毕业设计 PLC在电梯中的应用

攀枝花学院本科毕业设计（论文）PLC应用设计PLC在电梯中的应用学生姓名： 刘 宏 学生学号： 200310828016 院（ 系）： 电气信息工程学院 年级专业： 2003级自动化 指导教师： 王利华 讲师 二七年六月攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘 要摘 要随着我国经济建设的迅猛发展，人们物质生活水平的迅速提高，建筑塔吊行业也随之日新月异的发展起来，塔吊不仅是建筑行业中的重要设备，更是其他工业建设与生产生活的重要设备。在施工建设当中，安全是第一位的，而安全的重中之重就是人身安全。在工程施工的过程中，操作人员总是不可避免的到塔吊的驾驶舱中操作塔吊。如果要真正的提高安全性，那么其中一个办法就是非现场操作，即时异地操作。作为工业自动化的重要支柱之一的可编程控制器以其高可靠性和操作简便等特点引到了当今工业控制的潮流。PLC是一种新型的通用自动控制装置，它将传统的继电器接触器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，专门为工业控制而设计。本设计是用可编程控制器可控制变频器，进而实现塔吊自动控制。另外，对驾驶员实现异地控制，操作人员对现场情况的把握用现场监视器完成。采用了比较常用的交流双速电梯。关键词 可编程控制器；交流双速电机；监视系统 I攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTKey words programming logical controller；pairs of speed electric elevatorII攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目 录目 录摘 要IABSTRACTII1 引言1 1.1 课题背景1 1.2 课题的要求与内容1 1.3 课题的意义22 电梯简介3 2.1 电梯的分类3 2.1.1 按电梯的用途分类3 2.1.2 按驱动系统分类3 2.2 电梯的型号4 2.3 电梯控制技术63 可编程控制器概述及工作原理7 3.1 PLC基础知识7 3.1.1 PLC的发展历程7 3.1.2 PLC的构成7 3.2 PLC控制系统的设计基本原则9 3.3 PLC软件系统及常用编程语言9 3.3.1设计一个PLC控制系统需要的步骤10 3.4 PLC的工作原理10 3.4.1 建立I/O映像区10 3.4.2 循环扫描的工作方式104 电梯PLC控制系统设计13 4.1 电梯控制系统的组成13 4.2 电梯拖动方式14 4.3 电梯的电气线路14 4.3.1交流双速电梯电机主电路14 4.3.2电气控制线路15 4.4 七层电梯的工作过程16 4.5 PLC的选型与I/O定义17 4.5.1 PLC的选型17 4.5.2 PLC的I/O定义17 4.6 PLC的外部电路连接19 4.7 电梯的PLC控制程序设计20 4.7.1 电梯的启动平层电路的控制22 4.7.2 电梯的换速平层电路的控制23 4.7.3 电梯的选向电路控制25 4.7.4 电梯楼层感应电路的控制28 4 .7.5 轿内指令及厅召唤电路的控制30 4.7.6 电梯的开关门控制35 4.7.7 电梯的报警控制355 检验电梯的安全性和可靠性37 5.1 电梯的安全性37 5.1.1 检验电梯的接地保护37 5.1.2 乘坐电梯时要注意避免以下风险37 5.2 电梯的可靠性38结论39参考文献40附录:电梯各部分控制程序语句表41致 谢54攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 引言1 引言1.1 课题背景随着时代的发展，社会经济环境的整体提升，作为中国支柱产业之一的房地产业进入了跨越式发展的新阶段。在这个进程当中，作为建筑物附属设备的电梯也有不可估量的发展空间。在高层建筑不断兴起的今天,电梯已成为人类不可缺少的运输工具。目前,我国住宅楼电梯大部分是采用继电器控制的,由于控制线路复杂、体积大、故障率高而且难于维护,使电梯难以达到安全、稳定、可靠的基本要求,事故时有发生。鉴于继电器控制存在着上述的种种弊端，将PLC应用于电梯控制,收到了良好效果。可编程控制器应用于电梯控制，用软件编程替代原有继电器硬件布线控制，使控制系统具有了极大的柔性和通用性。同时，由于PLC功能齐全、应用灵活，能够满足电梯控制的要求而且具有抗干扰性能强、操作方便、维护简单等特点，使得系统可靠性大大提高。目前在电梯中所应用的交流双速或可控硅调压调速控制方式里逻辑部件均由继电器、选层器完成。但随着时间的推移其触头就会磨损、插接口会严重氧化造成接触不良，缺少设备维护时甚至会出现困人、冲顶、乱层、蹾底等现象，所有这些都不利于电梯的维修和安全运行。但现有的电梯系统其机械部分性能良好，所以用变频器和PLC改造原有的控制系统即可以满足客户对电梯的服务质量的要求又可以节约资金避免不必要的重复投资。作为高层住宅和写字楼里的垂直运输工具，中国城市的电梯需求量正以每年超过20的速度快速增长。当前，中国的电梯需求量已达100万台。