PLC在电梯控制系统中的应用.doc

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设计（论文）主要内容：利用三菱公司FX2N可编程控制器（PLC）设计完成五层电梯控制系统，该系统应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，系统控制应采用随机逻辑控制，即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机信号，以及电梯相应状态适时地控制电梯的运行。该系统应具备的功能有：1、轿厢的位置是有脉冲编码器的脉冲数确定，并送PLC的计数器来进行控制。同时，每层楼设置一个接近开关，以利于平层。2、为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在楼层进行显示，我们采用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（开关带有指示灯）。3、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。4、为了电梯的运行安全，系统应设置可靠的保障保护和相应的显示。要求完成的主要任务:了电梯的工作原理，掌握PLC及其相关电气知识，完成以下设计任务：1、电梯PLC控制方案设计2、软件设计流程图与控制梯形图与PLC程序设计3、电梯控制梯形图的指令表4、撰写相应的设计说明书：正文不少于1万5千字，图文清晰，文理要通顺。中文文献收集不少于15篇，外文不少于5篇，外文翻译论文不少于5000汉字。指导教师签名 系主任签名 院长签名(章)_ 精品文档目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外相关研究动态11.3 电梯控制系统的发展方向21.4 预期目标32 电梯控制系统需求分析42.1 电梯控制系统基本结构42.2 电梯的主要组成部分42.3 电梯的安全保护装置52.4 电梯控制系统可实现的功能72.5 电梯操作方式72.6 减速及平层控制83 电梯硬件设计93.1 轿厢楼层位置检测93.2 门电梯选择93.3 门安全装置选择104 PLC型号确定114.1 PLC结构原理114.1.1 PLC的硬件系统结构114.1.2 PLC的软件组成124.1.3 PLC的工作原理124.2 PLC控制系统I/O端口的设计134.3 PLC设备型号的确定155 电梯控制系统软件设计165.1 电梯控制流程图165.2 电梯控制系统主要环节175.2.1 楼层信号控制环节175.2.2 轿内指令信号控制环节185.2.3 厅外召唤信号控制环节195.2.4 自动选项控制环节205.2.5 启动换速控制环节215.2.6 平层控制环节235.2.7 开关门控制环节24结束语25致谢26参考文献27附录1 PLC硬件设备端口连接图29附录2 PLC电梯控制系统程序流程图30附录3 PLC电梯控制系统梯形图31摘要本文是针对五层电梯PLC控制系统进行的设计。电梯作为一种垂直运输设备，被广泛应用于工业生产和人们的日常生活中，在现代社会中起到了非常重要的作用。随着科技的进步工业控制技术的发展，电梯控制技术也得到了突飞猛进的发展。本文针对传统的电梯控制技术进行了大胆的改进，采用三菱FX2N系列可编程控制器设计了电梯控制系统。本文主要介绍了电梯的硬件结构、PLC的基本原理、系统的硬件选择以及PLC的软件编程。电梯系统所实现的主要功能有：开关门的控制、层楼信号的产生与消除、停层信号的登记与消除、外呼叫信号的登记与消除、电梯的定向、起动、稳速运行、制动减速和平层控制等。与传统的继电器电梯控制系统相比，本设计的电梯控制系统提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，提高了电梯的控制水平，改善了乘坐电梯的舒适感，使电梯达到一种较为理想的运行效果。关键词：可编程控制器，电梯，逻辑控制，程序设计ABSTRACTThis paper is aimed at a PLC control system design for five floors elevator.As a vertical transportation equipment,elevator is widely used in industrial production and peoples daily life,play a very important role in modern society.With the progress of science and development of industrial control technology,the elevator control technology is also obtained the development by leaps and bounds.In this paper,we have made bold improvement basde on the