基于PLC控制的五层电梯系统设计

基于PLC控制的五层电梯系统 1 目录 第一章 绪论 ......................................................... 3 1.1 引言 .......................................................... 3 1.2 可编程控制器的特点 ........................................... 3 1.3 PLC的应用领域 ................................................ 4 1.4 PLC的设计步骤 ................................................ 4 1.4.1 硬件设计 .................................................. 4 1.4.2软件设计 ................................................... 4 第二章 电梯控制的原理与实现 ...................................... 5 2．1 电梯控制系统构成 ............................................. 5 2．2 电梯的工作原理及功能要求 ..................................... 5 2．2．1 变频调速回路 .............................................. 5 2．2．2 输入输出回路 .............................................. 6 第三章 电梯控制系统设计 .......................................... 7 3．1 控制系统硬件设计 ............................................. 7 3．2 输入输出点分配 ............................................... 7 3．3 控制系统程序设计 ............................................. 8 3．3．1电梯初始化 ................................................ 9 3．3．2指层控制 .................................................. 9 3．3．3开关门控制 ............................................... 11 3．3．4轿内指令控制 ............................................. 12 3．3．5厅外呼叫控制 ............................................. 13 3．3．6电梯的选层上、下行控制 ................................... 14 3．3．7电梯的运行控制 ........................................... 15 3．3．8抱闸、泊梯、超重控制 ..................................... 18 第四章 系统整体调试 .............................................. 19 4.1硬件安装. .................................................... 19 4.2 软件调试 ..................................................... 19 结束语 ........................................................... 20 参考文献 ........................................................... 21 2 可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术 和通信技术融为一体而发展起来的崭新的工业自动控制装置。PLC以基本代替传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域，它已跃居工业自动化三大支 柱的首位。 PLC控制系统的硬件是由微处理器（CPU）、存储器（ROM和RAM）、输入/输出（I/O）单元、电源单元及外围设备等组成硬件结构如图1所示。