基于plc的三层电梯的控制设计01.doc

目 录
第一章 绪论…………………………………………………………… 2
1.1 课题的必要性与发展概况…………………………………… 2
1.2电梯继电器控制系统的特点及存在问题…………………… 2
第二章 PLC的简介……………………………………………………2
2.1 PLC的定义与特点…………………………………………… 2
2.2 PLC的基本结构……………………………………………… 2
2.3 PLC的工作原理……………………………………………… 3
第三章 电梯硬件控制系统设计…………………………………… 4
3.1 PLC控制系统的设计分析…………………………………… 4
3.2电梯模型PLC控制系统设计………………………………… 4
3.3 PLC选择和I/O地址分配及元件明细……………………… 5
3.4 I/O接线图…………………………………………………… 8
3.5 PLC硬件接线图……………………………………………… 9
第四章 电梯的软件控制系统设计………………………………… 10
4.1电梯控制系统实现的功能…………………………………… 10
4.2电梯操作方式………………………………………………… 11
4.3减速及平层控制……………………………………………… 11
4.4控制系统流程图……………………………………………… 11
4.5控制系统梯形图……………………………………………… 13
4.6系统的调试及操作…………………………………………… 23
参考文献………………………………………………………………… 24

第一章 绪论

1.1 课题的必要性与发展概况
PLC是一种用于自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。
电梯采用了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。另外可方便地增加或改变控制功能。也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。随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。
变频调速电梯使用了先进的SPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能;调速范围广、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，几乎可与直流电机媲美。同时明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能显著。

1.2电梯继电器控制系统的特点及存在问题
继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。可编程序控制器(PLC)最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式己逐渐被PLC控制所代替。同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式己由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。
第二章 PLC的简介

2.1 PLC的定义和特点
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
2.2PLC的基本结构
PLC的基本结构如图2-1所示。

CPU模块
I/O模块
编程器
电源
接口

图2-1 PLC的基本结构
PLC的基本结构：
1.中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，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的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象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，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2.存储器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。
2.3 PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
第三章 电梯硬件控制系统设计
3.1 PLC控制系统的设计分析
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
（2）保证PLC控制系统安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。
（3）力求简单、经济、使用及维修方便
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

3.2电梯模型PLC控制系统设计
由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用随机逻辑控制。即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。另外，轿厢的位置是由脉冲编码器的脉冲数确定，并送PLC的计数器来进行控制。同时，每层楼设置一个接近开关用于检测系统的楼层信号。为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在的楼层进行显示，采用LED和发光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示显示(开关上带有指示灯)。
根据电梯所处的位置和运行方向，在编程中，采用了四个优先级队列，即上行优先级队列、上行次优先级队列、下行优先级队列、下行次优先级队列。其中，上行优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以上楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层所具有的脉冲数存放的寄存器所构成的阵列。上行次优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以下楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层所具有的脉冲数存放的寄存器所构成的队列。控制系统在电梯运行中实时排列的四个优先级陈列，为实现随机逻辑控制提供了基础。
当电梯以某一运行方向接近某楼层的减速位置时，判别该楼层是否有同向的呼叫信号(上行呼叫标志寄存器、下行呼叫标志寄存器、有呼叫请求时，相应寄存器为l，否则为0)，如有，将相应的寄存器的脉冲数与比较寄存器进行比较，如相同，则在该楼层减速停车：如果不相同，则将该寄存器数据送入比较寄存器，并将原比较寄存器数据保存，执行该楼层的减速停车。该动作完毕后，将被保存的数据重新送入比较寄存器，以实现随机逻辑控制。系统還利用行程判断楼层，并转化成BCD码输出，通过硬件接口电路以LED显示！

3.3 PLC选择和I/O地址分配及元件明细
（1）PLC的选择
电梯的电力驱动系统对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速起着决定性作用。驱动系统的优劣直接影响电梯的起动、制动、加减速度、平层精度、乘座的舒适感等指标。
本设计选择了日本三菱公司生产的FX系列机，FX系列机具有体积小，功能较强，价格便宜，使用方便、灵活等优点。
（2）元件明细表如表4-1所示

