基于PLC的自动电梯运行系统设计

1、目 录摘 要.IVABSTRACT.V1 前 言1.1 电梯的起源与发展.11.2 载货电梯的特点与技术现状.21.3 本文的研究内容、目的与意义.22 电梯的拖动与控制技术2.1 电梯的定义与种类 .32.1.1 电梯的定义 .32.1.2 电梯的种类 .32.2 电梯的主要组成 .42.2.1 电梯在空间上的组成 .42.2.2 电梯功能的组成 .52.3 电梯的主要拖动技术 .52.3.1 单、双速交流电动机拖动技术 .62.3.2 交流电动机定子调压调速拖动技术 .62.3.3 直流发电机电动机可控硅励磁拖动技术 .72.3.4 可控硅直接供电拖动技术 .72.3.5 交流调速拖动技术

2、 .72.4 电梯的主要控制技术 .72.4.1 继电器控制技术 .72.4.2 交流变频变压控制技术 .82.5 本章小结 .93 货梯控制系统的硬件设计3.1 可编程控制器（PLC）.103.1.1 可编程控制器（PLC）的发展.103.1.2 可编程控制器（PLC）的定义.113.1.3 可编程控制器（PLC）的基本结构.123.1.4 可编程控制器（PLC）的工作原理.133.1.5 可编程控制器（PLC）的性能指标.143.1.6 可编程控制器（PLC）的特点与应用.153.1.7 可编程控制器（PLC）的选择.183.2 变频器.183.2.1 变频器的基本构成 .183.2.2

3、变频器的分类 .193.2.3 变频器的矢量控制原理 .203.2.4 电梯变频调速控制的特点 .213.2.5 变频器的选择 .213.3 货梯控制系统的设计思想.223.4 控制对象.273.5 控制要求.283.6 工作原理.293.7 货梯的硬件结构设计.293.8 本章小结.324 货梯控制系统的软件程序设计4.1 货梯运行时控制的主要指标.334.2 PLC 选型及信号编排 .334.3 货梯轿厢内、外控制按钮的动作要求.344.4 控制程序流程图.344.5 梯形图程序设计.354.5.1 开门、关门梯形图 .354.5.2 货梯到层指示梯形图 .364.5.3 层呼叫指示梯形图

4、 .364.5.4 启动和运行梯形图 .374.5.5 货梯整体运行程序图 .384.6 本章小结.405 货梯监控系统设计5.1 货梯的监控.425.1.1 货梯监控的必要性 .425.1.2 货梯监控的特点、组成与功能 .435.2 货梯监控的软件设计.445.2.1 监控软件概述 .445.2.2 主要程序流程图 .445.3 监控界面设计.475.4 本章小结.48结 论.49谢 辞.50参考文献.51附 录.52摘 要随着微机技术的应用和固体功率器件的发展和完善，电梯控制技术已由 20 世纪前半叶的直流调速发展成为交流变频调速的当代技术1。载货电梯作为电梯的一种，在我国通过引进国际标

5、准和发达国家先进产品和技术，不断发展和完善起来。本文介绍了电梯的起源与发展，载货电梯的特点与技术现状，以及本设计的目的、内容和意义。先对电梯的定义、种类、组成进行阐释，从而对电梯有初步了解。进而介绍了可编程序控制器的发展阶段、定义、基本结构、工作原理、PLC 的性能指标、特点、PLC 的应用、选型；介绍了变频器的作用、基本构成、变频器的分类、变频器的矢量控制原理、电梯变频调速控制的特点。货梯控制系统的设计思想是货梯控制系统采用随机逻辑方式控制。此外本文还介绍了 PLC 工作原理和货梯变频调速的硬件结构设计和软件程序设计2。通过此次毕业设计，我成功地完成了三层货梯的 PLC 控制和变频启动。同时

6、使用计算机实现了对货梯运行状况的监控，也可实现通过计算机对货梯的间接运行控制。由此可以说明，用 PLC 实现楼宇间货梯的自动控制以及货梯、货梯群的远程、集中监控的可行性。关键词：可编程序控制器，货梯控制，变频器，PLC，监控The Design of Freight Elevator Running System Based on PLCABSTRACTIn the wake of utilization in computer technology and the development and improvement of solid power device, elevator cont

7、rolling technology has become modern technology since the first half of the 20thcentury, which is constant current speed regulation to alternating current varying frequency speed regulation. As introducing international standard and advanced products and technologies from developed countries, freigh

8、t elevators as a kind of elevators have been developed and improved in our country.The article introduces the origin and the development of the elevator and the characteristics of the freight elevator with the present situation, and the design of the objectives, contents and significance. At first g

