三菱PLC控制四层电梯本科毕业设计.docx

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三菱PLC控制四层电梯本科毕业设计

成人高等教育

本科毕业设计（论文）

题目：

三菱PLC控制四层电梯

函授站：

济南函授站

年级：

2011级

专业：

机械设计制造及其自动化

成人高等教育毕业设计（论文）

题目三菱PLC控制四层电梯

类别函授

层次专升本

专业机械设计制造及其自动化

班号

学号

学生姓名

指导教师

哈尔滨工业大学成人教育学院

2013年5月10日

哈尔滨工业大学成人高等教育

毕业论文（设计）评语

年月日

班号：

姓名：

韩玉明专业：

机械设计制造及其自动化

毕业论文（设计）题目：

三菱PLC控制四层电梯（FX2N可编程控制器）

评阅人评语：

评阅人（签字）

答辩委员会评语：

答辩委员会根据毕业论文（设计）之材料及学生答辩作出以下评语：

学生毕业论文（设计）答辩成绩评定为

根据所提交至材料及毕业论文（设计）答辩之成绩，答辩委员会认为该学生已（未）完成哈尔滨工业大学的教育计划准予毕业（肄业）。

对毕业论文（论文）的特殊评语：

答辩委员会主任（签字）：

答辩委员会副主任（签字）：

答辩委员会委员（签字）：

阶段检查记录

完成情况

存在情况

签字

开

题

检

查

该同学能够与指导老师联系；论题立意明确，有一定研究价值，设计较为合理，研究方法得当，对相关研究领域有一定的了解，能达到论文撰写预期目标，同意开题。

1．文章结构不合理，层次不够清晰，同一问题在多处进行阐述；

2．所搜集资料过于陈旧，缺少实际应用性。

中

期

检

查

该同学在论文写作过程中，能及时与指导教师联系讨论写作中遇到的问题，并能够完成论文初稿写作。

文章结构基本合理，层次较为清晰，但是对问题分析不够透彻

1．文章语言表达不够准确，内容空洞，缺少具体财务指标分析等佐证素材；

2．缺少必要的过渡段，实例写的不够具体，对问题分析缺少理论依据

结

束

验

收

该同学写作态度较好，能够按时完成论文的写作，并按指导教师的要求进行修改。

1．文章有个别地方标点符号使用不正确，词语用的不准确，缺少参考文献的标注，排版不符合系里的统一要求；

2．摘要和结论写的不够完整，英文翻译不准确

哈尔滨工业大学成人高等教育

毕业（设计）论文任务书

姓名：

韩玉明类别：

函授

班号：

层次：

专升本

学号：

专业：

机械设计制造及其自动化

毕业设计（论文）题目：

三菱PLC控制四层电梯

立题目的意义：

以前的电梯主要采用单片机控制，其性能等各方面都不太完善，现在电梯控制系统多采用PLC，从电梯的性能、器件的灵活性及安全保障方面等都有了很大的提高。

实际上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。

目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。

技术条件：

电梯控制系统分为调速部分和逻辑控制部分。

调速部分的性能对电梯运行是乘客的舒适感有着重要影响，而逻辑控制部分则是电梯安全可靠运行的关键。

为了改善电梯的舒适感和运行的可靠性，现在都改为用PLC来控制电梯的运行，这样大大提高了电梯的性能。

技术要求与工作计划：

学生通过文献检索、撰写论文等环节，掌握数控机床发展、分类及功能应用等理论基础，使其适应未来工作需要。

根据学生实际分析能力，由指导教师提出难度适宜的改进和优化问题，由学生结合实际进行研究和解决。

最终，学生应撰写系统的、条理的分析研究报告，得出有效、科学的结论。

时间安排：

1.文献资料检索和查阅（2013.2.20～2013.3.12）

2.分析现有资料，结合国内外情况，分析电梯PLC控制系统特点、发展趋势及应用。

（2013.3.12-2013.3.30）

3.完成论文的撰写。

（2013.3.31-2013.3.5.3.20）

指导教师：

年月日

教研室主任：

年月日

摘要

电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。

电梯已成为重要的运输设备之一。

国内传统的电梯控制是由继电器、接触器构成的。

它不仅存在着可靠性差、成本高、故障率高等缺点,而且在层数增加时,配线变化给制造及安装带来诸多不便。

电梯的仿真监控系统是以四层电梯为控制对象，用PLC实现对电梯的控制。

该课题的设计任务是用可编程控制器（PLC）控制四层电梯，实现所有的控制要求。

该课题的设计思路是采用随机逻辑控制原理，根据电梯自身的控制规律，响应随机的外部呼叫信号。

该设计分析、讨论了用FX2N型PLC控制电梯模型的程序设计的整个过程,并主要阐述了三个方面：

系统的控制要求、系统配置、软件设计。

关键词：

PLC控制系统;电梯;继电器;接触器

Abstract

