1、1工 学 院 毕 业 设 计（ 论 文 ）题 目： 基于 PLC 的三层电梯控制设计 专 业： 机械械设计制造及其自动化 2目 录引言 .11 电梯的概述 .11.1 电梯的发展简史 .11.2 电梯的基本结构 .22 可编程控制器简介 .32.1 PLC 的结构及各部分的作用 .42.2 PLC 的工作原理 .52.3 PLC 的编程语言 .62.4 PLC 基本指令 .62.5 梯形图设计规则 .93 三层电梯 PLC 控制系统设计 .93.1 电梯的控制要求 .93.2 三层电梯主电路 .93.3 输入输出点数分配 .103.4 PLC 外围接线图 .113.5 功能指令表概述 .113
2、.6 程序分析 .123.7 三层电梯助记符语句程序 .183.8 本系统的不足及改进 .24结 束 语 .26致 谢 .27附 录 .28参考文献 .311基于 PLC 的三层电梯的控制设计摘要：本论文通过讨论电梯控制系统的组成， 阐述可编程控制器（ PLC）在电梯控制中的应用，采用三菱 PLC 编程的程序控制方式，提出了三层电梯的 PLC 控制系统总体设计方案、 设计过程、组成， 列出了具体的主要硬件电路、电梯的控制梯形图及指令表。并给出了系统组成框图和程序流程图，在分析、处理随机信号逻辑关系的基础上，提出了 PLC 的编程方法， 设计了一套完整的电梯控制系统方案。采用本方案 实现电梯控制
3、，能 够 解决继电器接触器触点多，故障率高、可靠性差、安装调试周期 长、 维修工作量大、接 线复 杂等缺点。使 电梯运行更加安全、方便、舒适。关键词：电梯、PLC 、梯形图引言随着城市建设的不断发展，城市迅速的崛起，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。它是采用电力拖动方式，将载有乘客或货物的轿厢，运行于垂直方向的两根刚性导轨之间，运送乘客和货物的固定式提升设备。所以，电梯是为高层建筑运输服务的设备，它具有运送速度快、安全可靠、操作简便的优点。但传统的电梯控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而
4、采用 PLC 组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。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取代微机实现信号控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。PLC 可靠性高，程序设计方便灵活。1 电梯概述1.1 电梯的发展简史据国外有关资料介绍，公元前 2800 年在古代埃及，为了建筑当时的金字塔，曾使用过由人力驱动的升降机械。公元 1765 年瓦特发明了蒸气机之后，1858 年美国研制以蒸气为动力，
5、并通过皮带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯，1878 年英国的阿姆斯特发明了水压梯，并随着水压梯的发展淘汰了蒸气梯，后来又出现了采用液压泵的控制阀以及直接柱塞式和侧柱塞式结构的液压梯，这种液压梯至今仍为人们所采用。18 世纪末发明了电机，特别是交流双速电动机的出现，显著改善了电梯的工作性能。在 20 世纪初，美国 OTIS 电梯公司2首先使用直流电动机作为动力，生产出以槽轮式驱动的直流电梯。从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异的发展着。目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘坐舒适。1.2 电梯的结构电梯是一个具有特种容载装置轿厢沿着恒定不变的铅垂导轨，在不同水平面间歇运动
6、的用电力驱动的起重机械，它适宜于装置在二层以上的高层建筑物内，专供上下运送人员或货物之用。电梯的结构及其装备可分为机械、电气两大部分，现将组成电梯的主要部件按其安装部位的不同分别介绍，并说明其作用如下：一、机房部分：1、曳引机：电梯的起重机构，安装在专用承重钢梁上，其主要有下列部件组成： a. 驱动电动机采用变压变频（VVVF）驱动方式，对电机进行控制，电梯起动时，逆变部分使定子频率从零赫兹，按要求上升到额定频率，使转速相应从零速平滑地上升到额定值，电梯停站前电源频率从额定频率按要求下降，使转速平滑地下降为零速，实现电梯停层，保证了电梯具有良好的舒适感。 b.制动器闭式型电磁制动器，只有在制动
7、器通电时松闸，或当电梯停驶时即时制动。并保持轿厢位置不变，即制动器通电松闸，关电制动，充分保证工作的可靠性。 c.减速器采用蜗轮蜗杆减速器或永磁同步驱动技术，蜗轮蜗杆减速器具有承载能力大，驱动平稳等特点，永磁同步驱动具有高效率及低噪音特点。 d.防振装置采用橡胶防振装置安装于曳引机与承重大梁之间，以消除或减小曳引机的振动，提高电梯运行时的舒适感。2、限速器：由限速器的制动装置和涨紧装置组成，它通过安全绳索与轿厢连接，把轿厢的运动传递给限速器随轿厢速度相应转动，当轿厢的运动速度超过允许的安全速度时，限速器即起作用，其过程分为： a. 首先通过超速限位开关，切断控制电路； b. 如果电梯继续超速，
