基于PLC电梯控制系统

PLC的电梯模型控制系统及组态监控设计摘要：电梯作为PLC的被控对象，对于工科大学改善PLC课程实验效果，提高教学质量具有重要的意义。本文研制了变频器驱动的电梯模型，在现在简单模型的根底上，对电梯运行进行了监控，在此根底上深入探讨了关于电梯群控的问题。关键词：电梯模型PLC组态监控目录第一章：概况11.课题研究的背景12.电梯控制系统研究的现状1第二章：电梯的概述21.电梯的开展22.电梯的分类33.电梯的参数3第三章：PLC的概述41.PLC的开展42.PLC的结构5第四章：系统软件的设计61.控制系统的工作流程62.控制系统的功能要求72.1.电梯的内部功能72.2.电梯运行状态的分析82.3.电梯的控制要求103.系统信号确实定以及软件园的选取114.梯形图的设计11参考文献19第一章：概况1.课题研究的背景可编程控制器〔PLC〕自60年代问世以来，以其可靠性高、通用性强和使用简便等优点广泛应用于工业控制的各个领域。PLC的应用领域从最初单一的逻辑控制开展到包括模拟量控制、数字控制、机器人控制以及多级分布式控制系统在内的各种工业控制场合，在工业自动控制应用中所占的比例越来越大，成为工业控制领域中占主导地位的根底自动化设备。现在各大学普遍开设了PLC及其相关课程。PLC用于工业现场控制，它不同于微机，不能直接通过显示器观察程序的执行结果。验证PLC程序的正确与否，只能用PLC来控制相应的控制对象，以观察控制结果是否正确。PLC教学有很强的实践性.所以开设PLC实验课就显得尤为重要。PLC的控制实验一般都要求有真实的被控对象，而真正的被控对象一般都具有体积大、份量重、价格昂贵、维护困难等特点，很难在实验室大量配备。因此研制被控对象的物理模型有很重要的实际的意义。伴随着集散型控制系统的出现，“组态〞的概念开始被广阔的生产过程自动化技术人员所熟知。用组态软件开发PLC控制对象的监控画面，又因其模拟效果逼真，人机界面生动友好，而得到广泛应用。因此研究基于组态软件的监控系统也同样具有重要的实际意义。2.电梯控制系统研究的现状我国现已成为世界上拥有电梯数量最多的国家，电梯控制技术也到达了世界领先水平。2023年5月11日至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、韩国电梯平安管理院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WEC2023。会议对目前国际电梯开展的各个方面以及新技术做了详细研讨。在电梯飞速开展的今天，在使用需求和新技术应用方面都进入到全面开展时期，随着智能化、信息化建筑的兴起与完善，要求电梯不只是完成垂直运输的根本功能，还应以人为本，提高运行过程的舒适度，特别是从电梯运行的控制智能化角度考虑，电梯的优质效劳不再是单一的“时间最短〞问题，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统等方法，以及实现单梯与群控管理的最正确模式。合理的配置与使用远程监控与故障诊断、节能以及减少环境污染等。目前，电梯的开展主要呈现以下几个特点：〔1〕电梯的逻辑控制已从过去简单的继电器——接触器控制开展为可编程序控制器〔PLC〕和微机控制，控制方式也从手柄控制、信号控制开展为集选控制、并联控制、群控等，从而使电梯可靠性得到很大的提高。〔2〕电梯的拖动技术有了较大的开展，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，使得它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开展，已由以前的变极调速〔AC-VP〕开展成为调压调速〔AC-VV〕及调频调压调速〔AC-VVVF〕，使得电梯的速度、加速度控制更加符合人们的生理要求，并且使电梯的舒适感大大增强。〔3〕电梯的速度要求越来越快，高速、超高速电梯的数量愈来愈多。〔4〕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、防捣乱系统等等。〔5〕电梯的机械传动方面，由于国际上机构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，已经使电梯的传动形式多样化。〔6〕电梯的智能群控管理技术得到广泛应用。第二章：电梯的概述1.电梯的开展电梯的控制系统及其设备在随着社会的快速开展而不断改良，以前的电梯控制系统大局部采用继电器逻辑控制系统。现在，微机系统已经全面取代继电器逻辑控制系统实施闭环控制，进一步提高了电梯的性能和可靠性，并减少现场调试的工作量，它是电梯控制技术的开展方向，目前使用较多的微机控制系统主要有以下几类：PLC控制、单片机嵌入式系统和工业控制计算机。近几年，PLC控制的各类电梯，己经大批量地投向市场，由于PLC的可靠性、维修方便而受到广阔用户的欢送。电梯的拖动控制系统技术也在不断地开展。在20世纪前半期，电梯的电力拖动尤其是高层建筑物中的电梯速度调节，几乎都是采用直流调速系统来实现的。进入80年代，随着电子技术的迅速开展，尤其是微处理器的广泛应用，电梯控制系统的设计经历了一场革命。用于电梯控制系统的多功能微处理器，在诸如遥控和故障诊断、人工智能、智能化轿内操作箱及大楼管理系统的联接等方面，起到了不可替代的作用。由于固体功率器件的不断开展和完善，以及微机技术的应用，电梯技术有了新的变化，出现了变压变频交流调速系统〔VVVF〕。日本三菱电梯首先将变压变频交流调速系统引入到电梯控制系统当中。交流变频技术被认为是电梯行业的当代技术，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。2.电梯的分类根据国家标准GB/T7024.