基于组态技术的PLC电梯控制系统设计.docx

基于组态技术的PLC电梯控制系统设计.docx

《基于组态技术的PLC电梯控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于组态技术的PLC电梯控制系统设计.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于组态技术的PLC电梯控制系统设计

化工学院

毕业设计说明书

题目：

基于组态技术的PLC电梯控制系统设计

学生姓名：

学号：

指导教师：

专业年级：

自动化2009级

所在班级：

09级自动化班

完成日期：

2014年6月7日

答辩日期：

2014年6月14日

基于组态技术的PLC电梯控制系统设计

摘要

课题涉及以下两方面：

首先PLC控制是指电梯信号控制由PLC及其软件来实现，控制系统的核心是PLC。

其次稳定与安全运行是评价电梯性能的重要依据，针对提高电梯的安全运行，设计一种基于MCGS组态软件的电梯实时运行的监控方案。

该方案通过RS485/RS232通信接口采集到模拟电梯的实时运行数据，采用MCGS组态软件涉及电梯的现场监控系统，通过整体的设计和动画效果的演示，实现现场设备的实时监视。

课题的设计对象是一六层电梯，电梯轿厢可上下运行，轿厢门具有开关和限位等保护功能。

轿厢内可提供上行信号、下行信号、平层检测信号、开关门限位信号、门安全信号等，由PLC来实现电梯信号控制，主电路有双速电机实现调速，轿厢运动速度要经过低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至减速点。

当电梯检测到目标层楼层监测点产生的减速点信号时，电梯进入减速状态，由中速变为低速，并以低速运行至平层点停止。

为了提高自动控制系统的可靠性和设备的工作效率，设计了一套以PLC为核心控制器的电梯自动控制系统，用来取代以往的较复杂的继电器—接触器控制。

系统的核心部分（控制部分）使用了三菱公司生产的FX2N-80型PLC，因为在核心控制部分采用的是软件程序控制，从而在保证电梯正常运行这个要求的情况下，大大的提高了电梯故障检查与维修的方便性和容易性，同时还克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素，取得了良好的预期效果。

关键词：

PLC，电梯，模拟电梯，MCGS，监控系统

DesignofPLCControlSystemofElevatorBasedonConfigurationTechnology

Abstract

Theresearchprojectscoverthefollowingtwoquestions:

First,PLCcontrolmeanstheelevatorsignalcontrolsoftwaretoachievebythePLCcontrolsystem.Second,stabilityandsecurityoperationsareanimportantbasisforperformanceevaluationoftheelevator,forimprovingthesafeoperationofelevators,thedesignMCGSconfigurationsoftwarebasedonreal-timeapplicationsthatrunontheelevatorcontrolprogram.RS485/RS232communicationinterfaceoftheprogramcollectedthroughthePLC-controlledreal-timesimulationofelevatorsoperatingdata,theuseofconfigurationsoftwareMCGSsceneinvolvingtheelevatorcontrolsystem,throughtheoveralldesignandanimationpresentations,fielddevicestoachievereal-timemonitoring,remoteControl.

Subjectofdesignobjectisasixelevatorofcompanyofficebuilding,theelevatorcarcanrunupanddown,thecardoorhastheprotectionfunctionsuchasswitchandthelimit.Capsulescanofferwithintheuplinksignals,downward,horizontallayerdetectionsignal,switchthresholdlevelsignals,securitydoor,theelevatorelectricalpartiscomposedofdcmotor,sensor,etc.ByPLCtorealizethesignalcontrol,maincircuitwithdoublespeedmotortoachievespeed.Capsulestomovementspeedafteraslowtomediumspeedintohighspeedagain,andruntothedecelerationpointathighspeed.Floorwhentheelevatordetectedtargetlayerofthedecelerationpointsignalmonitoring,enterthedecelerationcondition,frommediumspeedtolowspeed,andatalowerspeedtoaflatlayerstoppoint.

