基于三菱PLC的四层电梯控制系统.docx

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基于三菱PLC的四层电梯控制系统

电气工程系2012毕业设计

四层电梯的控制系统设计

Thefourflooroftheelevatorcontrolsystemdesign

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摘要

随着科学技术的发展，。

更新换代生产更新型的电梯，电梯主要分为机械系统与控制系统两大部份，随着自动近年来我国的电梯生产技术得到了迅速发展，一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺控制理论与微电子技术的发展，电梯的拖动方式与控制手段均发生了很大的变化，交流调速是当前电梯拖动的主要发展方向。

目前电梯控制系统主要有三种控制方式：

继电路控制系统（早期安装的电梯多位继电器控制系统）、PLC控制系统、微机控制系统。

继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。

微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。

而PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造。

关键词PLC；电梯；控制系统；设计

Abstract

Alongwithscience'sandtechnology'sdevelopment,therecentyears,ourcountry'selevatorproductiontechnologyobtainedtherapidlyexpand.Someelevatorfactoryunceasinglyisalsoimprovingthedesign,therevisioncraft.Therenewalproductionrenewal'selevator,theelevatormainlydividesintothemechanicalsystemandthecontrolsystemtwomajorparts,alongwiththeautomaticcontroltheoryandmicroelectronictechnology'sdevelopment,elevator'sdraggingwayandthecontrolmethodhashadtheverybigchange,theexchangevelocitymodulationisthecurrentelevatordraggingmaindevelopmentdirection.Atpresenttheliftcontrolsystemmainlyhasthreecontrolmodes:

Followingelectriccircuitcontrolsystem（“earlyinstallmentelevatormanyblack-whitecontrolsystem）,PLCcontrolsystem,microcomputercontrolsystem.Becausetheblack-whitecontrolsystemthefailurerateishigh,thereliabilityisbad,controlmodenotnimbleaswellasconsumedpowerbigandsoonshortcomings,atpresenthasbeeneliminatedgradually.

KeywordsPLC,elevator,controlsystem,design

1绪论

课题研究目的和意义

自1889年美国奥迪斯升降机公司推出世界第一部以电动机为动力的升降机以来，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。

如今电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的代步工具；而且作为载人工具，人们在运行的平滑性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能方面对它提出了更高的要求。

由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、一旦接收完成不易更改等缺点，所以需要开发一种安全、高效的控制方式。

可编程控制器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、维修方便等诸多高品质性能。

因此，PLC在电梯控制领域得到了广泛而深入的应用[1]。

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC在工业控制领域内得到十分广泛地应用。

PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。

电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。

多层厂房和多层仓库需要有货梯;高层住宅需要有住宅梯；百货大楼和宾馆需要有客梯,自动扶梯。

在现代社会,电梯已像汽车、轮船一样，成为人类不可缺少的交通运输工具。

据统计,美国每天乘电梯的人次多于乘载其它交通工具的人数。

当今世界,电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。

追溯电梯这种升降设备的历史,据说它起源于公元前236年的古希腊。

当时有个叫阿基米德的人设计出人力驱动的卷筒式卷扬机。

1858年以蒸汽机为动力的客梯，在美国出现,继而有在英国出现水压梯。

1889年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力,这才出现名副其实的电梯,并使电梯趋于实用化。

1900年还出现了第一台自动扶梯。

1949年出现了群控电梯,首批4~6台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。

1955年出现了小型计算机控制电梯。

1962年美国出现了速度达8米/秒的超高速电梯。

1963年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。

1967年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统筒化，性能提高。

1971年集成电路被应用于电梯。

第二年又出现了数控电梯。

1976年微处理机开始用于电梯，使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期[13]。

电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的工作和生活日益紧密联系。

PLC作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，从而使电梯由传统的继电器控制方式发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。

