PLC的电梯控制系统设计

.-...z摘要在当今时代由于工业自动化程度的不断提高对自动化控制的要求也日趋增加，PLC则能在很大程度上很广的*围内实现自动化控制。20世纪60年代末，人们研制出了一种先进的自动控制设备PLC，由于PLC具有优良的技术性能，因此它一问世就很快得到了推广应用。现在PLC不但被用于工业生产，在生活中我们也能常常见到它的身影。例如电梯，随着城市化水平的提高，城市中的高层建筑也越来越多，电梯的应用也越来越广。而电梯的开关门、呼叫、显示等问题也就用到了PLC，利用PLC控制的电梯更加智能化、运行的可靠性更高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期短等优点，所以PLC备受人们重视，成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。为了追随时代的潮流，我设计的五层电梯控制系统就利用了PLC。.-...z.-.z目录22058摘要II25647Abstract III27564目录IV30147第1章绪论657011.1PLC的概述6222961.1.1PLC的简介6208711.1.2可编程控制器的定义7326911.1.3PLC的硬件进展7246261.2PLC的组成及工作原理8295361.2.1中心起“心脏〞作用8314281.2.2存储器8176601.2.3输入/输出接口970681.2.4编程器9134631.2.5PLC的根本工作原理1074321.2.6PLC与继电器控制系统、微机区别10275791.2.7梯形图语言特点10166371.2.8主要技术性能11125071.3PLC的功能及特点11141481.3.1PLC的功能11294881.3.2PLC的特点117780第2章电梯的概述12231872.1电梯的开展简史1273162.2电梯的运行工作情况1389802.3电梯控制系统的组成1422902第3章.三菱F*2N系列可编程序控制器介绍1526563.1可编程控制器的根底认识1598323.2可编程序控制器的工作方式及编程语言1713253.3可编程序控制器与继电器、微机在电梯控制中的应用比拟1921170第4章.PLC控制单台电梯的分析20259364.1电梯模型构造21209614.2PLC单台电梯控制系统功能介绍2374574.3PLC控制单台电梯方案25199624.4PLC单台电梯控制系统根本功能梯形图分析2929525总结与展望4019582参考文献4121128致谢41.-.z第1章绪论1.1PLC的概述1.1.1PLC的简介早期的工业生产中广泛使用的电气自动控制系统是继电器-接触器控制系统。它具有构造简单、价格低廉、容易操作和对维护技术要求不高的优点，特别适用于工作模式固定、控制要求比拟简单的场合。随着工业生产的迅速开展，继电控制系统的缺点变得日益突出。由于其线路复杂，系统的可靠性难以提高且检查和修复相当困难。

1968年，美国通用汽车公司〔GM〕为适应汽车工业剧烈的竞争，满足汽车型号不断更新的要求，向制造商公开招标，寻求一种取代传统继电器-接触器控制系统的新的控制装置，通用汽车公司对新型控制器提出的十大条件是：

