PLC电梯控制系统的设计.docx
《PLC电梯控制系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PLC电梯控制系统的设计.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
PLC电梯控制系统的设计
前 言
随着电子技术的发展，当前数字电器系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。
推动该潮流发展的引擎就是日趋进步和完善的PLC设计技术。
目前数字系统的设计可以直接面向用户需求，根据系统的行为和功能的要求，自上而下的完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直接生成器件。
上述设计过程除了系统行为和功能描述以外，其余所有的设计几乎都可以用计算机来自动完成，也就说做到了电器设计自动化这样做可以大大的缩短系统的设计周期，以适应当今品种多、批量小的电子市场的需求。
电器设计自动化的关键技术之一是要求用形式化的方法来描述数字系统的硬件电路，即要用所谓的硬件语言来描述硬件电路。
所谓硬件描述语言及相关的仿真、综合等技术的研究是当今电器设计自动化领域的一个重要课题。
PLC的设计和开发，已经有多种类型和款式。
传统的PLC各有特点，它们适合在现场做手工测量，要完成远程测量并要对测量数据做进一步分析处理，传统PLC是无法完成的。
然而基于PC通信的PLC，既可以完成测量数据的传递，又可借助PC，做测量数据的处理。
所以这种类型的PLC无论在功能和实际应用上，都具有传统PLC无法比拟的特点，这使得它的开发和应用具有良好的前景。
目 录
1.前言
2.电梯控制基本概念
3.电梯控制的组成
4.电梯控制的移动
5.电梯PLC系统的模拟组态
6.货运电梯重量超载的控制
7.总结
8.参考文献
PLC电梯控制的基本概念
电梯控制系统可分为电力拖动系统和电气控制系统两个主要部分。
电力拖动系统主要包括电梯垂直方向主拖动电路和轿箱开关电路。
二者均采用易于控制的直流电动机作为拖动动力源。
主拖动电路采用PWM调试方式，达到了无级调速的目的。
而开关门电路上电机仅需一种速度进行运动。
电气控制系统则由众多呼叫按钮、传感器、控制用继电器、指示灯、LED七段数码管和控制部分的核心器件（PLD）等组成。
PLC集信号采集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。
电梯控制系统原理框图如图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。
电梯控制系统的硬件结构如图2所示。
包括按钮编码输入电路、楼层传感器检测电路、发光二极管记忆灯电路、PWM控制直流电机无线调速电路、轿箱开关电路、楼层显示电路及一些其他辅助电路等。
为减少PLC输入输出点数，采用编码的方式将31个呼叫及指层按钮编码五位二进制码输入PLC
PLC系统的其它设备
1编程设备：
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
2人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
3输入输出设备：
用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
可编程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。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
模块化编程
系统软件大致分为八个模块：
读按钮编码电路模块、楼层检测电路模块、控制七段数码管显示楼层电路模块、电梯选向电路模块和系统非正常工作状态及电机调速拖动电路模块、减速点信号产生电路模块、电梯轿箱开关门电路模块和按钮记忆灯显示电路模块。
楼层检测电路模块主要是读入楼层编码并将该记忆信号存入对应的中间寄存位，直到楼层改变为止。
控制七段数码管显示楼层电路模块主要控制两片七段数码管的显示。
电梯的选向模块主要是完成电梯在响应呼叫时作出的向上运行还是向下运行的判断。
该模块有两个对系统来说特别重要的中间量输出，即上行中间寄存位和下行中间寄存位。
系统正常工作状态及电机调速拖动电路模块将系统初始化过程、强制工作过程及电机调速拖动过程合并为一个模块。
减速点信号产生电路模块完成将减速点信号通知系统的任务。
