基于PLC的自动电梯电气控制系统设计.docx

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基于PLC的自动电梯电气控制系统设计

基于PLC的自动电梯电气控制系统设计

摘要

在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。

特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。

随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期,电梯控制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，其许多功能传统的继电器控制系统无法实现的。

本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器（PLC）应用于两层电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，缩短了电梯的开发周期，并提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。

本文所设计的电梯与传统的电梯相比，在运行上具有良好的舒适感，在生活中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。

在介绍电梯基本结构的基础上，深入分析了电梯的工作原理，阐述了PLC的优点及特点，重点分析了电梯的硬件设计和软件设计，研究并提出了基于PLC电梯控制系统设计的实现方案，最后对本论文的研究内容进行了总结与展望。

关键词：

电梯、变频器、PLC控制、变频调速

Abstract

Inthemodernsocialandeconomicactivities,computertechnology,automaticcontroltechnologyandpowerelectronictechnologyhasbeenrapiddevelopment,thelifthasbecomeasymbolofurbanmaterial.Especiallyinthehigh-risebuilding,theelevatorisnotalackofverticaltransportationequipment.Withtherapiddevelopmentofhigh-risebuildingsoftoday,theliftindustryalsohasenteredanewperiodofdevelopment,elevatorcontroltechnologyhasbeendevelopedtotheFMspeedregulator,thelogiccontrolbythePLCtoreplacetheoriginalrelaycontrol,manyofitsfunctionstraditionalrelaycontrolsystemcannotbeachieved.

ThedesignforthestatusquoofChina'selevatorindustrywillbeaprogrammablelogiccontroller（PLC）usedfortwo-storeyelevatorcontrollogic,throughtherationalselectionanddesign,notonlytoimprovethereliabilityoftheelevator,maintainability,andflexibility,whileextendingtheoflifeandshortenthedevelopmentcycleoftheelevatorandtheelevatorcontroltoraisetheleveloftheelevatoroperationtoimprovethecomfort,sothatthelifttoreachamoresatisfactorycontroleffect.Inthispaper,thedesignoftheelevatorbytheelevatorwhencomparedwiththetraditional,intherunwithgoodcomfort,inlifecansaveenergy,andachievedgoodeconomicandsocialbenefitstoachievethedesiredpurpose.

Inintroducingthebasicstructureoftheliftonthebasisofthedepthanalysisoftheworkingprincipleoftheelevator,onthemeritsandcharacteristicsofPLC,thefocusofananalysisofthelifthardwaredesignandsoftwaredesign,researchandPLCbasedcontrolsystemdesignedtolifttheachievementoftheprogram,Finally,thestudyofthisthesisaresummarizedandprospects.

Keywords：

Elevator，Inverter，PLCcontrol，VVVF

前言

可编程控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用工业自动化装置，它将传统的继电器-接触器控制系统与计算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，因此近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用，被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。

电梯采用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。

本设计考虑到工业生产中的实际操作功能，所设计的控制系统针对的是两层电梯。

代替传统的继电控制系统，由变频器实现对电梯的拖动调速，使PLC与调速拖动装置相结合，构成PLC集选控制系统，实现了电梯的各种控制功能，提高了电梯运行的可靠性，降低了故障率。

本书将从实际应用的角度出发，针对PLC所涉及的有关技术，全面、系统地介绍PLC的各方面知识。

本书选择了功能较为齐全、具有一定代表性的日本三菱公司的FX2N型PLC进行介绍。

1PLC概述

1.1PLC的产生

20世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制了。

但由于计算机技术本身的复杂性、编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，它未能在工业控制中广泛应用。

当时的工业控制，主要还是继电器-接触器组成的控制系统。

20世纪60年代以前，自动控制最先进的装置就是继电器控制盘，它对当时的生产力发展确实发挥了很大的作用。

以继电器为核心器件的自动顺序控制系统有许多固有的缺陷：

1）系统利用布线逻辑来实现各种控制，需要使用大量的机械触点，系统运行的可靠性差；

2）当生产的工艺流程改变时要改变大量的硬件接线，为此要耗费许多人力、物力和时间；

3）功能局限性大；

4）体积大、功耗多。

20世纪60年代，在世界性技术改造浪潮的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应更快的新型工业控制器。

1968年，美国最大的汽车制造商－通用汽车（GeneralMotors，GM）公司，为适应汽车产品的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线，减少时间，降低成本。

因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程、面向对象”的“自然语言”进行编程，是不熟悉计算机的人也能方便地使用，即硬件减少，软件灵活、简单。

针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件，立即引起了开发热潮，这就是著名的GM10条：

1）编程简单，可在现场修改程序；

2）维护方便，最好是插件式；

3）可靠性高于控制柜；

4）体积小于继电器控制柜；

5）可将数据直接送入管理计算机；

6）在成本上可与继电器控制柜竞争；

7）输入可以是交流电；

8）输出能直接驱动电磁阀；

9）在扩展时，原有系统只要很小的变更；

10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。

1969年美国数字设备公司（DEC）研制了第一台可编程序逻辑控制器（ProgranmableLogicController,PLC）,并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了共业控制的新局面。

