基于PLC的住宅楼电梯控制系统设计.docx
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基于PLC的住宅楼电梯控制系统设计
西京学院
本科毕业设计（论文）
题目：
基于PLC的住宅楼电梯控制系统设计
教学单位：
机电工程系
专业：
自动化
学号：
0700030133
姓名：
黄伟东
指导教师：
杜学然曹志坚
2011年6月
摘要
随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。
电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的。
因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。
PLC在电梯控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。
由于PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。
在电梯控制过程中，各种逻辑开关控制与PLC相结合，实现了对电梯的控制。
本课题采用FX2N-128PLC对电梯的开关信号的输入输出进行处理，实现对电梯上行下行的自动控制，并且能够实时根据电梯运行位置调节电梯运行速度，确定电梯运行状态。
进行故障分析和处理。
关键词：
FX2N-128；PLC；电梯控制；故障分析；
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofurbanconstruction,increasinghigh-risebuildings,elevatorsandlifeinthenationaleconomyhasabroadapplication.Theverticalelevatorisrunningasahigh-risebuildingoftransporthasbeencloselylinkedwithpeople'sdailylives.Elevatorisbasedonexternalcallcontrollawsignalanditsownoperation,etc.,whilethecallisrandom,theelevatorisactuallyaman-machineinteractivecontrolsystem,asimplecontrolorlogiccontrolwiththeordercannotmeetthecontrolrequirements.Therefore,theelevatorcontrolsystem,controltheuseofrandomlogic.PLCApplicationintheelevatorcontrolismainlyreflectedinitslogicswitchcontrolfunction.ThePLChasthelogicoperation,countingandtiming,anddatainputandoutputfunctions.Intheelevatorcontrolprocess,thevariouslogicswitchcontrolandPLCcombinedtoachievethecontroloftheelevator.ThistopicFX2N-128PLCusingtheelevatorswitchsignalinputandoutputprocessing,toachievetheautomaticdownupstreamoftheelevatorcontrol,andcanrunreal-timelocationoftheelevatorliftspeedregulation,determinetheelevatorrunningstate.Failureanalysisandprocessing.
Keywords:
FX2N-128;PLC;elevatorcontrol;failureanalysis;
1绪论
1.1电梯控制系统的发展
电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱,用于多层建筑乘人或载运货物.也有台阶式,踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。