据悉，中国目前每万人拥有电梯4台，是世界平均水平的13，全国经常使用的电梯大约53万台，还要拥有100万台电梯才能满足生活需求。专家预计，电梯总量达到150万台后，每年更新还有7万台左右的需求，中国作为世界最大的电梯市场将维持相当长的时期。受中国市场巨大潜力的吸引，世界知名电梯品牌已纷纷涉足中国市场。奥的斯、三菱和日立三大国际品牌已占据中国半数以上的市场份额。1.2 课题的要求与内容电梯是用电力拖动，将具有乘客或载货的轿厢，运行于铅垂的两列刚性导轨之间，运送乘客或货物的固定设备。电梯的种类很多。但在控制方式上大多采用继电器接触器控制。由继电器接触器组成的自动控制系统，是通过电器间固定接线来实现顺序控制的，往往是针对具体的被控对象，设计出专用的电器控制线路周期长、造价高，维修不便。如果用可编程控制器(programming logical controller)来代替上述的继电器接触器控制系统，将会为电梯控制系统提高到一个新的高度。PLC具有可靠性高的特点，作为工业控制，可靠性最为重要，PLC的输入、输出即I/O部分，采用光电隔离的措施，具有很强的抗干扰能力。同时，PLC的编程简单，操作方便，改变程序灵活，这样会为技术指标的改善，系统的更新，提供方便之门。全自动控制的电梯应具备下述功能：设有司机操纵、无司机操纵及检修三种工作状态。无司机操纵延时自动关门或按按钮自动关门，到站自动平层开门。按内、外召唤指令信号自动定向。自动起动加速、制动减速及自动停车。在减速时慢速运行。电梯能自动进行开、关门控制。具有消防运行控制。具有超载不开动电梯及防夹人功能。具有电梯的一切安全保护功能。本课题内容是用PLC设计一个七层乘客电梯的电气控制部分。首先介绍了电梯的简介和可编程控制器概述及工作原理，再阐述了七层电梯的基本结构，最主要部分是设计电梯的PLC控制系统，最后是检验此系统设计的安全性与可靠性。主要任务是用可编程控制器指令和相关的编程软件编写能够实现控制该七层乘客电梯的程序，并合理地利用PLC的硬件资源和软件资源，提高电梯的安全可靠性和操作的灵活性，减少PLC的输入输出端口，充分利用各种指令的简化控制程序，做到控制程序应尽量简单，便于理解，并有一定的规律性以便能适合于不同控制楼层的要求，对于外部控制电路尽可能可靠简单，控制性能好。 1.3 课题的意义本课题的研究意义在于我们可以更全面地掌握可编程控制器在电梯中的应用技术，深刻理解可编程控制器的指令应用。近半个世纪,随着大型和巨型楼宇的兴建,电梯得到了快速的发展。在电梯逻辑控制方面,由于PLC具有编程软件采用易学易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠、易操作、维修方便等特点,使PLC已全面代替原来的继电器控制。控制系统主要由PLC、变频器及旋转编码器组成。PLC负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起、停等信号，同时变频器也将工作状态信号送给PLC，形成双向联络关系,它是系统的核心；变频器实现电机的调速；旋转编码器负责数值转换和计数。3攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 电梯简介 2 电梯简介2.1 电梯的分类2.1.1 按电梯的用途分类 乘客电梯：为运送乘客而设计的电梯。主用与宾馆，饭店，办公楼，大型商店等客流量大的场合。这类电梯为了提高运送效率，其运行速度比较快，自动化程度比较高。轿厢的尺寸和结构形式多为宽度大于深度，使乘客能畅通地进出，而且安全设施齐全，装潢美观。 载货电梯：为运送货物而设计的并通常有人伴随的电梯。主要用于两层楼以上的车间和各类仓库等场合。这类电梯装潢不太讲究；自动化程度和速度一般比较低；而载重量和轿厢尺寸的变化范围则比较大。 住宅电梯：为提供住宅楼使用设计的电梯，一般采用下集选控制方式，允许残疾人的轮椅，童车及家具等乘坐。 杂物电梯：供图书馆，办公楼，饭店等运送图书，文件，食品等物品。但不允许人员进入电梯。此种电梯结构简单，操纵按钮在厅门外侧，无乘人必备的安全装置。 船用电梯：固定安装在船舶上为乘客和船员或其他人员使用的电梯。船用电梯速度应小于或等于1m/s，能在船舶摇晃中工作。 汽车用电梯：用于垂直运输各种车辆。这种电梯的轿厢面积比较大结构牢固，梯速不大于1m/s。有时无轿厢顶，其特点是大轿厢，大载重量。常用与立体停车场及汽车库等场所。 观光电梯：观光电梯是一种供乘客观光用的，轿厢透明的电梯。一般安装在高大建筑物的外壁供乘客观光建筑物的周围外景。 病床电梯：病床电梯是为医院运送病床而设计的电梯。 消防梯：火警情况下能适应消防员专用的电梯，非火警情况下可作为一般客梯或货梯使用。消防梯轿厢的有效面积应不小于1.4 m2。额定载重量不得低于630kg。庭门口宽度不得少于0.8m，并要求以额定速度从最低一个停站直驶运行到最高一个停站（中间不停层）的运行速度时间不得超过60s。 建筑施工电梯：建筑施工电梯指建筑施工与维修用的电梯。2.1.2按驱动系统分类 交流电梯，牵引电动机是交流异步电动机的有以下四类：1) 交流单速电梯：牵引电机为交流单速异步电动机，梯速v0.4m/s。例如用于杂物梯等。2) 交流双速电梯：牵引电机为电梯专用的变极对数的交流异步电动机，梯速v1m/s，提升高度h50m。