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1、1基于 P L C 和变频器的电梯控制系统的设计摘 要随 着 现 代 社 会 和 城 市 生 活 发 展，计 算 机 技 术、自 动 控 制 技 术 和 电 力 电 子 技 术 得 到了 迅 速 的 发 展，电 梯 已 经 成 为 城 市 物 质 文 明 的 一 种 标 志。特 别 是 在 高 层 建 筑 中，电 梯是 不 可 或 缺 的 垂 直 运 输 设 备。传 统 继 电 器 电 梯 控 制 系 统，由 于 继 电 器 本 身 的 机 械 和 电磁 惯 性 大，大 大 降 低 了 电 梯 系 统 的 可 靠 性 和 安 全 性。为 了 保 证 电 梯 运 行，既 高 效 节 能又 安 全
2、 可 靠，必 须 改 进 电 梯 控 制 方 式。根 据 顺 序 逻 辑 控 制 的 需 要 发 展 起 来 的 可 编 程 控制 器（PLC），它 是 专 门 为 工 业 环 境 应 用 而 设 计 的 数 字 运 算 操 作 的 电 子 装 置。PLC 处 理速 度 快，可 靠 性 高，能 够 保 证 电 梯 正 常、安 全、可 靠 地 运 行。同 时，由 于 电 机 交 流 变频 调 速 技 术 的 发 展，电 梯 的 拖 动 方 式 己 由 原 来 直 流 调 速 逐 渐 过 渡 到 了 变 频 调 速，这 不仅 能 满 足 乘 客 的 舒 适 感 和 保 证 平 稳 的 精 度，还
3、可 以 降 低 能 耗，节 约 能 源，减 小 运 行 费用。本文将基于 PLC 的变频调速方法应用到电梯系统中，并对此方法进行研究。关键词：电梯；可编程控制器；变频器2AbstractAlong with the development of modern economy and city life,computer technology,automatic control technology and power electronic technology rapid development,theelevator has become a symbol of urban material
4、 civilization.Especially in high-rise buildings,the elevator is an indispensable vertical transportation equipment.Traditional relay elevatorcontrol system,due to the mechanical and electromagnetic relay inertia big,greatly reducesthe reliability and security of the elevator system.In order to ensur
5、e the efficiency and reliablesecurities,the control method of elevator must be changed.The programmable logiccontroller(PLC),which develops based on sequence logical control,is digital operationelectronic device specialized in the industrial application environment.PLC possesses fastprocess speed an
6、d high reliability.Therefore,PLC can be able to ensure the elevator runnormally,securely and reliably.In addition,the drive method of elevators has replaced the DCvelocity modulation with frequency control due to the development of AC frequency controlof motors.The frequency control not only satisfi
