PLC电梯方案设计书.docx
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PLC电梯方案设计书
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
教师评语：
南昌工程学院
毕业设计（论文）任务书
一、毕业设计（论文）题目：
六层电梯PLC程序控制系统（三菱/西门子）
二、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：
电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵。
其操纵内容为电梯的运行方向。
电梯轿箱内安装有楼层内选按钮S1-S6.L1-L6为楼层指示信号。
SQ1-SQ6为到位行程开关。
要求
1.电梯在具有超高限和超低限报警；
2.要求具有电梯停靠楼层显示，开关门环节，最远反向截梯环节；
3.另外，电梯在紧急情况和满载时有直驶功能，不响应任何呼叫。
三、毕业设计（论文）工作内容及完成时间：
1．3月21日-3月28日：
查找资料、方案论证、撰写开题报告、英文资料翻译；
2．3月29日-4月4日：
构建六层电梯控制系统并进行I/O分配。
3．4月5日-5月16日：
硬件及软件设计；
4．5月17日-5月30日：
系统硬件、软件联机调试；
5．5月31日-6月24日：
撰写论文、答辩
四、主要参考资料
1.李惠升.电梯控制技术.北京.机械工业出版社
2.钟肇新，范建东．可编程控制器原理及应用．广州：
华南理工大学出版社，2003
3.邹金慧．可编程控制器及其系统．重庆．重庆大学出版社，2002
4.江秀汉等．可编程序控制器原理及应用．西安：
西安电子科技大学出版社，2004
5.徐世许．可编程序控制器原理．应用．网络．合肥：
中国科学技术出版社，2001
基于PLC的电梯控制系统
摘要
随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入一个崭新的时代，其应用越来越广。
而电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，与人们的生活紧密相关，随着人们对其要求的提高，电梯得到了快速发展，其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。
本文在已有的通变频器的基础上，采用PLC对电梯进行控制，通过合理的选择和设计，提高电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。
关键字：
PLC电梯控制系统
ABSTRACTWiththedevelopmentoftheeconomy,microelectronictechnology,computertechnologyandtheautomatictheoryaredevelopedrapidly,theACvariablefrequencytechnologyhasbeeninanewstate.Itsapplicationisbecomingmoreandmorewidely.Buttheelevatorasanimportanttrafficinskyscraper，italsohasdevelopedquicklywiththeimprovingrequirementofthepeople.ItsdraggingtechnologyhasdevelopedfromDCtimingtoACvariablefrequencytiminganditslogiccontrol-relaycontrolalsohasbeenreplacedbyPLC.Thearticleisbasedonthenow-beinggeneralfrequencyconverter,usingPLCtocontroltheelevator,thereliabilityisimprovedandthefeelingofcomfortisbetterthroughthereasonableselectionanddesign,sotheeffectofcontrolismoreideal
Keyword:
PLCcontrolfrequencyconversiontimingelevatorfeelingofcomfort
前言
近年来我国的经济飞速发展，人民生活水平的迅速梯高，工作居住条件得到了巨大的改善。
电梯作为建筑物内的垂直交通运输工具，与人们的生活息息相关。
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，另外，传统的电梯控制系统由继电器接触器控制逻辑组成，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稳的精度，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。
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。
第一章.三菱FX2N系列可编程序控制器介绍
1.1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。
1.2可编程序控制器的工作方式
1.PLC的扫描工作方式
图1-1PLC的扫描方式
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1-2所示。
图1-2PLC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。
1.3PLC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。
第二章.电梯设备及电梯发展动态
2.1电梯设备
2.1.1电梯的分类
电梯的分类有各式各样：
（1）按速度分类低速电梯1m/s以下高速电梯2-3m/s
