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PLC电梯的设计
引言
自1889年美国奥梯斯升降机公司推出世界第一部以电动机为动力的升降机以来,电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程,逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。
如今电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的代步工具;而且作为载人工具,人们在运行的平滑性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能方面对它提出了更高的要求。
由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、一旦接收完成不易更改等缺点,所以需要开发一种安全、高效的控制方式。
可编程控制器(PLC)既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质性能。
因此,PLC在电梯控制领域得到了广泛而深入的应用。
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,PLC(即可编程控制器)在工业控制领域内得到十分广泛地应用。
PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置,它采用可编程序的存储器,用来存储用户指令,通过数字或模拟的输入/输出,完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能,来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。
电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。
多层厂房和多层仓库需要有货梯;高层住宅需要有住宅梯;百货大楼和宾馆需要有客梯,自动扶梯。
在现代社会,电梯已像汽车、轮船一样,成为人类不可缺少的交通运输工具。
据统计,美国每天乘电梯的人次多于乘载其它交通工具的人数。
当今世界,电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。
追溯电梯这种升降设备的历史,据说它起源于公元前236年的古希腊。
当时有个叫阿基米德的人设计出-----人力驱动的卷筒式卷扬机。
1858年以蒸汽机为动力的客梯,在美国出现,继而有在英国出现水压梯。
1889年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力,这才出现名副其实的电梯,并使电梯趋于实用化。
1900年还出现了第一台自动扶梯。
1949年出现了群控电梯,首批4~6台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。
1955年出现了小型计算机(真空管)控制电梯。
1962年美国出现了速度达8米/秒的超高速电梯。
1963年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。
1967年可控硅应用于电梯,使电梯的拖动系统筒化,性能提高。
1971年集成电路被应用于电梯。
第二年又出现了数控电梯。
1976年微处理机开始用于电梯,使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期。
关键字
PLC四层电梯
第一章概述
1.1电梯硬件的分析
1.1.1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,实行电梯速度控制。
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对电梯的运行实行操纵和控制。
电气控制系统主要由操纵装置,位置显示装置,控制屏(柜),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。
1.1.2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。
1.2可编程控制器的介绍
1.2.1PLC的用途
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。
但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。
PLC的应用通常可分为五种类型:
(1)顺序控制
(3)闭环过程控制
(4)数据处理
(5)通信和联网
1.2.3可编程控制器(PLC)的特点
(1)硬件的可靠性
(2)编程简单,使用方便
(3)接线简单,通用性好
(4)可连接为控制网络系统
(5)易于安装,便于维护
从一开始,PLC便以易维护作为设计目标。
由于几乎所有器件都是固态的,维护时只需更换模块级插入式部件,故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中,就能指示器是否正常工作,借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF,还可写编程指令来报告故障。
PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。
一旦安装后,其作用立即显现,其收益也马上实现,向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。
2.2.4PLC的工作原理
