状态，由手动开门按钮X0的常开触点与X40的常开触点相串联实施开门。考虑到检修状态时的开门，所以检修状态下电梯开门不能自锁。（6）电梯在自动运行中禁止开门当电梯在自动运行状态下，上行或下行过程中PLC输出节点Y2或Y3将接通，产生自动运行时开门禁止信号M10，将M10常闭触点串联在开门信号M11中将会达到此目的。（7）电梯门被夹或超载时的开门当电梯在关门的过程中可能会因各种原因关不上门，如有东西被夹在门上，会使X12接用。或在来客乘A目梯时大人数太念面血超载。使桥相底部的超重属应器X13接用。进而使程序中的中间继电器M70（超重防夹物信号）接通，则电梯会实施重新开门。4.2.4电梯关门环节梯形图电梯的关门环节主要由以下五部分组成，同电梯的开门环节类似，将以下五种情况的梯形图程序进行并联，就得到关门环节总的梯形图，其总程序梯形图如图4.7所示。（1）电梯停用时的关门当电梯运行到达基站时，司机或乘客离开电梯轿厢时，电梯将会自动关门，司机将开关电梯钥匙插入并旋转至关梯位置，电梯的安全回路会被切断，PLC将停止运行，电梯门将被关闭。（2）电梯在停站时的提前关门当电梯在运行过程中，上下乘客已经完毕但是电梯停站时间还未到时，可以用手动关门按钮X1实现提前关门。（3）电梯的自动关门当电梯开门时，开门时间计时定时器T5将工作并计时，程序中设定时间为7S，当计时时间到达后，电梯应实现自动关门。（4）电梯门被夹或电梯超重时禁止关门当电梯在运行的过程中，电梯门被夹或超重时，辅助信号M70将会被接通，在程序中可将超重防夹物辅助信号M70的常闭触点串联在关门信号M12中将会达到此目的。（5）电梯在检修状态下的关门电梯在检修状态下（X40接通），关门为手动状态，由手动关门按钮X1的常开触点与X40的常开触点相串联实施关门。考虑到检修状态时的关门，所以检修关门不能自锁。图4.7电梯关门环节梯形图4.2.5外呼信号的产生、消除和显示环节梯形图当乘客在厅门选择外呼信号时，外呼信号应当被电梯接收和记忆。当电梯运行到达该楼层位置时，并且电梯的运行方向与外呼信号目的地方向一致时（一层和六层除外），表示外呼信号的要求被满足，外呼信号应当被消除。下图为电梯一层至三层的外呼信号的产生和消除环节，其程序梯形图如图4.8所示。其工作原理是当乘客按下外呼按钮时，相对应的外呼辅助继电器接通，外呼按钮下的相对应的指示灯亮，表示外呼信号的要求已被电梯接收并记忆下来。例如程序梯形图4.8中在外呼上行信号中串联M13辅助信号，在外呼下行信号中串联M14辅助信号使电梯达到同向时外呼信号被消除，反向时外呼信号被记忆的作用。当电梯运行方向与外呼信号目的地方向一致时，电梯运行至外呼信号的楼层位置时，电梯将停止并开门，表示外呼信号的要求已经满足，使外呼信号被消除。当电梯运行方向与外呼信号目的地方向相反时，例如电梯从二层向上运行（上行时），而外呼信号X26要求电梯从三层向下运行，则电梯的三层下呼指示灯Y26亮。若电梯有去四层及以上的轿厢内选信号要求或外呼信号要求，则电梯到达三层时电梯不能停梯，因为外呼信号要求没有被满足，此时外呼信号不能消除，指示灯Y26继续亮着;若四层及以上无用电梯的要求，则电梯将停靠在三层，但外呼信号X26（三层下行信号）不能立即被消除，待乘客进入轿厢后选层（假设乘客去一层），电梯将定下行方向，则此时三层下呼信号X26此时已经满足，下呼信号才应当被消除，指示灯Y26将灭。另外一种情况是电梯停靠在该楼层时，按下外呼按钮（上行按钮或下行按钮），此时外呼信号指示灯也应该亮。图4.8电梯一层至三层外呼信号梯形图4.2.6轿厢内选信号的产生、消除与显示环节梯形图电梯在运行过程中司机或乘客可通过对轿厢内一层至六层内选楼层按钮（X14～X21）的操作，选择自己欲去的楼层。如果电梯内选楼层按钮被按下后，相对应的内选楼层按钮下的指示灯会点亮（Y14~Y21）。当电梯运行至所选择的楼层位置后，电梯的轿厢内选楼层信号应当被消除，相对应的指示灯也应熄灭。下图给出电梯的一层至四层的轿相内选信号的产生与消除环节，其程序梯形图如图4.9所示。图4.9电梯一层至四层轿厢内选信号梯形图

第五章监控与调试.5.1程序监控我们使用三菱软件自带的监控图5.1图5.2图5.35.2MCGS仿真仿真软件使用MCG