Forraisingthecredibilityoftheautomaticcontrolsystemandtheworkefficiencyoftheequipments,designasetoftakePLCasthecorecontrolleroftheelevatorautocontrolsystem,usingtoreplaceformermorecomplicatedofafterelectricappliances-thecontactmachinecontrol.Thecorepart（controlpart）ofthesystemusedaJapaneseMitsubishicompanytoproduceoftheFX2N-80typePLCisthesoftwareprocedurecontrolinthecorebecauseofwhattocontrolthepartadoption,thusBepromisingtheelevatorcirculatesnormallyunderthecircumstanceof[with]thisrequest,raisedelevatortobreakdowncheckandtheconvenienceandeasyformaintainconsumedly,stillovercametomoveanoperationsomeartificialinterferencefactorsbringinthemeantime,obtainthegoodresults.

KEYWORDS:

PLC,Elevator,Simulationofelevator,MCGS,Monitoring

System

1绪论

1.1电梯的概述

随着人口的增加，科学技术日新月异地发展，人们物质文化生活水平的逐步提高，建筑业得以迅速发展，大批的高楼大厦拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭店、办公楼、住宅比比皆是。

伴随建筑业的发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯工业也在日新月异地发展着。

电梯已不仅是一种生产过程中的重要电气设备，也越来越在人们的生活中扮演着重要的角色，传统的电梯已不能满足人们的需要，在追求高质量生活的今天，电梯的功能提高也显得尤为重要。

1.2电梯的发展简史

最早的电梯可以追溯到公元前2800年的埃及，那时候为了建造金字塔，就有记载使用过由人力驱动的升降器材[1]。

在瓦特发明蒸汽机后出现了由蒸汽驱动的电梯，后来英国的阿姆斯特朗发明了水压梯，并且这种电梯现在仍有使用。

随着电力文明的到来，电梯发生了革命性的变化，电力驱动的电梯成了当今的主流，并且随着电机的出现个革新，电梯的性能也得到了提高，而现在，电梯也正以飞快的速度发展着，可以预想到，未来的电梯将不是我们现在所乘坐的电梯那样，它的功能将更加强大[2]。

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[3]。

从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异地发展着。

目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘坐舒适。

随着电子工业的发展，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。

1.3PLC控制电梯

（1）在电梯控制系统中引入PLC，可以实现软件对电梯运行时的自动控制，系统的可靠性得以提高。

（2）PLC拥有丰富的内部资源，使得控制系统高度集成，外部接线简单明了。

（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可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。

（5）PLC能用于群控调配和管理，便于提高电梯运行效率。

（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。

PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期短等优点，目前已成为电梯控制系统中使用最多的控制方式[4]。

1.4课题的提出

PLC以其优越的性能，在很多领域中得到了广泛的应用。

在电梯业也是如此，目前国内70~80年代安装完成的电梯绝大部分是继电器控制，线路复杂，节点接线多，故障率高，系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大，严重地影响电梯运行质量。

应对这些电梯进行更新和改造。

但是更新需要大量资金，对使用单位来说有一定困难，所以对电梯进行局部改造是经济的、实际的。

今年来，采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯，取得了良好效果。

利用PLC和组态软件对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。

1.5课题的主要讨论内容

课题所研究的内容主要是用可编程控制器（PLC）和MCGS组态软件实现对电梯的控制和监控。

针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯。

论文的主要内容如下：

首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的总结和介绍。

接着阐述了电梯控制系统的分类及特点，电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分。

确定了系统的总体结构，由PLC来实现电梯信号控制，有双速电机实现调速，完成了电机和可编程控制器（PLC）的选择。

然后是系统硬件开发，完成了PLC的选型、I/O点数分配与PLC的连接。

在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出了软件流程图，提出了模块化编程思想，介绍了系统的软件开发。

