PLC在电梯控制中的应用.docx
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PLC在电梯控制中的应用
PLC在电梯控制中的应用
【摘要】
为适应电梯的迅速的发展，由PLC控制代替传统的继电器已成为发展的定局。
本设计采用性价比较高的PLC控制形式力求人性化智能化为一体设计出一款高速、安全、价廉、及个性化组合的电梯控制系统。
本课题的研究题目——“基于PLC的电梯控制系统的设计”做诠释如下PLC控制是指电梯信号控制由PLC及其软件来实现，控制系统的核心为PLC。
其次课题开发的主要任务和内容是：
建立“PLC控制的电梯系统”的总体框架；信号控制系统利用PLC集中处理电梯运行方式、安全保护信号、内指令信号、外召唤信号、井道信号、门区信号、开关门及限位信号等信号，并显示电梯所到楼层、运行方向及呼梯应答等，实现开关门控制；拖动控制系统中曳引机的启动、运行、制动停止，包括正反转信号及多种速度信号，经PLC运算、判断后通过电机来实现。
达到的要求是：
通过深入的理论研究和编程实践，全面认真的完成上述几个内容。
关键词：
电梯、PLC、梯形图
目录：
第一章概述………………………………………………………………………………
1.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题……………………………………….
1.2PLC及其在电梯控制中的应用特点…………………………………………….
第二章可编程控制器的结构与程序设计……………………………………………
2.1可编程控制器的基础认识……………………………………………………
2.2可编程控制器的工作方式……………………………………………………
2.3PLC的编程语言………………………………………………………………
第三章PLC的选择及其硬件开发………………………………………………………
3.1可编程序控制器（PLC）的选择………………………………………………..
3.2PLC控制系统硬件开发………………………………………………………..
第四章系统软件开发……………………………………………………………………
4.1交流双速电梯的主电路…………………………………………………………
4.2门机电路、抱闸电路、门锁及安全运行电路………………………………
4.3电梯的主要电气设备………………………………………………………………….
4.4输入输出设置………………………………………………………………….
4.5梯形图的设计…………………………………………………………………
4.6梯形图程序…………………………………………………………………
第五章总结
5.1参考文献…………………………………………………………………
5.2附录…………………………………………………………………
第一章绪论
随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具。
电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行高效节能又安全可靠。
电梯是垂直运输工具，属于位能负载，并且要求频繁起停，随着载客量多少的变化、上下行的变换，在空载上行或重载下行时，电动机的负载最小，甚至是处于发电状态，而电梯在重载上行或空载下行时，电动机的负载最大，是处于电动状态，这就要求电动机在四象限运行。
传统的电梯曳引电动机采用接触器来实现电动机工作状态的改变，双速异步电动机在定子回路中串电抗与电阻来实现电动机的调速，这满足不了乘客的舒适感；另外，传统的电梯控制系统由继电器控制逻辑组成，存在着电气元件多、功能弱、电气故障频繁，可靠性差和工作寿命短等缺陷。
可编程控制器PLC是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。
鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。
同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速，不仅能满足乘客的舒适感和保证平层的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。
因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行列的一个热点。
1.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题
1.1.1电梯继电器控制系统的优点
（1）所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。
（2）系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。
（3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格便宜。
（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉掌握的人员较多。
1.1.2电梯继电器控制系统存在的问题
（1）系统触点繁多接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。
（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。
（3）电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。
（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
（5）由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；而且检查故障困难，费时费工。
电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊扰。
且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。
1.2PLC及其在电梯控制中的应用特点
1.2.1PLC的特点
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。
PLC与普通微机一样。
以通用或专用CPU作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制。
PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修。
编程简单、灵活性强等特点。
1、可靠性
对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。
（1）PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
（2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTTR，使可靠性提高。
（3）PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。
（4）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
（5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。
例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。
（6）PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。
例如，采用软件滤波等；软件自诊断；简化编程语言等。
2、易操作性
PLC的易操作性表现在下列几个方面：
（1）操作方便
PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。
