基于PLC五层电梯控制系统的设计.docx

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基于PLC五层电梯控制系统的设计

泰山学院

本科毕业论文

基于PLC五层电梯控制系统的设计

所在学院机械与工程学院______

专业名称机械设计制造及其自动化

申请学士学位所属学科工学______

年级二〇一一级（3+2）_____

学生姓名、学号杨国明2011170234

指导教师姓名、职称陈宏圣___副教授______

完成日期2013年5月30日___

摘要

随着我国人口不断地增长，城市的发展正向大型化，立体化发展，因此，在有限的住房面积，高层建筑越来越多，越来越高，电梯进而成为了人们日常生活中必不可少的代步工具。

随着科技不断地进步发展，电梯性能的安全对人们日常生活的影响越来越重要，因此提高电梯系统的性能不可或缺，以保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。

为了提高电梯设备的工作效率,安全和控制系统的性能，本文设计了一套以PLC为核心控制器的电梯自动控制系统，用来取代以往的旧式的较繁琐的继电器—接触器控制。

因PLC控制系统由于运行可靠性高，抗干扰性强,使用维修方便设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点。

本文以三菱FX2N系列PLC为例，以五层电梯为设计对象，系统的控制部分采用日本三菱公司生产的FX2N型PLC，因为核心控制部分采用的是软件程序控制，不仅能在保证电梯正常运行的，还能克服因手动操作所带来的一些人为干扰因素，大大的提高了电梯故障检查与维修的方便性和容易性，同时取得良好的预期效果。

关键词：

电梯，PLC，梯形图

ABSTRACT

AsChina'spopulationcontinuestoincrease,thedevelopmentofthecityislarge,thethree-dimensionaldevelopment,therefore,inalimitedareaofhousing,moreandmorehigh-risebuildings,moreandmorehigh,elevatorandbecomeindispensableinthedailylifeofthemeansoftransport.Withthedevelopmentofscienceandtechnologycontinuetoprogress,elevatorperformancesecurityimpactonpeople'sdailylifeisbecomingmoreandmoreimportant,therefore,toimprovetheperformanceofelevatorsystemisindispensable,inordertoensuretheoperationoftheliftisenergyefficientandreliablesecurity.

Inordertoimprovetheperformanceofelevatorequipmentworkingefficiency,safetyandcontrolsystem,thispaperdesignedasetofautomaticcontrolsystemwithPLCasthecorecontrolleroftheelevator,complicatedrelaycontrolcontactorusedtoreplacetheold.BecausethePLCcontrolsystemwithhighreliability,stronganti-interference,convenientrepairdesignandcommissioningperiodshorter,hasattractedmuchattentionetc.BasedonMitsubishiFX2NseriesPLCasanexample,withfiveelevatorsasthedesignobject,thecontrolpartofthesystemadoptsFX2NPLCproducedbyMitsubishiCoinJapan,becausethecorecontrolpartoftheuseofthesoftwareprogramcontrol,notonlycanguaranteethenormaloperationoftheelevator,butalsoovercomebymanualsomehumandisturbancefactorsbroughtaboutoperation,greatlyimprovetheelevatorfaultinspectionandrepairconvenienceandeasy,atthesametimetoobtainthegoodanticipatedeffect.

Keywords:

elevator,PLC,ladderdiagram

前言

随着我国的经济,科技的快速发展，人民生活水平的越来越高，生活工作居住条件越来越好。

电梯作为建筑物尤其是高层建筑物内的垂直交通运输工具，与人们的生活紧密关系。

以往传统型的电梯曳引电动机采用接触器来改变电动机的工作状态，其次，传统的电梯控制系统由继电器接触器控制逻辑组成，功能弱、电气元件多、工作寿命短、可靠性差和等等。

而PLC技术是随着顺序逻辑控制的需要进化发展起来的，是专门为工业应用而设计的数字运算操作的电子设备。

鉴于它的优点，目前，PLC控制基本替代了继电器的电梯控制方式，与此同时，电机的交流变频的调速技术也随之快速发展，电梯调速的方式不再是直流调速而是变频交流的调速，不仅能达到需要的平稳精度，还能充分满足舒适度，亦能够减少消耗，延长寿命，节约能源，节约成本。

