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基于PLC控制的电梯自动控制系统

[摘要]电梯是高层建筑不可缺少的运输工具，用于垂直运送乘客和货物，传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。

目前在电梯行业已得到广泛应用。

在层数和控制功能较少的场合，采用PLC控制较为有利。

本设计主要介绍了3层电梯的PLC的特点、PLC的功能、发展趋势、PLC控制电梯的软、硬件设计。

在示意图、接线图、电梯的控制梯形图、指令表、和程序流程图的基础之上提出了PLC的编程方法。

可编程控制系统（ProgrammableLogicController）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。

它采用一种可编程的存储器，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。

随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。

由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业自动化控制控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。

[关键词]PLC功能及特点硬件设计软件设计

引言....................................................................1

1.概述..................................................................1

1.1PLC的简介...........................................................1

1.2PLC的特点...........................................................1

1.3PLC的功能...........................................................2

２电梯的设计分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３

2.1分析被控对象.........................................................3

2.2确定输入/输出设备....................................................3

2.3选择PLC..............................................................3

3.硬件电路设计...........................................................4

3.1电梯控制构成.........................................................4

3.2PLC控制电路..........................................................4

3.3位移控制电路..........................................................5

3.4端站保护..............................................................5

3.5自动开关门控制系统.....................................................5

4.软件设计................................................................7

4.1设计要求..............................................................7

4.2根据设计要求可以作出电梯示意图........................................7

4.3概括设计要求..........................................................7

4.4根据呼叫方式分析可以得出电磁铁工作表..................................8

4.5I/O分配..............................................................９

4.6状态流程图............................................................9

4.7梯形图................................................................9

4.8程序..................................................................9

附图1....................................................................10

附图2....................................................................10

附图3....................................................................12

附图4....................................................................12

附图5....................................................................13

附图6....................................................................14

结束语....................................................................16

参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１７

目前电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。

电梯的控制普遍采用了两种方式：

一是采用可编程控制器（PLC）作为信号控制单元；第二种控制方式用微机取代可编程控制器实现信号集选控制。

国内厂家大多选择第一种方式,其原因在于生产规模较小,自己设计和制造微机控制装置成本较高。

因为PLC具有可靠性高、程序设计方便灵活、抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点,所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。

电梯控制系统使用了专用变频器,使电梯运行平稳,舒适感好。

1.1PLC的简介

可编程序控制器是一种以计算机为核心的通用工业控制装置，目前已被广泛的应用于各个领域。

造气的可编程序控制器只能进行开关量的逻辑控制，被称为可变程序逻辑控制器，简称PLC。

现代可变程序控制器采用微处理器作为中央处理单元，其功能大大增强，它不仅具有逻辑控制功能，还具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能，PLC这一名称已不能准确地反映它的特性，于是，人们将其称为可编程序控制器，简称PC。

近年来个人计算机也简称为PC，为了避免混淆，可编程序控制器常被称为PLC.它采用可以编制程序的存储器，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及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”

1.2PLC的特点

1.2.1高可靠性

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.