高校中关于PLC教学实验的中等模型较少，为此，自行设计并制作了专用4层集选电梯。

此电梯模型所采用的类型为三菱FX2C。

PLC程序设计采用模块化编程思想，即根据各功能实现的条件及原则设计各个功能模块。

设计的程序要求完成电梯自动运行功能如：

内选外召唤信号的登记、消号、到层自动开门、延时自动运行等。

1.1PLC在电梯系统的应用现状与发展趋势

随着我国经济的发展，城市中涌现出越来越多的高层建筑，而与之配套的电梯已成为人们日常生活中不可缺少的工具。

同时，由于城市老龄化问题日益突出，多层建筑同样也有使用电梯的要求。

而目前，国内中小电梯厂商大多采用继电器控制或微机控制方法实现对电梯的控制，前者硬布线的逻辑控制方式具有原理简单、直观等特点，但通用性差，逻辑系统由许多触点组成，接线复杂、故障率高、设备庞大，现已慢慢淡出市场；后者在工业控制系统中的应用十分广泛，在电梯控制上取代传统的继电器控制方式慢慢受到人们的重视。

根据电梯的功能要求，微机控制电梯的方式主要分为4种：

单微机控制方式，双微机控制方式，三微机控制方式，群控电梯的微机控制方式。

单微机控制方式又分为2种，即单板机控制方式和单片机控制方式；双微机控制方式由控制系统CPU和拖动系统CPU以及部分继电器组成整个电梯的控制系统，可以实现起制动闭环、稳速开环控制，也可以实现全闭环控制；三微机控制方式也称为多微机控制方式，以上海三菱的VFCL系统为例，它采用三个CPU来控制电梯，整个系统由三部分组成：

DR-CPU驱动部分、CC-CPU控制和管理部分、ST-CPU串行传部分，VFCL系统的驱动部分采用VVVF方式对曳引机进行速度控制，控制部分主要对选层器、速度图形和安全检查电路三方面进行控制；群控方式使用的微机数量根据方式的不同也有所不同。

但是由于微机控制的可靠性不高，容易发生故障，从而使电梯难以达到用户希望的安全、稳定、可靠等要求[2]。

PLC自问世以来，以其高可靠的特点在工业自动化领域获得广泛的应用。

近年来，随着超大规模集成电路技术和通信技术的进步，PLC的性价比逐年提高，使用PLC控制电梯，是一种投资小、见效快、可靠性高的好方法[2]。

1.1.1PLC的用途

PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。

但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业[6-9]。

PLC的应用通常可分为五种类型：

（1）顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。

PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。

如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。

（2）运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。

在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。

每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。

相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。

（3）闭环过程控制PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。

PID（ProportionalIntergralDerivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。

当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。

（4）数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。

著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。

为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。

通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。

美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。

预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。

（5）通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。

作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。

1.1.2PLC的工作原理

PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式。

PLC则采用循环扫描工作方式。

在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。

如此周而不断循环。

每一个循环称为一个扫描周期。

一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段。

所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。

这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O（输出）刷新”。

由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出队输入产生了响应。

反之，若在本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。

由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。

扫描周期的长短主要取决于这几个因数：

一是CPU执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。

对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。

因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。

但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就需慎重考虑。

应对响应时间作出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。

1.2论文的主要研究内容

随着国民经济的飞速发展,现代化程度日益提高,高层建筑愈来愈多,电梯也随之增多,电梯产品在人们物质文化生活中的地位得到了提高,成为重要的运输设备之一。

国内传统的电梯控制是由继电器、接触器构成。

它不仅存在着可靠性差、成本高、故障率高等缺点,而且在层数增加时,配线变化给制造及安装带来诸多不便。

由此可见，研究一种新的电梯控制系统具有十分重要的意义。

基于此，我们提出了本次设计：

PLC在电梯控制系统中的应用。

本设计主要以PLC作为工具对升降电梯的各种操作进行控制。

通过编写程序，对电梯的升降动作进行模拟仿真。

此电梯模型所采用的类型为三菱FX2C。

PLC程序设计采用模块化编程思想，即根据各功能实现的条件及原则设计各个功能模块。

设计的程序要求完成电梯自动运行功能如：

内选外召唤信号的登记、消号、到层自动开门、延时自动运行等。

合理分配轿厢内指令的执行和厅外召唤的应答。

第2章电梯PLC控制系统结构方案

系统控制核心为plc主机，通过plc输入接口送入plc.由存储器的plc软件运算处理，然后经输出接口分别向指层器及召唤指示灯等发出显示信号，向主拖动系统发出控制信号。

