本科毕设论文基于plc的双速六层电梯控制系统设计.docx

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本科毕设论文基于plc的双速六层电梯控制系统设计

毕业设计

中文题目：

基于PLC的双速六层电梯控制系统设计

摘要

随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多。

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。

传统的电梯控制系统采用的是继电器逻辑控制电路，这种控制易出故障，维护不便，运行寿命短，占地空间大，正逐步被淘汰。

为了提高自动控制系统的可靠性和设备的工作效率，设计了一套以PLC为核心控制器的电梯自动控制系统，用来取代以往的较复杂的继电器—接触器控制。

系统的核心部分（控制部分）使用了日本三菱公司生产的FX2N-80MR型PLC，因为在核心控制部分采用的是软件程序控制，从而在保证电梯正常运行这个要求的情况下，大大的提高了电梯故障检查与维修的方便性和容易性，同时还克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素，取得了良好的经济效益和社会效益。

关键词：

PLC；电梯；逻辑控制；程序设计

Abstract

Alongwiththeurbanconstructiondevelopmentunceasing,thehighrisebuildingincreasesunceasinglytoo.Elevatorasaverticaltransportoperationinthehighrisebuilding,itwascloselyrelatedtothepeople'sdailylife.Thetraditionalelevatorcontrolsystemuseslogicoftherelaytocontrolcircuit,thiskindofcontrolseasilytobecrash,maintainsinconveniently,themovementlifeisshort,andthatoccupyingalargeareaofspace,itbeingeliminatedgradually.

Forraisingthecredibilityoftheautomaticcontrolsystemandtheworkefficiencyoftheequipments,designasetoftakePLCasthecorecontrolleroftheelevatorautocontrolsystem,usingtoreplaceformermorecomplicatedofafterelectricappliances-thecontactmachinecontrol.Thecorepart（controlpart）ofthesystemusedaJapaneseMitsubishicompanytoproduceoftheFX2N-80MRtypePLCisthesoftwareprocedurecontrolinthecorebecauseofwhattocontrolthepartadoption,thusBepromisingtheelevatorcirculatesnormallyunderthecircumstanceof[with]thisrequest,raisedelevatortobreakdowncheckandtheconvenienceandeasyformaintainconsumedly,stillovercametomoveanoperationsomeartificialinterferencefactorsbringinthemeantime,obtainthegoodeconomicperformanceandsocialperformance.

Keywords:

PLC;elevator;logiccontrol;programdesign

前言

随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具。

电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行及高效节能又安全可靠。

可编程控制器（PLC）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装置的电子装置。

鉴于其种种有点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。

但是，现在很多PLC控制电梯的程序设计思想还是源自于传统继电器的组合逻辑设计法，程序结构比较复杂，并且很难完成比较高级的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。

本设计充分发挥PLC在数据运算和数据处理方面的优势，采用纯数字式控制方法，能够非常准确、高效地实现电梯上行、下行以及电梯门开关等控制功能，并具有智能分析楼层信号能力以及良好的可扩展性。

本系统采用的是“双排序表查询算法”。

所谓的“双排序表”，即设定两个数据表，一个专门存储上行信号的升序排列的数据表和一个专门存储下行信号的降序排列的数据表，电梯完全按照两个数据表中的数据运行。

采用这种控制策略有如下优点：

首先，由于电梯的停靠和启动方向是由表中的数据来指定，而非传统的组合逻辑控制方式。

这样就有效地避免了由于逻辑错误而导致一系列如漏停、多停等电梯运行故障。

增加了电梯的可靠性和运行稳定性，并减少了维护成本。

其次，用数据表的方式存储呼叫信号，可以方便地通过各种优化算法对这些呼叫信号进行优化处理，使电梯的运行更加智能化，提高电梯运送乘客的工作效率，同时也达到了节省能源的目的。

