电梯PLC控制系统的设计.docx
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电梯PLC控制系统的设计
电梯是现代高层建筑的必备交通工具。
随着人们对电梯性能及乘坐舒适度要求的提高，其控制也由PLC控制代替了原来单纯的继电器——接触器控制模式。
本设计在电梯继电器控制系统的基础上，采用OMRONC60P完成了对电梯的逻辑控制。
本设计除了能够实现对电梯信号处理系统基本功能的控制，还考虑了其电力拖动系统在实际应用中对曳引电动机的软起动和缓制动的要求。
由于实验条件限制，本次设计的实验验证部分只能模拟电梯的信号处理过程。
模拟实验表明:
本次设计满足了设计任务书中的各项要求，取得了满意的效果。
关键词：
电梯，PLC控制，软起动，缓制动
ABSTRACT
Theelevatoristheindispensablemeansoftransportationofthemodernskyscraper.Aspeople’srequirementofelevatorperformanceandtakingcomfortimproving,ItscontrolmodeisreplacedbyPLCcontrolwiththesimpleRelaycontrol.
Thisdesigniscompletedonthebasisoftheelevator’srelaycontrolsystemwiththeOMRONC60P.Notonlyitrealizesallkindsoffunctioninthesignalprocessingsystemofelevator,butalsoconsidertherequesttomotorsofe-startandslow-brake.Asaresultofexperimentalconditionlimit,theexperimentalverificationpartofthedesignjustsimulatetheprocessoftheelevator’ssignalprocessing.Anditdemonstratethatthisdesignhasmeetalltherequirements,andachievedsatisfactoryresults
KEYWORDS:
elevator,plccontrol,start-upsoftly,applythebrakeslowly
前言
电梯是高层建筑不可缺少的交通运输工具。
作为升降设备，它起源于公元236年古希腊，随着社会的进步，电梯技术也在不断的发展。
其中，其逻辑控制也有PLC控制代替了原来的继电器控制。
在已有通用变频器的基础上，采用PLC对电梯进行控制，通过合理的选择与设计，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运行结果。
本论文是在毕业设计——电梯PLC控制系统的基础上完成的。
此次设计主要探讨了交流双速全集选电梯PLC控制系统的运行规律和逻辑控制，限于实验条件和能力考察侧重点，本次设计以软件设计为主，模拟演示中硬件设计主要为软件服务，演示作者所设计的电梯系统的信号处理功能。
从而进一步论证PLC在电梯控制系统甚或工业控制系统中的优越性。
本论文共分为五大章。
第一章：
介绍了电梯的相关知识；第二章：
介绍了可编程逻辑控制器的相关知识；第三章：
阐述了电梯PLC控制系统的硬件设计，包括模拟演示系统的设计；第四章：
阐述（模拟演示）系统的软件设计；第五章：
总结设计中的得失及感想。
本论文在编写过程中，参考和借鉴了论文后所列的参考文献和资料，并得到郝兆明老师的悉心指导和帮助，得到了各位同学和朋友的支持，在此表示衷心的感谢。
由于作者水平有限，在编写过程中难免有疏漏和不足之处，恳请各位老师、同学、朋友批评指正。
第一章：
电梯概述
1.1电梯的定义
电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备。
它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的倾角小于15度的钢性导轨之间。
轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。
它适用于装置在两层以上的建筑内，是输送人员或货物的垂直提升设备的交通工具。
随着电子工业的发展，新技术、新产品不断用于电梯控制系统，如无触点半导体逻辑控制硅（俗称可控硅）的应用；集成电路和数字控制、电脑和机群控制及调频调压技术的应用；拖动系统简化，性能提高。
1.2电梯的组成
（1）曳引系统
曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。
曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。
（2）导向系统
导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。
导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。
