论文《PLC在电梯中的应用》

装订线毕业项目报告纸中 文 摘 要 随着人口的增加，中国科学技术日新月异地发展，人们物质文化生活水平的逐步提高，建筑业得以迅速发展，大批的高楼大厦拔地而起，伴随建筑业的发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯工业也在日新月异地发展着。电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种工作和生活中的必需设备。而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控性等优点，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域。面对如此广袤的电梯市场，所谓“科技就是第一生产力”，处于科技前沿的电子设计技术很自然地就与电梯控制设计一拍即合，因此，促进了PLC更快捷的发展，本课题是以五层电梯控制系统为前提下，结合PLC技术，对电梯控制进行设计。 关 键 词：电梯 PLC 控制English AbstractAs the population increased, the Chinese science and technology developing rapidly, peoples material and cultural living standards gradually improved to the rapid development of the construction industry, a large number of high-rise buildings where they stand, accompanied by the development of the construction industry, to provide for the construction and transportation up and down elevator industries are developing rapidly.Elevator is not only an important link in the production of equipment, but also a life of work and the necessary equipment. From the relay control system used to monitor between computers Many control.Faced with such a vast market of the lift, the so-called science and technology is the primary productive force, in the technological forefront of the electronic design technology are naturally hit it off with the elevator control design, therefore, promoted the development of more efficient PLC, the subject is based on five premised on elevator control system, the combination of PLC technology, the design of the elevator control. Keywords: Elevator Control PLC目 录中英摘要 （1）目 录 （2）第一章 绪言1.1 国内外电梯及PLC的发展 （3）1.2 本课题设计的意义和目的 （5） 第二章 可编程控制器（PLC）的概述 2.1 可编程控制器的简介 （6）2.1.1 可编程控制器的定义 （6）2.1.2 三菱FX2NPLC可编程控制器的基础知识 （6）2.1.3 PLC的工作原理 （8）2.2 PLC与其他控制系统的比较 （10） 第三章 VVVF变频电梯的控制系统 3.1 变频调速电梯系统及其驱动技术 （12）3.2 变频调速电梯系统的控制技术 （13）3.3 控制系统的主流程 （13）第四章 PLC控制单台电梯的方案设计 4.1 电梯控制系统的组成及运行方式 （15）4.1.1 电梯的运行工作情况 （15）4.1.2 电梯控制系统的组成 （16）4.1.3 电梯的结构 （17）4.2 PLC单台电梯控制系统功能介绍 （19）4.3 PLC控制单台电梯I/O点分析 （21）4.4 电梯控制程序 （24）谢 辞 （33）参考文献 （34） 第一章 绪言1.1 国内外电梯的现状与发展1.1.1 电梯的发展 据国外有关资料介绍，在20世纪初，美国奥的斯电梯公司首先使用直流电动机作为动力，生产出以槽轮式驱动的直流电梯。从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异的发展着。