电气自动化论文电梯的自动控制.docx

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电气自动化论文电梯的自动控制

XX学院

机电工程学院电气自动化专业毕业论文

PLC在电梯控制中的应用

学生姓名：

某某某

学号：

xxxxxx

专业：

电气自动化

指导老师：

xxxx

完成时间：

xxxx年x月

摘要

本文介绍PLC在电梯控制中的应用。

之所以研究本课题是因为一、我对PLC专业的喜爱；二、PLC在电梯中的应用很广泛；三、以后我有志愿在此领域发展，也是为以后的成功做铺垫。

PLC单元为电梯控制系统的核心部分，由PLC提供变频器的运行方向和速度指令，使变频器根据电梯需要的速度曲线调节运行方向和速度。

通过PLC的合理编程，实现自动平层、自动开关门、自动掌握停站时间、内外呼信号的登记与消除、顺向截梯及自动换向等集选控制功能。

通过分析电梯控制系统的运行方式和输入输出的点数，基本确定了本文设计的主要方面，此电梯控制系统有手动和自动的运行方式，主要由变频调速主回路、输入输出单元以及PLC单元构成，用来完成对电梯曳引电机及开关门机的起动、加减速、停止、运行方向、楼层显示、层站召唤、轿箱内操作、安全保护等指令信号进行管理和控制功能。

关键词：

PLC电梯控制应用

Abstract

ThisarticledescribestheapplicationofPLCinelevatorcontrol.Isstudythissubjectbecause,IloveofPLCprofessional;second,theapplicationofPLCinelevatorisverywide;andlaterIhadvolunteerdevelopmentinthisarea,butalsoforfuturesuccessbedding.PLCunitasacorepartoftheelevatorcontrolsystem,directionandspeedprovidedbythePLCfrequencyconverterinstructions,enablesfrequencyconverterbasedonthespeedofelevatorsneedadjustthedirectionandspeed.ThroughreasonablePLCprogramming,automaticleveling,automaticswitch,automaticallyacquirestoppingtime,insideandoutsideofcallingsignalsinterceptedregistrationandde-duplication,climbladdersandsetselectedcontrolfeaturessuchasautomaticreversing.Byanalysiselevatorcontrolsystemofrunwayandenteredoutputofpoints,basicdeterminehasthisarticledesignofmainaspects,thiselevatorcontrolsystemhasmanuallyandautomaticallyofrunway,mainbyfrequencyadjustingspeedmaincircuit,andenteredoutputunitandPLCunitconstitute,usedtocompletedonelevatordragintroductionmotorandtheswitchdoormachineofupdynamic,andplusdeceleration,andstop,andrundirection,andfloordisplay,andlayerstationcalls,andcarboxwithinoperation,andsecurityprotection,instructionsignalformanagementandcontrolfunction.

Keywords：

PLCelevatorcontrolapplication

引言

可编程控制器，简称PLC.它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，是在集成电路，计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。

它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。

1．PLC的特点

1.1可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

1.2编程简单、易于掌握

目前大多数的PLC采用继电-接触器控制系统的梯形图编程方式，这是一种面向用户的编程方式，与常用的计算机语言相比更容易被操作人员所接受并掌握。

1.3配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小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。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

1.4易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

1.5系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

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。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