电梯在运行到目标楼层检测点时要进入减速状态，而电梯在运行过程中会碰到很多的楼层检测点，只有到目标楼层的检测点时才会发出减速通知，电梯在经过目标楼层检测点时接到这个信号就开始减速了。
电梯轿箱开关门电路模块和按钮记忆灯显示电路模块是为了便于控制组成的模块，分别控制轿箱的并关门和按钮接过之后需要记忆显示的发光二极管电路。
系统调试
电梯系统为模拟实用旅客电梯系统的教学实验装置。
它能实现实际旅客电梯系统的绝大部分功能，包括：
门厅召唤功能、轿箱内选层功能、顺向截梯功能、智能呼叫保持功能、电梯自动开关门功能、电梯手动开关门功能、清除无效指令功能、智能初始化功能、消除/检修功能、楼层显示功能和电梯平滑变速功能。
1电梯控制系统组成
电梯控制系统可分为电力拖动系统和电气控制系统两个主要部分。
电力拖动系统主要包括电梯垂直方向主拖动电路和轿箱开关电路。
二者均采用易于控制的直流电动机作为拖动动力源。
主拖动电路采用PWM调试方式，达到了无级调速的目的。
而开关门电路上电机仅需一种速度进行运动。
电气控制系统则由众多呼叫按钮、传感器、控制用继电器、指示灯、LED七段数码管和控制部分的核心器件（PLD）等组成。
PLC集信号采集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。
十层电梯控制系统由呼叫到响应形成一次工作循环，电梯工作过程又可细致分为自检、正常工作、强制工作等三种工作状态。
电梯在三种工作状态之间来回切换，构成了完整的电梯工作过程。
1．1电梯的三个工作状态
1．1．1电梯的自检状态
将程序下载到AB公司的MicroLogix1000型PLC后上电，PLC中的程序已开始运行，但因为电梯尚未读入任何数据，也就无法在收到请求信号后通过固化在PLC中的程序作出响应。
为满足处于响应呼叫就绪状态这一条件，必须使电梯处于平层状态已知楼层且电梯门处于关闭状态。
电梯自检过程的目标为：
为先按下启动按钮，再按下恢复正常工作按钮，电梯首先电梯门处于关闭状态，然后电梯自动向上运行，经过两个平层点后停止。
1．1．2电梯的正常工作状态
电梯完成一个呼叫响应的步骤如下：
①电梯在检测到门厅或轿箱的呼叫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。
②电梯通过拖动调速模块驱动直流电机拖动轿箱运动。
轿箱运动速度要经过低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至减速点。
③当电梯检测到目标层楼层检测点产生的减速点信号时，电梯进入减速状态，由中速变为低速，并以低速运行至平层点停止。
④平层后，经过一定延时后开门，直至碰到开关到位行程开关；再经过一定延时后关门，直到碰到关门到位行程开关。
电梯控制系统始终实时显示轿箱所在楼层。
1．1．3电梯强制工作状态
当电梯的初始位置需要调整或电梯需要检修时，应设置一种状态使电梯处于该状态时不响应正常的呼叫，并能移动到导轨上、下行极限点间的任意位置。
控制台上的消防/检修按钮按下后，使电梯立刻停止原来的运行，然后按下强迫上行（下行）按钮，电梯上行（下行）；一旦放开该按钮，电梯立刻停止，当处理完毕时可用恢复正常工作按钮来使电梯跳出强制工作状态。
1．2电梯控制系统原理框图
电梯控制系统原理框图如图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。
1．3电梯控制系统的硬件组成
电梯控制系统的硬件结构如图2所示。
包括按钮编码输入电路、楼层传感器检测电路、发光二极管记忆灯电路、PWM控制直流电机无线调速电路、轿箱开关电路、楼层显示电路及一些其它辅助电路等。
为减少PLC输入输出点数，采用编码的方式将31个呼叫及指层按钮编码五位二进制码输入PLC。
1．3．1系统输入部分
系统输入部分分为两个部分，一是直接输入到PLC输入口的开关量信号部分，包括：
控制台上的启动按钮、恢复正常工作
按钮、消防/检修按钮、强迫上行（下行）按钮部分以及开关门行程到位开关。
二是按钮编码输入信号部分。
本系统为十层电梯系统，在轿箱内的选层按钮和门厅旁的向上、向下呼叫按钮共有28个之多，采用优先编码的方法将31个按钮信号编为五位二进制码。
这里采用四片8位优先编码器4532和五个四二输入端或门4072组成32级优先编码器。
1．3．2系统输出部分
系统的输出部分包括发光二极管记忆灯电路、PWM控制调速电路、轿箱开关门电路和七段数码管楼层显示电路等。
