PLC控制电梯系统.docx

1、PLC控制电梯系统可编程控制系统(Programmable Logic Controller)是一种专门为在工业 环境下应用而设讣的数字运算操作电子系统。它釆用一种可编程的存储器，在其 内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过 数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工 业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。随着 微电子技术和讣算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功 能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。山于它可通 过软

2、件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、 抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体 化的进程。货梯是工业中不可缺少的运输工具，用于垂直运送乘客和货物，传统的货梯 控制系统主要采用继电器一接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可幕 性差、维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题, 使货梯运行更加安全、方便。U前在货梯行业已得到广泛应用。在层数和控制功 能较少的场合，采用PLC控制较为有利。本设计考虑到货梯的实际操作功能，所设计的控制系统针对的是五层货梯。 代替传统的继电控制系统，山变频器实现对电梯的拖动变速，使

3、PLC与变频拖动 装置相结合，构成PLC控制系统，实现了货梯的各种控制功能，提高了货梯运行 的可靠性，降低了故障率。关键词：可编程控制器PLC编程五层货梯电机控制系统变频器1、1设计要求1、1控制要求1、1、1货梯无人看守，具有单程、往返两种工作方式；1、1、2具有手动开门、关门、上升、下降功能：1、1、3自动显示货梯运行方向；1、1.、4自动显示货梯所在楼层：1、1、5当响应呼叫时，工作状态指示灯亮红灯（表示忙碌）：响应完成（货梯停止并空载） 后，工作状态指示灯亮绿灯（表示空闲）：1、1、6只有在货梯空闲时呼叫有效，只响应单一呼叫，到达目标楼层响铃提示；1、1、7具有超载报警、关门有障碍报警

4、功能：1、1、8具有轿厢上升、下降极限位保护功能：1.2电梯的工作原理当曳引机组的曳引轮旋转时，依靠嵌在曳引轮槽中的钢丝绳与曳引槽之间的摩擦力，驱 动钢丝绳来升降轿厢，曳引钢丝绳一端挂着轿厢，另一端悬挂对重，产生拉力分别为S1和 S2。当S1和S2的差值等于或小于绳槽之间摩擦力时，电梯正常运行，绳槽之间无打滑现 象。具体图形见下图曳引钢丝绳与曳引轮槽不打滑的条件是:1（1）当轿厢满载，并以额泄速度下降制动时： 330,计算时用弧度值自然对数底数2.71828： f钢线绳与曳引轮槽间的当量摩擦系数，它的大小与轮槽的形型尺寸及钢丝绳和轮间的摩擦系数f有关，常取/ = 0.060.14(sin /-

5、sincr)2/-2a-sin 2/ -sin 2a式中，sin/, sin a , sin2 /, sin2a中的，ay的值用角度值代入：2/, 2a中的值 用弧度值代入。2a =90120： 2/= 140160。式(1)中的$l = (G + 0)(l + a/g), $2 = IV(l-a/g)上式中：G轿厢自重(N)： Q额泄载重捲(N)； W对重装宜重量(N)； a 电梯加速 度。(2)当轿厢空载时，以额宦速度上升制动时，C1 C/e (式 3) , sl = G(l-a/g), s2 = W( + a/g)2.2 PLC控制系统与其他工业控制系统的比较2. 2.1 PLC控制系统

6、与继电器控制系统的比较表6 pic与继电器控制系统比较表比较项目继电器控制系统PLC控制系统控制功能的实现由许多继电器，采用接线的方式 来完成控制功能各种控制功能是通过编制的程 序来实现的对生产工艺过程变更 的适应性适应性差。需要重新设计，改变 继电器和接线适应性强，只需对程序进行修改控制速度低。靠机械动作实现极快。靠微处理器进行处理计数及英他特殊功能一般没有有安装，施工连线多，施工繁安装容易，施工方便可靠性差，触点多，故障多髙，因元器件采用了筛选和老化 等可靠性措施寿命短长可扩展性困难容易维护工作量大，故障不易查找有自诊能力，维护工作量小结论：由于PLC控制系统与继电器控制系统相比具有无法比