8、则限速器动作带动安全钳或夹绳器动作。3、控制屏：控制屏是电梯电气控制的中心，采用先进的微电子及电力电子元件，用现代的微机技术及变压变频技术对电梯进行电气控制。在操纵装置的配合下，使电梯正确地实现起动和停止、上行或下行、快速和慢速，以及达到设定的自动功能和安全性能。当按下厅外召唤或轿内指令按钮时，控制系统按原先编制设定的程序，通过输入输出接口电路将信号输入微处理器，根据电梯当时的状态确定电梯的运行，屏内装有自动/检修转换开关，以及上行/下行按钮，可对电梯实行机房控制。4、主开关：3每台电梯单独装设一只能切断该电梯所供电电路（下列供电电路除外）的主动力开关，该开关不应切断下列供电电路。 a.轿厢照
9、明、通风； b.轿顶电源插座； c.机房照明、电源插座； d.电梯井道照明； e.报警装置，该开关装于机房门内。电梯的控制要求控制要求： （1）开始时，电梯处于任意一层。（2）当有外呼电梯信号到来是，轿厢响应该呼梯信号，达到该楼层时，轿厢停止运行，（轿厢门打开，延时 3 秒后自动关门）（3）当有内呼电梯信号到来是，轿厢响应该呼梯信号，达到该楼层时，轿厢停止运行，（轿厢门打开，延时 3 秒后自动关门）（4）在电梯轿厢运行过程中，即轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼信号均不响应，但如果反方向外呼梯信号前方再无其他内、外呼梯信号时，则电梯响应该外呼梯信号。例如，电梯轿厢在一楼，将
10、要运行到三楼，在次过程中可以响应二层向上的外呼梯信号，但不响应二层向下的外呼梯信号。当到达二层，如果三层没有任何呼梯信号，则电梯可以响应二层向下外呼梯信号。否则，电梯将继续运行至三楼，然后向下运行响应二层向下外呼梯信号。（5）电梯具有最远反向外呼梯功能。例如，电梯轿厢在一楼，而同时有二层向下呼梯，三层向下呼梯则电梯轿厢先去三楼响应三层向下外呼梯信号。（6）电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯轿厢停止运行后，按开门按钮轿厢开门，按关门按钮轿厢关门。 2 可编程控制器简介可编程控制器是 60 年代末在美国首先出现，当时叫可编程控制器 PLC（Programmable Log
11、ic Controller） ，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC 的基本设计思想是反映计算机功能完善、灵活、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，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到 70 年代中期以后，PLC 已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的 PLC 已不再是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID 调节和
12、数据通信功能。4可编程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、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电器接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制
13、造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。2.1 PLC 的结构及各部分的作用可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。通常由中央处理单元（CPU） 、存储器（RAM、ROM） 、输出输出单元（I/O） 、电源和编程器等几个部分组成。图 1 PLC 的结构图图 1 PLC 的结构组成1. 中央处理单元（CPU）CPU 作为整个 PLC 的核心，起着总指挥的作用。CPU 一般由控制电路、运算器和
14、寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。CPU 通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU 的功能有以下一些：从存储器中CPU输入单元输出单元编 程 器 或 其 他 设 备 接 触 器电 磁 阀指 示 灯行 程 开 关继 电 器 触 点5读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。2. 存储器（RAM、ROM）存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。常用的存储器有 RAM、EPROM 和 EEPROM。RAM 是一种可进行读写
