基于PLC的三层电梯控制系统设计-毕业论文.doc

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1、基于PLC的三层电梯控制系统设计中 文 摘 要本设计主要利用欧姆龙系统完成。主要介绍了3层电梯的PLC的特点、PLC的功能、发展趋势、PLC控制电梯的软、硬件设计。在示意图、接线图、电梯的控制梯形图、指令表、和程序流程图的基础之上提出了PLC的编程方法。可编程控制系统Programmable Logic Controller是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业自动化控

2、制控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。电梯是高层建筑不可缺少的运输工具，用于垂直运送乘客和货物，传统的电梯控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用 PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。目前PLC在电梯行业已得到广泛应用。在层数和控制功能较少的场合，采用PLC控制较为方便。关键词：PLC；可编程控制；电梯；欧姆龙；高层建筑学习文档 仅供参考一、引言可编程控制器是采用微机技术通用工业自动化装置，近几年来，在国内已经迅速推广普及，正在改变这工厂自动控制的面貌，对传统的技术改造，发展新型工业具有实

3、际的重大意义。 可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫作可编程逻辑控制器，目的是用来代替继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，器基本设计思路把电脑功能灵活、通用、完善等优点和继电器控制的简单易懂、操作方便、价格廉价等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的，根据实际需要，把控制程序写进控制器的用户程序中，控制器与被控对象联系也很方便。随着半导体技术，尤其是微处理器和微型电脑的技术发展，到70年代中期以后已广泛的使用微处理器作为中央处理器，输入输出快都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的已不再是仅有逻辑控制功能还同时具有数据处理、调节和数据通信功能。可编程控制器

4、对用户来说是一种无触点，改变程序就可以改变生产工艺，因此在初步设计阶段就选用了可编程控制器。在实施阶段在确定工艺过程。另一方面。自从制造生产可编程控制器，适合批量是生产。它是以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，转为工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器用以在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序控制。定时/计数和算数运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口控制各种类型的机械和生产过程，PLC是微机技术与传统的继电器接触控制技术相结合的产物，它克服了继电器控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点又照顾到现场电器操作维修

5、人员的技能和习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的电脑编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学 ，调试和过失也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简单的用户程序的编制工作，就可灵活方便的PLC应用于生产实践。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢送，并得到迅速发展。目前。可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，并得到广泛的推广普及应用二 可编程逻辑控制器(PLC)简可编程逻辑控制器定义可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC) 根

6、据国际电工委员会(IEC)在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其作了如下定义：“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。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，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，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用。 可编程逻辑控制器PLC的由来早期工业生产中广泛使用的电器

7、自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器控制系统，随着20世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即： 1、编程方便，现场可修改程序； 2、维修方便，采用模块化结构； 3、可靠性高于继电器控制装置； 4、体积小于继电器控制装置； 5、数据可直接送入管理电脑； 6、成本可与继电器控制装置竞争； 7、输入可以是交流115V； 8、输出为

8、交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； 9、在扩展时，原系统只要很小变更； 10、用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。 这就是著名的GM10条1969年，美国数字设备公司DEC研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制

9、出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用学习文档 仅供参考学习文档 仅供参考可编程逻辑控制器PLC的工作原理： 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1.输入采样阶段在输入采样阶段 PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因

10、此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2.用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设

11、备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的但凡用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。3.输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。可编程逻辑控制器PLC的主要特点和发展1. 可编程逻辑控制器PLC的主要特点1、高可靠性 1所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路

12、与PLC内部 之间电气上隔离。 2各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms. 3各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 4采用性能优良的开关电源。 5对采用的器件进行严格的筛选。 6良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即 采用有效措施，以防止故障扩大。 7大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统, 使可靠性更进一步提高。 2、丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感

13、器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。3、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4、编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备电脑的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5、安装简单，维修方便 PLC不需要专门的机房，可以

14、在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复。2.可编程逻辑控制器PLC的发展 虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：1、早期的PLC60年代末70年代中期 早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完

15、成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准电脑的形式出现，在I/O接口电路上作了改良以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广阔电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。2、中期的PLC70年代中期80年代中，后期 在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作

16、为PLC的中央处理单元(CPU)。 这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。 3、近期的PLC80年代中、后期至今 进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，

17、各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。三、三层楼电梯自动控制电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。目前电梯设计使用可编程控制器(PLC)，要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。电梯设计要求1、 图3.1是三层楼电梯示意图，电梯上、下由一台电机控制：正转上升、反转下降。1每层设有呼叫开关SB1一SB3；呼叫指示灯H1一H3和到位行程开关ST1一ST3。 2假设令电梯上升途中只响应上升

