1、 三层楼电梯 PLC 控制统设计与调试 摘要 电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的工作和生活日益紧密联系。PLC 作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，从而使电梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和技术改造的热点之一。为此，自行设计并制作了 3 层集选电梯。此电梯所采用的类型为 OMRON 公司 C系列的超小型 C20P 可编程序控制器。 PLC 程序设计采用模块化编程思想，即根据各功能实现的条件及原则设计各个功能模块。设计的程序完成电梯自动运行功能如： 内选外召唤信号的登记、消号、到层开门、上下自动运行等。合理分配轿
2、厢内指令的执行和厅外召唤的应答。关于 PLC 控制系统的基本结构及电梯控统的安装与调试重点介绍如下。 关键词 PLC 电梯 逻辑控制 程序设计 目 录 前言 1 第一章 总体设计方案 1 1.1 总体方案的确定 1 1.2 电梯 PLC 控制系统的构建 2 1.3 可行性论证 4 1.4 设计的整体布局及其选型 4 第二章 可编程序控制器的结构与工作原理 5 2.1 PLC 的体系结构 5 2.2 可编程序控制器的基本结构 7 2.3 开关量 I/O 模块 7 2.4 可编程序控制器的工作原理 9 2.5 PLC 的选型 9. 2.6 PLC 控制程序设计 10 第三章 电梯硬件及软件系统设计
3、 .12 3.1 电气控制系统 12 3.2 电梯 PLC 控制系统设计 13 3.3 硬件系统要求及设计 15 3.4 软件系统设计 22 参考文献 31 致 谢 32 1 前言 随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调 度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（ PLC）取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；
4、而 PLC 可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳 定可靠等特 点 ，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现 。 电梯是将机械原理应用、电气技术、微处理器技术、系统工程学、人体工程学及空气 动力学等多学科和技术集于一体的机电设备，它是建筑物中的永久性垂直交通工具。为满足和提高人们的生活质量，电梯的智能化、自动化技术迅速发展。特别是随着计算机网络技术、微电子和电力电子技术的飞速发展，现代电梯的技术含量日益提高。在改善电梯性能的同时，对电梯的设计、管理和维护人员提出了更高的要求。 第一章 总体设计方案 载 PLC 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 PLC 工 程设
5、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。 PLC 及有关设备应是集成的、标准的，按照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选型所选用 PLC 应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统， PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，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。
6、1.1 总体方案的确定 目前，电梯行业在我国迅速的发展，在 一定程度上占有很大的市场。而在2 今天选择控制电梯运动的设备已经从传统的继电器 接触器转变成可编程序控制器（ PLC）。 可编程序控制器（ PLC）与其他计算机控制相比较： 个人计算机有很强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，但是它们是为办公室自动化和家庭设计的，对环境要求很高，抗干扰能力不强，一般不适合在工业现场使用。 单片机只是一片集成电路，不能直接将它与外部 I/O信号相连。要将它用于工业控制，还要附加一些配套的集成电路和 I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大，要求设计者具有很强的计 算机领域的理论
7、知识和实践经验。 工业控制计算机（简称工控机）也是为工业控制设计的，目前比较流行的是 PC总线工控机，它与个人计算机兼容。工控机采用总线式结构，各厂家产品的兼容性强。工控机一般是在通用微机的基础上发展起来的，有实时操作系统的支持，因此在要求快速、实时性强、功能复杂的领域占有优势。工控机的价格较高，将它有与开关量控制以取代继电器系统有些大材小用。工控机的外部I/O接线一般都用多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如可编程序控制器的接线端子那样方便可靠。 以上各种计算机用语控制的程序一 般都是用汇编语言编写的，不像可编程续控制器的梯形图语言那样易于被工厂的电气人员掌握。 可编程序控制
8、器是专为工厂现场应用环境设计的，结构上采取整体密封或插件组合型，对印刷电路板、电源、机架、插座的制造和安装，均采用了严密的措施。可编程序控制器由于具有前述的各种优点，在工业控制领域具有不可比拟的竞争力。 当然在电梯的控制领域也具有重要的地位，把可编程序控制器用于电梯运动的核心部分是很合理的选择，而且可编程序控制器现在在市场上也是一种成熟的产品。总之，经上述比较可得，我确定选用 PLC控制电梯的运行。 1.2 电 梯 PLC 控制系统的构建 1).机房 机房用来安装曳引机、电控屏、限速器等。机房可以设置在井道顶部，也可设置在井由自部。当机房设于井道底部时，即为曳引机下置式曳引方式。这种方式结构复
