基于PLC对电梯控制系统的设计.docx
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基于PLC对电梯控制系统的设计
基于PLC控制的电梯自动控制系统
摘要
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垂直方向上的代步工具。
电梯性能的好坏对人们的生活有着显著影响。
因此必须努力提高电梯系统的性能以此保证电梯的运行高效节能和安全可靠。
传统电梯控制系统采用的是继电器逻辑控制电路（这种控制易出故障）不便维护，运行寿命短，占地空间大，正被逐步淘汰。
为提高自动控制系统的可靠性和设备的工作效率，设计一套以PLC为核心控制器的电梯自动控制系统。
本论文通过讨论电梯控制系统的组成，阐述可编程控制器（PLC）在电梯控制中的应用，采用三菱PLC编程的程序控制方式，提出了四层电梯的PLC控制系统总体设计方案、设计过程、组成，列出了具体的主要硬件电路、电梯的控制梯形图及指令表。
并给出了系统组成框图和程序流程图，在分析、处理随机信号逻辑关系的基础上，提出了PLC的编程方法，设计了一套完整的电梯控制系统方案。
采用本方案实现电梯控制，能够解决继电器——接触器触点多，故障率高、可靠性差、安装调试周期长、维修工作量大、接线复杂等缺点。
使电梯运行更加安全、方便、舒适。
关键词
电梯；PLC；梯形图
theDesignofElevatorautomaticcontrolbasedonPLC
Abstract
Withthedevelopmentofmoderncities,anincreasingnumberofhigh-risebuilding,elevatorbecomeanindispensablemeansoftransportofdailylife.Thequalityoftheliftperformanceoftheimpactonpeople'slivesbecomingmoreandmoreobvious,itmuststrivetoimprovetheperformanceofelevatorsystems,andensuretheoperationoftheliftissafe,reliableandenergyefficient.Thetraditionalelevatorcontrolsystemuseslogicoftherelaytocontrolcircuit,thiskindofcontrolseasilytobecrash,maintainsinconveniently,themovementlifeisshort,andthatoccupyingalargeareaofspace,itbeingeliminatedgradually.Forraisingthecredibilityoftheautomaticcontrolsystemandtheworkefficiencyoftheequipments,designasetoftakePLCasthecorecontrolleroftheelevatorautocontrolsystem,usingtoreplaceformermorecomplicatedofafterelectricappliances-thecontactmachinecontrol.
ThisessayexplainstheapplicationofPLC（MitsubushiPLC）onelevator，bydiscussingtheconstructionofelevatorcontrolsystem.Italsoillustratesthegeneraldesignproject,thedesignprocessandconstructionofthePLCcontrolsystemforfour-storybuildings,listingthespecificmaincircuit,trapeziacontrolchartofelevatorandrepertoires.Italsoshowstheconstructionofframechartofthesystemandprocessflowchart.ThustheprogrammingmethodofPLCisbroughtforwardonthebasisofanalyzinganddealingwiththelogicrelationshipofrandomsigns.Italsodesignedacomplicatedelevatorcontrolsystem.Iftheprojectcanbeaccepted,itcansolvetheproblemswhichcanbebroughtbyrelay,suchastoomanycontactingpoints,highfaultrate,lowreliability,longinstallationanddebuggingtime,heavyrepairingwork,complexconnectionandsoon.
