【基于PLC的四层电梯控制系统设计9900字（论文）】

III第1章绪论1.1电梯的诞生与结构电梯有升降机和自动扶梯，早在公元前11000年，我们的古人就发明了“电梯”，它是用来实现旋转的。早在236年前，希腊著名数学家阿基米德就发明了以人为动力的吊车，并将其安装于三台在尼罗国王的黄金宫殿内。并为以后的改进与创新提供了依据和模式。十九世纪初期，欧美有一位叫威廉·汤姆逊的人发明了一种水力升降机，蒸汽取代了人类的力量，开始了一种新的发展，其中最有名的就是圣彼得堡的蒸汽升降机。一名奥的斯，他发明了一种类似于蒸汽驱动的电梯，他发明了一种安全的电梯，并将自己的工作展现给了所有人。在升降机中安装了一组限速装置和一把安全夹具，以防电梯掉下来。1870年，格拉姆发明了直流电动机，1889年，直流电动机与电梯混合使用，创造了世界上首个电动电梯，自此，真正意义上的电梯诞生了。一年后，一项改变了人类历史的发明——交流电动机。1888年，一名南斯拉夫人，特斯拉发明了一种交流电动机。这种电动机又被称为异步电动机，一般都是由三相交流电驱动，1900年，这种电动机的发明者发明了这种电动机，然后就有了交流电。当功率达到一定程度后，他们的研究重心就转移到了电力和速度的调整上。因此，后来的升降机发展主要在控制技术上，如：AC变频调速器的驱动控制、直流有无齿轮、无齿轮控制等。在电梯的结构上面从最早的鼓轮式电梯到拽引式电梯，如图1.1。图1.1电梯结构类型那时候的升降机采用的是滚轮，升降机的高度有限，安全性也不是很好，1903年的时候，美国就开始采用牵引式的升降机，这种升降机比起重轮的升降机要节省大量的人力物力，提高了升降机的安全性。牵引绳的一端与吊车、配重相连，并与拖轮、导轮上部相连。减速齿轮换档后，由牵引马达驱动拖轮转动。吊车和平衡车的起升运动是由绳索与车轮的摩擦力引起的，起吊作用主要是为了节省人力，提高升降机的平稳性。后来的升降机结构与零件的发展也是基于鼓轮升降机的原形。下面是现代升降机的主要硬件构造。图1.2电梯结构图由上图可以清晰的观察到电梯的结构图，这是一个现代的电梯结构图。（1）动力装置牵引器的功率来自于牵引器，其功率可分为直流牵引器和交流牵引器，一般情况下，直流牵引器和交流牵引器都是不带齿轮的。马达：作为最后的执行器，它为动力。刹车：在断电和停车期间，为了防止发生意外的安全事故，通常使用电磁制动。减速器：主要由蜗轮蜗杆来控制升降机的转速。拖引轮：牵引轮是将吊车与配重之间的一个重要组成部分，通过钢丝绳将电机的动力传输给吊车，再进行配重，从而带动升降机的移动。导轮：这一部分很重要，是保证电梯平稳运转不摇晃的一个硬件手段。由于吊车与配重的中点处的实际间距比设计值要大，会使升降机在运行过程中失去平衡，左右摆动，甚至发生安全事故。此导轮是用来保证两根钢索之间的中间距离。限速：它的主要作用是在升降机运转时，对转速进行一种探测和限速，在升降机达到一定的限速时，它就会发出信号，使之工作。控制台：是电梯的大脑，它的作用就是储存电子设备，通过逻辑计算，然后给出指令。底盘：发动机的底座是钢铁和钢铁，有相应的支架。（2）电梯井道部件电梯的动力安全问题得到了解决，在电梯的实际操作中，由哪些部件（井道）构成。导轨：是升降机在井道中的一个关键部件，它决定了升降机的运动方向和路径。配重：由钢索与轿厢相连，其最大的作用就是在升降机的运转过程中保持平衡性。升降限位开关：此功能是升降机的定位功能，当到达时会自动发出断电信号。减震器：安装在井下，起到减震作用，起到减震作用，减震作用，让行车感觉更顺畅。安全钳：这是一种安全装置，当升降机和失重时，可以作为应急刹车，当启动时，它会把升降机固定在轨道上，保护乘客的生命。