15、操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在 RAM 中的用户程序可方便地修改。RAM 存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。掉电时，可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM 都是只读存储器。用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。3. 输入输出单元（I/O 单元）I/O 单元实际上是 PLC 与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O 单元有良好的电隔离和滤波作用。接到 PLC 输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC 的各输出控制器往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型
16、。4. 电源PLC 电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。PLC 内有一个稳压电源用于对 PLC 的 CPU 单元和 I/O 单元供电。5. 编程器编程器是 PLC 的最重要外围设备。利用编辑器将用户程序送入 PLC 的存储器，还可以有用编辑器检查程序，修改程序，监视 PLC 的工作状态。除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对 PLC 编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。2.2 PLC 的工作原理PLC 采用循环扫描的工作方式，在 PLC 中用户程序按先后顺序存放，CPU 从第一条指令开始执行程序，直到遇
17、到结束符后又返回到第一条，如此周而复始不断循环。PLC 的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当 PLC 处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在 PLC 处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。1. 输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器与外界隔离， 即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。2. 程序执行根据 PLC 梯
18、形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。6遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC 从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。3. 输出处理程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的 Y 寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。2.3 PLC 的编程语言2
19、.3.1 梯形图编程语言梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，它是在电路控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变来的，形象、直观、实用。梯形图的设计应注意以下三点：（一）梯形图按从左到右、从上到下的顺序排列。每一逻辑行起始于左母线，然后是触点的串、并联接，最后是线圈与右母线相联。（二）梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是形象地描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。（三）输入继电器用于接收外部的输入信号，而不能由 PLC 内部其它继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。输出继电器输
20、出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出继电器线圈得电时,就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。输出继电器的触点可供内部编程使用。2.3.2 语句表编程语言指令语句表示一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，但比汇编语言易懂易学。一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。2.4 PLC 基本指令2.4.1 线圈驱动指令 LD、LDI、OUTLD：取指令。表示一个与输入母线相连的常开接点指令，即常开接点逻辑运算起始。LDI：取反指令。表示一个与输入母线相连的常闭接点指令，即常闭接点逻辑运算起始。OUT：线圈驱动指令，也叫输出