2系统总体方案设计

2.1系统总体设计思路

项目用GXDeveloper编程软件对PLC编程，并用MCGS组态技术仿真模拟PLC的控制对象，达到形象直观的效果。

首先PLC控制是指电梯信号控制由PLC及其软件来实现，控制系统的核心是PLC。

其次针对提高电梯的安全运行，设计一种基于MCGS组态软件的电梯实时运行的监控方案。

该方案通过RS485/RS232通信接口采集到模拟电梯的实时运行数据，采用MCGS组态软件涉及电梯的现场监控系统，通过整体的设计和动画效果的演示，实现现场设备的实时监视。

课题的设计对象是一六层电梯，电梯轿厢可上下运行，轿厢门具有开关和限位等保护功能。

轿厢内可提供上行信号、下行信号、平层检测信号、开关门限位信号、门安全信号等，由PLC来实现电梯信号控制，主电路有双速电机实现调速，轿厢运动速度要经过低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至减速点。

当电梯检测到目标层楼层监测点产生的减速点信号时，电梯进入减速状态，由中速变为低速，并以低速运行至平层点停止。

系统选择了三菱公司生产的FX2N系列PLC，综合考虑输入输出要求，估计需要PLC输入输出点73左右。

因此，采用三菱FX2N-80可编程控制器完成本次设计。

电梯系统的总体结构图如2-1所示。

图2-1系统总体结构图

2.2系统的具体实现

该系统具有的功能如下:

①开始时，电梯可以处于任意一层；②当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时5S后自动关门；③当有内呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时5S后自动关门；④具有楼层显示功能，电梯在碰到每一层的平层开关时，会显示所在楼层；⑤电梯应具有最远反向外呼梯响应功能。

例如：

电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号；⑥电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。

平层且电梯停止运行后，按开门按钮电梯门打开，按关门电梯门关闭。

2.3电梯控制系统介绍

模拟电梯由MCGS组态软件及电梯控制系统等组成。

由于电梯的运行是根据楼层以及轿厢的呼叫信号，限位开关信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫信号是随机的，因此，系统控制应采用随机逻辑控制。

即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时控制电梯的运行。

轿厢的位置是由每层限位开关控制，当轿厢经过或停在某一层时，碰触此限位开关。

此时限位开关得到一个输入信号，以便于PLC控制。

为了便于观察，对电梯所在的楼层进行显示，本系统采用发光二极管显示楼层信息，而对电梯的运行方向和呼叫信息同样采用发光二极管进行显示。

2.4电梯控制方案

电梯每层设有呼叫开关按钮、呼叫指示灯和限位开关，因呼叫开关为常开按钮式开关，要求瞬间接通有效，故需对信号进行自锁。

电梯上升或下降途中不响应反向呼叫，故需对反向信号予以屏蔽。

电梯上升或下降至相应楼层后，呼叫信号及其指示应同时解除。

当电梯停在某层时，在原停层两侧都有呼叫，则距离它最近的楼层呼叫有优先响应权；如果呼叫楼层与原停层距离相等，则谁先呼叫响应谁。

而在原停层的同一侧有几层同时呼叫，则电梯顺序响应呼叫层。

3系统硬件设计

3.1可编程控制技术

3.1.1可编程控制器的基本概念

可编程控制器简称（ProgrammableController）PC。

个人计算机（PersonalComputer）也称PC，为了避免混淆，人们将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC（ProgrammableLogicController）[5]。

3.1.2PLC的特点

（1）可靠性高，抗干扰能力强

电气控制系统中最主要的指标是较高的可靠性。

可编程控制器集成度很高，其生产工艺要求也比较严格，在电路设计的时候就考虑了系统的抗干扰能力，因此可编程控制器有很强的抗干扰能力。

另外一些生产厂家在设计的时候还增加了多个处理器，这样可编程控制器的可靠性也得到了很大的提高。

不仅如此，可编程控制器还具有运行时候的硬件检测能力，在硬件发生故障时会发出报警提示，综合这些使得控制系统具有了很高的可靠性。

（2）配套齐全，功能完善

PLC发展到今天，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控制场合。

除了逻辑处理功能外，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的功能模块大量涌现，使PLC扩展到位置控制、温度控制、计算机控制等各种工业控制领域中。

