四层电梯控制系统设计.docx
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四层电梯控制系统设计
电气与电子信息学院
课程设计说明书
课程名称：
电气控制技术与PLC课程设计
题目：
四层电梯控制系统设计
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2014
学生：
学号：
指导教师：
完成日期：
2018年1月5日
四层电梯控制系统设计
摘要：
本设计采用FX2设计了四层电梯的控制系统，详细进行了参数计算，空气开关、接触器等诸多电器的选型，对主电路、控制回路进行了接线与保护。
控制PLC系统FX2N由于体积小，重量轻，能耗低,运行可靠性高，抗干扰能力强，使用维修方便，系统的设计、安装、调试工作量小，容易改造，设计和调试周期较短等优点被我们选择，在控制过程分析基础之上采用或顺序控制法编写了梯形图程序，程序调试通过，实现了控制要求。
最终在易控组态的的开发环境上我们模拟成功了四层电梯的控制。
关键词：
PLC，四层电梯，FX2N
1前言
电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的工作和生活日益紧密联系。
PLC作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，从而使电梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和技术改造的热点之一。
高校中关于PLC教学实验的中等模型较少，为此，自行设计并制作了专用四层电梯。
此电梯所采用的类型为三菱FX2NPLC程序设计采用模块化编程思想，即根据各功能实现的条件及原则设计各个功能模块。
设计的程序要求完成电梯自动运行功能如：
内外召唤信号的登记、消号、到层自动开门、延时自动运行等。
合理分配轿厢内指令的执行和厅外召唤的应答。
关于PLC控制系统的基本结构及电梯控制系统的安装与调试重点介绍如下。
2总体方案设计
2.1方案1
采取双电机方式，一个电机驱动电梯上下运行，一个电机驱动电梯门开关。
软件部分采用PLC进行控制，
2.2方案2
采用单电机方式，电机驱动电梯上下运行。
电梯的开门关门由电磁铁控制。
软件部分采用PLC惊喜控制，加入了数码管电路，使电梯在运行时，能够显示楼层数。
2.3方案选择
方案1与方案2相比，多了一个电机，成本上相比方案2更加多。
而方案2在开关门上没有选择使用电机，而选用使用电磁铁作为开关门的方式，相比于方案1更加稳定，成本更低，并且在方案1的基础上添加了数码管显示楼层数，使其功能更加完善。
所以综上所述，我认为方案2更加优秀，选择方案2作为我们的目标方案。
3硬件设计
3.1电梯简介
3.1.1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年美国研究出以蒸汽为动力，并通过带传动和涡流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。
3.1.2电梯系统的基本结构
图3-1电梯基本结构剖视图
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
3.1.3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.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、楼层指示、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、停止等们，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启动、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，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应用。
3.2硬件选择
此次设计中，我们设计的是最大载重15人，也就是1200kg的载重，经过计算，我们最终选择了功率5.5kW，电压AC380V，电流11.6A，转速1440r/min的拖动电机。
在指示灯上我们选择了功率0.25W，电压DC24V的指示灯。
在在报警电铃上我们选择了功率8W，电压AC220V的报警点铃。
在控制电梯开关门的电磁铁上选择了电流100mA电压AC220V的报警电铃。
3.3三菱FX2N型PLC
3.3.1基本介绍
可编程控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER，简称PC）。
与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。
PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。
国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：
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贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
可以预料：
在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。
PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。
用户程序由用户按控制要求设计。
图3-2三菱FX2N型PLC
3.3.2基本指令系统特点
PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。
目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。
如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。
但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：
1、图形式指令结构：
程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。
系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。
在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。
如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。
较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎
2、明确的变量常数：
图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：