9、ives the definition, types, composition, which hopes to have a preliminary understanding of the lift. And then describes the PLCs stage of development, definition, the basic structure and working principle, performance and features，PLCs application and selection, describing the basic composition of

10、the inverter, classification, the vector control principle of the inverter and VVVF elevator control features. The design of the freight elevator control system is the system with random logic control. In addition the article also introduces the principle of PLC and hardware design of the VVVF freig

11、ht elevator and the VVVF freight elevator software program designation.In this design, three-store freight elevators can be applied by PLC controlling and activated with variable frequency. Also, the computer communication succeeds to operate on the surveillance of the freight elevator and completes

12、 the running controlled indirectly on the computer. Therefore, it is supposed that it is feasible to use PLC to control freight elevators and focus on monitoring them between buildings.Key Words: programmable controller, freight elevator controlling, frequency transformer，PLC , monitoring function1

13、前 言1.1 电梯的起源与发展随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多。所以，电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。尽管交流电动机结构简单，造价便宜，但在调速性能方面却难以满足更高的要求。而对直流电动机来讲，由于后来采用了发电机电动机组调速系统，能较好地满足电梯调速的更高要求。因此，在 20 世纪前半叶，电梯的电力拖动，尤其是高层建筑物中的电梯速度的调节，几乎都是采用直流调速系统来实现的。1900 年美国奥梯斯电梯公司制造出世界上第一台自动扶梯。1915 年已设计成功电梯自动平层控制系统。1933 年美国制造出 6m/s 的高速电梯。在第二次世界大战以后，美国的建筑

14、业得以快速发展，促使电梯也进入发展时期，新技术被广泛用于电梯。1949 年研制出 4-6 台电梯的群控系统。1955 年出现了真空电子管小型计算机控制的电梯。1962 年在美国己出现了 8.5m/s 的超高速电梯。在 1967 年将固体晶闸管用于电梯拖动系统。随着电力电子技术的发展，在用晶闸管取代直流发电机电动机组的同时，研制出了交流调压调速系统，使交流电梯的调速性能得到了明显改善。1976 年将微处理器应用于电梯。1977 年日本三菱电机株式会社开发出了 10m/s 的超高速电梯。至此，电梯的控制技术有了很大发展。进入 80 年代，电梯控制技术又有了新的变化。由于固体功率器件的不断发展和完善

15、以及微机技术的应用，出现了交流变频调速系统。1984 年在日本己将其用于 2m/s 以上的高速电梯。1985 年以后，又将其延伸到中、低速交流调速电梯。交流变频调速技术被认为是电梯行业的当代技术。1985 年日本生产出世界上第一台螺旋式自动扶梯，使其明显减少了占地面积。1993 年日本生产的 12.5m/s 世界上最高速的交流变频调速电梯已投入运行。当前，在电梯电力拖动方面，除了大容量电梯还采用直流拖动系统以外，用交流变频调速方式取代直流调速方式，已成为高速电梯的主流。1.2 载货电梯的特点与技术现状载货电梯是主要为运送货物而设计的并有人伴随的电梯，通常有专职司机操作。一般用在事业单位、商场、

16、工矿企业、仓库等场所，货梯的楼层停站大多数在 10 层下，运行速度一般在 0.63m/s 以下。解放前，全国总共只有电梯 2000 台，货梯的数量就更加的微乎其微，而且国内几乎没有电梯生产企业。解放后，随着我国经济建设的发展，电梯企业应运而生。我国的电梯企业由 60 年代开始起步，到了 70 年代己初具规模。改革开放后，随着经济的快速发展，我国载货电梯的需求量急剧上升。在我国通过引进国际电梯标准以及发达国家的先进产品和技术，产生了一支以中外合资企业为主体的外向型企业队伍。如中国迅达公司、天津奥梯斯公司、上海三菱公司、苏州迅达公司和广州电梯工业公司等企业，就是通过合资和补偿贸易方式，引进发达国家

17、的先进管理和技术，不断改善现有产品结构和管理体制，使企业素质和产品质量都提高到了一个新水平，推出一代电梯新产品。为我国载货电梯的快速发展奠定了坚实的基础。1.3 本文的研究内容、目的与意义当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍。早期的电梯控制装置主要是由继电器、接触器控制逻辑电路组成，存在功能弱、故障多、寿命短等缺点。目前，已经广泛采用可编程序控制器（PLC）来控制电梯，PLC作为新一代工业控制器，以其接线简单，高可靠性和技术先进性，在货梯控制中得到广泛应用，从而使货梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个