7、es the comfort sense of passengers andensures the stable precision,but also decreases the loss of power,saves resources and reducesexpenses.The frequency control method based on PLC is applied to the elevator system andfurther researched.Key Word：The elevator;PLC;VFD3目 录1 绪 论.51.1 课 题 的 研 究 背 景.51.2
8、 交 流 曳 引 电 梯 调 速 方 式 的 发 展.71.3 电 梯 发 展 展 望.71.4 变 频 器 的 特 点 和 其 在 电 梯 中 应 用.81.4.1 变 频 器 的 工 作 原 理.81.4.2 变 频 器 系 统 构 成.91.4.3 变 频 器 的 分 类、规 格 以 及 满 足 条 件.91.4.4 电 梯 变 频 调 速 控 制 的 特 点.1 01.5 可 编 程 控 制 器 的 特 点 及 其 在 电 梯 控 制 中 的 应 用.1 01.5.1 P L C 的 系 统 构 成.1 11.5.2 P L C 的 工 作 原 理.1 21.5.3 P L C 的 特
9、 点.1 31.5.4 P L C 控 制 电 梯 的 优 点.1 51.6 电 梯 的 基 本 结 构 及 性 能 指 标.1 51.6.1 曳 引 系 统.1 61.6.2 轿 箱 和 重 量 平 衡 装 置.1 61.6.3 电 力 拖 动 系 统.1 71.6.4 电 气 控 制 系 统.1 71.6.5 安 全 保 护 系 统.1 71.6.6 电 梯 的 性 能 指 标.1 82 变 频 器 简 介.1 92.1 变 频 器 的 选 型.2 02.2 VS-616G5 变 频 器.2 02.2.1 V S-6 1 6 G 5 变 频 器 的 简 介.2 12.2.2 V S-6 1
10、 6 G 5 变 频 器 的 主 要 性 能、特 点 及 选 用.2 12.2.3 V S-6 1 6 G 5 变 频 器 运 行 参 数 及 设 置 原 则.2 22.2.4 V S-6 1 6 G 5 变 频 器 控 制 回 路 的 端 子.2 42.2.5 V S-6 1 6 G 5 变 频 器 多 级 调 速 的 P L C 控 制.2 62.2.6 变 频 器 容 量 及 制 动 电 阻 参 数 的 计 算.2 83 PLC 的 简 介.2 93.1 PLC 的 选 型.3 03.2 FX2N-80MR 型 PLC.3 13.2.1 F X 2 N-8 0 M R 型 P L C 的
11、 I/O 点 分 配.3 13.2.2 F X 2 N-8 0 M R 型 P L C 的 硬 件 接 线.3 34 硬 件 设 计.3 44.1 电 梯 速 度 曲 线.3 44.2 电 梯 位 置 的 确 定.3 54.3 轿 厢 的 平 层 与 停 车.3 64.4 电 梯 的 安 全 保 护 环 节.3 64.5 电 梯 控 制 系 统 的 设 计.3 84.6 电 梯 自 动 门 的 设 计.3 94.7 拖 动 电 机 电 路 的 设 计.4 04.8 电 梯 设 备 的 选 择.4 15 软 件 设 计.4 25.1 电 梯 的 三 个 工 作 状 态.4 35.2 电 梯 控
12、制 系 统 实 现 的 功 能.4 45.3 电 梯 主 要 梯 形 图 程 序 说 明.4 545.3.1 楼 层 显 示 电 路 控 制.4 55.3.2 轿 厢 内 选 层 按 钮 指 示 灯 控 制.4 65.3.3 门 厅 召 唤 电 路 控 制.4 75.3.4 电 梯 选 向 电 路 控 制.4 75.3.5 电 梯 平 层 电 路.4 85.3.6 电 梯 起 动 电 路 和 换 速 电 路 控 制.4 9总 结.5 0致 谢.5 1参 考 文 献.5 2附 录.5 351 绪 论电 梯 是 高 层 宾 馆、商 店、住 宅、多 层 厂 房 和 仓 库 等 高 层 建 筑 不 可
