电梯PLC控制系统文档格式.docx
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利用多个单片机分别构成互相独立的子系统，或多个单片机构成并行处理系统，仍然不能适应较复杂的控制算法和故障诊断的要求，它不如多片微机可以根据系统要求随意扩展，使系统达到最佳化。
3．单微机控制
整个电梯的操作系统采用一个CPU构成小系统，例如奥的斯公司的ELEVONIC/MP2、MP3系统采用INTEL8085CPU,迅达公司的MICONICB采用了MC4500（ICU）等，这些产品都具有系统设计最佳化、经过长期工业上的检验而工艺质量稳定等优点，从而提高了电梯的控制性能和运行可靠性。
4．多微机控制
由于微型计算机技术的迅速发展，其体积小、价格低、功能多、灵活性高等优点，是得其应用的范围越来越广。
现在多微机并行处理的控制系统在国外也已普遍得到推广。
因为它具有电梯系统中单微机无法实现的许多功能，电梯控制系统的多微机化也日渐受到人们的重视[6]。
2可编程控制器（PLC）简介
可编程序控制器（ProgrammableLogicController）,简称PLC。
是微机技术与继电器常规控制概念相结合的产物，是一种工业控制用的专用计算机[4]。
其定义为：
可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。
它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术运算等操作的面向的用户的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出控制各种类型的机械设备或生产过程。
可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计[7]。
2.1可编程序控制器的产生
20世纪60年代末，随着数字电路的发展和小型计算机的出现，人们开始设想用小型计算机替代传统的继电接触器来实现工业生产的自动控制。
美国通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺的不断更新和汽车产品不断变化的需要，向传统的汽车生产设备的控制方法挑战，增强企业在汽车制造工业中的竞争力，于1968年公开提出汽车生产流水线控制系统的10项技术要求，并在社会上公开招标。
这10项技术的要求是：
（1）编程简单方便，可在现场修改程序；
（2）配件维护方便，最好是插件式结构；
（3）可靠性高于继电器控制柜；
（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）在成本上可与继电接触器控制设备竞争；
（7）输入可以是交流115V；
（8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；
（9）在扩展时，原有系统只需很小改动；
（10）用户程序存储器容量至少可扩展到4KB。
1969年，美国数据设备公司（DEC）研制出能满足上述10条要求的可编程控制器样机，安装在美国通用汽车公司的汽车装配线上，并获得成功应用，由此诞生了世界上第一台可编程控制器（programmablelogiccontroller-PLC）[8]。
2.2PLC可编程控制器一般的工作原理
2.2.1扫描技术
当PLC投入运行后，其运行示意图如图2.1所示，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
图2.1PLC运行过程示意图
2.2.2PLC的I/O响应时间
为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。
为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。
以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。
所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。