以上表明，PLC可编程控制加变频调速注定成为电梯业界的热点。

本课题的研究题目——“基于PLC五层电梯控制系统的设计”。

电梯PLC控制是指电梯信号控制由PLC及其软件来实现，控制系统的核心是PLC。

再者课题开发的主要任务和内容：

建立“PLC控制的电梯系统”的总体框架；控制的信号系统则利用安全保护信号、内指令信号、门区信号、井道信号、PLC统一处理电梯运行方式、开关门和外召唤信号等等，并且显示电梯运行方向，所到达的楼层、呼梯应答等等，使得开关门控制得以实现，在系统中控制曳引机的启动、运行和停止，正反转信号、多种速度信号等等，经过PLC判别后通过电机来实现。

达到的要求是：

通过深入的理论研究和编程实践，认真仔细的完成上述的几部分内容。

本课题的主要问题有两个：

一是用PLC实现电梯信号的控制和软件的开发；二是精度、效率和安全性的要求。

对于第一个问题，根据电梯所要实现的功能和PLC的顺序执行程序的特点，编写PLC程序主要是应用模块化编程思想，也就是根据各功能实现的条件及原则编写各个功能模块来实现。

对于第二个问题，通过选择合适的PLC，进行合理的设计和编程就能实现。

我所选的PLC是日本三菱公司的FX-2N型号。

方案选择是通过多种方案的比对，完成电梯控制系统中控制方案的选择。

1绪论

1.1PLC的特点及其在电梯应用的优点

1.1.1PLC的特点

PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式，模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

同时还是自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。

以专用或通用CPU作为字处理器，实现数据的存储和字的运算，另外还有位处理器，进行点（位）运算与控制。

PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修方便、编程简单等各种特点。

（1）使用方便，编程简单

PLC各种指令简单易学，编写程序在计算机容易完成并可直接输入PLC即可使用。

（2）硬件的可靠性

PLC是在恶劣条件下应用而设计并具有很强的抗湿度、极端温度、机械振动、和电磁干扰性能。

（3）通用性好，接线简单

PLC的接线只要将PLC输入端子和像开关按钮等的输入设备连接，将PLC输出端子和接收信号输出执行任务的执行元件连接。

接线容易、工作量少，避免了传统继电器控制需要拆线和接线的一系列麻烦。

连接现场的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，这样的设计就使得电气技术人员易于使用。

（4）可以连接成为控制网络系统

PLC能够连成强大功能的网络系统。

网络分成两种：

一种是低速网络，通信方式为主从方式，传输速率从几千比特到上万比特，传输距离一般为500—2500m；另一种是高速网络，是用的令牌传送的方式来进行通信，传输速率为1M—10Mbps，传输距离为500—1000m，网上结点可以有1024个。

