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电梯
PLC在电梯控制系统中的应用
摘要电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，与人们的生活紧密相关，随着人们对电梯运行安全性、高效性、舒适性等要求的不断提高，电梯得到快速发展，其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。
电梯采用了PLC控制，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。
控制系统结构简单，外部线路简化，可方便的增加或改变控制功能，也可以进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。
而电动机交流变频器调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量、改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频器调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功率因素和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而获国内外公认为最有发展前途的调速方式。
因此，PLC控制技术加变频器调速技术已成为现代电梯行业的一个热点。
关键字：
可编程控制器PLC；四层电梯；变频器；电机；编程；控制
引言
伴随着工厂自动化程度的提高，PLC可编程控制器在工厂中的应用也越来越广泛，而且几乎涉及到工厂的各个方面，包括供电，生产，物料管理，运输等等。
本文旨在通过实现自动抓取控制系统这样一个典型的实例，来展现PLC在自动化生产中的应用，同时利用这个典型的应用只要稍加变化就可以扩展为其他控制系统。
采用可编程控制器来实现电梯的控制对于提高电梯运行的稳定性、降低电梯控制系统的成本以及缩短电梯系统的开发周期都具有实际意义。
通过本课题的研究，可以在一定程度上推动电梯相关行业的发展，拓展PLC在自动化行业的应用领域，具有一定的经济和理论意义。
1．绪论
1.1本课题设计的背景
1968年，美国最大的汽车制造商──通用汽车公司为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，将汽车的生产方式由大批量、少品种转变为小批量、多品种。
为此要解决因汽车不断改型而最重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题，要寻求一种比继电器更可靠，响应速度更快，功能更强大的通用工业控制器。
于是可编程控制器应运而生，1969年，美国数字设备公司研制出世界上第一台可编程控制器，从此，PLC开始活跃于控制领域。
而且其影响也越来越大，应用也越来越广泛。
70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmablecontroller）。
但由于PC容易与个人计算机（programmablecomputer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。
1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：
可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以改变的储存器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。
继电器在控制系统中主要起两种作用：
（1）逻辑运算
（2）弱电控制强电。
PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。
可编程控制器，简称PLC。
它是集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。
具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易，维护工作量少3.功能强、通用性好4.开发周期短，成功率高5.体积小，重量轻，功耗低等特点。
具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。
与继电──接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电──接触器控制系统小；价格上能与继电──接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构、能向中央数据处理系统直接传输数据等。
因此，进行电梯的PLC控制系统的设计，可以推动电梯行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。
1.2本课题设计的内容
本设计将在以下几个方面对机械手的控制系统进行研究和论证：
（1）电梯类型的选择。
综合电梯的类别和各类的特点的要求，在本课题中主要研究四层电梯上下行控制，开、关门控制和内外呼叫控制。
（2）电梯硬件系统的设计。
本课题设计的电梯要求运行迅速准确度高，在电梯的各层检测系统中选用用在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现PLC对电梯的控制。
本课题的具体要求是在硬件系统的设计过程中主要考虑了电梯的经济实用、稳定的需要。
（3）电梯控制系统软件的设计。
在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计出机械手控制的要求，梯形图的编写运用SWOPC─FXGP/WIN─编程软件，此软件支持全部的三菱FX系列的PLC，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短了维修时间。
1.3本课题设计的目的和意义
随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，电梯也已成为人类现代生活广泛使用的人员运输工具。
