升降电梯PLC控制系统设计.docx
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升降电梯PLC控制系统设计
升降电梯PLC控制系统设计
摘要：
随着经济不断发展高层建筑随之增多,且朝着自动化和智能化的方向发展。
电梯作为高层建筑的垂直交通工具,是高层建筑内自动化层度最高的机电设备。
随着硬件技术的成熟电梯的价位不断下降，电梯设计开发的费用在电梯成本里占很大比重。
电梯控制系统设计与技术相对成熟的电梯结构设计相比，经费耗费较多。
因此对电梯控制系统进行研究有着很高的实用性和巨大的经济价值。
可编程控制器（PLC）经过几十年的发展，技术已基本成熟，价格也很便宜。
可编程控制器具有简单易用、可靠性高和维修方便的优点，在电梯控制领域应用极为广泛。
本文通过分析电梯控制系统工作过程及特点,用（PLC）编程语言编写出实现电梯基本功能的控制系统。
具体包括：
电梯控制分析、电梯设计方案论证、PLC及I/O模块的选择、使用模块化设计方法编写PLC程序。
关键字：
电梯控制PLC模块化设计
Abstract:
Alongwitheconomycontinuouslydevelopmentkeyfiguresbuildingimmediatelyincreasecombinetowardautomationandtheintelligenceturnadirectiondevelopment.Theelevatoriskeyfiguresbuildingofperpendicularpileupiskeyfiguresinbuildingautomationlayerdegreethetallestmachineelectricityequipments.Alongwithhardwaretechniqueofmaturethepriceoftheelevatorcontinuouslydescend,elevatordesigndevelopmentoftheexpenseshaveverybigspecificweightintheelevatorcost.Elevatorcontrolsystemthedesignandtechniquebeoppositematureofelevatorstructuredesigncomparebudgettowastemore.Thereforetoelevatorcontrolthesystemcarryonresearchtohaveveryhighfunctionwithhugeeconomyvalue.
Programmablecontroller（PLC）throughthedevelopmenttechniqueforthisseveraldecadesalreadybasicmature,pricealsoverycheapness.PLChavesimpleeasyuse,goodforcredibilityandmaintainconvenienceofadvantage,atelevatorcontrolrealmapplicationextremelyextensive.
ThistextpassanalysisprocessandcharacteristicsofthesystemworkoftheelevatorcontroltousePLCplaitdistancelanguagetowriterealizationtheelevatorbasicfunctionofcontrolsystem.Concreteinclude:
Elevatorcontrolanalysis,elevatordesignprojectanalysis,PLCandI/OmoldpieceofchoiceandapplicationthemoldpieceturndesignmethodtowritePLCprocedure.
Keyword:
ElevatorcontrolPLCMoldpieceturnsadesign
第1章前言
随着城市建设的不断发展，房地产是被广泛看好的产业。
房价一涨再涨导致高层建筑不断增多，高层建筑将在一定程度上缓解住房问题。
电梯作为高层建筑中垂直运输的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
目前高层建筑的主要发展方向是自动化和智能化。
作为垂直运输设备的电梯在高层建筑自动化和智能化发展中发挥着巨大作用。
以前，电梯主要采用单片机控制，其性能等各方面都不太完善。