3) 交流调速电梯：牵引电梯为电梯专用的单速或多速交流异步电机，而电动机的驱动控制系统在电梯的起动加速-稳速-制动减速（或仅是制动减速）的过程中采用调压调速或涡流制动器调速或变频变压调速的方式，梯速v2m/s，提升高度h50m。4) 交流高速电梯：牵引电机为电梯专用的低转速的交流异步电动机。其驱动控制系统为变频变压加矢量的VVVF系统。其梯速v2m/s，一般提升高度h120m。 直流电梯，牵引电动机是电梯专用直流电动机有以下两类：1) 直流快速电梯：牵引电动机给减速箱后驱动电梯，梯速v2m/s。现在由直流发电机供电给直流电动机的直流快速电梯已被淘汰，今后若有直流快速电梯的话，也将由晶闸管供电的直流快速电梯，一般提升高度h50m。2) 直流高速电梯：牵引电动机为电梯专用的低转速直流电动机。电动机获得供电的方式是直流发电机组供电和晶闸管供电两种，其梯速v2m/s，一般的提升高度h120m。 液压电梯，电梯的升降是依靠液压传动的有以下两类：1) 柱塞直顶式：液压缸柱塞直接支撑在轿厢底部。通过柱塞的升降而使轿厢升降的液压提。梯速v1m/s，一般提升高度h20m。2) 柱塞侧顶式：油缸柱塞设置于轿厢两侧，通过柱塞升降使轿厢升降的液压梯，梯速v0.63m/s。一般提升高度h15m。2.2 电梯的型号电梯的型号编制方法是采用一组字母和数字，以简单明了的方式，将电梯的基本规格的主要内容表示出来。我国颁布标准中规定了如下的电梯型号编制法如图2.1、表2.1、表2.2、表2.3、表2.4所示。 图2.1 电梯型号识别图表2.1 品种（组）代号表产品品种代表汉字拼音采用代号产品品种代表汉字拼音采用代号乘客电梯客KEK杂物电梯物WUW载客电梯货HUOH船用电梯船CHUANC客货（两用）电梯两LIANGL观光电梯观GUANG病床电梯病BINGB汽车用电梯汽QIQ住宅电梯住ZHUZ表2.2 类别代号表产品类别代表汉字拼音采用代号电梯梯TiT液压梯表2.3 拖动方式代号表拖动方式代表汉字拼音采用代号拖动方式代表汉字拼音采用代号交流交JIAOJ液压液YEY直流直ZHIZ齿轮齿条齿CHIC表2.4 控制方式代号表控制方式代表汉字采用代号控制方式代表汉字采用代号手柄开关控制，自动门手，自SZ信号控制信号XH手柄开关控制，手动门手，手SS集选控制集选JX按钮控制，自动门按，自AZ并联控制并联BL按钮控制，手动门按，手AS梯群控制群控OK2.3 电梯控制技术所谓电梯控制技术是指电梯的传动系统及操纵系统的电气自动控制。从理论上讲，电梯是垂直运动的运输工具，电梯在垂直运行过程中，有起点站也有终点站。各站门厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘坐人员召唤电梯用的召唤按钮。一般电梯在两端站的召唤箱上各设置一只按钮，中间层站的召唤箱各设置两只按钮。对于无司机控制的电梯，在各层站的召唤箱上均设置一只按钮，而电梯的轿厢内部设置有（杂物电梯除外）操纵箱。操纵箱上设置有手柄开关或与层站对应的按钮，操纵箱上的按钮分外指令按钮和内指令按钮。外指令按钮发出的电信号称为外指令信号，内指令按钮发出的电信号成为内指令信号。作为电梯基站的厅外召唤箱，除设置一只召唤按钮外，还应设置一只钥匙开关，以便下班关电梯时使用。司机或管理人员把电梯开到基站后，可以通过专用钥匙扭动该钥匙开关，把电梯的厅门关闭妥当后，自动切断电梯控制电源或动力电源。我国20世纪70年代主要采用的电梯是交流双速电梯。其调速方法是采用改变电梯牵引电动机的极对数，两种或两种不同级对数的绕组，其中极数少的绕组称为高速绕组，极数多的绕组称为低速绕组。高速绕组用于电梯的起动及稳速运行，低速绕组用于制动及电梯的维修。20世纪80年代盛行的交流调压调速电梯，其性能优越于交流双速电梯。调压调速方法是改变三相异步电机的定子供电电压实现电动机的调速。由于电梯制动减速性能要求较高，所以采用的制动方法也有所不用，通常多为能耗制动。在能耗制动中，将电机定子绕组接至直流电源，再加上采用闭环控制方式，从而有效地控制了能耗制动转距，使制动减速过程快速平稳，且制动精度高。在20世纪90年代，调压调频调速电梯（VVVF电梯）开始占领市场。调压调频调速电梯的调速方法是调节电机定子绕组供电电压的幅值及频率。在VVVF电梯的传动系统中，大量采用了微机控制技术及脉冲宽度调制技术，脉冲宽度调制器（PWM）保证了由逆变器输送至三相异步电机定子电压波形为等效正弦波形。调压调频调速电梯传动系统中还广泛的采用了矢量变换技术，使交流电机转速的控制类似直流电机。VVVF电梯由于其体积小，重量轻，运行效率高，又节约能源，几乎包括了以往所用的电梯的优点，再加上极为完善的调速性能，因此它的应用几乎完全可以和直流电梯相媲美。大家都知道交流电动机具有结构紧凑，维修简单等特点。单双速交流电动机拖动系统采用开环方式控制，线路简单，价格较低，因此目前仍在电梯上广泛应用。7攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 可编程控制器概述及工作原理3 可编程控制器概述及工作原理3.1 PLC基础知识3.1.1 PLC的发展历程 在工业生产过程中，有大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护控制，而且在工业生产过程中也有大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。