1.2电梯控制系统的选择电梯的控制系统在升降机发展史上也经历了一次又一次的演变，现在的升降机控制方式有三种：1）继电器控制（当前仅有少数升降机停运）；(2)可编程控制器（plc）控制（适用于恶劣的环境条件下）；3.微型计算机（最流行的）。（1）继电器控制后来的电梯控制系统也是从继电控制发展而来。由于是用最简单、最简单的变化来进行逻辑操作，因此，它通常是用电的方式，而其他的则是用来进行操作的。其特色就是所有的逻辑功能都是通过硬件来实现，因此非常直观，普通的技术人员可以迅速地掌握；它使用的电子控制元件一般都很便宜，可以买到所有的元器件；元器件的维修，维修，组装，无需专门的设备进行维修；这个体系是很成熟的，而且有很多种。但也有许多缺陷，如果所有的逻辑都是由硬件构成，那么硬件本身的缺陷就会变成控制系统的缺陷。继电器更容易损坏，接触不良需要频繁维修；构成一部电梯的逻辑运算回路，所需的继电器数量巨大，连接方式也比较复杂，因此在这种情况下，很难改进其他的升降机功能；元器件在进行逻辑操作时，由于是机械式操作，会有反应不一致、延迟等现象；各种机器同时工作，难免会发出巨大的声音，会让人感觉到不适。通过对上述分析，我们可以看出，传统的继电器控制有许多问题，这些问题将导致频繁的维护。电梯在运行过程中，经常会发生异响，维修工作量大，障碍清除困难，会让人产生不舒服的感觉。（2）plc控制事实上，Plc控制可以被称为微型计算机，其可靠性和抗干扰性很强。在plc的制造过程中，采用了抗干扰技术，本文所取样的三菱FX-2Nplc可以实现300,000个小时的无故障运行。另外，plc有自动报警和显示功能，可以节省后期维护的时间和精力，在GX开发器上也可以清楚的看到问题所在。与继电器控制plc相比，把所有的逻辑操作都集中在软件上，可以减少单元数目，节省电子元器件和电线。Plc在很多行业都有广泛的应用，比如温度测量、液位测量、速度测量、流量测量等，还可以和其他仪器进行接口，方便用户操作。使用plc可以大大节约能源，节约工程时间和电量，而且体积非常小节省空间。（3）微机控制采用单片机进行计算机控制，将一部电梯分成若干部分，各部分由一台单片机来实现。通过计算机的基本原理，实现了对电梯的自动控制。在这样的情况下，微型计算机也能进行群控，目的就是为了让多个梯队进行统一的数据交换。比如一个人在五楼喊“向上”，A在四楼往上，B在二楼往上，A在五楼接取任务，然后通知其他的电梯，让他们不要停车。这极大地增加了电梯的使用效率，减少了人们的等候时间。（4）控制系统选择本文通过对三种教学模式的利弊进行了分析，并结合本课程的研究现状，对其进行了研究。plc是高中时候学习最多，实践最多的一个，也是CPC二级考试，然后在老师的指导下拿到了C级C证书。因此，我选择了第二种方案，即plc控制。1.3可编程控制器简介可编程控制器的缩写是P+L+C=PLC，其英文首字母构成。该系统是一种以微机处理，计算机技术，自动化控制，通讯为一体的自动化装置。一开始，美国的一家汽车公司，就是因为继电器的故障，电路太复杂，维修难度太大，元器件的错误率太高，无法继续改进。于是通用公司开始竞标，要求研制一种新的控制系统，并于1969年由BEC研制成功。其结构包括如下内容，见图1.3。图1.3可编程控制器结构组成如上图所示，一个plc主要由以下6个部件构成：电源，中央处理器，IM，信号，FM功能，CP。PS：主要是把外接电源转换成plc内所能调节的电压，并且具有电压保护功能。CPU:CPU是plc的大脑，它负责将6个主要模块的信息集中起来，进行逻辑操作、数据传输、算式操作以及把结果放在一个寄存器中以供其他模块执行。同时，在出厂的时候，也被厂商写进了程序，具有故障检测，程序自诊断，监控，管理程序等的功能。