基于PLC的电梯控制系统课程设计报告.docx
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基于PLC的电梯控制系统课程设计报告
PLC电梯课程设计报告
班级：
姓名：
学号：
指导老师：
中南大学机电工程学院
引言.....................................................
第一章电梯概述..........................................
1.1电梯发展简史.........................................
1.2电梯构成及运行方式...................................
1.3电梯控制系统.........................................
1.4PLC与电梯的结合......................................
第二章方案设计..........................................
2.1整体方案设计.........................................
2.2理想的电梯功能.......................................
2.3实际的电梯功能.......................................
第三章硬件设计..........................................
3.1理想的电梯模型.......................................
3.2实际的电梯模型.......................................
第四章软件设计..........................................
4.1PLC控制系统..........................................
4.2电梯选向流程图.......................................
4.3PLCI/O口分配........................................
4.4基本功能梯形图分析...................................
第五章设计心得..........................................
附录：
三菱FX2NPLC电梯控制系统梯形图.....................
引言
随着人口的增加，科学技术日新月异地发展，人们物质文化生活水平的逐步提高，建筑业得以迅速发展，大批的高楼大厦拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭店、办公楼、住宅楼鳞次栉比。
伴随建筑业的发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯工业也在日新月异地发展着。
电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种工作和生活中的必需设备，完全可以预想到，随着社会的发展，电梯产品在人们物质文化生活中的地位将和汽车一样，成为重要的运输设备之一。
目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。
从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。
国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定等特点。
本文主要介绍可编程控制器（PLC）在电梯电气控制系统中的应用，通过对系统硬件设计方法和程序设计思路的介绍，给出了4层电梯逻辑控制部分的方法。
主要涉及4层电梯的PLC控制系统的总体设计方案、组成及模块化程序设计。
第一章电梯概述
1.1电梯发展简史
18世纪末发明了电机，并随着电机技术的发展，19世纪初开始使用交流异步单速和双速电动机作动力的交流电梯，特别是交流双速电动机的出现，显著改善了电梯的工作性能。
在20世纪初，美国