7、拟的优点，因此，在今后的 控制系统中，传统的继电器控制系统被PLC控制系统所代替是大势所趋。2. 2.2 PLC控制系统与计算机系统的比较20世纪60年代，由于小型计算机的出现，有人曾试图用小型计算机来取代当时占统治 地位的继电器控制系统，结果未获成功，代只的却是PLC的出现。通过il算机与PLC本身的 工作目的，原理和方式上都存在着较大的差异.其结果比较见下表。表7 PLC与计算机系统比较表比较项目通用计算机系统PLC控制系统工作目的科学计算，数据管理等工业自动控制工作环境对工作环境要求比较高对环境要求低，可在恶劣的工业现场工作工作方式中断处理方式循环扫描方式系统软件需配备功能较强的系统的软

8、件一般只需要简单的监控程序采用的特殊措 施掉电保护等一般性措施采用多种抗干扰措施，自诊断，断电保护， 可在线维修编程语言汇编语言，高级语言梯形图，助记符语言，SFC标准化语言对操纵人员的 要求需专门培训，并具有一泄的计 算机基础一般技术人员，稍加培训即可操作使用对内存的要求容量大容量小价格价格高价格较低其他若用于控制，一般需自行设计机种多，模块种类多，易于集成系统结论：一般情况下，在工业自动化工程中采用PLC可靠，方便，易于维护。进入20世纪70年代，采用微处理器的工业控制计算机出现了。它与PLC共同推动着 传统工业的技术改造。经过较长时间是实践，人们又发现，PLC与一般的工业控制计算机 相比

9、，PLC还是有着较强的优势，其原因是PLC专为在工业环境下的应用而设计，在PLC 中采用了如下的硬件和软件措施：（1） 光电耦合隔离和R-C滤波器，有效地防止了干扰信号的进入。（2） 内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。（3） 采用优良的开关电源，防I匕电源线引入的干扰。具有良好的自诊断功能可对CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。（4） 对程序及有关数据有电池供电进行后备，一旦断电或运行停止，有关状态及信息不 会丢失。（5） 对采用的器件都进行了严格的筛选和简化，排除了因器件问题而造成的故障。（6） 采用了冗余技术进行一步增强了可靠性。对某些大型PLC还采用了双CPU构成冗 余系统，或三

10、CPU构成表决式系统。（7） 随着构成PLC的元器件性能的提髙，PLC的可靠性也在相应的提高。一般PLC的 平均无故障时间可达到几万小时以上。某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后生产PLC不再 标明可靠性这一指标，因为对PCL来讲这一指标已亳无意义了。经过大量时间人们发现PLC 系统在使用中发生的故障大是是由于PLC的外部开关，传感器，执行机构引起的，而不是 PLC本身发生的。（8） 另外，PLC程序设计简单，易学易懂易维护，更适合于工程技术人员。因此，PLC 在工业控制方而获得了极大成功，成为工业控制中的主流。但是必须指出的是：计算机在信 息处理方而还是优于PLC,所以在一些自动化控制系统中，

11、常常将两者结合起来，PLC做 下位机进行现在控制，讣算机做上位机信息处理。计算机与PLC之间通过通信线路实现信 息的转换和交换。这样相辅相成，构成一个功能较强的完整的控制系统。2.2.3 PLC控制系统与集散型控制系统的比较由前所述可知，PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散型控制系统DCS （Distribution Control System）是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模 拟量处理，回路调节等方而有一泄的优势。而PLC随微电技术，计算机技术和通信技术的 发展，无论在功能上，速度上，智能化模块以及联网通信上，都用很大的提高。并开始与小 型计算机联成网络，构成

12、了以PLC为重要部件的分布式控制系统。随着PLC网络通信功能 不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据告诉公路上 （Data Highway）挂接在线通用汁算机，实现在线组态，编程和下装，进行在线监控整个生 产过程，这样就已具备了集散控制系统的形态，加上PLC的价格和可靠性优势，使之可以 与传统的集散控制系统相互竞争。2.3 PLC控制系统的组成PLC控制系统像一般的计算机控制系统一样，也是由硬件和软件两个部分组成的，硕件 是指PLC本身及苴外羽设备，软件是指管理PLC的系统软件，PLC的应用程序，编程语言和 程支持工具软件。图4.典型PLC控制系统的硕件组成图

