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PLC技术在电梯控制领域的应用
一、山东大学成人教育毕业论文………………………………
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PLC技术在电梯控制领域的应用
李庚宸
摘要
电梯是高层建筑不可缺少的垂直方向的交通运输工具。
由于传统的电梯运行逻辑控制系统采用的是继电器逻辑控制线路。
采用这种控制线路，存在易出故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。
从技术发展来看，这种系统将逐渐被淘汰。
本文将可编程序控制器（PLC）应用于四层电梯的逻辑控制，主要介绍了四层电梯的PLC控制系统总体设计方案、设计过程、组成，列出了具体的主要硬件电路、电梯的控制梯形图。
这种电梯控制系统较原有电梯控制系统可以更容易的完成更为复杂的控制任务，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的，大大提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，延长了使用寿命，同时缩短了电梯的开发周期。
关键词：
可编程控制器电梯控制梯形图
ABSTRACT
Theelevatorisakindoftoolthatisindispensabilityinthehigh-buildingperpendiculartransportation.Thetraditionalelevatoradoptedarelay-logicaltocontrolitscirculation.Theelevatorbecomesaccident-proneness,shortlife-span,inconvenienceinmaintainingandthiscontrolcircuitalsotakesupbigspace,etc.Seenfromtheeyesoftechniquedevelopment,thiskindofsystemwillbegraduallyeliminated.
Thispaperisappliedprogrammablelogiccontrollertocarryonthelogiccontrolina4-floorelevator.Thedesigningplanandcompositionofthe4floorelevator’sPLCcontrollingsystemaremainlyintroduced.ThedesigningprocessofhardwareandsoftwareaboutelevatorcontrolsystemwithPLCisexpounded.Andspecificladderdiagramsarealsogiven.Competedwiththetraditionalelevator,thiskindofelevatorcantakeupthemorecomplicatedmissionmoreeasily,anditcancarryoutmanyfunctionsthattraditionalelevatorcontrolsystemcannotfinish.Meanwhile,itcanimprovetheelevator’sreliability,maintainabilityandflexibilityconsumedly,prolongtheservicelife,andshortenthedevelopmentperiodoftheelevatoratthesametime.
Keywords:
ProgrammableController;ElevatorControlling;ProgramofLadderDiagram
一绪论
（一）引言
在现代社会和经济活动中，电梯已是城市物质文明的一种标志。
随着城市建设进程不断加快,高层建筑越来越多,电梯作为高层建筑中垂直升降的交通工具已和人们的日常生活密不可分。
电梯是机械、电气相结合的机电一体化产品,电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。
电梯控制系统主要采用以下三种控制方式：
继电器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统。
继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活及功率消耗大等缺点，目前已逐渐被淘汰。
微机控制系统虽然在智能控制方面有较强大的功能，但也存在一定的不足之处，即抗干扰性差，系统设计较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，这些都限制了微机控制系统应用的广泛性。
而PLC控制系统由于运行可靠性高、使用维修方便、抗干扰性强等优越性，成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。
可编程控制系统（ProgrammableLogicController,PLC）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，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，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，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。
总之，电梯的控制是比较复杂的，在计算机诞生前的几十年里，继电器控制系统在电梯控制的发展中起到了巨大的作用，然而现如今其控制性能与自身的功能已无法满足与适应电控制的要求和发展，与PLC相比较，存在着质的差别。
电梯使用继电器、接触器控制的时候，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、更可靠、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，它己经成为电梯运行中的关键技术。
（二）电梯的发展状况
1电梯的起源与发展
自从1889年美国奥梯斯电梯公司推出了世界上第一款电梯以来，电梯已走过了一百多年的发展历程。
初期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一电动机组调速系统，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4一6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年在美国己出现了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一电动机组的同时，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80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年在日本己将其用于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。
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向。
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蜗轮副减速装置外，其他均己采用圆柱斜齿轮曳引系统，使效率提高了15%一25%。
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，提倡对电梯进行适当装修，比如轿厢内用镜面不锈钢装潢、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。
