层四电梯plc课程设计.docx
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层四电梯plc课程设计
大连海洋大学
职业技术学院
四层电梯PLC课程设计
2012年12月
目录…………………………………………………………………………Ⅰ
摘要…………………………………………………………………………II
第一章PLC简要……………………………………………………………1
1.1PLC特点…………………………………………………………………………1
1.2PLC硬件结构……………………………………………………………………2
1.3PLC工作原理……………………………………………………………………4
第二章PLC基本指令………………………………………………………4
2.1输入输出指令……………………………………………………………………4
2.2逻辑操作指令……………………………………………………………………4
2.3块逻辑操作指令…………………………………………………………………4
2.4堆栈指令…………………………………………………………………………4
2.5微分指令…………………………………………………………………………5
2.6置位、复位指令…………………………………………………………………5
2.7保持指令…………………………………………………………………………5
2.8定时器指令………………………………………………………………………5
2.9计数器指令………………………………………………………………………5
第三章电梯内容简介…………………………………………………………6
3.1电梯控制系统组成………………………………………………………………6
3.2电梯PLC控制系统结构…………………………………………………………6
3.1系统设计…………………………………………………………………………7
3.1电梯模型PLC控制系统设计……………………………………………………7
第四章系统配置与软件设计………………………………………………9
4.1FPΣ的简单介绍…………………………………………………………………9
4.1电梯电机系统的设计……………………………………………………………9
4.1电梯模型PLC控制系统………………………………………………………10
4.1PLC程序功能图…………………………………………………………………12
4.1PLC指令表………………………………………………………………………16
第五章电梯PLC的调试与安装……………………………………………18
致谢…………………………………………………………………………20
参考文献……………………………………………………………………21
附录…………………………………………………………………………22
摘要
本文通过松下电工产品FPΣ型PLC在四层模型电梯中的应用，向大家介绍了电梯控制的程序设计。
通过编程控制电梯，电机何时起动、换速以及电机的转向是由PLC根据电梯的呼梯、减速等信号做出决策，发出控制信号给变频器，变频器按理想速度曲线以通过控制异步电动机转速实现电梯调速。
这种方式大大改善了电梯舒适感和平层精度，提高了电梯的性能。
关键词：
FPΣ,PLC,电梯电机变频调速系统
第一章PLC简要
一、PLC的特点
1.软硬件功能强
在硬件方面，PLC选用幼稚期间，采用合理的系统结构加固并简化安装，使他能抗震动冲击。
对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施。
对在工业生产过程中最常见的瞬间干扰，采取了隔离和滤波措施。
在软件方面，PLC也采取了很多特殊措施，比如设置了“看门狗”—WDT（WatchingDogTimer），系统运行时对WDT定是刷新，程序一旦出现死循环，能立即跳出，重新启动形同并发出报警信号；还设置了故障检测及诊断程序，用以检测系统硬件是否正常、用回程序是否正确，便于自动地作出相应的处理，如报警、封锁输出、保护数据等。
2.使用维护方便
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，并有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC的故障率低，并有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或变成器提供给的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
3.运行稳定可靠
传统的继电器控制系统使用的大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，系统容易出现故障。
PLC用软件代替了大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量元件，接线可以减少到继电器控制系统十分之一到百分之一，大大减少了由触点接触不良造成的故障。
4设计施工周期短
用PLC完成一项控制工程，由于其硬、软件齐全，所有设计和施工可同时进行。
