基于PLC電梯控制系統(tǒng)

PLC的電梯模型控制系統(tǒng)及組態(tài)監(jiān)控設(shè)計摘要：電梯作為PLC的被控對象，對于工科大學(xué)改善PLC課程實驗效果，提高教學(xué)質(zhì)量具有重要的意義。本文研制了變頻器驅(qū)動的電梯模型，在現(xiàn)在簡單模型的根底上，對電梯運行進行了監(jiān)控，在此根底上深入探討了關(guān)于電梯群控的問題。關(guān)鍵詞：電梯模型PLC組態(tài)監(jiān)控目錄第一章：概況11.課題研究的背景12.電梯控制系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀1第二章：電梯的概述21.電梯的開展22.電梯的分類33.電梯的參數(shù)3第三章：PLC的概述41.PLC的開展42.PLC的結(jié)構(gòu)5第四章：系統(tǒng)軟件的設(shè)計61.控制系統(tǒng)的工作流程62.控制系統(tǒng)的功能要求72.1.電梯的內(nèi)部功能72.2.電梯運行狀態(tài)的分析82.3.電梯的控制要求103.系統(tǒng)信號確實定以及軟件園的選取114.梯形圖的設(shè)計11參考文獻19第一章：概況1.課題研究的背景可編程控制器〔PLC〕自60年代問世以來，以其可靠性高、通用性強和使用簡便等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。PLC的應(yīng)用領(lǐng)域從最初單一的邏輯控制開展到包括模擬量控制、數(shù)字控制、機器人控制以及多級分布式控制系統(tǒng)在內(nèi)的各種工業(yè)控制場合，在工業(yè)自動控制應(yīng)用中所占的比例越來越大，成為工業(yè)控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的根底自動化設(shè)備?，F(xiàn)在各大學(xué)普遍開設(shè)了PLC及其相關(guān)課程。PLC用于工業(yè)現(xiàn)場控制，它不同于微機，不能直接通過顯示器觀察程序的執(zhí)行結(jié)果。驗證PLC程序的正確與否，只能用PLC來控制相應(yīng)的控制對象，以觀察控制結(jié)果是否正確。PLC教學(xué)有很強的實踐性.所以開設(shè)PLC實驗課就顯得尤為重要。PLC的控制實驗一般都要求有真實的被控對象，而真正的被控對象一般都具有體積大、份量重、價格昂貴、維護困難等特點，很難在實驗室大量配備。因此研制被控對象的物理模型有很重要的實際的意義。伴隨著集散型控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，“組態(tài)〞的概念開始被廣闊的生產(chǎn)過程自動化技術(shù)人員所熟知。用組態(tài)軟件開發(fā)PLC控制對象的監(jiān)控畫面，又因其模擬效果逼真，人機界面生動友好，而得到廣泛應(yīng)用。因此研究基于組態(tài)軟件的監(jiān)控系統(tǒng)也同樣具有重要的實際意義。2.電梯控制系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀我國現(xiàn)已成為世界上擁有電梯數(shù)量最多的國家，電梯控制技術(shù)也到達了世界領(lǐng)先水平。2023年5月11日至13日，中國電梯協(xié)會聯(lián)合歐洲電梯標委會CEN/TC10、國際標準化組織電梯和扶梯技術(shù)委員會ISO/TC178、亞太地區(qū)電梯和扶梯協(xié)會PALEA、歐洲電梯聯(lián)合會ELA/EEA、美國機械工程師協(xié)會ASME電梯標準委員會A17、韓國電梯平安管理院KESI以及全國電梯標準化技術(shù)委員會在安徽屯溪召開了首屆全球電梯大會WEC2023。會議對目前國際電梯開展的各個方面以及新技術(shù)做了詳細研討。在電梯飛速開展的今天，在使用需求和新技術(shù)應(yīng)用方面都進入到全面開展時期，隨著智能化、信息化建筑的興起與完善，要求電梯不只是完成垂直運輸?shù)母竟δ?，還應(yīng)以人為本，提高運行過程的舒適度，特別是從電梯運行的控制智能化角度考慮，電梯的優(yōu)質(zhì)效勞不再是單一的“時間最短〞問題，而是采用模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等方法，以及實現(xiàn)單梯與群控管理的最正確模式。