PLC具有微机的许多特点,但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式。
PLC则采用循环扫描工作方式。
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,直至遇到结束符后又返回第一条。
如此周而不断循环。
每一个循环称为一个扫描周期。
一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段。
所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取,将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器,同时将新的运算结果送到输出端。
这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新,故称为“I(输入)/O(输出)刷新”。
由此可见,若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化,则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化,或者说输出队输入产生了响应。
反之,若在本次I/O刷新之后,输入变量才发生变化,则本次扫描输出不变,即不响应,而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。
由于PLC采用循环扫描的工作方式,所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。
扫描周期的长短主要取决于这几个因数:
一是CPU执行指令的速度,二是每条指令占用的时间,三是指令条数的多少,即程序的长短。
对于慢速控制系统,响应速度常常不是主要的,故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。
因为干扰常是脉冲式的、短时的,而由于系统响应较慢,常常要几个扫描周期才响应一次,而多次扫描后,瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少,故增加了抗干扰能力。
但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统,这一问题就需慎重考虑。
应对响应时间作出精确的计算,精心编排程序,合理安排指令的顺序,以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。
1.2.5PLC的编程语言
PLC提供了较完整的编程语言,以适应PLC在工业环境中的应用。
利用编程语言,按照不同的控制要求编制不同的控制程序,这相当于设计和改变继电器的硬接线线路,这就是所谓的“可编程序”。
程序由编程器送到PLC内部的存储器中,它也能方便地读出、检查与修改。
PLC提供的编程语言通常由三种:
梯形图、功能图、及布尔逻辑编程。
梯形图(LadderProgramming)是应用最广的,梯形图编程有时称为继电器梯形图逻辑图编程。
它使用的最广是因为它和以往的继电器控制线路很接近。
梯形图是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的,它与电气操作原理相呼应。
它的最大优点是形象、直观和实用,为广大电气技术人员所熟知。
PLC的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的,只是在使用符号和表达方式上有一定区别。
PLC的梯形图使用的时内部继电器、定时器/计数器,都是由软件实现的,其主要特点为使用方便、修改灵活。
功能图编程(FunctionChartProgramming)是一种较新的编程方法。
它的作用使用功能图来表达一个顺序控制过程。
布尔逻辑编程(BooleanLogicProgramming)包括“与”(AND)、或(OR)、非(NOT)以及定时器、计数器、触发器等。
每一种编程方法都有它的优点和缺点,根据每一种特殊的控制要求,根据课程者的熟练程度正确合理应用编程方法。
第二章课题任务的分析
2.1电梯控制方法的分析
随着科学技术的发展、近年来,我国的电梯生产技术得到了迅速发展。
目前电梯控制系统主要有三种控制方式:
继电路控制系统(“早期安装的电梯多位继电器控制系统)、PLC控制系统、微机控制系统。
继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点,目前已逐渐被淘汰。
微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能,但也存在抗扰性差,系统设计复杂,一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。
而PLC控制系统由于运行可靠性高,使用维修方便,抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点,倍受人们重视等优点,已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式,目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造
目前国内七八十年代安装的许多电梯电气部分用继电器接触器控制系统,线路复杂,接线多,故障率高,维修保养难,许多已处于闲置状态,其拽引系统多采用交流双速电机系统换速,效率低,调速性能指标较差,严重影响电梯运行质量。
由于这些电梯交流调压调速系统,交流双速电机拖动系统性能及乘坐舒适感较差,交流调压调速系统属能耗型调速的机械部分无大问题,为节约资金,大部分老式电梯用户希望对电梯的电气控制系统进行改造,提高电梯的运行性能。