traditinal elevator control technology,adopted Mitsubishi FX2N series programmable logic controller to design the elevator control system.This paper mainly introduced elevator hardware structure,basic principle of PLC,system hardware choice and software programming of PLC.The main functions of elevator system are the control of opening and closing,the production and elimination of floor signals,stop layer signals and outside call signals, the direction determination of elevator,the start up of elevator,steady speed operation,the control of braking,deceleration and smooth layer,etc.Compared with the traditional relay elevator control system,this design of elevator control system improve the elevator reliability,maintainability and flexibility,at the same time,it prolong the prolong the life of the system,improve the elevator control level and the elevator intimacy,the elevator achieved a more ideal running effect.Key words: Programmable Logic Controller, elevator, logic control, Program Designing1 绪论1.1 课题研究的背景及意义随着社会经济的发展，人们物质文化生活水平的提高，建筑业得以迅速发展，高楼层建筑不断出现。随着高层建筑的发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯在历史上出现，并且其发展空间在不断扩大，已成为工作和生活中的必需设备。1887年，美国奥的斯公司制造出世界上第一台电梯，这是一台以直流电动机传动的电梯，运行速度非常慢，只有10m/min。1900年，以交流电动机传动的电梯开始问世。1902年，瑞士的迅达公司研制成功了世界上第一台按钮式自动电梯，采用全自动的控制方式，提高了电梯的输送能力和安全性。随着超高层建筑的出现，电梯的设计、工艺不断得到提高，电梯的品种也逐渐增多。1900年，美国奥的斯公司制成了世界上第一台电动扶梯。1950年又制成了安装在高层建筑外面的观光电梯，使乘客能在电梯运行中清楚地眺望四周的景色。中国最早的一部电梯出现在上海，是由美国奥的斯公司于1901年安装的。经过一个多世纪的发展，在世界上的任何一个城市，电梯都在被广泛应用着。电梯给人们的生活带来了便利，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。针对飞速发展的电梯产业，提供安全、高效、环保的电梯控制系统，使每一部电梯都能安全高效地运行，成为电梯产业得以健康发展、人们的日常生活得以正常进行的重要保证。近年来，人们对乘坐电梯的安全性和舒适性提出了更高的要求，这就要求电梯的研究者和开发者提高电梯控制技术，以满足人们对于乘坐电梯日益增长的要求。本文针对当前电梯控制系统的发展趋势和潮流，采用可编程控制器(PLC)设计控制系统，实现对电梯运行的控制，使得电梯的运行满足人们对于安全性和舒适性的要求。1.2 国内外相关研究动态我国现已成为世界上拥有电梯数量最多的国家，电梯控制技术也达到了世界领先水平。2011年5月11日到13日，中国电梯协会联合欧洲电梯标委会CEN/TC10、国际标准化组织电梯和扶梯技术委员会ISO/TC178、亚太地区电梯和扶梯协会PALEA、欧洲电梯联合会ELA/EEA、美国机械工程师协会ASME电梯标准委员会A17、韩国电梯安全管理院KESI以及全国电梯标准化技术委员会在安徽屯溪召开了首届全球电梯大会WEC2011。会议对目前国际电梯发展的各个方面做了研讨。目前，电梯的发展呈现以下特点：速度要求越来越快，高速、超高速电梯的数量愈来愈多。电梯的拖动技术有了较大的发展，直流电梯由于能耗大、维修量大等缺点。逐步被交流电梯所替代，液压电梯由于运行平稳，机房位置灵活等特点，使得在低楼层场合得到愈来愈广泛的应用。