9、杂，建筑物承重大，对井道尺寸要求大，只有在机房无法顶置时3 才使用。对于绝大多数电梯，椭均设于井道顶部。机房必须有足够的面积，高度、承重能力及良好的通风条件。 2).轿厢 轿厢是用以运送乘客和货物的电梯组件。它由轿厢架和轿厢体组成。轿厢架是轿厢体的承重构架。是由上横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成；轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通 风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮等组成；轿厢体空间的大小由额定载重量和额定载客量决定。 3).门厅 每一层电梯门口装的门，门上带有机 器 锁及电气接点。客梯多为自动开关门，开关门由轿厢 门上的开门刀带动厅门上的橡皮勒辘来完成的，而轿厢门是由轿厢上的开关门装置驱动
10、的。 4).重量平衡系统 该系统由对重和重量补偿装置组成。对重由对重架和对重块组成，对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重；重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯设计影响的装置。 5).电力拖动系统 该系统由曳引机、供电系统、速度反馈 装置、调速装置和变频器等组成。对电梯实行速度控制。曳引电动机是电梯的动力源，根据电梯的配置可用交流电动机或直流电动机；供电系统是为电动机提供电源的装置；速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号，一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电动机相连；调速装置对曳引电动机实行调速控制；变频器可以通过改变频率的大小来控制其运行速度的快慢。 6).
11、电器控制系统 该系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成，它起着操纵和控制电梯运行的作用。操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿 顶和机房中的检修或应急；位置显示装置是指轿内和层站的指层灯；层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站；控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件（或板）组成，是电梯实行电气控制的集中组件；选层器能起到指示和反馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。它可由机械式、继电器式或电子式组成。 7).安全保护系统 4 电梯上设有机械和电气的各类保护系统，以保证电梯安全使用。机械方面的有限速器和安全钳，起超速保护作用；缓冲器，起
12、冲顶和撞底保护作用；切断总电源的极限保护。 1.3 可行性论证 可编程序控制器是由继电 器逻辑控制而来的，所以它在开关量处理、顺序控制方面具有一定的优势，发展初期主要侧重于开关量顺序控制。随着计算机技术的发展，可编程序控制器增加了数值运算、 PID闭环调节功能，并开始与个人计算机或小型计算机联网，它本身也可以构成网络系统。 可编程序控制器的应用领域，在发达的工业国家，可编程序控制器已经广泛地应用在所有的工业部门，随着可编程序控制器的性能价格比的不断提高，过去许多使用专用计算机的场合也可以使用可编程序控制器。比如用在开关量的控制，这是可编程序控制器最基本最广泛的应用，它的输入和输出信号都是只有通
13、、 断状态的开关量信号，这种控制与继电器控制最为接近，可以用价格较低，仅有开关量控制的功能的可编程序控制器作为继电器控制系统的替代物。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动线生产线，如机床控制、冲压、铸造机械、运输带、包装机械的控制，同样也可以用于电梯的控制。 通过上述的简述，我希望在控制系统中能够达到如下要求： 乘坐舒适感 根据人们生活中的经验证明，在运动速度不变的情况下，速度值的大小对人们的器官基本上没有什么影响，这只是指人们沿地面或空中的沿与地面平行的任意方向运动的情况而言的。高速的升降运动就和上 述运动有所不同。这是由于在升降运动中，人体周围气压的迅速变化，对人们的器官产生影响
14、。例如耳膜会感到压力而嗡嗡响等等。只要采取一定措施，这些影响是可以消除的。所以目前电梯的运行速度虽已高达 10m/s。仍能使乘客无大的不适感。 1.4 设计的整体布局及其选型 通过上述的分析可知，我所选择的电梯载重量为 1000kg,速度为 1m/s,七层七站。 PLC的型号为 FX2N-128MR，通过其继电器电路图来设计出梯形图，通过 PLC的选型连接其 PLC接线图。电动机选用交流三相异步电动机，它具有结构简单、维护和操作简便、价格便 宜、坚固耐用、工作可靠等优点；其缺点是调速性差、概率因数低。变频器选用安川变频器（ 616G5），它 作为通用变频器适合任何应用场合 ,在低速下能够实现平
