基于三菱plc的五层电梯控制系统设计论学士学位论文.docx
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基于三菱plc的五层电梯控制系统设计论学士学位论文
基于三菱PLC的五层电梯控制系统设计
ThedesignoffiveelevatorcontrolsystembasedonMITSUBISHIPLC
学生姓名
黄诗明
学号
201111411504
所在学院
工程学院
班级
机制1115
所在专业
机械设计制造及其自动化
申请学位
工学学士
指导教师
俞国燕
职称
教授
副指导教师
职称
答辩时间
2015年6月4日
摘要
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，其作用在建筑物种至关重要。
与此同时，人们对电梯的性能要求也越来越高，比如可靠性，操作方便，舒适性，低噪音，低能耗等等。
随着人们对其要求的提高，电梯也得到了快速发展。
其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC控制代替原来的继电器控制。
采用PLC对电梯进行控制，通过合理的选择和设计，能够有效地提高电梯的控制水平，极大地改善了电梯运行的舒适感，使电梯的控制达到比较理想的控制效果。
为了满足电梯的正确平层的要求，电梯的逻辑控制是一个关键的环节。
人们在轿厢内或厅外呼唤电梯，电梯必须及时和正确反应，来达到人们的各种要求。
本设计在介绍电梯基本结构的基础上，阐述了电梯的结构和功能要求，进而得出电梯的系统控制方案。
了解曳引机驱动原理和主电路设计图。
重点比较PLC控制系统跟其他控制系统有哪些区别，分析三菱FX2N。
重点设计出电梯各环节PCL控制系统梯形图，包括内呼信号的登记与消除环节环节、外呼信号的登记与消除环节环节、定向环节、开门环节、关门环节、启动环节、制动环节和抱闸环节。
针对这些问题对电梯系统进行了新的设计。
设计出新的采用PLC进行逻辑控制的电梯控制系统。
关键词：
控制系统；PLC；逻辑控制
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandsocialeconomy,high-risebuildinghasbecomeasymbolofmoderncity.Asaverticaltransportvehicle,theelevatorisresponsibleforthetransportationofpeopleandlogistics,anditsfunctionisveryimportantinbuildingspecies..Atthesametime,theperformanceoftheelevatorisalsohigherandhigher,suchasreliability,easyoperation,comfort,lownoise,lowenergyconsumptionandsoon.Withtheimprovementofpeople'sdemands,theelevatorhasbeendevelopedquickly..ItsdragtechnologyhasbeendevelopedtotheFMregulator,itslogiccontrolisalsocontrolledbythePLCinsteadoftheoriginalrelaycontrol.UsingPLCtocontroltheelevator,throughthereasonablechoiceanddesign,caneffectivelyimprovetheleveloftheelevatorcontrol,greatlyimprovethecomfortoftheoperationoftheelevatorandtheelevatorcontroltoachievetheidealcontroleffect.Inordertomeettherequirementoftheelevator,thelogiccontroloftheelevatorisakeylink..Peoplecalltheelevatorinthecaroroutsidethehall,theelevatormustpromptlyandtherightresponse,cometothepeople'seachrequest.
Onthebasisofintroducingthebasicstructureoftheelevator,thispaperexpoundsthestructureandfunctionoftheelevator,andthenobtainsthecontrolschemeoftheelevator..Understandthetractordrivingprincipleandmaincircuitdesign.FocusonthecomparisonbetweenthePLCcontrolsystemandothercontrolsystemwhatisthedifferencebetweenMITSUBISHIFX2N.FocusonthedesignoftheelevatorthelinkPCLladderdiagramofcontrolsystem,includingcallsignalregistrationandeliminatelinklinks,outboundsignalregistrationandeliminatelinklink,orientationsession,openthedoorpart,closedlink,link,brakelinkandthebrakelinktostart.Thenewdesignoftheelevatorsystemiscarriedout..AnewcontrolsystemforelevatorcontrolledbyPLCisdesigned..
