论可编程控制器在电梯控制中的应用.doc

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1、 毕 业 设 计（论文）中文题目论可编程控制器在电梯控制中的应用英文题目On the programmable controller in the elevator control application 学 院：成人教育学院专业年级：电气工程及其自动化2011级姓 名：学 号：指导教师：职 称：2013 年7月 23 日毕业设计（论文）诚信声明书本人郑重声明：在毕业设计（论文）工作中严格遵守学校有关规定，恪守学术规范；我所提交的毕业设计（论文）是本人在 指导教师的指导下独立研究、撰写的成果，设计（论文）中所引用他人的文字、研究成果，均已在设计（论文）中加以说明；在本人的毕业设计（论文）中未剽

2、窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，未篡改实验数据。本设计（论文）和资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。学生签名： 年 月 日摘 要随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出不可磨灭的贡献。PLC在电梯升降控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。由于PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。在电梯升降过程中，各种逻辑开关控制与PLC很好的结合，很好的实现了对升降的控制。本文主要讨论利用日本OMRON公司的C系列机对电梯的升降进行控制，形成电梯控制系统。关键词:PLC 电梯升降

3、控制；OMRONAbstractWith the continuous development of society, more and more high buildings, high-rise buildings and elevators became necessary equipment. Lift the handle switch operation from the elevator, the elevator buttons to control the development to the current elevator group control, for senio

4、r transportation made an indelible contribution.PLC in the elevator control application is mainly reflected in its logical switch control functions. As the PLC has the logic operation, counting and timing, and data input and output functions. In the elevator process, the various logic switch control

5、 and PLC good combination, to achieve a good control on the lift.This paper discusses the use of Japanese OMRONs C Series machines to control the movements of the elevator, the formation of the elevator control systeKey words: PLC elevator hoist control; OMRON目 录摘 要2ABSTRACT3目 录41.可编程控制器（PLC）的概述51.1

6、可编程控制器（PLC）简介51.2 PLC的产生与发展51.3 PLC的发展趋势62.PLC与其他控制系统的比较72.1 PLC与继电控制系统的比较72.2 PLC与微机的比较73.电梯理想运行曲线93.1电梯速度曲线93.2速度曲线产生方法103.3加速给定曲的产生103.4减速制动曲线的产生104.电梯控制系统124.1电梯控制系统特性124.2电梯控制构成124.2.1 PLC控制电路134.2.2电流、速度双闭环电路134.2.3位移控制电路134.2.4端站保护145程序设计155.1楼层计数155.2快速换速155.3门区信号155.4脉冲信号故障检测166结论17致谢18参考文献

7、191.可编程控制器（PLC）的概述PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可靠性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。它应用大规模集成电路，微型机技术和通讯技术的发展结果，逐步形成了具有多种优点和微型，中型，大型，超大型等各种规格的系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多控制领悟。1.1可编程控制器（PLC）简介PLCProgrammable Logic Controller即可编程序控制器。它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作、顺序运算、定时、计数和算数运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种

8、类型的机械或生产过程。PLC及其设备都应该按照易于与工业控制系统计算机，目前已被广泛的应用于各个领域。 PLC具体通用计算机所不及的各种显著的特点和功能。它体积小，重量轻，能耗低；可靠性高，抗干扰能力强；控制功能完善，实用性强；安装接线简单，配套齐全，易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统设计周期短，维护方便，改造容易。不过它也有缺陷，如：PLC工作速度较计算机慢，输出输入的响应有滞后现象；使用中、高档，要求使用者有相当的计算机知识。 由于PLC把自动化技术、计算机技术和通信技术融于一体。它能完成逻辑控制；定时控制；计数控制；步进控制；A/D、D/A变换；数据处理；通信联网和监控的功能。 正是因

9、为PLC具有上述的许多优点和功能，所以在工业控制方面，目前PLC已广泛应用于冶金、化工、轻工、机械、电力、建筑、交通和运输等工业企业。1.2 PLC的产生与发展 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器为核心，把自动化技术、计算机技术和通信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控制中。 PLC从诞生至今已经快40年了，在这期间它的发展大概经历了以下几个阶段：（1）19691972 PLC

