电梯PLC控制系统设计.doc

论文题目：电梯PLC控制系统设计

摘 要

电梯是现代高层建筑的必备交通工具。随着人们对电梯性能及乘坐舒适度规定的提高，其初期继电器控制模式已不能满足规定，并逐渐被PLC控制所取代。
论文将可编程序控制器OMRON C60P型PLC应用于四层电梯的控制。针对设计规定，在论文中完毕了CPU的选型，I/O地址的分派，及PLC对电梯控制的软件编程；针对电梯的负载特性实现了用PLC对电机进行了启、停控制；特别考虑了电梯也许出现的故障及其解决方案，最后通过模拟实验验证了设计工作。模拟实验表白：本次设计满足了设计任务书中的各项规定，取得了满意的效果。

关键词：电梯，PLC控制，变频器 ，安全

ABSTRACT

The elevator is the indispensable means of transportation of the modern skyscraper. As people’s requirement of elevator performance and taking comfort improving, Its control mode is replaced by PLC control with the simple Relay control.
The programmable controller of OMRON C60P- PLC was used to the control of four-story elevator in this thesis. For the design requirements, in the selection choose of the CPU is completed, I / O address is assigned, and designed the PLC on the elevator control software programming. Think about the characteristics of the elevator, achieved the motor using PLC start, and stop designing. In the process of design, we consider elevator failures that may occur and solutions, Finally, the simulation proved the design work. And it demonstrated that this design has achieved all the requirements, and achieved satisfactory results.

KEY WORDS: elevator, plc control, variable-frequency drive, safety

目录

第1章 绪 论 5
1.1选题背景及研究意义 5
1. 2继电器控制系统的特点及存在问题 6
1. 2. 1继电器控制系统的特点 6
1. 2. 2电梯继电器控制系统存在的问题 6
1. 3可编程控制器(PLC)在电梯控制中的应用 7
1. 3. 1可编程控制器(PLC)的特点 7
1. 3. 2可编程控制器(PLC)控制电梯的优点 9
1. 4论文的内容安排 9
第2章 系统硬件设计 10
2.1 概述 10
2.2 控制系统 12
2.2.1系统PLC的选择 13
2.2.2 PLC控制系统原理图 14
2.3 演示模型硬件设计 15
2.3.1 设计思想 15
2.3.2 PLC参数 16
3.3 PLC控制系统I／O地址功能分派表 17
第3章 系统软件设计 19
3.1程序编制原则 19
3.2控制系统程序说明 20
3.2.1指层功能 20
3.2.2 轿内指令解决 21
3.2.3召唤信号解决 23
3.2.4 层指令 25
第4章 电梯的安全与保护 29
4.1 概述 29
4.2 常见安全保护系统的设计 30
4.2.1超速断绳保护 30
4.2.2 层门锁保护 31
4.2.3 开关门安全保护 31
4.2.4缺相、错相保护 32
4.2.5电梯电气控制系统中的短路保护 33
4.2.6 曳引电动机的过载保护 33
4.2.7超载保护 34
第5章 结束语 35
致 谢 36
参 考 文 献 37
附 录 38

