PLC电梯控制系统.docx

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PLC电梯控制系统

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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本学位论文属于1、保密囗，在10年解密后适用本授权书

2、不保密囗。

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作者签名：

年月日

导师签名：

年月日

毕业设计（论文）任务书

学生姓名杨宣专业班级自动化0704班

指导教师徐沪萍工作单位自动化学院

设计（论文）题目:

　　　　PLC在电梯控制系统中的应用　　　　

设计（论文）主要内容：

利用三菱公司FX2N可编程控制器（PLC）设计完成五层电梯控制系统，该系统应根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制应采用随机逻辑控制，即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机信号，以及电梯相应状态适时地控制电梯的运行。

该系统应具备的功能有：

1、轿厢的位置是有脉冲编码器的脉冲数确定，并送PLC的计数器来进行控制。

同时，每层楼设置一个接近开关，以利于平层。

2、为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在楼层进行显示，我们采用LED和发光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示（开关带有指示灯）。

3、为了提高电梯的运行效率和平层的精度，系统要求PLC能对轿厢的加、减速以及制动进行有效的控制。

根据轿厢的实际位置以及交流调速系统的控制算法来实现。

4、为了电梯的运行安全，系统应设置可靠的保障保护和相应的显示。

要求完成的主要任务:

了电梯的工作原理，掌握PLC及其相关电气知识，完成以下设计任务：

1、电梯PLC控制方案设计

2、软件设计流程图与控制梯形图与PLC程序设计

3、电梯控制梯形图的指令表

4、撰写相应的设计说明书：

正文不少于1万5千字，图文清晰，文理要通顺。

中文文献收集不少于15篇，外文不少于5篇，外文翻译论文不少于5000汉字。

指导教师签名系主任签名

院长签名（章）_____________

摘要

本文是针对五层电梯PLC控制系统进行的设计。

电梯作为一种垂直运输设备，被广泛应用于工业生产和人们的日常生活中，在现代社会中起到了非常重要的作用。

随着科技的进步工业控制技术的发展，电梯控制技术也得到了突飞猛进的发展。

本文针对传统的电梯控制技术进行了大胆的改进，采用三菱FX2N系列可编程控制器设计了电梯控制系统。

本文主要介绍了电梯的硬件结构、PLC的基本原理、系统的硬件选择以及PLC的软件编程。

电梯系统所实现的主要功能有：

开关门的控制、层楼信号的产生与消除、停层信号的登记与消除、外呼叫信号的登记与消除、电梯的定向、起动、稳速运行、制动减速和平层控制等。

与传统的继电器电梯控制系统相比，本设计的电梯控制系统提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，提高了电梯的控制水平，改善了乘坐电梯的舒适感，使电梯达到一种较为理想的运行效果。

关键词：

可编程控制器，电梯，逻辑控制，程序设计

ABSTRACT

ThispaperisaimedataPLCcontrolsystemdesignforfivefloorselevator.Asaverticaltransportationequipment,elevatoriswidelyusedinindustrialproductionandpeople'sdailylife,playaveryimportantroleinmodernsociety.Withtheprogressofscienceanddevelopmentofindustrialcontroltechnology,theelevatorcontroltechnologyisalsoobtainedthedevelopmentbyleapsandbounds.

Inthispaper,wehavemadeboldimprovementbasdeonthetraditinalelevatorcontroltechnology,adoptedMitsubishiFX2Nseriesprogrammablelogiccontrollertodesigntheelevatorcontrolsystem.Thispapermainlyintroducedelevatorhardwarestructure,basicprincipleofPLC,systemhardwarechoiceandsoftwareprogrammingofPLC.Themainfunctionsofelevatorsystemarethecontrolofopeningandclosing,theproductionandeliminationoffloorsignals,stoplayersignalsandoutsidecallsignals,thedirectiondeterminationofelevator,thestartupofelevator,steadyspeedoperation,thecontrolofbraking,decelerationandsmoothlayer,etc.Comparedwiththetraditionalrelayelevatorcontrolsystem,thisdesignofelevatorcontrolsystemimprovetheelevatorreliability,maintainabilityandflexibility,atthesametime,itprolongtheprolongthelifeofthesystem,improvetheelevatorcontrollevelandtheelevatorintimacy,theelevatorachievedamoreidealrunningeffect.