由于PLC用软件编程取代了继电器用接线实现的控制功能，使得继电器控制柜的设计及安装接线的工作量大为减少，缩短了施工周期。
同时，由于用户程序大都可以在实验室里进行调试，调试无误后，再将PLC控制系统在生产现场进行联机统调，使得设计方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和施工周期。
二、PLC硬件结构
PLC的结构组成如图1.1所示。
PLC主要有中央处理单元（CPU）、存储器、I/O接口电路、电源I/O拓展接口、外部设备接口等组成，其内部采用总线结构进行数据和指令的传输；外部的各种信号接到PLC的输入接口，在PLC内部进行逻辑运算或数据处理，最后以输出变量的形式经输出接口驱动输出设备来进行各种控制。
1.中央处理单元
中央处理单元简称CPU（CentralProcessingUnit）,主要由控制电路、运算和寄存器等部分组成，是PLC的运算和控制中心。
PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器。
通用微处理器常用的是8位或16位的，如Z80A、8085、8086、M68000等；单片机是将CPU、存储器和I/O接口继承在一起，因此性价比较高，多为中小型PLC所采用，常用的单片机有8051、8098等；双极型位片式微处理器的特点是运算速度快，以4位为一片，可以多片级联组成任意字长的微处理器，因此多为大型PLC所采用，常用的双极型位片式微处理器有AM2900、AM2901、AM2903等。
目前，PLC的位数多为8位或16位，高档机已采用32位，甚至更高位数。
2.存储器
存储器的功能是存放程序和数据，课分为系统程序存储器和用户程序存储器两大类。
（1）系统程序存储器。
用来存放管理程序、监控程序以及内部数据，由PLC生产厂家设计提供，用户不能更改。
（2）用户程序存储器。
主要存放用户已编写好或正在调试的应用程序。
存放在RAM中的用户程序可方便地修改。
3.I/O接口电路
I/O接口电路的作用是将输入信号转换成CPU能够接受和处理的信号，并将CPU输出的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号，而且能有效地抑制干扰，起到的隔离外部电路作用。
（1）输入接口电路。
输入接口电路由光电耦合、输入电路和微处理器输入接口电路组成。
光电耦合输入电路的作用是隔离输入信号，防止现场的强电干扰进入计算机，对交流输入信号采用变压器或继电器隔离，有的还用滤波环节来增强抗干扰性能。
各种PLC的输入电路大都相同，通常有直流输入电路、交流输入电路两种。
直流输入电路的电源有外部直流电源和PLC内部电源，当直流输入电源作为PLC内部的直流电源时，又称为干接触式。
交流输入电路必须外加电源。
图如1.2为PLC输入接口电路原理图。
（2）输出接口电路。
输出接口电路有继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出接口电路3种。
其中继电器输出型接口电路为有触点的输出接口电路，可用于驱动直流或低频交流负载；晶体管输出型接口电路和晶闸管输出型接口电路都是无触点的输出，前者用于驱动高速、小功率的直流负载，后者用于驱动高速、大功率的交流负载。
图1.3为3中输入形式的输出接口电路。
4．电源
在PLC中，为避免电源间相互干扰，输入与输出接口电路的电源应彼此相互独立。
小型PLC的电源往往同它的CPU单元合为一体，大中型PLC都设有专门的电源单元。
直流电源常采用开关稳压电源，因其稳压性能好、抗干扰能力强，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可以为输入设备提供标准电源。
5．I/O扩展接口
当主机（基本单元）的I/O点数不能满足输入和输出设备的点数需要时，可通过I/O扩展接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机相连以增加I/O点数。
A/D、D/A单元也通过该接口与主机相连。
6．编程器
编程器是PLC的重要的外围设备。
利用编程器能将用户程序送入PLC的存储器，还可以检查、修改程序，并监视PLC的工作状态的工作状态。
编程器一般分简易型和智能型编程器两类，小型PLC常用简易编程器，大中型PLC多用智能型编程器。
现在普遍采用计算机作为编程器，在计算机内安装装用编程软件，即可对PLC编程控制程序并显示梯形图或语句指令，非常方便，因此计算机得到广泛应用。
7．外部设备接口
外部设备接口是指在主机外壳上与外壳设备配接的插座。
通过电缆可配接编程器、计算机、打印机、EPROM写入器、条码判读器等设备。
三、PLC工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，即从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序，直至遇到结束符则完成一次扫描，然后再返回第一条指令，开始新一轮扫描，这样周而复始地反复运行。
PLC运行一次扫描循环所用的时间成为扫描周期，通常一个扫描周期约为几十毫秒。
