【《基于PLC电梯控制系统设计》8200字（论文）】

基于PLC电梯控制系统设计摘要改革开放之后，我国的经济和科技飞速发展，摆脱了之前贫困的处境。各地高楼大厦拔地而起，而作为大厦的标配工具电梯，也在发生着翻天覆地的改革。现在市面上的电梯也各种各样，各种功能、安全性也越来越完善。在现在的电梯控制系统中，可编程控制器（PLC）已经取代了之前的继电器、单片机控制，相对于它们，PLC控制更稳定、功能更全面、更方便。本次的论文就是采用了可编程控制器（PLC）做为控制软件，基于PLC控制的优点，以四层电梯为例，从可编程逻辑器（PLC）的选型，对电梯电气控制设备的分析，学习变频调速原理，选取了合适的变频器，从系统的硬件和软件两部分出发，设计出了完整的电梯控制系统。关键字：PLC；变频器；控制系统；变频调速目录TOC\o"1-3"\h\u7897第一章电梯及控制器的简介 绪论随着社会的不断进步，科学技术不断更新，各行各业都在飞快发展。特别是在改革开放后，在国家的领导下，在各个地区的高层建筑越来越多，而高层建筑的飞速发展，带动着高层建筑的标配工具——电梯也在飞快的发展。在各种高层建筑中的载人电梯和专门运输货物的电梯，这些已成了我们生活中的一部份。在现在的大环境下，一个国家拥有电梯的数量已经成了衡量综合水平的重要指标。电梯的发展源远流长，早在公元前236年，古希腊的物理学家，天文学家阿基米德就发明了，当时世界上的第一台电梯，由于发电技术还没有出现，这台“电梯”还是人力驱动的，但是这台“电梯”的发明成为了后来电梯的雏形。再后来，真正代替人力的电梯是在1858美国发明的以蒸汽机为动力的电梯。直到1887，电能的广泛使用，出现了第一台电能驱动的电梯，是由美国的奥的斯公司发明的，这个公司后来也成了电梯行业的大亨。不这也才是电力电梯的萌芽阶段，当时所用的电还是直流电，后来进入了20世纪，电能的运用更加广泛，特别是交流感应电机的迅速发展，使电梯的研究者们把研究方向转向了用交流电作用于电梯的拖动系统。交流电在调速方面的优越性使得电梯进一步发展，直到现在，日常生活中我们所看到的大多数电梯，都是采用的交流拖动。第一章电梯及控制器的简介1.1电梯的定义及分类电梯是指服务于建筑物内若干特定的楼层，其轿厢运行在至少两列垂直于水平面或与铅垂线倾斜角小于15°的刚性轨道运动的永久运输设备。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。通常在我国，电梯主要分为以下几类：（1）按用途分类:乘客电梯、医用电梯、载货电梯、观光电梯、建筑施工电梯。以及一些特殊用途的电梯，例如冷库电梯、电站电梯等。（2）按驱动方式分类:分为直流电机、交流电机、液压电机和齿轮齿条电梯、直线驱动电梯等。（3）按电梯的速度分类:低速梯（指低于1.00m/s的电梯）、中速梯（指速度在2.00～5.00m/s的电梯）、高速梯（指速度大于5.00～10.00m/s的电梯）、超高速（指速度超过10.00m/s的电梯）。（4）按有无减速装置分类：无齿轮电梯、有齿轮电梯。（5）按操作方式分类：无司机电梯、有司机电梯。（6）按驱动方式分类：曳引式、液压式、爬轮式、螺旋式。1.2电梯的结构组成电梯是集成机械、电器为一体的设备，其中我们可以用一个形象比喻，电器的部分相当于人体的神经系统，机械的部分相当于人的手脚，控制系统相当于人体的大脑，总体来说，机械和电气都有控制系统来控制，紧密联系，使电梯能平稳的运行。从大体的空间来及看，电梯的组成有四部分，机房、轿厢、井道、层站。主要的系统组成有以下几种：（1）拽引系统，拽引系统的作用有是整个电梯系统提供动力以及动力的传输，拽引机由电动机，拽引轮，连轴器，电磁制动器和减速箱组成。