合理的配置與使用遠程監(jiān)控與故障診斷、節(jié)能以及減少環(huán)境污染等。目前，電梯的開展主要呈現(xiàn)以下幾個特點：〔1〕電梯的邏輯控制已從過去簡單的繼電器——接觸器控制開展為可編程序控制器〔PLC〕和微機控制，控制方式也從手柄控制、信號控制開展為集選控制、并聯(lián)控制、群控等，從而使電梯可靠性得到很大的提高。〔2〕電梯的拖動技術(shù)有了較大的開展，直流電梯由于能耗大、維修量大等缺點。逐步被交流電梯所替代，液壓電梯由于運行平穩(wěn)，機房位置靈活等特點，使得它在低樓層場合得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。交流拖動電梯更是得到迅速的開展，已由以前的變極調(diào)速〔AC-VP〕開展成為調(diào)壓調(diào)速〔AC-VV〕及調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速〔AC-VVVF〕，使得電梯的速度、加速度控制更加符合人們的生理要求，并且使電梯的舒適感大大增強?！?〕電梯的速度要求越來越快，高速、超高速電梯的數(shù)量愈來愈多?！?〕電梯的管理功能不斷加強，電梯廣泛采用微機控制技術(shù)，不斷滿足用戶的使用功能要求。如緊急停車操作，消防員專用、防搗亂系統(tǒng)等等?！?〕電梯的機械傳動方面，由于國際上機構(gòu)加工水平的不斷提高，使斜齒傳動和行星齒輪傳動在電梯上的應(yīng)用日益廣泛，已經(jīng)使電梯的傳動形式多樣化?！?〕電梯的智能群控管理技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。第二章：電梯的概述1.電梯的開展電梯的控制系統(tǒng)及其設(shè)備在隨著社會的快速開展而不斷改良，以前的電梯控制系統(tǒng)大局部采用繼電器邏輯控制系統(tǒng)。現(xiàn)在，微機系統(tǒng)已經(jīng)全面取代繼電器邏輯控制系統(tǒng)實施閉環(huán)控制，進一步提高了電梯的性能和可靠性，并減少現(xiàn)場調(diào)試的工作量，它是電梯控制技術(shù)的開展方向，目前使用較多的微機控制系統(tǒng)主要有以下幾類：PLC控制、單片機嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)控制計算機。近幾年，PLC控制的各類電梯，己經(jīng)大批量地投向市場，由于PLC的可靠性、維修方便而受到廣闊用戶的歡送。電梯的拖動控制系統(tǒng)技術(shù)也在不斷地開展。在20世紀前半期，電梯的電力拖動尤其是高層建筑物中的電梯速度調(diào)節(jié)，幾乎都是采用直流調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)的。進入80年代，隨著電子技術(shù)的迅速開展，尤其是微處理器的廣泛應(yīng)用，電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)歷了一場革命。用于電梯控制系統(tǒng)的多功能微處理器，在諸如遙控和故障診斷、人工智能、智能化轎內(nèi)操作箱及大樓管理系統(tǒng)的聯(lián)接等方面，起到了不可替代的作用。由于固體功率器件的不斷開展和完善，以及微機技術(shù)的應(yīng)用，電梯技術(shù)有了新的變化，出現(xiàn)了變壓變頻交流調(diào)速系統(tǒng)〔VVVF〕。日本三菱電梯首先將變壓變頻交流調(diào)速系統(tǒng)引入到電梯控制系統(tǒng)當中。交流變頻技術(shù)被認為是電梯行業(yè)的當代技術(shù)，用交流變頻調(diào)速方式取代直流調(diào)速方式，已成為高速電梯的主流。2.電梯的分類根據(jù)國家標準GB/T7024.-1997《電梯、自動扶梯、自動人行道術(shù)語》，電梯的定義：效勞于規(guī)定樓層的固定式升降設(shè)備。它具有一個轎廂，運行在至少兩列垂直的或傾斜角小于15°的剛性導(dǎo)軌之間。轎廂尺寸與結(jié)構(gòu)形式便于乘客出入或裝卸貨物。