1.6体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2．PLC的结构和工作方式

2.1PLC的结构

2.1.1PLC控制系统设计

1．CPU运算和控制中心起“心脏”作用

纵：

当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。

横：

输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。

然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。

把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。

组成：

CPU由控制器、运算器和寄存器组成。

这些电路集成在一个芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。

2．存储器

具有记忆功能的半导体电路。

分为系统程序存储器和用户存储器。

系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。

由只读存储器、ROM组成。

厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。

用户存储器：

分为用户程序存储区和工作数据存储区。

由随机存取存储器（RAM）组成。

用户使用的。

断电内容消失。

常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。

3．输入/输出接口

（1）输入接口：

光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。

发光二级管：

在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。

光电三级管：

在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。

在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。

输入接口电路工作过程：

当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。

当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。

向内部电路输入信号。

也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。

（2）输出接口

PLC的继电器输出接口电路

工作过程：

当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。

当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。

也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。

三种类型：

继电器输出：

有触点、寿命短、频率低、交直流负载

晶体管输出：

无触点、寿命长、直流负载

晶闸管输出：

无触点、寿命长、交流负载

4．编程器

编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。

我们实验室使用的就是手持编程器。

二种是通过PLC的RS232口。

与计算机相连。

然后敲击键盘。

通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。

2.1.2PLC的工作方式

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式

每次扫描过程。

集中对输入信号进行采样。

集中对输出信号进行刷新。

输入刷新过程。

当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。

只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

扫描周期的长短由三条决定。

（1）CPU执行指令的速度

（2）指令本身占有的时间（3）指令条数。

由于采用集中采样。

集中输出的方式。

存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

3．PLC的元件及基本指令系统

3.1PLC的元件

1.输入继电器（X）：

是PLC接受外部输入的开关量信号的窗口。

2.输出继电器（Y）:

是PLC向外部负载发送信息的窗口。

3.辅助继电器（M）:

相当于中间继电器，可分为三类：

通用辅助继电器M0-M499共500点

断电保持辅助继电器M50-M1023共524点

特殊辅助继电器M8002为初始化脉冲，PLC在运行之初接通一个扫描周期；M8013为1s时钟脉冲，以1s为周期震荡。

4.定时器（T）:

通过对时钟脉冲积累个数，从而达到定时的作用，其中T0-T199为200个100ms普通定时器，每个定时器的定时范围为0.1-3276.75。

5.计数器（C）：

通过对内部信号计数，从而达到计数的作用。

注意在使用计数器时计数满时，必须使用复位信号使其为0

6.状态元件（S）:

是用于编制顺序控制程序的一种编程元件，其中S0-S9为初始状态；S20-S499为通用型。

3.2PLC的基本指令指令系统

LD：

取指令，将动合触点接到左母线上，在分支起点也可以使用

LDI:

取反指令，将动断触点接到左母线上，在分支起点也可以使用

OUT:

线圈驱动指令，是驱动线圈的输出指令可连续使用

AND:

与指令，用于串联一个动合触点的连接

ANI:

与非指令，用于并联一个动断触点的连接

OR:

或指令，用于并联一个动合触点的连接

ORI:

或非指令，用于并联一个动断触点的连接

ORB:

块或指令，两个或两个以上触点串联与前一个并联

ANB:

块与指令，两个或两个以上触点并联与前一个串联

SET:

置位指令，用于线圈动作的保持，它可以对Y、M、S操作

RST:

复位指令，用于解除线圈动作的保持，它可以对D、T、C清零

MPS:

进栈指令，必须与出栈指令成对使用，连续使用次数应小于11次

MPP:

出栈指令，必须与进栈指令成对使用，连续使用次数应小于11次

MRD:

读栈指令，读之后数据就消失了

NOP:

空操作指令，是一条无动作、无目标元件，占一个程序步的指令

END:

结束指令，若在程序的最后写入此指令，则此后的其余程序步不再执行，而直接进行输出处理。

4．电梯控制系统

4.1电梯的构造

电梯是一种特殊的起重运输设备，由轿厢及配重、拖动电机及减速传动机械、井道及井道设备、召唤系统及安全设置构成。

轿厢是载人或载货的部位，配重是为了改变电梯电机夫在的特性以提高电梯安全性而设计的。

下图是电梯拖动系统的示意图，由图2-1中可见电梯的轿厢及配重分系在钢丝绳两端，钢丝绳跨挂在曳引轮上，曳引轮经减速机构由电机拖动，形成轿厢的上下移动。

图2-1电梯拖动系统示意图

1-电动机；2-减速机构；3-曳引轮；4-钢丝绳；

5-轿厢；6-配重

井道指建筑物中用于安装电梯并提供电梯运行的通道，轿厢及配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。