影响扫描周期的主要因素：
一是CPU执行指令的速度；二是CPU执行每条指令所占用的时间；三是程序中指令的条数。
PLC的一个扫描周期可分为输入采样、程序执行和输出处理三个阶段。
实际上，在每个扫描周期内CPU除了执行用户程序外，还要进行系统自诊断和处理通信请求，并及时接受外来的控制命令，以提高PLC工作的可靠性，但所占用时间很短。
第二章PLC的基本指令系统
一、输入输出指令
ST加载指令常开触点与左母线相连。
开始逻辑运算。
另外，在分支节点处也可使用。
ST/加载非指令常闭触点与做母线相连，开始逻辑运算，其他同上。
OT输出指令将逻辑运算结果输出到指令的继电器，是继电器线圈的驱动指令。
/非指令将该指令处的运算结果取反。
、
二、逻辑操作指令
AN与指令串联一个敞开触点。
AN/与非指令串联一个常闭触点。
OR或指令并联一个常开触点。
OR/或非指令并联一个常闭触点。
三、块逻辑操作指令
ANS组与指令执行多指令块的“与”操作，即实现触点组和触点组的串联。
ORS组或指令执行多指令块的“或”操作，即实现触点组和触点组的并联。
四、堆栈指令
PSHS推入堆栈指令将该指令处以前的操作结果存储起来。
RDS读出堆栈指令读出由PSHS指令存储的操作结果。
POPS弹出堆栈指令读出并清除PSHS指令存储的操作结果。
五、微分指令
DF上升沿微分指令当检测触发信号上升沿时，则使指定的继电器接通一个扫描周期。
DF/下降沿微分指令当检测触发信号的下降沿时，则使制定的继电器接通一个扫描周期。
六、置位、复位指令
SET置位指令保持输出继电器Y和内部继电器R的触点为接通状态。
RST复位指令保持输出继电器Y和内部继电器R的触点为断开状态。
七、保持指令
KP保持指令使输出继电器（Y或R）接通并保持。
八、定时器指令
TMR、TMX、TMY。
九、计数器指令
CT计数器时一个递减计数型的预置计数器，其功能为：
计算输入的脉冲个数，每来一个脉冲的上升沿，计数器的预置值减1，当预置值减为0时，计数器导通，其对应的常开触点接通，常闭触点断开。
第三章电梯内容简介
一、电梯控制系统的组成
电梯控制系统主要由电力拖动部分和电气控制部分组成。
1.1电力拖动
电力拖动部分由拽引电机、抱闸和相应的开关电路以及开门机组成。
由于我们使用的是教学模型，梯速低，所以只要能实现电机的正反转即可，而不必考虑电机的机械特性。
制动时为满足准确停层的需要，定子回路可接入电抗器减速最后再加上抱闸制动。
1.2电气控制
电气控制部分又称控制电路，它是电梯控制系统的核心。
它包含两部分：
拖动控制电路和信号控制电路。
拖动控制电路有多种：
接触器线圈及其相关的控制，电力电子器件的门极控制电路信号控制电路与拖动的方式没有必然关系，主要与程序能够实现的功能有直接的关系。
因此，不同的拖动方式的电梯可以采用同一信号控制电路。
PLC系统部分
完成所设定的控制任务所需要的PLC规模主要取决于控制系统对输入，输出点的需求量和控制过程的难易程度。
I／O点的估算：
系统的输入点有：
门厅召唤按钮6个输入点；轿内指令按钮4个点；楼层感应器4个点；门区感应l点；手动开门l点：
共计输入点16点。
而输出点有：
快慢速接触器2点；上下行接触器2点；楼层指示灯4点；门锁1个点；共计输出点9点。
总计I／O点数为16／9.综上所述，根据具体情况，我们选择三菱的FX系列。
输入输出点数为34点，电机20点，考虑实际，我们选择FX2C-64MR这种型号。
二、电梯PLC控制系统的基本结构
系统控制核心为plc主机，通过plc输入接口送入plc.由存储器的plc软件运算处理，然后经输出接口分别向指层器及召唤指示灯等发出显示信号，向主拖动系统发出控制信号。
三、系统设计
电梯PLC控制方案
电梯PLC控制系统的控制核心是PLC。
哪些信号需要输入PLC，PLC要驱动哪些负载，以及采用何种编程方式。
输入输出点的确定，是设计整个控制系统的首要问题，决定系统的程序及线路设计方案。
由信号输入、控制电梯的PLC编程、步进电机控制3大部分组成。
模块的面板如图所示
4层电梯模块面板
基本控制原理：
编制PLC控制程序#对楼层的呼叫信号、平层信号作出停止、升/降判断，然后将信号传送到单片机，调用单片机的正反转、停止控制程序#再由单片机输出回路的励磁信号经放大驱动步进电机，带动皮带使桥厢上、下移动，完成电梯的模拟运行。
四、电梯模型PLC控制系统设计
4.1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。
4.2PLC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
4.3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。
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。
第四章系统配置与软件设计
一、FPΣ的简单介绍
松下电工FPΣ是松下新推出的小型PLC，它代表了当今世界PLC的发展水平。
由于它采用了RIS的CPU芯片，提高了处理速度，使基本指令的运行速度提高到了0.4μs/步，程序存储容量高达12千步。