它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间，轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物.习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。
随着科学技术和社会经济的发展,高层建筑已成为现代城市的标志。
电梯作为垂直运输工具，承担着大量的人流和物流的输送，其作用在建筑物中至关重要。
是现代城市生活中必不可少，且应用最广泛的垂直交通运输工具。
继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。
但是,进入上世纪九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性，可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。
可编程控制器（PLC）最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，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.鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式己逐渐被PLC控制所代替。
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交流变频调速.因此，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。
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。
1.3本课题设计的内容
在高层住宅楼电梯控制系统的研究背景、意义及发展现状下；设计一个基于FX2N-128PLC的五层电梯的控制系统设计，要求根据PLC对电梯的开关信号的输入输出进行处理，实现对电梯上行下行的自动控制，并且能够实时根据电梯运行位置调节电梯运行速度，确定电梯运行状态；设计并画出电梯控制系统的时序图，编制梯形图程序和对应的指令表程序。
2电梯控制系统的主电路设计
2.1电梯控制的要求
1电梯轿箱的控制要求：
（1）选向：
根据电梯各层内选外呼信号的先后和停止时轿箱所在的楼曾位置决定电梯的运行方向。
（2）选层换速：
指电梯能够根据轿内所选层而决定运行方向，而且遵守或一直向上，或一直向下的原则。
并且在每次平层的时候都能够换速。
（3）楼层位置的指示：
选用七段LED数码管显示的方法。
2电梯门的控制要求：
要求当电梯平层的时候，电梯门自动打开，经过10秒钟后电梯门自动关上。
如果遇到有人在门中间的情况，电梯会因为机械安全触板开关的作用而自动开门，也可以手动控制开门和关门。
2.2电梯模型结构
（1）电梯层门
电梯层门是为了确保乘客安全，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2.1为电梯层门示意图。
电梯层门旁装有消防按钮、上行召唤按钮和下行召唤按钮（最底层只有上行召唤按钮、最高层只有下行召唤按钮）,并有召唤登记指示灯。
层门上方装有LED数码管，用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。
红色圆圈是消防按钮，向下按导致X10接通。
按下该按钮的同时向左转是消防关门开关，X14触点闭合，电梯门关闭；向右转是消防开门开关，X11触点闭合，电梯门打开。
呼梯按钮按下时，相应的按钮变成青绿色，表示该呼梯按钮已按下。
电梯楼层显示采用7段LED数码管显示，图中显示电梯目前处于三楼的位置。
电梯运行方向用红色箭头表示，图中箭头向上表示电梯正处于上行状态中。
图2.1电梯层门示意图
（2）电梯轿厢内控制屏
1
图2.2轿厢内控制屏示意图
轿厢内控制屏示意图如图2.2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按钮。
此外，还有手动开门和关门按钮，以满足乘客的需求。
2.3电机电路的设计
本设计采用三相异步电机作为电梯的牵引电机，并且电机采用星-三角起动方式。
DC
图2.3电梯拖动电机电路
异步电机从静止状态过渡到稳定运行状态的过程称为异步电机的启动过程。