（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

（4）采用性能优良的开关电源。

（5）对采用的器件进行严格的筛选。

1.2.2丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：

交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。

有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。

1.2.3采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

1.3PLC的功能

1.3.1逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

1.3.2步进（顺序）控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

1.3.3PID控制

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

1.3.4数据控制：

PLC具有数据处理能力。

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

2.电梯的设计分析

电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。

传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。

编程简单，故障少，噪音低。

维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。

当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后．控制系统进行下列运作：

根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。

另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。

2.1分析被控对象

被控制的对象为三层楼电梯，在这个设计中要满足：

（1）电梯停于1F或2F时，按3F按钮呼叫，电梯上升到3F才停止；

（2）电梯停于2F或3F时，按1F按钮呼叫，电梯下降到1F才停止；

（3）电梯停于1F时，按2F按钮呼叫，电梯上升到2F停止；

（4）电梯停于3F时，按2F按钮呼叫，电梯下降到2F停止；

（5）电梯停于1F，2F和3F均有按钮呼叫，电梯先上升到2F，暂停2S，然后上升到3F停止；

（6）电梯停于3F，2F和1F均有按钮呼叫，电梯先下降到2F，暂停2S，然后下降到1F停止；

（7）电梯上升途中或下降途中，任何反方向按钮呼叫均无效；

（8）每层楼之间到达时间应在12S内完成，否则电梯停机；

（9）电梯内有意外，有声光报警。

保证电梯的正常运行。

2.2确定输入/输出设备

根据系统的控制要求，确定系统所需的输入设备：

系统启动开关SB1：

000002F到位开关SQ2：

00009

系统停止开关SB2：

000013F到位开关SQ3：

00010

1F呼叫开关SB3：

00002报警开关SB6：

00011

2F呼叫开关SB4：

00003

3F呼叫开关SB5：

000041F到位开关SQ1：

00008

输出设备：

上升继电器KM1：

010002F指示灯YB：

01003

下降继电器KM2：

010013F指示灯YC：

01004

1F指示灯YA：

01002声光报警器YD：

01005

蜂鸣器YE：

01006

辅助或中间继电器：

系统起始辅助继电器：

200001F停止辅助继电器：

20004

1F控制辅助继电器：

200012F停止辅助继电器：

20005

2F控制辅助继电器：

200063F停止辅助继电器：

20003

3F控制辅助继电器：

20002

2.3选择PLC

根据前面的分析我们可以选用OMROM公司生产的CPM1A型PLC。

I/O点数为30，直流电压24V。

3.硬件电路设计

3.1电梯控制构成

由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，。

另外，轿厢的位置是由脉冲编码器的脉冲数确定，并送PLC的计数器来进行控制。

同时，每层楼设置一个接近开关用于检测系统的楼层信号。

为了提高电梯的运行效率和平层的精度，系统要求PLC能对轿厢的加、减速以及制动进行有效的控制。

根据轿厢的实际位置以及交流调速系统的控制算法来实现。

为了电梯的运行安全，系统应设置可靠的故障保护和相应的显示。

采用PLC实现的电梯控制系统由以下几个主要部分构成。

3.2PLC控制电路

选用OMRON公司CPM1A型PLC。

PLC接收来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。

PLC在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和制动停梯等信号。

CP/CPM1A系列继电器输出单元增设时的EMC指令符合条件

采用I/O连接电缆CP1W-CN811，使用继电器输出型的扩展I/O单元CP1W-40EDR、

CPM1A-40EDR、CP1W-16ER、CPM1A-16ER时的EN61131-2抗扰性试验条件，如下所示。

推荐铁氧体磁芯

铁氧体磁心（数据线噪音过滤器）：

0443-164151

最低阻抗25MHz：

90Ω、100MHz：

160Ω　

安装方法

（1）安装到电缆上的方法

（2）安装方法如下图所示，安装到I/O连接电缆CP1W-CN811的两端。

3.3位移控制电路

电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停靠准确。

采用变频调速双环控制可基本满足要求，但和国外高性能电梯相比还需进一步改进。

由到位开关来控制和记忆电梯的位置，实现准确定位，保证整个电梯的运行通畅，将其引入PLC的高速计数输入端口，通过累计脉冲数，经式

（1）计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。

电梯位移

　　　　　h=SI

式中I—累计脉冲数；

　　　　　　　S—脉冲当量；

　　　　　　　S　=　plD　/　（pr）　　　　　　　　　

（1）

l—减速比；

D—牵引轮直径；

P—旋转编码器每转对应的脉冲数；

r—PG卡分频比。

采用PLC和变频器实现电梯常规控制的基础上，利用旋转编码器发出的脉冲信号构成位置反馈，实现电梯的精确位移控制。

通过PLC程序设计实现楼层计数、换速信号、门区和平层信号的数字控制，取代井道位置检测装置，提高了系统的可靠性和平层精度。

3.4端站保护

当电梯定向上行时，上行方向继电器、快车辅助接触器、快车运行接触器、门锁继电器、上行接触器均得电吸合，抱闸打开，电梯上行。

当轿厢碰到上强迫换速开关时，PLC内部锁存继电器得电吸合，定时器开始定时，其定时的时间长短可视端站层距和梯速设定。

上强迫换速开关动作后，电梯由快车运行转为慢车运行，正常情况下，上行平层时电梯应停车。

在骄厢碰到上强迫换速开关后，由于某些原因电梯未能转为慢车运行，及快车运行接触器未能释放，当设定值减到零时，其常闭点断开，快车运行接触器和上行接触器均失电，电梯停止运行。