13、 缺 少 的 垂 直 方 向的 交 通 工 具。随 着 社 会 的 发 展，建 筑 物 规 模 越 来 越 大，楼 层 越 来 越 多，对 电 梯 的 调 速精 度、调 速 范 围 等 静 态 和 动 态 特 性 提 出 了 更 高 的 要 求。在 电 梯 的 变 频 调 速 系 统 中，电机的实际最大转速为其额定转速，因此，电梯的变频调速属“恒转矩调速”。1.1 课题 的研 究背 景电 梯 是 集 机 电 一 体 的 复 杂 系 统，不 仅 涉 及 机 械 传 动、电 气 控 制 和 土 建 等 工 程 领域，还 要 考 虑 可 靠 性、舒 适 感 和 美 学 等 问 题。而 对 现 代 电
14、 梯 而 言，应 具 有 高 度 的 安 全性。事 实 上，在 电 梯 上 已 经 采 用 了 多 项 安 全 保 护 措 施。在 设 计 电 梯 的 时 候，对 机 械 零部 件 和 电 器 元 件 都 采 取 了 很 大 的 安 全 系 数 和 保 险 系 数。然 而，只 有 在 电 梯 的 制 造、安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面保证电梯的最终高质量。同 时，随 着 电 梯 拖 动 技 术、控 制 技 术 的 快 速 发 展，电 梯 已 从 直 流 电 动 机 拖 动 到 交流 单 速 电 动 机 驱 动、交 流 双 速 电 动 机 驱 动，到 交 流 调 压 调 速（
15、ACVV，AlternatingCurrent Voltage）控 制，发 展 到 交 流 调 压 调 频 技 术（VVVF，Variable Voltage VariableFrequency）控 制，其 逻 辑 控 制 也 由 可 编 程 序 控 制 器（PLC）代 替 原 来 的 继 电 器 控 制，使 得 电 梯 运 行 的 可 靠 性、安 全 性、舒 适 感、平 层 精 度、运 行 速 度、节 能 降 耗、降 低 噪音 等 方 面 得 到 了 极 大 的 发 展。新 制 造 的 电 梯 都 采 用 了 对 电 动 机 实 现 线 性 调 速 的 调 压 调频 技术，由 于 VVVF
16、电 梯采 用 PLC 控 制，有 完 善的 自 检 测、自 诊 断、自 保 护功 能，因而十分安全可靠。PLC 是 微 机 技 术 与 继 电 器 常 规 控 制 技 术 相 结 合 的 产 物，是 在 顺 序 控 制 器 和 微 机 控制 器 的基 础 上 发 展起 来 的 新型 控 制 器，它 是 一种 以 微 处 理器 为 核 心用 作 数 字 控制 的 专用 计 算 机。可 编 程 序 控 制 器 不 同 于 顺 序 控 制 器 和 通 用 的 微 机 控 制 装 置，它 不 仅 充 分 利用 微 处 理 器 的 优 点 来 满 足 各 种 工 业 领 域 的 实 时 控 制 要 求，
17、同 时 摒 弃 了 微 机 常 用 的 计 算机 编 程 语 言 的 表 达 方 式，独 具 风 格 地 形 成 一 套 以 继 电 器 梯 形 图 为 基 础 的 形 象 编 程 语 言和 模 块 化 的 软 件 结 构，使 用 户 程 序 的 编 制 清 晰 直 观、方 便 易 学，调 试 和 查 错 都 很 容易。PLC 现 已 成 为 现 代 工 业 控 制 三 大 支 柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之 一，具 有可 靠 性 高、逻 辑 功 能 强、体 积 小、可 在 线 修 改 控 制 程 序、远 程 通 信 联 网 功 能，易 与 计算 机 接 口，能 对 模 拟 量 进
18、 行 控 制，具 备 高 速 计 数 与 位 控 等 高 性 能 模 块 等 优 异 性 能，同6时 可 以 取 代 由 大 量 中 间 继 电 器、时 间 继 电 器、计 数 继 电 器 等 组 成 的 传 统 的 继 电 接触 控 制 系 统。由 此，可 编 程 序 控 制 器 PLC 在 现 代 工 业 自 动 化 控 制 中 是 最 值 得 重 视 的 先进控制技术。随 着 电 力 电 子 技 术、微 电 子 技 术 和 计 算 机 控 制 技 术 的 飞 速 发 展，交 流 变 频 调 速 技术 的 发 展 也 十 分 迅 速。电 动 机 交 流 变 频 技 术 是 当 今 节 电，