1.编程简单，可在现场修改程序；

2.维护方便，采用插件式构造；

3.可靠性高于继电接触控制系统；

4.体积小于继电接触控制系统；5.本钱可与继电器控制柜竞争；

6.可将数据直接输入计算机；

7.输入是交流115V(美国标准系列电压值)；

8.输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀、交流接触器、小功率电机等；

9.通用性强，能扩展；

10.能存贮程序，存储器容量至少能扩展到4KB。根据上述要求，美国数字设备公司(DEC)在1969年首先研制出第一台可编程控制器PDP-14，在汽车装配线上使用，取得了成功。接着，美国MODICON公司也开发出了可编程控制器084。1971年日本从美国引进了这项新技术，很快研制出日本第一台可编程控制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从1974年开场研制，1977年开场工业推广应用。早期的可编程控制器是为了取代继电器控制线路，其功能根本上限于开关量逻揖控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，一般称为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,简称PLC)。这种PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，在硬件设计上特别注重适用于工业现场恶劣环境的应用，但编程需要由受过专门训练的人员来完成，这是第一代可编程控制器。现代的PLC不仅能实现开关量的顺序逻辑的控制，而且具有数字运算、数据处理、运动控制以及模拟量控制，还具有远程I/O、网络通信和图像显示等功能，已成为实现生产自动化、管理自动化的重要支柱。著名的PLC制造厂商有：美国Rockwell自动化公司所属的A-B〔Allen&Bradly〕公司、GE-Fanuc公司，德国的西门子〔SIEMENS〕公司和法国的施耐德(SCHNEIDER)自动化公司，日本的欧姆龙〔OMRON〕和三菱公司等。1.1.2可编程控制器的定义1987年，国际电工委员会IEC(InternationalElectricalmittee〕公布了可编程序控制器最新的定义：可编程控制器是一种能够直接应用于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，控制各类的机械或生产过程。可编程控制器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。可见，PLC的定义实际是根据PLC的硬件和软件技术进展而开展的。这些开展不仅改良了PLC的设计，也改变了控制系统的设计理念。这些改变，包括硬件和软件的。1.1.3P采用新的先进的微处理器和电子技术到达快速的扫描时间；〔2〕小型的、低本钱的PLC，可以代替四到十个继电器，现在获得更大的开展动力。〔3〕高密度的I/O系统，以低本钱提供了节省空间的接口；〔4〕基于微处理器的智能I/O接口扩展了分布式控制能力，典型的接口如PID，网络，CAN总线，现场总线，ASCll通信，定位，主机通讯模块，和语言模块〔如BASIC,PASCAL)等。〔5〕包括输入输出模块和端子的构造设计改良，使端子更加集成。〔6〕特殊接口允许*些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等；〔7〕外部设备改良了操作员界面技术，系统文档功能成为了PLC的标准功能。