最后，纯数字式的处理方法有效地避免了传统设计方法中的组合逻辑爆炸的风险，可以使系统高效地运行在高楼层电梯系统中，而不用担心负担过重而导致系统瘫痪甚至崩溃。

这种控制算法具有非常优良的可扩展和可升级性。

只要稍加修改，便可将其移植到其他的电梯控制系统中。

本论文着重阐述了“双排序表查询算法”的工作原理，以及此算法用三菱FX2n系列PLC编程语言实现的方法。

1　电梯的概述

随着人口的增加，科学技术日新月异地发展，人们物质文化生活水平的逐步提高，建筑业得以迅速发展，大批的高楼大厦拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭店、办公楼、住宅比比皆是。

伴随建筑业的发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯工业也在日新月异地发展着。

电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种工作和生活中的必需设备，完全可以预想到，随着社会的发展，电梯产品在人们物质文化生活中的地位将和汽车一样，成为重要的运输设备之一。

1.1　电梯的发展简史

据国外有关资料介绍，公元前2800年在古代埃及，为了建筑当时的金字塔，曾使用过由人力驱动的升降机械。

公元1765年瓦特发明了蒸汽机后，1858年美国研制出以蒸汽为动力，并通过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯。

1878年英国的阿姆斯特朗发明了水压梯。

并随着水压梯的发展，淘汰了蒸汽梯。

后来又出现了液压泵和控制阀以及直接柱塞式和侧柱塞式结构的液压梯。

这种液压梯至今仍为人们所采用。

但是，电梯得以兴盛发展的根本原因在于采用了电力作为动力来源。

18世纪末发明了电机，并随着电机技术的发展，19世纪初开始使用交流异步单速和双速电动机作动力的交流电梯，特别是交流双速电动机的出现，显著改善了电梯的工作性能。

在20世纪初，美国奥的斯电梯公司首先使用直流电动机作为动力，生产出以槽轮式驱动的直流电梯，从而为后来的高速度、高行程电梯的发展奠定了基础。

20世纪30年代美国纽约市的102层摩天大楼建成，美国奥的斯电梯公司为这座大楼制造和安装了74台速度为6.0m/s的电梯。

从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异地发展着。

目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘坐舒适。

随着电子工业的发展，可编程序控制器（PLC）和电子计算机成功地应用到电梯的电气控制系统中去后，电梯产品的质量和运行效果显著提高。

1.2　电梯的运行工作情况

一部电梯主要由轿厢、配重、曳引机、控制柜／箱、导轨等主要部件组成。

电梯在做垂直运行的过程中，有起点站也有终点站。

对于三层以上建筑物内的电梯，起点站和终点站之间还设有停靠站。

起点站设在一楼，终点站设在最高楼。

各站的厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮。

一般电梯在起点站和终点站上各设置一个按钮，中间层站的召唤箱上各设置两个按钮。

而电梯的轿厢内都设置有（杂物电梯除外）操纵箱，操纵箱上设置有手柄开关或与层站对应的按钮，供司机或乘用人员控制电梯上下运行。

召唤箱上的按钮称外召唤按钮，操纵箱上的按钮称指令按钮。

电梯的运行工作情况和汽车有共同之处，但是汽车的起动、加速、停靠等全靠司机控制操作，而且在运行过程中可能遇到的情况比较复杂，因此汽车司机必须经过严格的培训和考核。

而电梯的自动化程度比较高，一般电梯的司机或乘用人员只需通过操纵箱上的按钮向电气控制系统下达一个指令信号，电梯就能自动关门、定向、起动、在预定的层站平层停靠开门。

对于自动化程度高的电梯，司机或乘用人员一次还可下达一个以上的指令信号，电梯便能依次起动和停靠，依次完成全部指令任务。

尽管电梯和汽车在运算工作过程中有许多不同的地方，但仍有许多共同之处，其中乘客电梯的运行工作情况类似公共汽车，在起点站和终点站之间往返运行，在运行方向前方的停靠站上有顺向的指令信号时，电梯到站能自动平层停靠开门接乘客。

而载货电梯的运行工作情况则类似卡车，执行任务为一次性的，司机或乘用人员控制电梯上下运行时一般一次只能下达一个指令任务，当一个指令任务完成后才能再下达另一个指令任务。