FM：主要功能模块是有计数，温度，PID等多种应用。它既是指令的输入和输出的接口，也被称为I/O的输入和输出，同时也可以与外部的设备进行连接。IM：可以扩展界面的和专用的。CP：是一种用来建立多个设备（变频器、温控等）的接口，它具有很强的实用价值。1.4电梯的工作原理升降机采用牵引式，采用钢丝绳、配重、导向轮、电机、减速器、制动等组成，利用摩擦力使升降机上下移动。电梯通过一定的安全措施来保证电梯的正常工作，比如导轨就是为了保证电梯在运行时不会发生倾斜和晃动。电梯的配重是为了降低电动机的动力，同时也是为了保证电梯在运行和断电时的稳定。本文简要介绍了电梯的工作原理，介绍了本课题中的电梯控制系统满足了普通电梯的需求。1.5控制要求本项目共七项控制需求：行驶方向按内选信号确定，顺行优先；在行驶的过程中，如果遇到呼叫的信号，可以顺势拦截，而不是逆向拦截；内选信号、呼叫信号具有存储器功能，在完成后自动释放；通过信号灯显示内选信号、呼叫信号、行车方向和行车楼层位置；在停机时，可以延迟自动开门和手动开门（关门时，该楼层的呼梯开门）；延迟时自动关闭、关闭后延迟等待、内部选择、自动驾驶；不能在驾驶时用手打开车门，也不能在此楼层打电话开门，不能开门。第2章电梯控制系统设计第2章电梯控制系统设计2.1总体设计PLC控制主要由时考虑到梯人的舒适性添加了变频器，所以主要由控制系统、动力系统、门开关组成。如图2.1：图2.1PLC电梯控制系统总体电路如图所示是本次课题电梯的结构框图，以及各个设备主要的连接信号类型。2.2PLC通讯网络在PLC的通讯方式中主体是有三种方式：利用开发者提供的系统协议和网卡与PC进行通信，缺点是开发人员所使用的协议不能被公布，因此通信时仅限于开发者的配置及其所支持的外部设备。可以利用目前常用的配置，MCGS，力控等，与PC进行通信。配置的设计很有创意，因为配置不需要通过协议来访问PLC的寄存器和智能仪器，只要从PLC输入/输出端口接收输出信号，就可以在自己的数据中创建一个新的数据链接。然后利用PLC进行计算，将计算出来的数据显示在显示器上，从而达到了人机交互的目的。根据厂商的标准通信接口，用户自行定义了与PC的自由接口通信。通过这种方法来定义自己的协议并不适用于大量的应用，但可以节省资源。三菱FX系列PLC有四种通信模式，通常采用串行通信（仅适用于不需要大量数据的情况），通信接口通常采用RS232。而对于远距离、高功率的，则可以采用RS485的方法。RS232的485通信与图2.2相同。图2.2PLC通讯网络2.3可编程控制器的选择2.3.1I/O点的计算在此基础上，根据实际情况，对PLC的输入、输出点进行了计算。首先，我们的信号有呼叫信号，内部信号。电话号码一共有四个，一楼和四楼有一楼，另外两楼有两楼。因此，每个按键都要有6个输入端口。内选信号主要包括开门、关门和1-4个选项按键。因此，在电梯内部选择信号中，有6个输入信号。其输出信号包括楼层指示灯、安全灯、外部运行灯、电梯内部信号灯。每一层的楼层指示灯都是四个不同的输出。安全警示标志由警报和超载标志组成。除了一层和四层的一个外，其他的都要两个，一共6个。内部选择指示灯包括两个相关门、两个上下电梯、四个楼层选择指示灯，总共8个。一共需要20个。总共32个输入/输出端口。2.3.2可编程控制器型号的选择在PLC的选择上，主要考虑了如下一些简单、容易上手、程序容易学习、能够方便地使用界面设计、平时学习最深的机型。要具有普遍性，不同的PLC可以使用同一装置而不必改变参数和装置；要简单、有效、低故障、低成本；在编程上要简洁，可以很容易地进行调试和修正；编程语言易于学习，便于修改；可以轻松地与PC机相连而不需要添加其它设备来显示设计；总之，这是一种非常简单，并不复杂的PLC。