基于plc控制的电梯大学本科方案设计书.docx
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基于plc控制的电梯大学本科方案设计书
课题名称：
基于PLC的电梯控制系统设计
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一．概述：
1.电梯的发展简史：
在现代化城市的高速发展中，一幢幢高楼拔地而起，电梯的广泛应用已成为城市物质文明的一种标志。
电梯作为不可缺少的垂直运输设备，已与人们的日常生活密不可分。
在计算机技术、自动控制技术和电力电子技术飞速发展的今天，电梯也随之进入了新的发展时期。
因此我们需要更多的研究一种稳定可靠的电梯控制系统。
2.电梯的基本结构：
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甚至连露天的天桥也实施电梯模式。
实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。
目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器即PLC控制系统取代微机实现信号集选控制。
从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。
国内厂家大多选择第二种方式，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；但PLC可靠性高，程序设计方便灵活简单，抗干扰能力强、运行稳定等特点，所以现在的电梯基本是采用PLC控制系统。
同时显示器又增加了触摸查询功能。
该装置缓解了陌生乘客在轿厢内面对面对视时的尴尬、无趣的局面，降低了乘客乘梯时心理等待焦虑感。
电梯远程监控系统。
该系统是将控制柜中的信号处理计算机获得的电梯运行和故障信息通过公共电话网络或专用网络（都需要使用调制解调器）传输到远程的能够提供可视界面的专业电梯服务中心的计算机，以便那里的服务人员掌握电梯运行情况，特别是故障情况。
该系统一般具有显示故障、分析故障、故障统计与预测等功能，还有的可实现远程调试与操作，便于维修人员迅速进行维修应答。
二．可编程控制器简介：
1.PLC能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些下列特点：
a.可靠性高，抗干扰能力强
b.配套齐全，功能完善，适用性强
c.易学易用，深受工程技术人员欢迎
d.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
e.体积小，重量轻，能耗低
2.PLC的结构
PLC的基本结构：
1.PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。
如下图所示：
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映象区，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映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象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。
编程器
编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。
编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来后可编程序控制器也可以运行。
一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器公用。
PLC常用的存储器类型：
（1）RAM（RandomAssessMemory）这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。
（2）EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种可擦除的只读存储器。
在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。
（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。
（3）EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种电可擦除的只读存储器。
使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
PLC存储空间的分配：
虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
（1）系统程序存储区；
（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）；（3）用户程序存储区系统程序存储区：
在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。
包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。
由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。
它和硬件一起决定了该PLC的性能。
系统RAM存储区：
系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：
逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。
（1）I/O映象区：
由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。
因此，它需要一定数量的存储单元（RAM）以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。
一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit）。
因此整个I/O映象区可看作两个部分组成：
开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。
（2）系统软设备存储区：
除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。
该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。
1.逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器。
另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。
2.数据寄存器与模拟量I/O
一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字（16bits）。
另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。
3.计时器4.计数器
用户程序存储区：
用户程序存储区存放用户编制的用户程序。
不同类型的PLC，其存储容量各不相同。
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、可得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。
2.PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