其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间分别如图2.2、2.3所示：
最短I/O响应时间：
图2.2最短I/O响应时间
最长I/O响应时间：
图2.3最长I/O响应时间
以上是一般PLC的工作原理，但在现代出现的比较先进的PLC中，输入映像刷新循环、程序执行循环和输出映像刷新循环已经各自独立的工作，提高了PLC的执行效率。
在实际的工控应用之中，编程人员应当知道以上的工作原理，才能编写出质量好、效率高的工艺程序[9]。
2.2.3PLC的循环扫描工作原理图
PLC的工作原理图如图2.4所示。
图2.4循环扫描工作原理
2.2.4PLC对I/O的处理原则
PLC对I/O的处理原则如下所述：
1．输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一个刷新期间的通断状态。
2．程序如何执行取决于用户所编程序和I/O映像寄存器的内容及各元件映像寄存器的内容。
3．输出映像寄存器的数据，取决于输出指令的执行结果。
4．输出锁存器中的数据，取决于上一次输出刷新期间输出映像寄存器的数据。
5．输出端子的通/断状态，取决于输出锁存器[10]。
2.3元件介绍
在该设计中主要应用到了内部继电器、输出继电器和定时器三种。
现在对应用到的几种继电器作下简要的介绍：
1．内部继电器（存储器）R
PLC中有很多内部继电器。
和输出继电器一样，内部继电器只能由程序驱动。
每个内部继电器也有无数对常开/常闭触点专供编程使用，其作用相当于控制线路中的中间继电器。
内部继电器的触点不能直接驱动外部负载。
内部继电器又可分为通用内部继电器和特殊内部继电器。
特殊继电器（寄存器）。
特殊继电器均有专门的用途，用户在编程时不能占用[16]。
2．输出继电器Y
输出继电器是专门用来将输出信号传递给外部负载（具有一定的带载能力）的。
外部信号无法驱动Y，只能在程序内部用指令来驱动。
输出继电器有三种类型，既继电器输出、晶闸管输出及晶体管输出。
输出继电器由程序执行结果激励，他只有一对输出触点能直接带负载，这队触点的状态对应于输出刷新阶段锁存电路的输出状态。
同时它还有无数对供编程使用的内部常开/常闭触点，其状态与输出触点的状态相对应。
3．定时器的介绍
PLC中的定时器T相当于继电器控制系统中的延时继电器。
它可提供无数对常开（/）常闭出典供编程使用。
定时器一般包括以下几个内容：
（1）定时条件——控制定时器操作。
（2）定时语句——指定所使用的定时器，给出定时设定值。
（3）定时器的当前值——记录定时时间（经过值）。
（4）定时继电器——定时器达到设定的时间值时为ON，未开始定时或未达到设定值时为OFF。
定时器个数、元件号、设定时间、使用方法因产品而异。
松下FP1系列C40最多可提供144个定时器，定时时间为0～32767S[11]。
3电梯和PLC控制系统
3.1电梯的构造
电梯是一种特殊的起重运输设备，由轿厢及配重、拖动电机及减速传动机械、井道及井道设备、召唤系统及安全装置构成。
轿厢是载人或装货的部位，配重是为了改变电梯电机负载的特性以提高电梯安全性而设置的。
图3.1是电梯拖动系统示意图，图中可见电梯的轿厢及配重分系在钢丝绳的两端，钢丝绳跨挂在曳引轮上，曳引轮经减速机构由电机拖动，形成轿厢的上下运动[17]。
图3.1电梯拖动系统
井道指建筑物中用于安装电梯并提供电梯运行的通道，轿厢及配重都是在井道中运行的。
井道在各楼层设有门厅及呼梯设备。
门厅有门厅门，厅门顶部装有层楼指示灯，用于指示电梯的运行方向及电梯所在的位置。
门厅里还设有呼梯盒，用于在每层站召唤电梯。
呼梯盒常安装在厅门外离地面lm左右的墙壁上，基站与顶站只有一个按钮，中间层站有上呼与下呼两个按钮，按钮下带有电梯呼叫记忆灯[12]。
为了实现轿厢的正常运行及准确停车，井道中往往要安装许多定位装置及安全设备。
井道的顶部和底部还设有冲顶及蹲底的缓冲设备。
轿厢中设有自动门机，用来完成电梯的开门及关门任务。
