乘用电梯的PLC控制系统设计

第一章 引 言

    自1889年美国奥梯斯升降机公司推出世界第一部以电动机为动力的升降机以来，电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程，逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。如今电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的代步工具；而且作为载人工具，人们在运行的平滑性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能方面对它提出了更高的要求。由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、一旦接收完成不易更改等缺点，所以需要开发一种安全、高效的控制方式。可编程控制器（PLC）既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质性能。因此，PLC在电梯控制领域得到了广泛而深入的应用。

    随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC（即可编程控制器）在工业控制领域内得到十分广泛地应用。PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。

    电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。多层厂房和多层仓库需要有货梯;高层住宅需要有住宅梯;百货大楼和宾馆需要有客梯,自动扶梯......。在现代社会,电梯已像汽车、轮船一样,成为人类不可缺少的交通运输工具。据统计,美国每天乘电梯的人次多于乘载其它交通工具的人数。当今世界,电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。追溯电梯这种升降设备的历史,据说它起源于公元前236年的古希腊。当时有个叫阿基米德的人设计出-----人力驱动的卷筒式卷扬机。1858年以蒸汽机为动力的客梯，在美国出现,继而有在英国出现水压梯。1889年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力,这才出现名副其实的电梯,并使电梯趋于实用化。1900年还出现了第一台自动扶梯。1949年出现了群控电梯,首批4~6台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。1955年出现了小型计算机(真空管)控制电梯。1962年美国出现了速度达8米/秒的超高速电梯。1963年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。1967年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统筒化，性能提高。1971年集成电路被应用于电梯。第二年又出现了数控电梯。1976年微处理机开始用于电梯，使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期。                                                     

第二章 概述

2.1 电梯硬件的分析

2.1.1 电梯的组成

(1)曳引系统

    曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。

    曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。

(2)导向系统

    导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

(3)轿厢

    轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。

    轿厢由轿厢架和轿厢体组成。

(4)门系统

    门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。

    门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。

(5)重量平衡系统

    系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。

    系统主要由对重和重量补偿装置组成。

(6)电力拖动系统

    电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。

    电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。

(7)电气控制系统

    电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。

    电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜)，平层装置，选层器等组成。

(8)安全保护系统

    保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。

    由限速器，安全钳，缓冲器，端站保护装置组成。

2.1.2 电梯的工作原理

    曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。安全装置保证电梯运行安全。

2. 2 可编程控制器的介绍

2.2.1可编程控制器的发展

    第一台可编程控制器的设计规范是美国通用公司提出的。当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序、可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。

    第一台PLC具有模块化、可扩充、可重编程及用于工业环境的特性。这些控制器易于安装，占用空间小，可重复使用。尽管控制器编程有些琐碎，但它具有公共的工厂标准—梯形图编程语言，这样使得不熟悉计算机的人也能方便的使用它。

    在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。到70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。

    70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、闭环控制、提高了运算速度，扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、西德（原）和法国相继研制出了自己的PLC，我国在1974年也开始研制。

    70年代由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。这是面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。在功能上，PLC可以代替某些模拟控制装置和小型机DDC系统。

    进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产生，可诊断自身故障及机器故障。这些改进使PLC符合今天对高质量高产出的要求。尽管PLC功能越来越强，但他仍然保留了先前的简单与易于使用的特点.

2.2.2 PLC的用途

    PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。PLC的应用通常可分为五种类型：

（1）顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。

（2）运动控制  PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。

相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。

（3）闭环过程控制  PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。

（4）数据处理 在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。

（5）通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。

2.2.3可编程控制器(PLC)的特点

2.2.31 PLC的性能特点

(1)硬件的可靠性

    PLC是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的，一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。

    在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简化安装，使它易于抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，用提高了抗干扰性能；各个I/O端口都除采用了常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了较合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。

    由于PLC本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上。

(2) 编程简单，使用方便

    用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。

    PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前打多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。

    这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，这是微不足道的。

(3) 接线简单，通用性好

    PLC的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与PLC输出端子连接。接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“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。

用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于是用。

(4)可连接为控制网络系统

    PLC可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为500—2500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M—10Mbps，传输距离为500—1000m，网上结点可达1024个。这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。

(5) 易于安装，便于维护

    PLC安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到PLC系统的情况下，PLC小的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。

    在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。长距离站通过同轴电缆获双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。

    从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示器是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。

    PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。

2.2.4 PLC的工作原理

    PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。PLC则采用循环扫描工作方式。在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而不断循环。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段。

    所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O(输出) 刷新”。

    由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出队输入产生了响应。反之，若在本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。扫描周期的长短主要取决于这几个因数：一是CPU执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。

    对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。

    但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就需慎重考虑。应对响应时间作出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。

2.2.5 PLC的编程语言

    PLC提供了较完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。利用编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬接线线路，这就是所谓的“可编程序”。程序由编程器送到PLC内部的存储器中，它也能方便地读出、检查与修改。

    PLC提供的编程语言通常由三种：梯形图、功能图、及布尔逻辑编程。

    梯形图(Ladder Programming)是应用最广的，梯形图编程有时称为继电器梯形图逻辑图编程。它使用的最广是因为它和以往的继电器控制线路很接近。梯形图是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的，它与电气操作原理相呼应。它的最大优点是形象、直观和实用，为广大电气技术人员所熟知。PLC的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。PLC的梯形图使用的时内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的，其主要特点为使用方便、修改灵活。

    功能图编程（Function Chart Programming）是一种较新的编程方法。它的作用使用功能图来表达一个顺序控制过程。

    布尔逻辑编程(Boolean Logic Programming)包括“与”（AND）、或(OR)、非(NOT)以及定时器、计数器、触发器等。

    每一种编程方法都有它的优点和缺点，根据每一种特殊的控制要求，根据编程者的熟练程度正确合理应用编程方法。

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