随着人们对电梯运行的安全性、高效性、舒适性等要求的提高，电梯得到了快速发展，其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。
可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。
电梯控制要求接入设备使用简便，对应用于系统组态的程序简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。
通过PLC对程序设计，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感。
因此PLC在电梯控制系统中的应用非常广泛，非常有实际价值。
2.系统控制方案的确定
2.1电梯的概述
电梯是电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物的机械设备。
随着城市的发展，高层建筑的增多，电梯的应用也越来越广泛，分类也随之增多。
如按照电梯的用途可分为以下几类：
（1）乘客电梯，为运送乘客设计的电梯，要求有完善的安全设施以及一定的室装饰。
（2）载货电梯，主要为运送货物而设计，通常有人伴随的电梯。
（3）观光电梯，厢壁透明，供乘客观光用的电梯。
（4）车辆电梯，用作装运车辆的电梯。
（5）船舶电梯，船舶上使用的电梯。
（6）建筑施工电梯，建筑施工与维修用的电梯。
（7）其它类型的电梯，除上述常用电梯外，还有些特殊用途的电梯，如冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯、消防员用电梯等。
2.2采用PLC控制电梯的优点
（1）控制方式上看：
电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
（2）工作方式上看：
电器控制并行工作，而PLC串行工作不受制约。
（3）控制速度上看：
电器控制速度慢，触电易抖动；而PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，所以无抖动一说。
（4）从定时、计数上看：
电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。
（5）电器控制触电多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差；PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
2.3系统设计的基本步骤
在电梯控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：
（1）深入了解和分析电梯的工艺条件和控制要求。
（2）确定I/O设备。
根据机械手控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等。
常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。
（3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。
（4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。
（5）设计电梯系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个电梯系统设计的核心工作。
（6）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。
（7）电梯整体调试，在PLC软件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。
2.4系统控制方案
有一四层办公室，要求装配一个电梯。
其电梯系统的控制要求如下：
（1）开门控制：
由于本设计不构筑电梯模型，只涉及模拟控制，故将开关门控制省略。
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。
（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曾的呼叫按键时，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同时才被撤销。
（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，在一个呼叫请求完成以前，不接收新的呼叫请求。
当故障报警信号有效时，任何动作都无效，指示灯灭。
（4）在上下行的同时在电梯的运行中由变频器速度给定。
如图2-1为电梯速度运行曲线所示：
图2-1速度运行曲线
2.5电梯控制系统的原理图
电梯控制系统的方框图如图2-2所示：
图2-2电梯控制系统结构图
3.系统硬件设计
3.1可编程控制器（PLC）的选型
3.1.1PLC概述
可编程控制器，英文称ProgrammableController，简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。
PLC是用于工业现场的电控制器。
它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。
它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。
PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：
1、逻辑处理功能；
2、数据运算功能；
3、准确定时功能；
4、高速计数功能；
5、中断处理（可以实现各种内外中断）功能；
6、程序与数据存储功能；
7、联网通信功能；
8、自检测、自诊断功能；
可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎都可以做到。
像PLC这样。
集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。
丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。
