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PLC在电梯自动控制系统中的应用
PLC在电梯自动控制系统中的应用
摘要
随着城市建设的不断发展,高层建筑不断增多。
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。
传统的电梯控制系统采用的是继电器逻辑控制电路,这种控制易出故障,维护不便,运行寿命短,占地空间大,正逐步被淘汰。
为了提高自动控制系统的可靠性和设备的工作效率,以PLC为核心控制器的电梯自动控制系统,正在取代以往的复杂的继电器-接触器控制。
本设计系统的核心部分(控制部分)使用了日本三菱公司生产的FX2N-80MR型PLC,因为在核心部分采用的是软件程序控制,从而保证电梯正常运这个要求的情况下,大大的提高了电梯故障检查与维修的方便性和容易性,同时还克服了手动操作所带来的人为因素,能取得良好的经济效益和社会效益。
关键词:
电梯,PLC,控制系统
PLCapplicationinautomaticcontrolsystemofelevator
ABSTRACT
Withthecontinuousdevelopmentofurbanconstruction,thehighrisebuildingincreasesunceasinglytoo.Elevatorasaverticaltransportoperationinthehighrisebuilding,itwascloselyrelatedtothepeople’sdailylife.Thetraditionalelevatorsystemuseslogicoftherelaytocontrolcircuit,thiskingofcontrolseasilytobecrash,maintainsinconveniently,themovementlifeisshort,andthatoccupyingalargeareaofspace,itbeingeliminatedgradually.
Forraisingthecredibilityoftheautomaticcontrolsystemandtheworkefficiencyoftheequipments,designasetoftakePLCasthecorecontrolleroftheelevatorautocontrolsystem,usingtoreplaceformermorecomplicatedofafterelectricappliancesthecontactmachinecontrol.Thedesignofthecoreofthesystem(controlsection)usestheJapaneseMitsubishicompany'sFX2N-80MR-typePLC,becausethecoreofthesoftwareusedinprocesscontrol,thusensuringthenormaloperationoftheliftrequiredinthecircumstances,greatlyimprovetheelevatortroubleshootingandmaintenanceoftheconvenienceandeasypeculiarity,butalsoovercomethemanualbroughthumanfactors,canachievegoodeconomicandsocialbenefits.
KEYWORDS:
Elevator,PLC,Controlsystem
目 录
前 言
电梯是一种大型机电产品,作为现代化的运输工具已广泛的进驻到人们的生活中。
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,它必须具有高度的安全性和科学性,因此它的控制系统就受到了广泛的关注。
早期的国产电梯控制系统中,电梯信号的逻辑控制一般是继电器电路来实现的。
继电器控制系统故障率高,降低了电梯的运行可靠性与安全性。
传统的继电器控制方式已经被计算机控制方式所代替,其控制方式有:
单片机控制、单板机控制、单微机控制、多微机控制以及可编程控制器(PLC)控制等多种方式。
其中单片机控制具有成本低,通用性强等优点,但它不适于较复杂的控制算法和故障诊断等要求;微机控制的配件使系统设计和调试更加复杂,它必须用性强,因此电梯控制系统利用PLC控制是一个最佳的选择。
具有相应的大型开发系统;可编程控制器可靠性强,功能完善,设计周期短通
本课题主要是对PLC的结构、特点、性能以及与现场控制对象的连线进行具体的研究,并通过PLC实现电梯的自动控制。