现在电梯控制系统多采用PLC，从电梯的性能、器件的灵活性及安全保障方面等都有了很大的提高。
电梯控制系统主要由调速部分和逻辑控制部分构成。
本文将要完成电梯逻辑控制的基本内容，实现对电梯基本运动功能的控制。
本设计从硬件和软件两大部分进行。
以电梯控制系统分析和提出的设计方案为基础,确定硬件配置和I/O接线。
模块化设计作为系统逻辑控制软件的设计思想,在文中做了简要介绍并对系统逻辑控制部分做了进一步分析。
最后完成整个控制系统软件的编写。
因为电梯控制系统的复杂性,要在短时间内完成电梯控制系统的所有功能实属困难。
所以本设计将有针对性的完成电梯逻辑控制部分和开关门部分的控制。
由于时间仓促加上能力有限，在电梯控制领域还是新手,文中有欠妥的地方还请不吝赐教，谢谢！
第2章电梯控制分析
2.1设计内容
我所要设计的是一种乘客自己操作或有时也可以有专职司机操作的10层10站自动曳引电梯控制系统。
该系统将实现对电梯基本运动的逻辑控制。
系统控制部分由可编程控制器（PLC）来完成。
2.2控制要求
1.电梯在静止时接到指令，按先后顺序执行。
2.电梯在运行过程中收到指令，按电梯运行的方向优先执行。
2.3控制面板示意图和电梯结构示意图
图2-1电梯控制面板示意图
图2-2电梯结构示意图
2.4控制过程
首先接通电梯的总电源及控制电源、照明电源；把电梯层门和轿厢门打开；司机进入电梯轿厢内，合上轿厢内操作厢上应该合上的各种开关，并点亮轿厢内的照明灯。
电梯在底层和顶层分别设有一个向上或向下的召唤按扭，而在其它层站设有向上、下两个召唤按钮。
轿厢操作厢（操作面板）上设有与停站数相应的（10个）指令按钮，当进入轿厢的乘客按下指令按钮，指令信号就被登记。
电梯在向上过程中按登记的指令信号和向上召唤信号逐一停靠，直到有这些信号登记的最高层站和有向下召唤登记的最底层为止，然后,又反向向下按指令及向下召唤信号逐一停靠。
每次停靠时电梯自动进行减速、平层、开门。
电梯内可以有专职司机操作，也可以由进入轿厢内的乘客自己操作，也可以有某个或几个楼层的厅外召唤信号而把电梯召唤来，而且在运行应答完最后一个（即最远一个）召唤信号后，电梯即可自动换向。
但是楼层厅外召唤信号的作用只有在电梯门关闭后方可起作用，此即所谓电梯轿厢内的指令信号“优先”于厅外召唤信号。
2.5电梯启动所需条件
●安全保护系统正常
●门锁锁闭
●定向部分选择好电梯的运行方向
2.6电梯停车所需条件
●选层部分选择好停靠楼层
●电梯必须到达要停靠楼层的减速点
●电梯到达停靠楼层的平层位置
2.7电梯控制系统要求
1.快速性
●提高电梯额定速度VN
●集中布置多台电梯
●尽可能减少电梯启、停过程中的加、减速时间
2.舒适性
●加速度不能太大
●加速度变化率不能太大
3.稳定性
稳定性是指系统重新恢复平衡的能力。
4.准确性
5.抗干扰性
2.8电梯运行控制内容
●启动：
轿厢门关闭，电动机得电正转或反转。
●加速：
电梯由静止到匀速运行的过程。
●减速：
电梯减速的条件：
停车楼层选定、减速点信号确定。
●平层运动：
所谓平层运动，指电梯减速运行至要停靠的楼层，轿门地平面与厅门地平面相平齐时，电梯停车、自动开门等运动。
第3章方案设计
由于本设计主要讨论电梯控制系统设计所以对电梯的其他设计部分只做简要的介绍。
3.1曳引
电梯曳引系统的作用是输出动力并且传递动力，从而使电梯完成向上或向下运动。
根据电动机与曳引轮之间是否有减速箱，分为有齿曳引机和无齿曳引机。
无齿曳引机由于没有减速箱这一传动环节所以传动功率高、噪声小、传动平稳。
有齿曳引机的技术比较成熟，其拖动装置的动力通过中间减速器传递到曳引轮上。
曳引电机按使用电源来分，分为直流电机和交流电机。
直流电机虽不及交流电机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，但由于长期以来交流电机的调速问题未能得到很好的解决，在此之前，直流电机具有交流电机所不能比拟的调速性能和启动性能。
到目前为止，虽然交流电机的调速问题已经解决，但在调速要求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的机械上仍然采用直流电动机拖动。
交流电机是近几年才开始迅速发展起来并且被认为是很有前途的动力源，一直限制其使用范围的调速性能已经解决并且具有结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠等优点。
随着液压技术的成熟出现了液压电梯。
液压电梯是通过液压动力源（液压泵）把油压入油缸，使柱塞向上运动，直接或间接地作用在轿厢上，使轿厢上升；轿厢下降一般是靠轿厢自重使油缸内的油流回油箱中。