（3）轿厢
轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。
轿厢由轿厢架和轿厢体组成。
（4）门系统
门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。
门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。
（5）重量平衡系统
系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。
系统主要由对重和重量补偿装置组成。
（6）电力拖动系统
电力拖动系统的功能是提供动力，并对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速起控制作用。
电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。
（7）电气控制系统
电气控制系统的主要功能是通过各种控制电路完成相应电气动作功能，对电梯的运行实行操纵和控制，保证其安全运行。
电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏（柜），换速平层装置，选层器等组成。
（8）安全保护系统
保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。
由限速器，安全钳，缓冲器，端站保护装置组成。
1.3电梯的分类
根据建筑的高度、用途及客流量（或物流量）的不同，而设置不同类型的电梯。
目前电梯的基本分类方法大致如下。
（1）按用途分类
乘客电梯，为运送乘客设计，要求有完善的安全设施以及一定的轿内装饰。
载货电梯，主要为运送货物而设计，通常有人伴随的电梯。
医用电梯，为运送病床、担架、医用车而设计的电梯，轿厢有长而窄的特点。
杂物电梯，供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电梯。
观光电梯，轿厢壁透明，供乘客观光用的电梯。
车辆电梯，用作装运车辆的电梯。
船舶电梯，船舶上使用的电梯。
建筑施工电梯，建筑施工与维修用的电梯。
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）按驱动方式分类
交流电梯，用交流感应电动机作为驱动力的电梯。
根据拖动方式又可分为交流单速、交流双速、交流调压调速、交流变压变频调速等。
直流电梯，用直流电动机作为驱动力的电梯。
这类电梯的额定速度一般在2.00m/s以上。
液压电梯，一般利用电动泵驱动液体流动，由柱塞使轿厢升降的电梯。
齿轮齿条电梯，将导轨加工成齿条，轿厢装上与齿条啮合的齿轮，电动机带动齿轮旋转使轿厢升降的电梯。
螺杆式电梯，将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹，再将带有推力轴承的大螺母安装于油缸顶，然后通过电机经减速机（或皮带）带动螺母旋转，从而使螺杆顶升轿厢上升或下降的电梯。
直线电机驱动的电梯，其动力源是直线电机。
电梯问世初期，曾用蒸汽机、内燃机作为动力直接驱动电梯，现已基本绝迹。
（3）按速度分类
电梯无严格的速度分类，我国习惯上按下述方法分类。
低速梯，常指低于1.00m/s速度的电梯。
中速梯，常指速度在1.00～2.00m/s的电梯。
高速梯，常指速度大于2.00m/s的电梯。
超高速梯，速度超过5.00m/s的电梯。
随着电梯技术的不断发展，电梯速度越来越高，区别高、中、低速电梯的速度限值也在相应地提高。
（4）按电梯有无司机分类
有司机电梯，电梯的运行方式由专职司机操纵来完成。
无司机电梯，乘客进入电梯轿厢，按下操纵盘上所需要去的层楼按钮，电梯自动运行到达目的层楼，这类电梯一般具有集选功能。
有/无司机电梯，这类电梯可变换控制电路，平时由乘客操纵，如遇客流量大或必要时改由司机操纵。
（5）按操纵控制方式分类
手柄开关操纵，电梯司机在轿厢内控制操纵盘手柄开关，实现电梯的起动、上升、下降、平层、停止的运行状态。
按钮控制电梯，是一种简单的自动控制电梯，具有自动平层功能，常见有轿外按钮控制、轿内按钮控制两种控制方式。
信号控制电梯，这是一种自动控制程度较高的有司机电梯。
除具有自动平层，自动开门功能外，尚具有轿厢命令登记，层站召唤登记，自动停层，顺向截停和自动换向等功能。
集选控制电梯，是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控制的电梯，与信号控制的主要区别在于能实现无司机操纵。
并联控制电梯，2～3台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制，共用层站外召唤按钮，电梯本身都具有集选功能。
群控电梯，是用微机控制和统一调度多台集中并列的电梯。
群控有梯群的程序控制、梯群智能控制等形式。
1.4电梯的工作原理
曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。
固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。