Theelevatorhasabroadapplicationinthenationaleconomyandlife.Elevatorhasbecomeoneoftheimportanttransportequipment.Fromthetraditionaldomesticelevatorcontrolrelays,contactorscomposition.Itisnotonlytheexistenceofpoorreliability,highcostandhighfailurerateandothershortcomings,butalsowiththenumberoflayersincreases,changestothemanufacturingandinstallationofwiringinconvenience.

Four-elevatorasthecontrolobjectofthesimulationandcontrolsystemofelevator.ImplementationoftheelevatorwithPLCcontrol.Thesubjectofdesigntasksiscontrollingfourelevatorswithprogrammablelogiccontroller（PLC）andachieveallthecontrolrequirements.Thesubjectofdesignthinkingistherandomlogiccontroltheory,accordingtoitsownelevatorcontrollawinresponsetorandomexternalcallsignal.ThedesignanalysisanddiscussedthewholeprocessofprogramdesignwithFX2NPLCcontrolledmodelelevator,anddescribedthreemainareas:

controlofthesystemrequirements,systemconfiguration,softwaredesign.

Keywords：

PLCcontrolsystem;elevator;relay;contactor

第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1电梯的组成

电梯是机电合一的大型复杂产品,机械部分相当于人的躯体,电器部分相当于人的神经.机与电的高度合一,使电梯成了现代科学技术的综和产品.对于电梯的结构而言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,但以功能系统来描述,则更能反映电梯的特点.下面简单介绍电梯机械部分的结构,而我们的主要目的是怎样来控制它。

（1）曳引系统：

曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。

曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。

（2）导向系统：

导向系统的主要功能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。

导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

（3）轿厢：

轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。

轿厢由轿厢架和轿厢体组成。

（4）门系统：

门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。

门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。

（5）重量平衡系统：

系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。

系统主要由对重和重量补偿装置组成。

（6）电力拖动系统

电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。

电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。

（7）电气控制系统

电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。

电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏（柜），平层装置，选层器等组成。

（8）安全保护系统

保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。

由电梯限速器、安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。

1.1.2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）电梯在各服务层站设有层门、轿厢运行方向指示灯、数学显示轿厢、运行位置指层器和召唤电梯按钮。