拽引钢丝的一端连接着轿厢，一端连接着对重，利用拽引轮以及钢丝绳相互摩擦来控制轿厢的升降。为了使轿厢与对重之间有一定的间隙，就需要采取导向轮。同时，为了增大拽引力，一般采取复绕型。（2）门系统，轿厢门是位于轿厢的入口处，主要由传感器、门道框架、门扇等构成，层门位于每一层的入口处。和轿厢连在一起的开门机，作用是轿厢和开关层门提供动力。（3）导向系统，顾名思义是固定方向的系统，由三部分构成，导轨、导架和导靴。其作用是用来保证轿厢和对重之间的自由度，固定好一个确定的方向，使得轿厢的运动只能沿着导轨固定的方向。（4）轿厢，它由两部分结构组成，轿厢体和轿厢架。轿厢体由轿厢壁，轿厢照明系统，轿厢顶等组成，现在的轿厢体还在里面装有广告设计，提高利用资源。整体的空间大小和载重的大小都要有额定载重量和人数决定。1.3PLC的定义与运用可编程控制器（programmablecontroller）本质上也是计算机的一类，它与其他计算机有所不同，它运用的场所主要是工业现场。在刚开始叫做可编程逻辑控制器（programmablelogiccontroller），简称PLC。PLC的主要特点如下：1.3.1高可靠性（1）PLC对输入接口进行了光电隔离，在工业现场的PLC，还进行了外部电路和内部电路之间的电气隔离。（2）PLC的输入输出全部采用R-C滤波器，滤波时间常数通常为10～20ms。（3）PLC的各个模块采用屏蔽措施，可以隔离一定的辐射干扰。（4）PLC的电源开关均是性能优良的。（5）PLC有自诊断功能，如果电源或者程序在执行的过程中发生异常情况，将会采取有效的措施，如中断，抑制异常情况扩大。1.3.2有丰富的输入输出接口模块PLC在对不同的工业要求，有多种输入输出接口选择，比如说：电流的选择有交流或直流。有数字量和模拟量。电流和电压。脉冲和电位。强电和弱电等等。1.3.3模块化结构PLC的内部结构都利用了模块化结构，这样的设计，CPU、输入输出、电源等分块化管理，用电缆和机架把不同的模块联系起来，用户可以自己选择模块的大小和各种实现的功能。1.4可编程序控制器(PLC)主要简介1.4.1PLC的主要结构PLC发展到现在，各个PLC制造公司制造的可编程控制器外观上各有不同，但是主要的结构都是相同的，都是由中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）电路、电源、编程器五大部分组成。其结构框图如图1。图1PLC的结构框图（1）中央处理单元中央控制单元（CPU）是PLC的控制中心。中央控制单元（CPU）按照编程器赋予的软件控制程序来接收并存储应用程序和实时数据。同时包括检查电源、存储器的状态、I/O的运行，并且还有语法检测的功能。当PLC工作的时候，CPC先接受通过扫描得到的I/O得状态和实时数据，然后存放于I/O口的镜像区，再从用户存储器中读取所编程序，经过CPU解读之后按照程序中的规定运行算术和逻辑运算。把处理过后的结果直接返回I/O镜像区或者数据存储器中，等所有的程序都处理完之后，把所有存储在I/O镜像区或者数据存储器中的数据传输到相应的执行装置中，循环执行，直到停止运行。（2）存储器PLC本质上是属于工业计算机，跟计算机基本组成一样，除了硬件设施之外，还有软件，PLC的软件系统有两部分：系统软件，运用软件。用来存放系统软件的存储器叫做系统程序存储器，用来存放运用软件的存储器叫做用户程序存储器。常用的存储器类型有：RAM、EPROM和EEPROM三种。