工程施工电梯升降的控制.docx
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工程施工电梯升降的控制
1引言
随着科学技术的发展、近年来，我国的电梯生产技术得到了迅速发展．一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。
更新换代生产更新型的电梯，电梯主要分为机械系统与控制系统两大部份，随着自动控制理论与微电子技术的发展，电梯的拖动方式与控制手段均发生了很大的变化，交流调速是当前电梯拖动的主要发展方向。
目前电梯控制系统主要有三种控制方式：
继电路控制系统（“早期安装的电梯多位继电器控制系统）、PLC控制系统、微机控制系统。
继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。
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,设计和调试周期较短等优点，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，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造。
[1][2][3][11]
目前国内七八十年代安装的许多电梯电气部分用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，许多已处于闲置状态，其拽引系统多采用交流双速电机系统换速，效率低，调速性能指标较差，严重影响电梯运行质量。
由于这些电梯交流调压调速系统，交流双速电机拖动系统性能及乘坐舒适感较差，交流调压调速系统属能耗型调速的机械部分无大问题，为节约资金，大部分老式电梯用户希望对电梯的电气控制系统进行改造，提高电梯的运行性能。
因此对电梯控制技术进行研究，寻找适合我国老式电梯的改造方法具有十分重要的意义。
[4][5][13]
电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的工作和生活日益紧密联系。
PLC作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，从而使电梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和技术改造的热点之一。
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。
自80年代后期PLC引入我国电梯行业以来，由PLC组成的电梯控制系统被许多电梯制造厂家普遍采用。
并形成了一系列的定型产品。
在传统继电器系统的改造工程中，PLC系统一直是主流控制系统。
[6][12]
电梯控制系统分为调速部分和逻辑控制部分。
调速部分的性能对电梯运行是乘客的舒适感有着重要影响，而逻辑控制部分则是电梯安全可靠运行的关键。
为了改善电梯的舒适感和运行的可靠性，现在都改为用PLC来控制电梯的运行，这样大大提高了电梯的性能。
可编程控制器（ProgrammableLogiccontroller，简称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。
它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的三大支柱之一。
[5][9]
所以，综上所述，本设计就以PLC作为工具对升降电梯的各种操作进行控制。
我打算先对四层电梯的硬件部分作分析，看需要什么样的开关，电机，信号灯等。
然后，画出它的控制面板图，再根据控制面板图估计一下I/O点数，这样可以确定所选机型，然后在软件设计，写出流程图，梯形图，写出语句。
最后是进行调试，看看此程序是否可行。
下面就是详细介绍PLC的特点及整个设计过程。
2综述
2.1可编程控制器的由来与发展
第一台可编程控制器的设计规范是美国通用公司提出的。
当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、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、维修方便等诸多高品质与功能。
这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。
第一台PLC具有模块化、可扩充、可重编程及用于工业环境的特性。
这些控制器易于安装，占用空间小，可重复使用。
尽管控制器编程有些琐碎，但它具有公共的工厂标准—梯形图编程语言，这样使得不熟悉计算机的人也能方便的使用它。
在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。
到70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。
70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。
在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、闭环控制、提高了运算速度，扩大了输入输出规模。
在这个时期，日本、西德（原）和法国相继研制出了自己的PLC，我国在1974年也开始研制。
70年代由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。
这是面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。
在功能上，PLC可以代替某些模拟控制装置和小型机DDC系统。
进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产生，可诊断自身故障及机器故障。
这些改进使PLC符合今天对高质量高产出的要求。
尽管PLC功能越来越强，但他仍然保留了先前的简单与易于使用的特点。
[5]
2.2可编程控制器（PLC）的特点
2.2.1硬件的可靠性
PLC是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的，一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。
在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简化安装，使它易于抗振动冲击，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，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。
例如，在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，用提高了抗干扰性能；各个I/O端口都除采用了常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了较合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。
由于PLC本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上。
2.2.2编程简单，使用方便
用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。
PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。
例如，目前打多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。
这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，这是微不足道的。
2.2.3接线简单，通用性好
PLC的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与PLC输出端子连接。