KeyWords
Elevator；PLC；LadderDiagram
前言
目前，国内中小电梯厂商大多采用继电器控制或微机控制方法实现对电梯的控制，前者硬布线的逻辑控制方式具有原理简单、直观等特点，但通用性差，逻辑系统由许多触点组成，接线复杂、故障率高、设备庞大，现已慢慢淡出市场；后者在工业控制系统中的应用十分广泛，在电梯控制上取代传统的继电器控制方式慢慢受到人们的重视。
根据电梯的功能要求，微机控制电梯的方式主要分为4种：
单微机控制方式，双微机控制方式，三微机控制方式，群控电梯的微机控制方式。
单微机控制方式又分为2种，即单板机控制方式和单片机控制方式；双微机控制方式由控制系统CPU和拖动系统CPU以及部分继电器组成整个电梯的控制系统，可以实现起制动闭环、稳速开环控制，也可以实现全闭环控制；三微机控制方式也称为多微机控制方式，以上海三菱的VFCL系统为例，它采用三个CPU来控制电梯，整个系统由三部分组成：
DR-CPU驱动部分、CC-CPU控制和管理部分、ST-CPU串行传部分，VFCL系统的驱动部分采用VVVF方式对曳引机进行速度控制，控制部分主要对选层器、速度图形和安全检查电路三方面进行控制；群控方式使用的微机数量根据方式的不同也有所不同。
但是由于微机控制的可靠性不高，容易发生故障，从而使电梯难以达到用户希望的安全、稳定、可靠等要求。
PLC自问世以来，以其高可靠的特点在工业自动化领域获得广泛的应用。
近年来，随着超大规模集成电路技术和通信技术的进步，PLC的性价比逐年提高，使用PLC控制电梯，是一种投资小、见效快、可靠性高的好方法。
1.概述
1.1PLC的简介
可编程序控制器是一种以计算机为核心的通用工业控制装置，目前已被广泛的应用于各个领域。
造气的可编程序控制器只能进行开关量的逻辑控制，被称为可变程序逻辑控制器，简称PLC。
现代可变程序控制器采用微处理器作为中央处理单元，其功能大大增强，它不仅具有逻辑控制功能，还具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能，PLC这一名称已不能准确地反映它的特性，于是，人们将其称为可编程序控制器，简称PC。
近年来个人计算机也简称为PC，为了避免混淆，可编程序控制器常被称为PLC。
它采用可以编制程序的存储器，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
1.2PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1.2.1输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
1.2.2用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
1.2.3输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
1.3PLC的特点
1.3.1高可靠性
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
1.3.2丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备。
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。
1.3.3采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
1.3.4建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
1.3.5体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
1.4PLC的功能
1.4.1逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
1.4.2步进（顺序）控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
1.4.3PID控制
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
1.4.4数据控制
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
2.PLC硬件设计
2.1电梯的基本组成
大多数电梯主要由曳引机（发动机），钢丝绳，导轨，轿厢，配重，控制系统（相当于电脑主板）等组成。
轿厢和配重通过钢丝绳等部件，连接到曳引机上，通电后由控制系统的控制使轿厢和配重在井道内导轨上做上下运动。
2.2电梯的控制部分
针对这个四层电梯控制系统，本设计采用三菱FX2N-48M可编程控制设计电梯的控制系统完成电梯的控制系统完成电梯的轿内指令、厅外召唤指令、楼层显示指令、平层换速控制、开门控制等控制任务。
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。
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。
2.2.1PLC控制电路
选用三菱公司Fx2N-48M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。
2.2.2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。
由到位开关来控制和记忆电梯的位置，实现准确定位，保证整个电梯的运行通畅，将其引入PLC的高速计数输入端口，通过累计脉冲数，经式
（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 = plD / （pr）
（1）
l—减速比；
D—牵引轮直径；
P—旋转编码器每转对应的脉冲数；
r—PG卡分频比。
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。
2.3电梯自动系统主电路
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。
如图
主回路原理图
2.4电梯自动控制流程图
2.5端站保护