10、安置的雏形阶段，功能都很简单，只有逻辑运算，定时和计数等功能，硬件方面因集成电路还未投入大规模工业化生产，CPU由分离元件组成，储存器为磁芯存储器，容量为12k,操作系统为磁芯构成的微程序，指令一般只有2030条，机种单一，没有形成系列，一台PLC最多只能替代200300个继电器组成的系统，可靠性优于继电器。（2）19721976美国INTEL公司成功开发了世界上第一片集成电路的微处理器，因此PLC技术获得了较大的发展。PLC功能除了逻辑运算外、计算机接口和模拟量控制等，软件开发有自诊端程序，存储程序开始用了EPROM，可靠性进步一步提高，初步形成系列。结构上PLC有模块和整体式之分，整机功能

11、从专用向通用过渡。（3）19761983在这个阶段，微处理技术日趋成熟，进而出现单片微处理器、半导体储存器进入工业化生产，大规模集成电路开始普遍运用。（4）19831988计算机网络技术普遍应用，超过大规模集成电路、门阵列等专用集成电路迅速发展。PLC的CPU为16位或32位片式芯片构成，处理速度可达1s/步，高速计数、中断。PID和运动控制等功能引入PLC，满足了程序控制中所有要求。联网能力增强，既可以和上位计算机联网，也可以下挂PLC，组成多级散系统（DCS）。编程语言除了成熟的梯形图和语句表等，还有用于算术运算的BASIC语言和机床控制盒数控语音等。（5）1988年至今在这个阶段PLC技

12、术日新月异，发展势头十分强劲，并不断扩大其应用领域，如为用户配置柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）等。1.3 PLC的发展趋势目前，可编程控制器正在向着两个不同的方向进一步发展。一个是简易、廉价和超小型发展，以占领小型、分散和简单功能的工业控制市场，同时也便于适应机电一体化的要求。另一个方向是向大型化、高速度、多功能和分散型、多层次全自动化网络发展，这种系统不仅具有逻辑运算、计数、定时、数值计算、模拟量控制、监控、记录、显示、以及与计算机接口并作数据传送等一般功能，同时还具有中断控制、智能控制、过程控制盒远程控制等高级功能，此外I/O的点数进一步扩大，最多已达3200点；处

13、理数据的速度进一步提高；PLC的通信协议进一步规范化。2.PLC与其他控制系统的比较2.1 PLC与继电控制系统的比较PLC取代以继电器为基础的控制系统的原因是：现在生产线要求的时间响应快，控制精度高，可靠性好，控制程序可随工艺改变，易与计算机接口，维修方便等诸多高品质与功能，继电器控制系统远比不上PLC控制系统。常规硬件逻辑电路的控制，要是用大量的硬件控制电路，这在更改方案时，工作时相当大，有时甚至相当于重新设计一台新的装置。PLC的主要特点是它具有线修改功能。它借助于软件实现重复的控制。软件本身具有可修改性，所以PLC机灵活的可编程性就使它具有广泛的工业通用性。同时由于简化了硬件电路，也提

14、高了PLC系统的可靠性。据不完全统计，GOULD的PLC系统平均故障的间隔大于2万5万小时，而平均修复时间则小于10分钟，而且，PLC均能处理工业现场的强电信号，如交流220V、直流24V，并可以直接驱动功率部件，可长期在严酷的工业环境中工作。编程器采用传统的继电器符号语言，不必使用专门的高级语言。PLC是在按钮开关、限位开关和其他传感器等发出的监控输入信号下进行工作。根据信号控制器就会做出反映，通过用户编辑的内部逻辑便产生输出信号，而这些输出信号可直接控制外部的控制系统负载，如电机、接触器、指示灯、电磁阀、电热器。这种类型的控制系统省去了传统的电器控制系统接线和拆线的麻烦。用PLC的编程逻辑

15、提供了能随要求改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。这种性能使PLC具有很高的经济效益。2.2 PLC与微机的比较1969年出现PLC时小型计算机的价格还很昂贵。因此，中内处理装置采用一位计算机。到70年代初期微处理器出现了，1974年8080系列、1975年6800系列、1976年Z-80系列微处理机相继出现，位片式处理器也日益成熟。微机在出现标志着电子技术，特别是集成电路技术的飞跃。微机集成度高、体积小、功能强、价格便宜，它的发展给PLC带来了深刻的影响。（）把微机直接作为PLC的中央控制装置PLC制造厂家把通用的微机如6800、Z-80等直接作为PLC的中央控制装置，这