18、重要方向，成为当前电梯控制和技术改造的热点之一。本设计的目的就在于用 PLC 代替传统的继电器接触控制逻辑电路，充分利用 PLC的优点和交流变频变压调速系统，通过远程监控使货梯的实际运行更加的安全、高效。设计内容主要包括电梯的拖动和控制技术，货梯控制系统的软硬件设计（梯形图程序设计） ，货梯的监控等组成部分。2 电梯的拖动与控制技术2.1 电梯的定义与种类2.1.1 电梯的定义国家标准 GB7024.1-86电梯名词术语规定，电梯的定义：用电力拖动，具有乘客或载货轿厢，其运行于垂直的或与垂直方向倾斜不大于 15 度角的两侧刚性导轨之间，运送乘客和(或)货物的固定设备。另外，国家标准 GB758

19、8-87电梯制造与安装规范 ，对电梯的技术含义作了如下叙述：乘客方便的进出，轿厢至少部分的在两根垂直的或与垂直方向成倾斜角小于 15度的刚性导轨之间运行。从以上的两个条文可以理解电梯的含义：(1)电梯是由电力来驱(拖)动的。 （2）沿着垂直方向运行的一种提升设备，可以是乘客的，也可以是载货的。(3)轿厢要方便于乘坐乘客或承载货物。2.1.2 电梯的种类1、按运行速度分类（1）超高速电梯（3m/s-10m/s 或更高的电梯，通常用于超高层建筑物内） 。（2）高速电梯（2-3m/s 的电梯。如 2m/s，2.5m/s，3m/s 等;通常用在 16 层以上的建筑物内） 。（3）快速电梯（lm/s 而

20、2m/s 的电梯。如 1.5m/s，1.75m/s；通常用在 10 层以上的建筑物内） 。（4）低速电梯（lm/s 及以下的电梯。如 0.25m/s，0.5m/s，0.75m/s，1m/s；通常用在 10层以下的建筑或客货两用电梯或货梯） 。2、按用途分类（1）乘客电梯（2）载货电梯（3）客货（两用）电梯 （4）病床电梯（5）住宅电梯（6）杂物电梯（7）船用电梯（8）观光电梯（9）车辆电梯3、按有无司机分类（1）有司机电梯必须有专职司机操纵。（2）无司机电梯不需要专门司机，而由乘客自己操纵，具有集选功能。（3）有/无司机电梯根据电梯控制电路及客流量等，平时可改由乘客自己操纵电梯运行，客流大或必

21、要时可由司机操纵。4、按操纵控制方式分类（1）手柄控制电梯（2）按钮控制电梯（3）信号控制电梯（4）集选控制电梯（5）下(或)上集选控制电梯（6）并联控制电梯（7）梯群程序控制电梯（8）梯群智能控制电梯（9）微机控制电梯5、按拖动方式分类（1）直流电梯（2）交流电梯（3）液压电梯（4）齿轮齿条电梯（5）螺杆式电梯（6）直线电机驱动电梯2.2 电梯的主要组成电梯是把机电合成一体的大型复杂产品，为了研究的方便，必须首先对电梯的总体结构有概括认识。2.2.1 电梯在空间上的组成一部电梯总体的组成有机房、井道、轿厢和层站四个部分，也可看成一部电梯占有了四大空间。1、轿厢所属的主要构件：轿顶轮、轿厢架、

22、轿厢底、轿厢门、自动门机构、自动安全触板、平层感应器、护脚板、导靴、对重、电话、绳头板。2、井道所属的主要构件：轿厢导轨、对重导轨、导轨支架和压道板，对重轮、随线电缆、极限开关、端站限位开关、轿厢中间接线盒。3、机房所属的主要构件：控制柜、承重梁、导向轮、限速器、选层器、极限开关。4、层站所属的主要构件：层楼显示器、自动层门钥匙开关、手动钥匙开关、层门门锁、层门框、层门地坎、呼梯钮、到站钟。2.2.2 电梯功能的组成1、导向系统功能：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上、下运动。组成的主要构件与装置：轿厢的导轨、对重的导轨及其导轨架。2、曳引系统功能：输出与传送动力，驱动电