19、改 善 工 艺 流 程，以 提 高 产 品质 量 和 改 善 环 境、推 动 技 术 进 步 的 一 种 手 段。变 频 调 速 以 其 优 异 的 调 速 性 能 和 起 制 动平 稳 性 能、高 效 率、高 功 率 因 数 和 节 电 效 果，广 泛 的 适 用 范 围 及 其 它 许 多 优 点，而 被国内外公认为最有发展前途的调速方式。总 之，利 用 PLC 和 变 频 器 对 旧 电 梯 进 行 改 造，不 但 可 以 增 加 电 梯 的 舒 适 感、安 全性、可 靠 性，还 可 以 降 低 能 耗，节 约 能 源，减 少 运 行 费 用。本 文 所 选 用 的 VS-616G5通
20、用 变 频 器，可 自 行 设 置 速 度 曲 线 来 实 现 平 稳 操 作 和 精 确 控 制，使 乘 客 在 乘 坐 电 梯 时更 加 舒 适。为 满 足 电 梯 安 全 性 的 要 求，变 频 器 通 过 与 电 动 机 同 轴 连 接 的 旋 转 编 码 器 和脉冲发生 器（PG，Pulse Generator），完成速 度检测及反馈，形成闭环系统。PLC 负责处 理 各 种 信 号 的 逻 辑 关 系，从 而 向 变 频 器 发 出 起、停 等 信 号，同 时 变 频 器 也 将 工 作 状态 信 号 送 给 PLC，形 成 双 向 联 络 关 系，这 是 系 统 的 核 心。旋
21、转 编 码 器 与 电 动 机 同 轴 连接，对电动机进行测速。旋 转编码器输出 A、B 两相脉冲，旋转编码器根据 A、B 脉冲的 相 序，可 判 断 电 动 机 转 动 方 向，并 可 根 据 A、B 脉 冲 的 频 率 测 得 电 动 机 的 转 速。旋转 编 码 器 将 此 脉 冲 输 出 给 PG 卡，PG 卡 再 将 此 反 馈 信 号 送 给 变 频 器 内 部，以 便 进 行 运算调节，所以旋转编码器和 PG 卡实现了闭环运行。控制系统结构图如下图 1.1 所示。图 1.1 电 梯 的 控 制 系 统71.2 交流 曳引 电梯 调速 方式 的发 展交 流 电 梯 与 交 流 电
22、机 的 发 展 紧 密 相 连，至 今 已 有 三 十 多 年 的 发 展 历 史，经 历 了 由简单到复杂、由低级到高级的发展历程，大致可以分化为三个阶段。第 一 个 阶 段 是 七 十 年 代，其 主 要 标 志 是 交 流 双 速 电 梯，它 采 用 改 变 牵 引 电 机 极 对数 来 实 现 调 速。电 机 通 常 采 用 两 种 或 两 种 以 上 不 同 极 对 数 的 绕 组 制 成，其 中 极 对 数 少的 绕 组 成 为 高 速 绕 组，用 于 电 梯 的 启 动 及 稳 速 运 行，极 对 数 多 的 绕 组 成 为 低 速 绕 组，用 于 电 梯 的 制 动 及 维 修
23、。这 种 电 梯 结 构 简 单，价 格 低 廉，使 用 和 维 护 都 很 方 便，但 调速不够平滑，舒适感较差。第 二 个 阶 段 是 八 十 年 代 盛 行 的 交 流 调 压 调 速 电 梯，其 性 能 优 越 于 交 流 双 速 电 梯。调 压 调 速 的 方 法 是 通 过 改 变 三 相 异 步 电 机 定 子 端 的 供 电 电 压 实 现 电 机 的 调 速，其 制 动多采用能耗制动。第 三 个 阶 段 是 九 十 年 代 至 今，变 压 变 频 调 速 电 梯 开 始 占 据 了 世 界 电 梯 的 市 场。VVVF 电 梯 通 过 调 节 电 机 定 子 绕 组 供 电
24、电 压 的 幅 值 和 频 率 来 实 现 转 速 的 调 节。电 梯 传动 系 统 技 中，由 于 大 量 采 用 微 机 控 制 技 术 和 脉 宽 调 制 技 术（PWM），其 运 行 效 率 得 到了 大 幅 度 的 提 高，电 梯 的 体 积 大 为 缩 小。现 代 交 流 调 速 技 术 向 电 梯 控 制 领 域 的 渗 透，使 得 交 流 调 速 电 梯 的 调 速 性 能 几 乎 完 全 可 以 和 直 流 电 梯 相 媲 美。VVVF 电 梯 以 其 独 特的 先 进 技 术 和 性 能，实 现 了 节 能、快 速、舒 适、平 层 准 确、低 噪 音、安 全 等 目 标。由