2电梯种类的发展
（1）按运行速度分类
1）超高速电梯（3m/s-10m/s或更高的电梯，通常用于超高层建筑物内）
2）高速电梯（2-3m/s的电梯。
如2m/s，2.5m/s，3m/s等，通常用在16层以上的建筑物内）
3）快速电梯（>lm/s而<-2m/s的电梯。
如1.5m/s，1.75m/s，通常用在10层以上的建筑物内）
4）低速电梯（lm/s及以下的电梯。
如0.25，0.5，0.75，1m/s；通常用在10层以下的建筑或客货两用电梯或货梯）
（2）按用途分类
1）乘客电梯（代号：
TK）2）载货电梯（代号：
TH）3）客货（两用）电梯（代号：
TL）
4）病床电梯（代号：
TB）5）住宅电梯（代号：
TZ）6）杂物电梯（代号：
TW）
7）船用电梯（代号：
TC）8）观光电梯（代号：
TG）9）车辆电梯（代号：
TQ）
（3）按有无司机分类
1）有司机电梯
必须有专职司机操纵。
2）无司机电梯
不需要专门司机，而由乘客自己操纵，具有集选功能。
3）有/无司机电梯
根据电梯控制电路及客流量等，平时可改由乘客自己操纵电梯运行，客流大或必要时可由司机操纵。
（4）按拖动方式分类
1）直流电梯2）交流电梯3）液压电梯
4）齿轮齿条电梯5）螺杆式电梯6）直线电机驱动电梯
3电梯逻辑控制系统的发展
（1）继电器逻辑控制。
传统的电梯多由继电器、接触器线路组成，逻辑控制关系由继电器组合实现，控制过程直观、易懂。
但存在着线路复杂、故障较高、维护困难、控制装置体积大等问题。
（2）PLC可编程控制。
PLC取代继电器逻辑控制器件，减少了线路间连接及控制电器数量，从而使控制柜体积减小、运行可靠性提高。
在老式电梯改造中以PLC取代传统继电器控制电路已取得了很大的成功。
（3）微机控制。
将微机应用于交流调速控制系统的调速装置中，承担调速各环节的功能，使调速系统的有触点器件大大减少，改善了舒适度，同时把微机用作信号处理，取代传统的选层器和绝大部分继电器逻辑电路，提高了系统的可靠性。
（三）论文研究的目的和内容
在现代社会和经济活动中，电梯已是城市物质文明的一种标志。
随着城市建设进程不断加快,高层建筑越来越多,电梯作为高层建筑中垂直升降的交通工具已和人们的日常生活密不可分。
以前国内安装的许多电梯的电气控制系统主要有两种控制方式：
继电器控制系统（“早期安装的电梯多位继电器控制系统）、微机控制系统。
但是继电器、接触器控制系统，线路复杂，接线多，故障率高，维修保养难，可靠性差,控制方式不灵活,消耗功率大而且这种控制系统的控制效率低，调速性能指标较差，乘坐舒适感较差，严重影响电梯运行质量，许多已处于闲置状态。
微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。
因此，对电梯控制技术进行研究，寻找一种新的电梯电气控制系统方案以提高电梯的运行性能具有十分重要的意义。
PLC是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统。
由于PLC具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。
因此在工业控制方面得到了广泛应用。
使用PLC对电梯的控制系统进行设计，可以提高电梯的运行可靠性，使电梯的使用维修更加的方便，而且还具有抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点。
因此，PLC作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，必将在电梯控制中得到广泛应用，从而引领电梯的控制系统由传统的继电器控制方式向计算机控制发展的潮流。
本设计将以四层电梯研究对象，对其PLC控制系统进行设计，以实现当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后，控制系统进行下列运作：
根据轿厢所处位置及乘员所处层数，判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速，将轿厢停在选定的楼层上。
同时，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。
该控制系统硬件部分的核心为PLC主机，来自操作箱、呼梯盒、井道装置的外部信号通过输入接口送入PLC内部进行逻辑运算与处理，再经过输出接口分别向指层灯、呼梯信号灯发出显示信号，向主回路和门机电路发出控制信号，从而实现电梯运行状态的控制。
软件部分，用FXGP_WIN_C软件进行梯形图的设计。
二系统方案设计
（一）方案论证与比较
可编程控制器最初是为了替代继电器控制系统而研制的，其自身又是一个计算机系统，所以它除了具备继电器控制系统和微型计算机系统的原有功能外，还有其自己的特点：
1.可靠性
对可以维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。
PLC的可靠性高，表现在下列几方面：
（1）与继电器逻辑控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因如下：
1）PLC不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少。
与此同时，系统的维修简单、维修时间缩短，因此可靠性得到提高。
2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如冗余设计、掉电保护、故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性得到提高。
3）PLC有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因此对操作和维修人员的技能要求降低，容易学习和掌握，不容易发生操作的失误，可靠性高。
（2）与通用的计算机控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因如下：
1）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了经简化的编程语言，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
因此，PLC的可靠性较通用计算机控制系统的可靠性有较大提高。
2）在PLC的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。
例如，采用可靠性高的元件；采用先进的工艺制造流水线生产；对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等，设有对电源的掉电保护、存储器内容的保护并采用看门狗和其他自诊断措施、便于维修的设计等等。
3）在PLC的软件设计方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。
例如，采用软件滤波、软件自诊断、简化编程语言、信息保护和恢复、报警和运行信息的显示等等。
一份用户选用PLC原因的调查报告指出，在各种选用PLC的原因中，第一位的原因是由于PLC可靠性高的用户达93%。
其次，才是性能和维修方便等原因。
可见，可靠性高是PLC的主要特点。
2.易操作性
PLC的易操作性表现在下列三个方面：
（1）操作方便。
对PLC的操作包括程序输入的操作和程序更改的操作。
大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改的操作。
编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。