23、梯运行。组成的主要构件与装置：曳引机、曳引钢丝绳、导向轮、反绳轮等。3、轿厢功能：用以运送乘客和(或)货物的组件，是电梯的工作部分。组成的主要构件与装置：轿厢架和轿厢体。4、门系统功能：乘客或货物的进出口，运行时层、轿门必须封闭，到站时才能打开。组成的主要构件与装置：轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等。5、重力平衡系统功能：相对平衡轿厢重力以及补偿高层电梯中曳引绳长度的影响。组成的主要构件与装置：对重和重力补偿装置等。6、电器控制系统图功能：对电梯的运行进行操纵和控制。电梯结构图见图 2.1。2.3 电梯的主要拖动技术电梯的拖动控制系统经历了从简单到复杂的过程，到目前为止应用于电梯的拖动技

24、术主要有以下几个方面。2.3.1 单、双速交流电动机拖动技术2.1 货梯结构图大家都知道交流电动机具有结构紧凑，维修简单等特点。当电动机是单速时，称为交流单速电梯，其速度一般不高于 0.5m/s。当电动机是双速时，称为交流双速电梯，其速度一般不高于 1m/s。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。但它的缺点是舒适感较差，所以一般被用于载货电梯上。2.3.2 交流电动机定子调压调速拖动技术交流电动机定子调压调速拖动技术国外已大量应用于电梯。这种系统采用可控硅闭环调速，加上能耗或涡流等制动方式，使得它所控制的电梯能在中低速范围内大量取代直流快速

25、和交流双速电梯。它的舒适感好，平层准确度高，而造价却比直流电梯低，结构简单，易于维护，多用于 2m/s 以下的电梯。2.3.3 直流发电机电动机可控硅励磁拖动技术直流电动机具有调速性能好，调速范围大的特点，因此很早就应用于电梯，采用发电机电动机组形式驱动。它控制的电梯速度达 4m/s，但是，机组结构体积大，耗电大，维护工作量较大，造价高，因此，常用于对速度，舒适感要求较高的建筑物中。2.3.4 可控硅直接供电拖动技术可控硅直接供电拖动技术在工业上早有应用，但用于电梯上却要解决舒适感问题（尤其是低速段） ，因此应用较晚，它几乎与微机同时应用，比起电动机发电机组形式的直流电梯，它有很多优点。如：机

26、房占地节省 35%，重量减轻 40%，节能 25%到35%。2.3.5 交流调速拖动技术80 年代初，VVVF 变频变压系统控制的电梯问世。当电动机具有调压（variable voltage 缩写为 VV）调速装置时称为交流调速电梯，它采用交流电动机驱动，却可以达到直流电动机的水平，其速度一般不高于 1.75m/s。当电动机具有调压调频（variable voltage variable frequency，缩写为 VVVF）调速装置时称为交流调频调压电梯，简称VVVF 控制电梯，目前控制速度已达 6m/s。它的体积小，重量轻，效率高，节省能源等几乎包括了以往电梯的所有优点。是目前最新的电梯拖

27、动系统。本设计应用的就是这种拖动技术。2.4 电梯的主要控制技术2.4.1 继电器控制技术对使用者来说，在编制程序时，可以不考虑微处理器及存储器内部的复杂结构，也不必用各种计算机使用的语言，而是把 PLC 看成内部由许多“软继电器”组成的控制器，以便于提供使用者按设计继电器控制线路的形式进行编程。这样，从功能上来讲，可以把 PLC 的控制部分看作是由许多“软继电器”组成的等效电路。必须注意的是电路中的继电器并不是实际的物理继电器，它实质上是存储器中的一位的触发器。触发器为“1”态，相当于继电器接通；为“0”态，相当于继电器断开。PLC 为用户提供的继电器一般是：输入继电器、输出继电器、辅助继电

28、器、特殊功能继电器、移位寄存器、计时器、计数器等。这些继电器统称为 PLC 的元素。其中，输入、输出继电器与外部用户输入，输出设备连接，而其他继电器与外部用户设备没有联系，因此统称为内部继电器。继电器由两个主要的部件构成，一是(电磁)线圈，二是(常开、常闭)接点。一旦继电器线圈经接点 A 接通电源，电流就流过线圈(称为得电)，使电磁铁吸动衔铁。衔铁通过机械作用使原来呈闭合状态的常闭接点断开(成为吸断)，紧接着使原来呈断开状态的常开接点闭合(称为吸合)。反之，继电器线圈断电，电源不再给线圈供电(称为失电)，那么衔铁释放返回原位(简称复位)，常开接点也随之断开复位(称为释断)，紧接着常闭接点也复位

29、闭合(称为释合)。2.4.2 交流变频变压控制技术PWM 控制技术是通用型变频器中应用十分广泛的一种电压和频率控制方法，它可以极为有效地抑制输出电压的谐波，而且动态响应较好。在频率控制、效率等诸方面都有着十分显著的优点。1、PWM 控制的原理PWM 是 Pulse Width Modulation 的缩写，即脉宽调制。PWM 控制是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到改变电压的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频的目的。在变频调速应用中，则主要是后者即变压变频。形成 PWM 波形的方法有很多种，其中最基本的方法是利用三