门厅有门厅门，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所在的位置。

门厅里还设有呼梯盒，用于在每层站召唤电梯。

呼梯盒常安装在厅门外离地面1m左右的墙壁上，基站与顶站只有一个按钮，中间层站有上呼和下呼两个按钮，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冲顶和蹲底的缓冲设备［3］。

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。

电梯的操纵厢也安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发布动作命令。

上面设有与电梯层站数相同的内选按钮（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（选择电梯时自动运行、司机状态下运行，还是检修状态）等。

电梯的安全是电梯最重要的技术指标。

电梯的安全设备有：

安全窗及其开关、安全钳及其开关、限速器及其开关、限速开关等。

安全窗位于轿厢的顶部，供应急情况下疏散乘客，当安全窗打开时，电梯不准运行。

安全钳是为了防止电梯曳引钢丝绳断裂及超速运行的机械装置，用以在上述情况下将轿厢夹持在轨道上。

限速器是检测电梯运行速度的装置，当电梯超速运行时，限速器动作，带动安全钳使电梯停止运行。

极限开关、强迫换速开关是电梯位置安全装置，当电梯运行至上下极限位置时仍不停车，上下限开关动作，发出停车信号，若仍不能停车，将压下上下强迫停车开关，强制电梯停止运行，若还不能停车，将通过机械装置带动极限开关切断曳引电机电源，以达到停车的目的，避免电梯出现冲顶与蹲底事故。

4.2电梯控制的组成

电梯控制主要由变频调速主回路、输入输出单元以及PLC单元构成，用来完成对电梯曳引电机及开关门机的起动，加减速，停止，运行方向，楼层显示，层站召唤，轿箱内操作，安全保护等指令信号进行管理和控制功能。

图4-2电梯控制系统原理图

变频调速主回路由三相交流输入、变频调速驱动、曳引机和制动单元构成，其具有良好的低速运行特性，适合在电梯控制系统中应用。

三相电源R、S、T经接线端子进入变频器为其主回路和控制回路供电，输出端U、V、W接电动机的快速绕组，外接制动单元减少了制动时间，加快制动过程。

旋转编码器用来检测电梯的运行速度和运行方向，变频器将实际速度与变频器内部的给定速度相比较，从而调节变频器的输出频率及电压，使电梯的实际速度跟随变频器内部的给定速度，达到调节电梯速度的目的。

变频器输入信号为：

上、下行方向指令，零速、爬行、低速、高速、检修速度等各种速度编码指令，复位和使能信号。

变频器输出信号为：

变频器准备就绪信号，在变频器运转正常时，通知控制系统变频器可以正常运行；运行中信号，通知PLC变频器正在正常输出；零速信号，当电梯运行速度为零时，此信号输出有效并通知PLC完成抱闸、停车等动作；故障信号，变频器出现故障时，此信号输出有效并通知PLC作出响应，给变频器断电。

输入输出单元为PLC的I/O接口部分，主要由厅外呼叫、轿箱内选层、楼层及方向指示、开关门、井道内的上下平层、上下强迫换速开关、门锁、安全保护继电器、检修、消防、泊梯、称重等单元构成。