3.1.2 PLC的构成从结构上分，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。 CPU的构成 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。对于使用者来说，不必详细了解CPU的内部电路，只需了解各部分的工作机制即可。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令，但工作节奏由振荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 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。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，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。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 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24VDC）。 底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是在电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块；在机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 PLC系统的其它设备编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器，也就是我们系统的上位机。人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 PLC的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS或工业以太网进行联网。3.2 PLC控制系统的设计基本原则PLC控制系统的设计基本原则如下： 最大限度的满足被控对象的控制要求； 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便； 保证控制系统安全可靠； 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。 3.3PLC软件系统及常用编程语言 PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。比如，用西门子公司的PLC的话，STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。PLC提供的编程语言，标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点： 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线； 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态； 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联； 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间继电器供CPU内部使用； PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当作条件使用； 语句表语言，类似于汇编语言； 逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能,左边画输入,右边画输出。 3.3.1设计一个PLC控制系统需要的步骤设计一个PLC控制系统需要以下几步骤： 系统设计与设备选型。 1）分析所控制的设备或系统。PLC最主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。 2）判断一下所要控制的设备或系统的输入输出点数是否符合可编程控制器的点数要求,如果I/O点数不够，就必须增加输入/输出模块。 3）判断所要控制的设备或系统的复杂程度，分析内存容量是否够。 I/O赋值。（分配输入/输出点） 1）将所要控制的设备或系统的输入信号进行赋值，与PLC的输入编号相对应。 2）将所要控制的设备或系统的输出信号进行赋值，与PLC的输出编号相对应。 设计控制原理图。 1）设计出较完整的控制草图。 2） 编写控制程序。3）在达到控制目的的前提下尽量简化程序。 将程序写入可编程控制器。 编辑调试修程序。1） 程序查错。(逻辑及语法检查） 2）在局部插入END，分段调试程序。 3） 整体运行调试。 