表4-1 元件明细

序号
名称
型号与规格
单位
数量
备注
1
可编程控制器
FX2-48MR或自定
台
1

2
计算机
自定
台
1

3
绘图工具
自定
套
1

4
绘图纸
B4
张
4

5
组合开关
HZ10-25/3
个
1

6
位置开关
LX19-111
个
11

7
熔断器及配套熔芯
RL6-15/4A
套
2

8
三联按钮
LA10-3H或LA4-3H
个
4

9
接线端子排
JX2-1015，500V（10A、15节）
条
4

（3）I/O分配表如表4-2所示
表4-2 I/O分配表

输入
输出
输入继电器
电路元件
作用
输出继电器
电路元件
作用
X000
SB1
开门按钮
Y01
KM1
开门继电器
X001
SB2
关门按钮
Y02
KM2
关门继电器
X002
SQ1
开门行程开关
Y03
KM3
上行继电器
X003
SQ2
关门行程开关
Y04
KM4
下行继电器
X004
SQ3
向上运行转换开关
Y05
KM5
快速继电器
X005
SQ4
向下运行转换开关
Y06
KM6
加速继电器
X006
SL1
红外传感器（左）
Y06
KM7
慢行继电器
X007
SL2
红外传感器（右）
Y07
HL1
上行方向灯
X010
K
门锁输入信号
Y08
HL2
下行方向灯
X011
SQ5
一层接近开关
Y09
HL3
一层指示灯
X012
SQ6
二层接近开关
Y10
HL4
二层指示灯
X013
SQ7
三层接近开关
Y11
HL5
三层指示灯
X014
SB3
一层箱指令按钮
Y12
HL6
一层箱指令指示灯
X015
SB4
二层箱指令按钮
Y13
HL7
二层箱指令指示灯
X016
SB5
三层箱指令按钮
Y14
HL8
三层箱指令指示灯
X017
SB6
一楼向上呼叫按钮
Y15
HL9
一层向上呼叫灯
X020
SB7
二楼向上呼叫按钮
Y16
HL10
二层向上呼叫灯
X021
SB8
二楼向下呼叫按钮
Y17
HL11
二层向下呼叫灯
X022
SB9
三楼向下呼叫按钮
Y18
HL12
三层向下呼叫灯
X023
SQ8
一楼下接近开关

X024
SQ9
二楼上接近开关

X025
SQ10
三楼上接近开关

X026
SQ11
二楼下接近开关

3.4 I/O接线图
电梯控制系统I/O接线图如图2-3示

图2-3 电梯的PLC控制的输入/输出接线图

3.5 PLC硬件接线图

PLC硬件接线图如图2-4所示

COM COM

X00 Y00
X01

X12
X13

X14

X5

图2-4 PLC硬件接线图
第四章 电梯的控制系统设计

4.1电梯控制系统实现的功能
(1)一台电机控制上升和下降
(2)各层设上/下呼叫开关(最顶层与起始层只设一只)
(3)电梯到位后具有手动或自动开门关门功能
(4)电梯内设有层楼指令键，开关门按键，警铃风扇及照明按键
(5)电梯内外设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯
(6)待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门迎客
(7)自动关门与提早关门.在一般情况下，电梯停站4-6秒应能自动关门;在延时时间内，若按下关门按钮，门将不经延时提前实现关门动作.
(8)按钮开门。在开关过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按钮，门将打开。
(9)内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序自动停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。
(10)自动定向。当轿厢内操纵盘上，选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向。
(11)呼梯记忆与顺向截停。电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。
(12)自动换向。当电梯完成全部顺向指令后，应能自动换向，应答相反方向的信号。
(13)自动关门待客。当完成全部轿厢内指令，又无层外呼梯信号时电梯应自动关门在调定时间内自动关闭轿厢照明。
(14)自动返基站。当电梯设有基站时，电梯在完成全部指令后，自动驶回基站，停机待客。
4.2电梯操作方式
1)单轿厢下集选控制登记所有轿厢和厅门下行召唤;轿厢上行是只答应轿厢召唤，直至最高层;自动改变运行方向为下行，应答厅门下行召唤。
2)单轿厢全集选登记所有厅门和轿厢召唤;上行时顺应答轿厢和厅门上召唤。直至最高层自动反向应答下行召唤和轿厢召唤。
本设计采用全集选操作方式。

4.3减速及平层控制
电梯的工作特点是频繁起制动，为了提高工作效率、改善舒适感，要求电梯能平滑减速至速度为零时，准确平层，即“无速停车抱闸”，不要出现爬行现象或低速抱闸，即直接停止，要做到这一点关键是准确发出减速信号，在接近层楼面时按距离精确的自动矫正速度给定曲线。本设计采用旋转编码器检测轿厢位置，只要电梯一运行，计数器就可以精确地确定走过的距离，
达到与减速点相应的预制数时即可发出减速命令。不论哪种方式产生的减速命令，由于负载的变化、电网波动、钢丝绳打滑等，都会使减速过程不符合平层技术要求，为此一般在离层楼100-200mm处需设置一个平层矫正器，以确保平层的长期准确性。

