PLC技术在电梯控制系统中.docx
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PLC技术在电梯控制系统中
摘要
电梯是垂直方向的运输设备，是高层建筑中不可缺少的交通运输设备。
它靠电力，拖动一个可以载人或物的轿厢，在建筑的井道内导轨上做垂直升降运动。
随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具。
电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。
采用PLC对电梯信号系统进行控制，开发出了完整的电梯控制软件，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。
而控制电梯运行的PLC系统也要求越来越高，要求达到电梯运行的“稳、准、快”的运行目的。
该系统主要由PLC、逻辑控制电路组成。
其中包括交流异步电动机、继电器、接触器、行程开关、按钮、发光指示器和变频器组成为一体的控制系统。
关键词电梯、PLC、梯形图
Abstract
Anelevatorisverticaltransportequipment,high-risebuildingistheindispensabletransportationequipment.Itcanbeadragonelectricpower,theenclosuremannedorinthebuilding,wellwithintheguidedoverticalmovement.Withthedevelopmentofmoderncities,anincreasingnumberofhigh-risebuilding,elevatorbecomeanindispensablemeansoftransportofdailylife.Thequalityoftheliftperformanceoftheimpactonpeople'slivesbecomingmoreandmoreobvious,itmuststrivetoimprovetheperformanceofelevatorsystems,andensuretheoperationoftheliftissafe,reliableandenergyefficient.TheuseofPLCsignalsontheelevatorcontrolsystem,thedevelopmentofacompleteelevatorcontrolsoftware,toimprovetheleveloftheelevatorcontrolandimprovetheoperationoftheelevatorcomfort,sothatthelifttoreachamoresatisfactorycontroleffect.AndthecontrolelevatorcirculateofthePLCsystemalsohasmoreandmorehighrequest,requesttoattainthemovementpurposeof"steady,quasi-,quick"ofelevatormovement.ThatsystemmainlyfromPLC,logiccontroltheelectriccircuitconstitute.Includeanexchangesdifferencetotreadelectricmotoramongthem,aftertheelectricappliances,getintouchwithamachine,routeoftravelswitchandpressbutton,giveoutlighttheindicatorconstituteandtransducerforthecontrolsystemofintegralwhole.
KeywordsElevator,PLC,LadderDiagram
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2PLC及其在电梯控制中的应用特点2
1.2.1PLC的特点2
1.2.2PLC控制电梯的优点3
1.3研究内容4
1.4本章小结4
第2章可编程序控制器概述组成及工作原理5
2.1可编程控制器的产生及发展5
2.2可编程控制器的定义及特点6
2.3可编程控制器的结构8
2.4可编程控制器的组成及其工作过程10
2.4.1可编程控制器的组成10
2.4.2可编程控制器的工作过程12
2.4.3PLC控制与继电器控制的区别14
2.5可编程控制器的工作原理15
2.5.1分时处理及扫描工作方式16
2.5.2I/O映像区18
2.6可编程控制器的发展趋势19
2.7本章小结20
第3章三菱FX2N系列可编程控制器及基本指令21
3.1三菱FX2N系列可编程控制器的基本组成21
3.1.1FX2N系列可编程控制器型号名称体系及其种类21
3.1.2FX2N系列PLC软组件的地址号及功能22
3.2FX2N系列可编程控制器的基本指令24
3.3可编程控制器编程注意事项26
3.4FX2N系列PLC程序的编程语言27
3.5本章小结28
第4章可编程控制系统设计29
4.1PLC控制系统的设计基本原则29
4.2PLC控制系统设计的基本内容和步骤29
4.3电梯PLC控制系统设计的改造方法31
4.4PLC的选择31
4.4.1PLC的机型选择32
4.4.2PLC的容量选择32
4.4.3I/O模块的选择32
4.5本章小结32
第5章基于PLC的电梯控制系统设计33
5.1电梯PLC控制系统的设计思想33
5.1.1信号控制系统33
5.1.2拖动控制系统33
5.1.3电梯控制系统实现的功能33
5.1.4电梯操作方式34
5.2I/O点数的分配及机型的选择34
5.3PLC的外部接线图37
5.4PLC控制电梯的软件开发39
5.4.1电梯内部功能简介39
5.4.2电梯外部功能简介39
5.4.3电梯的初始状态，运行中状态和运行后状态分析39
5.4.4电梯的控制要求40
5.4.5软件流程图41
结论43
参考文献44
致谢45
附录146
附录252
附录356
第1章绪论
1.1课题背景
自1889年美国奥斯升降机公司推出世界第一部以电动机为动力的升降机以来，电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程，逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。
如今电梯已成为人们进出高层建筑不可缺少的代步工具，而且作为载人工具，人们在运动的平滑性、高速行、准确性和高效性等一系列静动态性能方面对它提出了更高的要求。
由于早期的电梯继电器控制方式存在故障较多、可靠性较差、接线较复杂、一旦接收完成不易更改等缺点，所以需要开发一种安全、高效的控制方式。
可编程序控制器（PLC）既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口和维修方便等诸多高品质性能，又采用一种可编程运算、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。
因此，现在PLC在电梯控制领域得到了广泛而深入的应用。
随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程序控制器更多的具有计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有数据处理、通信、网络等功能。
由于它可以通过软件来改编控制过程，而且体积小、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。
可编程控制系统是一种专门为工业环境下使用而设计的数字运算操作电子系统，它采用了一种可编程运算、顺序控制、定时、计数和算术运算的操作的指令，通过数字式模拟式输入、输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
可编程序控制器的出现，以其无可媲美的优越性，正在以惊人的速度取代继电器-接触器系统。
1.2PLC及其在电梯控制中的应用特点
1.2.1PLC的特点
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。
PLC与普通微机一样。