在PWM控制直流电机无线调速电路中，PWM产生电路接收来自PLC的八位二进制码，随着码值的改变，其输出的脉冲占空比也相应改变。
轿箱开关门电路使用两个继电器、两个行程开关、直流电动机、功率反相器2003等构成控制电路。
在七段数码管楼层显示电路中，七段数据管不经专用驱动芯片驱动而由PLC提供特定的二进制码直接输入。
2系统的软件设计
2．1软件流程
软件流程图如图3和图4所示。
2．2模块化编程
本系统是集选式控制系统，控制比较复杂，适合采用模块化编程方法。
首先要将各个输出信号的属性分类，模块与模块之间的衔接可以用中间寄存位来传递信息。
如：
门厅呼叫电路和轿箱内指层电路均要求读入按钮呼叫信号，并保持至呼叫被响应完成为止。
将门厅呼叫按钮、箱内指层按钮、箱内开关门按钮、报警按钮等通过32级优先编码电路编码后输入PLC，在软件上就形成了读按钮编码电路模块。
系统软件大致分为八个模块：
读按钮编码电路模块、楼层检测电路模块、控制七段数码管显示楼层电路模块、电梯选向电路模块和系统非正常工作状态及电机调速拖动电路模块、减速点信号产生电路模块、电梯轿箱开关门电路模块和按钮记忆灯显示电路模块。
楼层检测电路模块主要是读入楼层编码并将该记忆信号存入对应的中间寄存位，直到楼层改变为止。
控制七段数码管显示楼层电路模块主要控制两片七段数码管的显示。
电梯的选向模块主要是完成电梯在响应呼叫时作出的向上运行还是向下运行的判断。
该模块有两个对系统来说特别重要的中间量输出，即上行中间寄存位和下行中间寄存位。
系统正正常工作状态及电机调速拖动电路模块将系统初始化过程、强制工作过程及电机调速拖动过程合并为一个模块。
减速点信号产生电路模块完成将减速点信号通知系统的任务。
电梯在运行到目标楼层检测点时要进入减速状态，而电梯在运行过程中会碰到很多的楼层检测点，只有到目标楼层的检测点时才会发出减速通知，电梯在经过目标楼层检测点时接到这个信号就开始减速了。
电梯轿箱开关门电路模块和按钮记忆灯显示电路模块是为了便于控制组成的模块，分别控制轿箱的并关门和按钮接过之后需要记忆显示的发光二极管电路。
2．3系统调试
电梯系统为模拟实用旅客电梯系统的教学实验装置。
它能实现实际旅客电梯系统的绝大部分功能，包括：
门厅召唤功能、轿箱内选层功能、顺向截梯功能、智能呼叫保持功能、电梯自动开关门功能、电梯手动开关门功能、清除无效指令功能、智能初始化功能、消除/检修功能、楼层显示功能和电梯平滑变速功能。
虽然本电梯控制系统已能满足基本的电梯运行要求，但仍有许多需要改进的地方：
（1）增加与微机通信的接口，实现联网控制，多台电梯的综合控制由微机完成。
（2）优化电梯的选向功能，使之能随客流量的变化而改变，达到高效运送乘客的目的。
（3）增加出现紧急情况时的电梯处理办法。
（4）需输入密码才能乘电梯到达特殊档层功能，且响应该楼层呼叫时不响应其它楼层呼叫。
（5）设置电容感应装置，如关门时仍有乘客进出，则轿门未触及人体就能自动重新开门。
电梯的移动
本文设计采用PLC和变频器实现电梯常规控制的基础上，利用旋转编码器发出的脉冲信号构成位置反馈，实现电梯的精确位移控制。
通过PLC程序设计实现楼层计数、换速信号、门区和平层信号的数字控制，取代井道位置检测装置，提高了系统的可靠性和平层精度。
1 随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，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。
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（PLC）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；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活。
本设计在用PLC控制变频调速实现电流、速度双闭环的基础上，在不增加硬件设备的条件下，实现电流、速度、位移三环控制。
2 硬件电路
系统硬件结构图如图1所示，其各部分功能说明如下。
Q1——三相电源断路图 K1——电源控制接触器 K2——负载电机通断控制接触器
VS——变频器 BU——制动单元 RB——能耗制动电阻 M——主拖动曳引电机
2.1主电路
主电路由三相交流输入、变频驱动、曳引机和制动单元几部分组成。
由于采用交-直-交电压型变频器，在电梯位势负载作用下，制动时回馈的能量不能馈送回电网，为限制泵升电压，采用受控能耗制动方式。
2.2PLC控制电路