它除采用周期循环扫描方式外，多条指令采用终端控制方式工作，使紧急任务可得到及时处理，为实现多任务调度与管理提供了方便。
此外，FPΣ还可实现高达100kHz的梯形加减速控制，能够控制步进电机和伺服电机；PID控制己指令化，可进行自整定，实现简便、高性能控制；单相和双相的高速计数器功能频率可高达50kHz，脉冲输入功能可高达100kHz。
FPΣ体积小，功能很大，12K的编程容量使得在编程时拥有足够的存储空间。
另外，数据寄存器的容量为32K，能够处理大量的数据编译和重复操作。
二、电梯电机系统的设计
1、四层电梯电气控制系统的概述
此电梯控制系统的硬件分为调速部分、逻辑控制部分、速度反馈部分。
调速部分的性能对电梯运行时乘客的舒适感有着重要影响，而逻辑控制部分是电梯安全可靠运行的关键。
松下系列PLC如FP0、FP-Σ具有PWM输出指令，可直接控制变频器的启动、停止、多段速度运行等。
又由于变频器有良好的调整特性，能增加调速系统的智能程度（具有可设置的多种速度、过渡过程等）、节省开支、减少电气容量、提高功率因数等。
变频器应用于电梯控制系统中的调速部分是现行工程中发展的方向。
电梯控制的I/O分配图
2、四层电梯控制系统变频调速部分的设计
电梯调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，它的舒适度指标往往是竞争的一项重要内容。
全数字控制的变频调速系统已经用于电梯控制，在降低振动及噪声等方面采取了一系列措施，如互锁时间的补偿、开关频率的提高（超过10KHZ）等。
变频器通过编程控制电梯，变频电机按图1和表1所示的理想曲线运行，而电机何时启动换速以及电机的转向是由PLC根据电梯呼梯、减速等信号做出决策，发出控制信号给变频器，变频器按理想速度曲线控制电梯运行。
电梯的拖动系统为VVVF（变频变压）拖动方式，这大大改善了电梯舒适感和平层精度，提高了电梯的性能。
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
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
表1、电梯控制的I/O分配表
三、电梯模型PLC控制系统
1、PLC的编程工作方式
不同类型的PLC都有相应的编辑器，但是编程原理大同小异。
程序编辑和调试操作过程如图2所示，F系列PLC基本单元有运行和停止两种模式。
编程时基本单元置于停止模式；而PLC系统处于工作运行或对程序执行情况监视时，基本单元（主机）应置于运行模式。
有的PLC，不把其公共端子COM和运行端子RUN连接起来，就是停止模式，即相当于把基本单元置于STOP位置。
编程时，必须使主机处于停止模式，同时把编程器置于“PROGRAM”编程位置。
2、电梯模型的控制要求
四层电梯：
轿厢内有四个层选开关，开门、关门开关，一、四楼各有一个层选开关，二、三楼各有两个层选开关，另有四个平层开关、两个轿厢行程限位开关、两个轿厢门行程开关。
方向优先原则：
当电梯正在运行时，轿厢两侧都有呼叫信号，优先响应与运动方向相同的呼叫信号，存储与运动方向相反的呼叫信号，待电梯反向运行时，再依次响应反方向的呼叫信号。
时间优先原则：
当电梯停于某一层时，轿厢两侧都有呼叫信号，优先响应先按的外部呼叫信号。
内呼优先外呼原则：
当电梯停于某一层时，优先响应内部呼叫，应，再响应外部呼叫。
楼层的外呼开关也是开门开关，到达呼叫楼层后自动开门5秒，然后自动关门。
总开关打开时可执行上述功能；关闭时，不响应新的呼叫（无论内呼、外呼），在响应完当前呼叫信号后回到一楼。
3、程序说明
此处为程序的开关门限制时间，当电梯到达指定楼层后接触到行程开关自动响应开门信号，Y8接通，电梯开门，门打开之后有5秒的开门等待时间，当定时器5秒后Y7接通自动关门，门完全关闭后关门限位XC自动显示关门信号。
当电梯外有人发出呼叫信号后，电梯随即响应并到达指定楼层。
X0、X1、X2、X3分别为电梯四、三、二、一的外呼信号，当X0响应时，电梯到达一层自动开门，然后关门到达指定的楼层，经过数码管显示给电梯内部的人看，以防坐错楼层。
电梯轿厢运行趋势确定后，只要有任何内、外呼梯信号，电梯运行方向就应该显示出来，并且电梯轿厢门关闭，那么电梯就可以上下运行了。
运行方向的控制程序如下图所示，电梯按其响应趋势来控制电梯的上下行，当遇到上限位或下限位、电梯门开等均应该停止运行。
电梯具有平层限位的能力，当电梯到达某一层时电梯门会自动打开或关闭，此时，一、二、三、四层的开关按钮R1、R2、R3、R4会根据每层的需要做出相应的选择。
外呼梯信号的锁定与清除：
只要某一楼层有外呼梯信号，那么该呼梯信号就需要被锁定。
当电梯运行方向与呼梯方向相同，那么就需要响应该信号；如果运行方向与呼梯信号相反，那么就需要等待电梯轿厢运行回来再响应呼梯信号。
如果电梯轿厢在运行过程中有多个反方向呼梯信号同时存在，例如在电梯向上运行的过程中同时存在有2层向下呼梯信号、3层向下呼梯信号、4层向下呼梯信号，那么就要优先响应最远的反方向呼梯信号，即4层向下呼梯信号，然后电梯轿厢转为向下运行，依次响应
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