如果在额定电压下直接起动，由于最初起动瞬间主磁通约减小到额定值的1/2，转子功率因数又很低，造成了起动时堵转电流相当大而堵转转矩并不大（不像直流电机那样，起动转矩与起动电流成正比）的结果，所以要采用星-三角降压起动方法。
起动时，电机定子绕组接成星形联结，起动后改接成三角形联结，如图2.3所示。
起动时，接触器KM3、KM5触点闭合，电机定子绕组接成星形联结，待转速升高到一定程度后，接触器KM5触点断开，接触器KM6触点闭合，定子绕组改成三角形联结，电机进入正常运行。
制动时采用能耗制动，接触器KM3触点断开、KM7闭合，电机在断开交流电源的同时，在定子两相上通入直流电流，直流电流通过定子绕组，便在电机内建立一个位置固定、大小不变的恒定磁场。
电机转子由于惯性继续旋转，转子导体切割恒定磁场而产生感应电动势和电流，该电流和恒定磁场相互作用产生电磁转矩，转矩的方向与转子实际旋转方向相反，起到了制动的作用。
在制动过程中，电机的转速不断下降，电机不断吸收系统存储的机械能，并把它转换成电能消耗在转子电路的电阻上。
FR
图2.4电梯门拖动电机
门电机的驱动也采用三相异步电机，而起动时采用直接起动的方式，因为门电机的功率不大，直接起动对电源的影响不大，门电机电路如图2.4所示。
接触器KM1闭合，门电机正转，电梯门打开。
接触器KM2闭合，门电机反转，电梯门关闭。
3电梯系统的硬件设计
3.1PLC单台电梯控制系统的工作流程
PLC单台电梯控制系统工作流程图如图3.1所示，从图中可知控制一台电梯正常工作，主要需要如下信号：
控制号和消防信号。
信号、层楼信号、指令信号、召唤信
清除
图3.1PLC单台电梯控制系统工作流程图
这些信号分别来自轿厢控制面板、井道行程开关、层面控制铵钮和层面火警开关。
来自井道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。
来自轿厢控制面板的指令信号和来自层面控制按钮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。
运行控制电梯的同时进行运行显示和驱动电动机正转或反转，即电梯上行或下行。
3.2PLCI/O地址分配
根据电梯操作的工艺过程及对控制系统的要求，首先归纳本系统中输入信号和输出信号；然后根据PLC的输入点和输出点进行I/O地址分配，使每个输入信号对应PLC内部的输入继电器，每个输出信号对应PLC内部的输出继电器。
（1）输入信号的确定
先考察电梯轿厢内的操作。
操作面板上应有各层的选层指令按钮，5层共有5个。
还有手动开门和关门按钮，2个。
各楼层乘客召唤时，除底层和顶层只有一个召唤按钮，其它各层均设上下两个召唤按钮，5层共需8个输入按钮。
5层电梯需5个行程开关来控制是否到了某一层，因此需5点输入。
一层到四层中间的减速触发触点，4个。
消防按钮1个，消防开门按钮1个，关门1个。
机械触板触点1个，门闭合触点1个，开门极限1个，关门1个，总共31个输入点，如表3.1所示。
表3.1输入信号地址
名称：
输入点：
名称：
输入点：
一层上行召唤按钮
X00
一楼楼层信号触点
X20
二层上行召唤按钮
X01
二楼楼层信号触点
X21
二层下行召唤按钮
X02
三楼楼层信号触点
X22
三层上行召唤按钮
X03
四楼楼层信号触点
X23
三层下行召唤按钮
X04
五楼楼层信号触点
X24
四层上行召唤按钮
X05
轿箱内一层呼钮
X30
四层下行召唤按钮
X06
轿箱内二层呼钮
X31
五层下行召唤按钮
X07
轿箱内三层呼钮
X32
消防按钮
X10
轿箱内四层呼钮
X33
消防开门按钮
X11
轿箱内五层呼钮
X34
门机械感应触点（门自动重开）
X12
一楼减速触点
X40
轿箱内开门开关
X13
二楼减速触点
X41
消防关门按钮
X14
三楼减速触点
X42
轿箱内关门开关
X15
四楼减速触点
X43
开门极限触点
X16
门闭合触点
X44
关门极限触点
X17
（2）输出信号的确定
各楼层乘客召唤时，按下的呼梯按钮需显示，所以有8个输出点。
开门、关门输出各1个。
楼层信号显示5个，轿厢内楼层按钮显示5个，电梯上行、下行指示输出各1个，拖动电机星形、三角形联结输出各1个，拖动电机正转、反转输出各1个，拖动电机减速输出1个，共27个，如表3.2所示。
表3.2输出信号地址分配表
名称：
输入点：
名称：
输入点：
一层上行召唤指示
Y00
五楼楼层信号显示