电梯门分厅门及轿门，当电梯停靠某层时，此层的厅门在轿门的带动下开启及关闭。
电梯的操纵箱也安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发布动作命令。
上面设有与电梯层站数相同的内选层按钮（带内选指示呼叫记忆灯），上下行启动按钮（带上下行指示呼叫记忆灯），开关门按钮，急停按钮，风扇、照明、层楼指示灯的控制开关，电梯运行状态选择钥匙开关（选择电梯是自动运行、司机状态下运行，还是检修状态）等[13]。
3.2电梯控制系统结构
电梯控制系统由PLC控制的逻辑部分和变频器控制的调速部分组成如图3.2所示
图3.2电梯控制系统结构框图
PLC接收来自操纵盘和每层呼梯的呼叫信号、轿厢和厅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，根据随机逻辑控制的要求，向变频器发出运行方向、启动、加速、减速和制动停梯等信号。
由变频器根据一定的控制规律和控制算法来控制电机[14]。
3.3五层楼电梯PLC控制
本次设计的整体是由上位机和下位机两部分组成。
上位机利用PC机，内装力控组态软件FORCECONTROL2.6和松下编程软件FPWIN-GR，下位机利用松下的FP0系列可编程控制器。
在进行上位机程序以及下位机程序编写之前，首先要做的工作是确定电梯本身所具有的功能和电梯在乘客进行某种操作后应具有的状态。
下面将根据具体情况做出分析。
3.3.1电梯内部部件功能要求
在电梯内部，应该有5个楼层（1－5层）按钮、开门和关门按钮以及楼层显示器、上升和下行显示器。
当乘客进入电梯后，电梯内应该有能让乘客按下的代表其要去的目的地的楼层按钮，称为内呼叫按钮。
电梯停下时，应具有开门、关门的功能，即电梯门可以自动打开，经过一定的延时后，又可自动关闭。
而且，在电梯内部也应有控制电梯开门、关门的按钮，使乘客可以在电梯停下时随时地控制电梯的开门与关门。
电梯内部还应配有指示灯，用来显示电梯现在所处的状态，即电梯是上升还是下降以及电梯处在楼层的第几层，这样可以使电梯里的乘客清楚地知道自己所处的位置，离自己要到的楼层还有多远，电梯是上升还是下降等。
3.3.2电梯外部部件功能要求
电梯的外部共分5层，每层都应该有呼叫按钮、呼叫指示灯、上升和下降指示灯及楼层显示器。
呼叫按钮是乘客用来呼叫的工具，呼叫指示灯在完成相应的呼叫请求之前应一直保持为亮，它和上升指示灯、下降指示灯、楼层显示器一样，都是用来显示电梯所处的状态的。
5层楼电梯中，1层只有上呼叫按钮，5层只有下呼叫按钮，其余3层都同时具有上呼叫和下呼叫按钮。
而上升、下降指示灯以及楼层显示器，5层电梯均应该相同[15]。
3.3.3电梯程序流程图
PLC编程的主程序流程图如图3.3所示：
图3.3程序流程图
图3.3中各部分说明如下：
（1）电梯复位在系统上电以后和层楼显示有误的情况，都要把轿厢的位置恢复到第一层的状态；
（2）用户输入程序段用户的输入包括门厅的按钮和轿厢内的按钮，用户输入后，系统会自动选择执行程序。
（3）轿厢开关门程序段控制轿厢的开关门。
（4）设定上行、下行指示系统会根据外呼和内选信号以及门锁信号综合判断电梯的运行方向。
（5）执行上行程序此段程序包括控制电梯上行，检测是否应该减速或者停止电梯正转并且执行。
（6）执行下行程序此段程序包括控制电梯下行，检测是否应该减速或者停止电梯正转并且执行。
3.3.4电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析
电梯的初始状态。
为了方便分析，假设电梯位于1层待命，各层显示器都被初始化，电梯处于以下状态：
●各层呼叫灯均不亮。
●电梯内部及外部各楼层显示器显示均为“1”。
●电梯内部及外部各层电梯门均关。
●电梯在运行过程中：
按下某层呼叫按钮（1-5层）后，该层呼叫灯亮，电梯响应该层呼叫。
●电梯上行或下行直至该层。
●各楼层显示随电梯移动而改变，各层指示灯也随之而变。
●运行中电梯门始终关闭，到达指定层时，门才打开。
●在电梯运行过程中，支持其他呼叫。
●电梯运行后状态：
在到达指定楼层后，电梯会继续待命，直到新命令产生。
