基于plc的三层电梯控制系统的设计终稿.docx

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基于plc的三层电梯控制系统的设计终稿

好

基于PLC的三层电梯控制系统的设计

摘要电梯是高层建筑不可缺少的运输工具，用于垂直运送乘客和货物，传统的电梯控制系统主要采用继电器---继电器进行控制，其缺点是触点多，故障率高，可靠性差，维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好的解决上述问题

本论文通过讨论电梯控制系统的组成，阐述可编程控制器（PLC）在电梯控制中的采用，采用三菱PLC编程的程序控制方式，提出了三层电梯的PLC控制系统总体设计方案，设计过程，组成，列出了具体的主要硬件电路，电梯的控制梯形图及指令表。

并给出了系统组成框图和程序流程图，在分析，处理随机信号逻辑关系的基础上，提出了PLC的编程方法，设计了一套完整的电梯控制系统方案。

采用本方案实现电梯控制，能搞解决继电器---接触器触点多，故障率高，可靠性差，安装调试周期长，维修工作量大，接线复杂等缺点。

使电梯运行更加安全，方便，舒适。

关键词：

安全电梯PLC梯形图系统组成框图

摘要（中文）基于PLC的三层电梯控制系统的设计………………………………Ⅰ

摘要（英文）PLCbasedthreelayerelevatorcontrolsystemdesign……ⅠⅠ

第一章电梯概述…………………………………………………………………1

1.1引言…………………………………………………………………………1

1.2电梯的发展简史………………………………………………………………8

1.3电梯的基本结构………………………………………………………………19

1.4电梯的分类…………………………………………………………………16

第二章可编程控制器简称……………………………………………………18

2.1PLC的结构及各部分的作用…………………………………………20

2.1.1PLC的工作原理……………………………………………………………20

2.1.2PLC的编程语言……………………………………………………………22

2.2PLC基本指令………………………………………………………………22

2.3梯形图设计规则………………………………………………………………23

第三章三层电梯PLC控制系统设计…………………………………25

3.1电梯的控制要………………………………………………………………30

3.2三层电梯主电路……………………………………………………………32

3.3输入输出点数电路……………………………………………………33

3.4PLC外围接线图……………………………………………………………36

3.5功能指令表概述……………………………………………………………40

3.6程序分析………………………………………………………………………40

3.7三层电梯梯形图程序……………………………………………………………42

3.8三层电梯助记符语句程序……………………………………………………44

3.9本系统的不足及改进……………………………………………………47

第四章PLC电梯控制系统调试……………………………………………………52

4.1硬件调试…………………………………………………………………………53

4.2可编程控制器的调试………………………………………………………………60

4.3电梯模型的调试………………………………………………………………66

结论…………………………………………………………………………………………71

致谢…………………………………………………………………………………………74

参考文献……………………………………………………………………………………75

第一章电梯简述

1.1引言

电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具，在国民经济和生活中有着广泛的应用，随着城乡建设的不断发展，电梯也会以更快的速度进入到我们的日常生活当中。

在现代社会,电梯已像汽车、轮船一样,成为人类不可缺少的交通运输工具。

当今世界,电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。

在高层建筑中，电梯是不可或缺的重要设备，早期的电梯采用继电器接触控制系统，但由于电梯控制系统的复杂性，使继电器接触控制系统的接线复杂，可能使用成百上千的各式各样的继电器，由很多导线用复杂的方式连接起来，这样如果某个继电器损坏或者触点接触不良，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障是非常困难的，因此继电器控制系统的可靠性较低。

可编程控制器（PLC）具有编程软件易学易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠、维修工作量小，维修方便等特点，现在的电梯控制多采用可编程控制器来实现。

由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号以及自身控制规律等运行的，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，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，系统采用集选控制方式。

这种电梯具有高度自动控制功能,可进行有/无司机驾驶,除了具有自动平层,自动开门,轿厢命令登记,厅外召唤登记、自动停层,顺向截停的功能外,还具有自动掌握停站时间,自动应召服务,自动换向应答反向的厅外召唤等功能，能够将厅门外上下召唤信号、轿厢内的选层信号及各种专用信号加以综合分析判断后，自动决定轿厢运行的各种状态。