目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘坐舒适。 当今世界，部分地区人口高度密集，人和土地资源短缺的矛盾日趋激化。这就注定了必须合理地利用土地去解决人与土地的矛盾。而兴建高层建筑是其中的有效措施之一。因此，能使人们快速、便捷地到达目的楼层的电梯便应运而生了。在一些发达国家和地区，人均电梯拥有数量一般在每万人30台以上，某些国家甚至达到每万人120台以上，随着城镇化程度的加大，电梯市场会更加繁华。中国的电梯市场增长也很乐观，目前，每年增长率为15%18%。随着电梯普及率的升温，人们对电梯的要求也会越来越高。如何更安全、更快捷地到达目的楼层，也就成了人们对电梯最为根本的要求。而电梯系统里掌控这方面技术参数的是电梯控制系统。因此，控制系统的设计就成了在电梯设计领域里最为核心的技术。 电梯行业外商云集，国际上最大的电梯公司几乎全部进入我国，最先进的电梯产品争先在中国生产。美国奥的斯，瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森，日本三菱、日立、东芝、富士达等世界最负盛名的电梯公司先后在北京、天津、上海、广州、沈阳、杭州、廊坊等地投资建厂，可以说能来的都来了。他们大多用合资的方式建设了最好的工厂，装备了最好的设备，引进了最好的技术，培训了最好的人才，目前合资企业在国内的市场份额已超过80%，从这个意义上说，我国电梯行业早已加入了WTO。中国电梯市场的特色已经不是国内企业之间的竞争，而是全球电梯劲旅的竞争。这种世界级的激烈竞争使我国的电梯用户成了最大的受益者，他们可以用最低的价格随意选购最好的电梯产品。1.1.2 PLC的产生和发展可编程控制器（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： 19691972 PLC发展的雏形阶段，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，存储器为磁芯存储器，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，可控性优于继电器。 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功能除逻辑运算等外、计算机接口和模拟量控制等，软件开发有自诊断程序，存储程序开始用了EPROM，可控性进一步提高，初步形成系列。结构上PLC有模块式和整体式之分，整机功能从专用向通用过渡。 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、半导体存储器进入工业化生产，大规模集成电路开始普遍应用。 19831988 计算机网络技术普遍应用，超大规模集成电路、门阵列等专用集成电路迅速发展。PLC的CPU为16位或32位或位片式芯片构成，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，组成多级集散系统（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语言和机床控制和数控语言等。 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。 21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.2 本课题设计的意义和目的1.2.1 本课题设计的意义 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控性等优点，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成果，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域。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，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。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，很好的实现了对的控制。通过本课题的介绍，让我们能更多了解PLC和更好的使用它。 1.2.2 利用PLC设计电梯系统的目的 本课题主要对PLC的结构、特点、性能以及与现场控制对象的连线进行具体的研究，并通过PLC实现电梯的自动控制。市建设的不断发展，城市迅速的崛起，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。它是采用电力拖动方式，将载有乘客或货物的轿厢，运行于垂直方向的两根刚性导轨之间，运送乘客和货物的固定式提升设备。所以，电梯是为高层建筑运输服务的设备，它具有运送速度快、安全可靠、操作简便的优点。