系统的规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。 图1 PLC硬件结构 20世纪60年代末，为了克服传统继电器的种种应用上的缺点，人们研制出 了一种先进的自动控制设备PLC，由于PLC具有优良的技术性能，因此它一问 世就很快得到了推广应用。现在PLC作为用于工业生产过程控制的专用计算机， 与商家、家用的微机不同，由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和工作运 行的连续性，使其在设计上有许多特点。 （1） 可靠性高，抗干扰能力强； （2） 接口模块功能强、品种多； 3 （3） 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强； （4） 编程简单、直观； （5） 系统的设计/安装、调试工作量少； （6） 维修工作量小、维护方便； （7） 体积小、耗能低、重量轻。 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制 造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如 下几类： （1） 开关量逻辑控制 （2） 运动控制 （3） 闭环过程控制 （4） 数据处理 （5） 通信联网 开发应用PLC的设计任务分为硬件和软件设计两部分。 硬件设计主要包括： （1） 确定安排PLC的输入、输出点； （2） 设计外围电路，包括主电路； （3） 选购PLC并进行现场安装接线等内容。 大多数用梯形图和指令程序，主要包括： （1） 设计控制，根据工艺要求先画出工作循环，如有必要再画详细的状态 流程图； （2） 根据工作循环图，画出虚拟的电路图----继电器梯形图； （3） 按梯形图编写指令程序表； （4） 系统调试：根据设计要求，对程序进行调试和修改，必要时还可对硬件进 行修改，直到符合要求为止。 4 21 电梯控制系统主要由变频调速主回路、输入输出单元以及 PLC 单元构成，由如图2所示，PLC用来完成对电梯曳引电机及开关门机的起动，加减速，停止， 运行方向，楼层显示，层站召唤，轿箱内操作，安全保护等指令信号进行管理和 控制功能。 图2 电梯控制系统原理图 22 221 变频调速主回路由三相交流输入、变频调速驱动、曳引机和制动单元构成.三相电源 R、S、T 经接线端子进入变频器为其主回路和控制回路供电，输出端 为两相电接电动机的快速绕组，外接制动单元减少了制动时间，加快制动过程。 5 旋转编码器用来检测电梯的运行速度和运行方向，变频器将实际速度与变频器内 部的给定速度相比较，从而调节变频器的输出频率及电压，使电梯的实际速度跟 随变频器内部的给定速度，达到调节电梯速度的目的。变频器输入信号为：上、 下行方向指令，低速、高速、检修速度编码指令。 222 输入输出单元为 PLC 的 I/O 接口部分，主要由厅外呼叫、轿箱内选层、 楼层及方向指示、开关门、井道内的上下平层、上下强迫换速开关、门锁、安全 保护继电器、检修、消防、泊梯、称重等单元构成。 （1）输入单元为： 厅外呼叫单元，用来对各层站的厅外召唤信号进行登记、记忆和消除；轿箱 内选层单元，负责对预选楼层指令的登记、消除和指示；开关门按钮，输入 PLC 控制轿门的开闭（厅门也同时动作）；上下平层装置，用来保证电梯轿箱在各层 停靠时准确平层；上下限强迫换速开关，用于保护电梯的高速运行安全，避免电 梯出现冲顶或蹲底事故，当电梯到达上下端站时，装在轿厢边的上下限强迫换速 开关打板，信号输入 PLC，PLC 发出换速信号强迫电梯减速运行到平层位置； 门锁装置（或轿门和厅门联锁保护装置），轿门闭合和各厅门闭合上锁是电梯正 常起动运行的前提；安全回路，通常包括轿内急停开关、轿顶内急停开关、安全 钳开关、限速器断绳开关、限速器超速开关、底坑急停开关、相序保护继电器、 上下限极限开关等；检修、消防和泊梯，检修、消防和泊梯为电梯的三种运行方 式，检修运行为电梯检修时的慢速运行方式，消防运行有消防返回基站和消防员 专用两种运行状态，泊梯状态，消除内选和外呼信号，自动返回泊梯层、关门并 断电；称重单元，用来检测轿厢负荷，判断电梯处于欠载、满载或超载状态，然 后输出数字信号给 PLC，根据负载情况进行起动力矩补偿，使电梯运行平稳。 （2）输出单元为： 楼层及方向指示单元，包括电梯上下行方向指示灯、层楼指示灯以及报站钟 等，目前的方向及层楼指示灯主要有七段码显示方式和点阵显示方式，本系统为 七段码显示方式；开关门单元，用于控制电梯的厅门和轿门的打开和关闭，在自 动定向完成或电梯平稳停靠后，PLC给出相关指令，完成开关门动作。 