超高速电梯3-10m/s
（2）按用途分类乘客电梯住宅电梯观光电梯载货电梯
客货两用电梯车辆电梯其他电梯
（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
（4）按有无司机分类有司机电梯无司机电梯有/无司机电梯
（5）按控制方式分类手柄操纵控制电梯按钮控制电梯
信号控制电梯集选控制电梯群控电梯
（6）按曳引机结构分类有齿曳引机电梯无齿曳引机电梯
（7）其它分类方式
按轿厢尺寸的大小分类时，经常使用“小型”、“超大型”等词来描述电梯。
按机房位置不同可分为：
机房位于井道顶部的上置式电梯；机房底部的下置式电梯。
2.1.2电梯的主要组成部分
（1）曳引部分：
通常有曳引机和曳引钢丝绳组成。
电动机带动曳引机旋转
使轿厢上下运动。
（2）轿厢和厅门：
轿厢由轿架，轿底，轿壁和轿门组成；厅门一般有封闭式、中分式、双折中分式和直分式等。
（3）电器设备及控制装置：
有曳引机，选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和厅外指示器组成。
（4）其它装置：
对重装置、补偿装置等。
2.1.3电梯的安全保护装置
（1）电磁制动器：
装于曳引机轴上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层后断电制动。
（2）强迫减速开关：
分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上撞块就触动此开关，通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速。
（3）限位开关：
当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，此限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。
（4）行程极限保护开关：
当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关动作。
（5）急停按钮：
装于轿厢司机操纵盘上，发生异常情况时，按此按钮切断电源，电磁制动器制动，电梯紧急停车。
（6）厅门开关：
每个厅门都装有门锁开关。
仅当厅门关上才允许电梯启动；在运行中如出现厅门开关断开，电梯立即停车。
（7）关门安全开关：
常见的是装于轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安全触板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门，此外还有红外线开关等。
（8）超载开关：
当超载时轿底下降开关动作，电梯不能关门和运行。
（9）其它的开关：
安全窗开关，钢带轮的断带开关等。
2.2电梯的工作原理
电梯的核心部分是依据电气控制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。
井道指建筑物中用于安装电梯并提供电梯运行的通道，轿厢及对重都是在井道中运行的。
井道在各楼层设有门厅及呼梯设备。
门厅有厅门，厅门顶部装有层楼指示灯，用于指示电梯的运行方向及电梯的所在位置。
门厅里还设有呼梯盒，用于在每层站召唤电梯。
呼梯盒常装在厅门外离地面1m左右的墙壁上，基站与顶站只有一个按钮，中间层站有上呼与下呼两个按钮，按钮下带有呼梯记忆灯。
基站的呼梯盒上还设有钥匙开关，供司机开关电梯。
为了实现轿厢的正常运行及准确停车，井道中往往要安装许多定位装置及安全设备。
井道的底部和顶部还设有蹲底及冲顶设备。
轿厢中设有自动门机，用来完成电梯的开门及关门任务。
电梯门分厅门及轿门，当电梯停靠某层时，此层的厅门在轿门的带动下开启及关闭。
电梯的操纵箱也安装在轿箱内，供司机及乘客对电梯发布动作命令。
上面设有与电梯的层站数相同的内选层按钮（带内选指示记忆灯），上下行启动按钮（带上下行指示记忆灯），开关门按钮，急停按钮，风扇、照明、层楼指示灯的控制开关，电梯运行状态选择钥匙开关（选择电梯是自动运行、司机状态下运行，还是检修）等。
2.3电梯的发展趋势
随着现代建筑的发展，日益增高的高层建筑已成为现代都市的重要指标，作为高层建筑的垂直运载工具—电梯，得到了快速发展。
主要为以下几方面：
（1）结构不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化
随着新技术、新结构、新材料、新工艺的发展，电梯的机械系统结构简单化、体积小型化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。
同时，无机房电梯在新世纪将会有较大速度发展。
（2）技术含量更高、性能更好
电梯行业技术发展非常迅速，几年前推出的具有先进性能、高舒适性的VVVF电梯，如今已成为电梯行业的标准配置，因为永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更洁净、更安全、更安静、更经济的特点，所以永磁同步无齿轮曳引机逐步成为新型曳引机的主流；由于永磁技术的先进性，将来很有可能取代VVVF技术。
另外，网络控制和智能群控系统以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性亦是电梯的发展潮流。
（3）安装更方便、更快捷
高效、安全、可重复使用的无脚手架安装，将是高层电梯安装的主要方式；随着新技术的开发、应用，电梯的硬件系统给安装带来更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。
此外，电梯的双向安全装置、无底坑、无线控制、绿色环保—安全、环保、节能、舒适，也将是未来电梯的重要发展方向。
第三章.电梯调速控制系统设计
随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。
