PLC电梯毕业设计基于PLC的电梯联锁控制系统.docx
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PLC电梯毕业设计基于PLC的电梯联锁控制系统
毕业设计（论文）说明书
题目基于PLC的电梯联锁控制系统
学号````````````
学生姓名```````````
专业班级机电一体化0902
指导教师````````
校外教师`````````
2012年06月17日
基于PLC的电梯联锁控制系统的设计
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。
本文在已有的通用变频器的基础上，采用PLC对电梯进行控制，通过合理的选择和设计，提高了电梯的控制水平，使电梯达到了较为理想的控制效果。
关键词：
PLC控制；指令控制；电梯
BasedonPLCelevatorinterlocksystem'sdesign
ABSTRACT：
Withthedevelopmentoftheeconomy,microelectronictechnology,computertechnologyandtheautomatictheoryaredevelopedrapidly,theACvariablefrequencytechnologyhasbeeninanewstate.It'sapplicationisbecomingmoreandmorewidely.Buttheelevatorasanimportanttrafficinskyscraper,italsohasdevelopedquicklywiththeimprovingrequirementofthepeople.It'sdraggingtechnologyhasdevelopedfromDCtimingtoACvariablefrequencytimingandit'slogiccontrol-relaycontrolalsohasbeenreplacedbyPLC.
Thearticleisbasedonthenow-beinggeneralfrequencyconverter,usingPLCtocontroltheelevator,thereliabilityisimprovedandthefeelingofcomfortisbetterthroughthereasonableselectionanddesign,sotheeffectofcontrolismoreideal.
Keyword：
PLCcontrol；Pointthelayercontrol；elevator
1绪论
可编程序控制器（PLC）最早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控制所代替。
由可编程序控制器（PLC）和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。
采用PLC控制的电梯可靠性高，维护方便，开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为电梯控制的发展方向，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。
可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。
它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观，方便易学，调试和查错都很容易。
电梯的控制是比较复杂的，在计算机诞生前的几十年里，继电器控制系统为电梯控制的发展起到了巨大的作用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应电梯控制的要求和发展，与PLC相比较，存在着质的差别。
电梯使用继电接触器控制的时代，很难设计出质量优良的电梯控制系统，而现在，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。
PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，将使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳，可靠，抗干扰性能增强，机械与电气部件被有机地结合在一个设备内，把仪表，电子和计算机的功能综合在一起。
因此，它已经成为电梯运行中的关键技术。
2电梯概述
2.1电梯的起源与发展
电梯属于垂直提升运输设备，起源于我国古代农业和建筑的原始提升工具。
公元前十一世纪，我国北方劳动人民发明了辘轳。
公元前236年，希腊人阿基米德设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬机，共造出三台，安装在妮罗宫殿里。