选用OMRON公司C系列60P型PLC。
PLC接收来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。
PLC在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和制动停梯等信号。
2.3电流、速度双闭环电路
采用YASAKWA公司的VS-616G5CIMRG5A4022变频器。
变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环；通过和电机同轴联接的旋转编码器，产生a、b两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时，利用脉冲计数构成速度闭环。
2.4位移控制电路
电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停靠准确。
采用变频调速双环控制可基本满足要求，但和国外高性能电梯相比还需进一步改进。
本设计正是基于这一想法，利用现有旋转编码器构成速度环的同时，通过变频器的PG卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入PLC的高速计数输入端口0000，通过累计脉冲数，经世式
（1）计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。
电梯位移
h=SI 式中I——累计脉冲数 S——脉冲当量 S=lpD/（pr）
（1）
本系统采用的减速机，其减速比l=1/32，曳引轮直径D=580mm，电机额定转速ned=1450r/min，旋转编码器每转对应的脉冲数p=1024，PG卡分频比r=1/18，代入式
（1）得 S=1.0mm/脉冲
3程序设计
利用变频器PG卡输出端（TA2.1）将脉冲信号引入PLC的高速计数输入端0000，构成位置反馈。
高速计数器（CNT47）累加的脉冲数反映电梯的位置。
高速计数器的值不断地与各信号点对应的脉冲数进行比较，由此判断电梯的运行距离、换速点、平层电和制动停车点等信号。
理论上这种控制方式其平层误差可在±1个脉冲当量范围。
在考虑减速机齿轮啮合间隙等机械因素情况下，电梯的平层精度可达±5mm内，大大低于国标±15mm的标准，满足电梯起制动平滑，运行平稳，平层准确的要求。
电梯在运行过程中，通过位置信号检测，软件实时计算以下位置信号：
电梯所在楼层位置、快速换速点、中速换速点、门区信号和平层位置信号等。
由此省去原来每层在井道中设置的上述信号检测装置，大大减少井道检测元件和信号连线，降低成本。
下面针对在实现集选控制基础上新增添的楼层计数、快速换速、中速换速、门区和平层信号5个子程序进行介绍。
3.1楼层计数
本设计采用相对计数方式。
运行前通过自学习方式，测出相应楼层高度脉冲数，对应5层电梯分别存入16个内存单元DM06~DM21。
楼层计数器（CNT46）为一双向计数器，当到达各层的楼层计数点时，根据运行方向进行加1或减1计数。
楼层计数程序流程图如图2所示。
运行中，高速计数器累计值实时与楼层计数点对应的脉冲数进行比较，相等时发出楼层计数信号，上行加1，下行减1。
为防止计数器在计数脉冲高电平期间重复计数，采用楼层计数信号上沿触发楼层计数器。
3.2快速换速
当高速计数器值与快速换速点对应的脉冲数相等时，若电梯处于快速运行且本层有选层信号，发快速换速信号。
若电梯中速运行或虽快速运行但本层无选层信号，则不发换速信号。
程序流程图图3所示。
中速换速与快速换速判断方法类似，不再重复
。
3.3门区信号
当高速计数器CNT47数值在门区所对应脉冲数范围内时，发门区信号。
程序流程图如图4所示。
平层信号与区信号判断方法类似，不再重复。
3.4脉冲信号故障检测
脉冲信号的准确采集和传输在本系统中显得尤为重要，为检测旋转编码器和脉冲传输电路故障，设计了有无脉冲信号和错漏脉冲检测电路，通过实时检测确保系统正常运行。
为消除脉冲计数累计误差，在基站设置复位开关，接入PLC高速计数器CNT47的复位端0001。
3.5快速换速工作原理
限于篇幅，本文仅对快速换速工作原理进行介绍，梯形图如图5所示。
图中数据存储单元DM01为快速换速距离脉冲数，DM30为楼层间距脉冲数，DM31为快速换速点对应的脉冲数，DM34为高速换速比较区间下限，DM35为高速换速比较区间上限，HR01为快速换速点开始信号，1507为快速运行信号，1700为选层信号，0010为零速信号，0503为快速换速输出信号。