常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。
轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。
补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。
电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。
指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。
安全装置保证电梯运行安全。
图1-1电梯传动方式原理示意图
1.5选题说明
本次任务主要是设计一简单的四层交流双速全集选电梯，其基本运行逻辑控制功能由PLC实现，以体现PLC在电梯顺序控制方面的优越性。
1.5.1交流双速电梯的主要性能与特点
1.这种电梯的交流电动机具有两种速度，这样就使起动与稳定运行时具有较高的速度，从而可以大大提高电梯的输送能力。
同时它又具有准确停层所需的较低速度，也保证了电梯的停层准确度（对额定速度为1.0m／s时，一般停层准确度为30mm）。
所以电梯的运行效率较单速电梯的大大提高。
2.主驱动系统虽然比单速电梯的复杂，但相对其他电梯来说还是比较简单的。
系统虽然有级调速，但可以分别对高低速进行控制和调节。
因此电梯的运行效率和性能得到相当大的提高和改善，从而使得这种驱动系统在一般低速电梯中得到广泛的应用。
3.这种电梯主驱动系统的制动和减速过程是采用低速绕组的再生发电制动原理，即在减速开始的瞬间，快速绕组虽然从电网撤出，并立即把低速绕组接入电网而电动机的实际转速因电梯机械传动系统的惯性，仍维持在原快速状态时的转速。
因此，对低速绕组来说此时的实际转速已大大高于低速绕组的同步转速，从：
而在低速绕组中产生再生发电制动减速过程。
对低速饶组来说，电动机处于发电机的工作状态，即把快速运行时所具有的功能反馈到电网中去。
这样的减速制动方式是较经济的，电能消耗相对较少。
1.5.2集选控制电梯的功能与特点
该电梯以信号控制为基础，具有自动平层、自动开门、轿厢指令登记、层站召唤登记、自动停层、顺向截停、自动换向等功能。
集选电梯分上集选和下集选,方式就是顺向截梯,反向记忆。
电梯在底层和顶层分别设有一个向上或向下的，而在其它层站设有向上、下两个召唤按钮。
（集选控制）轿厢操作箱上则设有与停站数相等的相应的指令按钮，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，然后又反向向下安置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。
1.5.3电梯继电器控制系统存在的问题
（1）系统触点繁多，接线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因此故障率比较高；
（2）普通硬件电器及硬件接线方法难以实现复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高；
（3）电磁机构及触点的动作速度比较慢，机械和电磁的惯性大，系统控制精度难以提高；
（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
1.5.4PLC控制电梯的优点
（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高；
（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化；
（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。
（4）PLC可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；
（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率；
（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。
第二章可编程控制器
2.1可编程控制器的定义
国际电工委员会（IEC）给出的可编程序控制器（ProgrammableController）的定义是：
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的储存器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作命令，并通过数字式，模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关的设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则。
”
因此，可编程序控制器是集计算机技术，自动控制技术和通信技术（3C）于一体的工业自动化控制装置。