加上PLC通信能力的提升及人机界面技术的发展，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迎

可编程控制器是工业用的控制计算机，编程语言简单，容易被各阶层的技术人员掌握。

例如梯形图语言和传统的继电器接线类似。

（4）系统设计周期较短，维护方便，更改功能容易

可编程控制器用存储器代替了复杂的接线，减少了外部接线，这样就使得系统的设计周期很短，并且在运行维护方面也变得容易。

最重要的是改变控制功能时只需要改变程序就可以达到目标。

（5）体积小，重量轻，能耗低

以超小型的可编程控制器来说，现有的产品中有底部尺寸仅100平方毫米、重量低于150克、运行时候的功耗仅有几瓦的超小型可编程控制器。

由于其体积较小，这些控制器很容易装进各种机械内部，在实现机电一体化领域发挥着重要角色[6]。

3.1.3可编程控制器的组成及其各部分功能

大多数可编程控制器虽然外观不同，但是硬件接口基本相同。

主要有中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出（I/O）接口、电源及编程设备几大部分[7]。

3.2可编程控制器（PLC）的选型

考虑到本次设计的电梯系统有六层，且开关量居多，模拟量较少；对于开关量控制为主的系统而言，一般PLC的响应速度足以满足控制的要求，在小型PLC中整体式比模块式的价格便宜，体积也小，综合考虑后，系统选择了日本三菱公司生产的FX2N系列PLC。

FX2N系统PLC具有以下几方面的优点：

（1）FX2N配置灵活，除主机单元外，还可扩展I/O模块，A/D模块，D/A模块和其它特殊功能模块。

（2）FX2N指令功能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。

（3）FX2N可用内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要。

（4）FX2N的编程可用编程器，也可以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSOFT系列的GXDeveloper来进行。

编程语言可用梯形图或指令表。

尤其是可用PC机对系统实时进行监控。

为调试和维护提供了极大的方便[8]。

3.3电机调速系统的设计

3.3.1电梯的速度曲线

电梯运行中的速度变化可以用如图3—1所示。

速度曲线表示，如图中纵坐标代表电梯的运行速度，横坐标表示电梯运行时间。

t1为启动加速段，至A点到达电梯的额定速度，t2为匀速运行段，到达B点，进入t3减速制停段，到达平层，减速完成停梯开门，完成电梯的一次运行。

图3-1电梯的速度曲线

电梯的实际运行速度曲线，对乘客的乘坐舒适感有很大影响。

特别是高速电梯在加速段和减速段，如果设置不好，会有上浮、下沉、重压、浮游、不平衡等不舒适感，最强烈的是上浮和下沉感。

它与加速度与减速度的大小有关，当延长加速时间t1、减速时间t3，舒适感变好，但运行效率降低。

从实验得知，与人的舒适感关系最大的，不是加（减）速度，而是加（减）速度的变化率，即“加速度”，也就是t1和t3两头弧形部分的曲率。

如果将加速度变化率限制在1．3m／s2以下，即使最大加速度达到2～2．5m／s2，也不会使人感到过分的不适。

3.3.2电力调速系统的应用与发展

随着时代的进步和科技的发展，拖动控制的电力调速系统在工农业生产、交通运输、国防军事设施以及日常生活中越来越得到了广泛的应用。

根据转速是否变化，可以将各类生产机械分为恒速拖动与变速拖动机械两大类，而在现代的各行各业中，绝大多数的机械都有着调速的要求，使得对变速拖动系统的研究具有重要的现实意义。

长期以来，直流电机调速系统一直在调速领域占主导地位，这主要是因为直流电动机调速方便。

而且在磁场一定的条件下，它的转速和电枢电压成正比，使其转动矩容易控制。

因此直流电动机调速比较容易得到良好的动态特性，但是直流电动机的结构复杂、制造费时、价格昂贵、可靠性差、运行出现火花等缺点使得直流电动机远远不能适应现代化生产向高速、大容量发展的要求。