25、于 其 优 越 的 调 速 性 能，显 著 的 节 能 效 果，在 很 多 应 用 场 合 已 取 代 交 流 调 压 调 速 电 梯，而成为现代电梯市场的主流。目 前，生 产 VVVF 电 梯 的 公 司 已 经 遍 布 世 界 各 国，如 日 本 的 三 菱 公 司、东 芝 公司、日 立 公 司，美 国 的 奥 的 斯 公 司 等 大 的 电 梯 制 造 厂 家，他 们 在 VVVF 电 梯 的 研 制 和进 一 步 开 发 等 方 面，都 取 得 了 骄 人 的 成 就。在 我 国，电 梯 工 业 起 步 较 晚，改 革 开 放 以来，也 取 得 了 很 大 的 进 步，如 上 海 三
26、菱、天 津 奥 的 斯、中 国 迅 达、苏 州 迅 达、广 州 电梯 工 业 公 司 等 电 梯 生 产 厂 家，其 产 品 都 有 一 定 的 市 场 份 额 和 技 术 含 量。但 遗 憾 的 是，这 些 公 司 多 为 合 资 企 业，电 梯 控 制 的 关 键 部 分 的 变 频 器、控 制 器 等 重 要 组 成 部 分，很大程度依赖进口，其核心技术牢牢控制在国外大公司手中。1.3 电梯 发展 展望（1）不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化。8随着新技术、新结构、新材料、新工艺的发展，电梯的机械 系统结构简单化，体积小 型 化，材 料 轻 型 化，工 艺 先 进 化，外 观 漂 亮 化
27、。同 时，无 机 房 电 梯 在 新 世 纪 将 会 有较大速度发展。（2）技术含量更高，性能更好。电 梯 行 业 技 术 发 展 非 常 迅 速，几 年 前 推 出 的 具 有 先 进 性 能、高 舒 适 性 的 VVVF 电梯，如 今 已 成 为 电 梯 行 业 的 标 准 配 置。因 为 永 磁 同 步 无 齿 轮 曳 引 机 具 有 更 节 能、更 洁净、更 安 全、更 安 静、更 经 济 的 特 点，所 以 永 磁 同 步 曳 引 机 逐 步 成 为 新 型 曳 引 机 的 主流，将 来 很 有 可 能 取 代 VVVF 技 术。另 外，网 络 控 制 和 智 能 群 控 系 统 以
28、 其 控 制 的 先 进性、快速性、准确性和可靠性，亦是电梯的发展潮流。（3）安装更方便、更快捷高 效、安 全、可 重 复 使 用 的 无 脚 手 架 安 装，将 是 高 层 电 梯 安 装 的 主 要 方 式。随 着技 术 的 开 发、应 用，电 梯 的 硬 件 系 统 给 安 装 带 来 更 大 的 方 便，使 电 梯 安 装 更 快、效 率更 高。此 外，电 梯的 双 向 安全 装 置、无底 坑、无 线控 制、绿色 环 保、安 全、环 保、节能、舒适，也将是未来电梯的重要发展方向。1.4 变频 器的 特点 和其 在电 梯中 应用变 频 器 是 利 用 电 力 半 导 体 器 间 的 通
29、断 作 用，将 工 频 电 源 变 换 为 另 一 频 率 的 电 能 控制 装 置，能 实 现 对 交 流 异 步 电 动 机 的 启 动、变 频 调 速，提 高 运 转 精 度，改 变 功 率 因数，过流/过压/过载保护等功能。主 电 路 是 给 异 步 电 动 机 提 供 调 压 调 频 电 源 的 电 力 变 换 部 分。变 频 器 的 主 电 路 大 体上 可 分 为 两 类：电 压 型 是 将 电 压 源 的 直 流 变 换 为 交 流 的 变 频 器，直 流 回 路 的 滤 波 是 电容。电 流 型 是 将 电 流 源 的 直 流 变 换 为 交 流 的 变 频 器，其 直 流
30、回 路 滤 波 是 电 感。它 由 三部 分 构 成，将 工 频 电 源 变 化 为 直 流 功 率 的“整 流 器”，吸 收 变 流 器 和 逆 变 器 产 生 的 电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。1.1.1 变 频 器 的 工 作 原 理电 压 反 馈 信 号 Uf 与 交 流 电 源 同 步，信 号 US 送 入 PWM1 回 路 产 生 出 符 合 电 动 机 的信 号，作 为 电 动 运 行 状 态 的 PWM1 信 号，控 制 正 弦 与 再 生 部 分 中 开 关 器 件，使 之 作 为二 极 管 整 流 桥 工 作。当 电 动 机 减 速 或