在执行任务的过程中，从一个层站出发到另一个层站时，假若中间层站出现顺向指令信号，一般都不能自动停靠，所以载货电梯的自动化程度比乘客电梯低。

本设计主要研究单台六层电梯的PLC控制方法，分述其电气设计和软件设计过程。

1.3　电梯控制系统的组成

电梯控制系统主要由电力拖动部分和电气控制部分组成。

1.电梯的电力拖动部分

电梯主拖动类型有直流电动机拖动、交流电动机拖动、直流G－M（即发电机－电动机组供电）拖动、晶闸管供电（SCR－M）的直流拖动和交流双速电动机拖动、交流调压调速（AVCC）拖动、交流变频调速（VVVF）等。

因直流电梯的拖动电动机有电刷和换相器，维护量较大，可靠性低，现已被交流调速电梯所取代。

为了得到较好的舒适感，要求曳引电动机在选定的调速方式下，电动机的输出转矩总能达到负载转矩的要求。

考虑到电压的波动、导轨不够平直造成的运动阻力增大等因素，电动机转矩还应有一定的裕度。

2.电梯的电气控制部分

电气控制系统由控制柜、操纵箱、层楼指示、召唤箱及曳引电动机等几十个分散安装在电梯井道内外和各相关电梯部件中的电器元件构成。

电气控制系统通过电路控制电力拖动系统工作程序，完成各种电气动作功能，保证电梯安全运行。

电梯一般是由电动机来拖动的，其运行过程大多包括启动、正（反）转、停止等，这整个过程是由电气控制系统来完成。

具体地说电梯的控制主要是指对电动机的起动、停止、运行方向、层楼指示、层站召唤、轿厢内指令等进行处理。

其操纵是实行各个控制环节的方式和手段。

电梯电气控制系统与电力拖动系统比较，变化范围比较大。

当一台电梯的类别、额定载重量和额定运行速度确定后，电力拖动系统各零部件就基本确定了，而电气控制系统则有比较大的选择范围，必须根据电梯安装使用地点、乘载对象进行认真选择，才能最大限度地发挥电梯的使用效益。

电气控制系统决定着电梯的性能、自动化程度和运行可靠性。

随着科学技术的发展和技术引进工作的进一步开展，电气控制系统发展换代迅速。

继电器控制系统的电梯故障率高，大大降低了电梯的运行可靠性和安全性，所以基本上已经被淘汰。

而PLC以其体积小、功能强、故障率低、寿命长、噪声低、维护保养简便、修改逻辑灵活、程序容易编制，易联成控制网络等诸多优点得到了广泛的应用。

2　三菱FX2N系列可编程序控制器介绍

2.1　可编程控制器的基础认识

1.三菱FX2NPLC的主要特点：

1）集成型高性能。

CPU、电源、输入输出三为一体。

对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。

2）高速运算

基本指令：

0.08μs／指令

　应用指令：

1.52～几百μs／指令

3）安心、宽裕的存储器规格

　内置8000步RAM存贮器

　安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。

4）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点

5）除了具有输入输出16～256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。

6）面向海外的产品适合各种安全规格

　为大量实际应用而开发的特殊功能：

　开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要----模拟I／O，高速计数器。

对每一个FX2n主单元可配置总计达8个特殊功能模块。

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点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。

它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。

（2）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。

（3）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。

（4）功能扩展能力

可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如A／D模块、D／A模块、位置控制模块等。

（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是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。

PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。

1）PLC的硬件结构

一套PLC系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入／输出接口、内部电源）、I／O扩展单元及外部设备组成。

图2-1为PLC的硬件结构图。

图2-1PLC的硬件结构图

Fig.2-1PLChardwarestructurechart

2）PLC的软件

PLC的软件系统指PLC所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。

系统程序：

包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。

用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。

2.2　可编程序控制器的工作方式及编程语言

2.2.1　PLC的工作方式

1.PLC的扫描工作方式

图2-2PLC的扫描过程

Fig.2-2thescanningcourseofPLC

可编程序控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。

从第一条指令开始，在无中断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程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。