监视运行情况。 在监视方式下，监视一下控制程序的每个动作是否正确。如不正确返回步骤，如果正确则作第七步。 运行程序。（为了防止程序丢失，一定要备份程序）3.4 PLC的工作原理3.4.1建立I/O映像区在PLC存储器内开辟了I/O映像区。I/O映像区的大小由PLC的系统程序确定。对于系统的一个输入点总有输入映像区的某一位与之对应。对于系统的每一个输出点都有输出映像区的某一位与之对应。系统的输入、输出的编址号与I/O映像区的映像寄存器地址号相对应。3.4.2 循环扫描的工作方式 PLC的工作过程PLC上电后，在系统程序的监控下，周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程。执行一个循环扫描过程所需的时间称为扫描周期，其典型值为1100ms。PLC的工作过程如图3.1所示。初始化CPU自诊断通信信息处理与外部设备交换信息执行用户程序输入输出信息处理 图3.1 PLC的工作过程1）初始化：PLC上电后，首先进行系统初始化清除内部继电器区，复位定时器等。2）CPU自诊断：PLC在每个扫描周期都要进入CPU自诊断阶段，对电源、PLC内部电路、用户程序语法进行检查；定期复位监控定时器等，以确保系统可靠允许。3）通信信息处理：在每个通信信息处理扫描阶段，进行PLC之间以及PLC与计算机之间的信息交换； PLC与其他带微处理器的智能装置通信，例如，智能模块；在多处理器系统中，CPU还要与数字处理器交换信息。4）与外部设备交换信息：PLC与外部设备连接时，在每个扫描周期内要与外部设备交换信息。这些外部设备有编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机等。编程器是人机交互的设备，通过它，用户可以进行程序的编制、编辑、调试和监视等。用户把应用程序输入到PLC中，PLC与编程器要进行信息交换。当在线编程、在线修改、在线运行监控时，也要求PLC与编程器进行信息交换。在每个扫描周期内都要执行此项任务。5）执行用户程序：PLC在运行状态下，每一个扫描周期内都要执行用户程序。执行用户程序时，是以扫描的方式按顺序逐句扫描处理的，扫描一条执行一条，并把运算结果存入输入映像区对应位中。6）输入/输出信息处理：PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要进行输入、输出信息处理。以扫描的方式把外部输入信号的状态存入输入映像区；将运算处理后的结果存入输出映像区，直至传送到外部被控设备。PLC周而复始地巡回扫描，执行上述整个过程，直至停机。 用户程序的循环扫描过程PLC的工作过程，与PLC的操作方式有关。有两个操作方式：STOP方式和RUN方式。在扫描周期内，STOP方式与RUN方式的主要差别是在于：RUN方式下执行用户程序，而在STOP方式下不执行用户程序。1) 输入采样阶段PLC在输入采样阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的状态，并将此状态存入输入映像区，这是一种集中采样方式。输入映像区的信息供用户程序执行时取用。在程序执行期间即使外部输入信号状态发生变化，输入映像区的内容也不会改变，这些变化只有到下一个扫描周期的输入采样阶段才被读入。2) 程序执行阶段PLC在程序执行阶段，在无中断或跳转指令的情况下，根据梯形图程序从首地址开始按自左向右、自上而下的顺序，对每条指令逐句进行扫描（即按存储器地址递增的方向进行），扫描一条，执行一条。执行程序时，梯形图中的输入继电器的状态取自于内部输入映像寄存器的状态，并将运算的结果，即输出继电器的状态存放在内部输出映像寄存器中。事实上，在执行程序的过程中所取用输入、输出信号的数据均取自于输入和输出映像寄存器；程序执行的结果则写到相应的输出映像寄存器所对应的位（但不是实际输出）。输出映像区的内容将随着程序执行的进程而变化。3) 输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，进入输出刷新阶段，PLC将输出映像区的内容集中转存到输出锁存器，然后传送到各相应的输出端子，最后再驱动实际输出负载，这才是PLC的实际输出，这是一种集中输出的方式。用户程序执行过程中，集中采样与集中输出的工作方式是PLC的一个特点，在采样期间，将所有输入信号（不管该信号当时是否要用）一起读入，此后在整个程序处理过程中PLC系统与外界隔开，直至输出控制信号。外界信号状态的变化要到下一个工作周期再与外界交涉。这样从根本上提高了系统的抗干扰能力，提高了工作的可靠性。13攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 电梯PLC控制系统设计4 电梯PLC控制系统设计4.1 电梯控制系统的组成 曳引系统曳引系统有曳引机、曳引钢丝绳、导向轮及反绳轮等组成。曳引机由电动机、联轴器、制动器、减速箱、机座、曳引轮等组成，它是电梯的动力源。曳引钢丝的两端分别连接轿厢和对重，依靠钢丝绳与曳引轮绳槽之间的摩擦力来驱动轿厢升降。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型时还可增加曳引能力。