基于PLC的四层电梯控制系统设计.docx
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基于PLC的四层电梯控制系统设计
学号：
2014届毕业论文
成绩：
江西城市职业学院
四层电梯的PLC控制系统设计
学院：
应用科技学院
专业：
电气自动化
学生姓名：
龙军
指导教师姓名：
周保森
二〇一四年三月
摘要2
前言3
第一章可编程控制4
1.1可编程控制器的介绍4
1.1.1定义4
1.1.2PLC的构成4
1.1.3cpu的构成5
1.1.4I/O的构成5
1.1.5电源模块6
1.1.6PLC的通信联网6
1.2可编程控制器的选用6
1.2.1PLC控制系统的I/O点数计算6
1.2.2PLC的型号选择7
第二章硬件接线7
2.1外部接线图8
2.2I/O分配图9
2.3四层电梯模拟控制面板10
第三章系统软件设计11
3.1PLC梯形图概述12
3.3系统工作过程分析13
3.4系统要求13
3.5过程分析14
3.6调试过程16
3.6.1准备工作16
3.6.2调试程序16
结束语17
致谢18
参考文献18
摘要
在现在社会及经济活动中，随着高层建筑的增多，电梯已经称为一种文明的标志。
它作为一种垂直的交通运输工具，承载着大量人流物流的运输。
正因为如此，在高层建
筑中人们对电梯的安全性、舒适度、低噪音、低能耗等性能要求越来越高了。
正是这一系列的要求促使了电梯技术的快速发展。
本设计主要应用PLC对电梯进行逻辑控制，考虑上述的性能要求，本设计控制系统具备楼层指示、选层选向、自动运行等特点，能有效的保证电梯的输送传输任务。
本文在介绍电梯的基本结构的基础上还深入分析了电梯的工作原理。
阐述了PLC相对于其他控制系统的优缺点。
其中重点研究了电梯的软、硬件设计并提出了基于PLC控制的四层电梯控制系统设计方案，并做出总结，
关键词：
电梯，控制系统，PLC
1969年，美国数字设备公司根据美国通用汽车公司的要求，研制出第一台可编程控制器PDD-14，并在GM公司汽车生产线上首次应用成果。
70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程
PC。
控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称但由于PC容易与个人计算机相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。
国际电工委员会于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”。
可编程控制器，简称PLC。
它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。
具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易，维护工作量少3.功能强、通用性好4.开发周期短，成功率高5.体积小，重量轻，功耗低等特点。
已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。
与继电——接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电——接触器控制系统小；价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构、中央数据处理系统直接传输数据等。
因此，进行电梯的PLC控制系统的设计，可以推动电梯行业的发展，扩大PLC在自动化控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值
第一章可编程控制器
1.1、可编程控制器的介绍
1.1.1定义
PLC可编程序控制器：
PLC全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
1.1.2PLC的构成
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。
1.1.3CPU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。
1.1.4I/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。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。
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I/O外，还有特殊I/O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。
1.1.5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24VAC）
1.1.6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。
1.1.7PLC系统的其它设备
1、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。
2、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。
3、输入输出设备：
用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机
1.1.8PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。
对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。
首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。
1.2可编程控制器的选用
1.2.1、PLC控制系统的I/O点数计算
根据电梯控制的特点，输入信号应该包括以下几个部分：
（1）轿厢内及各层门厅外呼按钮主要是轿厢内的楼层选择数字键1~4，各层门厅外呼按钮，除一层只设置上升按钮，四层只设置下降按钮外，其他层均设置上升和下降两个按钮。
一共需要
10个输入。
（2）位置信号
位置信号由安装于各楼层的电梯停靠位置的4个传感器产生。
平时为常开，当电梯运行到平层时关闭。
另外还有一组开光门限位。
所以位置信号一共需要6个输入。
（3）电梯门控制信号
大部分电梯都具有开门啊、关门按钮，以方便手动开关门。
一共需要2个输入。
（4）模拟电梯到位按钮
由于条件有限，所以本文海设置了到位按钮。
电梯一共四层，所以设置了4个到位按钮，一共需要4个输入。
综上所述，共需要输入点22个。
输出信号应该包括：
（1）内呼指示信号
内呼指示信号有四个，分别用来表示1~4层楼层内呼的指令被接受，并在内呼指令完成后，信号消失。
（2）外呼指示信号
外呼指示信号共有六个，分别用来表示1~4层楼层外呼的指令被接受，并在外呼指令完成后，信号消失。
（3）电梯轿厢上下行，电梯上下行指示信号，共四个。
（4）门电机开关指示，共需两个输出点。
综上所述，共需要输出点16个。
1.2.2PLC的型号选择
综合输入、输出点的计算以及要实现的电梯控制功能，实验室现有的三菱FX2N
型号的PLC完全能实现设计要求。