1.2电梯的发展简史

 电梯:

elevator；lift；movingstaircase。

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，俗称扶梯。

   1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明。

他站在装满货物的升降梯平台上，命令助手将平台拉升到观众都能看得到的高度，然后发出信号，令助手用利斧砍断了升降梯的提拉缆绳。

令人惊讶的是，升降梯并没有坠毁，而是牢牢地固定在半空中——奥的斯先生发明的升降梯安全装置发挥了作用。

“一切安全，先生们。

”站在升降梯平台上的奥的斯先生向周围观看的人们挥手致意。

谁也不会想到，这就是人类历史上第一部安全升降梯。

   1889年12月，美国奥的斯电梯公司制造出了名副其实的电梯，它采用直流电动机为动力，通过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索，悬挂并升降轿厢。

1892年，美国奥的斯公司开始采用按钮操纵装置，取代传统的轿厢内拉动绳索的操纵方式，为操纵方式现代化开了先河。

   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。

1932年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着。

1951年，党中央提出要在天安门安装一台由我国自行制造的电梯，天津从庆生电机厂荣接此任，四个月后不辱使命，顺利地完成了任务。

十一届三中全会后，沐浴着改革开放的春风，我国电梯业进入了高速发展的时期。

如今，在我国任何一个城市，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。

   值得哈尔滨市民感到光荣的是，我们还拥有着国内为数不多运行着的老式电梯，那种现在只能在老电影中出现的，像笼子一样的，手拉门的老电梯。

让人们仿佛回到了那个神秘的年代，浮想联翩。

而且这个有着100年历史的古老电梯也成了外地旅游观光者一定不应错过的景观，坐在上面随着古老的电梯扶摇直上，一种历史感和怀旧感一定会油然而生。

1.3电梯的基本结构

　　　　　　曳引式电梯是垂直交通运输工具中使用最普遍的一种电梯，现将其基本结构介绍如下。

　　1 曳引系统

　　曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮及反绳轮等组成。

　　曳引机由电动机、联轴器、制动器、减速箱、机座、曳引轮等组成，它是电梯的动力源。

　　曳引钢丝绳的两端分别连接轿厢和对重（或者两端固定在机房上），依靠钢丝绳与曳引轮绳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间距，采用复绕型时还可增加曳引能力。

导向轮安装在曳引机架上或承重梁上。

　　当钢丝绳的绕绳比大于1时，在轿厢顶和对重架上应增设反绳轮。

反绳轮的个数可以是1个、2个甚至3个，这与曳引比有关。

　　2  导向系统

　　导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。

它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

　　导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组件，与井道壁联接。

　　导靴装在轿厢和对重架上，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。

　　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、门导轨架、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、门锁装置及应急开锁装置组成。

　　开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。

　　4  轿厢

　　轿厢用以运送乘客或货物的电梯组件。

它是由轿厢架和轿厢体组成。

轿厢架是轿厢体的承重构架，由横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成。

轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、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或额定载客人数决定。

　　5  重量平衡系统

　　重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。

对重由对重架和对重块组成。

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变化对电梯平衡设计影响的装置。

　　6  电力拖动系统

　　电力拖动系统由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成，对电梯实行速度控制。

　　曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或直流电机。

　　供电系统是为电机提供电源的装置。

　　速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号。

一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电机相联。

　　调速装置对曳引电机实行调速控制。

　　7 电气控制系统

　　电气控制系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成,它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。