根據(jù)我國的行業(yè)習慣，電梯的分類有如下幾種形式：〔1〕按用途分類：乘客電梯、載貨電梯、客貨電梯、病床電梯、雜物電梯、住宅電梯、特種電梯；〔2〕按速度分類：低速電梯〔1m/s以下〕、快速電梯〔1m/s-2m/s〕、高速電梯〔2m/s-3m/s〕、超高速電梯〔3m/s以上〕；〔3〕按拖動方式分類：交流電梯、直流電梯、液壓電梯、齒輪齒條電梯、螺桿式電梯、直線電動機驅(qū)動的電梯；〔4〕按控制方式分類：層間控制、簡易集選控制、集選控制、有無司機控制、群控；〔5〕按曳引機結(jié)構(gòu)分類：有齒曳引機電梯、無齒曳引機電梯。3.電梯的參數(shù)表1電梯模型的主要技術(shù)參數(shù)序號參數(shù)名稱參數(shù)值序號參數(shù)名稱參數(shù)值1外形尺寸長*寬*高=60*45*200〔cm〕2變頻器功率3KW3載重量1kg4結(jié)構(gòu)形式四層站5電動機型號JW5246電壓220V7電動機功率0.2kw8轉(zhuǎn)速1400r/min9控制方式PLC控制10調(diào)速方式交流變頻調(diào)速11減速機型號TE380-300712減速機速比50：113變頻器型號Micromaster42014輸入電壓220V15輸入頻率50HZ16額定電流2.5A第三章：PLC的概述1.PLC的開展可編程序控制器〔ProgrammableLogicController〕問世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導(dǎo)地位。1968年，在底特律的美國通用汽車公司〔GM〕為了在每次汽車改型或改變工藝流程時能不改動原有繼電器柜內(nèi)的接線以便降低生產(chǎn)本錢，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，提出了研制新型邏輯順序控制裝置，并提出了該裝置的研制指標要求，即十項招標技術(shù)指標。它實際上就是當今可編程序控制器的最根本的功能。將它們歸納一下，其核心為四點：①用計算機代替繼電器控制盤。②用程序代替硬件接線。③輸入輸出電平可與外部裝置直接連接。④結(jié)構(gòu)易于擴展。美國的數(shù)字設(shè)備公司〔DEC〕中標，并在1969年研制出了第一臺可編程序控制器。由于PLC在不斷開展，因此，對它下一個確切的定義是困難的。在二十世紀七十年代PLC問世后，由美國電氣制造商協(xié)會對PLC下過如下的定義：PLC是一種數(shù)字式的電子裝置。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，實現(xiàn)邏輯運算、順序運算、計數(shù)計時和算術(shù)運算等功能，用來對各種機械或生產(chǎn)過程進行控制。1982年，國際電工委員會〔IEC〕公布了PLC標準草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版對PLC作了如下的定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴展其功能的原那么而設(shè)計。〞定義強調(diào)了可編程控制器能直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，它須具有很強的抗千擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別于一般微機控制系統(tǒng)的一個重要特征。應(yīng)該強調(diào)的是，可編程控制器與以往所講的N項序控制器在“可編程〞方面有質(zhì)的區(qū)別。PLC引入了微處理機及半導(dǎo)體存儲器等新一代電子器件，并用規(guī)定的指令進行編程，能靈活地修改，即用軟件方式來實現(xiàn)“可編程〞的目的。2.PLC的結(jié)構(gòu)與普通微機類似，PLC也是由硬件和軟件兩大局部組成的。在軟件的控制下，PLC才能正常地工作。軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩局部。PLC采用周期循環(huán)掃描的工作方式，CPU連續(xù)執(zhí)行用戶程序和任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。CPU對用戶程序的執(zhí)行過程是通過CPU的循環(huán)掃描，并用周期性地集中采樣、集中輸出的方式來完成的。①掃描過程PLC的掃描過程如圖1所示，上電初始化后開始周期性的循環(huán)工作，每次循環(huán)包括自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等階段。