但传统的电梯控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用 PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。 第二章 可编程PLC的概述2.1 可编程控制器(PLC)的简介2.1.1 可编程控制器的定义 控制器简称PC（Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器PLC这个老名字。PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，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及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”2.1.2 三菱FX2NPLC可编程控制器的基础知识 三菱FX2N PLC的主要特点：l 一个程序包的单元型可编程控制器l 采用装卸式端子台l 内装RUN/STOP开关l 程序存储器l 钟表功能l RUN写入l 元件注解l 利用键盘保护程序（编程手册，外围设备手册）l 丰富的输出入扩展设备l 丰富的特殊扩展设备l 用SFC表现的编程l 简便的应用指令群l 高速处理通常，PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。按结构形式不同, 可以分为整体式和模块式两类。按控制规模大小、则可以分为小型、中型和大型PLC三种类型。(1) PLC系统的组成PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。 PLC的硬件结构一套PLC系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入输出接口、内部电源）、IO扩展单元及外部设备组成。图2-1为PLC的硬件结构图。输入电路CPUEPROMRAM输出电路基本单元内部电源扩展I/O接口各种外设接口输出信号现场输入信号主机编程器打印机PC机输入电路输出电路扩展单元输出信号扩展连接电缆至其他扩展单元现场输入信号 图 2-1 PLC的硬件结构图图2-2为三菱FX2N小型PLC产品主机示意图。本课题中FX2N48MR为基本单元，带有48个IO点(24入、24出)，M表示主机、R表示该单元为继电器输出型。 PLC的软件PLC的软件系统指PLC所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。系统程序：包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。图2-2 三菱FX2N小型PLC产品主机示意图2.1.3 PLC的工作原理 PLC作为一种特殊形式的计算机控制系统，是利用计算机技术对传统的硬件逻辑控制系统“继电器控制”进行硬件软化的结果。但在运行方式上，PLC的软件逻辑也与继电器控制系统的硬件逻辑存在根本性的区别。 继电器控制系统的硬件逻辑采用的是并行运行的方式，即如果一个继电器的线圈通电或者放电，该继电器的所有触点（不论是常开还是常闭、也不论其处于继电器线路的哪个位置上）都会立即同时动作；而PLC的软件逻辑是通过CPU逐行扫描执行用户程序来实现的，即如果一个逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点并不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的这种差异，PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模板等方面作了特别的考虑。 PLC的工作方式 PLC的扫描工作方式开始内部处理通信处理RUN方式？输入扫描程序执行输出处理NY图2-3 PLC的扫描过程可编程序控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重要进行。可编程序控制器工作时的扫描过程如图2-3所示，包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。输入端子输入映象寄存器输出映像寄存器输出锁存器输出端子输入 .输出程序执行阶段输入采样阶段输出刷新阶段X001Y001Y001M1读读PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如图2-4所示。图2-4 PLC的程序执行过程a) PLC的扫描周期在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。b) 建立I/O映像区：PLC在输入输出操作上采用定时采样、定时输出的方式。即在一个扫描周期的固定时刻（一般在扫描周期的开始或结束）采样所有的输入点，采样结果存入RAM中一个区域（输入映像区）。这样在执行程序时，所需的现场讯息全部从输入映像区中取用，不直接从现场取样。