Keywords:
controlsystem;PLC;logiccontrol
基于三菱PLC的五层电梯控制系统设计
机械制造及其自动化，201111411504，黄诗明
指导老师：
俞国燕
第一章绪论
1.1设计的目的和意义
随着高楼大厦的出现，电梯在现代社会的应用越来越多。
可以说电梯时现代社会必不可少的交通工具。
电梯的使用，提高了人们工作的效率，为中国社会主义建设提供了无可替代的动力。
随着时代的发展，人们的居住和工作环境对电梯提出了更高的要求，这不仅仅满足于安全性，好体现于舒适性和快速性。
由继电器控制方式的电梯性能不稳定，降低电梯的舒适性和安全性。
而用PLC控制方式的电梯无论是稳定性，还是舒适性安全性，都比前种方法达到所未达到是效果。
随着现代化进程加快，更高的楼层将会更多，所需要的电梯PLC技术就要更先进，所以本研究起着很重要的作用。
最近几年，国内外经常发生一些电梯事故，有的是夹伤，有的是坠落等等，这些都给人身安全带来致命的危险。
所以电梯的安全性似乎变得很重要。
1.2国内外研究发展状况
目前，国内外电梯有多种多样，惯例上可以分为下面几种；按速度分为几种电梯。
低速电梯的运行额定速度在1m/s以下；快速电梯，电梯的运行额定速度在1m/s到2m/s之间；高速电梯，电梯的运行额定速度大于2m/s；超高速电梯，电梯的运行额定速度超过5m/s；按用途分类乘客电梯、观光电梯、住宅电梯、载货电梯、医用电梯、自动扶梯；按拖动方式分类交流电梯、直流电梯、液压电梯、螺杆式电梯、齿轮齿条电梯；按控制方式分类手柄操纵控制电梯、按钮电梯、信号控制电梯、集选电梯、群控电梯。
电梯主要分为直梯和扶梯。
本设计阐述的是直梯。
而直梯里最出名的是三菱、日立和奥的斯。
三菱是三个品牌电梯中最出名的一个，也是销量最高的一个。
目前电梯的控制方式有五种：
按钮控制、信号控制、集选控制、并联控制和梯群控制。
按钮控制是司机在轿厢内控制操纵盘手柄，实现电梯的各种功能，包括启动、上升、下降、平层和停止；按钮控制电梯具有平层功能；信号控制是一种简单的自动控制电梯。
它除了具有自动平层功能，自动开关门功能外，还具有轿厢内信号登记和消除等功能。
而三菱电梯的FX2N控制系统又是其中的佼佼者。
电梯在90年代被引进中国的，起步比较晚，造成国内对电梯的研究比较缺乏，跟国外的先进水平还有差距，还有需多核心的技术需要攻克。
国内的电梯大多数被国外几间电梯制造公司垄断。
最近几年，随着国家对技术的支持，一些国内电梯制造公司与国外电梯制造公司合作，很多国内电梯制造公司已经走上正轨，一些电气控制的原理也被吸收，消化，正变成自己真正的技术。
特别是最近几年，三菱电梯发展的非常迅速，电梯在市场上的占有率已成第一，这都与三菱独有的PLC控制技术息息相关，这套技术能为三菱在市场上带来信心，原因在于这套技术非常的安全，功能非常强大。
1.3设计主要内容
本文重点以三菱电梯为例，对基于PLC的5层电梯控制系统进行了分析与设计，所做主要工作如下：
（1）第一章详细地阐述研究电梯控制系统的目的和意义，阐述了电梯是怎样给人类生产生活带来了不可缺少的作用。
接着列举了中外在电梯这方面较有实力的制造公司，
（2）第二章介绍电梯基本结构，对电梯的功能和结构进行详细的阐述。
分别阐述了曳引机系统；导向系统；门系统；轿厢平衡系统；电力系统；电气系统。
（3）第三章主要比较PLC与继电器和通用计算机控制的不同点。
进而选择三菱FX2N可编程控制器。
详细的阐述可编程控制器的基础认识，从PLC主要特点、性能指标和分类三方面详细地介绍三菱FX2N可编程控制器，接着分析三菱FX2N可编程控制器的工作方式，分析它的扫描周期以及可编程控制器的编程语言。
（4）第四章主要基于PLC五层电梯信号控制系统进行梯形图分析设计，内容包括开关门控制环节、内外信号登记与消除环节、启动环节、制动环节、定向环节、抱闸环节6个环节。
第二章电梯的基本概况
2.1电梯的功能要求
（1）电梯启动，当电梯运行到指定楼层时，这时轿厢内应具有手动或自动开关门的功能
（2）电梯应能自动判断运行方向，可以发出响应的指示信号
（3）电梯轿厢由装在顶层的曳引机牵引着上下运动。
曳引机正向传动，电梯轿厢往上运动；曳引机反向传动，电梯轿厢往下运动
（4）打开电梯的轿厢门是利用电机的驱动。
电机正向传动，轿厢门打开；电机反向传动，轿厢门关闭；
（5）电梯轿厢运动是，轿厢门和厅门都不能打开。
同样，开门之后不能控制电梯运行
（6）电梯平层时，电梯课自动打开轿门，如果有人或货物夹住时，电梯的轿门课自动打开
2.2电梯的结构