31、制 动 时 产 生 再 生 作 用，功 率 器 件 在 PWM1 信 号 作用 下 进 入 再 生 状 态，电 能 回 馈 交 流 电 网。交 流 电 抗 器 主 要 是 限 制 回 馈 到 电 网 的 再 生 电9流，减 少 对 电 网 的 干 扰，起 到 保 护 功 率 开 关 元 件 的 作 用。逆 变 器 将 直 流 电 转 换 成 幅 值与 频 率 可 调 的 交 流 电，输 入 交 流 电 动 机 驱 动 电 梯 运 行。实 行 电 流 环 与 速 度 环 的 PWM2信号，输入正弦电流。1.1.2 变 频 器 系 统 构 成（1）再 生部 分。这 部分 有 两 个功 能，一 是将
32、 电 网 三 相正 弦 交 流电 压 整 流 成直 流，向 逆变 部 分 提 供 直 流 电 源；二 是 在 减 速 制 动 时，有 效 控 制 传 动 系 统 能 量 回 馈 给 电 网。主 电路 器 件 是 IGBT 模 块。根 究 系 统 的 运 行 状 态，既 可 作 整 流 器 使 用，也 可 作 有 源 逆 变 器使用。（2）逆 变 器 部 分。逆 变 器 部 分 同 样 是 有 IGBT 模 块 组 成，作 为 无 源 逆 变 器，向 交 流 电动机供电。（3）平 波部 分。在 该电 源 系 统中，由 电 解电 容 器 构 成平 波 器。如 果 是 电 流源，将 由 电感器组成。
33、（4）检 测 部 分。PG 作 为 交 流 电 机 速 度 与 位 置 传 感 器，电 流 互 感 器 作 为 主 回 路 交 流 电流 检 测 器，智 能 防 护 技 术 作 为 与 三 相 交 流 电 网 同 步 信 号 的 检 测，电 压 互 感 器 为 直 流 母线电压检测器。（5）控 制 回 路。控 制 回 路 一 般 有 微 机、DSP、PLC 等 构 成，可 选 16 或 32 位 微 机。控制 回 路 主 要 完 成 电 力 传 动 系 统 的 指 令 形 成，电 流、速 度 和 位 置 控 制，产 生 PWM1 控 制信号，故障诊断、检测、显示，电梯的控制逻辑管理、通讯和群控
34、等任务。1.1.3 变 频 器 的 分 类、规 格 以 及 满 足 条 件1)变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类：（1）按变换频率的方法分：交 直交变频器和交交变频器；（2）按主电路工作方式分：电压型变频器和电流型变频器；（3）按变频器调压方法的不同分：PAM 变频器和 PWM 变频器；（4）按工作原理分：U/F 控制变频器、VC 控制变频器和 SF 控制变频器；（5）按照用途分：通用变频器、高性能专用变频器和高频变频器。2)变频器产品 说明书都提高标称 功率数据，但实际上 限制变频器使用功 率的是定子电流 参 数。因 此，按 照 变 频 器 标 称 功 率 进 行 选 择，
35、在 实 际 中 常 常 可 能 会 行 不 通。根 据 具体的工程情况，可以有以下的几种选择方式：1 0（1）按照标称功率选择，一般做为初步投资估算依据；（2）按照电动机额定电流选择，多用于恒转矩负载的新设计项目；（3）按照电动机实际运行电流选择，多用于改造工程；（4）按照转矩过载能力选择。（5）根据被控设备的负载特性选用通用变频器的类型；3)选择的变频器应满足以下条件：（1）所选用通用变频器的类型与被控异步电动机的参数匹配；（2）电梯的启动和停车都要平稳；（3）变频器带有防止失速功能；（4）变频器具有优良的转矩特性。1.1.4 电 梯 变 频 调 速 控 制 的 特 点（1）变 频调 速 电
36、 梯 使用 的 是 异步 电 动 机，比 同 容 量 的直 流 电 动机 具 有 体 积小、占 空 间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。（2）变 频 调 速 电 源 使 用 了 先 进 的 SPWM 技 术 和 SVPWM 技 术，明 显 改 善 了 电 梯 运 行质量和性能，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。（3）变 频调 速 电 梯 调速 范 围 宽，控 制 精 度高，动 态 性能 好，舒适、安 静、快 捷，已 逐渐取代直流电机调速。1.5 可编 程控 制器 的特 点及 其在 电梯 控制 中的 应用PLC 英 文 全称 Programmable Logic Contr