同样控制讯息输出也不是采取生成一个就输出一个的方法，而是先将它们存放在RAM中的一个区域（输出映像区），扫描周期结束时再将输出映像区中控制讯息集中输出。通过建立I/O映像区，使PLC成为一个真正的数字采样控制系统；虽然PLC不可能像继电器控制那样随时根据现场输入实时控制现场输出状态，但只要采样周期足够短，即采样频率足够高，这样的采样系统应该完全符合实际系统的需要。 PLC的IO响应时间PLC采用集中IO刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了PLC的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为2-3个扫描周期。2.2 PLC与其它控制系统的比较可编程序控制器与继电器、微机在电梯控制中的应用比较在电梯的电气系统中，逻辑判断起着主要的作用，其控制系统必须起动各种控制信号和执行元件（如接触器、继电器、发光指示器、电动机以及电子元件、电力电子器件等），要达到这些控制目的，其方法有： 继电器接触器控制系统这种控制系统是早期电梯多采用的一种控制系统。优点：与其它控制系统比较，其简单、易于理解和掌握、价格便宜。缺点：动合触点易磨损，且电接触不良；体积大；控制系统耗能大、动作噪声大；维修保养工作量大、费用高。因此这种控制系统仅用于速度不高、性能要求也不高的电梯中。 微机控制系统电梯的微机控制系统实质上是使控制算法不再由硬件逻辑完成，而是通过程序存贮器中的程序来完成的控制系统。因此对于有不同功能要求的电梯控制系统，只要改变程序存贮器中的程序指令即可，而无需变更或增减硬件系统的元件或布线。因此，十分方便于使用和管理，并提高系统的可靠性，减小控制系统体积，降低了能耗及其维修保养费用。虽然微机控制的电梯，与继电器控制的电梯比较，它具有较大的优越性。但是，对一般的电梯而言，应用微机控制也有其局限性和不足之处。其缺点是：微型计算机是按数字运算的需要而设计的，功能比较齐全，结构比较复杂；而一般的电梯控制只需要进行简单的逻辑运算，运算方式多为“与”、“或”、“非”几种，运算位数只需1位，即“1”与“0”。因此，使用微机就有“大材小用”之嫌。此外，微机的接口电路没有标准件，而且一般不控制强电。但在电梯控制中，往往要求能直接控制110V或220V的用电设备，如用户专门配备接口电路既不方便又不可靠。综上所述，造成用微机控制的成本、运行和维修费用均较高，因此，如在一般的电梯上使用微机控制在经济上不合算。 PLC控制系统PLC充分利用了微型计算机的原理和技术，保留计算机控制的优点，而克服了它的缺点。它具有强大的生命力，各工业部分纷纷用它来改造旧有的电梯控制电路，取得了明显的效果。总之，PLC是采用微机技术制造的通用自动控制设备，它能控制开关量、模拟量、具有可靠性高、抗干扰能力强、并具有完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术、运算等功能，可以取代继电器为主的各种控制设备。它不仅能用于控制机械设备、流水线和各种设备的运行过程，将PLC用于控制电梯各种操作和处理相关信息也是可行的。第三章 VVVF变频电梯的控制系统3.1 变频调速电梯系统及其驱动技术采用PLC控制的变频调速电梯系统原理图如图3-1所示。图3-1 PLC控制的变频调速电梯系统原理框图在电梯系统中要处理的信号十分多而且复杂，在设计时必须仔细考虑对信号快速准确的处理问题。采用许多的先进驱动和控制技术就很有必要，其中包括矢量变换控制技术、高速CPU技术、DSP技术和采用新型大功率器件IGBT的高性能变频调速器。图3-1中PLC主要处理一些监控信号，主要有楼层计数信号，呼梯、选层信号，定向信号，换速信号，主控制信号等。此外还有开、关门控制，楼层显示，呼梯、选层显示，单、双控制，安全条件自动检测，自动平层、消防等各种控制信号。将变频器用于电梯时，常称为VVVF电梯。一般变频器有交交、交直交两种类型。对于交直交变频器，可以按直流环节电压、电流的特点(由滤波的电容量和电感量决定)划分为电压型和电流型变频器。电梯一般采用电压型变频器。改变电动机定子的电源频率，就可实现对异步电动机的调速。但为了保持调速时电动机最大转矩不变，需要维持磁通恒定，应满足压频为常数，即变频时应协调地变压。目前，虽有电梯专用变频器，但其价格昂贵，因此可以采用通用型变频器，通过合理设计，可使其达到专用变频器的控制效果。为满足电梯控制上的要求，参数设置比专用型变频器要复杂得多。为减少启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环的比例系数宜小些(3s)，而积分时间常数宜大些(5s)。为了提高运行效率，快车频率应选为工频(50Hz)，而爬行频率要尽可能低些(4Hz)，以减少停车冲击，检修慢车频率可选10Hz。为了保证平层精度及运行的可靠性，曳引电机的转速采用闭环控制，其转速由旋转编码器检测。为使变频器工作在最佳状态，需使变频器对所驱动的电机进行自学习，其方法是:将曳机制动轮与电机轴脱离，使电机处于空载状态，然后启动电机，变频器便可自动识别并存储电机有关参数，使变频器能对该电机进行最佳控制。