與用戶程序有關(guān)的工作過程主要分為3個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。PLC不停地循環(huán)執(zhí)行這3個階段的任務(wù)。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。圖1掃描過程示意圖②輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有輸入信號的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映像區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行階段。在這個階段中，即使輸入狀態(tài)或數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，I/O映像區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。③用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC按由上到下的順序依次地執(zhí)行用戶程序中的指令，按先左后右、先上后下的順序?qū)μ菪螆D中由觸點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)：或者刷新輸出線圈在I/O映像區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。④輸出刷新階段執(zhí)行完用戶程序后，PLC進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外部設(shè)備。如果程序中使用了中斷，中斷事件出現(xiàn)，立即執(zhí)行中斷程序，中斷程序可以在掃描周期的任意點被執(zhí)行。如果程序中使用了立即I/O指令，可以直接存取I/O點。用立即I/O指令讀輸入點值時，相應(yīng)的輸入映像存放器的值未被修改，用立即I/O指令寫輸出點值時，相應(yīng)的輸出映像存放器的值被修改。第四章：系統(tǒng)軟件的設(shè)計1.控制系統(tǒng)的工作流程梯控制系統(tǒng)的主流程圖如圖2所示。圖2電梯控制系統(tǒng)的主流程圖2.控制系統(tǒng)的功能要求2.1.電梯的內(nèi)部功能〔1〕電梯到位后具有手動或自動開關(guān)門的功能?！?〕用一臺交流電動機控制轎廂的上升和下降?！?〕待客自動開門，當電梯在某層停梯等待乘客時，按下層外召喚按鈕，應(yīng)能自動開門迎接乘客。〔4〕自動關(guān)門待客。當電梯完成全部轎廂內(nèi)指令時，又無外呼梯信號時，電梯應(yīng)能自動關(guān)門?！?〕能自動關(guān)門及提前關(guān)門。在程序設(shè)定的時間之內(nèi)應(yīng)能自動關(guān)門。在定時器延時時間之內(nèi)，按下關(guān)門按鈕，電梯能提前實現(xiàn)關(guān)門動作。〔6〕按鈕開門。在開關(guān)過程中或門關(guān)閉后電梯啟動之前，按下操縱盤上的開門按鈕，電梯門能翻開?！?〕各層的門廳設(shè)置上下呼叫開關(guān)〔最頂層只設(shè)置向下呼叫開關(guān)，最底層只設(shè)置向上呼叫開關(guān)〕?！?〕電梯內(nèi)外設(shè)有方向指示燈及電梯當前樓層位置指示燈。轎廂內(nèi)和各樓層的門廳內(nèi)均有兩種指示燈，一種是方向指示燈，分別指示向上和向下運行的狀態(tài)；另一種是轎廂所處樓層的顯示器，顯示器由七段顯示譯碼器構(gòu)成，與檢測轎廂位置的元件通過連接電路相連起來，能夠連續(xù)顯示，隨時顯示轎廂所處的位置。〔9〕內(nèi)指令記憶。當轎廂內(nèi)操縱盤上有多個內(nèi)選層指令執(zhí)行時，電梯應(yīng)能按樓層的順序自動?？浚⑶易詣哟_定運行方向?！?0〕自動定向。當轎廂內(nèi)操縱盤上選層指令相對于電梯位置具有不同方向時，電梯應(yīng)能按先入為主的原那么自動確定電梯運行的方向?！?1〕呼梯記憶與順向截停。電梯在運行中應(yīng)能記憶層外的呼梯信號，對符合運行方向的召喚，電梯應(yīng)能自動逐一?？繎?yīng)答?！?2〕自動換向。