30、角形调制波和控制波的比较。控制系统通过比较电路将调制三角波与各相的控制波进行比较，变换为逻辑电平，并通过驱动电路使功率器件交替导通和关断，则变频器输出各相电压波形。为使逆变器输出电压波形趋于正弦波，常采用 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)控制方式。2、SPWM 控制逆变器开关模式信号通常情况下利用三相对称的正弦波参考信号（控制波）与一个共用的三角波载频信号（调制波）互相比较来生成。控制上常有单极性和双极性两种情况。所谓单极性控制，是指在输出的半个周波内同一相的两个导电臂仅一个反复通断而另一个始终截止。所谓双极性控制是指在输出的半个周波内同一相的两个

31、导电臂互补交替通断，具体工作情况与单极性控制类似。2.5 本章小结本章先对电梯的定义、种类、组成进行阐释，从而对电梯有初步了解。电梯是由电力拖动用以载货或载人的垂直升降装置。空间上由轿厢、井道、机房、层站组成；包含导向系统、曳引系统、轿厢、门系统、重力平衡系统、电器控制系统、电力拖动系统、安全保护系统等。本章主要介绍的是电梯的拖动和控制技术。电梯的拖动技术主要有单、双速交流电动机拖动技术、交流电动机定子调压调速拖动技术、直流发电机电动机可控硅励磁拖动技术、可控硅直接供电拖动技术、交流调速拖动技术。本文主要用的是交流调速拖动技术。电梯的主要控制技术包括继电器控制技术和交流变频变压控制技术。继电器

32、控制技术从功能上把 PLC 的控制部分看作是由许多“软继电器”组成的等效电路。交流变频变压控制技术主要介绍的是：（1）PWM 控制技术即脉宽调制。PWM 控制是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到改变电压的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频的目的。在变频调速应用中，则主要是后者即变压变频。通用型变频器是应用十分广泛的一种电压和频率控制方法，它可以极为有效地抑制输出电压的谐波，而且动态响应较好。 （2）SPWM 控制。形成 PWM 波形的方法有很多种，其中最基本的方法是利用三角形调制波和控制波的比较。控制系统通过比较电

33、路将调制三角波与各相的控制波进行比较，变换为逻辑电平，并通过驱动电路使功率器件交替导通和关断，则变频器输出各相电压波形。为使逆变器输出电压波形趋于正弦波，常采SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)控制方式。包括单极性和双极性两种情况。单极性控制是指在输出的半个周波内同一相的两个导电臂仅一个反复通断而另一个始终截止。所谓双极性控制是指在输出的半个周波内同一相的两个导电臂互补交替通断，具体工作情况与单极性控制类似。3 货梯控制系统的硬件设计随着社会的不断迅速发展，电梯的应用越来越广泛也越来越必要。电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求，而且

34、电梯的首要保证就是安全，所以采用可编程控制器是非常合适的选择。3.1 可编程控制器（PLC）可编程序控制器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发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。因而在冶金、化工、交通、电力、机械等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一。3.1.1 可编程控制器（PLC）的发展可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。这些高新技术的发展推动了可编程序控制器

35、的发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了它们的发展。从控制功能来分，可编程序控制器的发展经历了下列四个阶段。第一阶段：从第一台可编程序控制器问世到 20 世纪 70 年代中期，是可编程序控制器的初创阶段。这一阶段的产品主要用于逻辑运算和计时、计数运算，它的 CPU 由中小规模的数字集成电路组成，它的控制功能较简单。其典型产品包括有 MODICON 公司的 084ALLEN-BRADLEY(AB)公司的 PDQ2,DEC 公司的 PDP-14、日立公司的 SCY-022 等。由于这些产品主要完成逻辑运算功能，因此被称为可编程序逻辑控制器(Programmable

36、 Logic Controller-PLC)。第二阶段：从 20 世纪 70 年代中期到末期，是可编程序控制器的扩展阶段。在这一阶段，产品的主要控制功能得到了较大的发展，它的发展主要来自两方面，从可编程序控制器发展而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同时扩展了其他运算功能；而从模拟仪表发展而来的控制器，其功能主要是模拟运算，同时扩展了逻辑运算功能。因此，按习惯的分类方法，前者被称为可编程序逻辑控制器(PLC)，后者被称为单回路或多回路控制器。可编程序控制器的名称缩写为 PC(Programmable Controller)，但是为了与个人计算机(Personal Computer)的名称缩写