因此对电梯控制技术进行研究,寻找适合我国老式电梯的改造方法具有十分重要的意义
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。
自80年代后期PLC引入我国电梯行业以来,由PLC组成的电梯控制系统被许多电梯制造厂家普遍采用。
并形成了一系列的定型产品。
在传统继电器系统的改造工程中,PLC系统一直是主流控制系统。
2.2整体设计流程的确定
综上所述,本设计就以PLC作为工具对升降电梯的各种操作进行控制。
以上已对四层电梯的硬件部分作了分析,看需要什么样的开关,电机,信号灯等。
然后,画出它的控制面板图,再根据控制面板图估计一下I/O点数,这样可以确定所选机型,然后在软件设计,写出流程图,梯形图,写出语句。
最后是进行调试,看看此程序是否可行。
第三章可编程控制器的机型选
3.1可编程控制器控制系统的I/O点数估算
3.1.1控制电磁阀等所需的I/O点数
有电磁阀的动作原理可知,一个单线圈电磁阀用可编程控制器时需两个输入及一个输出;一个双线圈电磁阀需三个输入及两个输出;一个比例式电磁阀需三个输入及五个输出。
一个按钮需一个输入;一个光电开关要占用一个或两个输入点;一个信号占用一个输出点;而波段开关,有几个波段就占用几个输入点;一般情况,各种位置开关都要占用两个输入点。
根据上面所述原理分析,本设计用到十个按钮,需要十个输入点。
四个位置按钮,需要八个输入点。
十六个信号灯,需要十六个输出点。
3.1.2控制交流电机所需的I/O点数
根据具体情况,本设计可以不用到交流电机,所以,可以不算上交流电机的I/O点数。
3.1.3控制直流电动机所需的I/O点数
本设计是对电梯的控制,所以,我们根据情况可知,要控制电梯的上升和下降,需要一个可逆运行的直流电机。
这样,我们需要九个输入点和六个输出点。
[5][7][8][9]
3.2内存的估计
用户程序所需内存容量要受到下面几个因素的影响:
内存利用率;开关量输入输出点数;模拟量输入输出点数;用户的编程水平。
4.2.1内存利用率的说明
我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为利用率。
4.2.2开关量输入输出的点数的确定
一般系统中,开关量输入和开关量输出的比为6:
4。
这方面的经验公司是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。
所需内存字数=开关量(输入+输出)总点数*10
4.2.3模拟量输入输出的总点数的确定
只有模拟量输入时:
内存字数=模拟量点数*100
模拟量输入输出同时存在:
内存拟量字数*200
4.2.4程序编写质量的计算
经验计算公式:
总存储器字数=(开关量输入点数+开关量输出点数)*10+模拟量点数*150。
然后按计算存储器字数的25%考虑裕量。
3.3响应时间的分析
可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠的接收持续时间小于扫描周期的输入信号。
系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。
系统响应时间=输入滤波时间+输出滤波时间+扫描周期。
3.4输入输出模块的选择
可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备(按钮、限位开关、接近开关等)的高电平信号为机器内部电平信号,模型类型分直流5、12、24、48、60V几种;交流115V和220V两种。
模块输出的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。
输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共段所允许通过的电流值。
输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。
第四章硬件设计
4.1硬件配置简介
PLC产品出现以来,它以面向工业控制的鲜明特点,普遍受到电器控制领域的欢迎。
特别是中小容量PLC成功取代了传统的继电控制系统,使得控制系统的可靠性大大提高。
目前各国生产的PLC品种繁多,发展速度快。
本文所用到的产品是日本三菱FX系列超小型的FX2C-64MR。
在此简单的介绍该机型的一些技术指标。
技术性能分为:
一般性能,功能特性(基本单元),输入性能,输出性能和其它性能。
4.1.1一般性能(见下表4.1)
表4.1一般性能
电源
AC110~120V/220~240V单相50/60Hz
电源波动
AC93.5~132V/187~264V,10ms以下瞬时断电,控制不受影响
环境温度
0~55度
环境湿度
45%~95%,无凝露
抗振动
10~55Hz,0.5mm,最大2g(重力加速度)
抗冲击
10g,3轴X、Y、Z方向各3次
抗噪声
1000V,1us,30~100Hz(噪声仿真器)
绝缘耐压
AC1500V,1min(各端子与接地端之间)
绝缘电阻
5MΩ,500VDC(各端子与接地端之间)
接地
小于100Ω(如果不可能,也可以不接地)
环境
无腐蚀气体,无导电尘埃
4.1.2输入性能(见表4.2)
表4.2输入性能
输入类型
无电压触点或NPN集电极开路晶体管
绝缘
光-电隔离
输入电压
内部电源DC24V±4V,外部电源DC24V±8V
输入阻抗
近似3.3KΩ
工作电流
OFF-ON
DC4mA(最小)
ON-OFF
DC1.5mA(最大)
响应时间
OFF-ON
近似10ms(有8点可改变从0~60ms)
ON-OFF
近似10ms(有8点可改变从0~60ms)
4.1.3功能特性(见下表4.3)
表4.3功能特性
执行方法
周期执行存储的程序,集中输入/输出
执行速度
平均12us/步