然后再从头开始扫描，并周而复始地重要进行。

可编程序控制器工作时的扫描过程如图2-2所示，包括五个阶段：

内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。

PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。

扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。

2.PLC的程序执行过程

PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如图2-3所示。

图2-3PLC的程序执行过程

Fig.2-3theenforcingcourseofPLC

3.PLC的扫描周期

在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。

即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。

4.PLC的I／O响应时间

PLC采用集中I／O刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。

输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了PLC的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为2-3个扫描周期。

2.2.2　PLC的编程语言

PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。

其中前两种语言用得较多，顺序功能图语言也在许多场合被采用。

本课题所采用的编程语言为梯形图语言。

2.3　可编程序控制器与继电器、微机在电梯控制中的应用比较

在电梯的电气系统中，逻辑判断起着主要的作用，其控制系统必须起动各种控制信号和执行元件（如接触器、继电器、发光指示器、电动机以及电子元件、电力电子器件等），要达到这些控制目的，其方法有：

1.继电器—接触器控制系统

这种控制系统是早期电梯多采用的一种控制系统。

优点：

与其它控制系统比较，其简单、易于理解和掌握、价格便宜。

缺点：

动合触点易磨损，且电接触不良；体积大；控制系统耗能大、动作噪声大；维修保养工作量大、费用高。

因此这种控制系统仅用于速度不高、性能要求也不高的电梯中。

2.微机控制系统

电梯的微机控制系统实质上是使控制算法不再由硬件逻辑完成，而是通过程序存贮器中的程序来完成的控制系统。

因此对于有不同功能要求的电梯控制系统，只要改变程序存贮器中的程序指令即可，而无需变更或增减硬件系统的元件或布线。

因此，十分方便于使用和管理，并提高系统的可靠性，减小控制系统体积，降低了能耗及其维修保养费用。

虽然微机控制的电梯，与继电器控制的电梯比较，它具有较大的优越性。

但是，对一般的电梯而言，应用微机控制也有其局限性和不足之处。

其缺点是：

微型计算机是按数字运算的需要而设计的，功能比较齐全，结构比较复杂；而一般的电梯控制只需要进行简单的逻辑运算，运算方式多为“与”、“或”、“非”几种，运算位数只需1位，即“1”与“0”。

因此，使用微机就有“大材小用”之嫌。

此外，微机的接口电路没有标准件，而且一般不控制强电。

但在电梯控制中，往往要求能直接控制110V或220V的用电设备，如用户专门配备接口电路既不方便又不可靠。

综上所述，造成用微机控制的成本、运行和维修费用均较高，因此，如在一般的电梯上使用微机控制在经济上不合算。

3.PLC控制系统

PLC充分利用了微型计算机的原理和技术，保留计算机控制的优点，而克服了它的缺点。

它具有强大的生命力，各工业部分纷纷用它来改造旧有的电梯控制电路，取得了明显的效果。

总之，PLC是采用微机技术制造的通用自动控制设备，它能控制开关量、模拟量、具有可靠性高、抗干扰能力强、并具有完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术、运算等功能，可以取代继电器为主的各种控制设备。

它不仅能用于控制机械设备、流水线和各种设备的运行过程，将PLC用于控制电梯各种操作和处理相关信息也是可行的。

3　交流双速电梯的电气设计

3.1　交流双速电梯的基本工作原理

3.1.1　交流双速电梯的主电路

图3-1是交流双速电梯的主电路图。

图中M1为电梯专用型双速笼型异步电动机；KM1、KM2为电动机正反转接触器，用以实现电梯上、下行控制；KM3、KM4为电梯高低速运行接触器，用以实现电梯的高速或者低速运行；KM5为启动加速接触器；KM6、KM7、KM8为减速制动接触器，用以调整电梯制动时的加速度；L1、L2与R1、R2为串入电动机定子电路中的电抗和电阻，当KM1或者KM2与KM3通电吸合时，电梯将进行上行或下行启动，延时后KM5通电吸合，切除R1、L1，电梯将转为上行或下行的稳速运行；当电梯接收到停层指令后，KM3断电释放，KM4通电吸合，点击转为低速接法，传入阻抗制动，实现上升与下降的低速运行，且KM6~KM8依次通电吸合，用来控制制动过程的强度，提高停车制动时的舒适感；至平层位置时，接触全部断电释放，包闸抱死，电梯停止运行。