-1997《电梯、自动扶梯、自动人行道术语》，电梯的定义：效劳于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。根据我国的行业习惯，电梯的分类有如下几种形式：〔1〕按用途分类：乘客电梯、载货电梯、客货电梯、病床电梯、杂物电梯、住宅电梯、特种电梯；〔2〕按速度分类：低速电梯〔1m/s以下〕、快速电梯〔1m/s-2m/s〕、高速电梯〔2m/s-3m/s〕、超高速电梯〔3m/s以上〕；〔3〕按拖动方式分类：交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、螺杆式电梯、直线电动机驱动的电梯；〔4〕按控制方式分类：层间控制、简易集选控制、集选控制、有无司机控制、群控；〔5〕按曳引机结构分类：有齿曳引机电梯、无齿曳引机电梯。3.电梯的参数表1电梯模型的主要技术参数序号参数名称参数值序号参数名称参数值1外形尺寸长*宽*高=60*45*200〔cm〕2变频器功率3KW3载重量1kg4结构形式四层站5电动机型号JW5246电压220V7电动机功率0.2kw8转速1400r/min9控制方式PLC控制10调速方式交流变频调速11减速机型号TE380-300712减速机速比50：113变频器型号Micromaster42014输入电压220V15输入频率50HZ16额定电流2.5A第三章：PLC的概述1.PLC的开展可编程序控制器〔ProgrammableLogicController〕问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。1968年，在底特律的美国通用汽车公司〔GM〕为了在每次汽车改型或改变工艺流程时能不改动原有继电器柜内的接线以便降低生产本钱，缩短新产品的开发周期，提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制指标要求，即十项招标技术指标。它实际上就是当今可编程序控制器的最根本的功能。将它们归纳一下，其核心为四点：①用计算机代替继电器控制盘。②用程序代替硬件接线。③输入输出电平可与外部装置直接连接。④结构易于扩展。美国的数字设备公司〔DEC〕中标，并在1969年研制出了第一台可编程序控制器。由于PLC在不断开展，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。1982年，国际电工委员会〔IEC〕公布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版对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那么而设计。〞定义强调了可编程控制器能直接应用于工业环境，它须具有很强的抗千扰能力、广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。应该强调的是，可编程控制器与以往所讲的N项序控制器在“可编程〞方面有质的区别。PLC引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活地修改，即用软件方式来实现“可编程〞的目的。2.PLC的结构与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大局部组成的。在软件的控制下，PLC才能正常地工作。软件分为系统软件和应用软件两局部。PLC采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。CPU对用户程序的执行过程是通过CPU的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。①扫描过程PLC的扫描过程如图1所示，上电初始化后开始周期性的循环工作，每次循环包括自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等阶段。与用户程序有关的工作过程主要分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新。PLC不停地循环执行这3个阶段的任务。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。图1扫描过程示意图②输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入信号的状态或数据，并将它们存入I/O映像区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行阶段。在这个阶段中，即使输入状态或数据发生了变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。③用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC按由上到下的顺序依次地执行用户程序中的指令，按先左后右、先上后下的顺序对梯形图中由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态：或者刷新输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行梯形图所规定的特殊功能指令。④输出刷新阶段执行完用户程序后，PLC进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外部设备。如果程序中使用了中断，中断事件出现，立即执行中断程序，中断程序可以在扫描周期的任意点被执行。