交流拖动电梯更是得到迅速的发展，己由以前的变级调速(AC-VP)发展成为调压调速(AC-VV)及调频调压调速(AC-VVVF)，使得电梯的速度、加速度、加加速度控制更加符合人们的生理要求，电梯的舒适感大为改善。电梯的逻辑控制己从过去简单的继电器接触器控制发展为可编程序控制(PLC)和微机控制，控制方式也从手柄控制、信号控制发展为集选控制、并联控制、群控等，电梯可靠性得到很大提高。电梯的管理功能不断加强，电梯广泛采用微机控制技术，不断满足用户的使用功能要求。如紧急停车操作、消防员专用、防捣乱系统等。智能群控管理得到广泛应用。机械传动方面，由于国际上机械加工水平的不断提高，使斜齿传动和行星齿轮传动在电梯上的应用日益广泛，已使电梯的传动形式多样化。1.3 电梯控制系统的发展方向电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程，逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。早期电梯上的继电器-接触器控制方法的缺点是触点比较多、故障高、可靠性差、体积大、维修工作量大、一旦接收完成不易更改，正在逐步被淘汰。作为载人工具，人们对于电梯在运行的平滑性、高速性、准确性和高效性等一系列静态性能方面提出了更高的要求。目前电梯的发展呈现出以下特点：结构不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化随着新技术、新结构、新材料、新工艺的发展，电梯的机械系统结构简单化、体积小型化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。同时，无机房电梯在新世纪将会有较大速度发展。技术含量更高，性能更好。电梯行业技术发展非常迅速，几年前推出的具有先进性能、高舒适性的VVVF电梯，如今已成为电梯行业的标准配置，因为永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更洁净、更安全、更安静、更经济的特点，所以永磁同步曳引机逐步成为新型曳引机的主流。由于永磁技术的先进性，将来很有可能取代VVVF技术。另外，网络控制和智能群控系统以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性亦是电梯的发展潮流。安装更加方便、更加快捷高效、安全、可重复使用的无脚手架安装，将是高层电梯安装的主要方式；随着新技术的开发、应用，电梯的硬件系统给安装带来更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。此外，电梯的双向安全装置、无抵抗、无线控制、绿色环保安全、环保、节能、舒适，也将是未来电梯的重要发展方向。1.4 预期目标可编程序控制器的引入使得控制领域的面貌焕然一新，将其运用于电梯控制中也使得电梯领域得到了快速的发展。可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程面向用户的“自然语言”编程，适应工业环境，简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置，是在继电器顺序控制基础上发展起来的一种以处理器为核心的通用自动控制装置，它既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口和维修方便等诸多高品质性能，又采用一种可编程运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。在电梯控制领域，PLC也得到了广泛而深入的应用。PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。目前世界上PLC产品可按地域分为三大流派，一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离的情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性。欧美以大中型PLC而闻名，而日本的主推产品定位在小型PLC上。日本三菱公司的PLC产品就是其中的代表，FX2系列是三菱公司在20世纪90年代开发的整体式高功能小型机，配有各种通信适配器和特殊功能单元，FX2N是今年推出的高功能整体式小型机，它是FX2的换代产品，各种功能有了全面的提升,能够满足一般的工程系统开发应用。本设计根据任务书要求，将三菱FX2N系列可编程序逻辑控制器（PLC）应用于五层居民电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，实现电梯运行的可靠性、可维护性以及灵活性，与传统电梯控制系统相比，提高了电梯的控制水平，改善电梯运行的舒适感，使电梯达到较为理想的运行效果。当乘客进入电梯后，按动楼层按钮，电梯实现自动关门（也可手动控制），根据轿厢所处位置及乘客所到层数，判定轿厢的运行方向并显示，保证轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，与电梯相同运行方向时停车，执行开关门动作。