37、oller，中 文全 称 为 可编 程 逻 辑控 制 器，它是 一 种 数 字 运 算 操 作 的 电 子 系 统，专 为 工 业 环 境 而 设 计。它 采 用 可 编 程 的 控 制 器，用于 其 内 部 存 储 程 序、执 行 逻 辑 运 算、顺 序 控 制、定 时、计 数 与 运 算 操 作 等 面 向 用 户 的指 令，并 通 过 数 字 或 模 拟 式 输 入/输 出，控 制 各 种 类 型 的 机 械 或 生 产 过 程。开 关 逻 辑 和顺 序 控 制，这 是 PLC 应 用 最 广 泛、最 基 本 的 场 合。它 的 主 要 功 能 是 完 成 开 关 逻 辑 运 算和 进
38、行 顺 序 逻 辑 控 制，从 而 可 以 实 现 各 种 简 单 或 十 分 复 杂 的 控 制 要 求。PLC 在 实 现 各种 数 量 的 I/O 控 制 的 同 时，还 具 备 输 出 模 拟 电 压 和 数 字 脉 冲 的 能 力，使 得 它 可 以 控 制各种能接收这些信号的伺服电机，步进电机，变频电机等。1 11.1.5 P L C 的 系 统 构 成PLC 实 质 是 一 种 专 用 于 工 业 控 制 的 计 算 机，所 以 其 硬 件 结 构 基 本 上 与 微 型 计 算 机相 同。PLC 由 中 央 处 理 单 元、存 储 器、输 入 单 元、输 出 单 元、电 源 五
39、 部 分 组 成。其 结构框图如图 1-2。图 1-2 PLC 硬 件 结 构（1）中央处理单元（简称 CPU）中央 处理 单元是 PLC 的控 制中 枢和核 心部 件，其性能 决定 了 PLC 的性 能。其由控制 器、运 算 器 和 寄 存 器 组 成，这 些 电 路 都 集 中 在 一 块 芯 片 上，通 过 地 址 总 线、数 据 总线、控 制 总 线，与 存 储 器 的 输 入 和 输 出 接 口 电 路 相 连。其 作 用 是 处 理 和 运 行 用 户 程序，进 行 逻 辑 和 数 学 运 算，控 制 整 个 系 统，使 之 协 调 工 作。CPU 接 收 并 存 储 从 编 程
40、器键 入 的 用 户 程 序 和 数 据，用 扫 描 方 式 接 收 现 场 输 入 设 备 的 状 态 或 数 据，并 将 输 入 状 态或 数 据 存 入 输 入 映 象 区 或 数 据 寄 存 器。同 时，诊 断 电 源、PLC 内 部 电 路 的 工 作 状 态 和编 程 过 程 中 的 语 法 错 误。PLC 进 入 运 行 状 态 后，CPU 从 存 储 器 中 逐 条 读 取 用 户 程 序，经 指 令 解 释 后，按 指 令 规 定 的 任 务 产 生 相 应 的 控 制 信 号，去 启 闭 有 关 的 控 制 电 路，分时、分 渠 道 地 去 执 行 数 据 的 存 取、传
41、送、组 合、比 较 和 变 换 等 操 作，完 成 用 户 程 序 中规 定 的 逻 辑 或 算 术 运 算 等 任 务。最 后，根 据 运 算 结 果，更 换 有 关 映 象 区 的 状 态 和 输 出状态寄存器的内容，根据输出状态寄存器或数据寄存器的内容实现对输出的控制。（2）存储器1 2存 储 器 是 具 有 记 忆 功 能 的 半 导 体 电 路。其 作 用 是 存 放 系 统 程 序、用 户 程 序。逻 辑变量 和其 它一些 信息。系统 程序是 控制 PLC 完成 各种 功能的 程序，由 PLC 生产 厂家 编写，并固化到只读式存储 器 ROM 中，用户不能访问。用户 程序是用户根据
42、工程现场的生 产 过 程 和 工 艺 要 求 编 写 的 程 序。通 过 编 程 器 输 入 到 PLC 的 随 机 存 储 器 RAM 中，允许 修 改，由 用 户 启 动 运 行。ROM 是 存 放 PLC 制 造 厂 家 写 入 的 系 统 程 序，并 永 远 驻 留在 ROM 中，PLC 去 电 后 再 上 电，ROM 内 容 不 变。RAM 是 读 出 时 其 内 容 不 被 破 坏，写 入 时，新 写 入 的 内 容 覆 盖 原 有 的 内 容。为 防 止 掉 电 后 信 息 丢 失，配 有 后 备 锂 电 池。除 此 而 外，PLC 还 有 EPROM、EEPROM 存 储 器。
