《机电一体化毕业设计(论文)_PLC在电梯中的应用》Word格式.docx

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年 月 日

XXXX职业技术学院 毕业设计（论文）

摘 要

随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高。

PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以安全可靠、运行稳定、编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在电梯控制系统过程中得到了广泛的应用。

电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。

PLC在电梯升降控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。

由于PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。

在电梯升降过程中，

各种逻辑开关控制与PLC很好的结合，很好的实现了对系统的控制。

关键词：

PLC；

电梯控制系统；

应用

I

目 录

摘 要 （I）

1可编程控制器的概述

（1）

1.1可编程控制器的现状及发展

（1）

1.2可编程控制器的主要性能指标

（2）

1.3PLC的应用领域 （3）

2可编程控制器的组成及工作原理 （5）

2.1可编程控制器的组成和各部分的作用 （5）

2.2可编程控制器的工作原理 （8）

3电梯控制系统及接口电路的设计 （10）

3.1电梯控制系统的特性 （10）

3.2电梯控制系统的构成 （11）

3.3接口电路的设计 （13）

4电梯控制系统的工作原理 （14）

4.1电梯控制系统对楼层信号的处理 （14）

4.2电梯控制系统对指令、召唤的处理 （15）

4.3电梯控制系统对选向功能的处理 （16）

4.4电梯控制系统对选层功能的实现 （19）

4.5电梯控制系统对开关门功能的处理 （21）

参考文献 （22）

致 谢 （23）

II

1 可编程控制器的概述

1.1可编程控制器的现状及发展

PLC的过程控制应用已被广泛应用于连续过程控制领域，而且基于连续过程控制技术的发展趋势正在进一步得到增长。

在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;

另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;

以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的—离散量的数据采集监视。

由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。

在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与

IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占一定的百分比。

由于PLC机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC（IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度，总的说是渐缓。

目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品。

而在电梯控制方面，可编程控制器的发展也十分迅猛。

国际上最大的电梯公司几乎全部进入我国，最先进的电梯产品争先在中国生产。

美国奥的斯，瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森，日本三菱、日立、东芝、富士达等世界最负盛名的电梯公司先后在北京、天津、上海、广州、沈阳、杭州、廊坊等地投资建厂，可以说能来的都来了。

他们大多用合资的方式建设了最好的工厂，装备了最好的设备，引进了最好的技术，培训了最好的人才，目前合资企业在国内的市场份额已超过80%，从这个意义上说，我国电梯行业早已加入了WTO。

中国电梯市场的特色已经不是国内企业之间的竞争，而是全球电梯劲旅的竞争。

这种世界级的激烈竞争使我国的电梯用户成了最大的受益者，他们可以用最低的价格随意选购最好的电梯产品。

1

1.2可编程控制器的主要性能指标

a）I/O点数

指PLC主机的输入、输出端子数。

在选用PLC时，要根据控制对象需要的

I/O点数来选定PLC的机型。

当主机的I/O点数不够时，可通过接扩展单元来扩展I/O点数。

但因为一般的扩展单元只有接口和驱动电路而没有CPU，它是由主机的CPU来寻址的，所以最大扩展点数受CPU寻址能力的限制。

b）内存容量

指用户程序的容量。

在PLC中程序指令是按“步”存放的（一条指令往往不止一步），“步”占用一个地址单元，一个地址单元占两个字节。

内存容量和最大I/O点数大体成正比。

c）指令功能

可以从两个方面来衡量PLC指令功能的强弱：

一是指令条数的多少；

二是在指令中有多少综合性指令，因为一条综合性指令一般就能完成一项专门操作

（如查表、排序、PID控制等），相当于一个子程序。

d）扫描速度

一般指执行一步指令所需的时间，单位为us/步。

有时也用执行1000步指令的时间计算，则单位为ms/千步。

e）内部寄存器

PLC内部有许多寄存器，用以存放变量状态、中间结果和数据等，还有许多辅助寄存器给用户提供特殊功能，以简化整个系统的设计。

因此，内部寄存器的配置情况也是衡量PLC硬件功能强弱的主要指标之一。

f）高功能模块

PLC除了主控模块外，还可以配接各种高功能模块。

主控模块实现基本的控制功能，高功能模块则可实现一些特殊的专门功能。

因此，高功能模块的配置反映了PLC功能的强弱，是衡量PLC产品档次高低的一个重要标志。

已开发的常用高功能模块主要有：

A/D和D/A转换模块、高速计数模块、高速脉冲输出模块、PID控制模块、模糊控制模块、位置控制模块、速度控制模块、网络通信模块，以及各种物理量转换模块等。

这些高功能模块使PLC不但能进行开关量顺序控制，而且能进行模拟量控制，以及精确的速度和定位控制。

特别是

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网络通信模块的迅速发展，使PLC可以充分利用计算机和互联网的资源，实现远程监控。