第1章 绪 论

1.1选题背景及研究意义
电梯是高层建筑不可缺少的交通运送工具，电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运营既高效节能又安全可靠。随着人们对其规定的提高，电梯得到了快速的发展，其拖动技术己经发展到了变频调速，其逻辑控制也由PLC代替本来的继电器控制。电梯是垂直运送工具，属于位能负载，并且规定频繁起停，随着载客量多少的变化、上下行的变换，在空载上行或重载下行时，电动机的负载最小，甚至是处在发电状态，而电梯在重载上行或空载下行时，电动机的负载最大，是处在电动状态，这就规定电动机在四象限运营。传统的电梯曳引电动机采用接触器来实现电动机工作状态的改变，这满足不了乘客的舒适感;此外，传统的电梯控制系统由继电器控制逻辑组成，存在着电气元件多、功能弱、电气故障频繁，可靠性差和工作寿命短等缺陷。可编程控制器(PLC: Programmable Logic Controller)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。鉴于其优点，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。因此，PLC控制技术己成为现代电梯行业的一个热点。
本次设计重要探讨了变频调速电梯PLC控制系统的运营规律和逻辑控制，限于实验条件的限制，本次设计以软件设计为主，模拟演示中硬件设计重要为软件服务，演示作者所设计的电梯系统的信号解决功能，从而进一步论证PLC在电梯控制系统中的优越性。
1. 2继电器控制系统的特点及存在问题
1. 2. 1继电器控制系统的特点
(1)所有控制功能及信号解决均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。
(2)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。
(3)大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格便宜。
(4)数年来我国一直生产这类电梯，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。
1. 2. 2电梯继电器控制系统存在的问题
(1)系统触点繁多接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，导致接触不良，因而故障率较高。
(2)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易增长，技术水平难以提高。
(3)电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。
(4)系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
(5)由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；并且检查故障困难，费时费工。
电梯继电器控制系统故障率高，大大减少了电梯的可靠性和安全性，经常导致停梯，给乘用人员带来不便和惊扰。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不仅会导致电梯机械部件损坏，还也许出现人身事故。
1. 3可编程控制器(PLC)在电梯控制中的应用
1. 3. 1可编程控制器(PLC)的特点
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与普通微机同样。以通用或专用CPU作为字解决器，实现字运算和数据存储，此外尚有位解决器(布尔解决器)，进行点(位)运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高，易操作、维修，编程简朴，灵活性强等特点。
(1)可靠性
对可维修的产品，可靠性涉及产品的有效性和可维修性。
1) PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简朴，维修时间短。
2) PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTTR，使可靠性提高。
3) PLC有较高的易操作性，它具有编程简朴，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。

图1-1 PLC的基本结构
4) PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简朴的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程错误率大大减少，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
5)在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽，隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。
6) PLC的软件方面，也采用了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波等；软件自诊断；简化编程语言等。
(2)易操作性
PLC的易操作性表现在下列几个方面:
1)操作方便
PLC的操作涉及程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。
2)编程方便
PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言，十分有助于编程人员的编程。
3)维修方便
PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的规定减低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以不久的找到故障的部位，以便维修。
(3)灵活性
PLC的灵活性表现在以下几个方面:
1)编程的灵活性。
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助一记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语一言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
2)扩展的灵活性。
PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
3)操作的灵活性。
操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。
1. 3. 2可编程控制器(PLC)控制电梯的优点
(1)在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运营的自动控制，可靠性大大提高。
(2)去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简朴，外部线路简化。
(3) PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增长或改变控制功能。
(4) PLC可进行故障自动检测报警显示，提高运营安全性，并便于检修。
(5)用于群控调配和管理，并提高电梯运营效率。
(6)更改控制方案时不需改动硬件接线。
1. 4论文的内容安排
电梯的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，因此采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器(PLC)来控制电梯。调速系统采用交流变频调速，在各种负载下都有良好的调速性能和准确的停车性能，满足乘客的舒适感和保证平层精度(即准确停车)，并能节约大量电能。
论文的安排如下：
第一章在查阅大量参考文献的基础上，介绍了本课题选题的背景及研究意义，通过继电器控制与PLC控制电梯的对比，论证PLC控制的优越性。
第二章阐述了电梯PLC控制系统的硬件设计，涉及模拟演示系统的设计。
第三章阐述模拟演示系统的软件设计。
第四章在电梯安全保护方面进行了设计
第五章对毕业设计进行总结。

第2章 系统硬件设计
2.1 概述
电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统同样重要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。重要硬件涉及PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。系统控制核心为PLC主机、操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。

图2.1 电梯PLC控制系统结构图

图2-1电梯PLC控制系统结构图

电梯PLC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/下呼喊开关(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。
（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，按下层外召唤按钮，能自动开门迎客。
（7）自动开关门，在一般情况下，电梯停站5秒应能自动开门;在延时时间内，若按下开门按钮，门将不经延时提前实现开门动作，开门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）按钮开关门。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，门立即打开。
（9）轿内指令记忆。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开门，自动拟定运营方向。
（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，自动拟定运营方向；呼梯记忆与顺向截停。电梯在运营中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运营方向的召唤，应能自动逐个停靠应答。
（11）自动换向。当电梯完毕所有顺向指令后，能自动换向应答相反方向的信号。
（12）自动关门待客。当完毕所有轿厢内指令，又无层外呼梯信号时电梯应自动关门在调定期间内自动关闭轿厢照明。