6 31 本实验有32个输入信号，32个输出信号及现有设备，所以选用FX2—64MR 的PLC，由于现有材料所以选OMRON的3G2JV变频器和两相交流电机。来完 成实验。PLC控制器、变频器和电动机的接线及原理图如附图(1)所示。 32 输入信号 输出信号 名称 代号 编号 名称 代号 编号 安全回路 K6 X000 电梯上行 UP Y000 零速输入 K0 X001 电梯下行 DOWN Y001 脉冲输入 K1 X002 电梯快行 FAST Y002 轿内电锁 K2 X003 电梯慢行 SLOW Y003 红外传感器 K3 X004 检修速度 JX Y004 关门力限开关 K4 X005 A Y005 超 重 K5 X006 B Y006 上限强制减速 SQ0 X007 C Y007 一楼指令 SB1 X010 七段码 D Y010 二楼指令 SB2 X011 E Y011 三楼指令 SB3 X012 F Y012 四楼指令 SB4 X013 G Y013 五楼指令 SB5 X014 关门催促铃声 KE1 Y014 基站到位开关 SQ4 X015 厅门关 KM2 Y015 一楼上呼 SB6 X016 厅门开 KM3 Y016 一楼下呼 SB7 X017 厅内指示灯１ E1 Y017 二楼上呼 SB8 X020 厅内指示灯２ E2 Y020 二楼下呼 SB9 X021 厅内指示灯３ E3 Y021 三楼上呼 SB10 X022 厅内指示灯４ E4 Y022 三楼下呼 SB11 X023 厅内指示灯５ E5 Y023 四楼上呼 SB12 X024 上呼灯１ E6 Y024 四楼下呼 SB13 X025 上呼灯２ E7 Y025 五楼上呼 SB14 X026 上呼灯３ E8 Y026 五楼下呼 SB15 X027 上呼灯４ E9 Y027 厅门开 SB16 X030 下呼灯２ E10 Y030 厅门关 SB17 X031 下呼灯３ E11 Y031 厅门开到位 SQ1 X032 下呼灯４ E12 Y032 厅门关到位 SQ2 X033 下呼灯５ E13 Y033 检修开关 SB18 X034 超重铃声 KM4 Y034 7 检修上 SB19 X035 抱闸信号 KM5 Y035 检修下 SB20 X036 上行指示灯 E14 Y036 下限强制减速 SQ3 X037 下行指示灯 E15 Y037 表1 I/O分配表 33 根据电梯的工作原理与功能要求以及输入/输出点的地址分配表，来绘制电 梯的程序流程图。和设计电梯的程序梯形图。电梯程序流程图为图3。梯形图分成：初始化、指层控制、开关门控制、轿内呼叫与标记控制、厅外呼叫与标记控 制、电梯上下行选择与指示控制、电梯的运行控制来编写与调试。最后在组合调 试。 图3 电梯程序流程图 8 331 电梯复位、装入数据、安全回路等。 332 指层控制梯形图如图3.1所示。本程序以1楼为基站，脉冲数为0。D200、D202、D204、D206、D208分别存放1/F—5/F的脉冲数0、600、1200、1800、2400（实验用实际具体而定）。C242为内部高速计数器，D250存放减速脉冲数50，M1—M5为楼层继电器。当轿箱位于某一层时，应产生位于该层的楼层信号， 以控制楼层显示器显示楼层处的位置，离开该层时，该信号应被新的楼层信号（上 一层或下一层）取代。 9 10 333 （1）开门控制 手动开关门时，当电梯运行到位后，按下SB16，X030闭合，M50置位，Y016得电，电动机正转，开门。开门到位，开门到位行程开关SQ1动作，X032闭合，M50复位，Y016失电，开门过程结束。当在关门过程中，按下SB16，停止关门，并开门。 自动开关门时，当电梯运行到位后，电梯停止，T0开始定时，延时2S后，T0触电闭合，M50置位，开门。 （2）关门控制 手动关门时，当按下SB17，X031闭合，M51置位，Y015得电，电动机反转，关门。关门到位，关门到位行程开关SQ2动作，X033闭合，M51复位，Y015失电，关门过程结束。在开门过程中，按下SB17，停止开门，并关门。 自动关门时，定时器T1控制。当电梯开门到位后，X031闭合，T1定时5S后，M51置位，关门。但在关门时，有客人经过红外线遮蔽，停止关门，遮蔽 结束，继续关门。当关门过程受到压力，关门力限K4闭合，M50置位，开门。 11 334 当轿内按下SB1、SB2、SB3、SB4、SB5后，按键标记，对应指示灯E8—E12亮。到电梯到达指定层后，动作取消，指示灯灭。在检修时，按键不标记。 安全回路在整个工作过程中为常开（X000），只有出现不安全情况时才导通， 则电梯停止工作。 12 335 当按下对应的呼叫键SB6—SB17时，按键标记，对应指示灯E13—E20亮。到电梯到达标记层时，动作取消，指示等灭。在检修时，按键不标记。 