37、 PC 相区别，通常还是把可编程序控制器简称为 PLC，这一阶段的产品有 MODICON 公司的 184,284,384，西门子公司的 SYMATIC S3 系列，富士电机公司的 SC 系列等产品。第三阶段：从 20 世纪 70 年代末期到 20 世纪 80 年代中期，是 PLC 通信功能实现阶段。与计算机通信的发展相联系，PLC 也在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布式的通信网络体系，但是，由于制造企业各自为政，通信系统自成系统，因此，各产品的互相通信是较困难的。在该阶段，由于生产过程控制的需要，对 PLC 的需求大大增加，产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可

38、靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门子公司的 SYMATIC S6 系列、富士电机公司的MICREX 和德州仪器公司的 T1530 等等。第四阶段：从 20 世纪 80 年代中期开始是 PLC 的开放阶段。由于开放系统的提出，使 PLC 也得到了较大的发展。主要表现在通信系统的开放，使各制造企业的产品可以通信，通信协议的标准化使用户得到了好处。在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完善，大中型的产品多数有 CRT 屏幕的显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。这一阶段的产品有西门子公司的 SYMATIC S5 和 S7 系列、AB 公

39、司的 PLC-5 等。3.1.2 可编程控制器（PLC）的定义由于 PLC 在不断发展，因此，对它下一个确切的定义是困难的。在二十世纪七十年代 PLC 问世后，由美国电气制造商协会(National ElectricManufacturer Association-NEMA)对 PLC 下过如下的定义：PLC 是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。1987 年，国际电工委员会(International Electrical Committee-IEC)颁布了 PLC 标准草案，其第 3 版

40、对 PLC 作了如下的定义：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按照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。3.1.3 可编程控制器（PLC）的基本结构PLC 的型号、规格繁多。它主要由中央处理单元 CPU、存储器、输入、输出等部分组成。1、中央处理单元 CPUCPU 是 PLC 的核心，由控制器和运算器组成，并通过内部总线同存储器及输入/输出接口

41、电路相连。其主要作用是：执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序解释后逐条执行，完成程序规定的逻辑和算术运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作。2、存储器PLC 的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。3、输入输出接口电路(简称 I/O)输入输出接口是 CPU 与工业现场装置之间的连接部分，是 PLC 的重要组成部分。PLC 将现场输入信号转换成微处理器能接受的信号，且最大程度排除干扰信号，提高可靠性；输出能将微处理器送出的弱电信号放大成强电信号，驱动各种负载。与微机的I/O 接口工作于弱电的情况不同，PLC 的 I/O 接口是按强电要求

42、设计的，即其输入接口可以接受强电信号，其输出接口可以直接和强电设备相连接。（1）输入接口电路一般由光电耦合电路和微机输入接口电路组成。前者用由发光二极管和光电三极管组成的光耦合器作为关键器件，输入端加上变化的信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号，它照射光电三极管导通。二极管和三极管是按完全隔离的，信号不会反馈。而且二极管正向阻抗值较低，外界干扰源内阻较高，根据分压原理，干扰源馈送到输入端的干扰噪声很小，增强了抗干扰能力。微机的输入接口电路一般由数据输入寄存器、 “选通”电路和中断请求逻辑电路集成而成。（2）输出接口电路一般由微机输出接口和功率放大电路组成。前者由输出数据寄存器、

43、“选通”电路和中断请求电路组成。功率放大电路一般采用继电器、可控硅即晶闸管或晶体管输出。由于输入内部电路输出在电器上完全隔离，从而有效地防止了现场的强电干扰。4、编程器编程器有便携式和 CRT 智能式两大类，前者只能联机编程，而后者既可联机编程，又可脱机编程。便携式编程器体积小，重量轻，可随身携带，便于在生产现场使用。一般的小型 PLC 主要采用便携式编程器。编程器是专用的，不同型号的 PLC 都有自己专用的编程器，不能通用。PLC 正常工作时，不一定需要编程器。因此，多台同型号的 PLC 可以只配一个编程器。5、内部电源和其他设备PLC 的内部电源是指将外部输入的交流信号经过整流、滤波、稳压