电梯召唤按钮使用时，上楼按上方向按钮，下楼掀按下方向按钮。

（2）轿厢到达时，层楼方向指示即显示轿厢的运动方向，乘客判断欲往方向和确定电梯正常后进入轿厢，注意门扇的关闭，勿在层门口与轿厢门口对接处逗留。

（3）轿厢内有位置显示器、操纵盘及开关门按钮和层楼选层按钮。

进入轿厢后，掀按欲往层楼的选层按钮。

若要轿厢门立即关闭，可掀按关门按钮。

轿厢层楼位置指示灯显示抵达层楼并待轿厢门开启后即可离开。

1.2PLC的发展现状

可编程控制器（ProgrammbleController）简称PC或PLC。

它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。

目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。

国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。

在草案中对可编程控制器定义如下：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。

1.2.1PLC的基本结构和工作原理

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

（1）CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

（2）存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

（3）I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：

开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

（4）电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

（5）底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

（6）PLC系统的其它设备

编程设备：

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

也就是我们系统的上位机。

人机界面：

最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

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。

（1）输入处理阶段

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。

（2）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。

（3）输出处理阶段

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。

1.2.2常用的程序设计语言

（1）梯形图（LD→LadderDiagram）

梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。

这种表达方式与传统的继电器控制电路图非常相似，不同点是它的特定的元件和构图规则。

它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器--接触器控制系统的人来说，易被接受。

这种表达方式特别适用于比较简单的控制功能的编程。

如图1-1a）所示的继电器控制电路，用PLC完成其功能的梯形图如图1-1b）。

图1-1继电器控制电路及用PLC完成其功能的梯形图

梯形图的要点：

梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。

每个继电器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。

每一逻辑行起于左母线，然后是触点的各种连接，最后终止于继电器线圈（也可以加上一条右母线）。

整个图形呈阶梯状。

（2）功能模块图（FBD→FunctionBlackDiagram）

功能模块图是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言。

该语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。

例如对应于图1-2a）的功能模块图如图1-2b）所示。

图1-2功能模块图

功能模块图的特点是：

以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；以图形的形式表达功能，直观，有数字电路基础的人很容易掌握；对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。

（3）顺序功能流程图（SFC→SequentialFunctionChart）

顺序功能流程图的规则是：

将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。

每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。

在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。

由于顺序功能流程图描述控制过程详细具体（包括：

每一步的输入信号，每一步的工作内容，每一步的输出状态，框与框之间的转换条件。

），因此程序结构清晰，易于阅读及维护，可大大减轻编程工作量，缩短编程和调试时间。

特别适用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。

图1-3是一个简单的顺序功能流程图的示意图。

图1-3顺序功能流程图的示意图

（4）指令表（IL→InstructionList）

它采用类似于汇编语言的指令语句来编程。

指令语句的一般格式为：

操作码操作数。

操作码又称为编程指令，用助记符表示，它指示CPU要完成的操作，包括逻辑运算、算术运算、定时、计数、移位、传送等。

操作数给出操作码所指定操作的对象或执行该操作所需的数据，通常为编程元件的编号或常数，如输入继电器、输出继电器、内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器以及定时器、计数器的设定值等。

指令语句对熟悉汇编语言的编程者特别容易接受，它编程设备简单，编程简便。

采用指令语句编程时，通常都预先用以上几种方式之一表达控制原理，然后改写成相应的指令语句。

应用最多的是采用梯形图与指令语句结合编程，即先按控制要求画出梯形图，再根据梯形图写出相应的指令程序。

因PLC是按照指令存入存储器中的先后顺序来执行程序的，故要求程序中指令和顺序要正确。

（5）结构化文本（ST→StructuredText）

结构化文本是IEC工作组对各种高级编程语言合理地吸收、借鉴的基础上创建的针对工业控制的一种专用高级编程语言。

结构化文本的特点是：

能实现较复杂的控制运算；编写的程序简洁、紧凑；需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧。

因此，这种语言主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制。

1.3本章小结

本章主要介绍了电梯的组成、工作原理和目前国内外的发展状况，并重点介绍了PLC的定义、PLC的基本结构和工作原理并列举了几个常用的程序设计语言，从而明确此次论文的设计要求和主要内容。

第2章基于三菱PLC电梯控制系统的设计

2.1基于三菱FX2N系列PLC电梯控制系统分析

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。

实际上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。

目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。

从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。

国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。

根据大量的研究和实验表明,人可接受的最大加速度为am≤1.5m/s2,加速度变化率ρm≤3m/s3,电梯的理想运行曲线按加速度可划分为三角形、梯形和正弦波形，由于正弦波形加速度曲线实现较为困难，而三角形曲线最大加速度和在启动及制动段的转折点处的加速度变化率均大于梯形曲线，即+ρm跳变到-ρm或由-ρm跳变到+ρm的加速度变化率，故很少采用，因梯形曲线容易实现并且有良好加速度变化率频繁指标，故被广泛采用，采用梯形加速度曲线电梯的理想运行曲线如图2-1所示：

图2-1电梯的理想速度曲线

智能变频器是为电梯的灵活调速、控制及高精度平层等要求而专门设计的电梯专用变频器，可配用通用的三相异步电动机，并具有智能化软件、标准接口、菜单提示、输入电梯曲线及其它关键参数等功能。

其具有调试方便快捷，而且能自动实现单多层功能，并具有自动优化减速曲线的功能，由其组成的调速系统的爬行时