3.2 变频调速电梯系统的控制技术电梯系统的控制主要可分为拖动系统的调速控制与选层系统的逻辑控制。VVVF电梯拖动调速系统的实质就是采用交流异步电动机驱动及矢量变换控制技术。VVVF电梯调速系统的特点是:电梯启动采用降频软启动，电机启动电流很小，不超过额定电流。在电梯的制动段，电梯调速系统工作在发电制动状态，不需从供电网中取得电能，从而降低了电能的消耗，避免了电机过热，调速系统的功率因数比较高(接近1)。调速控制是指对电梯从启动到平层整个过程中速度的变化规律进行控制，从而减轻人在乘坐电梯时由于启、制动过程中加、减速产生的不舒适感(上浮、下沉感)，并保证平层停车准确可靠。与选层系统的逻辑控制相比，调速控制更为复杂，其控制性能的优劣在很大程度上决定着电梯的性能和质量。电梯的运行可分为启动、稳速、制动三个阶段。稳速运行时考虑到节能和对电网的干扰，系统采用开环控制，而启、制动运行时为使运行速度跟随给定理想速度运行，采用闭环控制。理想速度运行综合了舒适感(满足人体对加速度及加速度变化率要求)、运行效率及电机调速性能，按位置原则存储于程序存储器中。调速控制系统由主回路和控制回路两部分组成，主回路包括曳引电动机(三相异步电动机)驱动及功能电路，速度反馈信号来自与电机转子同轴的脉冲发生器，其输出脉冲的频率对应电梯运行速度。速度的控制由系统通过改变触发脉冲的控制角(移相角)实现，经相应的移相角延时时间后，根据电梯实际速度与给定速度之差情况控制主回路工作状态。由于负载变化、电网波动、钢丝绳打滑、伸缩等因素，使减速过程可能不符合直接停靠的平层要求，为此，在离层楼100200mm处设置12个平层校正器，当轿厢运行到此校正点时，将实际速度与该点由平层校正器发出的平层速度给定值进行比较，如无差，则按原减速曲线运行；若有差，则用差值校正原速度给定曲线斜率，使之保证准确平层。3.3 控制系统的主流程用PLC构成的控制系统可以把主要精力用于软件编程，实现系统的控制功能。现在市上的各种PLC都有比较强的软件功能，尤其是各类功能指令(或称应用指令)，其功能更为丰富。三菱FX2系列用以替代继电器、接触器控制系统的基本逻辑指令有20条，但其功能令就有100条之多，可以直接进行各种数据的算术运算、逻辑运算、传送比较、移位循环等，还有一些直接的外部I/O指令，编程的灵活性毫不比单片机逊色。图3-2给出了用PLC实现的电梯控制系统的主程序流程。程序主流程很简洁，其作用主要是控制程序的执行，进入各功能子程序。在我们研制的PLC电梯控制系统中，“数据采集与显示”就是通过子程序调用来实现，“呼梯判断”及上行下行处理都有相应的程序。图3-2 系统主程序流程图第四章 PLC控制单台电梯的方案4.1 电梯控制系统的运行方式及组成4.1.1 电梯的运行工作情况一部电梯主要由轿厢、对重、曳引机、控制柜箱、导轨等主要部件组成。电梯在做垂直运行的过程中，有起点站也有终点站。对于三层以上建筑物内的电梯，起点站和终点站之间还设有停靠站。起点站设在一楼，终点站设在最高楼。各站的厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮。一般电梯在起点站和终点站上各设置一个按钮，中间层站的召唤箱上各设置两个按钮。而电梯的轿厢内都设置有（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，供司机或乘用人员控制电梯上下运行。召唤箱上的按钮称外召唤按钮，操纵箱上的按钮称指令按钮。电梯的运行工作情况和汽车有共同之处，但是汽车的起动、加速、停靠等全靠司机控制操作，而且在运行过程中可能遇到的情况比较复杂，因此汽车司机必须经过严格的培训和考核。而电梯的自动化程度比较高，一般电梯的司机或乘用人员只需通过操纵箱上的按钮向电气控制系统下达一个指令信号，电梯就能自动关门、定向、起动、在预定的层站平层停靠开门。对于自动化程度高的电梯，司机或乘用人员一次还可下达一个以上的指令信号，电梯便能依次起动和停靠，依次完成全部指令任务。尽管电梯和汽车在运算工作过程中有许多不同的地方，但仍有许多共同之处，其中乘客电梯的运行工作情况类似公共汽车，在起点站和终点站之间往返运行，在运行方向前方的停靠站上有顺向的指令信号时，电梯到站能自动平层停靠开门接乘客。而载货电梯的运行工作情况则类似卡车，执行任务为一次性的，司机或乘用人员控制电梯上下运行时一般一次只能下达一个指令任务，当一个指令任务完成后才能再下达另一个指令任务。在执行任务的过程中，从一个层站出发到另一个层站时，假若中间层站出现顺向指令信号，一般都不能自动停靠，所以载货电梯的自动化程度比乘客电梯低。本课题主要研究单台五层电梯的PLC控制方法，分述其硬件设计和软件设计过程。设计程序要求完成电梯控制系统主要达到以下要求：1) PLC电梯控制系统应具备：有司机、无司机、消防三种工作模式。2) 系统应具备自动响应层楼召唤信号（含上召唤和下召唤）。3) 具有轿厢层楼显示（二进制方式或十进制方式）。能自动显示电梯运行方向。4) 具有电梯直驶功能和反向最远停站功能。