奥的斯电梯公司首先使用直流电动机作为动力，生产出以槽轮式驱动的直流电梯，从而为后来的高速度、高行程电梯的发展奠定了基础。
从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异地发展着。
目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘坐舒适。
随着电子工业的发展，可编程序控制器（PLC）和电子计算机成功地应用到电梯的电气控制系统中去后，电梯产品的质量和运行效果显著提高。
1.2电梯构成及运行方式
一部电梯主要由轿厢、配重、曳引机、控制柜／箱、导轨等主要部件组成。
电梯在做垂直运行的过程中，有起点站也有终点站。
对于三层以上建筑物内的电梯，起点站和终点站之间还设有停靠站。
起点站设在一楼，终点站设在最高楼。
各站的厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮。
一般电梯在起点站和终点站上各设置一个按钮，中间层站的召唤箱上各设置两个按钮。
而电梯的轿厢内都设置有（杂物电梯除外）操纵箱，操纵箱上设置有手柄开关或与层站对应的按钮，供司机或乘用人员控制电梯上下运行。
召唤箱上的按钮称外召唤按钮，操纵箱上的按钮称指令按钮。
电梯的自动化程度比较高，一般电梯的司机或乘用人员只需通过操纵箱上的按钮向电气控制系统下达一个指令信号，电梯就能自动关门、定向、起动、在预定的层站平层停靠开门。
对于自动化程度高的电梯，司机或乘用人员一次还可下达一个以上的指令信号，电梯便
能依次起动和停靠，依次完成全部指令任务。
1.3电梯控制系统
电梯控制系统主要由电力拖动部分和电气控制部分组成。
1.电梯的电力拖动部分
电梯主拖动类型有直流电动机拖动、交流电动机拖动、直流G－M（即发电机－电动机组供电）拖动、晶闸管供电（SCR－M）的直流拖动和交流双速电动机拖动、交流调压调速（AVCC）拖动、交流变频调速（VVVF）等。
因直流电梯的拖动电动机有电刷和换相器，维护量较大，可靠性低，现已被交流调速电梯所取代。
为了得到较好的舒适感，要求曳引电动机在选定的调速方式下，电动机的输出转矩总能达到负载转矩的要求。
考虑到电压的波动、导轨不够平直造成的运动阻力增大等因素，电动机转矩还应有一定的裕度。
2.电梯的电气控制部分
电气控制系统由控制柜、操纵箱、层楼指示、召唤箱及曳引电动机等几十个分散安装在电梯井道内外和各相关电梯部件中的电器元件构成。
电气控制系统通过电路控制电力拖动系统工作程序，完成各种电气动作功能，保证电梯安全运行。
电梯一般是由电动机来拖动的，其运行过程大多包括启动、正（反）转、停止等，这整个过程是由电气控制系统来完成。
具体地说电梯的控制主要是指对电动机的起动、停止、运行方向、层楼指示、层站召唤、轿厢内指令等进行处理。
其操纵是实行各个控制环节的方式和手段。
电梯电气控制系统与电力拖动系统比较，变化范围比较大。
当一台电梯的类别、额定载重量和额定运行速度确定后，电力拖动系统各零部件就基本确定了，而电气控制系统则有比较大的选择范围，必须根据电梯安装使用地点、乘载对象进行认真选择，才能最大限度地发
挥电梯的使用效益。
电气控制系统决定着电梯的性能、自动化程度和运行可靠性。
随着科学技术的发展和技术引进工作的进一步开展，电气控制系统发展换代迅速。
继电器控制系统的电梯故障率高，大大降低了电梯的运行可靠性和安全性，所以基本上已经被淘汰。
而PLC以其体积小、功能
强、故障率低、寿命长、噪声低、维护保养简便、修改逻辑灵活、程序容易编制，易联成控制网络等诸多优点得到了广泛的应用。
1.4PLC与电梯的结合
自80年代后期PLC引入我国电梯行业以来，由PLC组成的电梯控制系统被许多电梯制造厂家普遍采用。
并形成了一系列的定型产品。
在传统继电器系统的改造工程中，PLC系统一直是主流控制系统。
电梯控制系统分为调速部分和逻辑控制部分。
调速部分的性能对电梯运行是乘客的舒适感有着重要影响，而逻辑控制部分则是电梯安全可靠运行的关键。
为了改善电梯的舒适感和运行的可靠性，现在都改为用PLC来控制电梯的运行，这样大大提高了电梯的性能。
PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。
它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的二大支柱之一。