在瓦特发明了蒸汽机之后，于1850年，在美国纽约市出现了世界上第一台由亨利.沃特曼制作的以蒸汽机为动力的卷扬机。
1852年美国人伊莱沙，格雷夫斯·奥梯斯发明了世界上第一部以蒸汽机为动力，配有安全装置的载人升降机。
这便是世界上第一部备有安全装置的客梯，在1857年被安装在纽约市豪华商厦里。
在此期间，英国的阿姆斯特朗发明了水压梯。
随着水压梯的发展，蒸汽梯也就被淘汰了。
后来发展为采用油压泵和控制阀的液压梯，而直到今天液压梯仍在使用。
在1889年，美国奥梯斯升降机公司推出了世界第一部以电动机为动力的升降机，这才开始出现了名副其实的电梯，同年在纽约市的马累特大厦安装成功。
在1903年，又将卷筒式驱动方式改进为槽轮式（即曳引式）驱动。
所谓卷筒式驱动，是将曳引绳缠卷在卷筒上来提升重物，而槽轮式也称为曳引式驱动，是在曳引绳一端提升重物，另一端为平衡重，依靠曳引绳和曳引轮的绳槽之间的摩擦来驱动重物作垂直运动。
因此，只要在曳引系统的容量和强度允许范围内，通过改进曳引绳长度就可适应不同的提升高度，而不再像卷筒式那样受卷筒长度限制。
此外，当重物或平衡重碰底时，曳引绳与曳引槽会由于摩擦力减小而打滑，从而避免了像卷筒式那样，在失控时造成的曳引绳断裂等严重事故的发生。
曳引式驱动可以使用多条曳引绳，而卷筒式驱动方式使用的曳引绳条数却受到限制。
曳引式驱动方式为长行程并具有高度安全性的现代电梯奠定了基础。
当时的电梯使用直流电动机驱动，用改变串接在电枢回路中的电阻值的方法来调节电梯运行速度。
后来发明了交流感应电动机，在1900年开始用于驱动电梯。
最初的交流电动机只是单速的，电梯运行性能很不理想。
直到发明了交流双速电动机，才基本满足了电梯的运行要求。
随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多。
所以，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。
尽管交流电动机结构简单，造价便宜，但在调速性能方面却难以满足更高的要求，而对直流电动机来讲，由于后来采用了发电机－电动机组调速系统，能较好地满足电梯调速的高要求。
因此，在20世纪前半叶，电梯的电力拖动，尤其是高层建筑物中的电梯速度的调节，几乎都是采用直流调速系统来实现的。
1900年美国奥梯斯电梯公司制造出世界上第一台自动扶梯。
1915年已设计成功电梯自动平层控制系统。
1933年美国制造出6m/s的高速电梯。
在第二次世界大战以后，美国的建筑业得以快速发展，促使电梯也进入发展时期，新技术被广泛用于电梯。
1949年研制出4-6台电梯的群控系统。
1955年出现了真空电子管小型计算机控制的电梯。
1962年在美国已出现了8.5m/s的超高速电梯。
在1967年将固体晶闸管用于电梯拖动系统。
随着电力电子技术的发展，在用晶闸管取代直流发电机－电动机组的同时，研制出了交流调压调速系统，是交流电梯的调速性能得到了明显改善。
1976年将微处理器应用于电梯。
1977年日本三菱电机株式会社开发出了10M/s的超高速电梯。
至此，电梯的控制技术有了很大发展。
进入50年代，电梯控制技术又有了新的变化。
由于固体功率器件的不断发展和完善以及微机技术的应用，出现了交流变频调速系统。
1984年在日本已将其用于2m/s以上的高速电梯。
1985年以后，又将其延伸到中、低速交流调速电梯。
交流变频调速技术被认为是电梯行业的当代技术。
1985年日本生产出世界上第一台螺旋式自动扶梯，使其明显减少了占地面积。
1993年日本生产的12.5m/s世界上最高速的交流变频调速电梯已投入运行。
当前，在电梯电力拖动方面，除了大容量电梯还采用直流拖动系统以外，用交流变频调速方式取代直流调速方式，以成为高速电梯的主流。
应用微机全面取代继电器控制逻辑实现闭环控制，可进一步提高电梯的性能和可靠性，并可降低现场调试要求，是电梯控制技术的方俩。
电梯群控系统是现代电梯的技术的又一重要组成部分。
它不但有完善的分区服务、运行监控、客流交通统计分析等功能，还具备故障诊断功能。
在电梯品种方面，出现了双层电梯、大吨位的集装箱电梯等。
为适应摩天大楼对电梯的特殊要求，目前正在研制无绳直线驱动电梯。
对于电梯的曳引机，目前除了中、低速范围的电梯还采用涡轮副减速装置外，其他均已采用圆柱斜齿轮曳引系统，使效率提高了15%-25%。
此外，用电子位置传感器取代机械选层器、用更先进的装置取代门安全触板、增设轿厢内通信设施以及轿厢非安全门区语音提醒和运行状态语音报告等装置，也是电梯技术现代化的体现。
对现代化电梯性能的衡量，主要着重于可靠性、安全性和乘坐的舒适性。
此外，对经济性、能耗、噪声等级和电磁干扰程度等方面也有相应要求。
随着时代的发展，对人在与外界隔离封闭的电梯轿厢内心理上的压抑感和恐惧感也有所考虑。
因此，提倡对电梯进行豪华性装修，比如：