以通用或专用CPU作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制。
PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修。
编程简单、灵活性强等特点。
1、可靠性
对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。
（1）PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
（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，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTTR，使可靠性提高。
（3）PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。
（4）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更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
（5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。
例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。
（6）PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。
2、易操作性
PLC的易操作性表现在下列几个方面：
（1）操作方便
PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。
编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了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要的地址编号或接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上显示。
（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，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。
采用布尔助记符编程语言，十分有助于编程人员的编程。
（3）维修方便
PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。
当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。
3、灵活性
PLC的灵活性表现在以下几个方面：
（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、功能模块和语句描述编程语言。
编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
（2）扩展的灵活性。
PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。
它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
（3）操作的灵活性。
操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易[1]。
1.2.2PLC控制电梯的优点
（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。
（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。
（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。
（4）PLC可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。
（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。
（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。
此外，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而没被广泛采用。
PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。
[2]
1.3研究内容
可编程控制器并不仅仅具有计算机的内核，它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。
从其诞生以来，电气工程技术人员感受最深刻的也正是可编程控制器二次开发编程十分容易。
它在很大程度使得工业自动化设计从专业设计院走进了厂矿企业，变成了普通工程技术人员甚至普通电器人力所能及的工作。
再加上其体积小、可靠性高、抗干扰能力强、控制系统完善、适应性强、安装接线简单等众多优点，可编程控制器在问世后的短短30年中获得了突飞猛进的发展，在工业控制中得到了非常广泛的应用。
设计所研究的内容主要是把可编程控制器（PLC）用于电梯自动控制系统中。
为此提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯。
1.4本章小结
首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的总结和介绍。
接着阐述了电梯控制系统的分类及特点，电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分。
确定了系统的总体结构，由PLC来实现电梯信号控制，有双速电机实现调速，完成了电机和可编程控制器（PLC）的选择。
然后是系统硬件开发，完成了PLC的选型、I/O点数分配与PLC的连接。
在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出了软件流程图，提出了模块化编程思想，介绍了系统的软件开发。
最后对改造后的电梯系统进行模拟调试。
第2章可编程序控制器概述组成及工作原理
2.1可编程控制器的产生及发展
在可编程序控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。
通过有关电气控制知识的学习可知，继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑，如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。
另外，大型控制系统用继电器接触器控制，使用的继电器数量多，控制系统的体积大，耗电多，且继电器触点为机械触点，工作频率低，在频繁动作情况下寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差。
随着工业的发展，设备和生产过程越来越复杂。
复杂的系统可能使用成百上千种各式各样的继电器，并用成千上万根导线以复杂的方式连接起来，执行相应的复杂的控制任务。
作单台装置，继电器本身是比较可靠。
但是，对于复杂的控制系统，继电器控制系统存在两个缺点：
一是可靠性差；二是灵活性差。
现代社会要求制造业对市场要求做出迅速的反应生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，传统的继电器已经成为实现这一目标的障碍。
在世界性工业技术改造浪潮的冲击下，美国公司率先研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，获得成功。
其后，在日本，德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此迅速发展起来。
个人计算机（PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）,现在，仍常常将PLC简称PC。
PLC的功能不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。