1.3PLC的应用领域

PLC在不断地发展，其性能在不断的完善、功能在不断的增强。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1）开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，PLC具有强大的逻辑的运算能力可以实现各种简单的复杂的逻辑控制，常用于取代传统的继电器控制系统。

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。

2）模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

而PLC中的微处理器CPU只能处理数字量。

所以PLC中配置了A/D和D/A转换模块，把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理。

而CPU处理的数字量结果，经D/A转换后，经换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。

3）运动控制

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。

4）过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭

3

环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型

PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

5）数据处理

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。

6）通信及联网

现代PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现

PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，实现工厂自动化。

PLC还可以与其他职能控制设备（如变频器、数控装置）实现通信。

PLC与变频器组成联合控制系统，可提高控制交流电动机的自动化水平。

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2可编程控制器的组成及工作原理

2.1可编程控制器的组成和各部分的作用

址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图1。

PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成

PLC控制系统。

（一）中央处理器（Central Processing Unit，CPU）

中央处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。

CPU通过数据总线总线、地接。

小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；

中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如

8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；

而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。

CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任

务。

（二）存储器（Menmory）

PLC系统中的存储器配有系统程序存储器和用户程序存储器。

1．系统程序存储器

系统程序存储器用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在PROM

或EPROM存储器中，用户不可访问和修改。

系统程序相当于个人计算机的操作系统，它关系到PLC的性能。

系统程序包括系统监控程序、用户指令解释程序、标准程序模块、系统调用、管理等程序以及各种系统参数等。

2．用户程序存储器

用户程序存储器可分为三部分：

用户程序区、数据区和系统区。

用户程序区用于存放用户经编程器输入的应用程序。

为了调试和修改方便，

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总是先把用户程序存放在随机读写存储器RAM中，经过运行考核、修改完善，达到设计要求后，再把它固化到EPROM中，替代RAM使用。

数据区用于存放PLC在运行过程中所用到的和生成的各种工作数据。

数据区包括输入、输出数据映像区、定时器、计数器的预置值和当前值的数据等。

系统区主要存放CUP的组态数据，例如，输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等。

（三）输入、输出单元（Input/Output Unit）

输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。

PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；

输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。

晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；

继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。

现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。

输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。

（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。

以图1所示的直流输入接口电路为例，R1是限流与分压电阻，R2与C构成滤波电路，滤波后的输入信号经光耦合器T与内部电路耦合。

当输入端的按钮SB接通时，光耦合器T导通，直流输入信号被转换成PLC能处理的5V标准信号电平（简称TTL），同时LED输入指示灯亮，表示信号接通。

微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。

交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类似。

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（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）其它接口

若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元

（不带CPU）相接进行扩充。

PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。

（四）编程器

编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。

编程器有简易编程器和图形编程器两种。

简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。

图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。

目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算

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机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控

