四层电梯的设计.docx
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四层电梯的设计
四层电梯的设计
摘要
Plc作为一种工业控制微型计算机，以其编程方便，操作简单尤其是它的高科控制性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用，它运用大规模集成电路，微型技术和通讯技术的发展成果，逐步形成了具有多种优点和微型，中型，大型及超大型等规格系列产品。
应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的控制领域，随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成了高层楼房的必备设备。
电梯从手柄开关操纵电梯按钮控制电梯发展冬了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可泯灭的贡献。
Plc在电梯升降控制上的运用主要体现在它的逻辑开关控制功能。
由于plc具有逻辑运算，计数，定时，及数据输入输出功能，在电梯升降过程中，各种逻辑开关控制与其很好的结合，很好的实现了对的控制。
关键字：
plc，电梯控制。
前言
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。
但由于电梯控制系统的复杂性，使继电器接触控制系统的接线复杂，可能使用成百上千的各式各样的继电器，由很多导线用复杂的方式连接起来，这样如果某个继电器损坏或者触点接触不良，都会影响整个系统的正常运行。
随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。
鉴于PLC的种种优点，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，电梯的拖动方式也有原来直流调速逐渐过渡到了交流调速。
因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行业的一个热点。
PLC技术的应用于电梯自动控制很好地解决了电梯控制系统过于复杂的问题。
作为通用工业控制计算机，（PLC）采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC经过多年应用得到了不断的发展，具有显著的优点。
由于内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
PLC发展到今天已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
同时还具有体积小，重量轻，能耗低等优点。
正因为具有以上优点PLC技术广泛的应用于工业控制的各个领域，本文中PLC技术实现四层电梯自动控制便是很好的例证。
.
第一章PLC介绍
1.PLC的发展
第一台可编程控制器的设计规范是美国通用公司提出的。
当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、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与功能。
这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。
第一台PLC具有模块化、可扩充、可重编程及用于工业环境的特性。
这些控制器易于安装，占用空间小，可重复使用。
尽管控制器编程有些琐碎，但它具有公共的工厂标准—梯形图编程语言，这样使得不熟悉计算机的人也能方便的使用它。
在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。
到70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。
70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。
在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、闭环控制、提高了运算速度，扩大了输入输出规模。
在这个时期，日本、西德（原）和法国相继研制出了自己的PLC，我国在1974年也开始研制。
70年代由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。
这是面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。
在功能上，PLC可以代替某些模拟控制装置和小型机DDC系统。
进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产生，可诊断自身故障及机器故障。
这些改进使PLC符合今天对高质量高产出的要求。
尽管PLC功能越来越强，但他仍然保留了先前的简单与易于使用的特点（PLC实物图2-1）
1.2PLC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。
PLC的应用通常可分为五种类型：
1.2.1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。
1.2.2位置控制
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。
1.2.3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。
1.2.4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。
1.2.5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。
1.3PLC的特点
1.3.1PLC的性能特点
1.3.1.1硬件的可靠性
PLC是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的，一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。
在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简化安装，使它易于抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。
例如，在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，用提高了抗干扰性能；各个I/O端口都除采用了常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了较合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。
由于PLC本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上。
1.3.1.2编程简单，使用方便