交流电动机特别是鼠笼型异步电动机，由于它结构简单，制造方便，价格低廉，而且坚固耐用，运行可靠，维护量少，可用于恶劣环境等优点，在工农业生产中得到了极其广泛的应用。

但由于交流电动机平滑调速比较困难，在早期采用的主要是绕线式异步电动机转子外串电阻和鼠笼型异步电动机变极调速。

在30年代提出了串级调速的方法，但是带来调速系统复杂，不容易控制的矛盾。

直到本世纪50年代中期，晶闸管研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代，使交流电机调速技术得以应用。

在印年代初期，几位著名的专家提出了实用和高效的静止变压变频器。

虽然交流电动机有许多优点，但由于变频器的成本高，以及需要比较复杂的控制系统，在与直流传动的竞争中受到了阻碍，在70年代中期，在全世界范围内出现能源危机，节约能源的问题世界瞩目。

作为节约能源的一个重要手段，电机的调速问题得到了重视，许多过去一般不调速的装置也采用了调速，由此对交流电动机调速技术的发展起了很大的推动作用。

由此可见，研究电力传动系统，特别是交流调速的问题有着重要的意义。

3.3.3异步电机的调速方法及经济技术比较

异步电动机转速表达式为:

n=n0（1-s）=60f/p（1-s）

式中：

no为同步转速，f为电源频率，p为电动机的磁极对数，S为异步电动机的转差率。

从上式可以看出，要调节异步电动机的转速，可以从改变下列三个参数入手：

改变异步电动机定子绕组的磁极数——即变极调速；改变异步电动机的转差率——即改变转差率调速；改变供电电源的频率——即变频调速。

（1）变极调速

对于鼠笼型转子结构的异步电动机，其转子的极对数能自动地与定子极对数相对应。

改变定子绕组的接法，以改变定子的极对数，使异步电动机的同步转速n0=60f1/p得到改变，达到调节转速的目的。

变极调速的优点：

操作简便、机械特性硬、效率高、可获得恒转矩与恒功率调速。

其缺点是:

只能有极调速，而且调速等级有限，只适用于不要求平滑调速的场合。

（2）变转差率调速

常见的利用改变转差率进行速度调节的方法有下列几种：

转子电路串接电阻调速；改变定子电压调速；滑差电机调速；串极调速及脉冲调速等。

下面依次介绍上述调速方法的简单原理及其优缺点。

1）转子电路串接电阻调速。

其优点是调速方法简单、初期投人少，一般适用于恒转矩负载。

其缺点是当转速较低时，转子电路效率，随之降低，转子损耗增大，经济性变差；由于转子电路串接电阻，使机械特性变软，而且串接电阻的数值越大，特性就越软，因而在低速下稳定性差；只能获得有级调速，平滑性不高；调速范围受负载转矩的影响，当轻载时，调速范围很小。

2）改变定子电压调速。

当转速低于、（与最大转矩对应的转速）时，其机械特性部分对恒转矩负载不能稳定运行，因此调速范围很小。

对于恒转矩调速，在增加异步电动机转子电阻的基础上，改变定子电压，可获得较宽的调速范围。

但它的机械特性变软，使运行不大稳定。

而且低压时，过载能力低，负载波动较大时，适应性差，调速时效率低，功率因数较转子电路串接电阻时更低，在低速时，电机发热严重。

3）滑差电机调速。

其特点是在异步电动机的轴上装一个电磁滑差离合器。

滑差电机的优点是结构简单、运行可靠、维护方便、可实现平滑调速。

其缺点是这种调速方式在不同的励磁电流下其机械特性很软，并且励磁电流越小，特性越软。

在低速下它的效率很低。

由于磨擦与剩磁的存在，使