最后，他将自己在学校里学到的关于三菱PLC的知识，全部都说了出来。因此，在这一项目中，控制器选用了三菱FX2N系列PLC，由于需要32个I/O，最后选用了FX2N-48MR。2.4逻辑流程图电梯的控制流程是一个循环的过程，如图2.3所示。图2.3PLC电梯控制系统逻辑图在这张图表中，我们可以清晰的看到整个电梯的逻辑处理流程：复位，检测各楼层的信号灯，异常情况下停车并报警，正常情况下进入信号等待，呼叫信号出现时移动到呼叫楼层，移动时有其他信号要判断方向，如果在楼层停车上客，在乘客上楼梯后要检测乘客选择的是否为目前停靠楼层，是停靠楼层就开门下客并消除内选信号，不是则向选择楼层运动并记忆内选信号。2.5电梯位置的检测最初的计数是在最初的位置，计算机会读出最初的位置，在升降机的过程中，有一种叫做“隔磁板”的装置，当升降机通过的时候，计算机内部的层数就会增加一层，而在下落的过程中，计算机的层数就会减少一层。同时，在上下两层都有一个限制开关，当电梯碰到哪个按钮时，例如最低的限制开关电梯会停止工作，然后把计算机层换成一层。电梯有很多种安全措施，比如停电后供电，电梯会慢慢地上下移动，直至接触到开关的位置，然后按下相应的开关，相应的楼层就会出现相应的楼层。当然，在楼层检查时也有许多种方式，例如：平层开关、计数脉冲、巨人通力钢带等。本设计使用了旋转编码，所有PLC均具有高速脉冲或特殊计数装置，精确、简便。因此，在电梯的工作中，通过与PLC的高速脉冲输入端的串口连接，可以实现对电梯楼层的精确测量。第3章控制系统的硬件设计第3章控制系统的硬件设计3.1I/O的分配本次课题共需32个I/O口，以下表格是详细的分配。表3.1PLC电梯控制系统I/O接线表输入输出外层1楼上行按钮X0一楼指示灯Y0外层2楼下行按钮X1二楼指示灯Y1外层2楼上行按钮X2三楼指示灯Y2外层3楼下行按钮X3四楼指示灯Y3外层3楼上行按钮X4警报指示灯Y5外层4楼下行按钮X5外层1楼上行指示灯Y6内选开门按钮X10外层2楼上行指示灯Y7内选关门按钮X11外层2楼下行指示灯Y10内选一楼按钮X12外层3楼下行指示灯Y11内选二楼按钮X13外层3楼上行指示灯Y12内选三楼按钮X14外层4楼下行指示灯Y13内选四楼按钮X15开门指示灯Y16关门指示灯Y17上行指示灯Y20下行指示灯Y21内显一层指示灯Y22内显二层指示灯Y23内显三层指示灯Y24内显四层指示灯Y25超载指示灯Y273.2PLC外部接线图根据课题实际安排，进行PLC外部接线。如图3.1所示图3.1PLC外部接线图3.3电机控制电路根据课题的具体情况进行了主回路的设计，首先要注意的是在回路开关后要加保险丝以避免电路太大对电器设备造成伤害；在线路的末尾加一个热继电器，以避免因线路过载而损坏电子产品。其次是主电路的逻辑控制，见图3.2。PLC的逻辑计算和输出是直接由主回路完成的。图3.2电机控制电路图3.4电梯控制功能及操作说明根据所设计的七个功能的控制需求，可以利用人机接口与配置来检测功能的实现。第一步是，在四层打电话给电梯。当升降机上升时，会在内部信号中选择任何一层，当升降机还没有通过的时候，就会停下来。这时，电梯已经到了三楼，既然有了内部信号，那么电梯就不会再往下走了，而是在四楼打电话。第二项功能的确认非常简单，就是当电梯处于一层的时候。有人选择四层，升降机上升。既然三楼有人打电话，那就说明三楼的电梯不会停下来。无论按下内部哪个信号和呼叫信号在完成后都会被清除，相应的指示灯将会熄灭。当人们使用升降机时，对升降机的工作状况进行了指示，按动内部信号的楼层、行车方向、楼层位置、呼叫上下的相应指示灯都应当被点亮。