随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。
但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。
综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。
近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。
随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头[3]。
2.2可编程控制器的定义及特点
在可编程序控制器发展初期，不同的开发商对PLC有不同的定义。
为使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化，国际电工委员会曾于1982年11月颁发了可编程序控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。
该草案中对可编程序控制器的定义是：
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
PLC是综合了继电器接触器控制的优点以及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展起来的，这就是PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。
（1）运行稳定可靠，抗干扰能力强
PLC是专门为工业环境下应用而设计的，因此人们在设计PLC时，从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。
对于硬件措施，PLC的电源变压器、内部CPU、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界的电磁干扰；输入输出线路采用了多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰；内部的微处理器和输入输出电路之间，采用了光电隔离措施，有效地隔离了输入输出间电的联系，减少了故障和误动作；采用模块式结构，有助于在故障情况下短时修复，一旦查出某一模块出现故障，就能迅速更换，使系统恢复正常工作。
对于软件措施，PLC设计了故障检测软件定期地检测外界坏境。
如掉电、欠电压、强干扰信号等，以便及时进行处理；信息保护和恢复软件使PLC偶发性故障条件出现时，将PLC内部信息进行保护，不遭破坏。
一旦故障条件消失，恢复原来的信息，使之正常工作。
如果PLC程序每次循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示程序进入死循环，立即报警。
对程序进行检查和检验，一旦程序有错，立即报警，并停止执行，这样可使一般PLC的平均无故障时间达到几万小时以上。
（2）通用性强，使用方便
PLC产品已经系列化和模块化，PLC的开发制造商为用户提供了品种齐全的I/O模块和配套部件。
用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需根据控制要求进行模块的配置。
用户所做的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。
对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能。
（3）采用模块化结构，使系统组合灵活方便
PLC的各个部件，均采用模块化设计、各模块之间可由机架和电缆连接。
系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组合，使系统的性能价格更容易趋于合理。
（4）编程语言简单、易学，便于掌握
PLC是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。
其主要的使用对象是广大的电气技术人员。
PLC的开发制造商为了便于工程技术人员方便学习和掌握PLC的编程，采取了与继电器接触器控制原理相似的梯形图语言，易学、易懂。
（5）系统设计周期短
由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不要去设计具体的接口电路，这样大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工作的进程。
（6）对生产工艺改变适应性强
PLC的核心部件是微处理器，它实质上是一种工业控制计算机，其控制功能是通过软件编程来实现的。
当生产工艺发生变化时，不必改变PLC硬件设备，只需改变PLC中的程序。
这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合。
（7）安装简单、调试方便、维护工作量小
PLC控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统少的多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连。
PLC软件设计和调试大多可在实验室里进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上的相应发光二极管，也可以另接输出模拟实验板。
模拟调试好后，再将PLC控制系统安装到现场，进行联机调试，这样既省时间又很方便。
由于PLC本身的可靠性高，又有完善的自诊断能力，一旦发生故障，可以根据报警信息，迅速查明原因。
如果是PLC本身，则可用更换模块的方法排除故障。
这样提高了维护的工作效率，保证了生产的正常进行[3]。
2.3可编程控制器的结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
（1）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
（2）存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
（3）电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
（4）编程器及其他选件
编程器是编制、编辑、调试、监控PLC的用户程序的必备设备。
小型PLC的程序编制可直接使用简易的手持式编程器来完成，较为复杂的编程一般使用专门的编程软件。
PLC还可以选配其他设备，如盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、人机接口单元、网络连接设备等，可以根据实际需要进行配置。
（5）PLC硬件结构框图如图2-1所示
图2-1PLC硬件结构框图
2.4可编程控制器的组成及其工作过程
2.4.1可编程控制器的组成
（1）CPU模块
同一般的微处理机一样，中央处理单元是可编程控制器的主要部分，是系统的运算和控制中心。
它按照PLC系统程序赋予的功能，完成以下任务：
1、接受并存储用户程序和数据；
2、检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误；
3、当PLC投入运行后，已扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据；
4、读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算；
5、根据用户程序的执行结果，更新有关状态标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。
小型PLC一般采用8位微处理器，而大、中型PLC一般采用16或32位微处理器。
一般中型可编程控制器多为双处理器系统，即字处理器和位处理器，其中字处理器是主处理器，由它处理字节操作指令，控制系统总线、内部计数器、内部定时器、监视扫描时间、统一管理编程接口，同时协调位处理器及输入输出。
位处理器也称从处理器，主要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现编程语言向机器语言的转换。
（2）存储器
存储器主要用于存放系统程序和应用软件。
基本上由ROM（ReadOnly
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