导向轮安装在曳引机架上或承重梁上。当钢丝的绕绳比大于1时，在轿厢顶和对重架上应增设反绳轮。反绳轮的个数可以是1个、2个甚至3个，这与曳引比有关。 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，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组件，与井道壁连接。导靴装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。 门系统门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成。层门设在层站入口，由门扇、门导轨架、门靴、门锁装置及应急开锁装置组成。开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。 轿厢轿厢是用以运送乘客或货物的电梯组件。它是由轿厢架和轿厢体组成。轿厢架是轿厢体的承重构架，由横梁和斜拉杆等组成。轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量或额定载客人数决定。 重量平衡系统重将平衡轿厢自重和部分的额定载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯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。对平衡设计影响的装置。 电力拖动系统电力拖动系统由曳引电机、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。曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或直流电机。供电系统是为电机提供电源的装置。速度反馈装置是为调速系统提高电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相联。调速装置用于对曳引电机实行调速控制。 电气控制系统电气控制系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成，它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站招唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件组成，是电梯实行电气控制的集中组件。选层器能起到指示和反馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。 电源该电源主要用来为电梯拖动系统供电，可采用扳手开关控制电源的开关。 安全保护系统安全保护系统包括机械和电气的各类保护系统，可保护电梯安全使用。机械方面的有：限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断总电源的极限保护等。电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节都有。4.2 电梯拖动方式本课题设计的电梯主要是用来搭送乘客的，所以要尽量满足乘客乘坐的舒适感和安全性。而交流双速电梯是常用的一种电梯。交流双速电梯是曳引电机为电梯专用的变极对数的交流异步电动机，其调速方法是采用改变电梯牵引电动机的极对数，两种或两种不同级对数的绕组，其中极数少的绕组称为高速绕组，极数多的绕组称为低速绕组。高速绕组用于电梯的起动及稳速运行，低速绕组用于制动及电梯的维修。并且交流具有简单、经济等特点，舒适感也较好；集选控制电梯可以实现有司机操作，也可实现无司机操作，是一种高度自动控制的电梯。因此，本课题以交流双速集选控制的电梯为例，设计了PLC在电梯自动化控制中的应用。4.3 电梯的电气线路4.3.1交流双速电梯电机主电路 电梯在启动过程中，为了限制启动电流、减少电网电压的波动以及减少启动的加速度，一般在定子电路中串入电抗、电阻与电抗的组合体，进行降压启动。这样，可以提高乘客乘坐的舒适感，并防止对机件的冲击。启动后，随着速度的提高，再逐级将电阻或电抗器短接切除，使电梯逐步加速，最后进入稳速运行。启动过程中，常采用一次或两次短路切除电抗和电阻。 电梯减速时，由高速绕组转到低速绕组。为了限制电梯制动电流，减小减速时的加速度，防止冲击过大，通常按二级或三级切除电抗。通过调整串联电阻或电抗器的大小，以及控制逐级短接电阻和电抗的时间，可以改变电梯的加速度和减速度，以满足对加、减速度和舒适感的要求。图4.1 交流双速电梯电机主电路图图4.1所示是交流双速电梯的一种拖动线路，该电路采用一级串联电抗启动，二级电阻电抗减速。图中交流双速电梯电机主电路的工作原理是： 启动时，串入电抗XQ，进行降压启动；经一段时间后，1C接触器接通，电动机转入固有特性运转。 减速时，KC断开，MC接通，慢速绕组串入阻抗XJ和电阻R运行，延时一定时间后,2C接通短接R，电动机串入电抗XJ运行；再延时一段时间后，3C接通，电动机慢速运行，直到SC或XC断开，电动机停止运转。4.3.2电气控制线路电梯的控制线路主要有：轿内指令线路、厅门召唤线路、定向选层线路、启动运行线路、平层线路、指层线路、开关门线路、安全保护线路。