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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

前言……………………………………………………………………………

第一章总体设计方案………………………………………………………

1.1总体方案的确定……………………………………………………….

1.2电梯PLC控制系统的构建……………………………………………

1.3可行性论证……………………………………………………………

1.4设计的整体布局及其选型……………………………………………

第二章可编程序控制器的结构与工作原理………………………………

2.1PLC的体系结构………………………………………………………

2.2可编程序控制器的基本结构…………………………………………

2.3开关量I/O模块………………………………………………………

2.4可编程序控制器的工作原理…………………………………………

2.5PLC的选型…………………………………………………………….

2.6PLC控制程序设计……………………………………………………

第三章电梯硬件及软件系统设计………………………………………….

3.1电气控制系统……………………………………………………………

3.2电梯PLC控制系统设计………………………………………………

3.3硬件系统要求及设计…………………………………………………

3.4软件系统设计…………………………………………………………

参考文献………………………………………………………………………

致谢……………………………………………………………………………

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；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。

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）.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

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，起冲顶和撞底保护作用；切断总电源的极限保护。

1.3电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析

1.31电梯的初始状态

假设电梯开始时处于第1层待命、各层显示器都被初始化,电梯处于以下状态:

各层呼叫灯均不亮。

电梯内部及外部各楼层显示器显示均为“1”。

电梯内部及外部各楼电梯门均关闭。

1.32电梯运行过程中

按下某层呼叫按钮（1～3层）后,该层呼叫灯亮,电梯响应该层呼叫。

电梯上行或下行直至该层。

各楼层显示随电梯移动而改变,

各层指示灯也随之而变运行中电梯门始终关闭,到过指定层时,门才打开。

在电梯运行过程中,支持其他呼叫。

1.3.3电梯运行后状态

在到达指定楼层后,电梯会继续待命,直到新命令产生。

电梯在到达指定楼层后,电梯门会自动打开,经过一段时间自动关闭,在过程中,支持手动开门或关门。

各楼层显示值为该层所在位置,且上行与下行指示灯均灭。

FXON系列中的FXON－24M，它是将众多功能凝集在超小型机壳内

的微型可编程控制器。

在控制器内备有模拟电位器与RUN/STOP开

关等，方便功能实现，通过扩展单元、扩展模块与基本单元的连接，

可自由地选择使用方法。

1.4实际运行中的控制要求分析

实际中,电梯服务的对象是许多乘客,乘客乘坐电梯的目的地是不完全一样的,而且,每一个乘客呼叫电梯的时间有前有后。

因此,我们将电梯在实际中的各种具体情况加以分类,做出分析,以便于编制程序。

1.4.1电梯上行分析

若电梯在上行过程中,某楼层有呼叫产生时,可分以下两种情况:

（1）若呼叫层处于电梯当前运行层之上、目标运行层之下,则电梯应在完成前一指令之前先上行至该层,完成该层呼叫后再由近至远的完成其他各个呼叫动作。

（2）呼叫层处于电梯当前运行层之下,则电梯在完成前一指令之前不响应该指令,直至电梯重新处于待命状态为止。

1.4.2电梯下行分析

若电梯在下行过程中,某楼层有呼叫产生时,可分以下两种情况:

（1）若呼叫层处于电梯当前运行层之下、目标运行层之上,则电梯应在完成前一指令之前先下行至该层,完成该层呼叫后再由近至远的完成其他各个呼叫动作。

（2）呼叫层处于电梯当前运行层之上,则电梯在完成前一指令之前不响应该指令,直至电梯重新处于待命状态为止。

1.5电梯的7项控制要求

（1）呼叫接收控制

接受每个呼叫按钮（包括内部和外部的呼叫）的呼叫命令,并做出相应的响应。

（2）楼层呼叫控制

电梯停在某一层（例如2层）时,此时按动该层的呼叫按钮（上呼叫或下呼叫）,则相当于发出打开梯的门命令,进行开门的动作过程;若此时电梯的轿箱不在该层（在1、3层）,则等到电梯关门后,按照不换向原则控制电梯向上或向下运行。

（3）运行方向控制

电梯运行的不换向原则是指电梯优先响应不改变现在电梯运行方向的呼叫,直到这此命令全部响应完毕后才响应使电梯反向运行的呼叫。

（4）楼层到达控制

电梯在每一层都有1个行程开关,当电梯碰到某层的行程开关时,表示电梯已经到达该层。

（5）呼叫按钮控制

当按动某个呼叫按钮后,相应的呼叫指示灯亮并保持,直到电梯响应该呼叫为止。

（6）电梯门控制

当电梯停在某层时,在电梯内部挥动开门按钮,则电梯门打开,按动电梯内部的关门按钮,则电梯门关闭。

但在电梯运行期间电梯门是不能打开的。

（7）楼层指示灯控制

当电梯运行到某层后,相应的楼层指示灯亮,直到电梯运行到前方一层时楼层指示灯改变。

1.6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、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。

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。

1.7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稳启动（1%额定转速），并且极其精确地运行。

它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：

250000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

2.1PLC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（ProgrammableLogicController）主要由CPU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

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0~70V，高电压为70~256V，频率为47~63HZ。

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。

2.3.1a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10~20ms（信号上升沿）和20~50ms（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线图。

本节的输入电路和输出电路都只画出了一路，COM是各路的公共点。

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2.3.1b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2.3.1c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2.3.1c交流输入电路

2.3.2输出模块

输出模块的功率放大元件有大功率晶体管和磁效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动内交流负载）和小型继电器，后者可以驱动交流负载或直流负载。

输出电流的典型值为0.5~2A，负载电源由外部现场提供。

输出电流的额定值与负载的性质有关，但是只能驱动100VA/22V的电感性负载和100W的白炽灯。

额定负载电流还与温度有关，温度升高时额定负载电流减小，有的可编程序控制器提供了有关曲线。

输出模块内可能设置有熔断器，并在模块面板上用发光二极管显示熔断器的状态。

某些新式的模块用非破坏性的电子保护电路代替熔断器。

2.4可编程序控制器的工作原理

可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。

这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。

2.5PLC的选型

为了能够更好的选型，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。

2.5.1输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。

实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

2.5.2存储器容量的估算

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。

。

为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

2.5.3控制功能的选择

该选择包括控制功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

（一）控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。

PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。

例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。

（三）编程功能PLC的编程有离线编程和在线编程两种，设计时应根据应用要求合理选用。

离线编程方式：

PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。

完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。

离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。

在线编程方式：

CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。

这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。

（四）诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。

硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。

通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。

PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。

（五）处理速度PLC采用扫描方式工作。

从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。

处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。

目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。

扫描周期（处理器扫描周期）应满足：

小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。

2.6PLC控制程序设计

2.6.1PLC控制系统的设计基本原则

1）最大限度的满足被控对象的控制要求。

2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。

3）保证控制系统安全可靠。