Y16
二层上行召唤指示
Y01
轿厢内一楼按钮显示
Y20
二层下行召唤指示
Y02
轿厢内二楼按钮显示
Y21
三层上行召唤指示
Y03
轿厢内三楼按钮显示
Y22
三层下行召唤指示
Y04
轿厢内四楼按钮显示
Y23
四层上行召唤指示
Y05
轿厢内五楼按钮显示
Y24
四层下行召唤指示
Y06
电梯上行指示
Y26
五层下行召唤指示
Y07
电梯下行指示
Y27
电梯开门
Y10
拖动电机星形联结
Y30
电梯关门
Y11
拖动电机三角形联结
Y31
一楼楼层信号显示
Y12
拖动电机正转
Y46
二楼楼层信号显示
Y13
拖动电机反转
Y47
三楼楼层信号显示
Y14
拖动电机减速
Y40
四楼楼层信号显示
Y15
（3）内部辅助继电器的确定
表3.3内部辅助继电器地址分配表
名称：
内部辅助继电器：
名称：
内部辅助继电器：
一楼～五楼楼厅呼梯信号辅助
M00～M07
拖动电机减速辅助
M43
上行辅助
M08
开门辅助
M100
下行辅助
M09
关门辅助
M101
一楼～五楼楼层信号辅助
M10～M14
电梯运行禁止开门辅助
M102
箱内停层选择信号辅助
M20～M24
停层辅助
M200
拖动电机正转辅助
M41
电梯制动环节中辅助继电器
M301～M306
拖动电机反转辅助
M42
3.3PLCI/O硬件连接图
根据上面I/O地址分配的分析和第四章关于中PLC选型的要求，本设计采用三菱公司的PLC，型号为FX2N-128，输入输出节点各为64个。
该PLC既能满足输入输出节点的需求，而且还留有一定的冗余量，为以后电梯系统的扩展提供方便，具体的硬件连接图如图3.2所示。
AC220V～
KM7
4电梯系统的软件设计
4.1外呼信号的登记与消除
乘客在楼厅门外呼叫电梯时，呼梯信号应被接收和保持，并用指示灯显示出来。
当电梯运行到呼梯楼层，而且外呼信号的方向与电梯运行方向一致时（基层和顶层不必考虑，因为它们的运行方向是确定的，即一楼只能选择上行，五楼只能选择下行），电梯将停靠在该楼层，同时外呼信号应被消除，相应的指示灯也被熄灭。
外呼信号登记与消除环节梯形图如图4.1所示，指令见表4.1。
当按下某一外呼按钮时，相对应的外呼辅助继电器M0～M7接通并自锁，同时与外呼按钮对应的指示灯亮，表示该呼梯要求已被电梯接收并保持。
比如，当二楼厅外有人按下上行按钮X01时，外呼信号辅助继电器M1得电并自锁，二楼上行的呼梯信号被接受并保持，同时二楼上行指示灯Y01得电显示。
外呼信号的消除环节是由楼层信号辅助继电器的常闭触点与电梯运行方向辅助继电器的常闭触点并联构成的（M8为上行辅助继电器，M9为下行辅助继电器）。
当电梯运行方向与外呼信号的方向一致且电梯到达呼梯楼层时，电梯将停止在该楼层，同时楼层信号辅助继电器的常闭触点M10～M14与电梯运行方向辅助继电器的常闭触点都断开，导致外呼辅助继电器失电断开，呼梯信号被消除且指示灯熄灭。
而当外呼信号的方向与电梯运行方向相反时，虽然电梯到达该楼层的时候，楼层信号辅助继电器的常闭触点断开，但电梯运行方向辅助继电器的常闭触点未断开，外呼辅助继电器仍得电，外呼信号仍有效不会被清除。
比如，电梯从一楼向上运行（上行），而呼梯要求从二楼向下时，若有去三楼以上的箱内内选层要求及外呼要求，电梯到达二楼时（无二楼上行要求）不停梯，呼梯要求没有满足，呼梯信号不能消除，电梯要先运行到三楼或以上楼层，待电梯下行到二楼时，呼梯信号才能被消除；若三楼以上无用梯要求，电梯将停在二楼，但是呼梯信号（二楼下行）也不能立即被消除，而是待乘客进入轿厢并选层（去一楼）后，这时电梯定向为向下运行，则二楼下行呼梯信号已满足，呼梯信号被消除。
X10的常闭按钮是消防按钮，当消防按钮按下时，所有的外呼登记与显示信号都被清除。
Y07
图4.1外呼信号登记与消除环节梯形图
表4.1楼厅外呼信号的登记与消除环节的指令表
一楼上行登记：
ANIX10
ORM5
输出显示：
LDX00
OUTM2
LDIM13
LDM0
ORM0
三楼上行登记：
ORIM8
OUTY00
ANIM10
LDX03
ANB
LDM1
ANIX10
ORM3
ANIX10
OUTY01
OUTM0
LDIM12
OUTM5
LDM2
二楼上行登记：
ORIM8
四楼下行登记：
OUTY02
LDX01
ANB
LDX06
LDM3
ORM1
ANIX10
ORM6
OUTY03
LDIM11
OUTM3
LDIM13
LDM4
ORIM8
三楼下行登记：