输入单元为：

厅外呼叫单元，用来对各层站的厅外召唤信号进行登记、记忆和消除，而且兼有无司机状态的“本层厅外开门”功能，全集选方式的呼梯信号为2N-2个（N为层站数），下集选方式的呼梯信号为N个；轿箱内选层单元，负责对预选楼层指令的登记、消除和指示，呼梯信号数为电梯停站层数N；开关门按钮，输入PLC控制轿门的开闭（厅门也同时动作）；上下平层装置，用来保证电梯轿箱在各层停靠时准确平层，通常设置在轿顶，电梯轿箱上行接近预选层站时，上平层感应器先进入遮磁板，电梯仍继续慢速运行，当下平层感应器再进入遮磁板时，上行接触器线圈失电，制动器抱闸停车；上下限强迫换速开关，用于保护电梯的高速运行安全，避免电梯出现冲顶或蹲底事故，当电梯到达上下端站时，装在轿厢边的上下限强迫换速开关打板，信号输入PLC，PLC发出换速信号强迫电梯减速运行到平层位置；门锁装置（或轿门和厅门联锁保护装置），轿门闭合和各厅门闭合上锁是电梯正常起动运行的前提；安全回路，通常包括轿内急停开关、轿顶内急停开关、安全钳开关、限速器断绳开关、限速器超速开关、底坑急停开关、相序保护继电器、上下限极限开关等；检修、消防和泊梯，检修、消防和泊梯为电梯的三种运行方式，检修运行为电梯检修时的慢速运行方式，消防运行有消防返回基站和消防员专用两种运行状态，泊梯状态，消除内选和外呼信号，自动返回泊梯层、关门并断电；称重单元，用来检测轿厢负荷，判断电梯处于欠载、满载或超载状态，然后输出数字信号给PLC，根据负载情况进行起动力矩补偿，使电梯运行平稳。

输出单元为：

楼层及方向指示单元，包括电梯上下行方向指示灯、层楼指示灯以及报站钟等，目前的方向及层楼指示灯主要有七段码显示方式和点阵显示方式，本系统为七段码显示方式；开关门单元，用于控制电梯的厅门和轿门的打开和关闭，在自动定向完成或电梯平稳停靠后，PLC给出相关指令，由变频门机完成开关门动作。

PLC单元为电梯控制系统的核心部分，由PLC提供变频器的运行方向和速度指令，使变频器根据电梯需要的速度曲线调节运行方向和速度。

通过PLC的合理编程，实现自动平层、自动开关门、自动掌握停站时间、内外呼信号的登记与消除、顺向截梯及自动换向等集选控制功能。

电梯完成一个呼叫响应的步骤如下：

电梯在检测到门厅或轿箱的召唤信号后将此楼层信号与轿箱所在楼层信号比较，通过选向模块进行运行选向。

电梯开始起动，通过变频器驱动电机拖动轿箱运动。

轿箱运动速度由低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至目标层。

当电梯检测到目标层减速点后，电梯进入减速状态，由高速变为低速，并以低速运行至平层点停止。

平层后，经过一定延时开门，直至碰到开门到位行程开关；再经过一定延时后关门，直到安全触板开关动作。

5.电梯控制系统的设计

5.1电梯的运行过程

电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行鸣叫操作。

其操作内容为电梯运行方向，电梯轿厢内设有楼层内选按钮S1-S3,用以选择需停靠的楼层。

L1为一层指示，L2为二层指示，L3为三层指示。

SQ1-SQ3为到位行程开关。

电梯上升途中只响应上升呼叫，下降途中只响应下降呼叫，任何反方向的呼叫均无效。

例如电梯停在一层，在二层轿厢外呼叫时必须按二层上升呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从一层运行到二层），按二层下降呼叫按钮无效；反之，若电梯停在三层，在二层轿厢外呼叫时必须按二层下降呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从三层运行到二层），按二层上升呼叫按钮无效。

5.2PLC的选择

PLC容量的估算方法:

、

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）1/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:

所需存储器字数二输入点数*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:

所需存储器字数二定时器/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［8］。

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（输入点数十输出点数）*（20-10）=指令语句数。

5.3PLC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12个输入点，8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，故可适当增加输出点的数目。

（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［9］。

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即（输入点数+输出点数）*（10-20）二指令语句数。

故本系统粗略估算为（12+8）*10=200。

5.4PLC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［10］。

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