另外在轿厢内外均有信号灯显示电梯的运行方向及所处楼层数。2 电梯控制系统需求分析2.1电梯控制系统基本结构随着工业技术的发展，电梯的控制技术经历了由继电器控制系统向可编程控制器控制系统转变的过程。传统的继电器电梯控制系统是一种逻辑电路控制系统，采用继电器构成逻辑电路实现对电梯的控制，需要器件很多，电路复杂，可维护性差，远远不能满足人们对于运行效率和乘坐舒适度的要求。PLC技术的发展使得电梯控制技术提升到一个新的层次，电梯运行的效率、舒适度、安全性以及可维护性都有了质的飞跃。PLC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部分组成。图1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。系统控制核心为PLC主机，操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护等信号通过PLC输入接口送入PLC，然后通过程序控制向拖动系统发出信号。图1 电梯PLC控制系统的基本结构图2.2 电梯的主要组成部分（1）首先是电梯的电力拖动部分部分。这一部分由拽引部分、电动机以及相应的开关电路以及开门机组成。曳引部分，通常由曳引机和曳引钢丝绳组成；电动机带动曳引机旋转，使轿厢上下运动，开关电路负责设备与电力线路的接通与断开，开门机则负责电梯能够正确地开门和关门。该部分直接与楼宇电力线路相连接，提供电梯运行的动力。由控制系统的信号驱动控制完成电梯的开关门、启动、制动、平层等动作，是电梯工作的最上层，实现电梯的正确运行。（2）第二部分是电梯的主要硬件组成，电梯最主要的部分是轿厢、厅门和井道，轿厢主要承担载人任务，门厅承担开关门的任务。轿厢和厅门轿厢由轿架、轿底、轿避和轿门组成；厅门一般有封闭式、中分式、双折式、双折中分式和直分式等形式。（3） 电气设备及控制装置由曳引机、选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和显示器组成，显示器包括两部分，分别是轿厢内和各层的门厅中指示电梯运行方向和所处楼层的显示器。（4） 其他装置。其他的附属装置包括电梯的重量平衡系统及设备和平层设备，以实现电梯的平稳、安全、高效运行，提高乘客乘坐电梯的舒适感。2.3 电梯的安全保护装置（1）电磁制动器：电磁制动器是一种将主动侧扭力传达给被动侧的连接器，可以据需要自由的结合，切离或制动。因使用电磁力来动作，称之电磁制动器，具有响应速度快，结构简单等优点，也称作刹车闸。将电磁制动器装于曳引机轴上，一般采用直流电磁控制器，启动时通电松闸，停层后断电制动。（2）行程极限保护装置。为防止电梯由于限位开关不起作用，轿厢超越顶层或底层端站继续运行，不需设置保护装置以防止发生严重的后果和结构损坏。防止越程的保护装置一般是由设置在井道内上下端站附近的强迫换速开关、限位开关和极限开关组成，这三种开关均为电气开关，都必须符合电气安全触点要求。这些开关或碰轮都安装在固定于导轨的支架上，由安装在轿厢上的撞杆触动而动作。强迫减速开关是防止越程的第一道关，设置在正常缓速开关之后，两个换速开关分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上的撞块就触动此开关，通过电气传动控制装置，使电动机强迫减速，以避免轿厢冲顶或者登底。限位开关是防止越程的第二道关，当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，就会触动限位开关，此时限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。极限开关是防越程的第三道保护，当限位开关动作后电梯仍不能停止运行，则触动极限开关切断电路模式驱动主机迅速停止运转。极限开关应能防止电梯在两个方向的运行越程，而且不经过专业人员调整电梯不能自动恢复运行。防越程保护开关都是由安装在轿厢上的撞杆触动的，撞杆必须保证有足够的长度，在轿厢整个越程的范围内都能压住开关，而且开关的控制电路要保证开关断开时，电路始终不能接通。（3）急停开关：按照要求在轿顶、底坑和滑轮间必须装设急停开关，为了醒目和提醒人们注意，急停开关需要设置为红色的，并且标有“停止”和“运行”的位置。发生异常情况时，按“停止”按钮即可切断电源，电磁制动器制动，电梯紧急停车。轿顶的停止开关应面向轿门，离轿门距离不大于1m；底坑的停止开关应安装在进入底坑可立即触及的地方。当地坑较深时可以在下底坑时梯子旁和底坑下部各设一个串联的停止开关。最好是能联动操作的开关，在开始下底坑时即可将上部开关打在停止的位置，到底坑后也可用操作装置消除停止状态，由安装在轿顶或其他地方的检修运行装置进行控制。（4）厅门开关：每个厅门开关都装有门锁开关，仅当厅门关上才允许电梯启动。在运行中如出现厅门开关断开，电梯会立即停车。（5）关门安全开关：常见的是装于轿厢门边的安全触板，在关门的过程中如安全触板碰到乘客，将发出信号，门电动机停止关门，反向开门，延时重新关门。此外还有红外线开关等。（6）超载开关：当超载时轿厢底下降，超载开关动作，电梯不能关门和运行。