用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。
PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。
例如，目前打多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。
这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，这是微不足道的。
1.3.1.3接线简单，通用性好
PLC的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与PLC输出端子连接。
接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。
PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。
这种性能使PLC具有很高的经济效益。
用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于是用。
1.3.1.4可连接为控制网络系统
PLC可连成功能很强的网络系统。
网络可分为两类：
一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为500—2500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M—10Mbps，传输距离为500—1000m，网上结点可达1024个。
这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。
1.3.1.5易于安装，便于维护
PLC安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到PLC系统的情况下，PLC小的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。
在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。
长距离站通过同轴电缆获双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。
从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。
由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示器是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。
PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。
一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。
1.4PLC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。
1.5PLC的编程语言
PLC提供了较完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。
利用编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬接线线路，这就是所谓的“可编程序”。
程序由编程器送到PLC内部的存储器中，它也能方便地读出、检查与修改。
PLC提供的编程语言通常由三种：
梯形图、功能图、及布尔逻辑编程。
梯形图（LadderProgramming）是应用最广的，梯形图编程有时称为继电器梯形图逻辑图编程。
它使用的最广是因为它和以往的继电器控制线路很接近。
梯形图是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的，它与电气操作原理相呼应。
它的最大优点是形象、直观和实用，为广大电气技术人员所熟知。
PLC的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。
PLC的梯形图使用的时内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的，其主要特点为使用方便、修改灵活。
功能图编程（FunctionChartProgramming）是一种较新的编程方法。
它的作用使用功能图来表达一个顺序控制过程。
布尔逻辑编程（BooleanLogicProgramming）包括“与”（AND）、或（OR）、非（NOT）以及定时器、计数器、触发器等。
每一种编程方法都有它的优点和缺点，根据每一种特殊的控制要求，根据编程者的熟练程度正确合理应用编程方法。
1.6三菱PLC的基本指令
ANB并联电路的串联指令
MPSMRDMPP进栈,读栈,出栈
LDPLDFANDPANDFORPORF脉冲上升沿,下降沿检出的触点指令
MCMCR主控与主控复位指令
PLSPLF取脉冲上升（下降）沿
INV取反指令
NOP空指令
END结束指令
其它三菱系统基本一样,其它PLC类型有区别20个基本指令：
LD：
取指令（常开触点）
LDI：
取反指令（常闭触点）
AND：
串指令（常开触点）
ANI：
串反指令（常闭触点）
OR：
并指令（常开触点）
ORI：
并反指令（常闭触点）
ORB：
并块指令
ANB：
串块指令
MPS：
进栈指令
MRD：
读栈指令
MPP：
出栈指令
PLS：
上跳沿微分指令
PLF：
下跳沿微分指令
MC：
主控指令
MCR：
主控复位指令
NOP：
空指令
OUT：
输出指令
END：
结束指令所谓的基本指令就是逻辑指令，也就是我们常说的步序控制指令，也是PLC的原始指令，PLC最基是以代替继电器控制所开发出来的，直到今天发展到了多功能运算等指令，基本指令是外接元件在程序中的特性和位置的代表附，例如三菱PLC为例：
LD：
为一个回路中最开始的常开触点，X00~07等为地址，也就是你X00~07端口上所接的开关触点；后面加上“I”就成为了常闭常点，LDI
OR：
为并联的常开触点；
ORI：
为并联的常闭触点；
AND：
为串联的常开触点：
ANI：
为串联的常闭触点；
ORB：
为块并联指令，也就是将两个串联的电路并联在一起；
ANB：
为块串联指令，它是指两个并联的电路串联起来；
MPS：
进栈指令，是一个回路中的分支。
进栈为第一个分支；
MRD：
读栈指令，读栈为中间的分支；
MPP：
出栈指令，出栈为最后一个分支；
PLS：
上升沿微分指令，它所指的是元件从OFF到ON的过程中接通一个挡描周期；也就是只接通一下，即使开关还处于ON也是相同的接通一个挡描周期；
PLF：
下降沿微分指令，它所指的是元件从ON到OFF的过程中接通一个挡描周期；
MC：
主控指令，相当于电路中的总开关，它接通时才执行以下的程序；
MCR：
主控复位指令，是将MC恢复到原始位置；
NOP：
空指令，这是在指令表中留下次修改时所用的空位置，在梯形图中不使用此指令；
OUT：
输出指令，是输出驱动指令，当程序中OUT、X00~07条件满足后，端口X00~07输出；
END：
结束指令。
MPS：