PLC用于电梯控制的优点：
（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。
（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。
（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。
（4）PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。
（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。
（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。
第二章方案设计
2.1整体方案设计
电梯PLC的控制系主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。
电梯信号控制基本由PLC软件实现。
电梯信号控制系统如图2.1所示，输入到PLC的控制信号有:
运行方式选择、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、开关门及限位信号等。
图2.1电梯信号控制系统
2.2理想的电梯功能
电梯三种工作方式——乘客模式、消防模式、司机模式。
1．乘客模式是指由乘客自己操纵电梯，这种电梯具有集选控制功能。
具有以下特点：
（1）电梯开门／关门，上/下客时间均由定时器定时；
（2）只要电梯门关闭后自动定向。
2．消防模式是指大楼发生火灾时，电梯运行控制的一种特殊工作方式。
具有以下特点：
（1）正在运行的电梯控制系统一旦收到消防信号，不会响应任何信号，只会返回底层并开门；
（2）电梯返回底楼并在底楼开门后，电梯处于消防工作状态，此时不响应外部召唤信号，只响应消防员的内部指令信号以及开关门信号。
3．司机模式是指由专职司机操纵电梯运行。
具有以下特点：
（1）电梯上行／下行启动由司机决定；
（2）电梯开门、关门时间由司机控制；
（3）电梯是否直驶（不再响应外召唤）由司机决定。
其它功能：
吹风机通风；到站讯号指示（钟鸣）；开门保持时间调节功能，自动开关门；故障自动检测、存储，显示功能；同层呼叫重开门装置；应急照明装备；火警紧急返回/消防操作功能；防捣乱功能；指定楼层不停靠功能；满载直驶；
2.3实际的电梯功能
由于下文所说的硬件设备的原因（包括传感器的缺失，I/O点数的限制等），我们组所设计的电梯只包含了原先设想的功能中的一部分：
1.两种模式：
乘客模式和消防模式；
2.基本的外部召唤，内部指令，电梯的上下运行功能；
3.开门保持时间调节，自动开关门功能（该功能不是一个简单的开关门功能。
它可以保证第一次自动开门时手动的关门按钮没有用；第一次自动开门后以及门完全闭合前的无限开关门；
门完全闭合后开门按钮无效等。
）
4.吹风机通风（有人的时候自动通风，没人的时候自动关掉）；
5.自动照明功能（有人的时候自动照明，没人的时候自动关灯）；
6.火警紧急返回/消防操作功能。
第三章硬件设计
3.1理想的电梯模型
1.电梯模型的主体结构与控制柜
图33-1为五层电梯的简化模型和控制柜示意图。
电梯主体包括升降电机、轿厢、滑轮、钢丝绳、行程开关等。
升降电机为交流可逆22电动（）机，轿厢套11在钢丝绳上，电机带动钢丝绳正转或反转时，轿厢对应上升或下降。
每层楼均安装行程开关，利用机械碰撞，给出各楼层的
楼层信号。
图3-1五层电梯的简化模型和控制柜示意图
电梯控制柜是电梯电气控制系统完成各种主要任务，实现各种性能的中心。
主要包括FX2N-80MRPLC、继电器/接触器、显示部分、开关电源。
LED显示部分主要包括轿厢运行方向显示、楼层显示。
2.电梯层门
电梯层门是为了确保安全，而在各层楼的停靠站，通向井道的入口处，设置供司机、乘用人员和货物等出入的门。
图3-2为电梯层门示意图。
电梯层门旁装有消防按钮、上召唤按钮和下召唤按钮（最底层只有上召唤按钮、最高层只有下召唤按钮）,并有召唤登记指示灯。
层门上方装有LED数码管，以显示轿厢所在层楼位置，另外还有轿厢上行和下行指示灯。
图3-2电梯层门示意图
3.轿厢内控制屏
轿厢内控制屏示意图如图3-3所示。
其中包括上行、下行显示及LED层楼位置的显示。