（7）其他开关：除上述开关外，还有安全窗开关，钢带轮的断带开关等。电梯信号的控制基本由PLC软件实现。电梯信号控制系统如图2所示，输入到PLC的控制信号有运行方式选择（如自动、检修、消防运行方式等）、运行控制信号、轿内指令、层站召唤、安全保护信号、旋转编码器光电脉冲、开关门信号及限位信号、门区和平层信号等。图2 电梯信号PLC控制系统图2.4 电梯控制系统可实现的功能电梯控制系统能够实现的基本功能如下：（1）一台电动机控制轿厢的上升和下降。（2）各层的门厅设置上下呼叫开关（最顶层只设置向下呼叫开关，最底层只设置向上呼叫开关）。（3）电梯到位后具有手动或自动开门或关门功能。（4）电梯内设有层楼指示键、开关门按键、警铃风扇及照明按键。（5）电梯内外设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯。轿厢内和各楼层的门厅内均有两种指示灯，一种是方向指示灯，分别指示向上和向下运行的状态，并分别与上行接触器SC和下行接触器XC连接，另一种是轿厢所处楼层的显示器，显示器由七段显示译码器构成，与检测轿厢位置的干簧管通过连接电路相连，能够连续显示，随时显示轿厢所处的位置。（6）待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门迎客。（7）自动关门与提早关门。在一般情况下，电梯停站4到6秒应能自动关门。在延时时间内，按下关门按钮，门将提前实现关门动作。（8）按钮开门。在开关过程中或门关闭后电梯启动前，按下操纵盘上的开关门按钮，门将打开。（9）内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序自动停靠，并自动确定运行方向。（10）自动定向。当轿厢内操纵盘上选层指令相对于电梯位置具有不同方向时，电梯应能俺先入为主的原则自动确定运行方向。（11）呼梯记忆与顺向截停。电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。（12）自动换向。当电梯完成全部轿厢内指令，应能自动换向，应答相反方向的信号。（13）自动关门待客。当完成全部轿厢内指令，又无外呼梯信号时，电梯应自动关门，并在设定时间内自动关闭轿厢照明。（14）自动返基站。当电梯设有基站（本设计中，基站为一楼）时，电梯在完成全部指令后，自动驶回基站，停机待客。2.5 电梯操作方式通过查阅资料，了解到常见的电梯操作方式有如下两种：第一种，单轿厢下集选是控制室登记所有轿厢和厅门下行召唤，轿厢上行是只答应轿厢召唤，直至最高层后自动改变运行方向为下行，应答厅门下行召唤。第二种，单轿厢全集选是控制室等级所有门厅和轿厢召唤，上行时顺应答轿厢和厅门上召唤。直至最高层自动反向应答下行召唤和轿厢召唤。2.6 减速及平层控制电梯的工作特点是频繁起制动，为了提高工作效率，改善舒适感，要求电梯能平滑减速至速度为零时，准确平层，即“无速度停车抱闸”，不要出现爬行现象或低速抱闸，即不要直接停止。做到这一点的关键是准确发出减速信号，在接近层楼面时按距离精确地自动矫正速度给定曲线。本设计采用旋转编码器检测轿厢位置，只要电梯一运行，计数器就可以精确地确定走过的距离，达到与减速点相应的预制数时即可发出减速命令。不论哪种方式产生的减速命令，由于负载变化、电网波动、钢丝绳打滑等，都会使减速过程不符合平层技术要求，为此一般在离楼层100mm到200mm处设置一个平层矫正器，以确保平层的长期准确性。3 电梯硬件设计3.1 轿厢楼层位置检测通过查阅资料，了解到现在工程中进行轿厢楼层位置检测的主要方法有以下几种：（1）用干簧管磁感应器或其它位置开关这种方法直观、简单，但由于每一层都需要使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。（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，在各种编码方式中式和电梯控制的只有格雷变形码，但它是无权代码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也只会使程序变得庞大。（3）利用旋转编码器目前，PLC一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元，计数准确，使用方便，因而在电梯PLC控制系统中，可用编码器测取电梯运行过程中的准确位置。编码器可直接与PLC高速脉冲输入端相连，电源也可利用PLC的内置24V直流电源，硬件连接可谓简单方便，高层电梯可以应用这种方法。本设计中的楼层只有五层，综上所述，采用干簧管磁感应器来检测轿厢所处楼层位置。楼层感应干簧管的示意图如图3所示。图3 楼层感应干簧管示意图3.2 门电梯选择电梯门有层门和轿门之分，两门的开启是同时进行的，实现开关门的动作用一台小电动机驱动即可。门电动机是开关门的动力源，通常采用直流电动机。门电气拖动线路通常由门电动机、门继电器触电及电阻分压线路等部分组成。采用他励方式，并用变压调速方式方法来控制开关门的速度，即控制门电动机转速。