接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。
PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。
这种性能使PLC具有很高的经济效益。
用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于是用。
2.2.4可连接为控制网络系统
PLC可连成功能很强的网络系统。
网络可分为两类：
一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为500—2500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M—10Mbps，传输距离为500—1000m，网上结点可达1024个。
这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。
2.2.5易于安装，便于维护
PLC安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到PLC系统的情况下，PLC小的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。
在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。
长距离站通过同轴电缆获双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。
从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。
由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示器是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。
PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。
一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。
[5]
2.3PLC的工作原理
PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式。
PLC则采用循环扫描工作方式。
在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。
如此周而不断循环。
每一个循环称为一个扫描周期。
一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段。
所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。
这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O（输出）刷新”。
由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出队输入产生了响应。
反之，若在本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。
由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。
扫描周期的长短主要取决于这几个因数：
一是CPU执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。
对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。
因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。
但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就需慎重考虑。
应对响应时间作出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。
[5]
2.4PLC的编程语言
PLC提供了较完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。
利用编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬接线线路，这就是所谓的“可编程序”。
程序由编程器送到PLC内部的存储器中，它也能方便地读出、检查与修改。
PLC提供的编程语言通常由三种：
梯形图、功能图、及布尔逻辑编程。
梯形图（LadderProgramming）是应用最广的，梯形图编程有时称为继电器梯形图逻辑图编程。
它使用的最广是因为它和以往的继电器控制线路很接近。
梯形图是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的，它与电气操作原理相呼应。
它的最大优点是形象、直观和实用，为广大电气技术人员所熟知。
PLC的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。
PLC的梯形图使用的时内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的，其主要特点为使用方便、修改灵活。
功能图编程（FunctionChartProgramming）是一种较新的编程方法。
它的作用使用功能图来表达一个顺序控制过程。
布尔逻辑编程（BooleanLogicProgramming）包括“与”（AND）、或（OR）、非（NOT）以及定时器、计数器、触发器等。
每一种编程方法都有它的优点和缺点，根据每一种特殊的控制要求，根据编程者的熟练程度正确合理应用编程方法。
[5]
3可编程控制器的机型选择
3.1可编程控制器控制系统的I/O点数估算
3.1.1控制电磁阀等所需的I/O点数
有电磁阀的动作原理可知，一个单线圈电磁阀用可编程控制器时需两个输入及一个输出；一个双线圈电磁阀需三个输入及两个输出；一个比例式电磁阀需三个输入及五个输出。
一个按钮需一个输入；一个光电开关要占用一个或两个输入点；一个信号占用一个输出点；而波段开关，有几个波段就占用几个输入点；一般情况，各种位置开关都要占用两个输入点。
根据上面所述原理分析，本设计用到十个按钮，需要十个输入点。
四个位置按钮，需要八个输入点。
十六个信号灯，需要十六个输出点。
3.1.2控制交流电机所需的I/O点数
根据具体情况，本设计可以不用到交流电机，所以，可以不算上交流电机的I/O点数。
3.1.3控制直流电动机所需的I/O点数
本设计是对电梯的控制，所以，我们根据情况可知，要控制电梯的上升和下降，需要一个可逆运行的直流电机。
这样，我们需要九个输入点和六个输出点。
[5][7][8][9]
3.2内存估计
用户程序所需内存容量要受到下面几个因素的影响：
内存利用率；开关量输入输出点数；模拟量输入输出点数；用户的编程水平。
3.2.1内存利用率
我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为利用率。
3.2.2开关量输入输出的点数
一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为6：
4。
这方面的经验公司是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。
所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数*10
3.2.3模拟量输入输出的总点数
只有模拟量输入时：
内存字数=模拟量点数*100
模拟量输入输出同时存在：
内存拟量字数*200
3.2.4程序编写质量
经验计算公式：
总存储器字数=（开关量输入点数+开关量输出点数）*10+模拟量点数*150。