接着，美国MODICON公司（现为施耐德公司MODICON公司）也开发出了PLC084系列。

至20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。

不仅控制功能增强、功耗和体积减少、成本下降、可靠性提高、编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O（输入/输出）和通信网络、数据处理以及图像显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为了实现工业生产自动化的一大支柱。

随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，具有了更多计算机的功能，所以又简称PC。

目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现了SoftPLC，它更展现了PLC领域无限的发展前景。

PLC一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。

国际电工委员会（IEC）曾先后于1982年11月、1985年1月和1987年2月发布了PLC标准草案第一、二和三稿。

在第三稿中，对PLC做了如下定义：

PLC是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来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命令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

IEEE对PLC的定义强调了PLC是：

1）数字运算操作的电子系统——实质是计算机；

2）专为在工业环境下应用而设计；

3）面向用户指令——编程方便；

4）逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作；

5）数字量或模拟量输入输出控制；

6）易于控制系统连成一体；

7）易于扩充。

1.2PLC的特点

PLC是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器-接触器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展等优点而应用越来越广泛。

但在使用时由于工业生产现场的工作环境恶劣、干扰源众多，如大功率用电设备的启动或停止引起电网电压的波动形成低频干扰，电焊机、电火花加工机床、电动机的电刷等通过电磁耦合产生的工频干扰等，都会影响PLC的正常工作。

为了确保整个系统稳定可靠，应当尽量使用使PLC有良好的工作环境条件，并采取必要的抗干扰措施。

PLC是属于存储程序控制的一种装置，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作修改，在很大程度上只须改变软件指令即可，使得硬件软件化。

因此它在工业控制中的地位越来越高，占有极其重要的地位，最重要的原因是它具有一些独特的特点。

1.可靠性高、抗干扰能力强

PLC是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰、精选元器件的措施。

它可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，运行的稳定性和可靠性较高。

PLC是以集成电路为基本单元的电子设备，内部处理不依赖于触点，元器件的寿命长，平均无故障工作时间高。

工业生产一般对控制设备可靠性要求很高，要求它有很强的抗干扰能力，能在恶劣环境下可靠地工作。

平均故障间隔时间长、故障修复时间短，这是PLC控制优于微型计算机控制的一大特点，一般PLC平均整机无故障时间可长达几万~几十万小时。

PLC本身具有很强的自诊断功能，保证在“硬核”（如CPU（中央处理器）、RAM（随机存取存储器）、I/O总线等）都正常的情况下执行用户程序。

一旦出现CPU故障、RAM故障或I/O故障就立即给出CPU出错信号并停止用户程序的执行，切断所有输出信号等待修复。

有些高档PLC具有CPU并行操作，若某个CPU出了故障，系统仍能正常工作并给出“带病”工作信号，要求修复出现故障的CPU，这就增加了PLC工作的可靠性。

2.控制程序可变，具有很好的柔性

由于PLC自身硬件特点，用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制造硬件装置，只需要根据控制要求进行模块的配置，用户所作的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。

对于一个控制系统，在生产工艺改变或生产线设备更新的情况下，不必改变PLC的硬件设备，只需改变程序就可满足变更控制功能的要求。

它与外部设备的连接方便，通信协议标准。

PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制造硬件装置。

因此,PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。

当生产工艺改变时，在很大程度上只需改变用户程序，这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合。

现今PLC已经朝着嵌入式方向发展，并将进入日常生活中。

3.编程简单使用方便

PLC的编程大多采用类似于继电器控制电路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握，这是PLC控制优于微型计算机控制的另一特点。

它以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，形成一套别具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。

电气技术人员在了解了PLC工作原理和它的编程技术后，就可迅速地结合实际需要进行应用设计，进而将PLC用于实际控制系统中。

4.功能完善

现代PLC具有数字量和模拟量I/O模块，具有逻辑运算、算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录、显示、监测等功能，使设备控制水平大大提高。

PLC既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。

PLC还有许多特殊功能模块，适于各种特殊控制的要求，如定位控制模块、CRT（阴极射线管）显示模块等。

5.扩充方便组合灵活

PLC产品具有各种扩展单元，可以方便地适应不同工业控制需要的I/O节点数及I/O方式的系统。

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、脉冲或电位以及强电或弱电等，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈和控制阀等直接相连。

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，它还有多种通信连网的接口模块等。

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。

因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。

6.减少了控制系统设计及施工的工作量

由于PLC采用了软件来取代继电器-接触器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，它采用软件编程来达到完成控制工程的工艺要求，而不是用硬接线。

PLC控制系统的安装接线工作量比继电器控制系统少得多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O接口相连。

这样便减少了设计和施工的工作量，同时PLC软件设计和调试大部分可以在实验室模拟进行，模拟调试好后再将PLC控制系统进行现场联机调试，方便省时。

7.体积小、重量轻，是机电一体化的特有产品

PLC是专为工业控制而设计的专用计算机，它是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧密、坚固，体积小，重量轻，功耗低。