3.3 门安全装置选择层门和轿门的开启是同步进行的，为保证乘客的安全，电梯门的入口处必须有安全保护装置。在门上或门框上装有机械的或电子的门探测器，当门探测器发现门区有障碍时，便发出信号给控制部分，停止关门、重新开门，待障碍消除后，方可关门。通常有光电式保护装置、超声波保护装置和防夹条等类型，本设计采用光电式保护装置。将光电装置安装在门上，使光线水平地通过门口，当乘客或物品遮断光线时，就能使门重新打开。光幕，即红外线微扫描探测装置，作为一种光电产品，可以代替机械安全触板，或将光幕与触板合成为具有双重保护功能的二合一光幕。这已成为电梯界广泛采用的电梯门保护装置。光幕划分为普通光幕、二合一光幕和三维光幕。普通光幕可直接代替机械式安全触板，分为运动型光幕和非运动型光幕。运动型光幕在普通光幕种占据主导地位，也得到了多数厂家的认同。二合一光幕由于具有双重保护功能，即将成为门电梯保护装置的主流。三维光幕在最近几十年才推出，技术不够成熟，需要继续改进。4 PLC型号确定4.1 PLC结构原理4.1.1 PLC的硬件系统结构PLC是在继电器控制和计算机控制的基础开发的产品，逐渐发展以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动装置。不同的生产厂家生产的可编程逻辑控制器的结构多种多样，但基本组成原理是一样的。国际电工委员会（IEC）所作的定义为：可编程序控制器（PLC）是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。从硬件来看，PLC主要由CPU，存储器，I/O接口，电源，编程器等组成。（1）CPU：CPU板是PLC的核心部件，它包括：微处理器CPU、存储器（ROM、RAM）、并行接口（PIO）、串行接口（SIO）及时钟控制电路等。CPU板是PLC的运算、控制中心，用来实现各种逻辑运算、算术运算及对整机进行管理控制；PLC内部配有程序存储器和数据存储器（ROM，RAM），分别用于存储系统程序和用户程序，并生成用户环境；并行接口和串行接口主要用于CPU与各接口电路之间的信息交换。时钟及控制电路用于产生脉冲及各种控制信号。（2）存储器：PLC配有两种存储器，即系统存储器和用户存储器。系统存储器用来存放系统管理程序，用户不能访问和修改这部分存储器的内容。用户存储器用来存放编制的应用程序和工作数据状态。存放工作数据状态的用户存储器部分也成为数据存储区，它包括输入/输出数据映像区、定时器/计数区预置数和当前值的数据区及当前值的数据区及存放中间结果的缓冲区。PLC的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM），可以提供各种形式的读取/写入方式。（3）输入/输出接口：输入电路通常有两种形式：直流输入和交流输入电路。输入电路的作用是接收现现场输入设备送来的控制信号，并经光电耦合器隔离后转换成PLC内部的标准电平信号，然后由CPU读入并送至输入映象寄存器中，供程序执行使用。输出电路的作用是将PLC的输出控制信号送给外部输出设备，通过输出设备控制被控制对象工作。输出电路共有三种形式：一种是继电器形式，它是通过控制继电器的线圈使其触点的通断来控制输出设备，实现电气隔离；另一种是晶体管输出型，它是通过光电耦合器使输出开关晶体管通断，进而控制输出设备；第三种是可控硅输出型，通过触发可控硅的通断实现对外部输出设备的控制。根据输入输出点数的多少，可以将PLC分为小型、中型和大型三类。其中小型PLC的I/O点数少于256，具有单CPU和8位或者16位处理器，用户存储器容量为4KB以下。本设计中要求使用的三菱FX2N系列PLC就是小型机。（4）电源：电源单元的作用是把外部电源（220V交流电源）转换成内部工作电压。外部连接的电源通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（直流5V、12V、24V），并为外部输入单元提供24V直流电源（仅供输入端点使用）。驱动PLC负载的电源由用户提供。（5）编程器：编程器是PLC重要的外部设备，利用编程器可将用户程序送入PLC的用户程序存储器，调试程序、监控成语的执行过程。编程器从结构上可分为简易编程器、图形编程器和通用计算机编程器三种类型。4.1.2 PLC的软件组成PLC的软件有系统程序和用户程序组成。系统程序由PLC制造厂商设计编写，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序及监控程序等。PLC的用户程序是用户自己利用PLC编程语言，根据控制要求编制的程序。本设计中，最重要的是用PLC的编程语言编写电梯运行的程序，以实现控制电梯的目的。4.1.3 PLC的工作原理PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，指导END指令结束；然后再从头开始执行，并周而复始地重复，指导停机或从运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。这种执行程序的方式称为扫描工作方式，每完成一次程序就构成一个扫描周期。