16、样做周期快，但有许多缺点，如：（1.1）没有一套面向工业过程的指令系统；(1.2)PLC工作为顺序扫描方式，要求速度快，而通用微型机均为MOS电路，速度慢 ；（1.3）通用微机的适应性差，不能适应高温、强电干扰等恶劣环境。（2）PLC的中央处理器引进微机芯片如前所述，通用的微机不一定适用于PLC，但可使用芯片组成适应工业现场特性的PLC这是PLC发展的主流。为了组成一套面向工业流程具有较高速度的指令系统，大多数PLC都是用双极性型位片处理器。（3）微机软件对PLC的影响微机常用的系统软件如操作系统DOS、汇编语言、BASIC语言及其他高级语言都写到ROM磁盘上。大多数PLC都采用了类似于微机语

17、言的编程方式，但它的编程元件都是工业流程中的电路符号，流程图语言等，只要操作人员能编出梯形图或流程图，就能借助于键盘编辑在CRT上，其他的工作由系统软件完成，不要求操作人员精通有关计算机软件和硬件方面的知识，方便了用户，利于推广和利用。3.电梯理想运行曲线根据在量的研究和实验表明，人可接受的最大加速度为am1.5/s2，加速度变化率跳变到的加速度变化率，故被广泛采用。电梯的理想运行曲线按加速度可划分为三角形、梯形和正弦波形，由于正弦波形加速度曲线实现较为困难，而三角形曲线最大的加速度和在启动及制动段的转折点处的加速度变化率均大于梯形曲线，即跳变到或由跳变到的加速度变化率，故很少采用，因梯形曲线

18、容易实现并且有良好加速度变化率频繁指标，故被广泛采用。智能变频器是为电梯的灵活高速、控制及高精度平层等要求而专门设计的电梯专用变频器，可配用通用的三相异步电动机，并具有智能化软件、标准接口、菜单提示、输入电梯曲线及其它关键参数等功能。其具有高试方便，而且能自动实现单多层功能，并具有自动优化减速曲线的功能，由其组成的高速系统的爬行时间少，平层距离短，不论是双绕组电动机，还是单绕组电动机均可适用，其最高设计速度可达4m/s，其独特的电脑监控软件，可选择串行接口实现输入输出信号的无触点控制。变频器构成的电梯系统，当变频器接收到控制器发出呼梯方向信号，变频器依据设定的速度及加速度值，启动电动机，达到最

19、大速度后，匀速运行，在到达目的层的减速点时，控制器发出切断高速度信号，变频器以设定的减速度将最大速度减至爬行速度，在减速运行过程中，变频吕原能够自动计算出减速点到平层点之间的距离，并计算出优化曲线，从而能够按优化曲线运行，使低速自选时间缩短至0.3s，在电梯的平层过程中变频器通过调整平层速度或制动斜坡来调整平层精度。即当电梯停得太早时，变频器增大低速度值或减少制动斜坡值，反之则减少低速值或增大制动斜坡值，在电梯到距平层位置4-10cm时，有平层开关自动断开低速信号，系统按优化曲线实现高精度的平层，从而达到平层的准确可靠。3.1电梯速度曲线电梯运行的舒适性取决于其运行过程中加速度a和加速度变化率

20、p的大小，过大的加速度或加速度变化率会造成乘客的不适感。同时，为保证电梯的运行效率，a、p的值不宜过小。能保证a、p最佳取值的电梯运行曲线称为电梯的理想运行曲线。电梯运行的理想曲线应是抛物线直线完全速度曲线，即电梯的加、减过程由抛物线和直线构成。电梯给定曲线是否理想，直接影响实际的运行曲线。3.2速度曲线产生方法利用PLC扩展功能模块D/A模块实现速度理想曲线输出，事先将数字化的理想速度曲线存入PLC寄存器，程序运行时，通过查表方式写入D/A，由D/A转成模拟量后将速度理想曲线输出。3.3加速给定曲的产生位D/A输出05V010V，对应数字值为16进制数00FF，共255级。若电梯加速时间在2

21、.53秒之间。按保守值计算，电梯加速过程中每次查表的时间间隔不宜超过10ms。由于电梯逻辑控制部分程序最大，而PLC运行采用周期扫描机制，因而采用通常的查表方法，每次查表的指令时间间隔过长，不能满足给定曲线的精度要求。在PLC运行过程中，其CPU与各设备之间的信息交换、用户程度的执行、信号采集、控制量的输出等操作都按照固定的顺序以循环扫描的方式进行的，每个循环都要对所有功能进行查询、判断和操作。这种顺序和格式不能人为改变。通常一个扫描周期，基本要完成六个步骤的工作，包括运行监视、与编程器交换信息、与数字处理器交换信息、与通讯处理器交换信息、执行用户程序和输入输出接口服务等。在一个周期内，CPU