15、稳启动（ 1%额定转速），并且极其精确地运行。它5 的自动调整功能可使世界各地生产的电动机达到高性能运行 。具有如下优点：低速大转矩和全频域平稳加 、 减速 ； 驱动普通电机能达到最佳的控制效果 ； 操作简单灵活 ； 具有扩展功能，既可单机使用也可联网使用 ； 设计平均无故障时间： 250 000小时 。 把 50Hz的工频交流电经过处理后输出频率可调的交流电的电气装置叫变频器。它由整流电路、滤 波电路、再生制动电路、逆变电路和控制电路组成。 第二章 可编程序控制器的结构与工作原理 2.1 PLC 的体系结构 PLC 实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。如下图所
16、示： PLC 硬件的基本结构 2.2 可编程序控制器的基本结构 可编程序控制器简称为 PLC（ Programmable Logic Controller）主要由 CPU编 程 器 中央处理单元 （ CPU） 输入电路 输出电路 系统程序存储区 用户程序存储区 电源 6 模块、输入模块、输出模块和编程器组成。（如下图所示） 可编程序控制器实际上是一种工业 控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由 CPU（中央处理单元）、存储器（ RAM 和 EPROM）、输入 /输出模块（简称 I/O 模块）、编程器和电源五大部分组成。 (1) CPU 模块 CPU
17、模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（ CPU）和存储器组成。 CPU 的作用类似于人类的大脑和心脏。它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作： 1） 输入处理：将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。 2） 程序执行：逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去 控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。 3） 输出处理：将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。 (2) I/O 模块 I/O 模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和 CPU 模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号
18、有两类：一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。 可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀 、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。 CPU 模块的工作电压一般是 5V，而可编程序控制器的输入 /输出信号电压一般较高，如直流 24V 和交流 220V。从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏CPU 模块中的元器件，或使可编程序控制器不能正常工作，所以 CPU 模块不能直接与外部输入 /输出装置
19、相连。 I/O 模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。 (3) 编程器 7 编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程 元件的工作状态。 编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来后可编程序控制器也可以运行。一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器公用。 2.3 开关量 I/O 模块 开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。电压等级有直流 5V，12V， 24V， 48V 和交流 110V， 220V 等。输入输出电压的允许范围很宽，如某交流 220V 输入模块的允许低电压为 070V，高电压为
20、 70256V，频率为 4763HZ。 各 I/O 点的通 /断状态用发光二极管或其它元件显示在面板上，外部 I/O 接线一般接在模块的接线端子上，某些模块使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部连线的情况下，可以迅速地更换模。开关量 I/O 模块可能 4， 8，16， 32， 64 点。 2.3.1 a 直流输入电路 2.3.1 输入模块 输入电路中设有 RC 滤波电路，以防止由于输入点抖动或外部干扰脉冲引起的错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为 1020ms（信号上升沿）和2050ms（信号下降沿），输入电流约为 10mA， 上 图 2.3.1a是某直流输入模块的内部电路和外部接
21、线图。本节的输入电路和输出电 路都只画出了一路， COM 是各8 路的公共点。图中的输入触点直接接在公共点和输入端（ 400 是梯形图中输入继电器的编号）之间，不需要外接电源。有的可编程序控制器还可以为接近开关、 光电开关之类的传感器提供 24V 电源。（如图 2.3.1b） 图 2.3.1 b 输入电路 当图 2.3.1b中的外接触点接通时，光电耦合器中的发光二极管发光，光敏三极管导通，信号经内部电路传送给 CPU 模块。 图 2.3.1 c 是交流输入电路。光电耦合器中有两个反并联的发光二极管，显示用的两个发光二极管也是反并联的 ，因此这个电路可以接收外部的交流输入电压。 图 2.3.1 c 交流输入电路