21、指令。LD、LDI 两条指令的目标元件是 X、Y、M、S、T、C，用于将接点接到母线上。也可以与 ANB 指令、ORB 指令配合使用，在分支起点也可使用。7OUT 是驱动线圈的输出指令，它的目标元件是 Y、M、S、T、C。对输入继电器 X 不能使用。OUT 指令可以连续使用多次。LD、LDI 是一个程序步指令，这里的一个程序步即是一个字。OUT 是多程序步指令，要视目标元件而定。OUT 指令的目标元件是定时器 T 和计数器 C 时，必须设置常数 K。2.4.2 接点串联指令 AND、ANIAND，与指令。用于单个常开接点的串联。ANI，与非指令。用于单个常闭接点的串联。AND 与 ANI 都是
22、一个程序步指令，它们串联接点的个数没有限制，也就是说这两条指令可以多次重复使用。OUT 指令后，通过接点对其它线圈使用 OUT 指令称为纵接输出或连续输出，连续输出如果顺序不错可以多次重复。2.4.3 接点并联指令 OR、ORIOR：或指令。用于单个常开接点的并联。ORI：或非指令。用于单个常闭接点的并联。OR 与 ORI 指令都是一个程序步指令，它们的目标元件是 X、Y、M、S、T、C。这两条指令都是并联一个接点。需要两个以上接点串联连接电路块的并联连接时，要用 ORB 指令。2.4.4 串联电路块的并联连接指令 ORB两个或两个以上的接点串联连接的电路叫串联电路块。串联电路块并联连接时，分
23、支开始用 LD、LDI 指令，分支结果用 ORB 指令。ORB 指定与 ANB 指令均为无目标元件指定,而两条无目标元件指定的步长都为一个程序步。ORB 有时也简称或块指令。ORB 指令的使用方法有两种：一种是在要并联的每个串联电路块后加 ORB 指令；另一种是集中使用 ORB 指令。对于前者分散使用 ORB 指令时，并联电路块的个数没有限制，但对于后者集中使用 ORB 指令时，这种电路块并联的个数不能超过 8 个。2.4.5 并联电路的串联连接指令 ANB两个或两个以上的接点并联的电路称为并联电路块。分支电路并联电路块与前面电路串联连接时，使用 ANB 指令。分支的起点用 LD、LDI 指令
24、，并联电路快结束后，使用 ANB指令与前面电路串联。ANB 指令也简称与块指令，ANB 也是无操作目标元件，是一个程序步指令。2.4.6 主控及主控复位指令 MC、MCRMC 为主控指令，用于公共串联接点的连接，MCR 叫主控复位指令，即 MC 的复位指令。在编程时，经常遇到多个线圈同时受一个或一组接点控制。如果在每个线圈的控制电路中都串入同样的接点，将多占用存储单元，应用主控指令可以解决这一问题。使用主控指令的接点称为主控接点，它在梯形图中与一般的接点垂直。它们是与母线相连的常开接点，是控制一组电路的总开关。8MC 指令是 3 程序步，MCR 指令是 2 程序步，两条指令的操作目标元件是 Y
25、、M，但不允许使用特殊辅助继电器 M。与主控接点相连的接点必须用 LD 或 LDI 指令。使用 MC 指令后，母线移到主控接点的后面，MCR 使母线回到原来的位置。在 MC 指令内再使用 MC 指令是时嵌套级 N 的编号（07）顺序增大，返回时用 MCR 指令，从大的嵌套级开始解除。2.4.7 置位与复位指令 SET、RSTSET 为置位指令，使动作保持；RST 为复位指令，使操作保持复位。SET 指令的操作目标元件为 Y、M、S。RST 指令的操作目标元件为 Y、M、S、D、V、Z、T、C。这两条指令是13 个程序步。用 RST 指令可以对定时器、计数器、数据寄存器、变址寄存器的内容清零。2
26、.4.8 脉冲输出指令 PLS、PLFPLS 指令在输入信号上升沿产生脉冲输出，而 PLF 在输入信号下降沿产生脉冲输出，这两条指令都是 2 程序步，它们的目标元件是 Y 和 M，但特殊辅助继电器不能作目标元件。使用 PLS 指令，元件 Y、M 仅在驱动输入接通后的一个扫描周期内动作。而使用 PLF 指令，元件 Y、M 仅在驱动输入断开后的一个扫描周期内动作。2.4.9 空操作指令 NOPNOP 指令是一条无动作、无目标元件的一程序步指令。空操作指令是该步序作空操作。用 NOP 指令替代已写入指令，可以改变电路。在程序中加入 NOP 指令，在改动或追加程序是可以减少步序号的改变。2.4.10
27、程序结束指令 ENDEND 是一条无目标元件的 1 程序步指令。PLC 反复进入输入处理、程序运算、输出处理，若在程序最后写入 END 指令，则 END 以后的程序步就不再执行，直接进行输出处理。在程序调试过程中，按端插入 END 指令，可以顺序扩大对各程序段的检查。采用 END 指令将程序划分为若干段，在确认处理前面电路块的动作正确无误之后，依次删去 END 指令。表 1 基本指令表名称 助记符 目标元件 说明取指令 LD X Y M S T C 常开接点逻辑运算起始取反指令 LDI X Y M S T C 常闭接点逻辑运算起始线圈驱动指令 OUT Y M S T C 驱动线圈的输出与指令 AND X Y M S T C 单个常开接点的串联与非指令 ANI X Y M S T C 单个常闭接点的串联或指令 OR X Y M S T C 单个常开接点的并联