PLC的扫描工作方式主要分为输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。（1）输入处理PLC以重复扫描方式执行用户程序。在执行程序前首先按地址编码顺序将所有输入端子的通断状态（输入信号）读入输入映像寄存器中，然后开始执行程序。在执行过程中，即使输入状态发生了变化，但输入映象寄存器中的内容不变，直到一个扫描周期的输入处理阶段才重新读输入状态。（2）程序执行在程序执行阶段，PLC顺序扫描用户程序。每执行一条程序所需要的信息都是从输入映象寄存器和其他软元件映象寄存器读出并参与运算，然后将执行结果写入有关的软元件映象寄存器中，因此各软元件映象寄储器中的内容随着程序的执行在不断的变化。（3）输出处理当全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输出锁存寄存器中，构成PLC的实际输出并由输出端子送出给执行器。4.2 PLC控制系统I/O端口的设计要设计PLC设备的I/O端口，首先要分析电梯的层数、电梯类型、控制的方式以及应用场所，从而确定PLC输入信号和输出信号端口的数量。电梯作为一种多层次、长距离运行的大型设备，在井道、厅外及轿厢内有大量的信号要进入PLC。本文要设计的是五层居民用电梯，根据任务书的要求作如下分析：轿内输入信号按钮：1AN-5AN，共5个，用于乘客在电梯内下达各层轿内指令。厅外召唤按钮：1ASZ-4ASZ、2AXZ-5AXZ，共8个，用于厅外乘客发出召唤信号。楼层感应干簧管：1G-5G。由上文分析可知，干簧管磁感应器用于检测轿厢所处楼层，它们所对应的这五个PLC输入信号端口安装在井道中每层的平层位置附近，在轿厢上安装有隔磁钢板，当电梯上行或下行，隔磁钢板进入干簧管内时，干簧管中的触点动作发出控制信号。干簧管的作用有两方面，一是发出电梯减速信号，二是发出楼层指示信号。平层感应干簧管：有SPG、XPG、MQG共3个，安装在轿厢顶部，在井道相应位置上装有隔磁钢板。当钢板同时位于SPG、XPG和MQG之间时，电梯正好处于平层位置。门厅开关1TMK-5YMK，轿门开关JMK，共6个，分别安装在厅门、轿门上。当它们全部闭合时，说明所有门都已关好，电梯允许运行；若上述开关有任何一个没有闭合，说明有的门是打开的，这时不允许电梯运行。这6个开关没有在PLC的输入输出端口上，但是他们的闭合与否直接影响PLC的工作，从而决定电梯能否正确地运行。开门按钮AKM，关门按钮AGM，用于乘客手动开、关控制。强迫换速开关SHK、喜欢看，共2个。SHK和XHK分别装在井道中对应最高层（5层）和最底层（1层）的相应位置。电梯运行到最高层或最低层时，如果正常的换速控制没有起作用，则碰撞这两个开关使电梯强迫减速。接触器SC、XC、KC、MC、KJC、1MJC及2MJC，共7个。楼层指示灯1ZD-5ZD，共5个；自动开关门控制信号，共2个；厅外护体信号指示灯1SZD-4SZD、2XZD-5XZD，共8个。根据以上分析，可以得到PLC的I/O分配表如表1所示。表1 电梯系统PLC输入/输出端口分配表输 入输 出安全回路X0五层位置显示灯5ZDY0五层下召唤按钮5AXZX1四层位置显示灯4ZDY1四层下召唤按钮4AXZX2三层位置显示灯3ZDY2三层下召唤按钮3AXZX3二层位置显示灯2ZDY3二层下召唤按钮2AXZX4一层位置显示灯1ZDY4上平层感应干簧管XPGX5一层上召唤指示灯1SZDY5下平层感应干簧管SPGX6二层上召唤指示灯2SZDY6门区感应干簧管MQGX7三层上召唤指示灯3SZDY7门连锁回路X10四层上召唤指示灯4SZDY10五层感应干簧管5GX11二层下召唤指示灯2XZDY11四层感应干簧管4GX12三层下召唤指示灯3XZDY12三层感应干簧管3GX13四层下召唤指示灯4XZDY13二层感应干簧管2GX14五层下召唤指示灯5XZDY14一层感应干簧管1GX15自动开门输出信号Y15五层轿内指示按钮5ANX16按钮开门输出信号Y16四层轿内指示按钮4ANX17上行接触器SCY17三层轿内指示按钮3ANX20下行接触器XCY20二层轿内指示按钮2ANX21快速接触器KCY21一层轿内指示按钮1ANX22快加速接触器KJCY22四层上召唤按钮4ASZX23第一慢加速接触器1MJCY23三层上召唤按钮3ASZX24第二慢加速接触器2MJCY24二层上召唤按钮2ASZX25一层上召唤按钮1ASZX26下强迫换速开关XHKX27上强迫缓速开关SHKX30开门按钮AKMX31关门按钮AGMX32检修开关X33轿内电锁X344.3 PLC设备型号的确定由上面的分析可知，现场输入信号共有29个，输出信号共22个，可选择三菱FX2N-64M型PLC，该型号的PLC基本单元输入32点，输出32点，属于小型机，能够满足要求。各层厅门开关触点串联后输入X10，只要任何一层门没有关好，X10就不能动作。电梯控制系统接线图如图4所示：图4 PLC接线原理图5 电梯控制系统软件设计5.1 电梯控制流程图根据电梯的工作原理与功能要求以及输I/O点的地址分配表，绘制电梯的程序流程图和设计电梯的程序梯形图，电梯控制程序流程图5所示。