44、等处理后转换成满足内部电路工作需要的直流电源或电源模块。PLC 的外部设备还有盒式录音机、打印机、EPROM 写入器及高分辨率屏幕彩色图形监控设备等3。3.1.4 可编程控制器（PLC）的工作原理当 PLC 运行时，用户程序中众多的操作需要执行。但 CPU 是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。由于 CPU 的运算处理速度较快，使得外部出现的结果从宏观上来看几乎是同时进行的，这种分时操作的过程叫做 CPU对程序的扫描。扫描从 0000 号存储地址所存放的第一条用户程序开始，再无中转或跳转的情况下，按存储地址递增的方向顺序逐条扫描用户程序即执行，直到程序结束。每扫描

45、完一次程序，就构成一个扫描周期。然后再从头开始扫描，并周而复始地重复。顺序扫描的工作方式简单，简化了程序设计，并为 PLC 的可靠运行提供了可靠的保障。一方面，所扫描的程序被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用；另一方面，还可以利用 CPU 设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于 CPU 内部故障使程序进入死循环而造成故障的影响。1、PLC 的基本工作如下：（1）输入现场信息：在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点的状态；（2）执行程序：顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算；（3）输出控制信号：根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输

46、出点并行发出相应的 控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC 的扫描周期通常为几十毫秒。图 3.1 可编程控制器工作过程图2、自诊断程序每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和 CPU 等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。此时，PLC 立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。诊断结束后，如无故障，PLC 继续扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有则进行相应的处理，比如，接受

47、编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。处理完通信后，PLC 继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。PLC 就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作。3.1.5 可编程控制器（PLC）的性能指标PLC 的性能，通常是用以下多种指标综合表述，不同品种规格的 PLC 其性能指标是不尽相同的，要根据具体悄况来分析。1、编程语言常用的有梯形图语言、助记符语言、控制系统流程图及某些高级语言等。不同的 PLC 可能采用不同的编程语言。2、用户程序存贮容量：

48、用户程序存贮器用以存贮通过编程输入的用户程序，其存贮量通常是以字为单位来计算。约定 16 位二进制数为一个字，每 1024 个字为 1K 字。中小型的 PLC 存贮容量一般在 8K 以下，大型的 PLC 存贮量有的已达到 256K 及 2M,在编程时每一条指令所占的存贮容量是 1 个字、2 个字等。通常，对于一般的逻辑操作指令，每条指令占 1 个字，计时/计数、移位指令占 2 个字，对于一般的数据操作指令，每条指令占 2 个字。也有的 PLC，用户程序的存贮容量是用编程的步数来表示，每编一条语句为一步。3、I/O 总点数 PLC 的输入和输出量有开关量和模拟量两种。对于开关量 I/O，其 I/

49、O 总数用最大 I/O 点数表示；对于模拟量 I/O，其中 I/O 总数用最大 I/O 通道路数表示。4、扫描速度以 ms/K 字为单位表示。例如 10ms/K 表示扫描 1K 字的用户程序所需的时间为 l0ms。5、指令种类数和总条数用以表示 PLC 的编程和控制功能。6、内部继电器种类和点数包括输入继电器、输出继电器、辅助继电器(无断电记忆和带断电记忆的)、计时器/计数器、移位寄存器、特殊继电器等。而每种继电器点数也不一样。7、工作环境一般都能在下列环境条件下工作：温度 0-55 摄氏度，湿度小于 85%(无结露)。8、有的 PLC 还具有某些特种功能，例如自诊断功能，通信联网功能，监控功

50、能，特殊功能模块，远程 I/O 能力等。9、除以上基本功能指标以外，对于不同的 PLC，还可能列出其它一些指标，如输入输出方式、一些主要硬件(如 CPU、存贮器)的型号以及 PLC 的环境适应性能等。3.1.6 可编程控制器（PLC）的特点与应用可编程控制器最初是为了替代继电器控制系统而研制的，其自身又是一个计算机系统，所以它除了具备继电器控制系统和微型计算机系统的原有功能外，还有其自己的特点：1、PLC 与继电接触控制系统的比较（1）继电接触控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制；PLC 内部用“软”电器、 “软”触点和“软”线连接，为软件控制。（2）继电接触控制系统体积大；P

51、LC 控制系统机构紧凑，体积小。（3）继电接触控制功能改变，需拆线，甚至更换元器件，麻烦；PLC 控制功能改变，只修改程序即可，很方便。（4）继电接触控制全为机械式触点，动作慢；PLC 内部全为“软接点” ，动作快。（5）PLC 控制系统的设计、施工与调试比继电接触控制系统周期短。（6）PLC 控制的自检和监控功能比继电接触控制系统强。（7）PLC 的适用范围比继电接触控制的广泛。（8）PLC 可靠性比继电接触控制的高。2、PLC 与微型机算机的比较（1）PLC 输入输出接口较多，中大型 PLC 输入输出接口更多，便于多路多点控制。（2）PLC 编程直观、简单。而计算机使用汇编语言或其他高级语