当三楼的自动关闭和人工关闭后，电梯应该向上移动，3楼的电梯可以开启电梯门，而下行的电梯不能开启。在客人到达后，应该等待内部选择的信号，例如在原先的楼层逗留10秒。超过此时间，将优先处理呼叫信号。电梯运行的时候，无论是我的手开了门，还是打了个电话，都打不开。而且，当电梯门打开的时候，他也无法移动。3.5变频器的介绍变频调速器的功能是实现电机的调速，并能根据电机的电源需求对电流进行滤波、直流转换。最关键的是，它可以根据电子线圈的电源来控制电动机的速度。实际上，变频器就是将工频电力转换为其他各种不同频率的交流电。变频器按用途分为：特殊及一般变频器、单相变频器、三相变频器等.如果将电动机与变频调速相结合，则可调其电压也可调之。变频调速装置的主要构成：整流器：其工作原理是将所产生的工频电压通过二极管转换为DC，另一种采用晶体管变换器。平波回路：当电源通过整流器时，其内部的脉冲电压为6，如果采用逆变器，则会影响到供电电压。由于电压波动过大，无法满足日常工作，因此要对其进行滤波，通常采用电感器、电容等方法。逆变器：把直流电源转换为所需的AC电源，并输出三相AC。图3.3是变频器的工作原理图。图3.3变频器工作原理图在图上可以清晰的看到变频器的组成，上方是它的主电路、下方是它的控制电路、中间则是它的CPU。第4章控制系统的软件设计第4章控制系统的软件设计4.1组态软件介绍在20世纪40年代，在工厂生产的第一线，就出现了这种结构。许多设备的数据记录、设备的控制、关键参数的记录，都是手工操作，很多都是有经验的人来记录。因此，那个时候的工厂，效率很低，也很不稳定。直至50年代才有了仪器的观测和记录，并实现了少量的设备的自动化。在许多重要的资料上，人们都会使用仪器来观测，以增加准确率和一定的生产效率。在六十年代，随着工业和电子技术的迅速发展，气动、电动组合仪表的广泛应用。采用电脑进行工艺控制是一项具有里程碑意义的工作。配置是指通过对设备软件进行资源的整理与配置来满足用户需求的人机交互。配置的建立是利用软件来实现的。而在配置系统中，主要是利用系统进行实时的数据传送，见图4.1。图4.1组态软件功能组成这个项目使用了亚控公司的“组态王”软件，由于平日学习的MCGSE无法满足该项目的要求，所以必须要有其它的软件；组态王软件具有较强的开放性和适应性；其操作简单易学，我用起来就会非常方便；其模拟效果良好，具有很好的可视性。组态王6.55软件主要包括：工程管理器，开发系统，运行窗口，信息窗口，工具，文档。其功能包括：开放已有工程，创建新工程，删除已有工程属性修改，工程备份恢复，数据库词典导入和导出，开发和运行。在图4.2中可以看到。图4.2组态软件界面我们选择了要开启的程式，然后进入了工程浏览器，见图4.3。在工程浏览器中，有许多功能，如：文件，数据库，Wed等。还有变量，网站，图片，我们可以一眼就看到我们要找的东西，因此，它的作用很容易掌握。图4.3组态软件参数设置组态王的另一种构造是运行系统，首先要在系统中创建图像，然后在内部开启。该系统能够显示系统的工作状态，以及实时的数据，并且能够用图像显示系统。但要实现其功能，必须有实时的数据收集与交换。4.2组态画面的设计组态王的工程大致有五个阶段：1、设计屏幕：设计界面的显示和运行；(2)判定装置：确定PLC的信号及与配置相关的参数；(3)建立数据库：建立PLC的输入、输出与配置参数的关系；(4)动画连结：将屏幕设定的对象与变数相连；(5)操作和调试：执行真实的仿真操作.第一步是创建一个电梯工程，工程管理器里面创建如图4.4。图4.4电梯工程界面创建好工程然后我们要对其设备数据进行定义，在工程浏览器左边可以定义PLC与组态的数据，如图4.5和4.6所示。