（3）输入/输出（I/0）电路在一般的生产运用中，输入电平是各种各样的，但是PLC中的中央处理器（CPU）只能处理的标准电平，这时候输入输出电路的作用就出来了，他可以把输入的电平都转换成标准电平，而且I/O接口具有良好的光电隔离，阻容滤波的作用。（4）电源PLC的供电一般有两种形式，市电200V和直流的24V供电。PLC对电源的精确度要求不高，一般在波动在-10%～+10%（或-15%～+15%）范围内都不影响。（5）编程器编程器是PLC重要的外围设备，主要的功能是编辑程序，调试、监控程序，还可以在线监控PLC的运行和参数的检测，还是进行人机对话的重要设备。编程器分为两大类，简易编程器、图形编程器。1.4.2PLC的工作原理（1）PLC作为一种工控计算机，工作的原理和流程和计算机大致也一样，也是在系统程序的控制下，实现控制目的。但是PLC和一般的计算机也是有所不同的，计算机在录入程序的时候，一般是采取等待命令。而PLC则是运用循环扫描的方式，即从上到下，逐条扫描，顺序扫描，循环扫描。下图2是PLC扫描运行的方式。图2PLC工作时的扫描过程1.4.3PLC扫描周期的中断处理PLC对程序的扫描不能及时解决需要紧急处理的任务，引入中断处理方式可以完美的解决这个问题，在此方式下，需要紧急处理的任务直接申请中断，中断响应后，立即会关闭正在处理的程序，去执行中断的工作，运行相关的程序处理完成之后，再返回原来的程序，接着扫描运行。PLC的I/O响应时间，又叫做滞后时间,指PLC的外部输入信号发生变化的时刻起至系统有关输出端信号发生变化的时刻所间隔的时间。包括输入电路的滤波时间、输出电路的滞后时间和扫描工作方式产生的滞后时间。1.5PLC控制电梯系统的优点PLC控制电梯的优点（1）电路直观，易学易掌握，一般的工人操作起来比较容易。（2）整个系统的设备保养、维护比较轻松，不需要复杂的技术和大型的工具，而且程序的控制出了错误，比较容易修改，不需要重头再来。（3）基本上所涉及的电器都是生活中常见的，需要更新换代，市场上也容易找到，价格也比较合理。（4）电梯控制系统分为调速部分和逻辑控制部分。调速部分的性能对乘客的舒适性有重要影响，而逻辑控制部分是电梯安全可靠运行的关键，PLC能提高电梯运行的可靠性和稳定性。第二章控制系统硬件设计2.1控制系统的总体结构本次设计的硬件控制如下，采用可编程控制器（PLC）作为信号集选控制，把电梯的轿厢操作盘、厅外呼梯盘、安全装置、井道装置作为输入信号接到PLC的输入接口，然后经过PLC的循环扫描，CPU存储器处理之后，传输到输出接口，输出接具体有厅外呼梯盘、楼层指示器、调速装置、主拖动控制、轿厢操作盘。需要说明的是轿厢操作盘和厅外呼梯盘既作为输入也作为输出。楼层显示器采用的是七段数码管，可以实时显示当前楼层，和目标楼层。调速装置是采用现在普遍的运用的变频器调速，而没有采取之前的交流调压调速。具体的原因在后面再阐述。如图3是整体的系统结构图。图3PLC控制系统的整体结构图本次的控制系统采用市面上常见的轿厢门外召唤和箱内按钮控制的方式，其中按钮控制面板位于轿厢内的侧壁上，高度适应人群。控制面板上有相应的楼层按钮和门开关按钮，按下想要去的楼层，里面的程序会作出响应，运行结果是使轿厢到达目的楼层。其中电梯的上下行用一台交流电机来实现，定义为电动机正转为上行，反之则下行。其中的电梯的加速环节、稳定运行环节和减速停车环节由变频器来实现。而电梯的门系统由另一个它励直流电机来实现，定义和轿厢的上下行相似，电机的正转运行代表开门，电机的反转代表着关门。此电机的功能没有拖动电机那么复杂,所以没有连接变频器，直接将三相电中的两相电对调来实现。在轿厢里面用七段数码管来显示楼层数，在每层楼外面也有显示楼层运行方向的显示等装置。