PLC运行状态等。

（五）电源单元

PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。

PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。

2.2可编程控制器的工作原理

（一）PLC的扫描工作方式

1、原因：

（1）PLC在运行时需要处理许多操作；

（2）PLC的CPU却不能同时执行多个操作，每一刻只能执行一个操作。

2、解决方法：

采用分时操作即扫描的工作方式

由于CPU的运算速度很高，从宏观上而言似乎所有的操作都是及时、迅速地完成的。

3、PLC的一个扫描过程包含五个阶段

1）内部处理：

检查CPU等内部硬件是否正 常，对监视定时器复位，其它内部处理。

2）通信服务：

与其它智能装置（编程器、计算机）通信。

如：

响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。

3）输入采样：

以扫描方式按顺序采样所有输入端的状态，并存入输入映象寄存器中。

（输入寄存器被刷新）。

4）程序执行：

PLC梯形图程序扫描原则：

先左后右、先上后下的步序，逐句扫描。

并将结果存入相应的寄存器。

5）输出刷新：

输出状态寄存器（Y）中的内容转存到输出锁存器输出，驱动外部负载。

扫描周期：

整个过程扫描一次所需的时间。

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与CPU时钟频率、指令类型（扫描速度）、程序长短有关。

扫描周期是PLC一个很重要的指标，一般小型PLC的扫描周期为十几毫秒到几十毫秒。

（二）PLC扫描工作方式的特点：

1、特点：

集中采样、集中输出、循环扫描

集中采样：

对输入状态的扫描只在输入采样阶段进行。

即在程序执行阶段或输出阶段，即使输入端状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，只有到下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入（响应滞后）。

集中输出：

在一个扫描周期内，只有在输出处理阶段才将元件映象寄存器中的状态输出，在其它阶段，输出值一直保存在元件映象寄存器中。

注：

在用户程序中，如果对输出多次赋值，则仅最后一次是有效的，即应避免双线圈输出。

2、优点：

提高系统的抗干扰能力。

集中采样、集中输出的扫描工作方式使PLC在工作的大部分时间与外设隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性

3、缺点：

响应滞后，降低系统的响应速度。

输入/输出滞后时间又称为系统响应时间。

1）输入模块滞后时间：

输入模块RC滤波电路的时间常数，典型值为10ms

左右。

2）输出模块滞后时间

继电器型输出：

10ms左右；

晶闸管型输出：

通电滞后时间约1ms，断电滞时的最大滞后时间10ms；

晶体管型输出：

1ms以下。

3）扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个扫描周期。

PLC总的响应延迟时间一般为几十ms。

但由于PLC的扫描速度极快，故对一般工业控制而言，此响应上的滞后完全允许。

在中、大型PLC中所需处理的I /

O点数较多，用户程序较长，还采用分时分批的扫描方式或中断等的工作方式，以缩短循环扫描的周期和提高实时控制。

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3电梯控制系统及接口电路的设计

3.1电梯控制系统的特性

在电梯运行曲线中的启动段是关系到电梯运行舒适感指标的主要环节,而舒适感又与加速度直接相关,根据控制理论,要使某个量按预定规律变化必须对其进行直接控制,对于电梯控制系统来说,要使加速度按理想曲线变化就必须采用加速度反馈,根据电动机的力矩方程式:

M—MZ=ΔM=J（dn/dt），可见加速度的变化率反映了系统动态转距的变化，控制加速度就控制系统的动态转距ΔM=M—

MZ。

故在此段采用加速度的时间控制原则，当启动上升段速度达到稳态值的90%时，将系统由加速度控制切换到速度控制，因为在稳速段，速度为恒值控制波动较

小，加速度变化不大，且采用速度闭环控制可以使稳态速度保持一定的精度，为制动段的精确平层创造条件。

在系统的速度上升段和稳速段虽都采用PI调节器控制，但两段的PI参数是不同的，以提高系统的动态响应指标。

在系统的制动段，即要对减速度进行必要的控制，以保证舒适感，又要严格地按电梯运行的速度和距离的关系来控制，以保证平层的精度。

在系统的转速降至120r/min之前，为了使两者得到兼顾，采取以加速度对时间控制为主，同时根据在每一制动距离上实际转速与理论转速的偏差来修正加速度给定曲线的方法。

例如在距离平层点的某一距离L处，速度应降为 Vm/s，而实际转速高为V′m/s，则说明所加的制动转距不够，因此计算出此处的给定减速度值-

ag后，使其再加上一个负偏差ε，即使此处的减速度给定值修正为-（ag+ε）使给定减速度与实际速度负偏差加大，从而加大了制动转距，使速度很快降到标准值，当电动机的转速降到120r/min 以后，此时轿厢距平层只有十几厘米，电梯的运行速度很低，为防止未到平层区就停车的现象出现，以使电梯能较快地进入平层区，在此段采用比例调节，并采用时间优化控制，以保证电梯准确及时地进入平层区，以达到准确可靠平层。

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3.2电梯控制系统的构成

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。

采用PLC实现的电梯控制系统由以下几个主要部分构成。

（1）PLC控制电路；

PLC接收来自操纵盘和每层呼梯的召唤信号、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）电流、速度双闭环电路；

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。

（3）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，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