因此，不管是慢车运行还是快车运行，只要上强迫换速开关发出信号，不论端站其他保护开关是否动作，借助定时器均能使电梯停止运行，从而使电梯端站保护更加可靠。

3.5电梯自动开关门控制系统

3.5.1自动开关门线路

自动开关门机是安装在轿厢顶上，为使轿门在启闭过程中达到快、稳的要求，必须对自动门和系统进行速度调节。

下面以支流门电机的控制为例。

直流门电机控制系统，是采用小型直流伺服电动齐作为驱动装置，开关门的速度采用串并联电阻的方法。

此种方法，使开门机系统具有传动结构简单，调速简便等优点。

为了避免在起端和终端发生冲击，要求自动门机应具有自动调速的功能。

因此，电梯的门在起闭时应具有理想的速度变化。

关门时：

快速—慢速—停止

开门时：

慢速—快速—停止

电梯门控制电路见图3。

直流门电机控制线路见图4。

图3电梯门控制线路

图4直流门电机控制线路

图中MD为门电机，MDL为MD的励磁绕组，其中流过的电流大小和方向是不变的。

门电机旋转方向的改变，只要改变门电机MD的电枢极性性便可实现，从而完成开门和关门的功能。

其工作过程是：

（1）关门

关门时，关门继电器吸合，起动合触点闭合，MD门电机向关门的方向旋转，在关门的过程中，门电机的转速不断的改变，因为门电机的转动会依次压合关门减速的行程开关。

其过程是：

电动机加上电阻RGM分压起动，当1GM被压到时，分压减少，速度降低，当2GM被压到时，分压再度减少，门以较低的速度闭合，并将碰撞开关极限开关，使GMJ释放，电动机停止转动。

（2）开门

开门继电器KMJ吸合，GKJ释放，电动机转向与关门方向相反，电阻RGM和RKM构成分压，当门机转动使1KM闭合后，门速减低，到碰撞开关门极限开关，使开门继电器KMJ释放，电机停止转动。

4.软件设计

4.1设计要求

三层电梯分别用1F、2F和3F表示1层、2层和3层。

电梯必须具有如下功能：

（1）电梯停于1F或2F时，按3F按钮呼叫，电梯上升到3F才停止；

（2）电梯停于2F或3F时，按1F按钮呼叫，电梯下降到1F才停止；

（3）电梯停于1F时，按2F按钮呼叫，电梯上升到2F停止；

（4）电梯停于3F时，按2F按钮呼叫，电梯下降到2F停止；

（5）电梯停于1F，2F和3F均有按钮呼叫，电梯先上升到2F，暂停2S，然后上升到3F停止；

（6）电梯停于3F，2F和1F均有按钮呼叫，电梯先下降到2F，暂停2S，然后下降到1F停止；

（7）电梯上升途中或下降途中，任何反方向按钮呼叫均无效；

（8）每层楼之间到达时间应在12S内完成，否则电梯停机；

（9）电梯内有意外，有声光报警。

4.2根据设计要求可以作出电梯示意图

见附图1

4.3概括设计要求

所在层

呼叫层

工作过程

上升到2F停止，上升时反方向开关呼叫无效

上升到3F停止，上升时反方向开关呼叫无效

2F、3F

先上升到2F停止2S，然后上升到3F停止，在上升时反方向开关呼叫无效

下降到1F停止，下降时反方向开关呼叫无效

上升到3F停止，上升时反方向开关呼叫无效

下降到1F停止，下降时反方向开关呼叫无效

下降到2F停止，下降时反方向开关呼叫无效

1F、2F

先下降到2F停止2S，然后下降到3F停止，在下降时反方向开关呼叫无效

1F、2F、3F

本层呼叫无效

1F、2F、3F、

电梯内有意外，有声光报警

1F、2F、3F

层之间运行不得超过12S，不然停机

4.4根据呼叫方式分析可以得出电磁铁工作表

（1）当电梯停在1F时，电磁铁工作如下：

KM1

KM2

主令

信号

启动

SB1

停止

SB2

1F呼叫

SB3

2F呼叫

SB4

3F呼叫

SB5

报警

SB6

1F到位

SQ1

2F到位

SQ2

3F到位

SQ3

（2）当电梯停在2F时，电磁铁工作如下：

KM1

KM2

主令信号

启动

SB1

停止

SB2

1F呼叫

SB3

2F呼叫

SB4

3F呼叫

SB5

报警

SB6

1F到位

SQ1

2F到位

SQ2

3F到位

SQ3

4.5I/O分配

根据控制要求及电磁铁工作表，画出电梯控制系统的PLC接线图并写出I/O分配，在PLC接线图中，电磁阀选择直流电磁阀，分别在01002～01005三个输出端。

电动机由交流接触器控制，用交流电源，需要独自使用一个COM端，因此接在01000与01001输出端。

如附图2所示.

I/O分配：

输入：

系统启动开关SB1：

000002F到位开关SQ2：

00009

系统停止开关SB2：

000013F到位开关SQ3：

00010

1F呼叫开关SB3：

00002报警开关SB6：

00011

2F呼叫开关SB4：

00003

3F呼叫开关SB5：

00004

1F到位开关SQ1：

00008

输出：

上升继电器KM1：

010002F指示灯YB：

01003

下降继电器KM2：

010013F指示灯YC：

01004

1F指示灯YA：

01002声光报警器YD：

01005

蜂鸣报警器YE：

01006

辅助或中间继电器：

系统起始辅助继电器：

200001F停止辅助继电器：

20004

1F控制辅助继电器：

200012

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