进栈指令
MRD：
读栈指令
MPP：
出栈指令
PLS：
上跳沿微分指令
PLF：
下跳沿微分指令
MC：
主控指令
MCR：
主控复位指令
NOP：
空指令
OUT：
输出指令
第二章可PLC的机选型
2.1PLC系统的I/O点数估算
2.1.1控制电磁阀等所需的I/O点数
有电磁阀的动作原理可知，一个单线圈电磁阀用可编程控制器时需两个输入及一个输出；一个双线圈电磁阀需三个输入及两个输出；一个比例式电磁阀需三个输入及五个输出。
一个按钮需一个输入；一个光电开关要占用一个或两个输入点；一个信号占用一个输出点；而波段开关，有几个波段就占用几个输入点；一般情况，各种位置开关都要占用两个输入点。
根据上面所述原理分析，本设计用到十个按钮，需要十个输入点。
四个位置按钮，需要八个输入点。
十六个信号灯，需要十六个输出点。
2.1.2控制交流电机所需的I/O点数
根据具体情况，本设计可以不用到交流电机，所以，可以不算上交流电机的I/O点数。
2.1.3控制直流电动机所需的I/O点数
本设计是对电梯的控制，所以，我们根据情况可知，要控制电梯的上升和下降，需要一个可逆运行的直流电机。
这样，我们需要九个输入点和六个输出点。
[5][7][8][9]
2.2内存的估计
用户程序所需内存容量要受到下面几个因素的影响：
内存利用率；开关量输入输出点数；模拟量输入输出点数；用户的编程水平。
2.2.1内存利用率的说明
我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为利用率。
2.2.2开关量输入输出的点数的确定
一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为6：
4。
这方面的经验公司是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。
所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数*10
2.2.3模拟量输入输出的总点数的确定
只有模拟量输入时：
内存字数=模拟量点数*100
模拟量输入输出同时存在：
内存拟量字数*200
2.2.4程序编写质量算
经验计算的计公式：
总存储器字数=（开关量输入点数+开关量输出点数）*10+模拟量点数*150。
然后按计算存储器字数的25%考虑裕量。
2.3响应时间的分析
可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠的接收持续时间小于扫描周期的输入信号。
系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。
系统响应时间=输入滤波时间+输出滤波时间+扫描周期。
2.4输入输出模块的选择
可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮、限位开关、接近开关等）的高电平信号为机器内部电平信号，模型类型分直流5、12、24、48、60V几种；交流115V和220V两种。
模块输出的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。
输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共段所允许通过的电流值。
输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。
2.5机型的确定
综上所述，根据具体情况，我们选择三菱的FX系列。
输入输出点数为34点，电机20点，考虑10%到15%的I/O裕量，我们选择FX2N-64MR这种型号。
第三章硬件设计
3.1硬件配置简介
PLC产品出现以来，它以面向工业控制的鲜明特点，普遍受到电器控制领域的欢迎。
特别是中小容量PLC成功取代了传统的继电控制系统，使得控制系统的可靠性大大提高。
目前各国生产的PLC品种繁多，发展速度快。
本文所用到的产品是日本三菱FX系列超小型的FX2C-64MR。
在此简单的介绍该机型的一些技术指标。
技术性能分为：
一般性能，功能特性（基本单元），输入性能，输出性能和其它性能。
3.1.1一般性能（见下表3.1）
表3.1一般性能
电源
AC110~120V/220~240V单相50/60Hz
电源波动
AC93.5~132V/187~264V，10ms以下瞬时断电，控制不受影响
环境温度
0~55度
环境湿度
45%~95%，无凝露
抗振动
10~55Hz，0.5mm，最大2g（重力加速度）
抗冲击
10g，3轴X、Y、Z方向各3次
抗噪声
1000V,1us,30~100Hz（噪声仿真器）
绝缘耐压
AC1500V，1min（各端子与接地端之间）
绝缘电阻
5MΩ,500VDC（各端子与接地端之间）
接地
小于100Ω（如果不可能，也可以不接地）
环境
无腐蚀气体，无导电尘埃
3.1.2输入性能（见表4.2）
表3.2输入性能
输入类型
无电压触点或NPN集电极开路晶体管
绝缘
光-电隔离
输入电压
内部电源DC24V±4V,外部电源DC24V±8V
输入阻抗
近似3.3KΩ
工作电流
OFF-ON
DC4mA（最小）
ON-OFF
DC1.5mA（最大）
响应时间
OFF-ON
近似10ms（有8点可改变从0~60ms）
ON-OFF
近似10ms（有8点可改变从0~60ms）
3.1.3功能特性（见下表5.3）
表3.3功能特性
执行方法
周期执行存储的程序，集中输入/输出
执行速度
平均12us/步
程序语言
继电器和逻辑符号（梯形图）
程序容量
1000步
指令
逻辑指令
20条（包括MC/MCR,CJP/EJP,S/R）
步进梯形指令
2条（STL,REJ）
功能指令
87个（包括+，-，×，÷，＞，=，＜，等＝
程序记忆
内部配置CMOS-RAM,EPROM/EEPROM卡
辅助继电器
无锁存
128点
锁存
64点
数据寄存器
64点
定时器
0.1s定时器
24点（延时接通）0.1~999s
0.01s定时器
8点（延时接通）0.01~99.9s
计数器（锁存）
30点，减法计数（0~999）
高速计数器（锁存）
1点，加/减计数（0~999999），最大2KHz
电池保护
锂电池，寿命约5年
诊断
程序检查（和，语法，电路），定时监视，电池电压，电源电压
3.1.4输出性能（见下表5.4）
表3.4输出性能
输出类型
继电器输出
绝缘
继电器绝缘
输出负荷
电阻负荷
2A/点
感性负荷
35V/A/300000次接通断开
灯泡负荷
100W
漏电流
0mA
响应时间
OFF-ON
近似10ms
ON-OFF
近似10ms
3.1.5其它功能（见下表5.5）
表3.5其它功能
型号
输入点
输出点
端子块
功耗
输入传感器电源
F1-60MR
36点
24点
可拆卸端子
40V/A
0.2A
3.2输入/输出的分配
3.2.1输入
表3.6输入
序号
名称
输入点
序号
名称
输入点
0
四层内选按钮S4
X000
7
一层上呼按钮U1
X007
1
三层内选按钮S3
X001
8
二层上呼按钮U2
X010
2
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