液压电梯可有效的利用建筑物空间、安装维修费用低，承载能力大等优点。
但是液压电梯由于控制、动力结构等方面的原因速度一般限于1m/s，提升高度也很少有超过20m的；其运行速度受油温度的影响，油温变化时运行速度将有波动；由于液压电梯的油管一般掩埋在地下，维修不很方便，会带来污染。
目前液压电梯主要用于停车场、仓库以及小型的低层建筑中。
对于速度慢、负载大及行程短的场合，选用液压电梯比曳引电梯更经济适宜。
本设计曳引采用：
交流异步电机。
3.2调速
电梯的调速是由曳引电机变速来实现。
电动机的调速是在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电路参数以达到改变电动机稳定转速的目的。
直流电机常用调速方法：
改变电枢电路外电阻，改变电枢供电电压，改变电动机主磁通。
交流电机常用调速方法：
调压调速，改变电路串电阻调速、改变极对数调速、变频调速。
改变磁极对数调速：
20世纪60～80年代生产的双速交流电梯就使用改变磁极数调速。
双速交流电梯拖动系统结构与技术简单，运行舒适感较差，速度一般也在1m/s以下。
这种电梯通常采用继电器控制，故障率高，越来越不适应现代社会的需要，其产量逐年降低。
今后双速交流拖动方式将主要用于货梯。
货梯中控制部分也将由触点控制改为无触点控制，以提高运行可靠性。
变频调速：
通过改变电源的频率实现异步电机的调速。
由于变频调速不涉及异步电机的转子电路，因此，可以采用异步电动机做拖动电机。
异步电动机结构简单，价格低廉，坚固耐用的优点使变频调速具有较大的吸引力。
随着电力电子技术的发展，出现了晶闸管变频器、大功率晶体管变频器，这些电子变频器体积小，价格较低，运行噪声小，维护管理工作量小。
随着开关元件工作频率的提高，变频器输出电压的波形更加接近正弦波。
由于矢量控制理论的提出，使交流电动机变频调速的转矩控制达到和直流调速相当的程度。
目前我国电梯生产厂几乎都生产变频电梯，国产变频调速电梯在逐步取代其他类型的电梯，成为电梯的主流产品。
变频调速器有专门的制造厂商生产，其接线与编程各生产厂家不同，其设置方法在附带的说明书里面都有详细介绍。
为了减少设计工作量这里不采用变频调速而由电动机直接拖动。
3.3安全
电梯安全一方面是设计时考虑电梯部件失效的预防,防止乘客受伤，另一方面就是保证乘客的物品安全。
设计时应使电梯结构合理，对所有与安全事故有直接联系的结构进行严格的演算，务必将安全事故从理论上降低到最小值，使重要结构的各项参数均满足要求，对于非常重要的结构必要时可以应用CAD/CAE进行设计。
也可以用设备冗余的办法来保证安全性，如：
为电梯设置两个曳引电机：
在主曳引电机正常工作时,另一个曳引电机不工作（或者只分担少部分工作），当主曳引电机出问题时另一台曳引电机就开始工作（或挑起全部工作），使电梯在等待维修的时间内能正常工作。
设计电梯时还应该考虑各种防护装置的应用，如：
限速器是用来阻止电梯运动过程中超速的安全装置，一般装在曳引轮上面作为曳引机的一个部件。
当悬挂轿厢的钢丝绳断裂，那么轿厢就以g为加速度向下加速运动是不安全的。
如果在滚动导靴上安装限速器就能够预防这种情况。
当然，仅使用限速器还不能完成该任务，要用安全钳、限速器、终端超越保护等安全装置共同来完成。
设计时还应全面考虑各种情况，如：
电梯突然停电而电梯内刚好有乘客，应该让乘客在最短时间内从电梯里面出来。
可以考虑在电梯内安装对讲装置或者使用透明的轿厢门，以便停电时能尽快采取救护措施。
保证物品安全。
可以在里面安装摄像头等监控设备,也可以将轿厢的四壁做得光亮如镜,让所有乘客尽可能看到里面每个人的一举一动。
有的电梯门打开后到一定的时间就自动关闭，这很可能是在乘客还没有完全离开（进入）轿厢而电梯门就已经关闭了。
为了预防这种情况，可以将电梯关门等待时间设置得较长。
也可以在电梯内安装红外线检测装置就能解决这个问题：
当红外线检测到轿厢外部（内部）没有人后再关门，就能保证人员完全进入（离开）轿厢。
安全性在控制系统软件里面体现为电子器件间的互锁及停电保护功能等。
具体内容将在软件设计里面进行讨论。
3.4便利
电梯是高层建筑里面的垂直交通设备,为人们提供最便利的服务。
除了将电梯布置在容易看见的地方方便使用外，还有的在轿厢里面安装整容镜、扶手、凳子和挂衣服的挂钩等。
一些特殊用途的电梯如：
医用电梯的门较窄且深以方便运送病床等医用机械。
同样，人口密集建筑内的电梯要比人口相对较少的建筑内的电梯多,并且电梯门的尺寸要大得多。