13 336 当电梯得到轿内指令或厅外呼叫指令时，分析对应层与电梯所在位置，判断 是上行（M100置位）还是下行（M101置位）。M100置位时，Y000接通，电梯上行；M101置位时，Y001接通，电梯下行。 14 337 电梯的运行由变频器控制，一次完整的运行过程，就是曳引电动机从起动、 匀速运行到减速停车的过程。为使乘客拥有良好的舒适感，电梯采用S型速度曲线，转换成频率曲线如图4所示。 图4 电梯的运行曲线 15 当PLC发出正转M100置位（或反转M101置位）即M120置位，Y002导通，高速运行，变频器从0Hz到50hz开始启动，启动时间为3S，然后维持50Hz运行。当换速信号到时，PLC撤消高速信号Y002断开，同时输出爬行信号Y003导通，爬行频率为6Hz。从50Hz下降到6Hz在3S内完成。当到达6Hz速度时，就以此速度爬行。当平层信号（M301—M341）到时，撤消正转（或反转）及爬 行信号，变频器从6Hz减速到0。在整个运行过程中，变频器的零速输入点X001及异常输出点X003都是断开的，运行速度减为0时，；零速输入点闭合，通过 PLC发出电动机抱闸和自动开门信号。当变频器出现异常时，X003导通，电梯无法运行。 按下检修键SB19后，只能以检修速度运行。按下检修上行SB22时，Y002、YOO3闭合，以检修速度（10Hz）上行，松开按键，立即停止。同理，按下检修 下行SB20时，Y002、Y003闭合，以检修速度(10Hz)下行，松开按键，立即停止。 由于材料限制，本实验用OMRON，3G3JV小型变频器，两相交流电动机。 实际根据需要所定。变频器的参数设置为表2。 n02 1 控制电路的端口区控制运行 n05 0 可以反转 n09 50 电机运行的最高频率（Hz) n14 0 电机运行的最低频率（Hz) n16 3 斜坡上升时间（S） n17 3 斜坡下降时间（S） n20 2 S形加减时间为0.5S n22 50 设置固有频率f=50Hz（高速运行）端口S3 n23 6 设置固有频率f=6Hz （爬行运行）端口S4 n24 10 设置固有频率f=10Hz （检修运行）端口S5 n36 2 反转与停止 输入端口为S2 N37 6 多段速指令1 输入端口为S3 n38 7 多段速指令2 输入端口为S4 n39 8 多段速指令3 输入端口为S5 16 N40 3 零速输出 ON：零速中 S0：为正转与停止端口 表2 变频器参数设置 17 338 当变频器输入零速信号后，X001常开闭合，输出Y035常开闭合，抱闸闭 合。电梯运行时，零速输入停止，X001断开，则Y035常开断开，轿箱运行。 消防与泊梯，按下SB14，X026导通，电梯返回基站。基站到，X015常闭断开，电梯停止。 超重时，X006常闭闭合，电梯不能启动，并鸣镝（Y034常开闭合）。 18 4.1. 该实验需要ＫＢＳ系列ＰＬＣ实训装置、ＦＸ－20Ｐ手持编程器或个人 计算机（ＷＩＮＤＯＷ）、ＳＣ－０９编程线缆、ＦＸ－ＰＣＳ/ＷＩＮ编程环境、五层电梯系统实验板、连接导线等。 首先，将ＰＬＣ控制模板接到ＤＣ24Ｖ的电源上，用ＳＣ－０９编程线 缆，一方接ＰＬＣ，一方接电脑。当控制程序写入ＰＬＣ后，用连接导线将 ＰＬＣ与电梯控制系统实验板连接起来，调节一切正常后，通电进行仿真。 4.2 首先在ＷＩＮＤＯＷ环境下打开ＧＸ和ＦＸＧＰ软件，向软件中输入程 序，待程序输入完毕将其变换后写入ＰＬＣ中。写入完毕后，打开菜单栏中 在线一项的ＰＬＣ监控，就实现了对ＰＬＣ过程的监控功能。根据实验要求， 动作相应开关，模拟电梯控制系统的工作过程。在实验过程中要注意观察各 种指示灯、ＰＬＣ及程序运行的变化过程。 若输入的程序有问题，可在菜单栏编辑一项中选择写入模式，待程序返回 写入状态后，对程序进行修改，经变换后再写入ＰＬＣ中调试。 19 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，既降 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。 采用脉冲数对每一楼层计数，适当的减少了输入点数，同时提高了电梯的控 制精度。 采用变频器控制电梯的运行，提高了电梯的平稳性和乘客的舒适度，有效的 提升了平层控制精度。 20 1．PLC 原理与应用 （俞国亮） 清华大学出版社 2005 2．变频器应用与实训指导 （王兆义） 高等教育出版社 2005 3．PLC、变频器在电梯中的应用 （王少华） 电气技术 2007 4．电梯控制技术 （刘载文、李毫升、钟亚林） 电子工业出版社 1996 5．三凌GX Developer Ver 8操作手册 三凌机电 2005 6．OMRON—3G3JV用户手册 欧姆龙（中国）有限公司 2002 21 PLC 图（1） PLC 控制电梯接线及原理图 22 PLC 23 24 25 26 27 28 29