它具有功能强，可靠性高，程序设计简单，灵活通用，体积小，维护方便，能适应恶劣工业环境等一系列优点，在冶金，能源，化工，交通，电力等领域的生产控制中得到广泛的应用，现已跃居现代工业自动化三大支柱的主导地位。
2.2PLC的特点
PLC出现后就受到普遍重视，其应用发展也十分迅速，原因在于与现有的各种控制方式相比，它有一系列的特点，主要是：
（1）可靠性高，抗干扰能力强PLC是专为工业控制而设计，由于采取了一系列措施，使PLC控制系统的平均无故障间隔时间一般能达到4~5万小时，远远超过传统继电器控制和计算机控制系统。
（2）编程简单，易于掌握常用梯形图编程方式，它与继电器控制原理图类似，具有直观、清晰、修改方便、易掌握等优点，因而受到广大现场技术人员和操作者的欢迎。
（3）组合灵活使用方便尽管PLC内部是一台专用计算机，但由于它采用标准化的通用模块结构，其I/O电路设计又采用一系列抗干扰措施，因而用户无需进行硬件的二次开发，能灵活方便地组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。
且接线简单，工作量小，使用、维护都很方便。
（4）功能强，通用性好现代PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在硬件和软件两方面不断发展，使其具备很强的信息处理能力和输出控制能力。
（5）开发周期短，成功率高大多数工业控制装置的开发研制包括机械、液压、气动、电气控制等部分，需要一定的研制时间，也包含着各种困难与风险。
大量实践证明采用以PLC为核心的控制方式具有开发周期短、风险小和成功率高的优点。
（6）体积小，重量轻，功耗低由于PLC采用了半导体集成电路，其体积小、重量轻、结构紧凑、功耗低。
2.3PLC的分类
（1）按结构型式分类
1）整体式（单元式或箱体式）PLC将电源、CPU、存储器及I／O等各个功能部分集成在一个机壳内。
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，按需要组合。
此外也有将整体式与模块式结合起来称之为叠装式PLC，其配置更为灵活。
（2）按I／O点数和存储容量分类
1）小型PLC小型和微型PLC的输入输出点数在256点以下。
2）中型PLC主要采用模块组合式结构。
输入输出点数在256～2048点之间。
3）大型PLC为要求连续控制的大型工厂或大型机器设计的，其控制功能比较复杂或者需要控制的输入输出点多于2048点。
（3）按功能划分
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控制、远程I/O及联网通信等功能。
3）高档机增设有特殊功能运算和制表、表格传送等功能；具有更强的通信联网能力，可用于大规模过程控制。
（4）PLC的应用
1）开关逻辑控制开关逻辑控制是PLC最基本最广泛的应用领域。
PLC具有强大的逻辑运算能力，用PLC可取代传统继电器系统和顺序控制器，实现单机控制、多级控制及自动生产线控制
2）模拟量控制在工业生产过程中，打多数控制变量都是模拟量。
PLC所处理的是数字量，为了能接受模拟量输入并能输出模拟信号，PLC中配有A/D和D/A模块，将现场的温度、压力等这些模拟量经过A/D转换为数字量，经微处理器进行处理，微处理器处理的数字量又经过D/A转换变为模拟量去控制被控对象。
这样就实现了PLC对模拟量的控制。
3）闭环过程控制应用PLC不仅可以对模拟量进行控制，而且还可以进行闭环控制，现在大中型PLC一般都配备了专门的比例、积分、微分（PID）控制模块。
4）定时控制PLC具有定时控制的功能，它可以为用户提供几十甚至上百个记时器，其记时的时间可以由用户在编写用户程序时设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定，实现定时或延时的控制。
5）计数控制为用户提供了几十个甚至上百个的计数器，设定方式如同定时一样。
如果用户需要对频率较高的信号进行计数的话，则可以选择高速计数模块。
6）顺序控制实现顺序控制，可以用移位寄存器和步进指令编写程序，也可以采用国际电工委员会规定的用于顺序控制的标准化语言──顺序功能图（SequentialFunctionChart）编写程序，PLC便可以实现按照事件或输入状态的顺序，控制输出。
7）数据处理现代PLC都具有数据处理能力。
它不仅能进行算术运算，数据传送，而且能进行数据比较，数据转换，数据显示和打印及数据通信等。
对于大中型PLC还可以进行浮点运算，函数运算等。
8）通信和联网PLC的控制已从早期的单机控制发展到了多机控制，实现了工厂自动化。
这是由于现代的PLC一般都有通信的功能，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。
2.4PLC的基本硬件结构
PLC的类型繁多，但其结构和工作原理则大同小异，一般是由中央处理单元（CPU）、存储器、输入／输出单元（I／0单元）、编程器、电源等主要部分构成的，如图2-1所示。
图2-1PLC的基本结构
2.4.1中央处理单元（CPU）
CPU主要由运算器､控制器､寄存器及实现它们之间联系的数据､控制及状态总线构成,CPU单元还包括外围芯片､总线接口及有关电路｡内存主要用于存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成单元｡