编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。
更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。
更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。
（2）编程方便
PLC有多种程序设计语言可供使用。
对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。
采用布尔助记符编程语言，十分有助于编程人员的编程。
（3）维修方便
PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。
当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。
3、灵活性
PLC的灵活性表现在以下几个方面：
（1）编程的灵活性。
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。
编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
（2）扩展的灵活性。
PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。
它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
（3）操作的灵活性。
操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。
1.2.2PLC控制电梯的优点
（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。
（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。
（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）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。
（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。
第二章可编程序控制器的结构与程序设计
2.1.可编程控制器的基础认识
1.三菱FX2NPLC的主要特点：
1）集成型高性能。
CPU、电源、输入输出三为一体。
对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。
2）高速运算
基本指令：
0.08μs／指令
应用指令：
1.52～几百μs／指令
3）安全、宽裕的存储器规格
内置8000步RAM存贮器
安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。
4）丰富的软元件范围
辅助继电器：
3072点，定时器：
256点，计数：
235点
数据寄存器；8000点
5）除了具有输入输出16～256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。
6）面向海外的产品适合各种安全规格
为大量实际应用而开发的特殊功能：
开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要----模拟I／O，高速计数器。
对每一个FX2N主单元可配置总计达8个特殊功能模块。
2.PLC的性能指标和分类
1）PLC的主要性能指标
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
2）PLC的分类
通常，PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。
按结构形式不同,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。
3.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，其硬件结构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部分组成的。
1）PLC的硬件结构
一套PLC系统在硬件上由基本单元（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。
2）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。
2.2可编程序控制器的工作方式
1.PLC的扫描工作方式
图2-1PLC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。
从第一条指令开始，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，直到程序结束。
然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。
可编程序控制器工作时的扫描过程如图2-1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。
2.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2-2所示。
图2-2PLC的程序执行过程
3.PLC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，还要进行自诊断、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。
4.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，输入映像寄存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。
2.3PLC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。
（1）.可编程序控制器与继电器、微机在电梯控制中的应用比较
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），要达到这些控制目的，其方法有：
1.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：
与其它控制系统比较，其简单、易于理解和掌握、价格便宜。
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。
2.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较，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不足之处。
其缺点是：
微型计算机是按数字运算的需要而设计的，功能比较齐全，结构比较复杂；而一般的电梯控制只需要进行简单的逻辑运算，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，造成用微机控制的成本、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。
3.PLC控制系统
PLC充分利用了微型计算机的原理和技术，保留计算机控制的优点，而克服了它的缺点。
它具有强大的生命力，各工业部门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。
第三章PLC的选择及其硬件开发
3.1可编程控制器（PLC）的选择
电梯控制系统硬件由轿厢操纵盘、厅门信号、PLC、变频器、调速系统构成，控制系统结构图如图4.1所示。
图中变频器只完成调速功能，而逻辑控制部分是由PLC完成的。
PLC负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起停信号，同时变频器也将本身的工作状态输送给PLC，形成双向联络关系。