Keywords:

ProgrammableLogicController,elevator,logiccontrol,ProgramDesigning

1绪论

1.1课题研究的背景及意义

随着社会经济的发展，人们物质文化生活水平的提高，建筑业得以迅速发展，高楼层建筑不断出现。

随着高层建筑的发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯在历史上出现，并且其发展空间在不断扩大，已成为工作和生活中的必需设备。

1887年，美国奥的斯公司制造出世界上第一台电梯，这是一台以直流电动机传动的电梯，运行速度非常慢，只有10m/min。

1900年，以交流电动机传动的电梯开始问世。

1902年，瑞士的迅达公司研制成功了世界上第一台按钮式自动电梯，采用全自动的控制方式，提高了电梯的输送能力和安全性。

随着超高层建筑的出现，电梯的设计、工艺不断得到提高，电梯的品种也逐渐增多。

1900年，美国奥的斯公司制成了世界上第一台电动扶梯。

1950年又制成了安装在高层建筑外面的观光电梯，使乘客能在电梯运行中清楚地眺望四周的景色。

中国最早的一部电梯出现在上海，是由美国奥的斯公司于1901年安装的。

经过一个多世纪的发展，在世界上的任何一个城市，电梯都在被广泛应用着。

电梯给人们的生活带来了便利，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。

针对飞速发展的电梯产业，提供安全、高效、环保的电梯控制系统，使每一部电梯都能安全高效地运行，成为电梯产业得以健康发展、人们的日常生活得以正常进行的重要保证。

近年来，人们对乘坐电梯的安全性和舒适性提出了更高的要求，这就要求电梯的研究者和开发者提高电梯控制技术，以满足人们对于乘坐电梯日益增长的要求。

本文针对当前电梯控制系统的发展趋势和潮流，采用可编程控制器（PLC）设计控制系统，实现对电梯运行的控制，使得电梯的运行满足人们对于安全性和舒适性的要求。

1.2国内外相关研究动态

我国现已成为世界上拥有电梯数量最多的国家，电梯控制技术也达到了世界领先水平。

2011年5月11日到13日，中国电梯协会联合欧洲电梯标委会CEN/TC10、国际标准化组织电梯和扶梯技术委员会ISO/TC178、亚太地区电梯和扶梯协会PALEA、欧洲电梯联合会ELA/EEA、美国机械工程师协会ASME电梯标准委员会A17、韩国电梯安全管理院KESI以及全国电梯标准化技术委员会在安徽屯溪召开了首届全球电梯大会WEC2011。

会议对目前国际电梯发展的各个方面做了研讨。

目前，电梯的发展呈现以下特点：

速度要求越来越快，高速、超高速电梯的数量愈来愈多。

电梯的拖动技术有了较大的发展，直流电梯由于能耗大、维修量大等缺点。

逐步被交流电梯所替代，液压电梯由于运行平稳，机房位置灵活等特点，使得在低楼层场合得到愈来愈广泛的应用。

交流拖动电梯更是得到迅速的发展，己由以前的变级调速（AC-VP）发展成为调压调速（AC-VV）及调频调压调速（AC-VVVF），使得电梯的速度、加速度、加加速度控制更加符合人们的生理要求，电梯的舒适感大为改善。

电梯的逻辑控制己从过去简单的继电器—接触器控制发展为可编程序控制（PLC）和微机控制，控制方式也从手柄控制、信号控制发展为集选控制、并联控制、群控等，电梯可靠性得到很大提高。

电梯的管理功能不断加强，电梯广泛采用微机控制技术，不断满足用户的使用功能要求。

如紧急停车操作、消防员专用、防捣乱系统等。

智能群控管理得到广泛应用。

机械传动方面，由于国际上机械加工水平的不断提高，使斜齿传动和行星齿轮传动在电梯上的应用日益广泛，已使电梯的传动形式多样化。

1.3电梯控制系统的发展方向

电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程，逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。