52、言编程，比 PLC 编程复杂。（3）PLC 可靠性高、抗干扰能力强。（4）PLC 技术较容易掌握，使用维护方便，对使用者的技术水平要求低。（5）PLC 采用扫描方式进行工作，加上其他原因，所以 PLC 输入输出响应比计算机慢。（6）PLC 体积小，调试周期短。3、PLC 控制电梯的优点（1）在电梯控制中采用了 PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制可靠性大大提高。（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。（3）PLC 可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。（4）PLC 进行故障自动检测与报警等显示，提高运行安全性，并便于检修。（5）用于群呼调配和管理并提高

53、电梯运行效率。（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。4、可编程序控制器（PLC）的应用可编程控制器作为工业自动化的核心设备其应用极为广泛，可以说只要工厂有控制要求，就会有 PLC 的应用。以前，都使用电梯继电器控制系统，虽然，该系统存在一定的优点：（1）所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。（2）系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具仪器。（3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜。（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，己形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。但也存在一定的问题：（1）

54、系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。（3）电磁机构及触点动作速度慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。（5）由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；而且检查故障困难，费时费工。电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊扰。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。目前典型的 PLC 应用主要有以下几个

55、方面：（1）顺序控制：这是可编程控制器最广泛应用的领域，PLC 取代了传统的继电器顺序控制，例如装配生产线、数控机床及电梯控制等。（2）过程控制：在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、电流等。可编程控制器有 A/D 和 D/A 转换模块，这样可编程控制器可以采用模拟控制用于过程控制。（3）数据处理：一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便的对生产中的数据进行处理。用 PLC 可以构成监控系统，进行数据采集和处理，监控生产过程。较高档次的可编程控制器都有位置控制模块，用于控制步进电动机或伺服电动机，实现对各种机械的位置控制。（4）通信联网：某些控制系统需要多台 PLC 连接起

56、来使用或者由一台计算机与多台PLC 组成集选控制系统和总线控制系统。3.1.7 可编程控制器（PLC）的选择可编程控制器作为工业自动化的核心设备其应用极为广泛可以说只要有工厂，有控制要求，就会有 PLC 的应用。由于 PLC 的品种、型号、规格、功能各不相同，综合多种因素考虑，本设计选择了日本 OMRON 公司生产的 CMP-2A 型机。因为 CMP-2A 型机具有以下几方面的优点：CMP-2A 型机专用于开关控制，其体积小，安装起来节省空间，功能强。它不仅具有逻辑控制功能，而且还增加了数据运算、传送与处理功能，成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置。性价比高（MP-2A 型机采用的是箱体结

57、构） ，其价格便宜，可靠性高，易于扩展（该机型的任一种 CPU 箱和任一种扩展箱均可配置在一起） 。因此，用户可根据所需的 I/O 点数进行选件配置，使用灵活、方便。3.2 变频器80 年代初通用变频器实现了商品化。在近 20 年的时间内，经历了由模拟控制到全数字控制和由采用 BJT 到采用 IGBT 两个大的进展过程。目前从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，几乎都可采用交流调速传动。因此可以说在电气调速传动领域内，以变频器应用技术为代表的交流调速传动已经成为电气调速传动的主流。在交流调速系统中，变频器的作用是将频率固定(通常为工频 50Hz

58、)的交流电(三相的或单相的)变换成频率连续可调(多数为 0-400Hz)的三相交流电。变频器的输入(R.S.T)接至频率固定的三相交流电源，输出端(U.V.W)输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。3.2.1 变频器的基本构成通用变频器的基本构成主要由主电路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制电路组成。1、整流器电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相(也可以是单相)交流电整流成直流电。2、逆变器负载侧的变流器为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成三相桥式逆变电路。只要有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，就可以得到任意频率的三相交流电输出。3、中

59、间直流环节由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态或是发电制动状态，其功率因数总不会为 1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能组件(电容器或电抗器)来缓冲，所以又称中间直流环节为中间直流储能环节。4、控制电路控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前己经采用微型计算机进行全数字控制，尽可能简化硬件电路，主要依靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控

60、制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的控制。图 3.2 所示为变频器的使用。图 3.2 变频器的使用3.2.2 变频器的分类1、按变换环节分（1）交交变频器又称为直接式变频器。它是把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的 1/2 以下(0fN/2)，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。（2）交直交变频器又称为间接式变频器。它是先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，在频率的调节范围内，在改替变频后电动机的特性等方面，都具