另外还有1楼－5楼的指令按钮及登记显示和有司机／无司机的选择按钮。
此外，还有消防按钮。
图3-3轿厢内控制屏示意图
3.2实际的电梯模型
由于实验条件的限制，我们不可能拿真的电梯去实验，所以最终我们使用的是实验台上由开关、按钮和灯组成的电梯模型。
如下图所示：
第四章软件设计
4.1PLC控制系统
从图中可知控制一台电梯正常工作，主要需要如下信号：
层楼信号、指令信号、召唤信号和消防信号。
行程开关的层楼信号进行层楼定位并参与自动定向，同时显示所在层楼位置。
来自内部的指令信号和来自外部的召唤信号分别进行指令登记和召唤登记，同时进行信号登记显示。
这两种信号也参与自动定向，和层楼信号一同对电梯进行运行控制，包括开／关门、上／下行和停站。
当来自层面的火警开关发出消防控制信号时，立即消除指令登记和召唤登记，直接控制电梯下行至底楼并开门。
4.2电梯选向流程图
YY
电梯上升
N
N
Y
YN电梯上升
NN
N电梯下降
N
Y
Y电梯上升
N
Y电梯下降
N
N
Y
NY
电梯下降
N
4.3PLCI/O口分配
PLC电梯控制系统的控制核心是PLC。
哪些信号需要输入PLC，PLC需要输出哪些信号，以及采用何种编程方式都需要仔细推敲。
输入输出点的确定是设计整个控制系统的首要问题，决定系统的程序及硬件线路的方案。
1.PLC输入口的分配
序号
名称
输入点
序号
名称
输入点
1
四层内选按钮S4
X01
10
一层上呼按钮U3
X14
2
三层内选按钮S3
X02
11
四层行程开关SQ1
X16
3
二层内选按钮S2
X03
12
三层行程开关SQ2
X17
4
一层内选按钮S1
X04
13
二层行程开关SQ3
X20
5
四层下呼按钮D4
X06
14
一层行程开关SQ4
X21
6
三层下呼按钮D3
X07
15
消防开关
X15
7
二层下呼按钮D2
X10
16
开门
X22
8
三层上呼按钮U1
X12
17
关门
X23
9
二层上呼按钮U2
X13
18
复位
X24
2.PLC输出口的分配
序号
名称
输入点
序号
名称
输入点
1
四层指示L4
Y01
13
二层上呼按钮UP2
Y15
2
三层指示L3
Y02
14
三层上呼按钮UP3
Y16
3
二层指示L2
Y03
15
四层下呼按钮DN4
Y21
4
一层指示L1
Y04
16
三层下呼按钮DN3
Y22
5
轿厢下降指示DOWN
Y05
17
二层下呼按钮DN2
Y23
6
轿厢上升指示UP
Y06
18
消防指示灯
Y00
7
四层内选指示SL4
Y10
19
开门指示
Y24
8
三层内选指示SL3
Y11
20
关门指示
Y25
9
二层内选指示SL2
Y12
21
门闭合
Y26
10
一层内选指示SL1
Y13
22
门未闭合
Y27
11
一层上呼按钮UP1
Y14
23
照明指示灯
Y20
12
24
通风指示灯
Y17
3.辅助继电器分配
序号
名称
继电器
序号
名称
继电器
1
清一楼上召唤
MO
16
电梯位于四楼
M23
2
清二楼上召唤
M1
17
无上召唤
M25
3
清三楼上召唤
M2
18
无下召唤
M26
4
清二楼下召唤
M3
19
无内部指令
M27
5
清三楼下召唤
M4
20
M25+M26+M27
M28
6
清四楼下召唤
M5
21
只有一楼上召唤
M40
7
消防状态且到过一楼开过门
M6
22
只有二楼上召唤
M41
8
M6/乘客状态
M7
23
只有三楼上召唤
M42
9
清一楼指令
M10
24
只有二楼上召唤
M43
10
清二楼指令
M11
25
只有三楼上召唤
M44
11
清三楼指令
M12
26
只有四楼上召唤
M44
12
清四楼指令
M13
27
用于自动关门计时
M30
13
电梯位于一楼
M20
28
用于第一次开门计时
M31
14
电梯位于二楼
M21
15
电梯位于三楼
M22
4.4基本功能梯形图分析
1.外部召唤信号登记响应及清除功能位于层楼面的乘客欲前往任意一层楼，可通过按下电梯层门旁的上／下召唤按唤来召唤电梯。
当电梯到达乘客所召唤的那一层楼面时，立即清除该召唤信号。
2.内部指令信号登记响应及清除功能
当乘客／消防人员进入到电梯轿厢中时，就要用到厢内的指令按钮。
电梯到达乘客所要去的那一层楼面时，立即清除该指令登记信号。
3.自动定向功能
电梯的换向即改变电梯的运行方向，实际就是改变电动机的旋转方向。