22、对整个用户程序只执行一遍。这种机制有其方便的一面，但实时性差。过长的扫描时间，直接影响系统对信号效应的效果，在保证控制功能的前提下，最大限度，最大限度地缩短CPU的周期扫描时间是一个很复杂的问题，一般只能从用户程序执行时间最短采取方法。电梯逻辑控制部分的程序扫描时间已超过10ms，尽管采取了一些减少程序扫描时间的办法，但仍无法将扫描时间降到10ms以下。同时，制动段曲线采取按距离原则，每段距离到的响应时间也不宜超过10ms。为满足系统的实时性要求，在速度曲线的产生方式中，采用中断方法，从而有效地克服了PLC扫描机制的限制。起动加速运行由定周期中断服务程序完成。这种中断不能由程序进行开关，一旦设

23、定，就一直按设定时间间隔循环中断，所以，起动运行条件需放在中断服务程序中，在不满足运行条件时，中断即返回。3.4减速制动曲线的产生为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。在减速点确定之前，电梯一直处于加速或稳速运行过程中。加速过程由固定中断完成，加速到对应模式的最大值之后，加速程序运行条件不再满足，每次中断后，不再执行加速程序，直接从中断返回，电梯以对应模式的最大值运行，在该模式减速点到后，产生高速计数中断执行减速服务程序。在该中断服务程序中修改计数器设定值的条件，保证下次中断执行。在PLC的内部寄存器中，减速曲线表的数值由大到小排列，每次中断都执行一次“表指针家1”操

24、作，则下一次中断的查表值将小于本次中断的差表值。门区和平层区的判断均由外部信号给出，以保证减速过程的可靠性。4.电梯控制系统4.1电梯控制系统特性在电梯运行曲线中的启动段是关系到电梯运动舒适感指标的主要环节，而舒适感又在加速度直接相关，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，根据电动机的力矩方程式：MMZ=M=J（dn/dt）,可见加速度的变化率反映了系统动态转距的变化，控制加速度就控制系统的动态转距M=MMZ。故在此段采用加速度的时间控制原则，当启动上升速度达到稳态值的90时，将系统由加速度控制切换到速度

25、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，且采用速度环闭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，既要对减速进行必要的控制，以保证舒适感，又要严格地按电梯运行的速度和距离关系来控制，以保证平层的精度。在系统的转速降至120r/min之前，为了使两者得到兼顾，采取以加速度对时间控制为主，同时根据在每一制动距离上实际转速与理论转速的偏差来修正加速度给定曲线的方法。例如在距离平层点的某一距离L处，速度应降为Vm/s，而实际转速高为Vm/s，则说明

26、所加的制动转距不够，因此计算出此处的给定减速度值-ag后，使其再加一个负偏差，即使此处的减速度给定值修正为-(ag)使给定减速度与实际速度负偏差加大，从而加大了制动转距，使速度很快降到标准值，当电动机的转速降到120r/min以后，此时轿厢距平层只有十几厘米，电梯的运行速度很低，为防止未到平层区就停车的现象出现，以使电梯能较快地进入平层区，在此段采用比例调节，并采用时间优化控制，以保证电梯准确及时地进入平层区，以达到准确可靠平层。4.2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

27、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。

28、4.2.1 PLC控制电路PLC接收来自操纵盘和每层呼梯的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加减速运行和制动停梯等信号。4.2.2电流、速度双闭环电路 变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环；通过和电机同轴联接的旋转编码器，产生a、b两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时，利用脉冲计数构成速度闭环。4.2.3位移控制电路电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停靠准确。采用变频调速双环控制可基本满足要求，但和国外高性能电梯相

29、比还需进一步改进。本设计正是基于这一想法，利用现有旋转编码器构成速度环的同时，通过变频器的PG卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入PLC的高速计数输入端口0000，通过累计脉冲数，经世式(1)计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。电梯位移h=SI式中I累计脉冲数S脉冲当量S=IpD，(pr)(1)本系统采用的减速机，其减速比I=132，曳引轮直径D=580mm，电机额定转速ned=1450rmin，旋转编码器每转对应的脉冲数p=1 024，PG卡分频比r=1，1 8，代入式(1)得S=10mm/脉冲4.2.4端站保护 当电梯定向上行时，上行方向继电器、快车辅助接触器、快车运行接触器、