本课题,通过以五层电梯为模型,详细分析电梯控制,来深入的了解PLC,并更好的使用它,以及熟悉掌握电梯的运行控制。
第1章电梯概述
1.1电梯的发展和由来
电梯进入人们的生活已经150年了。
1854年,在纽约水晶宫举行的世界博览会上,美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明。
他站在装满货物的升降梯平台上,命令助手将平台拉升到观众都能看得到的高度,然后发出信号,令助手用利斧砍断了升降梯的提拉缆绳。
令人惊讶的是,升降梯并没有坠毁,而是牢牢地固定在半空中——奥的斯先生发明的升降梯安全装置发挥了作用。
“一切安全,先生们。
”站在升降梯平台上的奥的斯先生向周围观看的人们挥手致意。
谁也不会想到,这就是人类历史上第一部安全升降梯。
人类利用升降工具运输货物、人员的历史非常悠久。
早在公元前2600年,埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统,这套系统的基本原理至今仍无变化:
即一个平衡物下降的同时,负载平台上升。
早期的升降工具基本以人力为动力。
1203年,在法国海岸边的一个修道院里安装了一台以驴子为动力的起重机,这才结束了用人力运送重物的历史。
英国科学家瓦特发明蒸汽机后,起重机装置开始采用蒸汽为动力。
紧随其后,威廉·汤姆逊研制出用液压驱动的升降梯,液压的介质是水。
在这些升降梯的基础上,一代又一代富有创新精神的工程师们在不断改进升降梯的技术。
然而,一个关键的安全问题始终没有得到解决,那就是一旦升降梯拉升缆绳发生断裂时,负载平台就一定会发生坠毁事故。
奥的斯先生的发明彻底改写了人类使用升降工具的历史。
从那以后,搭乘升降梯不再是“勇敢者的游戏”了,升降梯在世界范围内得到广泛应用。
1889年12月,美国奥的斯电梯公司制造出了名副其实的电梯,它采用直流电动机为动力,通过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索,悬挂并升降轿厢。
1892年,美国奥的斯公司开始采用按钮操纵装置,取代传统的轿厢内拉动绳索的操纵方式,为操纵方式现代化开了先河。
生活在继续,科技在发展,电梯也在进步。
150年来,电梯的材质由黑白到彩色,样式由直式到斜式,在操纵控制方面更是步步出新——手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等,多台电梯还出现了并联控制,智能群控;双层轿厢电梯展示出节省井道空间,提升运输能力的优势;变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间;不同外形——扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。
如今,以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿,仍在继续进行电梯新品的研发,并不断完善维修和保养服务系统。
调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保——一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世,冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉,人们的生活因此变得更加美好。
1.2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。
由电梯限速器、安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成
1.3电梯的分类
1.按用途分类
乘客电梯,为运送乘客设计的电梯,要求有完善的安全设施以及一定的轿内装饰。
载货电梯,主要为运送货物而设计,通常有人伴随的电梯。
医用电梯,为运送病床、担架、医用车而设计的电梯,轿厢具有长而窄的特点。
杂物电梯,供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电梯。
观光电梯,轿厢壁透明,供乘客观光用的电梯。
车辆电梯,用作装运车辆的电梯。
船舶电梯,船舶上使用的电梯。
建筑施工电梯,建筑施工与维修用的电梯。
其它类型的电梯,除上述常用电梯外,还有些特殊用途的电梯,如冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯、消防员用电梯等。
2.按驱动方式分类
交流电梯,用交流感应电动机作为驱动力的电梯。
根据拖动方式又可分为交流单速、交流双速、交流调压调速、交流变压变频调速等。