ORIM9
OUTY04
ANB
LDX04
ANB
LDM5
ANIX10
ORM4
ANIX10
OUTY05
OUTM1
LDIM12
OUTM6
LDM6
二楼下行登记：
ORIM9
五楼下行登记：
OUTY06
LDX02
ANB
LDX07
LDM7
ORM2
ANIX10
ORM7
OUTY07
LDIM11
OUTM4
ANIM14
ORIM9
四楼上行登记：
ANIX10
ANB
LDX05
OUTM7
4.2开门控制
本设计考虑以下5种开门的条件，只要满足其中之一，那么电梯门就将自动或手动开启。
（1）电梯自动运行停层时的开门。
电梯在运行到指定楼层时，电梯应开始开门。
（2）电梯关门过程中的重新开门。
在电梯关门的过程中，若有人或物夹在两门的中间，需重新开门。
目前大多数电梯采用光幕或机械安全触板进行检测，自动发出重新开门信号，以达到重新开门的目的。
（3）手动重新开门。
有时电梯外乘客未进入电梯，而电梯却在关门过程中，这时箱内的人可以手动控制开门，让电梯外的乘客进入。
（4）呼梯开门。
电梯到达某层站后，如果没有人继续使用电梯，电梯将停靠在该层站待命，若有人在该层站呼梯，电梯将首先开门，以满足用梯的要求。
若其他层站有人呼梯，电梯将首先定向，并起动运行，到达呼梯楼层时再开门，此时的开门按停层开门处理。
（5）电梯消防时的开门。
消防状态下，开门均为手动状态，由开门按钮实施开门。
开门环节梯形图如图4.2所示，其中Y46、Y47分别为电梯拖动电机正反转输出，只要电梯在运行过程中，那么电梯门就不能打开。
本设计中用辅助继电器M102的常闭触点来实现该保护措施，只要Y46、Y47中的任何一个导通，辅助继电器M102就得电，M102的常闭触点断开，M100（开门辅助继电器）无法得电，电梯门就不能打开。
X11是消防开门按钮，它与消防按钮X10串联组成消防开门环节，两者同时按下时电梯门打开。
M200是停层开门辅助继电器（该信号的产生将在电梯制动环节中论述），当电梯运行到指定楼层时M200得电，使得M100也得电并自锁，开门输出Y10导通使得电梯门自动打开。
X12是电梯自动重开门触点，因为有时乘客未进入电梯，而电梯已在关门过程中，为了防止乘客被夹在门中，在门上安装机械安全触板，当安全触板使得X12接通时，M100得电并自锁，电梯门又重新打开。
X13是电梯手动重开门触点，有时电梯内的乘客需要离开电梯，此时可以按下手动开门按钮，使得X13接通，M100得电并自锁，电梯门重新打开。
其他都属于呼梯开门，电梯到达某层后，如果没有人继续使用电梯，电梯将停靠在该层站待命，若有人在该层站呼梯，电梯将首先开门，以满足用梯的要求。
如乘客在二楼，而电梯也停留在二楼（这将使得楼层信号辅助继电器的常开触点M11接通），所以只要二楼有呼梯信号。
K100
T0
图4.2开门控制环节梯形图
（无论是上行信号还是下行信号），都将使得M100得电并自锁，电梯门打开。
其中时间继电器T0是用来控制关门的，电梯门打开的同时T0开始计时，时间为10S，也就是说10S后电梯门将自动关闭。
M101是关门辅助继电器，它的常闭触点与M100互锁，保证电梯在关门的过程中不能开门。
X14是消防关门常闭触点，在这里作用与M101相同。
X16是开门极限触点，当电梯门打开到一定程度时X16接通，X16的常闭触点断开，使得M100失电，电梯门将停止继续打开，以免损坏电梯门板。
其整个流程指令表见表4.2
表4.2开门控制环节的指令表
LDY46；电梯运行时禁
ANDM11
LDM100；开门自锁
ORY47止开门
ORB
ANIX10
OUTM102
LDX03；三层上行开门
ORB
LDX11；消防开门
ORX04；三层下行开门
ANIM101；关门常闭
ANDX10
ANDM12
ANIX14
ORM200；停层开门
ORB
ANIX16
ORX12；自动重开
LDX05；四层上行开门
ANIM102
ORX13；手动重开
ORX06；四层下行开门
OUTM100
LDX00；一层上行开门
ANDM13
LDM100
ANDM10
ORB
OUTY10；开门输出
ORB
LDX07；五层下行开门
OUTT0K100；启动延时
LDX01；二层上行开门
ANDM14
关门
ORX02；二层下行开门
ORB
4.3关门控制
本设计考虑以下3种关门的条件，只
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