轿厢内用镜面不锈钢装演、在观光电梯井道设置宇宙空间或深海景象；进而主张电梯、扶梯应与大自然相协调，在扶梯的周围种植花草；在轿厢壁和顶棚装饰某些图案甚至是有变化的图案，并且在彩色调配上要令人赏心悦目；在轿厢内播放优美的音乐，用以减少烦躁；在轿厢内播放电视节目，乘客可收看天气预报、新闻等。
时至今日，电梯已进入了全面发展的新时期。
3电梯PLC控制系统的硬件设计
3.1电梯的控制
电梯控制原理框图如下图（图3-1）所示，主要由轿箱内指令电路、门厅呼叫电路、主拖动电机电路、开关门电路、档层显示电路、按钮记忆灯电路、楼层检测与平层检测传感器及PLC电路等组成的。
图3-1电梯控制原理图
3.2电梯控制要求
电梯的安全运行有以下一些主要控制要求：
3.2.1电梯位置的确定与显示
轿厢中的乘客及门厅中等待电梯的人都需要知道电梯的位置，因而轿厢及门厅中都设有以楼层标志的电梯位置。
但这还不够，电梯的运行还需要更加准确的电梯位置信号，以满足制动停车等控制的需要。
传统电梯的位置信号一般由设在井道中的位置开关，如磁感应器提供，当轿厢上设置的隔磁板插入感应器时，发出位置信号，并启动楼层指示（见图3-2，右图）。
3.2.2轿厢内的运行命令及门厅的召唤信号
司机及乘客可按下轿厢内操控盘上的选层按钮选定电梯运行的目的楼层，此为内选信号。
按钮按下后，该信号应被记忆并使相应的指示灯点亮。
在门厅等候电梯的乘客可以按门厅的上行或下行召唤信号，此为外唤信号。
该信号也需记忆并点亮门厅的上行或下行指示灯，这些保持信号在要求得到满足时应能自动消号[1]。
3.2.3电梯自动运行时的信号响应
电梯自动运行时应根据内选及外唤信号，决定电梯的运行方向及在哪些站点停站。
一般情况下电梯按先上后下的原则安排运送乘客的次序，而且规定在运行方向确定之后，不响应中途的反向呼唤要求，直到到达本方向的最远站点才开始返程。
3.2.4轿厢的启动与运行
轿厢在运行方向确定，轿厢门已关好时启动运行，运行的初始阶段是加速运行阶段，其后是稳定运行阶段。
3.2.5轿厢的平层与停车
轿厢运行后需确定在哪一层站停车，平层即是指停车时，轿厢的底与门厅“地平面”应相平齐，一般有具体的平层误差规定，如平层时两平面相差不得超过5mm。
平层停车过程需在轿厢底面与停车楼面相平之前开始，先是减速，再是制动，以满足平层的准确性及乘客的舒适感。
传统电梯的平层开始信号由平层感应器发出。
如图3-2所示，上平层感应器KR6及下平层感应器KR7装在轿厢顶部，隔磁板安装在井道壁上。
上行时，KR6首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至KR7插入隔磁铁板时，发出开门及停车信号，电动机停转，抱闸抱死；下行时KR7首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至KR6插入隔磁铁板时，发出开门及停车信号。
3.2.6安全保护
电梯的安全保护很多，如前边提到的冲顶与蹲底，断钢丝绳，轿厢内人员的跌落、逃生等保护，还有消防运行等多项。
除了控制要求以外，电梯常见的工程问题还涉及电梯的拖动设备及拖动控制方式:
电梯的提升机构，齿轮曳引机主要由驱动电动机、电磁制动器（也称电磁抱闸）、减速器及曳引轮组成。
驱动电机可以是直流电动机也可以是交流电动机。
为了满足电梯运行过程中速度变化的要求，在应用变频器前，电梯交流拖动多使用多绕组变速电机，变频器诞生以来，已有越来越多的电梯采用变频驱动。
采用变速电机时，电机的正反向运转使用接触器换相，启动调速采取改变电机绕组及切换电机绕组中所串电阻实现。
采用变频调速时，电机换向及变速都通过变频器控制端子实现。
在这两种拖动方式中，电磁抱闸都是很重要的，它是电机制动的主要设备，抱闸要求有足够的制动力，抱闸一般在通电时打开，断电时闸死。
电梯还有一些高层次的性能指标，如电机加减速曲线控制及高准确度的平层控制要求等，前者涉及电梯运行过程中的加速度大小，关系到乘客的舒适感，后者涉及乘客数量变化对准确平层的影响。
总之，电梯的控制是比较复杂的，在计算机诞生前，电梯使用继电接触器控制的时代，很难生产出质量优良的电梯，而现在，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的幸间。
随着PLC应用技术的不断发展，它已经成为电梯运行中的关键技术。
3.3PLC控制系统的设计分析
为了应用PLC实现对系统的预期控制，就必须对控制系统进行深入的分析与研究，根据系统的控制要求提出有效的总体控制方案与设计，在本节中主要介绍PLC控制系统的设计原则与控制模式的确定，下面根据近年来PLC的应用与发展情况对此加以简单的介绍。
3.3.1PLC控制系统的设计基本原则
设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）PLC的选择除了应满足技术指标的要求之外，特别应指出的是还应重点考虑该公司的产品的技术支持与售后服务的情况，一般应选择在国内特别是在所设计系统本地有着较为方便的技术服务机构或较有实力的代理机构的公司产品，同时应尽量选择主流机型。