直流电梯,用直流电动机作为驱动力的电梯。
这类电梯的额定速度一般在2.00m/s以上。
液压电梯,一般利用电动泵驱动液体流动,由柱塞使轿厢升降的电梯。
齿轮齿条电梯,将导轨加工成齿条,轿厢装上与齿条啮合的齿轮,电动机带动齿轮旋转使轿厢升降的电梯。
螺杆式电梯,将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹,再将带有推力轴承的大螺母安装于油缸顶,然后通过电机经减速机(或皮带)带动螺母旋转,从而使螺杆顶升轿厢上升或下降的电梯。
直线电机驱动的电梯,其动力源是直线电机。
电梯问世初期,曾用蒸汽机、内燃机作为动力直接驱动电梯,现已基本绝迹。
3.按速度分类
电梯无严格的速度分类,我国习惯上按下述方法分类。
低速梯,常指低于1.00m/s速度的电梯。
中速梯,常指速度在1.00~2.00m/s的电梯。
高速梯,常指速度大于2.00m/s的电梯。
超高速梯,速度超过5.00m/s的电梯。
随着电梯技术的不断发展,电梯速度越来越高,区别高、中、低速电梯的速度限值也在相应地提高。
4.按电梯有无司机分类
有司机电梯,电梯的运行方式由专职司机操纵来完成。
无司机电梯,乘客进入电梯轿厢,按下操纵盘上所需要去的层楼按钮,电梯自动运行到达目的层楼,这类电梯一般具有集选功能。
有/无司机电梯,这类电梯可变换控制电路,平时由乘客操纵,如遇客流量大或必要时改由司机操纵。
5.按操纵控制方式分类
手柄开关操纵,电梯司机在轿厢内控制操纵盘手柄开关,实现电梯的起动、上升、下降、平层、停止的运行状态。
按钮控制电梯:
是一种简单的自动控制电梯,具有自动平层功能,常见有轿外按钮控制、轿内按钮控制两种控制方式。
信号控制电梯,这是一种自动控制程度较高的有司机电梯。
除具有自动平层,自动开门功能外,尚具有轿厢命令登记,层站召唤登记,自动停层,顺向截停和自动换向等功能。
集选控制电梯,是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控制的电梯,与信号控制的主要区别在于能实现无司机操纵。
并联控制电梯,2~3台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制,共用层站外召唤按钮,电梯本身都具有集选功能。
群控电梯,是用微机控制和统一调度多台集中并列的电梯。
群控有梯群的程序控制、梯群智能控制等形式。
6.其它分类方式
按机房位置分类,则有机房在井道顶部的(上机房)电梯、机房在井道底部旁侧的(下机房)电梯,以及有机房在井道内部的(无机房)电梯。
按轿厢尺寸分类,则经常使用“小型”、“超大型”等抽象词汇表示。
此外,还有双层轿厢电梯等。
7.特殊电梯
斜行电梯,轿厢在倾斜的井道中沿着倾斜的导轨运行,是集观光和运输于一体的输送设备。
特别是由于土地紧张而将住宅移至山区后,斜行电梯发展迅速。
立体停车场用电梯,根据不同的停车场可选配不同类型的电梯。
建筑施工电梯,是一种采用齿轮齿条啮合方式(包括销齿传动与链传动,或采用钢丝绳提升),使吊笼作垂直或倾斜运动的机械,用以输送人员或物料,主要应用于建筑施工与维修。
它还可以作为仓库、码头、船坞、高塔、高烟囱的长期使用的垂直运输机械。
1.4我国电梯的现状及发展前景
我国电梯年产量1986年达到10000台,1993年突破20000台,从1996年起连续4年稳定在3万台以上,1999年则达到3.25万台。
应该说,随着我国经济的增长,电梯市场一直保持着旺盛的需求。
其次表现在企业的规模效益逐步展现。
上海三菱、广州电梯企业集团、天津OTIS、中国迅达等四家企业产量均超过2000台,西子电子集团公司和苏州迅达也在1000台以上,广州OTIS、上海崇友东芝、沈阳东芝、通力、华升富士达的年产量也已达到500-1000台。
在整机厂不断上规模的同时,一些专业化的配套件生产企业逐步形成,如上海南洋电机、宁波欣达、宁波申菱、苏州西尔康、首钢塞维拉、张家港润发导轨等,为电梯产品产量和质量的提高都做出了贡献。
再次是产品结构趋于合理,质量明显提高。
在结构上,随着中国住宅产业的不断发展,住宅电梯、公用扶梯脱颖而出,观光梯、货梯、送用梯等也逐渐贴近市场。
与4年前相比,全行业有32家企业通过了ISO/9000系列质量认证;VVVF变频调压调速技术已基本普及,梯速达4m/S的高速电梯、自主开发的微机控制系统、全露天自动扶梯、电梯远程监控系统等相继通过国家组织的技术鉴定。
有一大批新型电梯配件产品申请了国家专利,我国电梯行业已经有能力提供一流水准和一流质量的电梯产品。
国产电梯、自动扶梯不但较好地满足了国内经济建设的需求,而且有了批量的出口,初步显示了他们在国际市场上的竞争力。
虽然目前我国电梯业取得了长足的进步,但产品结构、企业结构的矛盾依然存在,表现在超高速电梯、超大高度的自动扶梯行业还不能生产,我们每年还须进口5000台电梯。