2.与硬件的开展相似，PLC的软件也取得了巨大的进展，大大强化了PLC的功能：〔1〕PLC引入了面向对象的编程工具，并且根据国际电工委员会的IEC61131-3的标准形成了多种语言；〔2〕小型PLC也提供了强大的编程指令，并且因此延伸了应用领域；〔3〕高级语言，如BASIC,C在*些控制器模块中已经可以实现，在与外部通讯和处理数据时提供了更大的编程灵活性；〔4〕梯形图逻辑中可以实现高级的功能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能；〔5〕诊断和错误检测功能从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的过程和设备诊断；〔6〕浮点算术可以进展控制应用中计量、平衡和统计等所牵涉的复杂计算；〔7〕数据处理指令得到简化和改良，可以进展涉及大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制和数据采集和处理功能。1.2PLC的组成及工作原理1.2.1中心起“心脏〞纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能〔系统程序存储器的解释编译程序〕，把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象存放器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象存放器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：CPU由控制器、运算器和存放器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。1.2.2具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器〔RAM〕组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。1.2.3输入/〔1〕输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律一样的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能承受的数字信号。〔2〕输出接口PLC的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载1.2.4编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC的RS232口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过NSTP-GR软件〔或WINDOWS下软件〕向PLC内部输入程序。1.2.5PPLC采用“顺序扫描，不断循环〞的工作方式〔1〕每次扫描过程。集中对输入信号进展采样。集中对输出信号进展刷新。〔2〕输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进展执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进展下一次扫描时，新状态才被读入。〔3〕一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。〔4〕元件映象存放器的内容是随着程序的执行变化而变化的。〔5〕扫描周期的长短由三条决定。〔1〕CPU执行指令的速度〔2〕指令本身占有的时间〔3〕指令条数〔6〕由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。1.2.6P〔1〕PLC与继电器控制系统区别前者工作方式是“串行〞，后者工作方式是“并行〞。前者用“软件〞，后者用“硬件〞。〔2〕PLC与微机区别前者工作方式是“循环扫描〞。后者工作方式是“待命或中断〞PLC编程方式PLC最突出的优点采用“软继电器〞代替“硬继电器〞。用“软件编程逻辑〞代替“硬件布线逻辑〞。PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。1.2.7〔1〕每个梯形图由多个梯级组成。〔2〕梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当*一梯级的逻辑运算结果为“1〞时，有假想的电流通过。〔3〕继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。〔4〕每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。〔5〕输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。1.2.8用户程序存储容量：是衡量可存储用户应用程序多少的指标。通常以字或K字为单位。16位二进制数为一个字，每1024个字为1K字。PLC以字为单位存储指令和数据。一般的逻辑操作指令每条占1个字。定时/计数，移位指令占2个字。数据操作指令占2~4个字。1.3PLC的功能及特点1.3.1PLC的功能PLC是工业上专门用来控制各种工艺操作的可编程逻辑控制设备，功能非常强大，可以执行逻辑运算，定时，顺序控制，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它其实就是一台工控电脑，不过需要专业的编程人员对其编程才能实现相应的过程控制。1.3.2PLC的特点〔1〕可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。〔2〕配套齐全，功能完善，适用性强PLC开展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、C等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的开展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。〔3〕易学易用，深受工程技术人员欢送PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员承受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制翻开了方便之门。〔4〕系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。〔5〕体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。第2章电梯的概述2.1电梯的开展简史据国外有关资料介绍，公元前2800年在古代埃及，为了建筑当时的金字塔，曾使用过由人力驱动的升降机械。公元1765年瓦特创造了蒸汽机后，1858年美国研制出以蒸汽为动力，并通过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯。1878年英国的阿姆斯特朗创造了水压梯。并随着水压梯的开展，淘汰了蒸汽梯。后来又出现了液压泵和控制阀以及直接柱塞式和侧柱塞式构造的液压梯。这种液压梯至今仍为人们所采用。但是，电梯得以兴盛开展的根本原因在于采用了电力作为动力来源。18世纪末创造了电机，并随着电机技术的开展，19世纪初开场使用交流异步单速和双速电动机作动力的交流电梯，特别是交流双速电动机的出现，显著改善了电梯的工作性能。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，从而为后来的高速度、高行程电梯的开展奠定了根底。20世纪30年代美国纽约市的102层摩天大楼建成，美国奥的斯电梯公司为这座大楼制造和安装了74台速度为6.0m/s的电梯。