　　操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。

　　控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件组成，是电梯实行电气控制的集中组件。

　　位置显示是指轿内和层站的指层灯。

层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站。

　　选层器能起到指示和反馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。

　　8  安全保护系统

　　安全保护系统包括机械和电气的各类保护系统，可保护电梯安全使用。

　　机械方面的有：

限速器和安全钳起超速保护作用；缓冲器起冲顶和撞底保护作用；还有切断总电源的极限保护等。

　　电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节都有。

1-减速箱；　　　　　2-曳引轮；

3-曳引机底座；　　　4-导向轮；

5-限速器；　　　　　6-机座；

7-导轨支架；　　　　8-曳引钢丝绳；

9-开关碰铁；　　　　10-紧急终端开关；

11-导靴；　　　　　　12-轿架；

13-轿门；　　　　　　14-安全钳；

15-导轨；　　　　　16-绳头组合；

17-对重，　　　　　　18-补偿链；

19-补偿链导轮；　　20-张紧装置；

21-缓冲器；　　　　22-底坑；

23-层门；　　　　　　24-呼梯盒；

25-层楼指示灯；　　26-随行电缆；

27-轿壁；　　　　　　28-轿内操纵箱；

29-开门机；　　　　30-井道传感器；

31-电源开关；　　　32-控制柜；

33-曳引电机；　　　　34-制动器

电梯的基本结构剖视图

1.4电梯的分类

电梯的定义为：

用电力拖动的轿厢运行于铅垂的或倾斜不大于15°的两列刚性导轨之间运送乘客或货物的固定设备。

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。

根据建筑的高度、用途及客流量（或物流量）的不同，而设置不同类型的电梯。

目前电梯的基本分类方法大致如下。

1按用途分类

1.1乘客电梯,为运送乘客设计的电梯，要求有完善的安全设施以及一定的轿内装饰。

1.2载货电梯,主要为运送货物而设计,通常有人伴随的电梯。

1.3医用电梯,为运送病床、担架、医用车而设计的电梯，轿厢具有长而窄的特点。

1.4杂物电梯,供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电梯。

1.5观光电梯,轿厢壁透明，供乘客观光用的电梯。

1.6车辆电梯,用作装运车辆的电梯。

1.7船舶电梯,船舶上使用的电梯。

1.8建筑施工电梯,建筑施工与维修用的电梯。

1.9

其它类型的电梯，除上述常用电梯外，还有些特殊用途的电梯，如冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯、消防员用电梯等。

2按驱动方式分类

2.1

交流电梯，用交流感应电动机作为驱动力的电梯。

根据拖动方式又可分为交流单速、交流双速、交流调压调速、交流变压变频调速等。

2.2直流电梯，用直流电动机作为驱动力的电梯。

这类电梯的额定速度一般在2.00m/s以上。

2.3液压电梯,一般利用电动泵驱动液体流动，由柱塞使轿厢升降的电梯。

2.4齿轮齿条电梯,将导轨加工成齿条，轿厢装上与齿条啮合的齿轮，电动机带动齿轮旋转使轿厢升降的电梯。

2.5螺杆式电梯,

将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹，再将带有推力轴承的大螺母安装于油缸顶，然后通过电机经减速机（或皮带）带动螺母旋转，从而使螺杆顶升轿厢上升或下降的电梯。

2.6直线电机驱动的电梯,其动力源是直线电机。

电梯问世初期，曾用蒸汽机、内燃机作为动力直接驱动电梯，现已基本绝迹。

3按速度分类

电梯无严格的速度分类，我国习惯上按下述方法分类。

3.1低速梯，常指低于1.00m/s速度的电梯。

3.2中速梯，常指速度在1.00～2.00m/s的电梯。

3.3高速梯，常指速度大于2.00m/s的电梯。

3.4超高速，速度超过5.00m/s的电梯。

随着电梯技术的不断发展，电梯速度越来越高，区别高、中、低速电梯的速度限值也在相应地提高。

4按电梯有无司机分类

4.1有司机电梯，电梯的运行方式由专职司机操纵来完成。

4.2

无司机电梯，乘客进入电梯轿厢，按下操纵盘上所需要去的层楼按钮，电梯自动运行到达目的层楼，这类电梯一般具有集选功能。

4.3有/无司机电梯，这类电梯可变换控制电路，平时由乘客操纵，如遇客流量大或必要时改由司机操纵。

5按操纵控制方式分类

5.1手柄开关操纵，电梯司机在轿厢内控制操纵盘手柄开关，实现电梯的起动、上升、下降、平层、停止的运行状态。

5.2按钮控制电梯：

是一种简单的自动控制电梯，具有自动平层功能，常见有轿外按钮控制、轿内按钮控制两种控制方式。

5.3

信号控制电梯，这是一种自动控制程度较高的有司机电梯。

除具有自动平层，自动开门功能外，尚具有轿厢命令登记，层站召唤登记，自动停层，顺向截停和自动换向等功能。

5.4

集选控制电梯，是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控制的电梯，与信号控制的主要区别在于能实现无司机操纵。