电梯驱动可以分为几种方式，其中有种叫曳引机曳引驱动。
其基本结构如图2-1所示。
曳引钢绳的两端连接着不同的物体，一端连接着轿厢，而另一端与对重装置连接，曳引轮利用其与钢丝绳之间的摩擦力，以带动轿厢做升降，，按工作指令去完成垂直运动的任务。
电梯7大系统：
曳引机系统；导向系统；门系统；轿厢平衡系统；电力系统；电气系统。
电梯的控制系统，主要指的是针启动电梯主曳引电动机和门机，及对它们的运行方向、减速、停止进行控制，以及显示很多指令信号，包括每一层站，任一召唤站，轿厢内指令以及安全保护的信号，并对它们进行管理。
轿厢内有块操作箱，操作箱可以提供给乘客操作，也是实行每个控制环节的方式和手段。
其基本结构由一下几部分组成：
图2-1曳引电梯的基本结构示意图
1—控制屏2—拖动电动机3—限速器4—限速钢丝绳5—曳引钢绳6—安全钳7—轿厢门安全触板8—导轨9—对重10—限速器预紧装置11—缓冲器12—门厅13—轿厢
2.2.1曳引系统
曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮等组成。
曳引机由电动机连轴器、制动器、减速器、机座、曳引轮等组成，它是电梯的动力源；曳引机钢丝绳的两端分别连接轿厢和对重（或者两端固定在机座房上），依靠钢丝绳与曳引轮槽之间的摩擦力来驱动轿厢升降；导向轮的作用是分开轿厢和对重的距离，采用复绕型时还可以增加曳引能力。
导向轮安装在曳引机架上或重梁上。
2.2.2导向系统
导向系统由导轨、导靴和导架等组成。
它的作用是限制轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。
导轨固定在导架上。
导轨架是支撑导轨的组件，与井道壁联接。
导靴装在轿厢和对重上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。
2.2.3门系统
门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。
轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门轨导架，门靴和门刀等组成；层门设在层站入口，由门扇，门导轨架，门靴和门锁装置组成。
开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。
2.2.4轿厢系统
轿厢是以运送乘客或货物的电梯组件。
它由轿厢架和轿厢体组成。
轿厢是轿厢体的承重构架。
是由上横梁、立柱、低梁和斜拉杆等组成。
轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶和照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮板等组成，，轿厢体空间的大小由额定载重量和额定载客量决定。
2.2.5重量平衡系统
该系统有对重和重量补偿装置组成。
对重由对重和对重块组成，对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重；重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度的变化对电梯的设计影响的装置。
2.2.6电力拖动系统
该系统曳引电动机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成。
对电梯实现速度控制。
曳引电动机是电梯的动力源，根据电梯的配置可用交流电动机或直流电动机；供电系统是为电动机提供电源的装置；速度反馈装置是为了调速系统提供电梯运行速度信号，一般采用测速电机或速度脉冲发生器，与电动机相连，调速装置对曳引电动机实现调速控制。
2.2.7电气控制系统
该系统由操纵装置，位置显示装置，控制屏，平层装置，选层器组成。
它起着操纵和控制电梯运行的作用。
操纵装置包括轿厢内的按钮操纵箱或手柄开关箱，层站召唤按钮，轿厢顶和机房中的检修或应急；位置显示装置是指轿厢内和层站的指示灯；层站上一般能显示想、电梯运行方向或轿厢所在的层站；控制屏安装在机房中，由各类电器控制元件组成，是电梯实行电器控制的耳机中组件；选层器能起到指示和反馈轿厢位置，决定运行反向，发出加减信号等作用。
2.3控制系统方案
当前电梯的控制系统主要分为三种控制方式：
继电器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统。