从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异地开展着。目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且平安可靠，乘坐舒适。随着电子工业的开展，可编程序控制器〔PLC〕和电子计算机成功地应用到电梯的电气控制系统中去后，电梯产品的质量和运行效果显著提高。2.2电梯的运行工作情况一部电梯主要由轿厢、配重、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拟复杂，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拟高，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，假假设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。2.3电梯控制系统的组成电梯控制系统主要由电力拖动局部和电气控制局部组成。电梯的电力拖动局部电梯主拖动类型有直流电动机拖动、交流电动机拖动、直流G－M〔即发电机－电动机组供电〕拖动、晶闸管供电〔SCR－M〕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到达负载转矩的要求。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。电梯的电气控制局部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，保证电梯平安运行。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、停顿等，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、停顿、运行方向、层楼指示、层站召唤、轿厢内指令等进展处理。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拟，变化*围比拟大。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根本确定了，而电气控制系统则有比拟大的选择*围，必须根据电梯安装使用地点、乘载对象进展认真选择，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。随着科学技术的开展和技术引进工作的进一步开展，电气控制系统开展换代迅速。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平安性，所以根本上已经被淘汰。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。第3章.三菱F*2N系列可编程序控制器介绍3.1可编程控制器的根底认识三菱F*2NPLC的主要特点：一个程序包的单元型可编程控制器采用装卸式端子台内装RUN/STOP开关程序存储器钟表功能RUN写入元件注解利用键盘保护程序〔编程手册，外围设备手册〕丰富的输出入扩展设备丰富的特殊扩展设备用SFC表现的编程简便的应用指令群高速处理PLC的性能指标和分类PLC的主要性能指标输入／输出点数〔I／O点数〕I／O点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。存储容量存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16位即一个字为一步。扫描速度一般以执行1000步指令所需时间来衡量，单位为ms/k步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用µs/步。功能扩展能力可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如A／D模块、D／A模块、位置控制模块等。指令系统指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和，它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。PLC的分类通常，PLC产品可按构造形式、控制规模等进展分类。按构造形式不同,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。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，其硬件构造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局部组成的。PLC的硬件构造一套PLC系统在硬件上由根本单元〔包含中央处理单元、存储器、输入／输出接口、内部电源〕、I／O扩展单元及外部设备组成。图2-1为PLC的硬件构造图。输入电路CPU输入电路CPUEPROMRAM输出电路根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2-2为三菱F*2N小型PLC产品主机示意图。本课题中F*2N－48MR为根本单元，带有48个I／O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F*2N小型PLC产品主机示意图3.2可编程序控制器的工作方式及编程语言PLC的工作方式PLC的扫描工作方式开场开场内部处理通信处理RUN方式.输入扫描程序执行输出处理NY图2-3PLC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。从第一条指令开场，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，直到程序完毕。然后再从头开场扫描，并周而复始地重要进展。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。PLC的程序执行过程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。输入端子输入映象存放器输出映像存放器输入端子输入映象存放器输出映像存放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*001Y001Y001M1读读①②③④⑤PLC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，还要进展自诊断、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。PLC的I／O响应时间PLC采用集中I／O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，输入映像存放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。PLC的编程语言PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两种语言用得较多，顺序功能图语言也在许多场合被采用。本课题所采用的编程语言为梯形图语言。3.3可编程序控制器与继电器、微机在电梯控制中的应用比拟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〕，要到达这些控制目的，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：与其它控制系统比拟，其简单、易于理解和掌握、价格廉价。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拟，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缺乏之处。