如果程序中使用了立即I/O指令，可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点值时，相应的输入映像存放器的值未被修改，用立即I/O指令写输出点值时，相应的输出映像存放器的值被修改。第四章：系统软件的设计1.控制系统的工作流程梯控制系统的主流程图如图2所示。图2电梯控制系统的主流程图2.控制系统的功能要求2.1.电梯的内部功能〔1〕电梯到位后具有手动或自动开关门的功能。〔2〕用一台交流电动机控制轿厢的上升和下降。〔3〕待客自动开门，当电梯在某层停梯等待乘客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门迎接乘客。〔4〕自动关门待客。当电梯完成全部轿厢内指令时，又无外呼梯信号时，电梯应能自动关门。〔5〕能自动关门及提前关门。在程序设定的时间之内应能自动关门。在定时器延时时间之内，按下关门按钮，电梯能提前实现关门动作。〔6〕按钮开门。在开关过程中或门关闭后电梯启动之前，按下操纵盘上的开门按钮，电梯门能翻开。〔7〕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〕。〔8〕电梯内外设有方向指示灯及电梯当前楼层位置指示灯。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；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，与检测轿厢位置的元件通过连接电路相连起来，能够连续显示，随时显示轿厢所处的位置。〔9〕内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个内选层指令执行时，电梯应能按楼层的顺序自动停靠，并且自动确定运行方向。〔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，电梯应能按先入为主的原那么自动确定电梯运行的方向。〔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，电梯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时，应能自动换向，应答相反方向信号。〔13〕电梯内设有内选楼层按键、开关门按键、警铃、风扇及照明灯。2.2.电梯运行状态的分析在电梯控制系统中，有大量的逻辑信号需要处理，这局部工作是由PLC来完成的，系统中的软件能根据电梯的运行要求及保护要求由PLC来实现逻辑信号的控制。从电梯的工作过程上进行分析，电梯的运行主要有正常工作、强制工作两种工作状态。电梯的正常工作状态：PLC上电后，PLC中的梯形图程序已经开始运行，但因为电梯尚未读入任何输入信号的数据，也就无法在收到请求信号后通过固化在PLC中的程序作出响应。为满足处于响应呼叫就绪状态这一条件，必须使电梯处于平层状态楼层的位置且电梯门处于关闭状态。从而电梯完成一个正常呼叫响应的步骤如下所示：〔1〕电梯在检测到厅门或轿厢的呼叫信号后将此楼层信号与轿厢所在的楼层信号进行比拟，再通过定向模块进行选向。〔2〕电梯通过拖动调速模块驱动电动机拖动轿厢运动。轿厢运动速度要经过先低速运行再转变为高速，并以高速运行至减速点。〔3〕当电梯检测到目标层楼层检测点产生的减速点信号时，电梯进入减速制动状态，又由高速变为低速，并以低速运行到平层点停止。〔4〕平层后，电梯再经过一定延时后关门，直到碰到关门到位行程开关，电梯控制系统始终实时显示轿厢所在的楼层位置。电梯的强制工作状态：当电梯的初始位置需要调整或电梯需要检修时，应设置一种状态使电梯处于该状态时不响应正常的呼叫，并能移动到导轨上、下行极限点间的任意位置处。例如控制台上检修按钮按下后，使电梯立刻停止原来的运行，然后按上行启动〔或下行启动〕按钮，电梯将上行〔或下行〕；一旦放开该按钮，电梯运行将立刻停止。实现检修状态的点动。由于电梯控制系统是集选式控制系统，控制比拟复杂，适合采用模块化编程方法，将电梯各个输入信号和输出信号的属性进行分类，模块与模块之间的衔接可以用中间存放器来传递信息。并且采用模块化的程序设计方法，可方便于程序的修改和完善。电梯控制系统软件大致可分为：电梯开关门及保护和故障显示模块、楼层信号的产生消除和数码管显示模块、外呼信号的产生消除和显示模块、轿厢内选信号的产生及消除与显示模块、电梯确实定上下行方向模块、电梯停层信号的产生和消除模块、电梯停车制动模块、电梯自动运行时启动加速和稳定运行模块等几大模块。楼层信号的产生与消除模块主要是由PLC的比拟指令和加减指令读入楼层信息并将该记忆信号存入对应的中间继电器，直到楼层改变为止并用七段数码管显示楼层的位置。电梯确实定上下行方向模块主要是完成电梯在响应呼叫时做出的向上运行还是向下运行的判断。电梯停层信号和制动模块是要求电梯在运行到目标楼层检测点时即进入减速制动状态，而电梯在运行过程中会遇到很多的楼层检测点，只有到目标楼层的检测点时才会发出减速信号，电梯在经过目标楼层检测点时接到这个信号就开始制动减速了。电梯轿厢开关门电路模块和按钮记忆指示灯显示电路模块是为了控制轿厢的开关门和按钮接通之后需要指示的发光二极管电路。将这些模块逐一进行梯形图编程，并按顺序连接在一起就构成总程序。2.3.电梯的控制要求目前电梯的控制系统普遍采用了两种控制方式，一种是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制那么由变频器来完成；第二种控制方式是采用可编程控制器〔PLC〕取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别，但由于PLC可靠性高，程序设计方便灵活，本钱低廉。所以本设计中采用PLC来实现电梯的集选控制。随着工业自动化技术的开展，电梯的控