具体的电梯控制信号原理如图2-1所示。

图2-1电梯PLC信号控制系统框图

电梯的工作原理

曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。

固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。

常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。

轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。

补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。

电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。

指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。

安全装置保证电梯运行安全。

楼层状态指示设计

当电梯运行至某层有指令发出指示位置及指令，以二层为例如表2-1所示：

表2-1指示位置及指令表

LDtwoselet

二层内选掸

Stwoseletq，1

二层内选择指示

LDtwoup

二层上呼

Stwoupq，1

二层上呼指示

LJtwodown

二层下呼

Stwodownq，1

二层下呼指示

LDtwoseat

二层位置

=twoeeatq

二层位置指示

电梯下行程序设计

以电梯在三层下行情况为例。

当电梯的一或二层有指令时，将三层下行位置1，同时无上行，驱动电梯下行。

程序说明如下表2-2所示：

表2-2程序说明表

电棒在三晨时下行情况

LDoneseletq

一层内选择

0twmeletq

或二层内选择

Ooneupq

或一层上呼

0twodownq

或二层下呼

OtWoup_q

或二层上呼

Aeseatq

在三层位置时

SV0.1.1

置三层下行位

电梯下行

LDV0.0

有四层下行位

OV0.1

或有三层下行位

OV0.2

或有二层下行位

ANup

同时无上行

=down

电梯下行

电梯到达某层时。

将已完成的指令信号复位。

以电梯到达三层为例。

程序说明如表2-4所示。

表2-3程序说明表

电梯在二层时上行情况

LDfourseletq

四层选择

Othreeseletq

或三层选择

Ofourdownq

或四层下呼

Ohreedownq

或三层下呼

Othreeupq

或三层上呼

Atwoseatq

在二层位置时

SV0.4.1

置二层上行位

电梯上行

LDV0.3

有一层上行位

OV0.4

或有二层上行位

OV0.5

或有三层上行位

ANdown

同时电梯无下行

=UP

电梯上行

表2-4程序说明表

电梯到达三层

LDthreesearq

电梯到达三层

Rthreeseletq.1

复位三层内选择

RV0.0.1

复位四层下行

RV0.3.1

复位一层上行

RV0.4.1

复位二层上行

LDthreesceatq

电梯到达三层

ANdown

同时无下行

Rthreeupq.1

复位三层上行

LDthreeseatq

电梯到达三层

ANup

同时无上行

Rhreedownq.1

复位三层下行

第3章系统输入输出设计

电梯PLC控制方案

电梯PLC控制系统的控制核心是PLC。

哪些信号需要输入PLC，PLC要驱动哪些负载，以及采用何种编程方式。

输入输出点的确定，是设计整个控制系统的首要问题，决定系统的程序及线路设计方案。

PLC输入信号的确定方法

PC输入信号的确定方法

在保证电梯运行安全的前提下，各种控制信号尽量直接输入PLC，如图：

内外呼信号及层楼感应信号、急停按钮及开关门信号等。

本模块输入信号主要由楼层呼叫信号（6个）和平层号（4个）组成#楼层呼叫信号用带指示灯的按钮直接控制plc的输入端子就可实现。

平层信号需提供的是开关信号，由于霍尔元件具有结构牢固、体积小、重量轻、安装方便、功率小、耐震动、不怕灰尘等优点，我选择了桥厢下安装磁铁，通过非接触的霍尔元件产生开关信号的方法。