继电器控制系统是早期安装电梯的控制系统，由于技术限制，这种控制系统的故障率高，控制方式不灵活，可靠性差以及消耗功率大等缺点，目前这种控制系统已经被淘汰。
微机控制系统虽然在智能控制方面有较强的功能，但是也存在很多缺点，比如抗扰性差，系统设计复杂以及一般维修人员难以掌握维修技术。
而PLC控制系统由于运行可靠性高，抗干扰能力强，使用维修方便以及调试周期短的特点，得到人们的重视，成为了目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。
同时，一些传统的电梯需要更换控制系统，而PLC控制系统是最好的选择。
作为国内三大电梯巨头之一的三菱电梯，其FX2系列的PCL构成的电梯控制系统得到很好的诠释。
本设计的控制系统结构图2-3系统结构框图。
由PLC控制信号的传送，可控制曳引机、门机、显示器、变频器以及现场信号。
这种控制系统具有如下特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
高可靠性是电气控制设备的必备性能。
此类PLC由于采用现代大规模集成电路技术，内部电路采取了先进的抗干扰技术，因此具有很高的可靠性。
（2）功能完善，适用性强。
此类控制系统具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。
此类控制系统结构简单，省去了很多继电器，简化了一些电路连接。
图2-2系统结构框图
2.4主电路设计图
图2-3主电路电气原理图。
电机2台，分别为曳引机和开关门的直流电机。
其工作原理：
切换KM1和KM2，可以让曳引机正反转，实现电梯做升降运动。
让开关KM3闭合，图中的定子绕组被接成三角形，这是电梯做低速上下运行；让开关KM4闭合，定子绕组被接成双星形，电梯做高速上下运行。
而切换KM6和KM7，让图中的直流电机实现正反转动，实现电梯开关门。
图2-3主电路电气原理图
第三章电梯PLC控制系统设计
3.1PLC与其他工业控制系统的比较
3.1.1PLC与继电器控制系统的比较
几十年来，继电器控制系统为工业系统的发展起到了巨大的作用，而且目前任然在工业领域中大量地应用，然而控制性能与自身的功能已无法满足于适应工业控制的要求和发展，与PLC相比较，存在本质上的区别，表3-1PLC与继电器控制功能与特点比较给出了PLC与继电器控制系统功能与特点的比较。
表3-1PLC与继电器控制功能与特点比较
3.1.2PLC与计算机控制系统的比较
通用计算机具有十分强大的计算与数据处理能力，同时数据的处理速度已经达到极高的水平，但是应用通用计算机进行工业控制，在很多方面远远没有PLC功能强大，表3-2PLC与计算机控制系统功能与特点比较给出了它们的对比。
表3-2PLC与计算机控制系统功能与特点比较
从上边的论述和比较可以看出，由PLC的硬件决定了它的可靠性和控制功能比继电器控制系统高的多，它是专门为工业控制场合设计的，所以他的稳定性也比一般通用计算机要好得多，而且它操作简单灵活，易于实现系统升级和功能扩展，所以本设计采用PLC来进行逻辑控制。
3.2可编程控制器机型的选择
FX2，FX1，FX2C系列是三菱公司最近几年推出的高性能小型可编程控制器，FXOS,FXON,FX2N是微型可编程控制器。
它们的体积都比较小，但功能强大，内置高速计数器，外观，高度，深度都差不多，但性能和价格有很大的差别。
如表3-3FXOS,FXON,FX2N性能比较所示。
表3-3FXOS,FXON,FX2N性能比较
FXOS的功能简单，价格便宜，可以用于小型开关量的控制系统，FXON可用于控制要求较高的中小型控制系统，FX2N的功能最强，可用于控制要求很高的控制系统。
根据输入和输出与内存容量的要求，再留出一定的I/O节点与内存空间以供扩展时使用，以及指令的指令执行速度，因此选用三菱公司的FX2N系列的FX2N-80MR。
它的输入继电器X000-X047共40个，输出继电器Y000-Y047共40个，程序容量为8K字节，完全满足要求。
也给以后功能扩展留了足够的空间。
3.3可编程控制器的基础认识
3.3.1三菱FX2N的PLC主要特点
（1）集成高性能。
融CPU、电源和输入输出为一体。
（2）具有高速运算的功能。
基本指令：
0.08us/指令，应用指令：
1.520.08u指令
（3）拥有安全和宽裕的存储规格
（4）丰富的软元件范围
（5）它除了具有输出16到256点的一般速涂，还有模拟量控制和定位控制两个特殊控制功能
3.3.2PLC的性能指标和分类
（1）PLC的主要性能指标主要有：
输入和输出点数；存储容量；扫描速度；功能扩展能力；指令系统