CPU是PLC的核心,起神经中枢的作用,每套PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,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｡进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电路｡CPU的信号处理过程如图2-2所示。
图2-2CPU的信号处理过程
2.4.2存储器
PLC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。
现代PLC都采用半导体存储器作为它的存储器。
用户程序存储区用于存放用户经编程器输入的应用程序。
一般采用EPROM存储器，用户可擦除重新编程。
用户程序存储器的容量一般就代表PLC的标准容量。
通常小型机小于8KB，中型机小于50KB，大型机可在50KB以上。
2.4.3输入输出模块
PLC的控制对象是工业生产过程，PLC与工业生产过程的联系是通过I/O模块实现的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态｡输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统,输出模块相反｡I/O分为开关量输入（DI）,开关量输出（DO）,模拟量输入（AI）,模拟量输出（AO）等模块｡
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号,模拟量是指连续变化的量｡常用的I/O分类如下:
开关量:
按电压水平分,有220VAC､110VAC､24VDC,按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离｡模拟量:
按信号类型分,有电流型（4-20mA,0-20mA）､电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等,按精度分,有12bit,14bit,16bit等｡
输入接口电路输入模块是将生产现场的信号进行电平和格式转换，能为CPU所能接收、存储和传送的TTL标准电平的二进制信号。
图2-3是PLC的输入接口电路与输入设备之间的连接示意图（直流输入型），输入端子可以是继电器触点、按钮开关、拨动开关或行程开关等。
输入信号通过光电偶合电路传送给内部电路。
图中LED1和LED2为发光二极管，LED1显示有无信号输入，LED2与光电三极管T作光电偶合。
图2-3PLC的输入接口电路（直流输入型）
输出接口电路输出模块的任务是将CPU输出的控制信息转化为生产现场所需的、能驱动各种特定设备的控制信号，以驱动各执行机构动作。
通常PLC的输出有三种形式：
一是继电器输出型；二是晶体管输出型；三是双向晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管。
图2-4和图2-5为PLC的继电器输出接口电路和晶体管输出接口电路。
继电器输出型为触点输出方式，存在触点的寿命问题，用于开关通断频率较低的直流负载或者交流负载，从电路可以看出，其对驱动负载电源极性没有要求；晶体管输出型为无触点输出方式，常用于开关频率较高的直流负载，对驱动负载的电源极性要连接正确。
此外，还有晶闸管输出接口电路。
图2-4PLC的继电器输出接口电路
图2-5晶体管输出接口电路
2.4.4电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源｡同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源｡电源输入类型有:
交流电源（220VAC或110VAC）,直流电源（常用的为24VAC）｡
2.4.5编程器
编程器是PLC的重要外部设备。
主要任务就是编写用户程序、输入程序、调试程序和监控程序的执行过程。
按照编程器的结构来化分，可以分为三种：
简易编程器可直接与PLC上的专用插座或电缆与PLC相连。
一般只能用助记符编程。
图形编程器显示屏有液晶显示（LCD）和阴极射线管（CRT）。
计算机编程采用通用的计算机，通过硬件接口和专用软件包，用户直接在计算机上连机或脱机方式编程，可以是梯形图编程也可以用助记符指令编程。
2.5PLC的内部编程器件
继电器系统是通过硬件电路实现其控制功能，在电路设计中要用到各种继电器、接触器、时间继电器等一系列有特定功能的逻辑器器件。
而PLC则是通过程序实现外部控制功能。
在PLC梯形图程序设计中也需要有各种逻辑器件和运算器件，称之为编程器件，以PLC程序所赋予的逻辑运算、算术运算、定时、计数等功能。
这些器件有着与硬件继电器类似的功能，为便于区别我们称PLC编程器件为软器件。
编程器件实质上是由PLC内部的电子电路和用户存储区中一个储单元构成的，存储单元地址与它们的编号相
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