然后按计算存储器字数的25%考虑裕量。
[5][7][8][9]
3.3响应时间
可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠的接收持续时间小于扫描周期的输入信号。
系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。
系统响应时间=输入滤波时间+输出滤波时间+扫描周期。
[5]
3.4功能、结构要合理
单片控制往往是用一台可编程控制器控制一台设备，或者一台可编程控制器控制几台小设备。
[5]
3.5输入输出模块的选择
可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮、限位开关、接近开关等）的高电平信号为机器内部电平信号，模型类型分直流5、12、24、48、60V几种；交流115V和220V两种。
模块输出的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。
输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共段所允许通过的电流值。
输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。
[5]
3.6机型确定
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10%到15%的I/O裕量，我们选择FX2C-64MR这种型号。
4硬件设计
4.1硬件配置简介
PLC产品出现以来，它以面向工业控制的鲜明特点，普遍受到电器控制领域的欢迎。
特别是中小容量PLC成功取代了传统的继电控制系统，使得控制系统的可靠性大大提高。
目前各国生产的PLC品种繁多，发展速度快。
本文所用到的产品是日本三菱FX系列超小型的FX2C-64MR。
在此简单的介绍该机型的一些技术指标。
技术性能分为：
一般性能，功能特性（基本单元），输入性能，输出性能和其它性能。
[10][16][17][18]
4.1.1一般性能（见下表4.1）
表4.1一般性能
电源
AC110~120V/220~240V单相50/60Hz
电源波动
AC93.5~132V/187~264V，10ms以下瞬时断电，控制不受影响
环境温度
0~55度
环境湿度
45%~95%，无凝露
抗振动
10~55Hz，0.5mm，最大2g（重力加速度）
抗冲击
10g，3轴X、Y、Z方向各3次
抗噪声
1000V,1us,30~100Hz（噪声仿真器）
绝缘耐压
AC1500V，1min（各端子与接地端之间）
绝缘电阻
5MΩ,500VDC（各端子与接地端之间）
接地
小于100Ω（如果不可能，也可以不接地）
环境
无腐蚀气体，无导电尘埃
4.1.2输入性能（见表4.2）
表4.2输入性能
输入类型
无电压触点或NPN集电极开路晶体管
绝缘
光-电隔离
输入电压
内部电源DC24V±4V,外部电源DC24V±8V
输入阻抗
近似3.3KΩ
工作电流
OFF-ON
DC4mA（最小）
ON-OFF
DC1.5mA（最大）
响应时间
OFF-ON
近似10ms（有8点可改变从0~60ms）
ON-OFF
近似10ms（有8点可改变从0~60ms）
4.1.3功能特性（见下表4.3）
表4.3功能特性
执行方法
周期执行存储的程序，集中输入/输出
执行速度
平均12us/步
程序语言
继电器和逻辑符号（梯形图）
程序容量
1000步
指令
逻辑指令
20条（包括MC/MCR,CJP/EJP,S/R）
步进梯形指令
2条（STL,REJ）
功能指令
87个（包括+，-，×，÷，＞，=，＜，等＝
程序记忆
内部配置CMOS-RAM,EPROM/EEPROM卡
辅助继电器
无锁存
128点
锁存
64点
状态（锁存）
64点
特殊
16点
数据寄存器
64点
定时器
0.1s定时器
24点（延时接通）0.1~999s
0.01s定时器
8点（延时接通）0.01~99.9s
计数器（锁存）
30点，减法计数（0~999）
高速计数器（锁存）
1点，加/减计数（0~999999），最大2KHz
电池保护
锂电池，寿命约5年
诊断
程序检查（和，语法，电路），定时监视，电池电压，电源电压
4.1.4输出性能（见下表4.4）
表4.4输出性能
输出类型
继电器输出
绝缘
继电器绝缘
输出负荷
电阻负荷
2A/点
感性负荷
35V/A/300000次接通断开
灯泡负荷
100W
漏电流
0mA
响应时间
OFF-ON
近似10ms
ON-OFF
近似10ms
4.1.4其它功能（见下表4.5）
表4.5其它功能
型号
输入点
输出点
端子块
功耗
输入传感器电源
F1-60MR
36点
24点
可拆卸端子
40V/A
0.2A
4.2电梯控制系统的硬件面板图（见下图4-1）
图4-1硬件面板图
4.3输入/输出的分配
4.3.1输入
表4.6输入
序号
名称
输入点
序号
名称
输出点
0
四层内选按钮S4
X000
7
一层上呼按钮U1
X007
1
三层内选按钮S3
X001
8
二层上呼按钮U2
X010
2
二层内选按钮S2
X002
9
三层上呼按钮U3
X011
3
一层内选按钮S1
X003
10
一层行程开关SQ1
X012
4
四层下呼按钮D4
X004
11
二层行程开关SQ1
X013
5
三层下呼按钮D3
X005
12
三层行程开关SQ1
X014
6
二层下呼按钮D2
X006
13
四层行程开关SQ1
X015
4.3.2输出
表4.7输出
序号
名称
输入点
序号
名称
输出点
0
四层指示L4
Y000
8
二层内选指示SEL2
Y010
1
三层指示L3
Y001
9
一层内选指示SEL1
Y011
2
二层指示L2
Y002
10
一层上呼指示UP1
Y012
3
一层指示L1
Y003
11
二层上呼指示UP2
Y013
4
轿箱下降指示DOWN
Y004
12
三层上呼指示UP3
Y014
5
轿箱上升指示
Y005
13
二层下呼指示DN2
Y015
6
四层内选指示
Y006
14
三层下呼指示DN3
Y016
7
三层内选指示
Y007
15
四层下呼指示DN4
Y017
5软件设计
5.1程序流程图
图5-1流程图
5.2程序语句
步序
指令
器件号
说明
步序
指令
器件号
说明
0
LD
X012
停在一层
41
OR
M64
1
ANI
X003
42
OR
M65
2
AND
X007
一层上呼按钮
43
ANI
X013
3
LD
M1
44
OUT
M4
一层到二层
4
ANI
T3
45
LD
X013
停在二层
5
ANI
T10
46
ANI
X002
6
ANI
T13
47
AND
X010
二层上呼按钮
7
ORB
48
LD
M5
8
ANI
M8
49
ANI
T4
9
ANI
M12
50
ANI
T15
10
ANI
M5
51
ORB
11
OUT
M1
在一层按↑
52
ANI
M1
12
LD
M1
53
ANI
M12
13
AND
X000
四层内选按钮
54
ANI
M15
14
ANI
X001
55
ANI
M8
15
ANI
X002
56
OUT
M5
在二层按↑
16
LD
M2
57
LD
M5
17
ANI
M18
58
AND
X000
四层内选按钮
18
ORB
59
LD
M6
19
OR
M60
60
ANI
M17
20
OR
M61
61
ORB
21
ANI
X015
62
OR
M66
22
OUT
M2
一层到四层
63
OR
M67
23
LD
M1
64
ANI
X015
24
AND
X001
三层内选按钮
65
ANI
X001
25
ANI
X000
66
ANI
X003
26
ANI
X002
67
OUT
M6
二层到四层
27
LD
M3
68
LD
M5
28
ANI
M14
69
AND
X001
三层内选按钮
29
ORB
70
LD
M7
30
OR
M62
71
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