而国内企业生产能力相对过剩、中小电梯企业过多、市场竞争不规范,过多采用降价政策,影响了行业的正当竞争。
特别需要指出的是,电梯安装维修保养的力量还较薄弱,企业自己承担安装和维修保养的比例比较低,影响了电梯的使用寿命并给行业的发展带来负面影响。
此外,技术开发力量有待加强,即使是几家大的合资企业,产品开发依然是以引进为主。
随着我国经济平稳持续的发展,尤其是住宅产业作为国民经济新增长点的提出,为电梯业的发展提供了良好的机遇。
今后几年,我国将年建住宅3.5亿平方米,公建项目1.2亿平方米。
随着城市向大型化、高层化的发展,我国每年将需要电梯在40000台以上,5年后将达到50000台,如此大的市场需求,将是电梯业再创辉煌的最好契机。
第2章可编程控制器(PLC)的概述
2.1PLC的产生和发展
20世纪60年代,计算机技术已经开始应用于工业控制了,但由于其价格高、输入/输出电路不匹配、编程困难大以及难于适应恶劣工业环境等原因,未能在工业控制领域获得广泛应用。
1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了第一台可编程控制器PDP-14,在美国通用汽车公司的生产线上试用成功并取得了满意的效果,可编程控制器自此诞生。
可编程控制器(PLC)是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的,并逐渐发展成为以微处理为核心,把自动化技术、计算机技术和通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置,在近40年来它得到了迅猛的发展,至今已成为工业生产自动化三大技术支柱(机器人技术、CAD/CAM
技术和PLC技术)之一,被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动化控制中。
PLC的应用在工业界产生了巨大的影响。
自第一台PLC诞生以来,PLC共经过了五个发展时期:
1.从1969年到20世纪70年代初期。
主要特点:
CPU由中、小规模数字集成电路组成;存储器为磁芯存储器;控制功能比较简单,能完成定时、计数及逻辑控制。
2.20世纪70年代初期到末期。
主要特点:
CPU采用微处理存储器采用半导体存储器,这样不仅使整机体积减小,而且数据处理能力获得很大提高;增加了数据运算、传送、比较等功能;实现了对模拟量的控制;软件上开发出自诊断程序,使PLC得可靠性进一步提高;初步形成系列,结构上开始模块式和整体式的区分,整机功能从专用向通用过度。
3.20世纪70年代末期到80年代中期。
主要特点:
大规模集成电路的发展极大的推动了PLC的发展,CPU开始采用8位和16位微处理器,是数据处理能力和速度大大提高;PLC开始具有一定的通信能力,为实现PLC分散控制、集中管理奠定了基础;软件上开发了面向过程的梯形图语言,为PLC的普及提供了必要条件。
在这一时期,发达的工业化国家在多种工业控制领域开始使用PLC。
4.20世纪80年代中期到90年代末期。
主要特点:
超大规模集成电路促使PLC完全计算计化,CPU开始采用32位微处理器处理速度得到很大提高,高速计数、中断PID运动控制等功能引入了可编程控制器;由于互联网能力增强,即可和上位计算机联网,也可以下挂智能控制器或远程I/O,从而组成集散控制系统(DCS)已无困难;梯形图语言和语句表语言完全成熟,并且已基本上实现标准化,SFC(顺序功能图)语言逐步普及;专用的编程器已被个人计算机和相应编程软件所代替,人机界面装置日趋完善,已能进行对整个工厂的监控、管理,并发展了冗余技术,大大加强了可靠性。
5.进入21世纪后PLC仍保持旺盛的发展势头。
目前PLC主要两个方向扩展:
一是综合化控制系统,将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来,甚至向上为MES(制造执行系统(manufacturingexecutionsystem,简称MES)是美国AMR公司(AdvancedManufacturingResearch,Inc.)在90年代初提出的,旨在加强MRP计划的执行功能,把MRP计划同车间作业现场控制,通过执行系统联系起来。
这里的现场控制包括PLC程控器、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器、机械手等。
MES系统设置了必要的接口,与提供生产现场控制设施的厂商建立合作关系。
)和ERP(ERP是针对物资资源管理(物流)、人力资源管理(人流)、财务资源管理(财流)、信息资源管理(信息流)集成一体化的企业管理软件。