13、2. 3.1硬件的组成PLC控制系统的硬件是由PLC,输入/输岀（I/O）电路及外困设备等组成的。系统规模 可根据实际应用的需要而左，可大可小。下面对构成控制系统的主要部分简要介绍。（1）主控模块除了早期生产的整体式PLC （PLC的各个不见都在同一机壳内）夕卜，目前市场多数的 PLC都已采用模块化的结构（PLC的各个部件独立封装，称之为模块）。在PLC中各个模块 均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。在这个系统中最核心的模块是主控模块（也称 CPU）,它包括：CPU,存储器，通信接口等部分。CPU： CPU是PLC的控制中枢，它由控制器和运算器组成。英中，控制器是用来统 一指挥和控制PLC

14、工作的部件。运算器则是进行逻辑，算术等运算部件。PLC在CPU的控 制下使整个机器有条不紊的协调工作，以实现对现场各个设备的控制。CPU的具体作用如 下：执行接受，存储用户程序的操作指令。用以扫描方式来自输入单元的数拯和状态信息，并存入相应的数据存储区。执行监控程序和用户程序。完成数据和信息的处理，产生相应的内部控制信号，完成用 户指令规立的各种操作。响应外部设备（如编程器，打印机）的请求。PLC中所采用的CPU随机型的不同而不同，通常有3种:通用微处理器（如8086,80286, 80386等），单片机芯片，位片式处理器。一般来说，小型PLC大采用8位微处理器或单片 机作为CPU,如Intc

15、l8086, Intcr96系列单片机，具有集成度髙，运算速度快，可靠性高等 优点。如日本欧姆龙公司生产的OMRONC200H型PLC采用的是Motorola公司生产的 MC68B09的CPU芯片。这是一种增强型8位微处理器。对大型PLC,大多采用髙速位片式 微处理器，它具有灵活性强，速度快，效率高的优点。目前，一些厂家生产的PLC中，还采用了冗余技术，即采用双CPU或三CPU工作， 进一步提高了系统可靠性。采用冗余技术可使PLC的平均无故障工作时间达几十万小时以 上。2存储器：PLC系统中的存储器主要用于存放系统程序，用户程序和工作状态数据。系统程序存储区：采用PROM或EPROM芯片存储器

16、它是由生产厂家直接存放的， 永久存储的程序和指令，称为监控程序。监控程序和PLC的硬件组成与专用部件的特性有 关，用户不能随意访问和修改这部分存储器的程序。存储器区：工作数据是PLC运行过程中经常变化的，需要随机存取的一些数据。这些 数据一般不需要长久保存，因此采用随机存储器RAM.数据存储区包括输入，输岀数据映 象区，建时器/计数器预置和当前数值的数据。用户程序存储区：用于存放用户经编程器或计算机输入的应用程序。一般采用EPROM 或EEPROM存储器，用户可橡写重新编程。用户程序存储器的容量一般就代表PLC的标称 容量。通常，小型机小于8KB,中型机小于50KB,而大型机可以在50KB以上

17、。3通信接口：主控模块通常有一个或一个以上的通信接口（简称通信口），用以与计算 机，编程器相连，实现编程，调试，运行，监视等功能。（2） 输入/输出模块PLC的控制对象是工业生产过程，它与工业生产过程的联系是通过I/O模块实现的。生 产过程有许多控制变量，如温度，压力，液位，速度，电氐开关量，继电器状态等，因此, 需要有相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场的桥梁。且这些模块应具有较好的抗干扰 能力。目前，生产厂家已开发出各种型号的模块供用户选择。对于输入/输岀模块有：数字 量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，模拟疑输入/输出模块，交流新号输入/输出模块, 220V交流输入/输出模块。还

18、有智能模块，它本身带CPU,存储器和监控系统，可独立完成 各种运算。智能模块的种类很多，如高速汁数模块，PID调巧的模拟量控制模块，阀门控制 模块，智能存储模块和智能I/O模块。（3） 电源模块该模块将交流电源转换成供CPU存储器所需的直流电源，是整个PLC系统的能源供给 中心。它的好坏直接影响到PLC的功能和可靠性。目前，大多数PLC采用高质虽的开关式 稳压电源，与普通电源相比，PLC的电源工作稳泄性好，抗干扰能力也强。有些机器的电 源除了供内部电路使用外，还向外提供24VDC的稳压电源，用于外部传感器的需要，这样 就避免了因外部电源不合格而引起的外部故障。I/O电路PLC的基本功能就是控制