图3-1主电路图

Fig.3-1mainelectrocircuitchart

3.1.2　电梯的主要电气设备

1）牵引电动机齿轮牵引机为电梯的提升机构。

主要由驱动电动机，电磁制动器（也称电器包闸），减速器牵引轮组成。

2）自动门机用来完成电梯的开门与关门。

电梯的门分为厅门（每层站一个）与轿门（只有一个）。

只有当电梯停靠在某层站时，此层厅门才允许开启（由门机拖动轿门，轿门带动厅门完成）；也只有当厅门，轿门全部关闭后才允许启动运行。

3）层楼指示灯层楼指示灯也叫层显，安装在每层站厅门的上方和轿箱内轿门的上方，用以指示电梯的运行方向及电梯所处的位置。

过去常由低压灯泡构成，现多由数码管组成，且与呼梯盒做成一体结构。

4）呼梯盒用以产生呼叫信号。

常安装在厅门外，离地面一米左右的墙壁上。

基站与底站只有一只按钮，中间层站由上呼叫与下呼叫两个按钮组成。

5）操纵箱操纵箱安装在轿箱内，供乘客对电梯发布动作命令。

其上面设有与电梯层站数相同的内选层按钮。

6）平层及开门装置该装置如图3-2所示。

由平层感应器及楼层感应器组成。

上行时，上磁铁板先触发楼层感应器，发出减速停车信号；电梯开始减速，至平层信号出发时，发出开门及停车信号，电动机停转，包闸抱死。

下行时，下磁铁板出发楼层感应器，发出减速停车信号；电梯开始减速，至平层信号出发时，发出开门及停车信号。

图3-2电梯的平层、停层装置示意图

Fig.3-2thesketchmapofelevatorflatbedandstop

3.2　输入输出设计

为了便于对电梯的工作原理及PLC系统进行分析，现列出电梯所用电器元件表。

表3-1电梯电气元件表

Tablet.3-1tableofelevator’selectricelements

元件符号

名称及作用

元件符号

名称及作用

KM1

上行接触器

1HL～6HL

1~6层层楼指示灯

KM2

下行接触器

7HL～8HL

上行、下行指示灯

KM3

高速接触器

HL8

1楼外呼记忆灯

KM4

低速接触器

HL9

2楼上呼记忆灯

KM5

启动加速接触器

HL10

2楼下呼记忆灯

KM6～KM8

制动减速接触器

HL11

3楼上呼记忆灯

KM9

开门接触器

HL12

3楼下呼记忆灯

KM10

关门接触器

HL13

4楼上呼记忆灯

SQ6

开门到位开关

HL14

4楼下呼记忆灯

SQ7

关门到位开关

HL15

5楼上呼记忆灯

SQ17

上限位开关

HL16

5楼下呼记忆灯

SQ18

下限位开关

HL17

6楼下呼记忆灯

SB1

开门按钮

1KR～6KR

各楼层感应器

SB2

关门按钮

7KR

平层感应器

SB3

上行启动按钮

1SB1～5SB1

1～5楼上行外呼按钮

SB4

下行启动按钮

2SB2～6SB2

2～6楼下行外呼按钮

SB5～SB10

1～6楼层内选层按钮

综合考虑输入输出要求，估计需要PLC输入输出点70左右。

因此，采用三菱FX2N-80MR可编程控制器完成本次设计。

其输入输出电路如图3-3所示。

图3-3I/O接线图

Fig.3-3I/Oconnectionchart

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