早期电梯上的继电器-接触器控制方法的缺点是触点比较多、故障高、可靠性差、体积大、维修工作量大、一旦接收完成不易更改，正在逐步被淘汰。

作为载人工具，人们对于电梯在运行的平滑性、高速性、准确性和高效性等一系列静态性能方面提出了更高的要求。

目前电梯的发展呈现出以下特点：

结构不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化随着新技术、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。

同时，无机房电梯在新世纪将会有较大速度发展。

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。

由于永磁技术的先进性，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。

安装更加方便、更加快捷高效、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；随着新技术的开发、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、无抵抗、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预期目标

可编程序控制器的引入使得控制领域的面貌焕然一新，将其运用于电梯控制中也使得电梯领域得到了快速的发展。

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程面向用户的“自然语言”编程，适应工业环境，简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置，是在继电器顺序控制基础上发展起来的一种以处理器为核心的通用自动控制装置，它既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口和维修方便等诸多高品质性能，又采用一种可编程运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

在电梯控制领域，PLC也得到了广泛而深入的应用。

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。

目前世界上PLC产品可按地域分为三大流派，一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。

美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离的情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。

而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性。

欧美以大中型PLC而闻名，而日本的主推产品定位在小型PLC上。

日本三菱公司的PLC产品就是其中的代表，FX2系列是三菱公司在20世纪90年代开发的整体式高功能小型机，配有各种通信适配器和特殊功能单元，FX2N是今年推出的高功能整体式小型机，它是FX2的换代产品，各种功能有了全面的提升,能够满足一般的工程系统开发应用。

本设计根据任务书要求，将三菱FX2N系列可编程序逻辑控制器（PLC）应用于五层居民电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，实现电梯运行的可靠性、可维护性以及灵活性，与传统电梯控制系统相比，提高了电梯的控制水平，改善电梯运行的舒适感，使电梯达到较为理想的运行效果。

当乘客进入电梯后，按动楼层按钮，电梯实现自动关门（也可手动控制），根据轿厢所处位置及乘客所到层数，判定轿厢的运行方向并显示，保证轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，与电梯相同运行方向时停车，执行开关门动作。

另外在轿厢内外均有信号灯显示电梯的运行方向及所处楼层数。

2电梯控制系统需求分析

2.1电梯控制系统基本结构

随着工业技术的发展，电梯的控制技术经历了由继电器控制系统向可编程控制器控制系统转变的过程。

传统的继电器电梯控制系统是一种逻辑电路控制系统，采用继电器构成逻辑电路实现对电梯的控制，需要器件很多，电路复杂，可维护性差，远远不能满足人们对于运行效率和乘坐舒适度的要求。

PLC技术的发展使得电梯控制技术提升到一个新的层次，电梯运行的效率、舒适度、安全性以及可维护性都有了质的飞跃。

PLC控制系统和其他类型的电梯控制系统一样，主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。

图1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。

系统控制核心为PLC主机，操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护等信号通过PLC输入接口送入PLC，然后通过程序控制向拖动系统发出信号。

图1电梯PLC控制系统的基本结构图

2.2电梯的主要组成部分

（1）首先是电梯的电力拖动部分部分。

这一部分由拽引部分、电动机以及相应的开关电路以及开门机组成。

曳引部分，通常由曳引机和曳引钢丝绳组成；电动机带动曳引机旋转，使轿厢上下运动，开关电路负责设备与电力线路的接通与断开，开门机则负责电梯能够正确地开门和关门。

该部分直接与楼宇电力线路相连接，提供电梯运行的动力。

由控制系统的信号驱动控制完成电梯的开关门、启动、制动、平层等动作，是电梯工作的最上层，实现电梯的正确运行。

（2）第二部分是电梯的主要硬件组成，电梯最主要的部分是轿厢、厅门和井道，轿厢主要承担载人任务，门厅承担开关门的任务。

轿厢和厅门轿厢由轿架、轿底、轿避和轿门组成；厅门一般有封闭式、中分式、双折式、双折中分式和直分式等形式。

（3）电气设备及控制装置由曳引机、选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和显示器组成，显示器包括两部分，分别是轿厢内和各层的门厅中指示电梯运行方向和所处楼层的显示器。