具有消防应急处理功能。5) 电梯开门时间设为3秒，电梯关门时间也设定为3秒。6) 具有应急手动开门、关门按钮。在单台电梯控制系统的基础上进一步探讨用一台PLC控制多台电梯协调运行的实施方案。4.1.2 电梯控制系统的组成电梯控制系统主要由电力拖动部分和电气控制部分组成。 电梯的电力拖动部分电梯主拖动类型有直流电动机拖动、交流电动机拖动、直流GM（即发电机电动机组供电）拖动、晶闸管供电（SCRM）的直流拖动和交流双速电动机拖动、交流调压调速（AVCC）拖动、交流变频调速（VVVF）等。因直流电梯的拖动电动机有电刷和换相器，维护量较大，可靠性低，现已被交流调速电梯所取代。为了得到较好的舒适感，要求曳引电动机在选定的调速方式下，电动机的输出转矩总能达到负载转矩的要求。考虑到电压的波动、导轨不够平直造成的运动阻力增大等因素，电动机转矩还应有一定的裕度。 电梯的电气控制部分 电气控制系统由控制柜、操纵箱、层楼指示、召唤箱及曳引电动机等几十个分散安装在电梯井道内外和各相关电梯部件中的电器元件构成。电气控制系统通过电路控制电力拖动系统工作程序，完成各种电气动作功能，保证电梯安全运行。 电梯一般是由电动机来拖动的，其运行过程大多包括启动、正（反）转、停止等，这整个过程是由电气控制系统来完成。具体地说电梯的控制主要是指对电动机的起动、停止、运行方向、层楼指示、层站召唤、轿厢内指令等进行处理。其操纵是实行各个控制环节的方式和手段。电梯电气控制系统与电力拖动系统比较，变化范围比较大。当一台电梯的类别、额定载重量和额定运行速度确定后，电力拖动系统各零部件就基本确定了，而电气控制系统则有比较大的选择范围，必须根据电梯安装使用地点、乘载对象进行认真选择，才能最大限度地发挥电梯的使用效益。电气控制系统决定着电梯的性能、自动化程度和运行可靠性。随着科学技术的发展和技术引进工作的进一步开展，电气控制系统发展换代迅速。继电器控制系统的电梯故障率高，大大降低了电梯的运行可靠性和安全性，所以基本上已经被淘汰。而PLC以其体积小、功能强、故障率低、寿命长、噪声低、维护保养简便、修改逻辑灵活、程序容易编制，易联成控制网络等诸多优点得到了广泛的应用。电梯控制系统主要有三种控制方式：继电器控制、PLC控制、微机控制，其中继电器控制系统故障率高，微机控制系统抗干扰能力弱，而PLC作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，成为目前电梯系统中使用最多的控制方式，从而使电梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和技术改造的热点之一。本课题采用三菱FX2N PLC对单台五层电梯进行逻辑控制。电梯控制系统硬件由轿厢操纵盘、厅门信号、PLC、变频器、调速系统构成，控制系统结构图如图4-1图4-1 控制系统结构图4.1.3 电梯的结构图4-2 为五层电梯的简化模型和控制柜示意图。电梯主体包括升降电机、轿厢、滑轮、钢丝绳、行程开关等。升降电机为交流可逆电动机，轿厢套在钢丝绳上，电机带动钢丝绳正转或反转时，轿厢对应上升或下降。每层楼均安装行程开关，利用机械碰撞，给出各楼层的层信号。电动机减速器12345行程开关TCP/IPRS232轿厢电梯控制柜继电器/接触器FX2N 48MR PLCRS422对重LED显示电路开关电源电梯控制柜图4-2 五层电梯的简化模型和控制柜示意图电梯控制柜是电梯电气控制系统完成各种主要任务，实现各种性能的中心。主要包括FX2N-48MR PLC、继电器/接触器、显示部分、开关电源。LED显示部分主要包括轿厢运行方向显示、楼层显示。 电梯层门电梯层门是为了确保安全，而在各层楼的停靠站，通向井道的入口处，设置供司机、乘用人员和货物等出入的门。图4-3 为电梯层门示意图。电梯层门旁装有消防按钮、上召唤按钮和下召唤按钮（最底层只有上召唤按钮、最高层只有下召唤按钮）,并有召唤登记指示灯。层门上方装有LED数码管，以显示轿厢所在层楼位置，另外还有轿厢上行和下行指示灯。ZXF图4-3 电梯层门示意图 轿厢内控制屏轿厢内控制屏示意图如图4-4所示。其中包括上行、下行显示及LED层楼位置的显示。另外还有1楼5楼的指令按钮及登记显示和有司机无司机的选择按钮。在有司机工作状态下还有指令专用开关，即只响应指令信号，不响应召唤信号。此外，还有消防按钮，当发生火灾时，立即清除所有指令信号和召唤信号，电梯直达底楼后开门。需要说明的是，本实验装置在无司机状态下，利用定时器控制开门、关门和上下客时间；有司机状态下，则直接由司机控制开门、关门和上下客时间。 12345YSJAJ 图4-4 轿厢内控制屏示意4.2 PLC单台电梯控制系统的功能介绍 PLC电梯控制系统三种工作方式介绍电梯主要有三种工作方式有司机方式、无司机方式、消防方式。 有司机方式是指由专职司机操纵电梯运行。具有以下特点： 电梯上行下行启动由司机决定 电梯开门、关门时间由司机控制 电梯是否直驶（不再响应外召唤）由司机决定 无司机方式是指由乘客自己操纵电梯，这种电梯具有集选控制功能。