4.4 控制系统流程图
开始
置初始状态
输入外召唤信号
输入指令信号
启动关门
关门结束
启动，满速运行

层楼到？

减速
平层位置到？
停层开门
停止运行？
结束

4.5控制系统梯形图

4.5.1电梯的开`关门控制梯形图
基本控制要求：电梯运行到某层呼叫或乘客需要去的某层后，电梯门打开，乘客进`出。乘客进.出完毕后电梯门自动关闭。也可以手动开.关电梯门。根据要求设计出开.关门的控制梯形图。

Y00000
T0
Y01
M0
T2
T1
M1

图2-5 电梯开门、关门的梯形图程序
程序设计说明：手动开.关门：在上图中X000为手动开门的按钮输入点。X001为手动关门按钮输入点。电梯运行到位后，按下按钮SB1，X000闭合，继而Y000闭合并自锁，电梯开门；开门到位后限制行程开关SQ1动作，X002断开，继而断开Y000，开门结束。需要手动关门时，按下关门按钮SB2，X001闭合，继而Y001闭合并自锁，电梯关门；关门到位后关门行程开关SQ2动作，X003断开，继而Y001，关门结束。
自动开.关门；电梯运行到位后，相应的楼到层接进开国闭合。T0开始计数，计到三秒后，T0动作，T0触点闭合，Y000闭合，Y000闭合动作，打开电梯门。Y0闭合后，T1开始定时，五秒后，T1触点闭合，Y001闭合，实现自动关门。关门到位后，关门到位行程开关动作，继电器X003断开，Y001失电，关门结束。
自动关门时可能会夹住乘客，一般在门内的两侧社有红外检测装置。见图中的X006和X007，当有人进出时，X006和X007闭合，M0闭合并自锁，时断开的关门继电器Y001通路并接通T2通路。2S后，T2动作，M0失电，接通Y001通路并实现自动关门。
4.5.2到层指示控制梯形图
基本控制要求；用数字显示电梯所到的层数，要求电梯到达某层是显示出该数字。梯形图如图（图2—6）。
程序说明：在图中X（011~013）代表楼到各层的层接近开关，Y（012~014）为层指示灯继电器，当电梯到达某层时。某层到某层的层接进开关闭合，相应的指示灯亮。例如：电梯到达二层时X012闭合，使M3闭合，则Y013闭合并自锁，二楼指示灯亮，表示电梯已经到达二层。当电梯离开二层时，X012断开，而层指示灯灭。
程序说明：在图中X（011~013）代表楼到各层的层接近开关，Y（012~014）为层指示灯继电器，当电梯到达某层时。某层到某层的层接进开关闭合，相应的指示灯亮。例如：电梯到达二层时X012闭合，使M3闭合，则Y013闭合并自锁，二楼指示灯亮，表示电梯已经到达二层。当电梯离开二层时，X012断开，而层指示灯灭。

M2
M3
Y09
Y10
Y04

图2-6电梯到层指示的梯形图程序

4.5.3层呼叫指示控制梯形图
基本控制要求：层呼叫指示控制，即当乘客在轿厢外层按下呼叫安钮，相应的指示灯亮，呼叫信号一直保持到电梯到达该层且相应的接近开关动作后才被撤消；轿厢内去某层的指示控制，即当乘客需去某层时，在轿厢内按下相应的安钮，该层指示灯亮，直到电梯到达该层，指示灯熄灭。

Y15
Y16
Y17
Y18
Y12
Y13
Y14

图2-7 电梯层呼叫指示的梯形图程序

4.5.4电梯的启动和运行控制梯形图
控制要求：方向控制，即当电梯上行时，上行指示灯亮，下行时下行指示灯亮；启动控制，即电梯运行到位后，在关门信号和门锁信号符合要求的情况下，电梯运行后经过2S的加速，在接进目标楼层是开始转为慢速运行，直到目标楼层时停止。
程序设计说明：在门锁信号X及关门信号符合要求的情况下，M4闭合，Y002闭合，电梯快速运行，经过2S后，电梯加速运行。如；电梯接近二层时二层的上`下接近开关X011与Y013接通Y006，电梯慢速运行。当电梯到达二层时，Y013动作断开，电梯停止，同理可使得Y002闭合，接通电梯向下指示灯电路，使电梯下行。
+Y07
Y08
M5
M4
Y02
Y03
Y04
T3
Y05
Y06