（4）其他装置。

其他的附属装置包括电梯的重量平衡系统及设备和平层设备，以实现电梯的平稳、安全、高效运行，提高乘客乘坐电梯的舒适感。

2.3电梯的安全保护装置

（1）电磁制动器：

电磁制动器是一种将主动侧扭力传达给被动侧的连接器，可以据需要自由的结合，切离或制动。

因使用电磁力来动作，称之电磁制动器，具有响应速度快，结构简单等优点，也称作刹车闸。

将电磁制动器装于曳引机轴上，一般采用直流电磁控制器，启动时通电松闸，停层后断电制动。

（2）行程极限保护装置。

为防止电梯由于限位开关不起作用，轿厢超越顶层或底层端站继续运行，不需设置保护装置以防止发生严重的后果和结构损坏。

防止越程的保护装置一般是由设置在井道内上下端站附近的强迫换速开关、限位开关和极限开关组成，这三种开关均为电气开关，都必须符合电气安全触点要求。

这些开关或碰轮都安装在固定于导轨的支架上，由安装在轿厢上的撞杆触动而动作。

强迫减速开关是防止越程的第一道关，设置在正常缓速开关之后，两个换速开关分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上的撞块就触动此开关，通过电气传动控制装置，使电动机强迫减速，以避免轿厢冲顶或者登底。

限位开关是防止越程的第二道关，当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，就会触动限位开关，此时限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。

极限开关是防越程的第三道保护，当限位开关动作后电梯仍不能停止运行，则触动极限开关切断电路模式驱动主机迅速停止运转。

极限开关应能防止电梯在两个方向的运行越程，而且不经过专业人员调整电梯不能自动恢复运行。

防越程保护开关都是由安装在轿厢上的撞杆触动的，撞杆必须保证有足够的长度，在轿厢整个越程的范围内都能压住开关，而且开关的控制电路要保证开关断开时，电路始终不能接通。

（3）急停开关：

按照要求在轿顶、底坑和滑轮间必须装设急停开关，为了醒目和提醒人们注意，急停开关需要设置为红色的，并且标有“停止”和“运行”的位置。

发生异常情况时，按“停止”按钮即可切断电源，电磁制动器制动，电梯紧急停车。

轿顶的停止开关应面向轿门，离轿门距离不大于1m；底坑的停止开关应安装在进入底坑可立即触及的地方。

当地坑较深时可以在下底坑时梯子旁和底坑下部各设一个串联的停止开关。

最好是能联动操作的开关，在开始下底坑时即可将上部开关打在停止的位置，到底坑后也可用操作装置消除停止状态，由安装在轿顶或其他地方的检修运行装置进行控制。

（4）厅门开关：

每个厅门开关都装有门锁开关，仅当厅门关上才允许电梯启动。

在运行中如出现厅门开关断开，电梯会立即停车。

（5）关门安全开关：

常见的是装于轿厢门边的安全触板，在关门的过程中如安全触板碰到乘客，将发出信号，门电动机停止关门，反向开门，延时重新关门。

此外还有红外线开关等。

（6）超载开关：

当超载时轿厢底下降，超载开关动作，电梯不能关门和运行。

（7）其他开关：

除上述开关外，还有安全窗开关，钢带轮的断带开关等。

电梯信号的控制基本由PLC软件实现。

电梯信号控制系统如图2所示，输入到PLC的控制信号有运行方式选择（如自动、检修、消防运行方式等）、运行控制信号、轿内指令、层站召唤、安全保护信号、旋转编码器光电脉冲、开关门信号及限位信号、门区和平层信号等。