这些线路之间的关系如图4.2所示。平层感应器定向平层线路平层线路拖动线路减速减速点信号起动线路楼层信号位置信号指层线路轿内指令与厅门呼唤线路图4.2 交流双速电梯的电气控制线路组成框图4.4 七层电梯的工作过程本课题是用PLC控制一个宾馆的七层乘客电梯。主要完成电梯的电气控制部分，电梯控制应具有灵活的控制方式，合理的运行方式以及信号显示装置，并且设计一个电梯模型用于物理仿真系统，用于调试电路参数，控制电路和控制程序。该电梯轿厢的大小和牵引电机的功率由每天乘坐电梯人数的多少来定。该七层电梯的工作过程是：在1到6层电梯门厅都要装一个上行呼唤按钮，在2到7层电梯门厅都要装一个下行呼唤按钮，分别或同时按动上行、下行按钮，该信号被记忆，对应的信号灯亮（表示该层有人要上行，有人要下行）。 当电梯上行时，如遇到某层有上行呼唤信号时，则在该层停止，同时消除该层上行信号，对应的信号灯灭，门自动打开。当电梯在上行的过程中，如果有下行的呼唤信号，该下行信号被记忆。电梯下行时同理。 在轿厢里按下关门按钮，门自动关闭，关门到位后电梯才能升降。 电梯在升降过程中经过无呼唤信号的楼层时，不停止也不能开门。 在上升过程中，如上行和下行都有呼唤信号，应优先服务于上行的呼唤信号，在上层无呼唤信号时而下层有呼唤信号则服务于下层信号。在下降过程中的原理同上行时的原理。电梯在停止时，可用按钮直接控制开门、关门。开门2分钟后无人关门时，门将自动关闭。电梯停在某一层时，在门厅按下该层呼唤按钮也能开门。电梯在开门时不能上升、下降。电梯在升降过程中不能开门。在每层楼电梯门的旁边和轿厢里都装有电梯上行、下行的方向显示和电梯运行在某一层的数字显示。在轿厢里设置有选层按钮和对应的信号灯，在上行时优先服务于上行选层按钮；在下层时，优先服务于下行信号，当电梯停在某层时，消除该层的选层信号。电梯的控制采取三种方式乘客操作控制方式、司机操作控制方式和手动检修方式。 在本课题设计中，还要求电梯在工作过程中要满足以下几项功能： 当乘客的总重量超过电梯轿厢所规定的承重时，电梯发出超重报警声，所以要在轿厢中装设电子称重传感器。即当轿厢中物体超重时，其传感器的常开触点闭合。 电梯的自动加减速控制。为增强乘客乘坐的舒适感，要求电梯在启动时速度慢，减小乘客超重感，中间过程电梯快速运行，当要平层时，电梯又慢速停止，减小乘客失重感。 紧急情况呼救功能。当电梯发生紧急危险情况时，乘客可按相应按钮进行求救。 轿厢门光幕感应功能。主要是防止轿厢门关闭时夹伤乘客。满足此功能可在轿厢门两端安设光电传感器。（当检测到有物体时，传感器的常开触点闭合）。 集选控制：集选控制是将轿厢内指令与厅外召唤等各种信号集中进行分析处理的高度自动控制功能。它能对轿厢指令、厅外召唤记忆，停站延时自动关门起动运行，同向逐一应答，自动平层自动开门，顺向截梯，自动换向反向应答，能自动应召服务。4.5 PLC的选型与I/O定义4.5.1 PLC的选型随着技术的进步，现代可编程控制器得到了飞速的发展，其功能已经大大超过了逻辑控制的范围，而且，PLC的型号也是多种多样。主要有西门子公司的S7-200,S7-300/400，三菱公司的FX系列和欧姆龙系列等可编程控制器。在本课题设计中，就选用西门子公司的S7-200。因为S7-200PLC是叠装式结构，所以体积小，重量轻。在控制性能方面也非常好，能够满足控制电梯的要求。而且，其编程软件STEP7-Micro/WIN32使用起来也非常方便，程序可读性强，易于理解。唯一不足就是S7-200自带的I/O点比较少。在本设计中选用S7-200CPU226型号的PLC，其输入/输出点为24输入/16输出，可带7个扩展模块。而本设计中有46个输入点和22个输出点，所以在本设计中还要增加3个8位数字量输入模块和1个8位数字量输出模块。数字量输入模块可选用EM221 8DC24V,输出模块可选用EM222 8AC120V/230V7 。4.5.2 PLC的I/O定义下面通过对该七层电梯控制需求的分析，列出了需要用到的PLC的输入/输出端子及每个端子对应的名称。表4.1为PLC输入端子分配表1。 表4.1 PLC的输入端子分配表输入地址定义I0.0I0.67YG1YG:上行楼层感应干簧管触点I1.0I1.67YG11YG1:下行楼层感应干簧管触点I2.0I2.6A7JA1J:轿内指令按钮I3.0I3.5A6SA1S：61层上召唤按钮I4.0I4.5A7XA2X:72层下召唤按钮I3.6XPG:下平层感应器触点I3.7SPG:上平层感应器触点I0.7MQG门区感应器触点I4.6司机上行选择按钮I4.7司机下行选择按钮I5.0轿内开门按钮I5.1轿内关门按钮I2.7轿内报警按钮I5.2轿厢门光幕感应传感器I1.7电梯停止按钮I5.3称重传感器（超重常开触点则闭合）I5.4SHK上强迫换速开关（上极限）I5.5XHK下强迫换速开关（下极限）表4.2为PLC输出端子分配表。表4.2 PLC的输出端子分配表输出地址定义Q0.0SC:上行接触器Q0.1XC:下行接触器Q0.2KC:快速接触器Q0.3MC:慢速接触器Q0.4JBC:紧急报警接触器Q0.5CBC:超重报警接触器Q1.6电梯上行指示灯Q1.7电梯下行指示灯Q2.6开关门电动机开Q2.7开关门电动机关4.6 PLC的外部电路连接PLC的外部电路连接图可以很直观的表现出PLC的输入/输出端的接线，为编程和电路分析有很大的帮助。