●电梯在到达指定楼层后，电梯门会自动打开，经一段时间延时自动关闭，在此过程中，支持手动开门或关门。
●各楼层显示值为该层所在位置，且上行与下行指示灯均灭。
3.3.5实际运行中的情况分析
实际中，电梯服务的对象是许多乘客，乘客乘坐电梯的目的地是不完全一样的，而且，每一个乘客呼叫电梯的时间有前有后，因此，将电梯在实际中的各种具体情况加以分类，做出分析，以便于编制程序。
1．电梯上行分析
若电梯在上行过程中，某楼层有呼叫产生时，可分以下两种情况：
若呼叫层处于电梯当前运行层之上目标运行层之下，则电梯应在完成前一指令之前先上行至该层，完成该层呼叫后再由近至远的完成其他各个呼叫动作；
若呼叫层处于电梯当前运行层之下，则电梯在完成前一指令之前不响应该指令，直至电梯重新处于待命状态为止。
2．电梯下行分析
若电梯在下行过程中，楼层有呼叫产生时，可分以下两种情况：
若呼叫层处于电梯当前运行层之下运行层之上，则电梯应在完成前一指令之前先下行至该层，完成该层呼叫后再由近至远地完成其他各个呼叫动作；
若呼叫层处于电梯运行层之上，则电梯在完成前一指令之前不响应该指令，直至电梯重新处于待命状态为止。
3．规律总结
由以上各种分析可以看出，电梯在接受指令后，总是由近至远地完成各个呼叫任务。
电梯机制只要依此原则进行设计动作，就不会在运行时出现电梯上下乱跑的情况了[19]。
3.4功能的具体实现
由于呼叫是随机的,电梯控制系统采用模块化编程方法。
3.4.1PLC程序中I/O点的定义
在编程过程中，所用到的I/O地址分配如表3.4所示。
编程过程可分为电梯内部和电梯外部两部分进行。
表3.4I/O地址分配
说明对应PLC地址
外部1层上呼叫按钮R101
外部2层上呼叫按钮R102
外部2层下呼叫按钮R103
外部3层上呼叫按钮R104
外部3层下呼叫按钮R105
外部4层上呼叫按钮R106
外部4层下呼叫按钮R107
外部5层下呼叫按钮R108
1层行程开关R109
2层行程开关R10A
3层行程开关R10B
4层行程开关R10C
5层行程开关R10D
内部1层呼叫按钮R10E
内部2层呼叫按钮R10F
内部3层呼叫按钮R110
内部4层呼叫按钮R111
内部5层呼叫按钮R112
开门按钮R113
关门按钮R114
开门行程开关R115
关门行程开关R116
内部1层呼叫灯RE
内部2层呼叫灯RF
内部3层呼叫灯R10
内部4层呼叫灯R11
内部5层呼叫灯R12
外部1层上呼叫灯Y1
外部2层上呼叫灯Y2
外部2层下呼叫灯Y3
外部3层上呼叫灯Y4
外部3层下呼叫灯Y5
外部4层上呼叫灯Y6
外部4层下呼叫灯Y7
外部5层下呼叫灯Y8
1层位灯Y9
2层位灯YA
3层位灯YB
4层位灯YC
5层位灯YD
电梯上升YE
电梯下降YF
上升指示灯Y10
下降指示灯Y11
电梯开门Y12
电梯关门Y13
3.4.2电梯内部的PLC编程
1．5层楼的内呼叫灯PLC程序
电梯内部的5个呼叫按钮，指定的是电梯的运行目标。
因此在电梯未达到指定目标时，该层呼叫灯应一直有显示（仿真时为绿），因此输出时就应该使用保持继电器。
另外，当电梯达到指定楼层时，对应的呼叫灯应该灭掉，即保持继电器断开。
以3层内呼叫灯为例。
当乘客在电梯内要求在3层停时，首先要保证内部3层呼叫按钮被按下（即该呼叫按钮R110接通），然后在到达指定位置3层时，3层行程开关（R10B）也接通。
此两者同时具备后，期间内部3层呼叫灯保持接通，即一直为亮。
对应的程序如图3.5所示；
图3.5第3层内呼叫灯控制梯形图
以此类推可得其他各层的内呼叫指示灯亮程序如图3.6所示。
图3.65层内呼叫灯控制梯形图
2．电梯内的楼层显示
楼层显示器是以电梯是否碰到行程开关来决定的。
显示器同样有保持特性。
另外要替换某一显示器的值，需要电梯接触到其上层或下层的行程开关。
以4层显示器为例。
电梯上升或下降两种情况下，要到达4层，会经过5层或3层，此时相对应的行程开关会接通（即R10D或R10B接通）；
当电梯到达4层时，4层的行程开关（R10C）接通；
期间4层的显示器一直保持。
程序如图3.7所示。
图3.7第4层显示器控制梯形图