當電梯完成全部轎廂內(nèi)指令時，應(yīng)能自動換向，應(yīng)答相反方向信號?！?3〕電梯內(nèi)設(shè)有內(nèi)選樓層按鍵、開關(guān)門按鍵、警鈴、風扇及照明燈。2.2.電梯運行狀態(tài)的分析在電梯控制系統(tǒng)中，有大量的邏輯信號需要處理，這局部工作是由PLC來完成的，系統(tǒng)中的軟件能根據(jù)電梯的運行要求及保護要求由PLC來實現(xiàn)邏輯信號的控制。從電梯的工作過程上進行分析，電梯的運行主要有正常工作、強制工作兩種工作狀態(tài)。電梯的正常工作狀態(tài)：PLC上電后，PLC中的梯形圖程序已經(jīng)開始運行，但因為電梯尚未讀入任何輸入信號的數(shù)據(jù)，也就無法在收到請求信號后通過固化在PLC中的程序作出響應(yīng)。為滿足處于響應(yīng)呼叫就緒狀態(tài)這一條件，必須使電梯處于平層狀態(tài)樓層的位置且電梯門處于關(guān)閉狀態(tài)。從而電梯完成一個正常呼叫響應(yīng)的步驟如下所示：〔1〕電梯在檢測到廳門或轎廂的呼叫信號后將此樓層信號與轎廂所在的樓層信號進行比擬，再通過定向模塊進行選向?！?〕電梯通過拖動調(diào)速模塊驅(qū)動電動機拖動轎廂運動。轎廂運動速度要經(jīng)過先低速運行再轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚?，并以高速運行至減速點。〔3〕當電梯檢測到目標層樓層檢測點產(chǎn)生的減速點信號時，電梯進入減速制動狀態(tài)，又由高速變?yōu)榈退?，并以低速運行到平層點停止?！?〕平層后，電梯再經(jīng)過一定延時后關(guān)門，直到碰到關(guān)門到位行程開關(guān)，電梯控制系統(tǒng)始終實時顯示轎廂所在的樓層位置。電梯的強制工作狀態(tài)：當電梯的初始位置需要調(diào)整或電梯需要檢修時，應(yīng)設(shè)置一種狀態(tài)使電梯處于該狀態(tài)時不響應(yīng)正常的呼叫，并能移動到導(dǎo)軌上、下行極限點間的任意位置處。例如控制臺上檢修按鈕按下后，使電梯立刻停止原來的運行，然后按上行啟動〔或下行啟動〕按鈕，電梯將上行〔或下行〕；一旦放開該按鈕，電梯運行將立刻停止。實現(xiàn)檢修狀態(tài)的點動。由于電梯控制系統(tǒng)是集選式控制系統(tǒng)，控制比擬復(fù)雜，適合采用模塊化編程方法，將電梯各個輸入信號和輸出信號的屬性進行分類，模塊與模塊之間的銜接可以用中間存放器來傳遞信息。并且采用模塊化的程序設(shè)計方法，可方便于程序的修改和完善。電梯控制系統(tǒng)軟件大致可分為：電梯開關(guān)門及保護和故障顯示模塊、樓層信號的產(chǎn)生消除和數(shù)碼管顯示模塊、外呼信號的產(chǎn)生消除和顯示模塊、轎廂內(nèi)選信號的產(chǎn)生及消除與顯示模塊、電梯確實定上下行方向模塊、電梯停層信號的產(chǎn)生和消除模塊、電梯停車制動模塊、電梯自動運行時啟動加速和穩(wěn)定運行模塊等幾大模塊。樓層信號的產(chǎn)生與消除模塊主要是由PLC的比擬指令和加減指令讀入樓層信息并將該記憶信號存入對應(yīng)的中間繼電器，直到樓層改變?yōu)橹共⒂闷叨螖?shù)碼管顯示樓層的位置。電梯確實定上下行方向模塊主要是完成電梯在響應(yīng)呼叫時做出的向上運行還是向下運行的判斷。電梯停層信號和制動模塊是要求電梯在運行到目標樓層檢測點時即進入減速制動狀態(tài)，而電梯在運行過程中會遇到很多的樓層檢測點，只有到目標樓層的檢測點時才會發(fā)出減速信號，電梯在經(jīng)過目標樓層檢測點時接到這個信號就開始制動減速了。電梯轎廂開關(guān)門電路模塊和按鈕記憶指示燈顯示電路模塊是為了控制轎廂的開關(guān)門和按鈕接通之后需要指示的發(fā)光二極管電路。將這些模塊逐一進行梯形圖編程，并按順序連接在一起就構(gòu)成總程序。2.3.電梯的控制要求目前電梯的控制系統(tǒng)普遍采用了兩種控制方式，一種是采用微機作為信號控制單元，完成電梯信號的采集、運行狀態(tài)和功能的設(shè)定，實現(xiàn)電梯的自動調(diào)度和集選運行功能，拖動控制那么由變頻器來完成；第二種控制方式是采用可編程控制器〔PLC〕取代微機實現(xiàn)信號集選控制。從控制方式和性能上來說，這兩種方法并沒有太大的區(qū)別，但由于PLC可靠性高，程序設(shè)計方便靈活，本錢低廉。所以本設(shè)計中采用PLC來實現(xiàn)電梯的集選控制。隨著工業(yè)自動化技術(shù)的開展，電梯的控