2.2 控制系统
根据设计规定，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图所示。图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1~KM4通过控制两台电动机的运营来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运营过载时断开主电路。FU1为熔断器，起过电流保护作用。

图2.2 电梯PLC控制系统主电路
2.2.1系统PLC的选择
根据控制系统的输入装置和输出装置及数量，并留有余量，本设计选择了日本OMRON公司生产的C 60P型机。日本OMRON的SYSMAC C 系列 P 型机，是一种小型整体式PLC，在小规模控制系统中已获广泛应用。它具有以下优点：
(1) C60P 的输人输出点数能满足系统规定，且C60P配置灵活，除主机外，还可以扩展I/O模块，可增长系统的I/O点数；
(2) C60P指令功能丰富，有最基本指令8条，各种功能指令82条，且指令执行速度快；
(3) C60P PLC的内部辅助继电器IR，定期器TC,数据区的功能和数量能满足系统控制规定，特别是高速计数器能接受脉冲编码器的脉冲；
(4) C60P PLC的体积小，但控制功能和性能相称不错；
(5) C60P PLC的编程，可用编程器，也可以在电脑上使用OMRON公司的专用编程软件进行。编程语言可用梯形图或指令表。还可对系统进行实时监控，为调试和维护提供了极大的方便。
2.2.2电梯PLC信号控制系统框图

图2.3电梯PLC信号控制系统框图
2.3 演示模型硬件设计
2.3.1 设计思想
由于实验条件限制，只能用按键、二极管、数码管等元件来演示电梯的基本的逻辑动作：实际中电梯的楼层感应信号来自霍尔元件等传感器信号，在这里用按键开关代替；为了直观演示，用数码管来显示楼层，但是为了节约资源，使用数字芯片74ls47来驱动数码管；PLC的COM端、数码管、74ls47均使用外接5V电源。

图2.4 PLC电梯控制系统原理图（演示模型）

2.3.2 PLC参数
一般规格
电源电压
-A AC100～240V 50/60Hz -D DC24V
允许电压范围
AC85～264V DC20.4～26.4V
型号末尾-A耗电
40VA以下
60VA以下
型号末尾-A耗电
20W以下
20W以下
DV24V输出端子
±10%最大0.2A
±10%最大0.3A
使用环境温度
0～55℃
使用环境湿度
35～85%RH(不结露)
保存环境湿度
-20～65℃
性能规格
控制方式
存储程序
编程语言
梯形图方式
指令长度
每条指令一步，每指令占1～6字
指令种类
37种(基本指令12种，应用指令25种)
解决时间
平均10us/1指令(RAM)，13us/1指令(ROM)
程序容量
1194步
输入输出继电器
20～36点(C20P)，28～56点(C28P)
40～80点(C40P)，60～120点(C60P)
内部辅助继电器
136点(1000～1807)
使用高速计数命令时，1807为其专用
特殊辅助继电器
1,6点(1808～1907)
保持继电器
160点(HR000～915)
暂时记忆寄存器
8点(TR0～7)
数据存储器
64字(DM00～63)
使用高速计数命令时，DM32～63为其专用
定期器/计数器
TIM，TIMH，CNT合计48点
高速计数器
1点
停电保持机能
保持继电器、计数器、数据存储器内容
电池寿命
25oC条件下为5年
自诊断机能
CPU异常(时钟、监视、定期器)
2.3.3 PLC控制系统I／O地址功能分派表
输入地址表
输入点
输入设备
设备说明
00001
一层上召唤按钮

00002
二层上召唤按钮
00003
三层上召唤按钮
00004
二层下召唤按钮

00005
三层下召唤按钮
00006
四层下召唤按钮
00007
一层轿内指令按钮

00008
二层轿内指令按钮
00009
三层轿内指令按钮
00010
四层轿内指令按钮
00101
一层感应信号
按键开关模拟
00102
二层感应信号
00103
三层感应信号
00104
四层感应信号