电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
变频调速电梯的特点：
（1）变频调速电梯使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。
（2）变频调速电源使用了先进的SPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能；调速范围广、控制精度高、动态性能好；舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速。
（3）变频调速电梯使用先进的SPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。
3.1变频器的选型
随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速已应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。
本设计选用了安川电机公司面向世界推出的21世纪通用型变频器VS—616G5型变频器。
这种变频器的起动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达0.01%-0.02%，使得电梯运行舒适感好、零速抱闸、平层精度高。
无须配专用电机，可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。
采用高性能IGBT,载波频率20KHZ，从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形，使电机始终运行于静噪音状态。
VS—616G5不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。
变频器的调速控制如下图所示。
VS-616G5的特点：
（1）包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。
（2）有丰富的内藏与选择功能。
（3）由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。
（4）保护功能完善、维修性能好。
（5）通过LCD操作装置，可提高操作性能。
3.2速度给定曲线分析过程
目前在电梯中所应用的交流双速或可控硅调压调速控制方式里逻辑部件均由继电器、选层器完成。
传统电梯控制系统往往忽视了舒适感要求，针对这一问题，运用vS_616G5变频器可编写速度曲线优点，对现有电梯调速控制系统进行改进，既可以达到节能要求又可以最大限度满足乘客要求。
乘客对电梯需要包括生理需求和心理需求，从生理和心理上满足乘客需设计电梯转速基本出发点。
生理需求是指乘客对其垂直平面内运行方式提出要求。
（1）现有速度曲线分析
人们垂直平面内乘坐电梯承受加速度或减速度时，会引起体内器官相对运动，产生不舒服感觉，这就是重力加速度效应。
专家经验，电梯加、减速度应限制1．5m／S2以内，且加速度变化率应限制2．0m／S3以内。
速度控制曲线往往如下图1所示，A、B、C、D处加速度变化率为正、负无穷大，其它时刻则为0。
VS-616G5变频器中有15种速度曲线可供选择，但多数均为如图1所示线性，少数几种S型，能满足客户对电梯性能要求（加、减速时间为1．5s，额定转速为1m／s），针对以上情况，这里设计了一种新型速度控制曲线。
如图3所示。
图3-1常规速度控制曲线
（2）改进后速度曲线确定
AE、FB、CG、HD四段选用抛物线平滑地完成加速、减速，EF、GH两段选用曲线的切线来完成调速过程。
由系统实际要求所知：
电梯的额定转速1m/s，加、减速所用时间为1.5s，人体所能承受的最大加速度为根据上述要求所用的速度曲线模型如图4所示：
图3-2改进后速度控制曲线
AE：
V=0.9t2t∈E[0,0.667]
EF：
V=1．2t-0.4004t∈[0.667，0.833]
FB：
V=l-0.9（1.5-t）2t∈[0.833，1.5]
CG：
V=1-0.9（tc-t）2tc=1.5+T0t∈[1.5+T0，2.167+T0]
GH：
V=0.6-1.2（t-2.167—T0）t∈[2.167+T0，2.334+T0]
HD：
V=0.9（t-3-T0）2t∈[2.334+T0,3+T0]
其中T0是电梯以额定转速运行的时间。
第四章.PLC的设计
4.1位置检测
位置检测方法主要有如下几种：
（1）用干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。
由于本文是六层电梯的控制故选用感应器检测轿厢位置。
4.2曳引机的选择
随着PLC和变压变频（VVVF）调速控制在电梯领域广泛使用，电梯的安全性和舒适性及智能化大大提高的同时，电梯的控制更加复杂。
本设计采用曳引驱动，使用的是VF系列电梯曳引电动机。
其特点为：
（1）防护型、自冷式变频调速三相异步电动机
（2）具有低频起重转矩大、起重电流小的特点，适用于满载起动。
（3）兼有高效节能、调速范围广、运行可靠、噪声低振动小等优点，是目前理想的交流调速电动机，主要用作电梯及其它电动升降机的原动力。
根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图所示。
图中M1,M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1～KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。
FR1,FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。
FU1为熔断器，起过电流保护作用。
图4-1主线路图
4.3 输入输出设计
为了便于对电梯的工作原理及PLC系
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