具有以下特点： 电梯开门关门上、下客时间均由定时器定时 只要电梯门关闭后自动定向 消防方式是指大楼发生火灾时，电梯运行控制的一种特殊工作方式。具有以下特点： 正在运行的电梯控制系统一旦收到消防信号：a) 处于上行时立即返回底楼停站开门b) 处于下行时立即直驶底楼停站开门c) 处于底楼以外停站开门的电梯立即关门返回底楼停站开门 电梯返回底楼并在底楼开门后，电梯处于消防工作状态。此时，电梯不再响应外召唤信号，电梯的关门起动运行和准备前往层站由消防员控制操作。当电梯就近到达某层站后，立即清除其它所有指令信号登记，是否继续上行依火势大小决定。 PLC单台电梯控制系统的工作流程图4-5 为PLC单台电梯控制系统工作流程图，从图中可知控制一台电梯正常工作，主要需要如下信号：控制信号、层楼信号、指令信号、召唤信号和消防信号。这些信号分别来自轿厢控制面板、井道行程开关、层面控制铵钮和层面火警开关。来自井道行程开关的层楼信号进行层楼定位并参与自动定向，同时显示所在层楼位置。来自轿厢控制面板的指令信号和来自层面控制按钮的召唤信号分别进行指令登记和召唤登记，同时进行信号登记显示。这两种信号也参与自动定向，和层楼信号一同对电梯进行运行控制，包括开关门、上下行和停站。当来自层面的火警开关发出消防控制信号时，立即消除指令登记和召唤登记，直接控制电梯下行至底楼并开门。此外，当有来自轿厢控制面板发出控制信号，如：有司机直驶状态，则略过召唤信号，直接响应指令信号。运行控制电梯的同时进行运行显示和驱动电动机正转或反转，即电梯上行或下行。控制信号指令信号召唤信号层楼信号层楼定位指令登记召唤登记自动定向运行控制（开/关门、上/下行、停站）运行显示电动机驱动控制消防控制置位置位清除清除来自轿厢控制面板来自井道行程开关来自轿厢控制面板来自层面控制按钮来自层面火警开关显示显示显示图4-5 PLC单台电梯控制系统工作流程图4.3 PLC控制单台电梯I/O点分析PLC电梯控制系统的控制核心是PLC。哪些信号需要输入PLC，PLC需要输出哪些信号，以及采用何种编程方式都需要仔细推敲。输入输出点的确定是设计整个控制系统的首要问题，决定系统的程序及硬件线路的方案。 PLC I/O地址分配根据电梯操作的工艺过程及对控制系统的要求，首先归纳本系统中所有输入信号和输出信号；然后根据PLC的输入点和输出点进行I/O地址分配，使每个输入信号对应PLC内部的输入继电器，每个输出信号对应PLC内部的输出继电器。 PLC输入信号的确定先考察电梯轿厢内的操作。操作面板上应有各层的选层指令按钮，5层共有5个。有司机时，应有司机直驶专用开关和上行、下行按钮，需3点输入。各楼层乘客召唤时，除底层和顶层只有一个召唤按钮，其它各层均设上下两个召唤按钮，5层共需8个输入按钮。5层电梯需5个行程开关来控制是否到了某一层，因此需5点输入。其它输入有消防、有司机/无司机方式选择等开关或触点。经以上分析，可知共需23点开关量输入端口。表4-1 输入地址分配表输入信号名称PLC输入地址含义AYSX000向上行驶按钮AYXX001向下行驶按钮JSJX002有/无司机选择开关1YCX003一楼行程开关2YCX004二楼行程开关3YCX005三楼行程开关4YCX006四楼行程开关5YCX007五楼行程开关A1JX010一楼指令按钮A2JX011二楼指令按钮A3JX012三楼指令按钮A4JX013四楼指令按钮A5JX014五楼指令按钮AJX015指令专用开关（直驶）ZXFX016置消防开关A1SX017一楼上召唤按钮A2SX020二楼上召唤按钮A2XX021二楼下召唤按钮A3SX022三楼上召唤按钮A3XX023三楼下召唤按钮A4SX024四楼上召唤按钮A4XX025四楼下召唤按钮A5XX026五楼下召唤按钮a) PLC输出信号的确定控制电梯的上行、下行（即电机正、反转）需2点输出。上、下行指示灯2点输出。开门、关门、门关闭、运行显示需4点输出。由于采用二进制显示方式，LED七段显示器需3点输出。电梯轿厢内输出各层的指令信号登记显示，共5点输出。各楼层乘客召唤时，除底层和顶层只有一个召唤登记显示，其它各层均设上下两个召唤登记显示，5层共需8个输出显示。经分析共需24点开关量输出端口。表4-2 输出地址分配表输出信号名称PLC输出地址含义KMY000开门显示GMY001关门显示MGBY002门关闭显示DCSY003上行显示DCXY004下行显示SY005上行继电器XY006下行继电器YXY007运行显示AY010LED七段显示器A段发光二极管GY011LED七段显示器G段发光二极管DY012LED七段显示器D段发光二极管1DJAY013一楼指令信号登记显示2DJAY014二楼指令信号登记显示3DJAY015三楼指令信号登记显示4DJAY016四楼指令信号登记显示5DJAY017五楼指令信号登记显示1DASY020一楼上召唤信号登记显示2DASY021二楼上召唤信号登记显示2DAXY022二楼下召唤信号登记显示3DASY023三楼上召唤信号登记显示3DAXY024三楼下召唤信号登记显示4DASY025四楼上召唤信号登记显示4DAXY026四楼下召唤信号登记显示5DAXY027五楼下召唤信号登记显示b) 