输出地址表
输出点
输出设备
设备说明
01001
上行指示灯
电梯正向上运营
01002
下行指示灯
电梯正向下运营
01104
轿内指示1

01105
轿内指示2
01106
轿内指示3
01107
轿内指示4
01100
74ls47 A输入端
数码管显示相应楼层
01101
74ls47 B输入端
01102
74ls47 C输入端
01103
74ls47 D输入端
01003
一楼上召唤指示

01004
二楼上召唤指示

01005
三楼上召唤指示

01006
三楼下召唤指示

01007
二楼下召唤指示

01008
四楼下召唤指示

第3章 系统软件设计
3.1程序编制原则
（1）按实际电梯棱层显示方法显示。如：上升时，轿厢在1．2层之间显示“2”：下降时轿厢在1．2层之间显示“1”。
（2）用向上、向下箭头（三角形发光二极管）显示电梯的上行、下行。
（3）被呼喊的楼层（涉及内呼和外呼）指示灯亮。响应后指示灯熄灭。
（4）当只有单向呼喊信号时，按楼层的顺序响应呼喊信号；当有双向呼喊信号时。优先响应当前运营方向（顺向）楼层的呼喊信号，然后响应逆向呼喊信号，未响应的楼层呼喊信号被记忆。直到响应结束。
（5）电梯运营过程严禁开门，开门电梯严禁运营。
（6）电梯到层停车时响铃、自动开门，延迟一定期间后自动关门。也可以手动开、关门。
（7）由于关门到位是靠时间来控制，为了保汪轿厢门可靠关闭，关门时间足够长（如5秒）。
（8）电梯在任两层问行走不得超过30秒钟。否则鉴定电梯运营出故障，电梯自动停止运营。
（9）电梯设有上下极限位行程开关。当电梯运营到极限位置时，通过程序强行电梯停止运营。
（10）电梯如无任何呼喊，在当前层等待呼喊，等待超过一定期间自动返回基层。

开电梯
轿内指令、厅外召唤信号登记
自动定向
开、关门控制
厅外召唤信号
指层控制
指层信号=选层信号（指令、召唤）
换速平层停车
轿内指令、厅外召唤信号消除

Y

N
Y
开始

停电梯
结束
Y
开、关门控制
指令、信号均解决完毕

N

图3-1系统程序流程图

3.2控制系统程序说明
3.2.1指层功能
楼层感应信号是电梯电路中的重要信号，由于它涉及到其他控制电路中的许多环节，诸如轿厢指令、厅外召唤信号、选向等。电梯一般都配有层楼指示器，以便指示电梯所在位置。
关于电梯轿厢层楼位置信号的获取，其方式有：1.由机械选层器获得，运用机械选层器的动、静触点的通断取得或消除层楼位置信号。2.对于无机械选层器的电梯，可以：
（1）磁感应器信号直接输入：安装在轿厢上的遮磁板通过安装在井道上每层一个的干簧管感应器时，使该层站的感应器触点接通，并通过电缆将感应器触点信号输入PLC。PLC可直接使用输入点信号作为轿厢的楼层位置信号，进行定向、选层、换速。
（2）双稳态磁保开关状态编码输入：运用磁保开关的双稳态特性，通过磁铁不同极性和安装位置，使磁保开关的状态按一定规律编码输入PLC。
（3）旋转编码器或光电开关脉冲输入：旋转编码器的转轴直接与曳引电动机转轴相连，当电动机转动时，编码器输出与转角相应的脉冲数。通过累计脉冲数量可直接算出轿厢相应的位置行程，进而算出电梯运营过程中轿厢所处楼层位置。
演示模型中用按键开关代替楼层信号，运用数码管显示楼层。