这两种网络能够级连，在网络上可以兼容多种类型的计算机和PLC，因此构成较大控制范围的局域网络。

（5）易于安装，便于维护

随着技术不断发展，PLC体积越来越小，很容易安装，只需几根导线和机器相连。

PLC的诸多特性使它成为几乎所有控制系统的十分有用的部分。

一旦被安装，它的作用就会显现，其收益也会很快的实现，和别的智能设备一样，PLC潜在的优点还决定于它在应用过程中的创造性。

1.1.2PLC控制电梯的优点

（1）PLC大大简化了电梯部分空间结构，线路简单易寻。

（2）在电梯的控制中用PLC，电梯运行，用软件实现对电梯的自动控制，大大提高可靠性。

（3）PLC能够完成各种繁杂的控制系统，方便地改变或者增加控制的功能。

（4）PLC能够自动检测故障、显示报警，便于维修保障。

（5）用来群控的管理调配，使电梯运行的效率得以提高。

（6）变换控制方案时没必要改动硬件接线。

另外，微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷而没被广泛的采用。

PLC控制系统由于运行可靠性高、抗干扰性强、设计和调试周期短等优点，在电梯控制系统中目前已成为使用最多的控制方式。

1.2课题的提出

PLC以其优越的性能，在很多领域中得到了广泛的应用，在有些国家，工业部门应用最广泛，主要有：

通信连网，运动控制，数据处理，闭环过程控制，开关量逻辑控制。

但由于七八十年代安装的电梯绝大部分是继电器控制，线路复杂，节点繁多，故障率高，系统结构庞大，损耗较大，机械动作噪音大，严重地影响电梯运行质量。

所以对电梯进行更新和改造必不可免。

但是更新需要大量的财力，精力，这对使用单位来说有一定的困难，因此对电梯进行局部改造是实际的可行的。

电梯行业因PLC的特点,在电梯广泛的应用而快速发展，最近几年来，采用功能强大、高可靠性低故障率的可编程控制器去控制电梯，取得了良好的效果。

利用PLC和变频器对旧电梯进行改造，不仅能够减少资源的浪费，降低运行的费用，还能降低损耗，增加电梯的安全性、舒适度和可靠性等。

1.3课题的主要内容

课题所研究的主要内容是用PLC改造现用电梯自动控制系统。

因为大多数老式电梯的控制系统欠佳的可靠性，用户希望对电梯的控制系统来进行改造，以节约资金。

所以，对电梯电控技术进行研究，寻求一条适合我国老式电梯的改造之路，并由此而提高国产电梯的质量和技术水平，这具有十分显著地意义。

由于老式电梯采用继电器控制的方式，它存在功能弱、故障多以及工作寿命短等的缺点，由此采用可靠性高、较强功能、低故障率、的PLC来控制电梯。

论文的主要内容如下：

首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的介绍和总结。

接着阐述了电梯控制系统的分类和特点，电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分。

确定了系统的总体结构，由PLC来实现电梯信号控制，由双速电机来实现调速，完成电机和可编程控制器的选择。

然后是系统硬件开发，完成了PLC的选型、I/O点数分配与PLC的连接。

在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出了软件流程图，提出了模块化编程思想，介绍了系统的软件开发。

1.4电梯的功能要求

（1）电梯的上行下行有一台交流双速电机牵引。

电机正传，电梯上升；电梯反转，电梯下降。

（2）电梯启动、运行、到站实现速度的调节。

（3）每一层楼设有呼叫按钮；轿厢内设有开关轿厢门按钮。

（4）电梯轿厢门由另一台小功率电机驱动。

电机正传，轿厢门打开；电机反转，轿厢门关闭。

（5）电梯运行到指定位置后应该具有手动或自动开/关门的功能。

（6）能够自动判断电梯的运行方向，并发出相应的指示信号。

（7）利用指示灯显示电梯轿厢外的呼唤信号、电梯轿厢内的内选信号和电梯的到达信号。

（8）行车时，厅门和轿厢都不能打开。

开门之后不能行车，有门连锁保护。

平层时可自动开门、手动开门，夹人时自动开门等。

2电梯发展以及电梯设备简介

2.1电梯的发展

图1拽引式电梯示意图

1854年，美国人奥的斯在纽约的水晶宫举行的世博会上，向世界第一次展示了他的发明---历史上第一部安全升降电梯。

从此，升降梯被世界广泛应用。

她辉煌的旅程以奥的斯的名字命名的电梯公司也开始。

至今，她已经发展成为世界领先的电梯公司。

自从改革开放后，中国调整相关政策，高层建筑在全国各地拔地而起，电梯作为高楼的垂直交通工具，其需求

量不断增长。

不同类型的电梯已在高楼内被投入运行。

为确保电梯安全、正常使用，必须要了解电梯、熟悉电梯、管理电梯、维护好电梯。

在19世纪的末期，拽引式电梯在美国出现，其结构如图1，可以看出，钢丝绳悬挂在拽引轮上，一端与轿厢连接，另一端连接对重，当曳引轮开始转动，依靠曳引轮槽与钢丝绳之间摩擦力使对重与轿厢作一上一下的相反运动。

显然，钢丝绳不用缠绕，能更好的发挥其优势。

因此，人们对电梯的使用需求很满足。

所以到现在，曳引式电梯一直受到重视。

发展至今。

在随后的几十年里，电梯的自动平层控制系统以及1—轿厢2—曳引轮3—对重通过变换电动机极数的调速来调整电梯的运行速度的技术相继研制成功，1933年第一台运行速度为6m/s的电梯被安装在了美国纽约的帝国大厦中。

随着电子电力技术的快速发展，晶闸管变流装置在电梯系统也越来越多地被用于，提高了电梯的拖动性能，系统简化。

电梯的变速系统显著改善。

20世纪80年代，通过电动机定子供电电压的调压调频技术与控制频率电梯运行速度，交流变压变频（VVVF）调速电梯随之出现，开拓了电梯拖动的新领域。

时至今日，随着智能化、数字化建筑的兴起，人们对电梯基本功能不再满足简单的上下运输，而是本着以人为本的各种需求，提高舒适度和安全，单一的“时间最短”问题不再是电梯的优质服务质量唯一标准，而是采用神经网络、模糊理论、专家系统等方法，来达到实现电梯与群控管理的最佳模式。