图2电梯信号PLC控制系统图

2.4电梯控制系统可实现的功能

电梯控制系统能够实现的基本功能如下：

（1）一台电动机控制轿厢的上升和下降。

（2）各层的门厅设置上下呼叫开关（最顶层只设置向下呼叫开关，最底层只设置向上呼叫开关）。

（3）电梯到位后具有手动或自动开门或关门功能。

（4）电梯内设有层楼指示键、开关门按键、警铃风扇及照明按键。

（5）电梯内外设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯。

轿厢内和各楼层的门厅内均有两种指示灯，一种是方向指示灯，分别指示向上和向下运行的状态，并分别与上行接触器SC和下行接触器XC连接，另一种是轿厢所处楼层的显示器，显示器由七段显示译码器构成，与检测轿厢位置的干簧管通过连接电路相连，能够连续显示，随时显示轿厢所处的位置。

（6）待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门迎客。

（7）自动关门与提早关门。

在一般情况下，电梯停站4到6秒应能自动关门。

在延时时间内，按下关门按钮，门将提前实现关门动作。

（8）按钮开门。

在开关过程中或门关闭后电梯启动前，按下操纵盘上的开关门按钮，门将打开。

（9）内指令记忆。

当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序自动停靠，并自动确定运行方向。

（10）自动定向。

当轿厢内操纵盘上选层指令相对于电梯位置具有不同方向时，电梯应能俺先入为主的原则自动确定运行方向。

（11）呼梯记忆与顺向截停。

电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。

（12）自动换向。

当电梯完成全部轿厢内指令，应能自动换向，应答相反方向的信号。

（13）自动关门待客。

当完成全部轿厢内指令，又无外呼梯信号时，电梯应自动关门，并在设定时间内自动关闭轿厢照明。

（14）自动返基站。

当电梯设有基站（本设计中，基站为一楼）时，电梯在完成全部指令后，自动驶回基站，停机待客。

2.5电梯操作方式

通过查阅资料，了解到常见的电梯操作方式有如下两种：

第一种，单轿厢下集选是控制室登记所有轿厢和厅门下行召唤，轿厢上行是只答应轿厢召唤，直至最高层后自动改变运行方向为下行，应答厅门下行召唤。

第二种，单轿厢全集选是控制室等级所有门厅和轿厢召唤，上行时顺应答轿厢和厅门上召唤。

直至最高层自动反向应答下行召唤和轿厢召唤。

2.6减速及平层控制

电梯的工作特点是频繁起制动，为了提高工作效率，改善舒适感，要求电梯能平滑减速至速度为零时，准确平层，即“无速度停车抱闸”，不要出现爬行现象或低速抱闸，即不要直接停止。

做到这一点的关键是准确发出减速信号，在接近层楼面时按距离精确地自动矫正速度给定曲线。

本设计采用旋转编码器检测轿厢位置，只要电梯一运行，计数器就可以精确地确定走过的距离，达到与减速点相应的预制数时即可发出减速命令。

不论哪种方式产生的减速命令，由于负载变化、电网波动、钢丝绳打滑等，都会使减速过程不符合平层技术要求，为此一般在离楼层100mm到200mm处设置一个平层矫正器，以确保平层的长期准确性。

3电梯硬件设计

3.1轿厢楼层位置检测

通过查阅资料，了解到现在工程中进行轿厢楼层位置检测的主要方法有以下几种：

（1）用干簧管磁感应器或其它位置开关

这种方法直观、简单，但由于每一层都需要使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。

（2）利用稳态磁保开关

这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中式和电梯控制的只有格雷变形码，但它是无权代码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也只会使程序变得庞大。

（3）利用旋转编码器

目前，PLC一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元，计数准确，使用方便，因而在电梯PLC控制系统中，可用编码器测取电梯运行过程中的准确位置。

编码器可直接与PLC高速脉冲输入端相连，电源也可利用PLC的内置24V直流电源，硬件连接可谓简单方便，高层电梯可以应用这种方法。

本设计中的楼层只有五层，综上所述，采用干簧管磁感应器来检测轿厢所处楼层位置。

楼层感应干簧管的示意图如图3所示。

图3楼层感应干簧管示意图

3.2门电梯