18、呼叫，下降途中只响应下降呼叫，任何反方向呼叫均无效(以下简称“不可逆响应”)，则其动作要求如表所示。 3因实际电梯的呼叫开关为按钮式开关，所以SB1一SB3开关要求瞬间接通有效。 4各楼层问有效运行时间应小于10s，否则认为有故障，自动令电机停转。 图3.2注：第11、12项在运行中，后发出的反方向呼叫无效。 2、附加动作要求：到达每层楼后，电梯应有开、关门动作电梯设计分析1.分析被控对象被控制的对象为三层楼电梯，在这个设计中动作要满足表3.2的要求。电梯运行到位后，具有开、关门功能。能自动判别电梯运行方向，并发出响应的指示信号。2.分配PLC的输入/输出端子输入电路输入端子输出电路输出端子开

19、门行程开关SL1开门继电器KM1关门行程开关SL2关门继电器KM2红外传感器SA1上行继电器KM3红外传感器SA2下行继电器KM4一层到位行程开关ST1加速继电器KM5二层到位行程开关ST2低速继电器KM6三层到位行程开关ST3快速继电器KM7一层呼叫按钮SB1上行方向灯HL1一层呼叫按钮SB2下行方向灯HL2一层呼叫按钮SB3一层指示灯HL3一层内指令按钮SB4二层指示灯HL4二层内指令按钮SB5三层指示灯HL5三层内指令按钮SB6一层呼叫指示灯H1一层下行减速接近开关SA1二层呼叫指示灯H2二层上行减速接近开关SA2三层呼叫指示灯H3二层下行减速接近开关SA3三层上行减速接近开关SA43.

20、统计输入、输出点数并选择PLC型号输入信号有17个，考虑到有15%的备用点,即17(1+15%)=19.55，取整数20，因此共需20个输入点。输出信号有15个，考虑到有15%的备用点,即15(1+15%)=17.25，取整数18，因此共需18个输出点。因此可选用C60PCPU类型可编程序控制器，它有32个输入点，28个输出点，满足本设计要求。1开、关门的控制电路如图所示。自动开门：当电梯运行到位后运行继电器10.00为OFF，相应的楼层到位行程开关闭合，即0.05或0.06或0.07接点闭合，时间继电器TIM0000开始计时，计到3s时，TIM0000触点闭合，使0504线圈有效，驱动开门接

21、触器，打开电梯门，直至到位，开门行程开关动作，即0.01动断触点打开，开门过程结束。自动关门：当开门行程开关0.01触点闭合，经时间继电器TIM0001延时5s后，使TIM0001触点闭合，0505有效，驱动关门继电器，关闭电梯门，直至到位，关门行程开关0.02动作，关门动作结束。关门保护：自动关门时，可能夹住乘客，可在门上装设红外传感器。当有人进出时，0.03或0.04闭合，关门被禁止，同时开门接触器工作，把门打开，至限位位置后，重新执行关门动作。图开、关门的控制电路2电梯到站指示如图所示。当电梯到达一层时，一层到位行程开关闭合，一层指示灯亮。其他楼层情况类似。图 电梯到站指示3各层呼叫指示

22、如图所示当乘客按下某层楼的呼叫按钮或某层楼的内指令按钮时，相应的指示灯亮，指示灯一直保持到电梯到达该楼层。图 各层呼叫指示4电梯起动和运行方向选择如图所示。假设电梯原先停在一楼，按了二层呼叫按钮1.02，二层呼叫指示灯亮6.09闭合，因为一层到位行程开关闭合，所以上行方向灯5.08亮，起动中间继电器10.06工作，上行继电器5.00运行，电梯上升，到了二层，碰到二层到位行程开关，二层指示灯亮，前沿微分指令1005为ON一个扫描周期，用以切断起动控制信号，起动中间继电器停止工作，电梯停在二层。如果按了三层呼叫按钮，情况与此类似。电梯在上升途中，电梯的三层停止辅助继电器工作，此时按一层或二层呼叫按

23、钮无效。如果同时按了二、三层呼叫按钮，上行方向灯亮，电梯上升，到了二层，二层停止辅助继电器和计时器开始工作，电梯停2秒后，上升方向灯继续亮，电梯继续上升，直到三层才停止。下降情况与上升类似，故不赘诉。由于有TIM0003故障检测，当电梯在各楼层间运行时间超过10s，就认为有故障，自动令电机停转。图 电梯起动和运行方向5电梯速度的变换如图所示电梯起动后快速运行，2s后开始加速；在接近目标楼层时，相应的接近开关1.07、1.08、1.09或1.10动作，电梯开始减速，直至到达目标楼层时停止。图电梯速度的变换LD T0000TIM 0000 #0030LD T0001TIM 0001 #0050AN