又因其抗干扰能力强，易于装入机械设备内部，因而成为了机电一体化的理想设备。

1.3PLC的分类

由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，要按统一的标准对它们进行分类十分困难。

通常，按I/O点数可划分成大型、中型和小型三类；按功能强弱又可分为低档机、中档机和高档机三类；按结构分又分为整体式和模块式两类。

1.按I/O点数分类

（1）小型PLC

I/O点数小数256点，单CPU，8位或16位处理器，用户存储器容量在4KB以下，如：

GE-I美国通用电气（GE）公司

T1100美国德州仪器公司

F、F1、F2日本三菱电气公司

C20C40日本欧姆龙公司

S7-200德国西门子公司

EX20EX40日本东芝公司

SR-20/21中外合资无锡华光电子工业有限公司

（2）中型PLC

I/O点数在256-2048点之间，双CPU，用户存储器容量为2~8KB，主要采用模块组合式结构，如：

S7-300德国西门子公司

SR-400中外合资无锡华光电子工业有限公司

SU-5、SU-6德国西门子公司

C-500日本欧姆龙公司

GE-Ⅲ美国GE公司

（3）大型PLC

I/O点数大于2048点，多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量为8~16KB，它是为要求连续控制的大型工厂或大型机器设计的，如：

S7-400德国西门子公司

GE-Ⅳ美国GE公司

C-2000日本立石公司

K3日本三菱公司

2.按结构分类

（1）整体式（单元式或箱体式）PLC

将电源、CPU、存储器及I/O模块等各个功能部分集成在一个机壳内，如：

C20-P、C40-P、C60P日本欧姆龙公司

F1系列日本三菱公司

EX20/40系列日本东芝公司

SLC500美国AB公司

（2）模块式（积木式）PLC

将构成PLC的各个部分按功能做成独立模块，并按需要组合，如：

C200H、C1000H、C2000H日本欧姆龙公司

PLC5系列美国AB公司

984系列美国MODICON

S5-100U、S5-115U、S7-300、S7-400德国西门子公司

此外，也有将整体式与模块式结合起来的PLC，称为叠装式PLC，其配置更为灵活。

3.按功能分类

（1）低档机

主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档机

有较强的模拟量处理、数值运算、数据处理、PID（比例、积分、微分）控制、远程I/O及连网通信等功能。

（3）高档机

增设有特殊功能运算和制表、表格传送等功能；具有更强的通信连网能力，可用于大规模过程控制。

1.4PLC的功能和应用

随着PLC性价比的不断提高，微处理器芯片及有关元器件价格大幅降低，PLC的成本也有所下降，PLC的功能大大增强，因而PLC的应用日益广泛。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业，其应用范围大致可归纳为以下5种：

1.开关量的逻辑控制

这是PLC的最基本、最广泛的应用领域。

2.运动控制

PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。

3.闭环过程控制

PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制。

4.数据处理

现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传输、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。

5.通信连网

现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232、或RS485接口，可进行远程I/O控制。

多台PLC可彼此间连网、通信，外部器件与一台或多台PLC的信号处理单元之间实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。

PLC的通信包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和它的智能设备之间的通信。

1.5PLC的发展

PLC的应用是以微处理器为核心的，它是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，因而在制造、冶金、能源、交通、化工、电力等领域有着广泛的应用，成为了现代工业控制的支柱之一。

PLC从诞生到现在，按照CPU的发展来划分经历了4次换代，见表1-1：

表1-1PLC的划分

代次

器件

功能

第一代（1969~1972）

1位处理器

逻辑控制功能

第二代（1973~1975）

8位微处理器及存储器

产品系列化

第三代（1976~1983）

高性能8位微处理器及位片式微处理器

处理速度提高，向多功能及连网通信发展

第四代（1983至今）

16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器

具有逻辑、运动、数据处理、连网功能的名副其实的多功能

现代PLC的发展有两个主要趋势：

其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展。

即现今开始发展的嵌入式PLC控制方式；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。

PLC的发展趋势具体如下：

1.大型网络化

2.多功能

3.高可靠性

2PLC的组成和工作原理

2.1PLC的硬件组成

PLC由于其自身的特点，在工业生产的各个领域得到了愈来愈广泛的应用。

PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器[CPU（中央处理单元）]、存储器[RAM（随机存取存储器）/ROM（只读存储器）、输入输出（I/O）接口电路、通信接口及电源组成。

PLC的基本结构如图2-1所示。

图2-1PLC的基本结构

2.1.1中央处理器（CPU）

CPU是PLC的控制核心。

它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

当PLC运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像寄存区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算，并将结果送入I/O映像寄存区域或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，去指挥有关的控制电路，如此循环直到停止运行。

2.1.2存储器

PLC的存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器3种。

1.系统程序存储器

在系统程序存取区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，用来存放制造商为用户提供的监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其他各种管理程序。

由厂商固化在EPROM中，用户不能直接存取。

程序固化在ROM中，用户无法改变。

它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。

2.用户程序存储器

存放用户程序和数据的存储器称为