（2）最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
（3）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。
（4）保证控制系统的安全、可靠。
（5）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有裕量[2]。
当然对于不同的用户要求的侧重点有所不同，设计的原则应有所区别，如果以提高产品产量和安全为目标，则应将系统可靠放在设计的重点，甚至考虑采用冗余控制系统：
如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化。
3.3.2PLC控制系统的设计的主要内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输入设备连接而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。
因比，PLC控制系统设计的基本内容应包括：
（1）根据生产设备或生产过程的工艺要求，以及所提出的各项控制指标与经济预算，首先进行系统的总体设计。
（2）根据控制要求基本确定数字I/O点和模拟量通道数，进行I/O点初步分配，绘制I/O使用资源图。
（3）进行PLC系统配置设计，主要为PLC的选择。
PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。
选择PLC，应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。
（4）选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），这些设备属于一般的电器元件。
（5）设计控制程序。
在深入了解与掌握控制要求与主要控制的基本方式以及应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等方面情况之后。
对较复杂的控制系统，可用状态流程图的形式全面地表达出来。
必要时还可将控制任务分成几个独立部分，这样可化繁为简，有利于编程和调试。
程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、编制语句表程序清单。
控制程序是控制整个系统工作的条件，是保证系统工作正常，安全、可靠的关键。
因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止[3]。
3.3.3PLC控制系统程序设计的步骤
在对一个控制系统进行设计之前，最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求，只有这样才可能提出准确的、合理的系统总体设计方案，进而实现各个阶段的设计任务。
PLC程序设计的主要步骤是：
（1）对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。
对于简单的控制系统，也可省去这一步。
（2）设计梯形图。
这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。
要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。
（3）根据梯形图编制语句表程序清单。
（4）用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。
（5）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。
（6）待控制台（柜）及现场施工完成后，就可以进行联机调试。
如不满足要求，再修改程序或检查接线，直到满足要求为止。
（7）编制技术文件。
（8）交付使用。
3.4电梯PLC控制系统的设计
电梯控制系统的硬件结构如下图（3-3）所示。
包括按钮编码输入电路、楼层传感器、发光二极管记忆灯电路、调速电路、轿箱开关电路、显示电路及一些其他辅助电路等。
图3-3硬件结构框图
3.4.1PLC的选择
PLC容量包括两个方面：
一是I/O的点数，二是用户存储器的容量。
（1）I/O点数的估算：
根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后调整和扩充，一般应加上10%-15%的备用量。
（2）用户存储器容量的估算：
用户应用程序占用多少内存与许多因素（如I/O。
点数、控制要求、运算处理量、程序结构等）有关，存储器容量的选择一般有两种方法：
a.根据编程实际使用的节点数计算：
这种方法可精确地计算出存储器实际使用容量，缺点是要编完程序之后才能计算。
b.估算法：