合理的配置与使用远程监控与故障诊断、节约能源以及减少环境污染等等。

本课题主要研究电梯的升降控制逻辑，不侧重研究主电动机的升降速度以及电梯的安全保护措施。

图2三种常见的PLC

2.2电梯设备

2.2.1电梯的分类

电梯的分类有各式各样：

（1）速度分类有低速电梯1m/s以下、高速电梯2-3m/s、超高速电梯3-10m/s。

（2）按曳引机结构分类有齿曳引机电梯、无齿曳引机电梯。

（3）按拖动方式分类有直、交流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯。

（4）按用途分类有乘客电梯、住宅电梯、载货电梯。

2.2.2电梯的主要组成部分

1.电梯的组成结构及功能

一部直流或交流电梯，由电气控制系统和机械系统两大部分组成。

另外，还要有电梯专用井道、机房等，机械系统一般由轿厢、门系统、导向系统、牵引系统、对重系统及组成。

各部分的功能如下：

（1）导向系统，包括导轨架、导靴、导轨，对对重和轿厢的运行起防止摆动和导向的作用。

（2）对重系统，包括对重和平衡补偿装置，起到平衡轿厢自重及载重量的作用。

（3）牵引系统，包括几个牵引机组、牵引轮、导向轮、钢丝轮，产生动力并负责传送。

（4）门系统，主要由门锁电梯门、自动开门机、层门联动机构组成。

（5）限速装置，由安全钳和限速器构成，起到限制电梯轿厢的运行速度。

2.3电梯安全保护装置

（1）限位开关：

当轿厢超过限定位置仍未停车时，限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。

（2）急停按钮：

装于轿厢司机操纵盘上，当发生异常情况时按此按钮切断电源，电磁制动器制动，电梯得以紧急停车。

（3）电磁制动器：

装于曳引机轴上，一般采用直流电磁制动器，起动时通电松闸，停层后断电制动。

（4）超载开关：

当超载时轿底下降开关动作，电梯不能运行和关门。

（5）关门安全开关：

常用的是装于轿厢门边的安全触板，如在关门过程中安全触板碰到乘客时，发出信号，延时重新开门，门电机停止关门，反向开门，此外还有红外线开关等。

（6）厅门开关：

每个厅门都有厅门开关，电梯运行时，开关打开，当开关关闭，电梯立即停止运行。

（7）强迫减速开关：

装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站变速但是没有减速时，轿厢上撞块就触动此开关，并通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速。

（8）行程极限保护开关：

当轿厢经过端站限位开关不起作用时，该开关动作。

（9）其它的开关：

钢带轮的断带开关，安全窗开关等等。

电梯停止行驶

门安全开关动作反向开门

图3电梯安全保护系统主要动作示意图

2.4电梯的控制要求

1.接受任一个按钮，如外部和内部的呼叫命令，并做出对应的响应。

2.电梯停在3层时，按动3层的上或下呼叫按钮，电梯门接收打开命令，在打开开门的过程中；若此时电梯的轿厢在其余4层之间，在电梯关门后，按照不换向原则控制电梯向上或向下运行。