24、DNOT T0002TIM 0002 20ANDNOT T0003ANDNOT T0003TIM 0003 10ORLDORLDTIM 0004 20LD T0004ORLDORLDORLDANDLDEND(001)四、硬件配置设计人按动相应的控制按钮，发出命令信号，由PLC接受，经PLC内部控制指令处理后，将控制信号传给变频器，通过变频器来控制电压、电流的强度，来决定拖动电机的正反转及速度。系统硬件结构图如图1 所示，其各部分功能说明如下。Q1三相电源断路图 K1电源控制接触器 K2负载电机通断控制接触器VS变频器 BU制动单元 Ra能耗制动电阻 M主拖动曳引电机在电梯运行的启动段是关系到电

25、梯运行舒适感指标的主要环节,而舒适感又与加速度直接相关,根据控制理论,要使某个量按预定规律变化必须对其进行直接控制,对于电梯控制系统来说,要使加速度按理想曲线变化就必须采用加速度反馈,当启动上升段速度到达稳态值的90%时，将系统由加速度控制切换到速度控制，因为在稳速段，速度为恒值控制波动较小，加速度变化不大，且采用速度闭环控制可以使稳态速度保持一定的精度，为制动段的精确平层创造条件。在系统的速度上升段和稳速段虽都采用PI调节器控制，但两段的PI参数是不同的，以提高系统的动态响应指标。在系统的制动段，即要对减速度进行必要的控制，以保证舒适感，又要严格地按电梯运行的速度和距离的关系来控制，以保证平

26、层的精度。一 电梯控制构成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灯显示(开关上带有指示灯)。为了提高电梯的运行效率和平层的精度，系统要求PLC能对轿厢的加、减速以及制动进行

27、有效的控制。根据轿厢的实际位置以及交流调速系统的控制算法来实现。为了电梯的运行安全，系统应设置可靠的故障保护和相应的显示。采用PLC实现的电梯控制系统由以下几个主要部分构成。二 主电路 主电路由三相交流输入、变频驱动、曳引机和制动单元几部分组成。由于采用交-直-交电压型变频器，在电梯位势负载作用下，制动时回馈的能量不能馈送回电网，为限制泵升电压，采用受控能耗制动方式。见图2。图2主电路五、型号规格设备型号作用电源控制接触器CJ10-20频繁操作和远程控制负载断电控制接触器CJ10-20频繁操作和远程控制变频器SJ300控制电梯的运行速度及停止制动单元BU/380V用于层之间的制动控制能耗制动电

28、阻Ra/380V辅助制动单元制动主拖动拽引电机三相异步电动机/380V主拖动PLCC60PCPU控制输入、输出控制信号熔断器RL1-60保护电路安全PG卡同变频器扩展六、总结通过这次设计使我对电梯的控制有了深入的了解，尤其是电梯的PLC控制。在这次设计中，我经历了 查资料做笔记思考定位选设备的过程，使我了解的不仅仅是电梯的控制，或是设备的选择，或浅或深，最重要的是我掌握了一种设计的方法，思维的方式，使受益非浅。在此次设计中，使我还体会到了要想飞快的进步就要有一盏明灯照路。感谢刘老师多次的指点迷津，使我突破了许多难关。参考文献1王兆明、王治刚主编. 可编程序控制器原理、应用与实训. 机械工业出版

29、社 2韩顺杰、吕树清主编. 电气控制技术. 中国林业出版社3陆运华、胡翠华主编.图解PLC控制系统梯形图及指令表. 中国电力出版社4郑宝林主编.图解欧姆龙PLC入门. 机械工业出版社5中国设计师网 shejis 6电控学习网 dkxxw 致谢在此论文结束之际，感谢导师三年来的谆谆教导，和对本论文的指导，导师平易近人的人格魅力，严谨治学的工作态度，是我以后工作的学习榜样！此次的论文设计让我对自己所学的理论知识有了整体的了解，自己所掌握的理论知识还远远不够，不足以整体解决问题，因此查阅借鉴并整理以前导师所授知识，经多日收集整理，终完成论文的编辑。 至此，本次论文的设计完满结束，由于能力及专业知识的有限，文中难免会有些不足和欠缺之处，敬请导师指正！我会在以后的学习工作中努力提升自己的能力，争取做得更好。本次课题设计是在导师的指导下完成的。在此论文结束之际，感谢导师三年来的谆谆教导，和对本论文的指导，导师平易近人的人格魅力，严谨治学的工作态度，是我以后工作的学习榜样！学习文档 仅供参考