19、，它采集被控对象的务种信号。经过PLC处理后，通过执行 装置实现控制。输入电路就是被控对象（需要进行控制的机器，设备和生产过程）进行检测, 采集，转换和输入。另外，安装在控制台上的按钮，开关等也可以向PLC送控制指令。输 出电路的功能就是接受PLC输出的控制信号，对被孔对象执行控制任务。PLC外用设备PLC的外围设备很多，但基本功能不外乎对信息和数据的处理。常用的有编程器，可 编程终端，打印机，条码读入机等等。编程器PLC的重要外用设备之一，它可以将用户编 写的程序送到PLC的用户程序存储器。因此，它的主要任务是输入程序，调试程序和监控 程序的执行过程。可编程终端是具有I/O功能的PLC人机界

20、而产品。人可以通过触摸屏幕 将信息输入PLC中同样可编程终端也可以将PLC的输入数据和信息显示在屏幕上。2.3. 2软件的组成PLC控制系统的软件主要是系统软件，应用软件，编程语言及编程支持工具软件几个 部分组成。PLC系统软件与工作过程PLC系统软件是PLC工作所必须的软件。在系统软件的支持西，PLC对用户程序进行逐 条的解释，并加以执行，直到用户程序结束，然后返回到程序的起始又开始新的一轮扫描。 PLC的这种工作方式就称之为循环扫描。图5 PDC内部工作示意图值得注意的是在继电器控制系统中，一个继电器的线圈被接通或断开，继电器的所用触 点（常开触点和常闭触点）都会立即动作。但在PLC中，由

21、于采用的是循环扫描的工作方 式，所用只有扫描到”线圈”的触点时，才会动作，没有扫描到时，触点就不会动。并且 PLC扫描一次用户程序的时间即扫描周期与拥护程序的长短和扫描速度有关，一般为1ms 至几十亳秒。现以OMRONP型机为例来说明PLC扫描的工作过程，如上图在没有扫描之 前，PLC首先应保证自身的完好性。接通电源之后，为消除各元件状态的随机性，进行淸 零或复位处理，检查I/O单元连接是否正确，再执行一段程序。使它涉及到各种指令和内存 单元，如果执行的时间不超过规定的时间范IT；，则证明自身完好，否则系统关闭。上述操作 完成后，将时间监视定时复位，才允许扫描用户程序。公共操作公共操作是在每次

22、扫描程序前又一次自检，若发现故障，除了报警显示灯亮之 外，还判断故障性质。一般性故障，只报警不停机，等待处理：对于严重故障，则停止运行 用户程序，此时PLC切断一切输出。数据I/O数据输入/输出操作有的称为I/O状态刷新。它包括两种操作：一是采样输入信 号（即刷新输入状态的内容）：二是送出处理结果（即按输岀状态表的内容刷新输出电路）。 PLC数据I/O示意图如下：1输入映象存储器及刷新。由上图所示可知送入PLC端子上的输入信号，经过电隔离, 电平转换，滤波处理后，进入缓冲器内CPU的采样。在PLC的存储器有一个专门存放I/O 数据区，其中对应输入端子的数据区，称之为输入映象存储器。当CPU采样

23、时，输入信号 由缓冲区进入映象区。接着就是数据输入或输出状态刷新。只有在采样刷新的时刻，输入映象存储器中的内容才与输入信号（不考虑电路固有的惯 性和滤波滞后影响）一致，英他时间范囤输入信号变化是不会影响映象存储器的内容的。由 于PLC扫描周期一般只有几十毫秒，所以两次采样时间很短，对一般开关量来说，可以认 为没有因间断采样引起的误差。即认为输入信号一旦变化，就能立即进入输入映象的存储器 内。2输出映象存储器及输出状态刷新。同样道理，CPU不能直接驱动负载。按用户程序 要求及当前输入状态，要保持到下次刷新为止。同样，对于变化较慢的控制过程来说，因为 两次刷新的时间间隔和输岀电路的惯性时间常数一般

24、才几十亳秒，可以认为输出信号是及时 的。（3） 执行用户程序这里又包括监视与执行两部分。监视泄时器WDTo监视泄时器就T1是通常所说的”看门狗AVDTCWatch-DogTimer）, 它是用来监视程序执行是否正常。正常时，执行完用户程序多用的时间不会超过T1,在程 序复位WDT,即执行程序并开始计时：执行完用户程序后立即令WDT复位，表示程序执 行正常。当程序执行过程中因某种扰使扫描失控或进入死循环，则WDT会发出超时报警 信号，使程序重新开始执行。如果是偶然因素造成超时，重新程序不会再遇到”偶然干扰”, 系统便转入正常运行：若由于不可恢复的确左性故障，则系统会自动地停I上执行用户程序， 切