30、门锁继电器、上行接触器均得电吸合，抱闸打开，电梯上行。当轿厢碰到上强迫换速开关时，PLC内部锁存继电器得电吸合，定时器TimlO、Timll开始定时，其定时的时间长短可视端站层距和梯速设定。上强迫换速开关动作后，电梯由快车运行转为慢车运行，正常情况下，上行平层时电梯应停车。如果轿厢未停而继续上行，当Tim10设定值减到零时，其常闭点断开，慢车接触器和上行接触器失电，电梯停止运行。在骄厢碰到上强迫换速开关后，由于某些原因电梯未能转为慢车运行，及快车运行接触器未能释放，当Tim11设定值减到零时，其常闭点断开，快车运行接触器和上行接触器均失电，电梯停止运行。因此，不管是慢车运行还是快车运行，只要上

31、强迫换速开关发出信号，不论端站其他保护开关是否动作，借助Tim10 和Tim11均能使电梯停止运行，从而使电梯站保护更加可靠。5程序设计利用变频器PG卡输出端（TA2.1）将脉冲信号引入PLG的调整计数输入端0000,构成位置反馈。调整计数器（CNG47）累加的脉冲数反映电梯的位置。调整计数器的值不断地与各信号点对应的脉冲数进行比较，由此判断电梯的运行距离、换速点、平层电和制动停车点等信号。理论上这种控制方式其平层误差可在1个脉冲当量范围。在考虑减速机齿轮合间隙等机械因素情况下，电梯的平层精度可达mm内，大大低于国际15mm的标准，满足电梯起制动平滑，运行平稳，平层准确的要求。电梯在运行过程中

32、，通过位置信号检测，软件实时计算以下位置信号：电梯所在楼层位置、快速换速点、中速换速、门区信号和平层位置信号等。由此省去原来每层在井道中设置的上述信号检测装置，大大减少井道检测元件和信号连线，降低成本。下面针对在实现集选控制基础上新增添的楼层计数、快速换速、中速换速、门区和平层信号5个子程序进行介绍。5.1楼层计数本设计采用相对计数方式。运行前通过自学方式，测出相应楼层高度脉冲数，对应17层电梯分别存入16个内存单元DM06DM21。楼层计数器（CNT46）为一向计数器，当到达各层的楼层计数点时，根据运行方向进行加1或减1计数。运行中，调整计数器累计值实时与楼层计数对应的脉冲数进行比较，相等时

33、发出楼层计数信号，上行加1，下行减1。为防止计数器在计数脉冲高电平期间重复计数，采用楼层计数信号上沿触发楼层计数器。5.2快速换速当高速计数器值与快速换速点对应的脉冲数相等时，若电梯处于快速运行且本层有选层信号，发快速换速信号。若电梯中速运行或虽快速运行但本层无选层信号，则不发换速信号。中速换速与快速换速判断方法类似，不再重复。5.3门区信号当高速计数器CNT47数值在门区所对应脉冲数范围内时，发门区信号。平层信号与区信号判断方法类似，不再重复。5.4脉冲信号故障检测脉冲信号的准确采集和传输在本系统中显得尤为重要，为检测旋转编码器和脉冲传输电路故障，设计了有无脉冲信号和错漏脉冲检测电路，通过实

34、时检测确保系统正常运行。为消除脉冲计数累计误差，在基站设置复位开关，接入PLC调整计数器CNT47的复位端0001。6结论本文所述系统基于电气集选控制原则，采用脉冲计数方法，用脉冲编码器取代蟛井道中原有的位置检测装置，实现位移控制，用软件代替部分硬件功能，即降低系统成本，又提高了系统的可靠性和安全性，实现电梯的全数字化控制。致谢我对电气工程的兴趣始于参与导师的课题研究，我的论文也是源于导师的课题。在论文完成之际，首先要感谢的是我的导师。能进厦门理工学习是一件十分值得庆幸的事，更为庆幸的是，我遇到了一位好导师。参考文献【1】莫纳克调试说明。苏州莫纳克电梯有限公司【2】刘载文、李毫升、钟亚林编。电梯控制技术.北京：电子工业出版社【3】OMRON可编程序控制器系统手册，OMRON公司【4】王平崔纳新，PLC在电梯控制中的应用.微计算机信息18