3.当按动某个呼叫按钮后，响应的指示灯亮并保持，直到电梯完成该呼叫为止。

4.电梯在每层设置上、下平层感应，其中1楼只有下平层、5楼只有上平层，当该层有呼叫信号且到达平层点时，电梯开始减速平层停车，否则继续高速通过该层。

5.电梯运行的不换向原则是指优先响应不改变现在电梯运行方向的呼叫，直到这些命令全部响应完毕后才响应使电梯反向运行的呼叫。

例如现在电梯位置在1层和2层之间上行，此时出现了3层上呼叫、5层下呼叫和4层上呼叫，则电梯首先响应3层上呼叫，然后再依次响应4层上呼叫和5层下呼叫。

6.当电梯停在某层时，相应的指示灯亮，直到电梯运行到前方一层时楼层指示灯改变。

当电梯内部按动关门按钮，电梯门则关闭。

按动开门按钮，电梯门则打开。

但在电梯行进期间电梯门是不能被打开的，是为了安全。

3三菱FX2N系列PLC介绍

3.1可编程控制器的基本介绍

1.三菱FX2NPLC的主要特点：

1）高速运算

基本指令：

0.08μs／指令应用指令：

1.52～几百μs／指令

2）安全、宽裕的存储器规格，内置8000步RAM存贮器。

3）丰富的软元件范围

辅助继电器：

3072点，定时器：

256点，计数：

235点，数据寄存器：

8000

4）集成型高性能。

CPU、电源、输入输出三为一体

5）除了具有定位控制、模拟量控制等特殊控制之外，还有输入、输出16～256点的一般用途。

2.PLC的性能指标和分类

1）PLC的主要性能指标

（1）输入／输出点数（I／O点数）

I／O点数包括输入、输出端子数。

它可以控制多少个负载、可以接多少个按钮、开关。

（2）扫描速度

一般以执行1000步指令所需时间来衡量，单位为ms/k步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用µs/步。

（3）存储容量

存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16位即一个字为一步。

（4）功能扩展能力

可编程序控制器除了主模块之外，还可以扩展模块，，如A／D模块、D／A模块、位置控制模块等，来达到各种特殊应用的需要。

（5）指令系统

指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和，它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。

2）PLC的分类

通常，PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。

按结构形式不同,可以分为整体式和模块式两类。

按控制规模大小、则可以分为小型、中型和大型PLC三种类型。

3.PLC系统的组成

PLC是一种自动控制的工业通用微处理器，主要由软件系统和硬件系统两部分构成。

1）PLC的硬件结构

在硬件方面PLC系统由基本单元（包括中央处理单元、输入和输出接口、存储器以及内部的电源等等）、I／O扩展单元和外部设备等构成。

2）PLC的软件

PLC的软件系统指PLC所采用的各种程序的集合，它是由用户程序和系统程序组成的。

用户程序是用户依据控制的要求，用PLC编程语言，例如梯形图编写的应用程序。

系统程序包括输入程序、监控程序和诊断程序等。

PLC的内部结构如图4所示：

图4PLC的内部结构

3.2PLC的程序设计语言

PLC程序设计语言主要有结构化语句描述语言、功能表图语言、梯形图语言等。

梯形图语言是最常用最基本程序设计语言，由一系列指令组成并可以完成大多数简单的控制功能。

梯形图程序设计中，采用梯形图程序设计语言，采用梯形图的形式描述程序。

用因果关系在程序设计语言中描述事件发生的条件、结果。

每一个梯级是一个因果关系，在梯级图中，事件发生条件、发生结果分别表示在左面和后面。

梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，所以，本课题选用的编程语言为梯形图语言。

梯形图程序设计语言的特点：

1.与电气操作原理图相对应，具有鲜活性、直观性、对应性。

2.与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于撑握和学习。

3.易与其它程序语言的转换，程序的检查很容易。

3.3PLC控制系统

PLC充分利用了微型计算机的技术和原理，延续计算机控制的优点，并且克服了它的缺点。

它具有巨大的生命力，各工业部门纷纷用它来改造旧有的电梯控制电路，得到了显著地效果。

总之，PLC是采用微机技术制造的自动控制设备，它能控制模拟量、开关量，具有抗干扰能力强、可靠性高并具有定时、完成逻辑判断、记忆、计数、运算等功能，可以取代以继电器为主的各种控制设备。

它不仅能用于控制各种设备的运行过程、机械设备和流水线，还可以将PLC用于处理相关信息和控制电梯各种操作等。

4PLC的选择及其软件开发

4.1PLC的选型

因本次设计的电梯系统有五层，开关量很多，模拟量比较少；对于开关量控制为主的系统而言，一般PLC的响应速度足以满足控制的要求，在小型PLC中整体式比模块式的价格便宜、体积也小、综合考虑后，选择日本三菱公司生产的FX2N系列PLC。

FX2N系统PLC具有以下几方面的优点：

1）FX2N配置灵活，除主机单元外，还可扩展A/D模块，I/O模块，D/A

模块和其它特殊功能模块。

2）FX2N指令功能丰富，有各种指令107条，而且指令执行速度很快。

3）FX2N可用内部辅助继电器M，定时器T，状态继电器S，，寄存器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求。

图5电梯PLC信号控制系统框图

4.2　牵引机的选择

因为牵引电梯的动力电机都是短时工作制，