以此类推可得其他各层的楼层显示灯程序如图3.8所示
图3.85层显示器控制梯形图
3．电梯内的电梯升降显示
升降显示器的状态共有3种：
显示上升（上升过程中）、显示下降（下降过程中）、或都不显示（停在某一层时）。
不论上升还是下降，其显示都与电梯的呼叫有密切的关系。
上升包括了从各层到五层的上升运动情况，下降包括了从各层到一层的下降运动情况。
为了便于理解，故从最基本、最简单的过程入手。
首先以电梯从第四层到第五层上升的情况为例。
若5层有呼叫，包括两种情况：
电梯内呼叫、电梯外呼叫。
若电梯由第4层行至第5层，此时上升指示灯Y10亮，下降指示灯Y11灭，上升触点YE闭合（因为电梯在上升），下降触点YF断开。
在这种情况下，使上升指示灯Y10保持亮的并列条件有：
4层外部上呼叫闭合（同时外部4层上呼叫灯亮），5层呼叫按钮闭合（显示为内部5层呼叫灯亮），5层下呼叫闭合（当在5层有下呼叫请求时，电梯上升至5层接受下降请求）。
对应的PLC程序如图3.9所示。
在此基础上，可得由3层升至5层的升降显示器PLC程序，如图3.10所示。
图3.94层到5层上升显示控制梯形图
图3.103层到5层上升显示控制梯形图
由图可以看出，在这种情况下，（与由4层到五层程序对比）除了起点3层外部上呼叫灯和3层位灯接通，同时存在外部4层上下呼叫灯、内部4层呼叫灯闭合。
逆向考虑，电梯下降指示灯的程序编写方法与上升指示灯的编写方法是一样的（参见总程序图附录A）
4．电梯到达楼层后的停止
由于在电梯外部有上升呼叫和下降呼叫，所以当呼叫方向与电梯运行方向相同时，电梯才能停止。
下面以向下呼叫停止R201为例说明。
当电梯一直显示向下运行，即Y11接通时，只有当每层楼的向上呼叫即Y3、Y5、Y7和该层和行程开关接通时，电梯到达各层后R201才接通，否则并不接通。
另外，如果电梯一直停在某层，不显示上升与下降，该层的下呼叫接通时R201也接通。
对应程序如图3.11所示。
图3.11电梯到达楼层后停止的梯形图
电梯上升呼叫停止R200的编程思路与下降呼叫停止R201的编写程序相似，电梯上呼叫停止R200对应程序如图3.12所示
图3.12电梯到达楼层后停止的梯形图
5．电梯的开、关门程序
以电梯开门Y12程序为例说明。
首先，只有当电梯既不上升也下降时才能进行开门，即Y12才能输出。
无论电梯的上升停止或是下降停止，只要R200或R201有一个输出，电梯经过延时后都会自动开门。
如果电梯停在某一层（未开门），按下该层的外部呼叫（向上或向下）也会输出R200或R201，电梯也会开门。
当开门Y12输出时，关门Y13断开。
如果关门Y13接通时，开门Y12也应立即断开。
电梯开门的PLC梯形图程序如图3.13所示。
图3.13电梯开门控制梯形图
3.4.3电梯的外部的PLC编程
1．外部呼叫
电梯外部呼叫与内部呼叫是类似的（向上或向下）。
一个呼叫灯的接通对应于相应的外部呼叫接通，其关闭条件为相应行程开关闭合，相应升降指示灯闭合。
另外，外部呼叫同样有保持特性，故也就使用保持继电器作为输出。
需要注意的是第一、第五层的呼叫是单向的，故其关闭条件也相应变为行程开关闭合“AND”电梯升降断开，故得程序如图3.14所示。
2－4层以4层为例：
外部4层请求向上或电梯在4层停止。
图3.14（a）4层电梯外部上呼叫梯形图
2－4层以2层为例：
外部2层请求向下或电梯在2层停止。
图3.14（b）2层电梯外部向下呼叫梯形图
1层与5层单向程序，以1层为例：
图3.14（c）1层电梯外部呼叫控制程序
2．外部楼层的电梯位置指示灯与电梯内的位置指示灯相同。
3．电梯的上升与下降
以电梯上升为例来说明。
设电梯从1层到5层上升。
由于电梯在第一层，此时构成电梯上升的因素包括：
2层上/下呼叫、3层上/下呼叫、4层上/下呼叫、5层下呼叫、内2层呼叫灯、内3层呼叫灯、内4层呼叫灯、内5层呼叫灯、这11种条件对于电梯的上升是一种逻辑“OR”的关系，而这些条件的产生的前提条件则是电梯此时在1层，即1层位灯Y9有输出。
可见，Y9与前
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