系统还配置了与电动机同轴连接旋转编码器及PG卡，完成速度检测及反馈，形成速度闭环和位置闭环。
此外系统还必须配置制动电阻，当电梯减速运行时，电动机处于再生发电状态，向变频器回馈电能，抑制直流电压升高。
电梯PLC控制系统不再使用继电器控制系统中模拟轿厢运动的机械选层器。
电梯运行过程中，轿厢所处楼层位置如何检测，PLC软件如何根据给定的输入信号及运行条件判断或计算楼层数，是电梯正常运行的首要问题，是正确定向和选层换速的前提。
3.1.1轿厢位置检测
轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态，所处位置，及时向控制系统发出所需要的信号。
其主要功能是：
根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系，确定运行方向；当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机减速信号，使其换速；当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢当前位置，选层器种类较多，通常分为三大类，即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。
其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的逐步淘汰而淘汰。
位置检测方法主要有如下几种：
1）用于簧管磁感应器或其它位置开关。
这种方法直观、简单，但由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。
2）利用稳态磁保开关。
这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。
3）利用旋转编码器。
目前，PLC一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元，计数准确，使用方便，因而在电梯PLC控制系统中，可用编码器测取电梯运行过程中的准确位置，编码器可直接与PLC高速脉冲输入端相连，电源也可利用PLC内置24V直流电源，硬件连接可谓简单方便。
旋转编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，用以测量转动量（主要是转角），并把它们转换成数字形式的输出信号。
在电梯中用码盘来检测轿厢的运行速度及轿厢所处位置，用作速度反馈信号和位置指示信号。
旋转编码器的转轴直接与曳引电动机转轴相连接，当电动机转动时，编码器输出与转角对应的脉冲数，通过累计脉冲数量可直接算出轿厢相应的位置行程，进而，算出电梯运行过程中轿厢所处层楼位置，确定换速点、提前开门区、平层停车点等。
以上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其他方法，故系统采用此法。
3.1.2可编程控制器（PLC）的选型
根据以上选择的轿厢楼层位置检测法，要求可编程控制器必须具有高数计数器，综合考虑后，系统选择了德国西门子公司的S7-200系列PLC。
3.2PLC控制系统硬件开发
电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。
图4.2为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。
系统控制核心为PLC主机、操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。
3.2.1设计思想
1）信号控制系统
电梯信号控制基本由PLC软件实现。
电梯信号控制系统如图4.3所示，
输入到PLC的控制信号有：
运行方式选择（如自动、有/无司机、检修、消
防运行方式等）、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码
器、光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。
2）电梯控制系统实现的功能
电梯的控制系统实现如下功能：
①一台电机控制上升和下降，各层设上/下呼叫开关（最顶层与起始层只设
一只）。
②电梯到位后，具有手动或自动开门关门功能。
③电梯内设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯及层楼指令键，警铃风扇及照明按键。
④待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门迎客。
自动关门待客。
当完成全部轿厢内指令，又无层外呼梯信号时，电梯应自动关门在调定时间内自动关闭轿厢照明。
⑤自动关门与提早关门，在一般情况下，电梯停站4~6S应能自动关门；在延时时间内，若按下关门按钮，门将不经延时提前实现关门动作。
⑥按钮开门。
在开关过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按钮，门将打开。
⑦内指令记忆。
当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。
⑧自动定向，当轿厢内操纵盘选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向。
自动换向，当电梯完成全部顺向指令后，应能自动换向，应答相反方向的信号。
⑨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，应能自动逐一停靠应答。
⑩自动返基站。
当电梯设有基站时，电梯在完成全部指令后，自动驶回基站，停机待客。
3）电梯操作方式
单台电梯的操作方式有手柄操纵控制、按钮控制、信号控制和集选控制等。
在乘客电梯中几乎全部采用集选控制方式。
①单轿厢下集选控制：
登记所有轿厢和厅门下行召唤；轿厢上行时，只答应轿厢召唤，直至最高层；自动改变运行方向为下行，应答厅门下行召唤。
②单轿厢全集选：
登记所有厅门和轿厢召唤；上行时顺应答轿厢和厅门上召唤，直至最高层自动反向应答下行召唤和轿厢召唤。
系统采用全集选操作方式。
4）速度给定曲线
为了满足舒适感，提高运输效率及正确平层要求，电梯的速度给定曲线是一个关键环节。
人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率，舒适感就意味着要平滑的加速和减速。
为了获得良好的舒适感，将电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线（S曲线）及一段直线构成，而这一曲线形状的构成及改变，则是由加速度斜率及S曲线变化率决定的。
加速斜率是以速度给定从0加速到1000转/分
所需要的时间来定义的。
其意义为加速度由0加速到1000转/秒平方，所需要的时间。
因此通过改变起动加速时间可获得不同的起动曲线斜率。
增大加速时间值起动曲线变缓，反之，起动曲线变急。
同理，增加S曲线变化率起动曲线弯曲部分变缓，反之，起动曲线弯曲部分变急。
而S曲线变化率的变化，也可通过改变S曲线起始、终了加速时间来实现，系统采用的变频器就具有S曲线加速时间设定功能，故将加速时间和S曲线加速时间配合调整，即可获得理想的起动曲线。
同理，制动曲线也可按此方法调整。
理想的电梯速度给定曲线如图4.4所示，图中a为加速度，v为速度。
在T1~T2时间内加速启动阶段，加速度均为a，在T2~T3时间内为恒速；T3~T4内电梯以加速度-a减速，T4后电梯保持低速爬行，收到平层信号后抱闸。
3.2.2I/O点数的分配及机型的选择
系统按七层的电梯为例，根据需要控制的开关，设备大约有20个输入点，13个输出点，需进行控制，考虑10~15％的裕量，故选择CPU226的S7-200型PLC
该型号特性如下图。
CPU226型PLC特性图
第四章软件开发
4.1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）
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