三．电梯模型PLC控制系统设计
1电梯的类型
按使用性质分：
①客梯；②货梯；③消防电梯
按电梯行驶速度分：
①高速电梯。
速度大于2m/s。
②中速电梯。
速度在2m/s之内。
③低速电梯。
运送食物电梯常用低速，速度在1.5m/s以内。
观光电梯：
观光电梯是把竖向交通工具和登高流动观景相结合的电梯。
2电梯的构造
1）电梯由下列几部分组成：
①电梯井道；②电梯机房；③井道地坑：
井道地坑在最底层平面标高下≥1.4m，作为轿厢下降时所需的缓冲器的安装空间；④组成电梯的有关部件；2）轿厢；3）井壁导轨和导轨支架；4）牵引轮及其钢支架、钢丝绳、平衡锤、轿厢开关门、检修起重吊钩等；5）有关电器部件。
3电梯的控制要求
1）当电梯停于某层时，有一高层呼叫时，电梯上升到呼叫层停止。
2）当电梯停于某层时，有一低层呼叫时，电梯下降到呼叫层停止。
3）当电梯停于某层时，有多高层呼叫时，电梯先上升到较低的呼叫层，停3秒后继上升到高的呼叫层，响应完毕后停止。
4）当电梯停于某层时，有多低层呼叫时，电梯先下降到较高的呼叫层，停3秒后继续下降到低的呼叫层，响应完毕后停止。
5）当电梯处于上升或上降过程中，任何反向的呼叫均无效。
4PLC控制系统的设计分析
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，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）.最大限度地满足被控对象的控制要求
（2）.保证PLC控制系统安全可靠
（3）.力求简单、经济、使用及维修方便
5电梯模型PLC控制系统设计
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，因此，系统控制采用随机逻辑控制。
即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。
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。
为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在的楼层进行显示，采用LED和发光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示（开关上带有指示灯）。
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如图4-1所示:
图4-1PLC实现的电梯控制系统主要构成部分
根据电梯所处的位置和运行方向，在编程中，采用了四个优先级队列，即上行优先级队列、上行次优先级队列、下行优先级队列、下行次优先级队列。
其中，上行优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以上楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层所具有的脉冲数存放的寄存器所构成的阵列。
上行次优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以下楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层所具有的脉冲数存放的寄存器所构成的队列。
控制系统在电梯运行中实时排列的四个优先级陈列，为实现随机逻辑控制提供了基础。
当电梯以某一运行方向接近某楼层的减速位置时，判别该楼层是否有同向的呼叫信号（上行呼叫标志寄存器、下行呼叫标志寄存器、有呼叫请求时，相应寄存器为l，否则为0），如有，将相应的寄存器的脉冲数与比较寄存器进行比较，如相同，则在该楼层减速停车：
如果不相同，则将该寄存器数据送入比较寄存器，并将原比较寄存器数据保存，执行该楼层的减速停车。
该动作完毕后，将被保存的数据重新送入比较寄存器，以实现随机逻辑控制。
系统還利用行程判断楼层，并转化成BCD码输出，通过硬件接口电路以LED显示！
6PLC的选择
电梯的电力驱动系统对电梯的起动加速、是否稳定的速度运行、制动减速起着决定性作用。
驱动系统的好坏直接影响电梯的起动、制动、加减速度、平层精度、乘座的舒适感等指标。
所以我们的PLC 选用德维森科技（深圳）有限公司的 V80 系列，V80 系列 PLC 以其可靠性高、运算速度快、产品成本低和电梯专用客制化服务等优点。
以编制一台 4 层 4 站的电梯为例，先根据控制要求计算所需要的 I/O 接口点数，其中输入点数为 32，输出点数为 24。
选用 V80 系列 PLC 的一个 CPU 单元 M40DR 和一个扩展单元 E16DR 来完成电梯控制系统的逻辑控制。
7I/O分配表
I/O分配表如表4-1所示。
表4-1-1输入按钮
上行1楼呼入信号
X1
下行2楼呼入信号
X13
上行2楼呼入信号
X2
下行3楼呼入信号
X14
上行3楼呼入信号
X3
下行4楼呼入信号
X15
上行4楼呼入信号
X4
楼层限位开关信号F1
X21
下行1楼呼入信号
X12
楼层限位开关信号F2
X22
楼层限位开关信号F3
X23
楼层限位开关信号F5
X25
楼层限位开关信号F4
X24
表4-1-2输出按鈕
上行1楼信号灯
Y0
下行5楼信号灯
Y7
上行2楼信号灯
Y1
LED数字显示a
Y20
上行3楼信号灯
Y2
LED数字显示b
Y21
上行4楼信号灯
Y3
LED数字显示c
Y22
下行2楼信号灯
Y4
LED数字显示d
Y23
下行3楼信号灯
Y5
LED数字显示e
Y24
下行4楼信号灯
Y6
LED数字显示f
Y25
电机正转上行
Y10
LED数字显示g
Y26
电机反转下行
Y12
8硬件接线图
硬件接线图如图所示:
PLC控制程序设计
9PLC控制系统的设计基本原则
1）最大限度的满足被控对象的控制要求。
2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。
3）保证控制系统安全可靠。
4）考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。
2.7.2PLC提供的编程语言
1）标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点；
A.它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。
B.梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。
C.梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。
内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。
D.PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当条件使用。
2）语句表语言，类似于汇编语言。
3）逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能，
9.PLC部分程序梯形图
PLC部分程序梯形图如图所示。
10.系统的调试与操作
1）按下呼叫按钮，电梯在检测到门厅或轿箱的召唤信号后，便会上升到指定楼层。
上升过程中，只执行上行信号，向下信号无效，反之亦然！
2）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。
3）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。
4）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。
四．设计分析与总结
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