开关霍尔集成传感器与plc的输入端子连接示意图如图3-1所示

图3-1霍尔集成与plc连接示意图

可用梯形图或顺序功能图SFC来编程#梯形图编出的程序简短，但可读性差，而且需要长期的编程技巧积累才能完成。

建议学生用SFC来编，根据呼叫信号和平层信号的变化控制PLC的输出端Y13，Y14，Y15产生升、降、停信号来进一步控制单片机的工作。

要求学生编程时，Y13、Y14要互锁，避免同时接通，损坏步进电机。

PLC输出信号的确定方法

PLC通过软件对输入控制信号进行处理后，由输出接口发出控制信号及各种指示信号[3]。

PLC梯形图软件的设计采用模块化设计。

模块化程序结构清晰、便于调试。

如分为开关门、内选、外召唤、层楼数指示、定向、换速、到层延时等模块。

模块间不完全独立，它们之间存在着有机联系。

且在编程时要注意各条指令间的逻辑关系，梯形图中的内部辅助继电器和定时器统一分配编号，除了列I/O分配表外，还应列出内辅功能分配表。

充分利用PLC提供的指令。

输出部分（步进电机的控制与驱动）

模拟电梯桥厢需根据呼叫和平层信号在短距离内（约25cm）不停上下移动和启停,尝试了用多种控制方法去控制直流和交流电机都不能满足要求,最后选用步进电机满足了设计的要求.通过对PLC进行编程,能直接控制步进电机,但这样同一PLC完成两种任务,就会运行两种不同的程序和有两种接口,本模块的设计会很复杂,这也偏离了设计的原意,为此设计了通过单片机控制步进电机的方法实现.

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构.当步进驱动器接收到一个脉冲信号,他就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），他的旋转是以固定的角度一步一步运行的，步进电机具有瞬间起动与急速停止的优越性，速度可以控制得很慢，方便演示。

控制步进电机必须由环形脉冲、信号分配、功率放大等组成的控制系统，方框图如图3-2所示

图3-3步进电机驱动电路

脉冲信号的产生

脉冲信号由程序控制单片机产生，如果给步进电机发一个控制脉冲，他就转一步，再发一个脉冲，他会再转一步，没有脉冲，就停止。

两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快，调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速[12]。

为方便演示，速度要较慢，单片机程序设计电机转速为20ms对单片机进行编程,当PLC的Y13、Y14、Y15分别有信号时,使电机分别完成正转、反转、停止动作，程序如下：

ORG

STORP:

ORLP2,#OFFH;步进电机停止

LOOP:

JNBP1.0,FOR;Y13是否有信号,是则正转

JNBP1.1,REV;Y14是否有信号,是则反转

JNBP1.2,STOP;Y15是否有信号,是则停止

JMPLOOP

FOR:

MOVR0,#00H;正转至TABLE取码指针初值

FOR1:

MOVA,R0;至TABLE取码

MOVDPTR,#TABLE

MOVCA,@A+DPTR

JZFOR;是否取到结束码（00H）?

CPLA;将ACC反相

MOVP2.A;输出至P2,正转

JNBP1.2,STOP;Y15是否有信号,是则停止

JNBP1.1,REV;Y14是否有信号,是则反转

CALLDELAY;步进电机转速

INCR0;取下一个码

JMPFOR1

REV:

MOVR0,#05H;反转至TABLE取码指针初值

REV1:

MOVA,R0;至TABLE取码

MOVDPTR,#TABLE

MOVCA,@+DPTR

JZREV;是否取到结束码（00H）?

CPLA;将ACC反相

MOVP2.A;输出至P2反转

JNBP1.2,STOP;Y15是否有信号,是则停止

JNBP1.0,FOR;Y13是否有信号,是则正转

CALLDELAY;步进电机转速

INCR0;取下一个码

JMPREV1

STOP:

JMPSTOP

DELAY:

MOVR1,#40H;步进电机转速20ms

D1:

MOVR2,#248

DJNZR2,$

DJNZR1,D1

RET

TABLE:

DB03H,09H,0CH,06H,;正转

DB00;正转结束码

DB03H,06H,0CH,09H;反转

DB00反转结束码

END

（2）信号分配

本模块使用的是二相四拍感应子式步进电机，步距角为1.8°；当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或（AB-

B-

-

）时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或（

-

-

B-AB）时为反转。

（3）功率放大

单片机的输出信号经74系列数字运放整形放大，再经达林顿管进一步放大推动电机转动。

4层电梯仿真模块的控制原理方框图如图3-4所示

图3-44层电梯仿真模块的控制原理方框图

由信号输入、控制电梯的PLC编程、步进电机控制3大部分组成。

模块的面板如图3-5所示

第4章电梯PLC控制系统设计

电梯的控制要