图2-8 电梯启动和运行的梯形图程序

n 电梯控制系统梯形图所对应的指令语句表,如下所示：

表4-2 指令语句表

指令程序
指令程序
0 LD X00
21 LD X06
1 OR Y00
22 OR X07
2 OR T0
23 OR M0
3 ANI M1
24 ANI T2
4 ANI Y01
25 OUT M0
5 ANI X02
26 LD M0
6 OUT Y00
27 OUT T2
7 LD X09
28 K20
8 OR X10
29 LD Y00
9 OR X11
30 ANI Y01
10 ANI M1
31 OUT TI
11 ANI Y00
32 K50
12 OUT T0
33 LD Y04
13 K30
34 OR Y06
14 LD X01
35 OUT M1
15 OR Y01
36 LD X09
16 OR T1
37 OR X11
17 ANI X03
38 LDI M3
18 ANI Y00
39 AND M2
19 ANI Y2
40 ORB
20 OUT Y01
41 OUT M2
指令程序
指令程序
42 LD XIO
63 AND Y11
43 LDI M2
64 ORB
44 AND M3
65 ANI Y10
45 ORB
66 ANI X09
46 OUT M3
67 OUT Y11
47 LD X09
68 LD X15
48 LD M2
69 OR Y15
49 AND Y09
70 LDI X08
50 ORB
71 ORI X09
51 ANI Y10
72 ANB
52 ANI Y11
73 ANI X09
53 OUT Y09
74 OUT Y15
54 LD X10
75 LD Y15
55 LD M3
76 OR Y16
56 AND Y10
77 LDI X08
57 ORB
78 ORI Y10
58 ANI Y09
79 ORI Y08
59 ANI Y11
80 ANB
60 OUT Y10
81 ANI X10
61 LD X11
82 OUT Y16
62 LD M2
83 LD X17
指令程序
指令程序
84 OR Y17
105 OUT Y13
85 LDI X08
106 LD X14
86 ORI Y10
107 OR Y14
87 ORI Y07
108 ANI Y11
88 ANB
109 OUT Y14
89 ANI X10
110 LD Y14
90 OUT Y17
111 LD Y13
91 LD X18
112 ANI Y10
92 OR Y18
113 ORB
93 LDI X08
114 ANI Y11
94 ORI Y11
115 ANI Y03
95 ANB
116 ANI Y11
96 ANI X11
117 OUT Y07
97 OUT Y18
118 LD Y12
98 LD X12
119 LD Y13
99 OR Y12
120 ANI Y10
100 ANI Y09
121 ORB
101 OUT Y12
122 ANI Y09
102 LD X13
123 ANI Y02
103 OR Y13
124 ANI Y07
104 ANI Y10
125 OUT Y08
指令程序
指令程序
126 LD Y14
147 OR Y14
127 AND Y11
148 ANB
128 LD Y13
149 ANI Y11
129 AND Y10
150 AND Y07
130 ORB
151 AND M4
131 LD Y12
152 ANI Y03
132 AND Y09
153 OUT Y02
133 ORB
154 LD X05
134 OR M5
155 LDI Y10
135 OUT M5
156 OR Y12
136 LD X04
157 ANB
137 AND X07
158 ANI Y09
138 LD X05
159 AND Y08
139 AND Y08
160 AND M4
140 ORB
161 ANI Y02
141 AND X08
162 OUT Y03
142 ANI M5
163 LD Y02
143 ANI Y01
164 OR Y03
144 OUT M4
165 AND M4
145 LD X04
166 ANI Y06
146 LDI Y10
167 OUT Y04
指令程序
指令程序
168 LD Y04
187 ANB
169 OUT T3
188 ANI Y09
170 K20
189 ANI Y10
171 LD T3
190 ANI Y11
172 ANI Y06
191 OUT Y06
173 OUT Y05
195 END
174 LD Y02

175 OR Y03

176 LDI Y05

177 LD X19

178 AND Y12

179 ORB

178 LD X20

179 AND Y13

180 ORB

181 LD X21

182 AND Y14

183 ORB

184 LD X22

185 AND Y13

186 ORB

4.6系统的调试与操作
（1）按下呼叫按钮，电梯在检测到门厅或轿箱的召唤信号后，便会上升到指定楼层。上升过程中，只执行上行信号，向下信号无效，反之亦然。
（2）电梯开始起动，通过变频器驱动电机拖动轿箱运动。轿箱运动速度由低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至目标层。
（3）当电梯检测到目标层减速点后，电梯进入减速状态，由高速变为低速，并以低速运行至平层点停止。
（4）平层后，经过一定延时开门，直至碰到开门到位行程开关；再经过一定延时后关门，直到安全触板开关动作。

参考文献

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