5.5并联控制电梯，2～3台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制，共用层站外召唤按钮，电梯本身都具有集选功能。

5.6群控电梯，是用微机控制和统一调度多台集中并列的电梯。

群控有梯群的程序控制、梯群智能控制等形式。

6其它分类方式

6.1

按机房位置分类，则有机房在井道顶部的（上机房）电梯、机房在井道底部旁侧的（下机房）电梯，以及有机房在井道内部的（无机房）电梯。

6.2按轿厢尺寸分类，则经常使用“小型”、“超大型”等抽象词汇表示。

此外，还有双层轿厢电梯等。

7特殊电梯

7.1

斜行电梯，轿厢在倾斜的井道中沿着倾斜的导轨运行，是集观光和运输于一体的输送设备。

特别是由于土地紧张而将住宅移至山区后，斜行电梯发展迅速。

7.2立体停车场用电梯，根据不同的停车场可选配不同类型的电梯。

7.3

建筑施工电梯，是一种采用齿轮齿条啮合方式（包括销齿传动与链传动，或采用钢丝绳提升），使吊笼作垂直或倾斜运动的机械，用以输送人员或物料，主要应用于建筑施工与维修。

它还可以作为仓库、码头、船坞、高塔、高烟囱的长期使用的垂直运输机械。

第二章可编程控制器简称

一．各部分的作用

1．CPU运算和控制中心起“心脏”作用。

纵：

当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。

横：

输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。

然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。

把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。

组成：

CPU由控制器、运算器和寄存器组成。

这些电路集成在一个芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。

2．存储器

具有记忆功能的半导体电路。

分为系统程序存储器和用户存储器。

系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。

由只读存储器、ROM组成。

厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。

用户存储器：

分为用户程序存储区和工作数据存储区。

由随机存取存储器（RAM）组成。

用户使用的。

断电内容消失。

常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。

3．输入/输出接口

（1）输入接口：

光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。

发光二级管：

在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。

光电三级管：

在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。

在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。

输入接口电路工作过程：

当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。

当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。

向内部电路输入信号。

也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。

（2）输出接口

PLC的继电器输出接口电路

工作过程：

当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。

当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。

也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。

三种类型：

继电器输出：

有触点、寿命短、频率低、交直流负载

晶体管输出：

无触点、寿命长、直流负载

晶闸管输出：

无触点、寿命长、交流负载

4．编程器

编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。

我们实验室使用的就是手持编程器。

二种是通过PLC的RS232口。

与计算机相连。

然后敲击键盘。

通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。

第二节PLC的基本工作原理

一．PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式

1．每次扫描过程。

集中对输入信号进行采样。

集中对输出信号进行刷新。

2．输入刷新过程。

当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。

只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

5．扫描周期的长短由三条决定。

（1）CPU执行指令的速度

（2）指令本身占有的时间（3）指令条数

6．由于采用集中采样。

集中输出的方式。

存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

二．PLC与继电器控制系统、微机区别

1．PLC与继电器控制系统区别

前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。

前者用“软件”，后者用“硬件”。

2．PLC与微机区别

前者工作方式是“循环扫描”。

后者工作方式是“待命或中断”

PLC编程方式

PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。

用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。

PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。

尤其前两者为常用。

梯形图语言特点：

1．每个梯形图由多个梯级组成。

2．梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。

当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。

3．继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。

4．每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。

5．输入继电器受外部信号控制。

只出现触点，不出现线圈。

第四节主要技术性能

用户程序存储容量：

是衡量可存储用户应用程序多少的指标。

通常以字或K字为单位。

16位二进制数为一个字，每1024个字为1K字。

PLC以字为单位存储指令和数据。

一般的逻辑操作指令每条占1个字。

定时/计数，移位指令占2个字。

数据操作指令占2~4个字。

2.1.1PLC的工作原理　　当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（一）输入采样阶段

　　在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（二）用户程序执行阶段

　　在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

　　即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

　　（三）输出刷新阶段

　　当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出

　　同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。

另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。

当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

　　一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

2.1.2PLC的编程语言

PLC的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制设计