在本设计中，接PLC输入端的是数字量开关信号，接输出端的就是外部要控制的设备。由于PLC的输出信号一般是24V的电压信号，不能直接带动大功率设备，所以PLC输出端的有些继电器还要接220V/380V等电源。下面图4.3是PLC的外部大致输入/输出图。上行接触器 上行楼层感应干簧管触点I0.0S7-200CPU226Q0.0 ：下行接触器Q0.1I0.6 ：门区感应器触点I0.7 ：COM0COM0下行楼层感应干簧管触点I1.016层上行指示灯Q1.0 ： ：电梯停止按钮I1.6电梯上行指示灯Q1.5I1.7Q1.6COM1 ：轿内指令按钮I2.0COM1 ：27层下行指示灯Q2.0轿内报警按钮I2.6 ：I2.7Q2.5C0M2 ：61层上召唤按钮I3.0 ： ：COM2下平层感应器触点I3.5 ：I3.6 ：上平层感应器触点I3.7 ：COM3COM3 ： +24V图4.3 PLC的外部输入/输出图4.7 电梯的PLC控制程序设计根据交流双速电梯PLC控制线路的组成、系统控制要求和PLC的I/O定义，就可以完成PLC的控制程序设计。 以下分别介绍几个主要部分的PLC控制程序设计问题，包括：电梯的启动、平层控制，电梯的换速、平层控制，电梯的选向控制、楼层感应电路的控制、轿内指令、厅招唤电路的控制和电梯开关门控制及报警控制。其中，梯形图中涉及的中间继电器的定义如表4.3所示。表4.3 梯形图中中间继电器的定义表中间继电器定义M0.0M0.6楼层感应中间继电器M1.0M1.6指层中间继电器M2.0M2.6轿内指令中间继电器M3.0M3.572层向下召唤中间继电器M4.0M4.561层向上召唤中间继电器M5.0上行中间继电器M5.1下行中间继电器M5.2司机上行中间继电器M5.3司机下行中间继电器M0.7换速中间继电器M1.7门锁中间继电器M5.4上平层感应中间继电器M5.5门区感应中间继电器M2.7下平层感应中间继电器M5.6快速运行中间继电器M5.7换速消除中间继电器M3.6中间继电器M3.7中间继电器M4.6中间继电器M6.0中间继电器M6.1中间继电器4.7.1电梯的启动平层电路的控制交流双速电梯通常有两套绕组：快速绕组和慢速绕组，快速绕组为6极或4极，慢速绕组为24极或16极。因此快、慢速的速比为4：1。电梯通常以快速启动，而在减速时断开快速绕组，接入慢速绕组。设置中间继电器M5.6来控制快速接触器。电梯启动的梯形图如图4.4所示，其中M1.7为门锁继电器的常开接点，保证门关好后方能启动。I5.4和I5.5分别为上、下强迫换速输入继电器，M5.0和M5.1分别为上行和下行继电器的常开接点，Q0.2和Q0.3为快速和慢速接触器。M0.7为换速继电器，当M0.7接通时，中间继电器M5.6断电，输出线圈Q0.2断电，接通慢速接触器Q0.3，电动机慢速运行。图4.4 电梯启动控制梯形图电梯平层控制的梯形图如图4.5所示。其中I3.7、I0.7、I3.6分别为上平层感应输入继电器、门区感应输入继电器和下平层感应输入继电器。工作原理为：如果电梯上行超越平层位置，SPG离开隔磁板，使I3.7断开，M5.4断开，这时Q0.1由Q0.2、M5.4、M5.6和Q0.0的常闭接点和M2.7的常开接点而接通电梯反向平层，直至M5.4接通。电梯位于平层位置后，M5.4、M5.5和M2.7均接通，Q0.0和Q0.1均断开，进行抱闸。图4.5 电梯平层控制梯形图4.7.2电梯的换速平层电路的控制电梯通常以快速启动，而在减速时断开快速绕组，接入慢速绕组。当电梯将到达需要停止的楼层时，应发出换速信号，断开快速继电器，接通慢速继电器，然后制动。如图4.6所示为换速电路的梯形图。图4.6 电梯换速控制梯形图其原理为：如3搂有指令位号，即M2.2接通。在电梯将到达3楼时，M1.2接通，使换速继电器M0.7接通，发出换速信号，并保持。其他类同。当电梯到达顶层或底层时，无论有无轿内指令都必须换速。M5.7为换速消除继电器。当电梯离开任一楼层时，M5.7接通，断开M0.7，这时电梯高速运行。M5.0、M5.1常闭接点支路为无方向换速控制，保证由于人为或其他原因使M1.0到 M1.6全部断开时，电梯应进入换速状态，以便在最近搂层平层停止。4.7.3 电梯的选向电路控制改变电梯的运行方向，实际上就是改变电动机的旋转方向。要改变三相感应电动机的旋转方向，只要将其中任意二相电源进行交换即可。根据这一原理，电动机的正反转控制线路如图4.7所示，上行接触器SC接通时，电动机正转；而XC接通时，B、C两相对换，电动机反转。 图4.7 电动机正反转控制选向控制的梯形图程序如图4.8所示，在图中，输入触点I4.6、I4.7分别为司机控制的上行选向按钮、下行选向按钮，输出线圈Q0.0、Q0.1分别控制电梯上行接触器SC、下行接触器XC；中间继电器M5.0、M5.1分别表示电梯上行、电梯下行的运行状态，中间继电器M5.2、M5.3分别表示司机控制的电梯上行、电梯下行的运行状态。电梯选向控制梯形图的工作原理为： 以电梯处于2层为例。当电梯位于2层时，中间继电器M1.5通电，如果按下3层指令按钮，中间继电