更改程序的操作也可直接根据所需的地址编号、继电器编号或触点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。
更改的信息可在液晶屏或CRT屏幕上显示。
所以PLC具有操作方便的特点。
（2）编程方便。
PLC有多种程序设计语言可供使用。
对电气技术人员来说，梯形图由于与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。
所以有利于程序的编写和学习。
采用布尔助记符编程语言时，由于符号是功能的简单缩写，十分有利于编程人员的编程。
虽然功能表图、功能模块图和高级描述语句的编程方法应用尚未普及，但是，由于它们具有功能清晰、易于理解等优点，正为广大技术人员所接纳和采用。
（3）维修方便。
PLC所具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低了。
当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障信号灯的提示和故障代码的显示，或通过编程器和CRT屏幕的显示，很快地找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。
为便于维修工作的开展，有些PLC的制造企业提供了维修用的专用仪表或设备，提供了故障维修专用的资料。
有些厂商还提供维修用的智能卡件或插件板，使维修工作变得十分方便。
PLC的面板和结构的设计也考虑了维修的方便性，例如，对需维修的部件设置在便于维修的位置，信号灯设置在易于观察的部位，接线端子采用便于接线与更换的类型等，这些设计使维修工作能方便地进行，从而大大节省维修时间。
3.灵活性
PLC的灵活性表现在下列两方面：
（1）编程的灵活性。
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。
编程方法的多样性使编程方便，应用面拓展。
由于采用软连接的方法，在生产工艺流程更改或者生产设备更换时，可以不必改变PLC的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。
这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统所不能比拟的。
正是由于编程的柔性特点，使PLC能大量地替代继电器顺序控制系统，成为当今工业控制领域的重要控制设备。
在柔性制造单元（MFC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）和计算机集成过程控制系统（CIPS）中，PLC正成为主要的控制设备，得到广泛的应用。
（2）扩展的灵活性。
PLC的扩展灵活性是它的一个重要的特点。
它可根据应用的规模不断扩展，即可进行容量的扩展，功能的扩展，应用和控制范围的扩展。
它不仅可以通过增加输入输出单元来增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统（DCS）或其他上位机的通信来扩展它的功能，并与外部设备进行数据的交换等。
这种扩展的灵活性大大地方便了用户。
（二）系统总体设计方案
经过上面的研究与分析，可以得出由于PLC内部的逻辑运算和处理功能取代了继电器控制系统里的中间继电器和时间继电器的逻辑运算，大大减少了系统中继电器的使用数量，提高了系统可靠性，降低了故障率。
因此，本设计选用PLC来设计电梯的控制系统。
电梯PLC控制系统的组成结构如图2.1所示，控制系统的核心为PLC主机。
来自操作箱、呼梯盒、井道装置的外部信号通过输入接口送入PLC内部进行逻辑运算与处理，再经过输出接口分别向指层灯、呼梯信号灯发出显示信号，向主回路和门机电路发出控制信号，从而实现电梯运行状态的控制。
图2-1电梯PLC控制系统框图
此系统能实现的功能如下：
（1）一台电机控制上升和下降。
（2）各层设上/下呼叫开关（最顶层与起始层只设一只）。
（3）电梯到位后具有手动或自动开门关门功能。
（4）电梯内设有层楼指令键，开关门按键。
（5）待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门迎客。
（6）自动关门与提早关门。
在一般情况下，电梯停站几秒后应能自动关门；在延时时间内，若按下关门按钮，门将不经延时提前实现关门动作。
（7）按钮开门。
在开关过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按钮，门将打开。
（8）内指令记忆。
当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序自动停靠，并能自动确定运行方向。
（9）自动定向。
当轿厢内操纵盘上，选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向。
（10）呼梯记忆与顺向截停。
电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。
（11）自动换向。
当电梯完成全部顺向指令后，应能自动换向，应答相反方向的信号。
该设计包括硬件设计和软件设计两个部分。
就此设计的核心模块来说，PLC就是设计的中心单元，所以此系统也是PLC控制系统的一种应用。
PLC控制系统也是有硬件和软件组成。
硬件包括PLC、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。
PLC控制系统的研制过程包括总体方案设计、硬件设计、软件设计、在线调试等几个阶段，就本设计来说也包括这些过程。
它们的进程框图如2.2所示。
图2-2电梯PLC控制系统过程框图
三硬件电路设计
（一）FX2N系列PLC的简介
FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。
由于FX2n系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
为大量实际应用而开发的特殊功能为系统的开发与设计提供了极大的方便，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。
定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或PT传感器，开发了温度模块。
对每一个FX2n主单元可配置多达8个特殊功能模块。
网络和数据通信连接到世界上最流行的开放式网络CC-Link、Profibus Dp和DeviceNet或者采用传感器层次的网络解决您的通信需要。
它内置24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。
快速断开端子块，因为采用了优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元。
时钟功能和小时表功能，在所有的FX2nPLC中都有实时时钟标准。
时间设置和比较指令易于操作。
小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。
持续扫描功能为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。
输入滤波器调节功能，可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中x000到x017）。
注解记录功能元件注解可以记录在程序寄存器中。
在线程序编辑、在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。
RUN/STOP，开关面板上运行/停止开关易于操作。
远程维护，远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序。
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