以上行为例，DM31快速换速点对应的脉冲数是楼层间距DM30与快速换速举例DM01之差；DM31和DM30的值分别赋给DM34和DM35。
运行时高速计数器不断累加脉冲数，每个扫描周期计数器的值与DM34~DM35区段进行比较。
当其值进入DM34与DM35区段时，HR01置位，表示进入快速换速区间；若此时有选层信号且电梯为快速运行，则发快速换速信号（0503置ON）。
4 本文所述系统基于电气集选控制原则，采用脉冲计数方法，用脉冲编码器取代井道中原有的位置检测装置，实现位移控制，用软件代替部分硬件功能，既降低系统成本，又提高了系统的可靠性和安全性，实现电梯的全数字化控制。
在实验室调试的基础上，采用上述方法，实地对两台17层电梯进行改造，经有关部门检测和近一年的实际运行表明，系统运行可靠，乘坐舒适，故障率大为降低，平层精度在±5mm以内，取得了良好的运行效果。
电梯PLC控制系统的组态模拟设计
电梯PLC控制系统设计
因篇幅有限。
仅将电梯指示及上下行程序列出说明。
1楼层状态指示设计
当电梯运行至某层有指令发出时．指示位置及指令。
以二层为例：
LDtwoselet 二层内选掸
Stwoseletq，1 二层内选择指示
LDtwoup 二层上呼
Stwoupq，1 二层上呼指示
LJ）twodown 二层下呼
Stwodownq，1 二层下呼指示
LDtwoseat 二层位置
=twoeeatq 二层位置指示
2电梯下行程序设计
以电梯在三层下行情况为例。
当电梯的一或二层有指令时，将三层下行位置1 同时无上行，驱动电梯下行。
程序说明如下：
电棒在三晨时下行情况
LDoneseletq 一层内选择
0twmeletq 或二层内选择
Ooneupq 或一层上呼
0twodownq 或二层下呼
OtWoup_q 或二层上呼
A畦I州eseatq 在三层位置时
SV0.1.1 置三层下行位
电椿下行
LDV0.0 有四层下行位
OV0.1 或有三层下行位
OV0.2 或有二层下行位
ANup 同时无上行
=down 电梯下行
货运电梯的超载保护
货运电梯的超载一般分为重量超载和体积超载二种。
重量超载又分两种，一种我们日常所说的一次性装入货运电梯的货物大于货运电梯的额定载重量；另一种是一次性装入货运电梯的货物并未大于货运电梯的额定载重量，而是其重量在电梯轿厢内分布不均匀，使电梯固有载重能力下降造成的重量超载。
体积超载也分两种，一种是一次性装入货运电梯的货物体积大于货运电梯轿厢容积的超载；另一种是一次性装入货运电梯的货物体积并未大于货运电梯轿厢的容积，而是某一次装运的货物不慎超过货运电梯轿厢的容积与电梯发生的碰撞。
为了预防货地运电梯的超载，我国法律规定，货运电梯必须有经过专业培训的电梯驾驶员操作，目的就是靠“人”来控制、来管理、来保证货运电梯的安全运行，而人为因素的多样性、波动性，很难永保货运电梯的安全运行。
如：
货运电梯的不规范装载有多种多样，有时很难靠人来判断，容易造成误判断，即便是驾驶员知道有些不规范的装载，出于熟人的情面不好意思阻止，而不按规范操作电梯等等。
通过在货运电梯电控系统中加装超载保护的智能控制，对消除电梯操作人员违章行为，规范使用电梯的生产作业人员的行为习惯，以及预防误操作，都具有较好的实用价值。
1 货运电梯重量超载的控制
1.1 货运电梯重量超载的概述
在国内，货运电梯一般都不设重量超载保护，其重量是否超载完全是靠驾驶员来判断、来询问获得，因为货运电梯的有效载重面积较大，轿底要承载较大的负荷，为保证轿底载重的刚性，货运电梯的轿底都采用钢结构“死”轿底，因此，货运电梯不能象客运电梯那样通过双轿底机构来实现称重，加上固定轿底式电梯轿厢的重量，不仅随轿厢内的载重量的变化而变化，而且，还与电梯停靠层站位置有关。
因为，电梯底托的电缆、平衡系数补偿铁链、曳引钢丝绳等动态的重量随时变化，这变化随着楼层越高变化越大，因此，货运电梯一般不设重量超载自动保护。
因此，电梯一旦发生重量超载事故，轻者会加速设备的机械部件的损坏或轿厢的变形和停靠层站的平整度；重者会因其坠落的强大震动对乘在电梯中的人和装载在电梯里的货物产生严重的安全威胁，货物因震动造成的倾倒或移位，直接会造成货物的损坏或压伤作业人员。
再者，电梯一旦发生超载事故，其破坏程度较大，抢修的时间也是较长的，少则几小时，多则要几天，这将使电梯无法正常工作而影响生产。
它不仅增加了设备的维修成本，同时也加速了设备性能的劣化。
为此，在货运电梯上加装重量超载装置很有必要。
况且，随着传感器，电控手段的不断完善，实现货运电梯重量超载的保护已成为可能。
升级会员 