)系统准备了技术基础,这种发展趋势将使得举步维艰的ERP系统具有坚实的技术基础,从而带来工业控制的一场变革,实现真正意义上的电子信息化工厂;二是微型可编程控制器体积如手掌大小,功能可覆盖单体设备及整个车间的控制,并具备联网功能,这种微型化的PLC使得控制系统将触角延伸到工厂的各个角落。
随着世界经济一体化进程的加快,在技术发展的同时,发达国家更加注重了对可编程控制器的知识产权的保护,国际大型可编程控制器制造商纷纷加入了可编程控制器的国际化标准组织,并利用许多技术标准建立了符合他们经济利益的技术保护壁垒。
2.2PLC的基本结构
PLC的生产厂家很多,产品的结构也各不相同,但其基本构成是一样的,都采用了计算机结构,如图2-1所示,都以微处理器为核心通过硬件和软件的共同作用来实现其功能。
PLC主要有六部分组成,CPU、存储器、输入/输出(I/O)接口电路、电源、外设接口、输入/输出(I/O)扩展接口。
图2-1PLC结构示意图
2.3PLC控制系统和其他控制方式的比较
2.3.1PLC控制系统与继电器控制系统比较
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,可靠性越来越高,继电器控制的弱点就越来越明显。
可编程控制器(PLC)最早是根据顺序逻辑控制的要求而发展起来的,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,电梯的继电器控制已逐步被PLC控制所替代。
同时。
由于点击交流变频调速技术的发展,电梯的拖动方式由原来的直流调速过渡到交流变频调速。
因此,PLC控制技术加变频调速技术已成为现代电梯行业的一个热点。
电梯及电气控制系统的优点:
所控制功能及信号处理均由硬件实现,线路直观,易于理解掌握,适合于一般技术人员和技术工人所掌握;系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器;大部分电器均为常用控制电器,更换方便,价格便宜;多年来我国一直生产这种电梯,技术成熟,已形成系列化产品,技术资料图纸齐全,熟悉、掌握的人员较多。
但是,电梯继电器控制系统存在很多的问题:
系统触点繁多,接线线路复杂,且出点容易烧坏磨损,造成接触不良,因而故障率较高;普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能,使系统的控制功能不已增加,技术水平难以提高;电磁机构及触电动作速度表较快,机械和电磁惯性大,系统控制精度难以调高;系统结构庞大,能耗较高,机械动作噪声大;由于线路复杂,易出现故障,因而保养维修工作量大,费用高,而且检查故障困难,费时费工。
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机,实质上属于计算机控制方式。
PLC与普通微机一样,以通用或专用CPU作为处理器,实现运算和数据存储,另外还有位处理器(布尔处理器),进行点(位)运算与控制。
PLC控制具有可靠性高,易操作,维修、编程简单灵活性强等特点。
为了比较PLC控制系统与继电器控制系统优缺点现列表如下,详如表2-1:
表2-1PLC控制系统与继电器控制系统
比较项目
继电器控制系统
PLC控制系统
控制功能实现
有许多继电器,采用接线的方式来完成控制功能
各种控制功能通过编制的程序来实现
对控制要求变更适应性
适应性差,需要重新设计,改变继电器和接线
适应性强,只需针对程序进行修改
控制速度
低,靠机械动作实现
极快,靠微处理器进行处理
特殊功能
一般没有
有
安装、施工
连线多,施工繁
安装容易,施工方便
可靠性
差,触点多,故障多
高
寿命
短
长
可扩展性
困难
容易
维护
工作量大,故障不易查找
有自诊能力,维护工作量小
从表2-1可以看出,PLC控制系统具有继电器控制系统无法比拟的优点,因此传统的继电器控制系统逐渐被PLC控制系统所取代是大势所趋。
2.3.2PLC控制系统与计算机控制系统比较
计算机控制系统在工业控制领域中,其主机一般采用能够在工业环境下可靠运行的工控机。
工控机有通用微机应用发展而来,在硬件结构方面总线标准化程度高,品种兼容性强,软件资源丰富,能够提供实时操作系统的支持,故对要求快速,实时性强,模型复杂的工业对象的控制占有优势。
但是,它的使用和维护要求工作人员应具有一定的专业知识,技术水平较高,且工控机在整机水平上尚不能适应恶劣工作环境。
可编程控制器对此进行了改进,变通用为专用,有利于降低成本,缩小体积,提高可靠性等特性,更适应过程控制的要求,PLC控制系统与计算机系统比较如表2-2:
表2-2PLC控
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