公司专用电梯为了方便员工取消了层站呼叫按钮采用先进的磁卡技术，其控制系统更为复杂，只能用微机进行控制。
将磁卡数据与员工数据库进行连接，在数据库里面建立员工工作所在楼层字段，当读卡器识别出磁卡后自动在数据库里面搜索员工工作所在楼层，并将结果作为电梯将要停靠的楼层数据。
当然设计电梯还要考虑土建、安装和施工的方便。
在本设计中，电梯控制系统由PLC完成，主要实现电梯基本功能的逻辑控制，所以这里弱化电梯的便利性。
3.5舒适
电梯的运输对象是人，电梯本身就为人们提供服务，它的舒适性就显得相当重要。
电梯发出的噪声不论是电梯里的乘客,还是电梯附近的人都会觉得难受。
降低电梯的噪声，除了从电梯的设计、制造及安装上采取相应措施外，也应从建筑设计的角度考虑，充分利用地形或建筑物的隔音屏障效应，构建环境噪音影响最小的建筑布局，使噪声降低至最低限度。
污浊的空气也会导致电梯里面乘客感觉不适。
污浊的空气使人头昏、胸闷,严重时会让人呕吐。
在电梯内放几株绿色植物吸收二氧化碳,调节空气成分和湿度，绿色也会给人视觉上的享受。
也可以在电梯里面安装空调来调节空气成分和气温，但是成本较高。
冲击也会影响人的舒适感。
除了考虑速度调节外还应该合理使用缓冲装置，在结合处尽量使用弹性元件和饶性元件以减轻冲击和震动。
电梯主要运动的加速度及其变化率是影响舒适的主要原因。
这部分主要靠曳引电梯变速来实现，这里不做讨论。
3.6布置
电梯作为高层建筑的垂直交通工具是建筑物内最为引人注意的设备，它应与大楼的装饰相协调。
电梯应设置在最容易看见的地方。
若是多台电梯，要从运行效率、缩短候梯时间以及降低建筑费用等方面综合考虑，最好把电梯集中布置在一个地方而不要分散设置。
从电梯使用方便的角度考虑，可以将电梯对正大门或在大厅入口处并列设置。
如果将电梯设置在大门或大厅通路的两侧。
为防止靠近正门或大厅入口的电梯利用率高于距离远的电梯的情况出现,可以根据建筑物的功能将电梯指定服务层，使每个电梯服务均等。
电梯布置在土建设计时就已经确定好了。
这里不做讨论。
3.7控制
控制方案将在控制系统分析里面详细论述。
第4章硬件配置、I/O接线图
4.1PLC的选型
电梯控制不涉及模拟量的输入与输出。
高层建筑一般都不止一台电梯，所以对系统控制速度要求不是很高。
控制系统并不复杂：
不属于闭环控制、PID调节也不需要通讯联网。
由于三菱PLC进入国内市场较早，技术比较成熟、资料较多且功能强，其应用指令的功能足以完成电梯控制系统数据的处理。
三菱PLC编程软件GXDeveloper功能强，中文界面易学。
与GXDeveloper配套的三菱PLC仿真软件可以在不连接实际PLC设备基础上，进行PLC的开发调试，缩短程序编写、调试时间。
综上所述：
本设计采用PLC三菱公司FX系列。
4.2外部设备
由于输入、输出电器设备都有专门的厂家生产，但不同厂商生产的设备基本上没有区别，选择时主要考虑与电梯所在建筑的协调性。
在此需要说明的是：
每层楼的行程开关需要选择滚轮式。
4.3PLC容量估计
电梯实际输入和输出点数见表4-1和表4-2。
输入输出点均为开关量。
表4-1系统实际输入点数
共计输入点
40
楼层
行程开关
呼梯按钮
控制按钮
10
ST10
SB10u
SB9d
SB10
9
ST9
SB9u
SB9d
SB9
8
ST8
SB8u
SB8d
SB8
7
ST7
SB7u
SB7d
SB7
6
ST6
SB6u
SB6d
SB6
5
ST5
SB5u
SB5d
SB5
4
ST4
SB4u
SB4d
SB4
3
ST3
SB3u
SB3d
SB3
2
ST2
SB2u
SB2d
SB2
1
ST1
SB1u
SB1d
SB1
表4-2系统实际输出点数
共计输出点
14
楼层
指示灯
其他
10
HL10
升降电机
9
HL9
KM1
8
HL8
KM2
7
HL7
门控制电机
6
HL6
KM3
5
HL5
KM4
4
HL4
KM5
3
HL3
2
HL2
1
HL1
1.I/O点数估算。
根据输入和输出的总点数（40+14=54点），考虑到今后调整和扩充，加上10%～15%的备用量（59.4～62.1）。
在FX系列PLC中有FX2N-80M与FX2N-128M比较合适。
如果选择128M将会有28个输入接口（X51～X77）浪费，而FX2N-80M机有40个输入接口刚好满足要求，所以在此不考虑备用量而选择FX2N-80M机。
2.用户存储器容量估算。
应用程序占用内存多少与I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等有关。
因此在程序设计前,进行粗略的估算。