用户可根据控制规模和应用目的，按下面给出的公式进行估算。
开关量输入：
所需存储器字数=输入点数*10
开关量输出：
所需存储器字数二输出点数*'8
定时器/计数器：
所需存储器字数=定时器了计数器数量*2
模拟量：
所需存储器字数二模拟量通道数.100
通信接口：
所需存储器字数=接口个数*300
根据存储器的总字数再加上一个备用量。
生产企业通常为其每个产品提供一条经验法则公式，可用于对存储容量做近似的估计。
这个公式是（输入点数+输出点数）*（20-10）二指令语句数。
3.4.2PLC规模的估算
（1）输入、输出点的估算
根据电梯运行系统的调查，电梯控制系统的输入有轿内指令选层按钮、上下行厅召唤指令按钮、上下行防超越开关、上下行换速开关、检修时轿顶轿内上下慢行按钮、轿顶轿内开关门按钮、门安全触板开关、超载开关、应急按钮、直驶按钮以及信号输入等。
估计需要47个输入点，41个输出点。
考虑在实际安装、调试和应用中，还可能会发现一些估算中未预见的因素，故输出点增加4个。
（2）存储容量的估算
用户程序占用内存的多少与多种因素有关[4]。
例如：
输入、输出点的数量和类型，输入、输出量之间关系的复杂程度，需要进行运算的次数，处理量的多少，程序结构的优劣等，都与内存容量有关。
因此，在用户程序编写、调试好以前，很难估算出PLC所应配置的存储容量。
这里只对其进行简单估算即可，也就是根据输入、输出的点数及其类型、控制的繁简程度加以估算。
估算方法采用生产企业为产品提供一条经验法则公式：
（输入点数+输出点数）*（20-10）=指令语句数
故本系统粗略估算为（47+45）"10=920
3.4.3PLC输入/输出模块的选择
（1）数字I/O点数与模块的确定：
确定I/O点数是系统设计的最重要的问题。
一旦已确定使用某一类型的机型和详细的控制要求，就可以基本确定系统所配的PLC需要的I/O点数。
应该注意的是在确定I/O点数时，一定要考虑到系统的扩充与备用需要，一般应留有10%-20%的裕量。
根据选取不同的PLC，相应的I/O模块的I/O容量不尽相同，需要依据需要确定I/O模块的数量。
（2）输入模块的确定：
PLC的输入模块用来检测来自现场（按钮、行程开关、温控开关、压力开关等）的高电平信号，并将其转换为PLC内部的低电平信号。
各类PLC所提供的输入模块，其点数一般有8点、12点、16点、32点等不同规格，用户可根据系统所需点数加以选择[5]。
其工作电压常用的有直流12，24V，交流110，220V等，其中以直流24V最为普遍。
选择输入模块主要考虑模块的输入电压等级。
根据现场输入信号（按钮、行程开关）与PLC输入模块距离的远近来选择不同电压规格的模块。
一般24V以下属低电平，其传输距离不宜太远，如12V电压模块一般不超过10m距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。
（3）输出模块的确定：
输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号，转换为外部所需电平的输出信号，以驱动外部负载。
输出模块有三种输出方式:
继电器输出、双向晶闸管输出、达林顿晶体管输出[6]。
这几种输出形式均有各自的特点，用户可根据系统的要求加以确定。
继电器输出价格便宜，使用电压范围广，通电压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。
但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交直流负载。
当驱动感性负载时，最大操作频率不得超过1Hz。
晶闸管输出（交流）和晶体管输出（直流）都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。
感性负载在断开瞬间会产生较高的反向电压，必须采取抑制措施。
另外，这两种形式的输出均不具备明确的输出开关断点，因此对于有此要求的使用场合会受到限制。
输出电流的选择：
模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。
对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的裕量。
允许同时接通的输出点数：
在选用输出模块时，不但要看一个输出点的驱动能力，还要看整个输出模块的满负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流。
（4）模拟量输入/输出单元的选择：
模拟量输入/输出接口是用来感知传感器产生的信号，这些接口测量流量、温度和压力的数量值，并用于控制电压或电流输出设备。
典型接口量程为-10～+10V，0～+10V，4～20mA或10～
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