其缺点是：微型计算机是按数字运算的需要而设计的，功能比拟齐全，构造比拟复杂；而一般的电梯控制只需要进展简单的逻辑运算，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，造成用微机控制的本钱、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，保存计算机控制的优点，而克制了它的缺点。它具有强大的生命力，各工业局部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4章.PLC控制单台电梯的分析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开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F*2NPLC对单台五层电梯进展逻辑控制。4.1电梯模型构造电梯模型的主体构造与控制柜电动机图3-1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。电动机减速器减速器行程开关TCP/IP行程开关TCP/IP123412345RS232轿厢电梯控制柜轿厢电梯控制柜继电器/继电器/接触器F*2NF*2N–48MRPLCRS422RS422配重LED配重LED开关电源电梯控制柜电梯控制柜图3-1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F*2N-48MRPLC、继电器/接触器、显示局部、开关电源。LED显示局部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平安，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3-2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。ZZ*F图3-2电梯层门示意图轿厢内控制屏轿厢内控制屏示意图如图3-3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，立即去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。112345YSJAJ图3-3轿厢内控制屏示意图4.2PLC单台电梯控制系统功能介绍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：①电梯上行／下行启动由司机决定②电梯开门、关门时间由司机控制③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：①电梯开门／关门／上、下客时间均由定时器定时②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：处于上行时立即返回底楼停站开门处于下行时立即直驶底楼停站开门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②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*层站后，立即去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控制信号指令信号召唤信号层楼信号层楼定位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去除去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3-4PLC单台电梯控制系统工作流程图4.3PLC控制单台电梯方案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。输入输出点确实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。PLCI/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展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输入信号确实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*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3-1输入地址分配表输入信号名称PLC输入地址含义AYS*000向上行驶按钮AY**001向下行驶按钮JSJ*002有/无司机选择开关1YC*003一楼行程开关2YC*004二楼行程开关3YC*005三楼行程开关4YC*006四楼行程开关5YC*007五楼行程开关A1J*010一楼指令按钮A2J*011二楼指令按钮A3J*012三楼指令按钮A4J*013四楼指令按钮A5J*014五楼指令按钮AJ*015指令专用开关〔直驶〕Z*F*016置消防开关A1S*017一楼上召唤按钮A2S*020二楼上召唤按钮A2**021二楼下召唤按钮A3S*022三楼上召唤按钮A3**023三楼下召唤按钮A4S*024四楼上召唤按钮A4**025四楼下召唤按钮A5**026五楼下召唤按钮PLC输出信号确实定控制电梯的上行、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3-2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DC*Y004下行显示SY005上行继电器*Y006下行继电器Y*Y007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2DA*Y022二楼下召唤信号登记显示3DASY023三楼上召唤信号登记显示3DA*Y024三楼下召唤信号登记显示4DASY025四楼上召唤信号登记显示4DA*Y026四楼下召唤信号登记显示5DA*Y027五楼下召唤信号登记显示内部继电器确实定表3-3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*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M34轿厢到五楼轿厢层楼位置显示方式确实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F*2N-48MRPLC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0~7〔000~111〕，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1~5层。PLC控制程序的编制方法PLC梯形图的编制采用模块化设计。模块化程序构造清晰、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。PLCI/O硬件连接图三菱F*2N系列PLC单台电梯控制系统的硬件接线图见图3-5。4.4PLC单台电梯控制系统根本功能梯形图分析召唤信号登记响应及去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，立即去除该召唤信号。图3-6为一楼上召唤登记响应及去除功能梯形图。当在非消防状态下，即常闭*016得电。*017为一楼上召唤按钮输入常开触点，假设此时有人按下此开关，*017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。假设电梯此时就在一楼时，直接去除一楼上召唤登记显示。