根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内存：
开关量输入：
所需存储器字节数=输入点数×10；
开关量输出：
所需存储器字节数=输出点数×8；
定时计数器：
所需存储器字节数=定时/计数器数×4；
根据存储器的总字节数,再加上一定的备用量。
所以总存储字节数大约为：
40×10+14×8+4×4=528（字节）。
4.4I/O模块的选择
输入/输出：
共64点。
传输距离较远（约30米）选择工作电压：
24V直流。
由于继电器输出价格便宜，适用范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流能力较强且具有隔离作用，输出模块为继电器输出。
无特殊功能模块。
4.5通道分配
输入点与输入信号、输出点与输出信号一一对应，按系统配置的通道与触点号，分配每一个输入信号和输出信号。
具体分配见表4-3。
表4-3I/O分配表
HL10
Y11
KM1
Y16
ST10
X11
HL9
Y10
KM2
Y15
ST9
X10
HL8
Y7
KM3
Y14
ST8
X07
HL7
Y6
KM4
Y13
ST7
X06
HL6
Y5
SB2d
X25
ST6
X05
HL5
Y4
SB1d
X24
ST5
X04
HL4
Y3
SB2
X47
ST4
X03
HL3
Y2
SB1
X36
ST3
X02
HL2
Y1
SB2u
X13
ST2
X01
HL1
Y0
SB1u
X12
ST1
X00
SB9d
X35
SB10
X57
SB10u
X23
SB9d
X34
SB9
X46
SB9u
X22
SB8d
X33
SB8
X45
SB8u
X21
SB7d
X32
SB7
X44
SB7u
X20
SB6d
X31
SB6
X43
SB6u
X17
SB5d
X30
SB5
X42
SB5u
X16
SB4d
X37
SB4
X41
SB4u
X15
SB3d
X26
SB3
X40
SB3u
X14
KM5
Y12
4.6I/O配线
1PLC外部接线图
图4-1PLC外部接线图
信号输入方式：
（1）信号的直接输入：
每个信号直接接入PLC的输入点，不附加任何电路，这是目前电梯PLC控制系统用得较多的I/O接线方法。
特点：
原理简单，接线方便，不易出错，可靠性高，维护保养、检验故障直观，需要I/O点数较多，成本较高。
（2）矩阵扫描输入
（3）信号合并输入
本设计选用信号的直接输入。
2主拖动电机控制电路简图及门机变频器接线
图4-2主拖动电机控制电路
图4-3变频器接线示意图
说明：
门机变频器的数字输入信号、继电器输出信号采用内部24V电源方式，根据COM端共高、低电平，有两种跳线设置方式：
1共电极式，COM端共高电平，S1跳线设置为VCM-G24,S2跳线设置为COM-24V；2共发射极模式，COM端共低电平，S1跳线设置为24V-VCM，S2跳线设置为COM-24V。
第5章设计思想
5.1PLC中模块化设计思想
小型PLC的操作系统（系统管理软件）建立在逻辑运算的基础上，不具备系统管理功能。
而大多数PLC使用梯形图语言编程，该语言与继电器控制系统图相似，比较直观，易于理解和掌握。
但对于一个复杂的控制系统而言，若其内部的连锁及互锁关系较为复杂，应用梯形图编程就显得非常繁琐，逻辑关系不明确，难以将程序进行优化。
如果将计算机高级语言的编程算法和模块化、结构化的程序设计思想应用到PLC软件设计中，则对于复杂的控制系统就能制定一个合理的总体方案。
根据系统控制要求，将要完成的任务转变成适合编程的有限步骤，进行模块化编程。
这种程序清晰且通用性很强。
应用系统的软件由主程序和子程序构成，进行模块化设计。
主程序充分利用PLC内部核心——单片机的强大位运算和逻辑比较功能，将一组可位寻址的内存单元作为控制对象，采用地址虚拟技术，将所选的可位寻址单元的每一个位映射为一个唯一的子程序。
主程序作为控制台，只需要对所选单元进行控制，即可实现对各个模块子程序的全局控制，从而实现了主程序真正的控制台功能。
系统效率比采用传统的继电——接触器控制系统的设计思想的程序高出若干倍，避免了各个功能之间的相互干扰，保证了系统的可靠性和稳定性。
主程序采用扫描方式，按分配的地址和权限，对各个子程序进行调用。
全套系统的整体结构采用典型的计算机网络拓扑模型：
树型拓扑结构，非常适合大型复杂控制系统的设计。
子程序完成单一的任务，为一个独立的模块，与其他子程序和主程序共享系统资
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