3.1.2PLC的选型
在PLC系统设计时，确定控制方案之后，下一步工作就是PLC工程设计选型工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
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、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
（1）输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，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，对输入输出点数进行圆整。
根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入31点，输出33点。
（2）存储器容量的估算
程序容量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定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/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。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。
（3）控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择：
1、控制功能
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的只能输入输出单元完成所需要的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
2、编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器共用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。
完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。
离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。
在线编程方式：
CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。
这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
3、诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。
硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。
通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
（4）机型的选择
目前，国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱、无所适从。
通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O响应时间的选择以及输出负载的特点选型的分许。
我们决定使用三菱公司成产的FX2N系列的FX2N—64MR型号的PLC可编程序控制器作为电梯的控制器。
3.2变频器的选型
本实验电梯控制系统是模拟型的，所以我们设计的是通过变频器的外控制端子实现电动机的正反转及速度的变化。
我们选用的是三菱E450变频器。
其实物图如图3-1所示：
图3-1三菱E540变频器的实物图
3.3电机的选型
电梯曳引电机特点
电梯时典型的位能性负载，根据电梯的工作特性，电动机应有如下性质：
（1）能频繁地起动和制动，起动电流较小。
（2）电动机运行噪声低，电动机散热好。
此外，曳引电动机具有两个轴伸端：
其一端为传动端与减速器耦合，另一端为非传动端，通常装有飞轮。
用于增加运动系统的转动惯量。
考虑以上因素，本设计选用J250系列永磁无齿曳引电动机。
如图3-2所示：
图3-2J250系列永磁无齿曳引电动机
3.4PLC外部电路的设计
（1）报警系统设计
通过输入模拟信号发出故障产生信号。
当按下故障报警信号产生键时，故障报警指示灯亮，发出报警声，指示灯延时10S。
10S后，系统重置。
报警指示灯是Y002，现报警系统的线路。
如图3-3所示：
图3-3报警系统接线图
（2）定位系统的设计
电梯在格层之间运行，总有指示灯显示所在的位置，图3—4为电梯七段显示灯，例如，电梯处于一楼位置时，经过传感器的测定，给PLC一个输入信号，输出信号Y30、Y31、Y32、Y33连接译码电路，通过信号的输出使发光二极管b、c点亮，显示此时电梯停在一楼。
如图3-4为七段显示器的结构所示：
图3-4七段显示器的结构
3.5硬件节点图
系统的硬件连接图即PLC和系统中各个硬件的连线。
具体的如图3-5所示：
图3-5硬件接线图
3.6I/O分配表
输入：
序号
输入
说明
序号
输入
说明
1
XO
开门按钮
11
X12
4楼按钮
2
X1
关门按钮
12
X13
1楼下限位开关
3
X2
慢上按钮
13
X14
2楼上限位开关
4
X3
慢下按钮
14
X15
2楼下限位开关
5
X4
自动手动转换开关
15
X16
3楼下限位开关
6
X5
急停按钮
16
X17
3楼上限位开关
7
X6
警铃按钮
17
X20
4楼上限位开关
8
X7
1楼按钮
18
X21
门开到位
9
X10
2楼按钮
19
X22
门关到位
10
X11
3楼按钮
20
X23
进出门感应器
输出：
序号
输出
说明
序号
输出
说明
1
Y0
开门
10
Y11
下降指示灯
2
Y1
关门
11
Y12
1楼指示灯
3
Y2
上升
12
Y13
2楼指示灯
4
Y3
下降
13
Y14
3楼指示灯
5
Y4
中速
14
Y15
4楼指示灯
6
Y5
慢速
15
Y16
1楼按钮灯
7
Y6
报警铃声
16
Y17
2楼按钮灯
8
Y7
到层提示音
17
Y20
3楼按钮灯
9
Y10
上升指示灯