指层功能梯形图

3.2.2 轿内指令解决
轿厢内操纵箱上相应每一层楼设一个带灯的按钮，也称指令按钮。乘客按下要去层站的指令按钮，按钮灯便亮，即轿厢内指令登记。电梯运营到达目的层站后，该指令被消除，相应的按钮灯熄灭。
轿内指令与厅外召唤信号均需所有输入PLC中，重要方法有：按钮信号直接输入、组合输入、矩阵扫描输入、编码输入等。
指令信号解决涉及信号的登记、显示以及本层（停车）消号。考虑到指令指示灯闪烁显示，需要定期器控制，为了便于与召唤信号区分开，故采用中间继电器来记住输入（指令按钮X7、X8、X9、XA）的状态，以实现指令的登记；由于本层消号的需要，故使中间继电器与输出互锁，以实现消号。
S
XA M0024

R

Y1A M0024

TMR 0 10

M0024 T11 T0011

T0011 Y0016 Y0016

T0011 Y0016

X9 M23
S
R
结束

Y19 M23

M23 T10 T0010
TMR 0 10

T0010 Y0015 Y0015

T0010 Y0015

S

X0008 M0022

Y0018 M0022
R
M0022 T0001 T0001
TMR 0 10

T0001 Y0014 Y0014

T0001 Y0014

X0007 M0021
S

Y0017 M0021
R

TMR 0 10

M0021 T0000 T0000

T0000 Y0013 Y0013

T0000 Y0013

轿内指令解决梯形图

3.2.3召唤信号解决
厅外召唤信号同轿内指令同样同样需要进行登记、显示、本层停车消号，此外还具有反向信号保持功能。
信号的登记采用自锁原理，软件上采用逻辑“或”实现。为了保证同向召唤消号，反向信号保持功能，其消号条件必须是楼层指示信号（Y7、Y8、Y9、YA）与方向指示信号（Y11、Y12）同时满足。

S
X0003 M0060

X0002

X0001 Y0010

X0002

X0003

Y0019 Y0015 Y0015

Y0011

M0060

X0003

Y0018 Y0014 Y0014

Y0011

M0060

X0002

Y0017 Y0013 Y0013

Y11

X0001
Y001A Y0016 Y0016

Y0012
X0006

Y0019 Y0015 Y0015

Y0012

M0006

X0005

Y0018 Y0014 Y0014

Y0012

M0060

X0004

召唤信号解决梯形图
3.2.4 层指令
（1）定向选层
由于定向与选层换速直接相关，通常在编制定向程序中应适当考虑选层换速的规定，并为选层换速控制做信号准备。
本电梯的PLC控制系统采用全集选方式控制，因此，根据上行上优先、下行下优先的原则控制电梯自动选向，同时解决轿内指令与厅外召唤信号，方向信号的登记以当前所处楼层及接受到的第一条指令或召唤为准。再对所用指令和召唤进行楼层比较来判断方向信号的消号楼层。
MOV 2 0
X0002 Y0018 Y0019 Y001A D0004

X0008 M0002

X0001

MOV 3 0
X0003 Y0019 Y001A D0005

X0009 M0003

X0002

MOV 4 0

X0006 Y001A D0006

X000A M0004

X0003

S
M0001 M0005

M0002

M0003

M0004

R

Y001A M0005

R

D0006 Y001A M0005
EQ 0 = 4

R0006

D0006

D0006 D0005 Y0019 M0005R
EQ 0 = 3

EQ 0 = 0

D0005
R

EQ 0 = 2

EQ 0 = 0

EQ 0 = 0

D0006 D0005 D0004 Y0018 M0005

D0004

M0005 Y0012 Y0012

定向上行梯形图

（2）反向截层
电梯选层换速一般涉及指令换速、召唤顺向截层换速、召唤最远反向截层换速。无论在有司机或无司机运营状态，对于指令信号，电梯均需换速平层停车；当召唤方向与电梯运营方向相同时，电梯换速停车，及顺向截层。只有在无司机运营状态，当同向指令与信号均响应完毕，电梯运营至同向顶层（或底层）自动反向后，电梯才对反向召唤信号应召服务，当有多个反向召唤信号时，先应召最远的反向召唤信号，及最远反向截层，然后再以顺向截层方式应召其它召唤信号。
由于电梯的换速功能需要测速器等硬件装置，故在演示中，仅由消号来表达，模拟其具体运营规律。

X0004 Y0018 Y0019 Y001A Y01