内部继电器的确定表4-3 内部继电器地址分配表PLC内部继电器地址功能M0指令优于召唤M1停站信号M2本站厅外开门M3消防时到过底楼开过门且在任意层楼停过M4消防时到过底楼开过门或非消防时M5关门条件M6清一楼指令登记M7清二楼指令登记M8清三楼指令登记M9清四楼指令登记M10清五楼指令登记M40清一楼上召唤登记M41清二楼上召唤登记M42清二楼下召唤登记M43清三楼上召唤登记M31轿厢到二楼M33轿厢到四楼M35中间继电器M44清三楼下召唤登记M45清四楼上召唤登记M46清四楼下召唤登记M47清五楼下召唤登记M13消防到过底楼开过门M14轿厢不在任何层楼面上M15轿厢位于某层楼面后，延迟1秒断开M16有司机直驶状态M17关门时间（3秒）M20开门时间（3秒）M18无司机上、下客时间（4秒）M19到站延时时间（1秒）形成停站脉冲用M21未定向M22未定向M30轿厢到一楼M32轿厢到三楼M33轿厢到四楼M34轿厢到五楼c) 轿厢层楼位置显示方式的确定目前常用的轿厢层楼位置的显示方式有：二进制显示、直接位置显示、十进制显示。但由于三菱FX2N-48MR PLC的I/O点数只有24点输入和24点输出。由于其硬件的限制，故采用二进制的显示方式。即“1”表示亮，“0”表示暗。共可显示23种，即07（000111），应用在电梯轿厢层楼显示中，即可显示第1层 7层，本系统显示第15层。d) PLC控制程序的编制方法PLC梯形图的编制采用模块化设计。模块化程序结构清晰、便于调试。如：定时器控制开关门、外召唤、指令登记、上行、下行等。模块间不完全独立，它们之间存在着有机联系，且编程时要考虑各条指令间的逻辑关系。4.4 电梯控制程序 召唤信号登记响应及清除功能位于层楼面的乘客欲前往任意一层楼，可通过按下电梯层门旁的上下召唤按唤来召唤电梯。当电梯到达乘客所召唤的那一层楼面时，立即清除该召唤信号。X017M16M40X016Y020Y020Y003X003M1M40X016图4-6为一楼上召唤登记响应及清除功能梯形图。当在非消防状态下，即常闭X016得电。X017为一楼上召唤按钮输入常开触点，若此时有人按下此开关，X017得电，同时线圈Y020得电，常开Y020自保，即一楼上召唤信号登记显示。若电梯此时就在一楼时，直接清除一楼上召唤登记显示。若电梯不在一楼，则下行到达一楼后，一楼行程开关X003得电后，线圈M40得电，常闭M40变常开，线圈Y020就失电，清除一楼上召唤登记显示。若在消防状态下，常开X016变常闭得电，直接清除一楼上召唤登记显示。图4-6 一楼上召唤信号登记响应及清除功能梯形图 指令信号登记响应及清除功能当司机乘客消防人员进入到电梯轿厢中时，就要用到轿厢内控制屏上的指令按钮。当电梯到达乘客所要去的那一层楼面时，立即清除该指令登记信号。图4-7为一楼指令登记及清除梯形图。从图中可知，要使指令登记信号有效必须满足两个条件： 消防到过底楼开过门； 非消防时；当电梯处于非消防状态时，线圈M4直接得电，满足指令登记信号有效的条件。当电梯处于消防状态时，常开X016变常闭。电梯到达一楼时，一楼行程开关X003得电，此时线圈M13得电，与开门信号相配合，电梯此时处于消防到过底楼开过门的状态。常开M13变常闭，线圈M4得电，也满足使指令登记信号有效的条件。M13M13Y002X003X016M13M13M4X016M4M6Y013X010Y013X003M3X016M6图4-7 一楼指令信号登记响应及清除功能梯形图此时，电梯开始接收指令登记信号。如果此时电梯不在一楼时，按下到一楼指令按钮，一楼指令按钮X010得电，线圈Y013得电，常开Y013自保，完成一楼指令登记显示。电梯下行到一楼时，一楼行程开关X003得电，线圈M6得电，常闭M6变常开，即清除了一楼指令登记。如果此时电梯就在一楼，按下一楼指令按钮的同时就清除一楼指令登记，因为电梯此时就在一楼。电梯处于消防工作状态且没有到达底楼开过门，常开X016变常闭，线圈M6也得电，电梯也清除指令登记，只有当电梯到达底楼开过门后，线圈M13得电，常闭M13变常开，才不清除指令登记。需要说明的是当常开M3得电变常闭时，电梯也清除指令登记。M3是消防到达底楼开过门并在任何层楼面停过站且有停站信号，就清除所有指令登记。这样做是为了当电梯到达某层后，消防人员可以依火势大小决定是否继续上行，如果不及时清除所有指令登记，电梯会继续上行，这样就不是非常安全。图4-8为实现此功能的梯形图。X003M13M1M3X004X005X006X007图4-8 消防到达底楼开过门并在任何层楼面停站 则清除所有指令登记功能梯形图 自动定向功能电梯的换向即改变电梯的运行方向，实际就是改变电动机的旋转方向。电梯在无司机工作状态下，由程序决定上行或下行。当电梯发出召唤信号或指令信号时，PLC自动根据轿厢目前所在层楼位置，来判定是上行还是下行。若 召唤或指令要到的层楼 轿厢目前所在层楼 电梯上行召唤或指令要到的层楼 轿厢目前所在层楼 电梯下行召唤或指令要到的层楼 轿厢目前所在层楼 无法定向图4-9为电梯自动定向功能（部分）梯形图。无司机工作状态下，当三楼有指令信号Y015或上