当电梯定向上行时，上行方向继电器、快车辅助接触器、快车运行接触器、门锁继电器、上行接触器均得电吸合，抱闸打开，电梯上行。
当轿厢碰到上强迫换速开关时，PLC内部锁存继电器得电吸合，定时器开始定时，其定时的时间长短可视端站层距和梯速设定。
上强迫换速开关动作后，电梯由快车运行转为慢车运行，正常情况下，上行平层时电梯应停车。
在骄厢碰到上强迫换速开关后，由于某些原因电梯未能转为慢车运行，及快车运行接触器未能释放，当设定值减到零时，其常闭点断开，快车运行接触器和上行接触器均失电，电梯停止运行。
因此，不管是慢车运行还是快车运行，只要上强迫换速开关发出信号，不论端站其他保护开关是否动作，借助定时器均能使电梯停止运行，从而使电梯端站保护更加可靠。
2.6电梯自动开关门控制系统
自动开关门机是安装在轿厢顶上，为使轿门在启闭过程中达到快、稳的要求，必须对自动门和系统进行速度调节。
下面以支流门电机的控制为例。
直流门电机控制系统，是采用小型直流伺服电动齐作为驱动装置，开关门的速度采用串并联电阻的方法。
此种方法，使开门机系统具有传动结构简单，调速简便等优点。
为了避免在起端和终端发生冲击，要求自动门机应具有自动调速的功能。
因此，电梯的门在起闭时应具有理想的速度变化。
关门时：
快速—慢速—停止开门时：
慢速—快速—停止
3.PLC的选型和输入输出地址分配
3.1PLC的输入输出接口
输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部分，是PLC的重要组成部分。
与微机的I/O接口工作于弱电的情况不同，PLC的输出接口是按强电要求设计的，及其输入接口可以接受强电信号，其输出接口可以直接和强电设备相连接。
3.1.1输入接口
输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。
3.1.2输出接口
输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。
常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。
输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。
微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。
3.2PLC的选型及意义
PLC选型主要有如下指标：
运行速度I/O点数，指令的条数，程序容量，带扩展模块的能力。
如选择合理，可以节省不少成本。
本设计的输入I点数为22，输出点数O为19点。
故选择三菱公司型号为FX2N-48M型。
3.3输入输出的I/O分配表
输入
输出
X0-X3
楼层感应开关
Y0-Y3
楼层显示灯
X10-X13
轿厢内指令按钮
Y4
上行接触器
X20-X22
上呼按钮
Y5
下行接触器
X31-X33
下呼按钮
Y10-Y12
上呼指示灯
X40
上呼强迫开关
Y21-Y23
下呼指示灯
X41
下呼强迫开关
Y50
快加速接触器
X6
门连锁
Y51
加速接触器
X24
下平层感应开关
Y52
第一慢接触器
X25
门区感应开关
Y53
第二慢接触器
X26
上平层感应开关
Y54
第三慢接触器
X61
手动开关按钮
Y15
自动开门输出信号
X62
手动关门按钮
Y16
自动关门输出信号
3.4系统接线原理图
4.PLC软件设计
4.1梯形图
（1）楼层型号控制环节
（2）轿厢内指令控制环节
（3）厅外召唤信号控制环节
（4）电梯选向控制环节
（5）启动控制环节
换速控制环节
换速信号产生环节
（6）平层控制环节
（7）开关门控制环节
4.2梯形图指令
楼层信号控制环节
LD——Y0
ANI——Y1
OR——X0
OUT——Y0
LD——Y1
ANI——Y2
OR——X1
OUT——Y1
LD——Y2
ANI——Y3
OR——X2
OUT——Y2
LD——Y3
OR——X3
OUT——Y3
轿厢内指令信号控制系统
LD——X10
ANI——Y4
ANI——Y5
SET——M10
LD——M10
AND——Y0
RST——M10
LD——X11
ANI——Y4
ANI——Y5
SET——M11
LD——M11
AND——Y1
RST——M11
LD——X12
ANI——Y4
ANI——Y5
SET——M12
LD——M12
AND——Y12
RST——M12
LD——X13
ANI——Y4
ANI——Y5
SET——M13
LD——M13
ANI——Y3
RST——M13
厅外召唤信号控制环节
上呼
LD——X20
SET——Y10
LD——Y0
RST——Y10
LD——X21
ANI——Y1
SET——Y11
LD——M20
AND——Y1
RST——Y11
LD——X22
ANI——Y2
SET——Y12
LD——M20
AND——Y2
RST——Y12
下呼
LD——X31
ANI——Y1
SET——Y21
LD——M21
AND——Y1
RST——Y21
LD——X32
ANI——Y2
SET——Y22
LD——M21
AND——Y2
RST——Y22
LD——X33
ANI——Y3
SET——Y23
LD——M21
AND——Y3
RST——Y23
自动选向控制环节
LD——M13
ANI——Y3
LD——M12
ANI——Y2
ANI——Y3
ORB
LD——M11
ANI——Y1
ANI——Y3
ANI——Y2
ORB
LD——M10
ANI——Y0
ANI——Y3
ANI——Y2
ANI——Y1
ORB
OR——M20
ANI——M21
OUT——M20
LD——M10
ANI——Y0
LD——M11
ANI——Y1
ANI——Y0
ORB
LD——M12
ANI——Y2
ANI——Y0
ANI——Y1
ORB
LD——M13
ANI——Y3
ANI——Y0
ANI——Y1
ANI——Y2
OR——M21
ANI——M20
OUT——M21
启动控制环节
LDI——X40
AND——M20
LDI——X41
AND——M21
ORB
AND——X6
AND——M143
OUT——M143
LD——M143
ANI——Y50
OUT——Y51
LD——Y51
OUT——T0
——K2
LD——T0
OUT——Y52
LD——Y5
OR——Y4
ANI——M143
ANI——Y51
OUT——Y50
换速控制环节
LD——50
OUT——T1
——K2
LD——
升级会员 