18
Y21
4楼按钮灯
4.系统软件设计
4.1PLC梯形图概述
图形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与继电控制的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑运算。
梯形图中逻辑运算是按从左至右、从上至下的顺序进行的。
运算的结果，马上可以被后面的逻辑运算所利用。
逻辑运算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据运算瞬间外部输入触点的状态来进行的。
4.2SWOPC–FXGP/WIN–C编程软件的操作方法
本课题采用的编程软件为SWOPC–FXGP/WIN–C编程软件，具体的操作方法如下：
（1）打开SWOPC–FXGP/WIN–C编程软件，之后点击
，在下拉菜单栏里点击“新文件”，再选择
，确定打开后就可以绘制梯形图编程课题的程序。
（2）在打开文件之后就可以绘制梯形图，根据所编的程序的，在页面面的功能图。
如4-1所示：
图4-1SWOPC–FXGP/WIN–C编程软件的功能图
在绘制梯形图中选择需要的输入元件，完成对梯形图的绘制。
（3）完成梯形图的绘制后，在软件的菜单栏中点击
，并在下拉菜单中的“寄存器（R）数据传送”的子栏中选择“写出”，将程序编入三菱FX2N—64M。
4.3系统工作过程分析
1、初始化。
2、确认本层与目标层，检测是否有厅外呼叫或厢内呼叫，无则结束。
3、若有呼叫，分辨本层与目标层是否一致。
是则开门。
4、确认电梯启动方向。
5、电梯启动。
6、电梯加速。
7、电梯高速运行。
8、隔层检查。
9、是否是目标层，不是则电梯继续高速运行。
10、到目标层，电梯减速。
11、平层电测。
12、电梯制动。
13、开门。
14、延时后再开门。
15、是否停止运行，不是则原地等待。
16、确认运行结束则停止运行。
4.4控制系统程序设计
4.4.1开关门控制及保护安全保护
开关门控制程序是按照双开门有/无司机控制来设计的。
主要完成电梯的手动开门、手动关门、无司机状态下的自动延时关门、基站外启动时的开关门等功能。
（1）本层开门
本层开门是指电梯在停车状态和非检修（有/无司机）条件下，当轿厢所在楼层有向上召唤且没有定下方向，或者有向下召唤而没有定上方向时，电梯自动开门，电梯本层开门的条件也可简化为：
在停车状态下，当轿厢所在楼层有厅外召唤时，电梯自动开门。
（2）开门控制及安全保护
开门到位后，若没有碰到开门限位开关，或限位开关失灵，则由于开门继电器吸合，门电机会发生堵转，时间一长电机可能烧毁。
为此，设计了门电梯保护程序，当开门动作时间超过正常开门时间2-3S后，通过定时器计时自动断开门信号，停止开门。
如果没有外界开门信号，即X3和M70为OFF，其闭点位ON，则定时器T0开始计时，当计时时间到，如限位开关仍未动作，则通过T0闭点断开Y2，停止开门，并由T0开点使定时器自锁，Y2维持OFF。
当有开门信号时，X3或M70为ON，其闭点OFF，定时器复位，T0闭点位ON，可在此进行开门控制。
（3）关门控制
关门的条件有以下几种：
停车状态下按关门按钮、无司机状态下自动关门、时间到、锁梯时钥匙开关断开。
停止关门或不关门的条件：
关门到位碰到关门限位开关、有开门信号、开关继电器吸合、超载开关动作。
在关门梯形图中也设置了关门安全保护，因为关门限位开关若不动作或失灵，同样容易将电梯烧毁。
与开门过程保护一样，可在开始关门后通过定时器计时，超过正常关门时间，自动停止关门，以保护电梯。
4.4.2电梯的内指令外召唤信号的登记消除及显示回路
（1）内指令信号处理
内指令信号的处理包括信号的登记、显示基本层（停车）消息。
信号的登记采用自锁原理，不论电梯上行或下行，当轿车运行至有内指令的梯层时，均要换速停车，并消除登记信号，不需反射信号。
（2）外召唤信号处理
厅外召唤信号同样需要进行登记，显示本层停车信号，此外还具有反向运行保护功能。
4.4.3呼梯铃控制与故障报警
在司机运行方式下X4为ON，当有厅外召唤时，蜂鸣器发出声音向司机提示有呼梯信号。
当某层站有上召唤或下召唤信号时，均使Y7为ON，由站点输出接通呼梯铃。
当PLC备用电池电压过低时，特殊功能继电器M8005为ON，利用M8011时蜂鸣器发出周期为0.01S的报警声；按下警铃时利用M8012产生周期为0.1S的报警声；超载时，利用PLC的特殊功能继电器M8013，时蜂鸣器发生周期为1S的报警声。
如图4-2呼梯铃控制与故障报警所示：
图4-2呼梯铃控制与故障报警
4.4.4电梯的消防运行回路
电梯的消防运行包括两种状态：
消防返基站和消防员专用。
（1）消防自动返回下基站
当接通消防开关X20为ON，并由其产生一个上升微分信号M80，该信号用于将所有内选外呼信号。
当电梯正在上升时，Y0为ON，由M67立即发出消防强迫换速信号，就近平层，在停车后自动使内选一层信号M10为ON，如电梯处于停车状态或正在下行，自动消号后，电梯也将自动内选一层返回基站。
（2）消防员专用
电梯自动返回下基站停车后，M0为ON，并使开门信号Y2为ON，则消防员专用信号M85接通，并自保。
同时切断消防上行强迫换速Y4和自动内选一鞥M10程序，在消防员专用状态下，恢复内选功能，由消防员内选关门后，电梯只按内选指令正常运行换速平层停车，且在每次运行停止，由M83发出下降沿微分信号，用于每次运行停车后消除所有登记信号。
如需再次运行，必须再次选择内指令信号。
（另注：
电梯完整梯形图见附图，梯形图按图示次序相接）
5.结论
本系统主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了利用可编程控制器控制电梯的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等提点。
当电梯的功能增加时，硬件接线上只需要增加行程开关输入信号。
原来的接线不需要改变，软件上只需要增加相应的程序以及输出的功能，要改动的地方也较少。
调试结果表明，在适应性、精确性和可靠性方面，达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。
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