K400，T120等。
PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。
3、简化的程序结构：
PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。
4、简化应用软件生成过程：
使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。
5、强化调试手段：
无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。
总之，PLC的编程语言是面向用户的。
3.3.3FX2N产品的编程元件及其功能
下面我着重介绍三菱公司的FX2N系列产品的一些编程元件及其功能。
FX系列产品，它内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件，按通俗叫法分别称为继电器、定时器、计数器等，但它们与真实元件有很大的差别，一般称它们为“软继电器”。
这些编程用的继电器，它的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、没有机械磨损和电蚀等问题。
它在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。
一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。
a.输入继电器（X）
PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，PLC内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制输入），线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。
内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。
输入电路的时间常数一般小于10ms。
各基本单元都是八进制输入的地址，输入为X000～X007，X010～X017，X020～X027。
它们一般位于机器的上端。
b.输出继电器（Y）
PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。
输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供内部程序使用。
输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。
输出电路的时间常数是固定的。
各基本单元都是八进制输出，输出为Y000～Y007，Y010～Y017，Y020～Y027。
它们一般位于机器的下端。
c.辅助继电器（M）
PLC内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。
辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。
它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制。
但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。
在FX2N中普遍途采用M0～M499，共500点辅助继电器，其地址号按十进制编号。
辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等，在这里就不一一介绍了。
d.定时器（T）
在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。
定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。
在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。
即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。
定时器通道范围如下：
100ms定时器T0～T199，共200点，设定值：
0.1～3276.7秒；
10ms定时器T200～T245，共46点，设定值：
0.01～327.67秒；
1ms积算定时器T246～T249，共4点，设定值：
0.001～32.767秒；
100ms积算定时器T250～T255，共6点，设定值：
0.1～3276.7秒；
e.计数器（C）
FX2N中的16位增计数器，是16位二进制加法计数器，它是在计数信号的上升沿进行计数，它有两个输入，一个用于复位，一个用于计数。
每一个计数脉冲上升沿使原来的数值减1，当现时值减到零时停止计数，同时触点闭合。
直到复位控制信号的上升沿输入时，触点才断开，设定值又写入，再又进入计数状态。
其设定值在K1～K32767范围内有效。
设定值K0与K1含义相同，即在第一次计数时，其输出触点就动作。
通用计数器的通道号：
C0～C99，共100点。
保持用计数器的通道号：
C100～C199，共100点。
通用与掉电保持用的计数器点数分配，可由参数设置而随意更改。
f.其他编程元件
1）通用数据寄存器D
2）文件寄存器
3）特殊用寄存器
3.4主电路图与接线图
3.4.1主电路图
主电路采用的三相电路，只有一个拖动电机，通过控制其正反转从而控制电梯上下运行。
电梯拖动电动机控制电路有各种常规电气保护，如短路保护、过载保护、正反转互锁等。
图3-3主接线图
电源保护FU：
IRN≥（1.5～2.5）INmax+∑IN=（1.5～2.5）×11.6/3+11.6
=（17.4～21.3）A选用25A的熔体
空气开关:
由于我们选择的电机是11.6A的，所以我们选择16A的空气开关，选的
是施耐德C65-3P/16A型号。
接触器：
由于我们选择的电机是380V，11.6A，所以最终我们选择380V，20A的
施耐德LC1D1210*7N型号接触器
热继电器：
由于电流较大，我们选择了13A的热继电器，最后选择了施耐德
LRD016C13A型号。
电源保护FU
25A
施耐德
空气开关
C65-3P/16A
施耐德
接触器
LC1D1210*7N
施耐德
热继电器
LRD016C13A
施耐德
表3-1硬件型号与厂家
3.4.2电梯控制信号原理
系统控制核心为PLC主机，通过PLC输入接口送入PLC.由存储器的PLC软件运算处理，然后经输出接口分别向指层器及召唤指示灯等发出显示信号，向主拖动系统发出控制信号。
具体的电梯控制信号原理如图3-4所示。
图3-4电梯PLC信号控制系统框图
3.4.3I/O分配表
上行1楼呼入信号
X1
下行2楼呼入信号
X13
上行2楼呼入信号
X2
下行3楼呼入信号
X14
上行3楼呼入信号
X3
下行4楼呼入信号
X15
上行4楼呼入信号
X4
楼层限位开关信号F1
X21