2.2主要的电气设备2.2.1牵引电机牵引电机是把电梯轿厢提升和下降的一个设备，其主要的组成有驱动电动机，电磁制动器和减速器牵引轮构成。2.2.2门机门机系统包括厅门和轿厢门，当轿厢到达目标楼层且停稳时，轿厢的门和厅门才会开启，轿厢门由门电机的正转实现。当乘客都进入电梯后，延时一段时间后轿厢门关闭，当传感器检测到还有人员进入时，不可关闭。确认轿厢门关闭后，厅门也关闭，牵引电机才开始运行实现上下行。2.2.3楼层指示灯楼层指示灯也被成为层显，轿厢里面的层显安装在内侧，每层楼外面的显示器安装在厅门侧面，和呼吸盒是一体结构。由七段数码管构成，可以显示所在楼层数、上下行的实时楼层数和运行的方向。2.2.4呼梯盒呼吸盒安装与每层楼的厅门外，用来实现电梯上下行的呼叫信号，一般是建在离楼层地面一米左右的位置。有两个特殊的位置，基站和底站。它们都只有一个呼叫按钮。2.2.5操纵箱操纵箱是安装在轿厢里面的，当乘客进入电梯之后，可以通过操纵箱来选择想去的楼层。操纵的对象是按钮。2.2.6平层及开门装置这部分由两个器件构成，一个是平层感应器，一个是楼层感应器。在电梯上行的过程中，上磁板接触楼层感应器，由变频器控制轿厢减速，直至停车。同理，当下行过程中粗发了感应器的时候，发出信号到变频器，变频器控制减速到停车，当楼层感应器确定轿厢已经到达此楼层的时候，电梯停转且抱死，然后发出开门信号，乘客可以进出轿厢门。该装置如图3-2所示。如下图4是电梯的整体结构图图4电梯整体结构图2.3电梯调速与变频器的选择2.3.1电梯运行时的速度曲线在电梯拖动系统中，速度运行曲线直接关系电梯的乘坐是否舒服和运行过程的平层是否精确。速度曲线中不平滑的交界处直接影响舒适度，当电梯在上升、降过程中，启动加速或减速制动中乘客就会觉得不舒服。因此，制定合理平滑的电梯速度给定曲线是能否满足舒适感及平层准确要求的关键。加速度变化率直接取决于速度变化的快慢程度，舒适感则依靠电梯加速和减速的是否光滑状况。为了保证电梯良好性能，增加舒适感。假设运行中最高速度是1000转/分，加速度就是由速度0加速到1000转/秒所使用的加速时间。因此，只要电梯后动运行时加速所花的时间发生改变，起动速度呈现出的曲线斜率就随着变化。起动曲线平缓程度和加速时间成反比，要想起动曲线的弯曲程度降低就及时提升抛物线的变化程度。给定理想速度曲线如下图5。图5电梯运行的理想曲线2.3.2变频器调速原理图6中的滤波电路、变频调速主回路和输入输出单元构成了控制系统的调速系统，PLC主要负责电梯开、关口，楼层指示，内外层呼唤，电梯运行方位控制，运动速率控制，还有对安全保卫等指令信号的管控。当三相电源给电梯供电时，电梯通过PLC输入端检测电梯口锁与安全回路及井道保护功能输入是否正常。图6电梯调速系统主电路图第三章电梯控制系统的软件设计3.1电梯升降流程图如图7所示是整个电梯轿厢的升降流程图图7程序流程图程序分析：假如电梯在一楼，则寄存器D0中的值更改为1，现在如果相上三楼，在轿厢中按了上三楼的按钮，则寄存器D9中的值就会变成3。之后设一段比较程序，把D9中的值与D0中的值进行比较，D9中的值是要大于D0中的值，电梯执行上行命令。如果在此时，有人按下了二楼向上的按钮，这时候电梯就会先停在二楼，然后在上行到三楼。这时候假如有人在向三楼上行的过程中按了二楼下行的按钮，上行的优先级更大，所以电梯还是会上到三楼之后再下行到二楼，且如果有人按了四楼上行的按钮，轿厢会继续上升到四楼，然后在下到二楼。此时假设有人在按了四楼下行的按钮，则需要电梯完成所有在轿厢外呼信号之后上行到四楼。电梯上行到四楼后，假设此时有人在同一时间按了三楼向上、二楼向上、一楼向上，此时电梯的响应顺序是：先下行到一楼，然后上行到二楼，最后在上行三楼，满足同时呼叫时，最远反向优先响应原则。