（2）PLC的分类：
PLC产品可按结构形式和控制规模进行分类。
第一种是按结构形式不同为标准，可分为整体式和模块式。
第二种是按控制规模的大小为标准，可分为小型、中型和大型PLC
3.3.3PLC控制系统的组成
PLC是一种为微处理器为核心的工业通用自动控制装置，它的硬件结构类似于微型计算机控制系统。
PLC由两大部分组成：
硬件系统和软件系统。
（1）PLC硬件结构
一套PLC系统需要一套完整的硬件部件，PLC硬件结构包括：
基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入和输出接口和内部电源）、I/O扩展单元和外部设备
（2）PLC软件系统
PLC的软件扩展指PLC所使用的各种的集合，它由系统程序和用户程序构成。
系统程序指的是监控程序、输入译码程序和诊断程序。
用户程序指的是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（例如梯形图）编制的应用程序。
3.4可编程控制器的工作方式
3.4.1PLC的扫描工作方式
可编程控制器开始进入RUN状态后，就开始了循环扫描方式工作。
先从第一条指令开始，在无中或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行行程序。
直到这段程序结束。
然后可编程控制器从头开始扫描，并周而复始地重复进行。
可编程控制器工作时扫描过程如图3-1PLC的扫描过程所示。
图中可编程控制器扫描完一次包括五个阶段：
内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行和输出处理。
可编程控制器完成一次扫描过程用的时间定义为扫描周期。
图3-1PLC的扫描过程
3.4.2PLC的扫描周期
在PLC实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采用、程序执行和输出刷新这三个阶段外，还有进行自我诊断和与外设通信的处理，即一个扫描周期还应包含诊断及与外设通信等时间。
3.5可编程控制器的编程语言
PLC的编程语言有梯形图、助计符语言、顺序功能图语言等。
这其中前面两种语言用得比较多。
特别是梯形图，它沿袭了继电器控制电路的形式，梯形图是在常用的继电器与接触器逻辑控制基础上简化而来的，具有形象、直观和实用的的特点，电气技术人员容易接受，是目前运用上最多的一种PLC编程语言。
所以本课题所用的编程语言为梯形图。
第四章基于PLC五层电梯信号控制系统
电梯有两大系统，信号控制系统是最重要的一。
信号的控制对电梯起着无法替代的作用。
有了信号的控制，电梯才能自动应对乘客和管理人员的各种要求，有了信号控制，电梯才能准确和快速的运行。
因此有必要介绍一下电梯控制系统。
电气控制系统作用：
操纵和控制电梯各种信号，包括电梯的启动，电梯的运行，电梯的减速，电梯的停车和电梯轿门和厅门的开关等。
此外，目前电梯信号控制系统可以分外几种类型，第一种就是继电接触器控制方式，接着就是PLC控制方式，最后一个是微机控制方式。
由于就目前电梯使用电梯控制系统是PLC控制系统，所以本设计采用目前广泛使用的PLC控制方式，来研究电梯的控制系统，达到电梯达需要的安全，舒适的效果。
4.1PLC特点
PLC实质属于计算机控制方式，与普通微机一样。
以通用或专用CPU作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器，进行点运算与控制。
（1）具有较强的抗干扰能力
电梯一般安装在建筑内，有的安装在建筑外，如观光电梯。
多数的电梯都是安装在建筑内，而建筑内存在电磁，还有高压电源，这就带来电磁干扰和电源波动。
还有，建筑内可能湿度不合电梯使用要求，给电梯带来损害等等。
这就需要采取也谢抗干扰措施了。
而由大规模集成电路构成的PLC，具有滤波、屏蔽、隔离等功能。
（2）PLC内部结构简单，让使用者以最快速度学成。
PLC质量轻，体积小，方便维护人员日常维护，还有PLC的梯形图形式直观，非常容易让维修人员领会。
（3）较好的通用性
PLC控制系统内部组装有许多编程元件，而这些编程元件可以提供给用户使用。
当今，PLC已经标准化了，新出多种多样的各种硬件供用户使用，原理相同，方便使用者.
（4）高可靠性：
PLC无需大量的活动元件和接线元件，而且采用了一系列可靠性的方法来进行设计；另外，这
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