电梯在无司机工作状态下，由程序决定上行或下行。
当电梯发出召唤信号或指令信号时，PLC自动根据轿厢目前所在层楼位置，来判定是上行还是下行。
若：
召唤或指令要到的层楼＞轿厢目前所在层楼电梯上行
召唤或指令要到的层楼＜轿厢目前所在层楼电梯下行
召唤或指令要到的层楼＝轿厢目前所在层楼无法定向
下图为电梯自动定向功能梯形图。
乘客工作状态下，当三楼有指令信号Y011或上下召唤信号Y016、Y022发出时，PLC首先判断轿厢当前是否在三楼，如果就在三楼，则轿厢在三楼的常闭M22变常开，线圈Y005、Y006都不得电，电梯既不上行也不下行。
如果电梯在一楼或二楼，则轿厢在三楼、四楼的常闭触点M22、M23不得电，仍为常闭，且在非消防状态下，X015常闭得电，则线圈Y006得电，电梯定向为上行。
如果电梯在四楼，则轿厢在一楼、二楼、三楼的常闭触点M20、M21、M22不得电，仍为常闭，则线圈Y005得电，电梯定向为下行。
消防工作状态下，常闭X015变常开，电梯停止上行；常开X015变常闭，线圈Y005线圈，电梯下行到底楼开门。
当电梯消防时到达底楼且开过门后M6常闭变常开，电梯不再下行。
除此之外，上行Y006和下行Y005互锁，而且当门未闭合（即Y026常开触点断开）时，电梯既不能上行，也不能下行。
4.自动/手动开关门功能
下图为自动/手动开关门功能梯形图。
（1）开门功能
以二楼为例，乘客运行状态下，当之前有人按过二楼的上呼，下呼或者内选按钮并且电梯在二楼停下时，Y015、Y023或者Y012会产生一个下降沿，从而使Y024得电即自动电梯开门。
如果电梯处于不运行状态（即M28常开触点断开）且停在二楼，同时二楼有人按了上呼或下呼，那么门就自动打开。
在消防运行状态下，XO15常开触点闭合，常闭触点断开，所以电梯的所有外部召唤按钮都无效，不能使电梯自动开门。
同时，在电梯未到过一楼且开过门即常开M6为断开时，电梯的所有内部指令按钮也都无效，但当电梯到过一楼且开过门即常开M6为闭合时，
电梯的所有内部指令按钮就会再次变得有效。
如果电梯第一次到达一楼且
除此之外，只有当电梯不处于上升或下降状态下（即电梯停在四个楼层中的一个）时，内部的开门按钮才有效。
（2）关门功能
当开门后，会将Y026置0（表示门处于未闭合状态）,将M30以及M31置1。
M31和M30得电后，会分别使T1（用于无人关门的情况下，10s后自动关门）和T0（用于第一次完全开门前不允许手动关门）计时。
在乘客运行状态下，T2计时3s前，不响应关门按钮X023；T2计时完后，若按下关门按钮X023，Y025会得电即电梯开始开门，或者不按关门按钮，T1计时10s后的上升沿会使Y025得电即电梯自动关门。
在消防工作状态下，当刚打开X015开关，电梯为到过底楼开门且电梯门处于为闭合状态时，电梯会自动关门。
打开X015开关后，X015常开触点闭合，常闭触点断开，T1上升沿无效即电梯开门后不会自动关门。
当电梯到过一楼开过门后，在内部按指令按钮到达指定楼层后，按下关门按钮，会使门开始关闭。
5.自动照明及通风功能
下图为自动照明及通风功能当电梯有外部召唤信号或者内部指令信号即M28不得电时，Y017和Y020得电，电梯有照明和通风。
当无外部召唤信号或者内部指令信号，但是电梯门未闭合时，Y017和Y020得电，电梯有照明和通风。
当出于消防状态时，Y017和Y020得电，电梯有照明和通风。
第五章实验心得
经过此次课程设计，使我更加深刻了解到PLC在现在生活、工业中的使用重要广泛性。
初步学会了PLC程序编辑软件的使用。
首先参考网上的实验程序就是好几个小时才看懂，然后自己根据所设计的课题情况再一步步的完善设计程序，其中也遇到罢了不少问题，深刻体会到理论与实践的差距。
其实设计并不难，难的是一些细节的问题，在设计过程中，大部分都是在思考及解决一些细节问题。
因为初次设计，还有好些不足的地方，所以日后还有好多需要学习训练的地方。
学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中，都应该不断学习，努力提高自己的知识面以及综合素质。
另外还要感谢此次课程设计中老师的耐心教导以及同学们的帮助，最后才能顺利完成此次课程设计。
附录
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