3.2电梯各部分程序设计梯形图（1）轿厢内呼的信号输入和寄存器存储程序：假设有人在一楼，在轿厢里面按下了内呼按钮X000，此时Y000立刻就响应，并自锁。到电梯下行到一楼之后才断开Y000。按下X000的时候寄存器D1的值赋值为1，使其存储在寄存器中，当Y000掉电后，寄存器D1以及M0、M1、M2都被清零，如图8。图8轿厢内呼信号输入及存储程序（2）轿厢外呼动作信号输入和存储程序：假设有人在二楼，按了电梯上行的按钮X006,此时电梯并不在所处楼层，寄存器D7中的值被赋为2，M106保持原位，假如电梯此时在二楼以上，电梯得到指令之后下行，M106和Y017闭合，Y006一直保持运行，直到电梯到达二楼。假如电梯刚开始是停在一楼的，接到信号之后电梯上行，M106、Y016一直闭合且Y006上电后保持。直到轿厢到达二楼之后才失电。D7和M18、M19、M20里面的数据都被清零，如图9。图9轿厢外呼信号输入和存储程序（3）数码管显示程序：采取七段数码管显示，轿厢同在哪一层，对应的数码管就会显示相应的楼层数，其中通过D0来赋对应的值，如图10。图10数码管显示程序（4）判断轿厢上行下行程序：判断电梯上行还是下行，首先要对目标楼层和现在的楼层做一个对比，也就是目标的楼层中寄存器和现在楼层寄存器D0作比较，当大于D0中的值时，轿厢上行，当小于D0中的值时，轿厢下行。假如电梯在二楼，同时按下了一楼和三楼的按钮，这时候会优先和第一次按钮中寄存器的值比较，如图11。图11电梯上下行判断程序（5）轿厢门开启程序：当轿厢停在某一楼层的时候，在该楼层按下外呼按钮时，轿厢门开启。否则一旦电梯停止上下行时，该楼层的人将不能进入轿厢。如图12。图12轿厢在某楼层，按下呼叫按钮开门程序（6）轿厢门开关程序：当轿厢没有在平层的时候，M30得电运行，这时候轿厢手动开关门的按钮无效，所以，M31和M32不会运行，当轿厢门开启的时候，没有人进去时，电梯延时3s自动关闭。其中程序中的计数器C0、C1的作用是：限制轿厢门在到达平层的时候只开启一次，防止轿厢门一直开启或者不开启，具体运行是：当电梯上行或者下行到平层的时候，按下开门按钮、此时C0得电。当关门按钮按下时，不仅C0得电，C1也得电。当轿厢在运行的过程中，没有到达相应的平层的时候，计数器C0中的值被清零，当电梯到达平层的时候C0和C1都清零，只要开关门程序启动一次，C0和C1就会立即得电，如图13。图13轿厢门开关程序（7）电梯上行程序：当是在轿厢内呼时，假设轿厢在一楼，按下二层内呼按钮X001,M3得电，C1得电接通。此时的M40自锁，直到电梯到达目标楼层二楼时才断开，假设轿厢处于一楼或二楼的时候，按下三楼内呼按钮X002,M6运行，M4自锁，轿厢到达三楼后失电。假设在其楼层要上四楼，按下X003，M9得电，M42自锁到四楼后自动失电。外呼上行和内呼上行原理大同小异。其中多了两条程序，在按下外呼后，是和内呼按钮互锁的，而且在执行反向信号时，优先最远响应。如图14。图14电梯上行程序（8）电梯下行程序，电梯的下行程序和上行程序的原理相同。如图15。图15电梯下行程序结论随着现代生活水平的提高，电梯在我们的生活中已经成为了一种常见的交通工具，生活中的电梯随处可见。科技的不断进步，对电梯的功能和性能的要求也越来越高，不断地在更新换代。本论文是以三菱PLC为控制器，在查阅了大量数据资料的基础上对电梯的控制系统作了详细的设计，从论文的选题，到方案的提出和完善作了大量工作，然后以四层电梯为例，设计了一套完整的控制系统，主要取得的工作如下：（1）查阅大量的文献、数据以及其它资