梯形图程序由七个主要部分构成：楼层信号控制、轿内指令信号控制、厅外召唤信号控制、自动选向控制、启动换速控制、平层控制、开关门控制。图5 电梯控制程序流程图5.2 电梯控制系统主要环节5.2.1 楼层信号控制环节根据控制的要求，楼层信号控制梯形图如图6所示。图6 楼层信号控制梯形图由上文可知，PLC输出端口Y0到Y4分别对应接通五层到一层的楼层显示信号。楼层显示是连续变化的，电梯运行到是下一层楼层感应器动作之前的任何位置，应一直显示上一层的楼层数。例如，电梯最初处于一层，X15为ON，Y4为ON，由I/O接线图可知，指示灯1ZD亮，显示1，即轿厢处于一层；当电梯离开1层向上运行时，由于1G为OFF使得X15为OFF，但Y4通过自锁维持ON状态，所以，1ZD一直亮；当达到2层2G处时，由于X14为ON，使得Y3为ON，此时2ZD亮，Y3长闭触点使Y4为OFF，即此时指示灯2亮，同时指示灯1熄灭。在其他各层时情况与此相同。5.2.2 轿内指令信号控制环节轿内指令信号控制环节梯形图如图7所示。图7 轿厢内信号控制环节该环节可以实现轿厢内指令的登记与消除。中间继电器M112-M116中的一个或几个为ON时，表示相应楼层的轿内指令被登记，反之，当其中的一个或几个为OFF时，表示相应的指令信号被消除。本梯形图对M112-M116均采用SET/RST指令编程。从图中可知，各层的轿内指令登记和消除方式都是一样的。现在假设电梯在一层，处于停止状态，Y17（SC）为OFF，Y20(XC)为OFF；乘客按下2AN、4AN，则X21为ON，X17为ON，从而使M115为ON，M113为ON，即2、4两层的轿内指令被登记。当电梯向上运行到达第2层的楼层感应器2G处时，由楼层信号控制环节可知Y3为ON，于是M115为OFF，即2层的轿内指令被清除，表明该指令已被执行完毕。而M113由于其复位端的条件不具备，所以4层轿内指令仍然保留，只有当电梯到达第4层时，该信号才被解除。5.2.3 厅外召唤信号控制环节厅外召唤信号控制环节的梯形图如图8所示。图8 厅外召唤信号控制环节梯形图厅外召唤信号控制环节实现厅外召唤指令的登记及消除，编程形式与轿内指令环节基本相似。设电梯在1层，2、4层厅外乘客欲乘梯上行，故分别按下2ASZ、4ASZ，同时2层还有乘客欲下行，按下2AXZ。于是X23为ON，X4为ON，输出继电器Y6为ON，Y10为ON，分别使呼梯信号灯2SZD、4SZD、2XZD亮。系统接到指示信号后操作电梯向上运行，故M130为ON。当电梯到达2层停靠时，Y3为ON，故Y6为OFF，2SZD灯熄灭。由于4层上召唤信号Y10仍然处于等级状态，故上行控制信号M130此时并不释放（具体在选向环节中分析）。因此，电梯虽然目前在2层，但这层下行召唤信号Y11仍然不能清除，灯2XZD仍然亮。只有当电梯执行完全部上行任务返回到2层时，M131为ON，Y3为OFF，下行召唤信号Y11才被清除。这就实现了只清除与电梯运行方向一致的召唤信号这一控制要求。5.2.4 自动选项控制环节所谓选向，就是电梯根据乘客下达的轿内指令，自动选择合理的运行方向。自动选向控制环节的梯形图如图9所示。图9 自动选项控制环节梯形图图中的内部继电器M130、M131分别称为上下方向控制中间继电器，它们直接决定着方向输出继电器Y17/Y20的ON或OFF状态，从而控制继电器SC/XC，即决定着电梯的运行方向。下面分析其选向原理：设电梯位于1层，轿内乘客欲前往3层和5层，按下3AN、5AN，X21为ON，X16为ON，由轿内指令环节知M114为ON，M112为ON。又因为电梯位于1层，由楼层信号控制环节知，Y4为ON，图9中，其动触点打开，于是已闭合的M114和M112只能使上行控制继电器M130为ON，而不会使M131回路接通，即电梯自动选择了上行方向。接着电梯向上运行到第3层停下来，Y2为ON，轿内指令M114为OFF，但M112仍然登记。这时M130保持ON状态，即仍然维持着上行方向。只有电梯达到5层以后，Y0为ON，才使M130为OFF，这时电梯便执行完全部上行命令。5.2.5 启动换速控制环节电梯启动时快速绕组接通，通过串入和切除电抗器改善启动舒适感。电梯运行到达目的层站的换速点时，应将高速绕组断开，同时接通低速绕组，使电梯慢速运行。换速点就是楼层感应干簧管所安置的位置。启动控制梯形图如图10所示图10 启动控制梯形图换速控制环节梯形图如图11所示。图11 换速控制梯形图在图10、图11中，当电梯选择了运行方向后，M130(M131)为ON，Y17（Y20）为ON，乘客操纵使轿、厅门关闭。若各层们军官好，则X10为ON，于是运行中间继电器M143为ON，有下述过程：M143为ONY21为ON（KC接通快速绕组）T0开始计时(T0为ON)Y23为ON（KJC动作，切除启动电抗器的XQ）显然，在T0延时的过程中，电动机是串入XQ进行降压启动的。当电梯运行到有轿内指令的那一层换速点时，换速中间继电器M143为ON，发出换速信号，如图12所示。例如，有3层轿内指令登记，Y2为ON，只有当电梯运行到3层时，M134为ON，发出换速命令，于是有下述换速过