43、PLC 产 品 样 本 或 使 用 说 明 书 中 给 出的存储器形式或容量等均指用户存储器。存储器容量是 PLC 的一个重要性能指标。（3）输入单元输 入 单 元 是 PLC 与 工 业 生 产 现 场 被 控 设 备 相 连 的 输 入 接 口，是 现 场 信 号 进 入 PLC的 桥 梁。其 作 用 是 接 收 主 令 元 件，检 测 元 件 传 来 的 信 号。输 入 类 型 有 直 流 输 入、交 流输 入、交 直 流 输 入。输 入 接 口 采 用 光 电 耦 合 电 路，目 的 是 把 PLC 与 现 场 电 路 隔 离，提高 PLC 的抗 干扰 能力。接口 电路内 部有滤 波，
44、电平转 移，信号锁 存电 路。各 PLC 生产厂家都提供了多种形式的 I/O 部件或模块供用户选用。（4）输出单元输 出 单 元 也 是 PLC 与 现 场 设 备 之 间 的 连 接 部 件，把 输 出 信 号 送 给 控 制 对 象 的 输 出接 口。其 作 用 是 将 中 央 处 理 器 送 出 的 弱 电 信 号 转 换 成 现 场 需 要 的 电 平 信 号，驱 动 被 控设 备 的执 行 元 件。输 出 类 型有 继 电 器 输出、晶 体 管输 出、晶闸 管 输 出。输 出 接口 电 路也 采 用 光 电 耦 合，每 一 点 输 出 都 有 一 个 内 部 电 路，由 指 示 电
45、路、隔 离 电 路、继 电 器 组成。输 出 接 口 电 路 也 有 输 出 状 态 锁 存、显 示、电 平 转 移 和 输 出 接 线 端 子 排。输 出 部 件或模块也有多种类型供选用。（5）电源电 源 的 作 用 是 将 交 流 电 转 换 成 PLC 内 部 所 需 的 直 流 电 源。同 时，有 的 还 为 输 入 电路 提 供 24V 的 工 作 电 源。电 源 输 入 类 型 有：交 流 电 源（220V 或 110V），直 流 电 源（常用的为直流 24V）。PLC 大部分采用开关式稳压电源供电。1.1.6 P L C 的 工 作 原 理当 PLC 投 入 运 行 后，其 工
46、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 3（1）输入处理阶段在 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 的 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
47、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 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）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
48、 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。（3）输出处理阶段当 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
49、PLC 的真正输出。1.1.7 P L C 的 特 点电 梯 信 号 控 制 系 统 主 要 有 继 电 器 控 制 和 计 算 机 控 制 两 种 控 制 方 式。由 于 计 算 机 的种 类 很 多，根 据 计 算 机 控 制 系 统 的 组 成 放 时 及 运 行 方 式 的 不 同，计 算 机 控 制 可 分 为 个人计算机控制和微机控制两种方式。继电器控制系统的优点为：（1）所 有控 制 功 能 及信 号 处 理均 由 硬 件 实现，线 路 直观，易 于理 解 和 掌 握，适 合 于 一般技术人员和工人水平。（2）系统的保养和维修及故障检查不需要高深的技术和特殊的工具及仪器。（3）大
50、部分电器均为常用控制器，更换方便，价格便宜。继电器控制系统的缺点为：（1）系统触点繁多，线路复杂。（2）难以实现较复杂的控制系统，控制功能不易增加，技术水平难以提高。（3）电 梯 的 电 磁 机 构 及 触 点 动 作 比 较 慢，机 械 和 电 磁 惯 性 大，系 统 控 制 精 度 难 以 提1 4高。线 路 复 杂，易 出 故 障，保 养 维 修 工 作 量 大，费 用 高。而 且 检 查 故 障 困 难，费 时 费工。系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。电 梯 继 电 器 控 制 系 统 故 障 高，大 大 降 低 了 电 梯 的 运 行 可 靠 性 和 安 全 性，经 常 造 成