假设电梯不在一楼，则下行到达一楼后，一楼行程开关*003得电后，线圈M40得电，常闭M40变常开，线圈Y020就失电，去除一楼上召唤登记显示。假设在消防状态下，常开*016变常闭得电，直接去除一楼上召唤登记显示。*017*017M16M40*016Y020Y020Y003*003M1M40*016图3-6一楼上召唤信号登记响应及去除功能梯形图指令信号登记响应及去除功能当司机／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，立即去除该指令登记信号。图3-7为一楼指令登记及去除梯形图。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*016变常闭。电梯到达一楼时，一楼行程开关*003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。M13M13M13Y002*003*016M13M13M4*016M4M6Y013*010Y013*003M3*016M6图3-7一楼指令信号登记响应及去除功能梯形图此时，电梯开场接收指令登记信号。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*010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*003得电，线圈M6得电，常闭M6变常开，即去除了一楼指令登记。如果此时电梯就在一楼，按下一楼指令按钮的同时就去除一楼指令登记，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*016变常闭，线圈M6也得电，电梯也去除指令登记，只有当电梯到达底楼开过门后，线圈M13得电，常闭M13变常开，才不去除指令登记。需要说明的是当常开M3得电变常闭时，电梯也去除指令登记。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，就去除所有指令登记。这样做是为了当电梯到达*层后，消防人员可以依火势大小决定是否继续上行，如果不及时去除所有指令登记，电梯会继续上行，这样就不是非常平安。图3-8为实现此功能的梯形图。*003*003M13M1M3*004*005*006*007图3-8消防到达底楼开过门并在任何层楼面停站则去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。假设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3-9为电梯自动定向功能〔局部〕梯形图。无司机工作状态下，当三楼有指令信号Y015或上下召唤信号Y023、Y024发出时，PLC首先判断轿厢当前是否在三楼，如果就在三楼，则轿厢在三楼的常闭M32变常开，线圈Y003、Y004都不得电，电梯既不上行也不下行。如果电梯在一楼或二楼，则轿厢在三楼、四楼、五楼的常闭触点M32、M33、M34不得电，仍为常闭，且在非消防状态下，*016常闭得电，则线圈Y003得电，电梯定向为上行。如果电梯在四楼或五楼，则轿厢在一楼、二楼、三楼的常闭触点M30、M31、M32不得电，仍为常闭，则线圈Y004得电，电梯定向为下行。有司机工作状态下，*002变常闭，这时需由司机按下*000上行启动按钮，电梯才能上行。同样假设司机按下*001下行启动按钮，电梯则下行。在消防工作状态下，常闭*016变常开，电梯停顿上行；常开*016变常闭，线圈Y004得电，电梯下行到底楼。当电梯消防时到达底楼且开过门后M13常闭变常开，电梯不再下行。上行和下行同时有互锁常闭Y003和常闭Y004。在有司机工作状态下，如果电梯有运行信号Y007，则不再接收上行或下行信号。M0是一个特殊中间继电器，要求在无司机、门未关闭、既非上行也非下行条件下，指令优于召唤参加定向，这是为了在既有召唤信号也有指令信号的情况下，优先满足轿厢内的乘客需要。M32M32Y023M0M33M34Y004*016Y003M0Y024Y015Y024M0Y023Y015M32M31M30Y003*002*000Y007M13M13*002Y007*001M13Y002Y004*002Y003Y004M13*016图3-9自动定向功能〔局部〕梯形图停站控制功能图3-10为停站及1秒停站脉冲形成功能〔局部〕梯形图。从图中可知，停站信号形成有几种情况：非消防及非有司机直驶时一楼到；非消防及非有司机直驶时五楼到；非消防时指令信号或召唤信号所指的层楼到；非上行也非下行时，即未定向时；消防时下行到达底楼开过门；运行中且没有到达任何一层面；*003*003M15*016*004M16Y021Y005M1Y022Y006Y014M13M14*003Y003Y004M35*007*006*005*004*003M14M15M19M15M15M14T3K10T3M19M35*007图3-10停站及1秒停站脉冲形成功能〔局部〕梯形图非消防时，当上行继电器Y005和二楼上召唤按钮Y021或下行继电器Y006和二楼下召唤按钮Y022或二楼指令登记显示有任意一组同时满足时，且轿厢到达二楼时，二楼行程开关常开*004变常闭，1秒停站停冲脉冲形成后，停站信号线圈M1得电。消防时，电梯下行到底楼开过门后，常开M13变常闭，一楼行程开关常开*003变常闭，1秒停站脉冲形成后，停站信号线圈M1得电。同时如果一楼到*003变常闭，五楼到*007变常闭，未定向时，停站信号线圈M1也得电。1秒停站脉冲形成过程是这样的：如果轿厢既不在一楼、二楼、三楼、四楼、五楼时，线圈M14得电，常开M14变常闭，线圈M15得电，常开M15自保，启动定时器T3，定时1秒钟后，线圈M19得电，常闭M19变常开，M15失电。这样做的目的是，如果在停站信号中直接使用不延时1秒钟的常开M15，一旦电梯到达*一层面时，线圈M14失电，线圈M15失电，停站线路中仍为常开M15，与前面的任何层面的行程开关变常闭有所矛盾，这样线圈M1无法得电，电梯也就无法停站。因此，采用延时1秒钟的方法，让任何层面的行程开关先得电，M19也得电，延时1秒钟后再断开，让线圈M1能够得电，这样电梯就能顺利的停站。厅外开门功能所谓厅外开门是指在无司机状态下，轿厢既非上行也非下行〔未定向〕且停在*层时，如果这层恰好有召唤登记信号，则自动开门。**020*004*002M20Y004Y003M2*021图3-11二楼厅外开门功能梯形图图3-11为二楼厅外开门功能梯形图。在非上行显示常闭Y003、非下行显示常闭Y004、无司机常闭*002、无上／下客常闭M20都得电时，二楼有向上或向下召唤登记，则电梯定向到达二楼，二楼行程开关常开*004得电变常闭，厅外开门M2线圈得电，实现厅外开门。开门时间、上／下客时间、关门时间、门关闭控制功能电梯到站后，首先开门3秒，然后上／下客4秒，最后关门3秒。时间均为定时器控制。开门时间控制功能Y000Y000M1*016M20T1K30M2*003Y000M13T1M20图3-12开门时间控制功能梯形图图3-12为开门时间控制功能梯形图。在无司机状态下，由定时器控制开门时间。从图中可知，满足开门条件有以下几种情况：非消防时有停站开门信号；非消防时有厅外开门信号；消防时到达底楼；在非消防状态时，PLC一旦发出停站开门信号或厅外开门信号，即常开M1变常闭或常开M2变常闭，开门信号线圈Y000得电，常开Y000自保，同时启动定时器T1，定时时间为3秒，3秒后线圈M20得电，常闭M20变常开，定时器复位，取消开门信号。在消防状态时，电梯下行至底楼开门，一楼行程开关*003得电，常开M13得电，PLC发出开门信号。上／下客时间控制功能图3-13为上／下客时间控制功能梯形图。在无司机状态下，由定时器控制上／下客时间。T2K40T2K40*002Y000Y001Y002T2M18图3-13上／下客时间控制功能梯形图在无司机状态下，*002常闭；无开门显示，Y000常闭；非关门显示，Y001常闭；门未关闭：Y002