程序语言
继电器和逻辑符号(梯形图)
程序容量
1000步
指令
逻辑指令
20条(包括MC/MCR,CJP/EJP,S/R)
步进梯形指令
2条(STL,REJ)
功能指令
87个(包括+,-,×,÷,>,=,<,=
程序记忆
内部配置CMOS-RAM,EPROM/EEPROM卡
辅助继电器
无锁存
128点
锁存
64点
状态(锁存)
64点
特殊
16点
数据寄存器
64点
定时器
0.1s定时器
24点(延时接通)0.1~999s
0.01s定时器
8点(延时接通)0.01~99.9s
计数器(锁存)
30点,减法计数(0~999)
高速计数器(锁存)
1点,加/减计数(0~999999),最大2KHz
电池保护
锂电池,寿命约5年
诊断
程序检查(和,语法,电路),定时监视,电池电压,电源电压
41.4输出性能(见下表4.4)
表4.4输出性能
输出类型
继电器输出
绝缘
继电器绝缘
输出负荷
电阻负荷
2A/点
感性负荷
35V/A/300000次接通断开
灯泡负荷
100W
漏电流
0mA
响应时间
OFF-ON
近似10ms
ON-OFF
近似10ms
4.1.4其它功能(见下表5.5)
表4.5其它功能
型号
输入点
输出点
端子块
功耗
输入传感器电源
F1-60MR
36点
24点
可拆卸端子
40V/A
0.2A
5.2电梯控制系统的硬件面板图(见附图1)
从图中可以看到,左边是电梯的模拟图,它的极限位置是由限位开关SQ1-SQ4控制,右边和下面是PLC的模拟接线图,给接线和理解都带来了方便.。
5.3输入/输出的分配
4.3.1输入
表4.6输入
序号
名称
输入点
序号
名称
输入点
0
四层内选按钮S4
X000
7
一层上呼按钮U1
X007
1
三层内选按钮S3
X001
8
二层上呼按钮U2
X010
2
二层内选按钮S2
X002
9
三层上呼按钮U3
X011
3
一层内选按钮S1
X003
10
一层行程开关SQ1
X012
4
四层下呼按钮D4
X004
11
二层行程开关SQ2
X013
5
三层下呼按钮D3
X005
12
三层行程开关SQ3
X014
6
二层下呼按钮D2
X006
13
四层行程开关SQ4
X015
4.3.2输出
表4.7输出
序号
名称
输出点
序号
名称
输出点
0
四层指示L4
Y000
8
二层内选指示SEL2
Y010
1
三层指示L3
Y001
9
一层内选指示SEL1
Y011
2
二层指示L2
Y002
10
一层上呼指示UP1
Y012
3
一层指示L1
Y003
11
二层上呼指示UP2
Y013
4
轿箱下降指示DOWN
Y004
12
三层上呼指示UP3
Y014
5
轿箱上升指示UP
Y005
13
二层下呼指示DN2
Y015
6
四层内选指示SL4
Y006
14
三层下呼指示DN3
Y016
7
三层内选指示SL3
Y007
15
四层下呼指示DN4
Y017
第五章软件设计
5.1程序流程图
流程图分两种情况来考虑,
(一)电梯的上升;
(二)电梯的下降,
电梯的上升有:
(1)二层内呼叫;
(2)三层内呼叫;(3)四层内呼叫,然后和限位开关一起控制电梯的上升
电梯的下降有:
(1)一到三层呼叫;
(2)一到二层呼叫;(3)一层呼叫,同时和限位开关控制电梯的下降
5.2程序语句
步序
指令
器件号
说明
步序
指令
器件号
说明
0
LD
X012
停在一层
41
OR
M64
1
ANI
X003
42
OR
M65
2
AND
X007
一层上呼按钮
43
ANI
X013
3
LD
M1
44
OUT
M4
一层到二层
4
ANI
T3
45
LD
X013
停在二层
5
ANI
T10
46
ANI
X002
6
ANI
T13
47
AND
X010
二层上呼按钮
7
ORB
48
LD
M5
8
ANI
M8
49
ANI
T4
9
ANI
M12
50
ANI
T15
10
ANI
M5
51
ORB
11
OUT
M1
在一层按↑
52
ANI
M1
12
LD
M1
53
ANI
M12
13
AND
X000
四层内选按钮
54
ANI
M15
14
ANI
X001
55
ANI
M8
15
ANI
X002
56
OUT
M5
在二层按↑
16
LD
M2
57
LD
M5
17
ANI
M18
58
AND
X000
四层内选按钮
18
ORB
59
LD
M6
19
OR
M60
60
ANI
M17
20
OR
M61
61
ORB
21
ANI
X015
62
OR
M66
22
OUT
M2
一层到四层
63
OR
M67
23
LD
M1
64
ANI
X015
24
AND
X001
三层内选按钮
65
ANI
X001
25
ANI
X000
66
ANI
X003
26
ANI
X002
67
OUT
M6
二层到四层
27
LD
M3
68
LD
M5
28
ANI
M14
69
AND
X001
三层内选按钮
29
ORB
70
LD
M7
30
OR
M62
71
ANI
M13
31
OR
M63
72
ORB
32
ANI
X014
73
OR
M68
33
OUT
M3
一层到三层
74
OR
M69
34
LD
M1
75
ANI
X014
35
AND
X002
二层内选按钮
76
ANI
X000
36
ANI
X000
77
ANI
X003
37
ANI
X001
78
OUT
M7
二层到三层
38
LD
M4
79
LD
X013
停在二层
39
ANI
M9
80
ANI
X002
40
ORB
81
AND
X006
二层下呼按钮
82
LD
M8
124
ANI
X002
83
ANI
T5
125
ANI
X003
84
ORB
126
OU
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