下行1楼呼入信号
X12
楼层限位开关信号F2
X22
楼层限位信号F3
X23
楼层限位开关信号F5
X25
楼层限位信号F4
X24
图3-5输入按钮对应信号
上行1楼信号灯
Y0
下行4楼信号灯
Y7
上行2楼信号灯
Y1
LED数字显示a段
Y20
上行3楼信号灯
Y2
LED数字显示b段
Y21
上行4楼信号灯
Y3
LED数字显示c段
Y22
下行1楼信号灯
Y4
LED数字显示d段
Y23
下行2楼信号灯
Y5
LED数字显示e段
Y24
下行3楼信号灯
Y6
LED数字显示f段
Y25
电机正转上行
Y10
LED数字显示g段
Y26
电机反转下行
Y12
图3-6输出按鈕对应信号
3.4.4PLC端口接线图
图3-7三菱FX2N型PLC接线图
3.5控制面板设计
图3-8电梯内部控制面板
4软件设计
4.1编程平台的介绍
GXDeveloper是三菱PLC的编程软件。
适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。
支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。
GXDeveloper的特点：
1.软件的共通化GXDeveloper能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU））,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。
2.利用Windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。
3.程序的标准化
（1）标号编程用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。
（2）功能块FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。
4.能够简单设定和其他站点的链接由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。
5.丰富的调试功能
（1）由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。
4.2控制程序设计
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的。
根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3）。
PLC的编程语言包括以下五种：
梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块图语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）及结构化文本语言（ST）。
本设计采用梯形图语言设计程序，梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。
它是与继电器线路类似的一种编程语言。
由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。
梯形图编程语言的特点是：
与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。
X1
外呼1楼上
Y0
电机正传
Y23
LEDb段
M204
内呼去4楼
X2
外呼2楼上
Y2
电机反转
Y24
LEDc段
M211
1楼上升
X3
外呼2楼下
Y3
线圈故障
Y25
LEDd段
M212
2楼上升
X4
外呼3楼上
Y4
上行指示
Y26
LEDe段
M213
2楼下降
X5
外呼3楼下
Y5
下行指示
Y27
LEDf段
M214
3楼上升
X6
外呼4楼下
Y6
开门指示
M101
1楼上升
M215
3楼下降
X10
内呼去1楼
Y7
关门指示
M102
2楼上升
M216
4楼下降
X11
内呼去2楼
Y10
外呼1楼上
M103
2楼下降
M221
外呼去1楼
X12
内呼去3楼
Y11
外呼2楼上
M104
3楼上升
M222
外呼去2楼
X13
内呼去4楼
Y12
外呼2楼下
M105
3楼下降
M223
外呼去3楼
X14
1楼平层
Y13
外呼3楼上
M106
4楼上升
M224
外呼去4楼
X15
2楼平层
Y14
外呼3楼下
M501
1楼平层信号
M231
1层开门信号
X16
3楼平层
Y15
外呼4楼下
M502
2楼平层信号
M232
2层开门信号
X17
4楼平层
Y16
内呼去1楼
M503
3楼平层信号
M234
3层开门信号
X20
上下限位
Y17
内呼去2楼
M504
4楼平层信号
M241
1层手动开门
X21
箱内开门
Y20
内呼去3楼
M201
内呼去1楼
M242
2层手动开门
X22
箱内关门
Y21
内呼去4楼
M202
内呼去2楼
M243
3层手动开门
X23
热继电器
Y22
LEDa段
M203
内呼去3楼
M244
4层手动开门
图4-1梯形图程序对应意义
5上位监控设计
5.1上位机监控软件介绍
易控（INSPEC）是一套通用的监控和数据采集（SCADA）软件，亦称人机界面（HMI/MMI）软件，俗称组态软件。
易控以功能强大、性能稳定、图形精美、易学易用、开发高效、扩展容易等优点为自动化系统提供了理想的监控解决方案。
5.2组态界面设计
在易控界面上我们需要反映整个4层电梯系统的工作过程，并通过上位机的监控界面对电梯进行控制。
将所需的组态元素从图库中调出，这些图元放在新建的用户窗口进行组态。
界面组态如图5-1所示。
图5-14层电梯组态界面
6结论
此次设计课题为四层电梯控制系统设计。
随着生活水平的提高，各种建筑高层建筑的落成，人们对电梯需求度和电梯质量要求越来越来高，电梯已经成为我们生活中必不可少的东西。
此次设计的四层电梯采用单电机驱动，通过对其的正反转控制从而实现对电梯上下运行的控制。
针对这个四层电梯的控制系统．此次采用FX2N可编程控制器设置电梯的控制系统完成电梯的梯内指令、梯外召唤指令、楼层位置指示、开门控制等控制任务。
将PLC中的串口驱动程序与组态软件的需求响应相结合，加载驱动。
使设置的控件能够按照真实的情况动作。
检验和测试电梯PLC控制系统对电梯的运行状态的控制效果。
实践证明,PLC可编程控制器可以非常好地使电梯控制系统的测试运行。
有利于PLC控制系统的设置、检测，具有良好的应用价值。
由于自身缺乏实践经验，而且这方面的学习经验不足。
所以在设计中难免会出现一些的不足，这次的设计的停止设计还存在不足之处，比如没有在接近目标楼层减速装置，对于这些不足之处，我以后会多加努力学习并且在以后的设计中注意这些问题，尽量使控制系统更完善，更利于操控，提高自己解决问题的能力。
7总结与体会
我所选的设计课题是“四层电梯控制系统设计”，我觉得PLC控制技术
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