25、断外部负载，发岀故障信号，等待处理。执行用户程序。用户程序是放在用户程序存储器中的，扫描时，按顺序从零步开始, 逐步解释和执行，直到执行END指令才结束对用户程序的扫描。应用软件PLC控制系统的应用软件是指为完成PLC实际控制任务而编制的各种软件。随着PLC 应用领域范用的不断扩大，应用水平的提高，PLC应用软件也大大丰富起来了。PLC应用 软件与一般计算机信息处理软件相比，有很大不同，PLC应用软件有以下几个特点：应用软件设计必须与生产工艺紧密结合。生产工艺要求不同，控制的功能也就要求不 同，即使是相同的生产过程，由于各种设备的工艺参数不一样，控制实现的方式也不一样。 所以程序设计人员必须深

26、入现场，严格尊守生产工艺的具体要求来设讣应用程序。应用软件与硬件紧密相关。软件设计人员不能抛开硬件配置和系统孤立地考虑软件设 计。设计必须根据硬件系统，接口的实际情况进行相应的程序设计。（3）PLC应用软件的设计需要计算机，自动控制技术甚至网络通信技术等多种知识。特 別是PLC网络的出现，PLC控制系统不再是一个单独的装巻。在控制系统中，可能包括有 多台不同型号的PLC,计算机，外囤设备等。因此在进行软件设计时，实现和处理某种控 制功能都离不开计算机，自动控制和通信技术。因此，应用程序中不仅有PLC程序，还有 计算机程序和通信网络程序等。2.3. 3控制原理货梯的控制原理流程图见图1货梯上下行

27、流程图见图2三 五层货梯可编程序控制器PLC的选型3.1 PLC控制系统设il的基本原则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充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设讣PLC控制系统的首 要前提，这也是设讣中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调 査研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程 管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟泄控制方案，共同解决设汁中的重点 问题和疑难问题。2、

28、 保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设il控制系统的重要原则。这就 要求设计者在系统设讣、元器件选择、软件编程上要全而考虑，以确保控制系统安全可靠。 例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、 按钮按错等），也能正常工作。3、 力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但 新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求 的前提下，一方而要注意不断地扩大工程的效益，另一方而也要注意不断地降低工程的成本。 这就要求设讣者

29、不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成 本低，不宜盲目追求自动化和髙指标。4、 适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提髙，设计时要适当考虑到今后控 制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时， 要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。3.2 PLC机型的选择工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点.控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作， 然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容能价格比的PLC和设计相应的控制系统。I/O点数估算时应考虑适当的余疑，通常根据统计的输入

30、输出点数，再增加10$20%的 可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特 点，对输入输岀点数进行圆整。2、所需PLC的内存估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用 户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设讣阶段，由于用户应 用程序还未编制，因此，程序容虽:在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设 计选型时能对程序容量有一立估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固立的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是 按数字星：1/0点数的1015倍，加上模拟I/

31、O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16 位为一个字），另外再按此数的25$考虑余量。3、PLC机型型号的确左3系统控制方案的确定3.1系统控制方案3.1.1开门控制山于本设讣不构筑电梯模型，只涉及模拟控制，故将开关门控制省略。当某 一楼层的指示灯持续亮时，表示该层正在进行开门、延时、关门。为了实现电梯 的安全运行，电梯的开、关门信号与故障报警信号应该是互锁的，即当故障报警 信号有效时，开、关门信号都不能实现，楼层指示灯不会亮。3.1.2内外呼叫控制在电梯内各层呼叫控制中，设计成当有乘客按下某层的呼叫按键时，使相应 的指示灯亮，但不能立即启动电梯。其呼叫信号一直保持到电梯到达位层后且呼 叫信号与电梯运行方向相同时才被撤消。3.1. 3上下行控制1.电梯在一、二、三、四层楼分别设置一个呼叫按钮。2.由于没有真实的电梯来控制，所以假设电梯在收到呼叫信号后以5S/层 的速度运动，用楼层灯的闪烁表示电梯在运动中。3.上、下行指示灯不能同时亮，一、二、三、四、楼指示灯不能同时亮， 在一个呼叫请求完