图4.5参数设置图4.6添加设备信息图4.5是COM口的参数设置，图4.6是PLC参数的设置。我们还需要在数据库里建立监控画面的变量，再建立一个主界面，如图4.7所示。图4.7主界面参数设置下面需要选择符合自己课题的工具进行监控页面的设计，最终成型如图4.8所示。图4.8监控页面设计设定好了之后，需要将显示的东西和PLC中的数据进行链接。同时还有一些程序需要用来编写配置的脚本来完成，因此我们也要写一个类似于图4.9和4.10的脚本。图4.9脚本程序1图4.10脚本程序24.3组态的调试在进行调试时，先将PLC编程输入PLC，然后运行组态王。下面的动作电梯在二层的时候三楼有一个电话是往上的，其他的电话都是没有信号的，当电梯到达三层的时候，电梯会打开，然后又会关闭。当无其他来电时，电梯应下到一层进行操作，并打开和关闭乘客。这个操作流程显示在下面的图表中。图4.11电梯运行调试图4.4程序及注释在编程方面，我们先从我们的信号灯开始，内选指示灯必须要选中相应的内选按钮才能点亮，而且这个指示灯有一个“重置”的功能，需要有一个限制，即每一层的指示灯都是关闭的，每一层的指示灯都是按照图4.12来写的。在该图中，我们使用一种联锁关系来打开或关掉内部选择的指示灯。图4.12楼层指示灯控制外部调用的指示灯，与内部选择的判定原则相同。第一个判定元素是按下了一个外部呼叫按钮；第二项是判定是否重新设置了指示灯；第三种情况是，一楼的电梯只有一个起动，在其他楼层有两个操作，因此需要在确定电梯上升和下降时重置对应的上、下按钮指示灯，见图4.13。图4.13呼叫灯复位图4.13所示的用于判定电梯是否在相应楼层上下的中间寄存器，是根据某些判定而输出的。如果电梯重置判定，比如在二层的上行呼叫，则满足两个条件：一是向上；第二个办法，就是让电梯一直往下，直到二楼。因此，判断条件的最大限度是二，当移动方向与呼叫方向相反时，必须加上呼叫楼层之下没有到达信号。而第四层则是一种特殊的东西，它可以像一楼那样往下移动，所以它的复位是根据升降而定的。图4.14中有一个程序。图4.14电梯复位控制每一层的呼机显示和重置功能都写好了，下面就是电梯的操作流程。1至2,1至3/1至4,2至3,2至4,3至4为上行；同样，4至1,2,3,3至2,1,2至1为下行。上下两层都有一个前提，那就是电梯在哪一层，在这种情况下，电梯可以分为三种不同的情况。第一内部信号；第三种是呼叫反向信号，但反向信号仍满足于电梯没有其他信号的移动。同时，电梯上下移动的情况也要用指示灯来显示，正好在上下两个程序段中增加。图4.15显示了上行程序，图4.16显示了下行。图4.15电梯上行程序控制图4.16电梯下行程序控制在每个循环中，我们要对中间寄存器进行一次重置，并在升降一次操作时对下一次开启和关闭的数据寄存器进行清零。在此，我们在图4.17中直接使用ZRST重置和MOV写指令。图4.17寄存器复位电梯开门的选择及设置时间，首先要考虑的是安全。在电梯停机，并在关闭后立即启动，不得中途升降机到达指定楼层时，可以打开，手动打开，自动打开。正如图4.18所示7中直接。图4.18电梯开关门控制电梯时间设置是开门6s，关门3s。同时可以手动关门，并将寄存器判断结果输出，如图4.19。图4.19电梯手动开门自动开门的判断依据，如图4.20。图4.20电梯自动开门最后用MOV指令将我们的中间寄存器运算结果直接写入到对应的输出端口，如图4.21。图4.21电梯运行控制第5章结论第5章结论随着人类文明的发展，有一个重大的历史转折点，这次的设计也让我对升降机的工作有了更深的认识。这一项目中，虽然提到了变频调速与升降机的组合