因为FX2N型号的PLC是一款面对大中型工业
应用的PLC，输入输出点，内存容量以及响应时间均符合条件。
并且，三菱PLC
具有稳定性高，功能强大，环境适应性强，编程软件简单完善，价格适中等优点。
所以我采用了FX2N-48MR型号的可编程控制器。
第二章硬件接线
2.1外部接线图
系统的硬件连接图即PLC和系统中各个硬件的连线。
具体如图1-1：
图1-1主电路
2.2I/O分配图
如表1-1
序号
名称
输入点
序号
名称
输出点
0
外呼1上行
X0
0
电梯上行
Y0
表1-1I/O分配图
1
外呼2下行
X1
1
电梯关门
Y1
2
外呼2上行
X2
2
电梯下行
Y2
3
外呼3下行
X3
3
电梯开门
Y3
4
外呼3上行
X4
4
内呼1层指示
Y4
5
外呼4下行
X5
5
内呼2层指示
Y5
6
1层到位
X6
6
内呼3层指示
Y6
7
2层到位
X7
7
内呼4层指示
Y7
8
3层到位
X10
8
外呼1层上升指示
Y10
9
4层到位
X11
9
外呼2层下降指示
Y11
10
开门到位
X12
10
外呼2层上升指示
Y12
11
关门到位
X13
11
外呼3层下降指示
Y13
12
内呼1层
X14
12
外呼3层上升指示
Y14
13
内呼2层
X15
13
外呼4层下降指示
Y15
14
内呼3层
X16
14
内呼开示
Y16
15
内呼4层
X17
15
内化关门指示
Y17
16
内呼开门
X20
17
内呼关门
X21
18
电梯上升限位
X22
19
电梯下降限位
X23
20
手动复位
X24
2.3四层电梯模拟控制面板
采用了THPLC-DT型四层电梯实验教学模型，利用面板上的按钮来模拟实现四层电梯
运行的状态。
它设置了电梯门，电梯内按钮指示，电梯内按钮信号，电梯外按钮电梯平
层、限位信号，电梯门限信号，电梯外部呼叫指示灯，电梯行控，电梯内部选择指示灯，电梯门控已经层数标志
图1-2四层电梯模拟控制面板
第三章系统软件设计
3.1PLC梯形图概述
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。
梯形图电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被设计人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。
梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。
解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。
逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。
3.2MELSOFT系列GXDeveloper编程软件的操作方法
本课题采用的编程软件为MELSOFT系列GXDeveloper编程软件，具体操作方法如下：
1.打开MELSOFT系列GXDeveloper编程软件，之后点击，在下拉菜单栏点击“创建新工程（N）⋯⋯”，再选择，确定打开就可以绘制梯形图，编写本课题的程序。
2.在打开文件之后就可以绘制梯形图，根据所编的程序的要求，在页面上面的
功能图
在绘制梯形图中选择需要的输入元件，完成对梯形图的绘制
3.完成对梯形图的绘制后，在确定PLC处于通讯状态时，在软件的菜单栏中点击，并在下拉菜单中点击“PLC写入”，将程序编入三菱FX2N-48MR中
3.3系统工作过程分析
1.初始化
2.确认本层于目标层并检测是否有厢内或厢外呼叫，无则结束
3.
若有呼叫分辨本层于目标层是否一致，是则开门
4.确认电梯启动方向。
5.电梯启动。
6.电梯加速。
7.电梯高速运行。
8.楼层检测。
9.是否是目标层，不是则继续高速运行。
10.到目标层，电梯减速。
11.到层检测。
12.电梯制动。
13.开门。
14.延时后再关门。
15.是否停止运动，不是则原地等待。
16.确认运行结束则停止运行。
如图1-3：
电梯运动流程图
3.4控制要求
所设计的电梯模型共有四层。
电梯的每一层面
均有升降及轿厢所在楼层的指示灯显示；1—4所对应的指示灯表示楼层号，每层的
楼厅均有输入（分上行和下行）按钮召唤电梯。
工作中的电梯主要对各种呼梯信号
和当时的运行状态进行综合分析，再确定下一个工作状态，为此它要求具有自动选
向，顺向截梯和反向保号，外呼记忆，自动开、关门，停梯信号，自动达层等功能
分析以上控制要求，将电梯控制要实现的功能罗列如下：
1.开始时，电梯处于任意一层。
2.当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门自动打开，延时3秒后自动关门。
3.当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门自动打开，延时3秒后自动关门。
4.在电梯运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反向下降（或上升）的呼梯信号均不响应；如果某反向呼梯信号前方再无其他呼梯信号，则电梯响应该呼梯信号。
5.电梯应具有最远反向呼梯功能。
6.电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮军不起作用。
平层且电梯停止运行后，按开门按钮可使电梯门打开，按关门按钮可使电梯门关闭。
3.5过程分析
1、电梯上行设计要求
1）当电梯停于1楼或2楼，3楼呼叫时，则上行，当3楼的行程开关控制停止，同时轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭。
2）当电梯停于1楼，2楼呼叫，则上行，到2楼的行程开关控制停止，同时，轿厢
门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭。
3）当电梯停于1楼，2楼、3楼同时呼叫，电梯上行到2楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到3楼行程开关控制
停止
4）当电梯停于1楼，3楼、4楼同时呼叫时，电梯上行到3楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到4楼行程控制停止。
5）当电梯停于1楼，2楼、4楼同时呼叫时，电梯上行到2楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到4楼行程控制停止。
6）当电梯停于1楼，2楼、3楼、4楼同时呼叫，电梯上行到2楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到3楼行程开关控制停止，同时，轿厢门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到4楼行程控制停止。
7）当电梯停于2楼，3楼和4楼同时呼叫，电梯上行到3楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭。
8）当电梯停于1楼或2楼或3楼，4楼呼叫，电梯上行到4楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后，轿厢门与厅门关闭。
2、电梯下行设计要求
1）当电梯停于4楼，2楼呼叫时，则下行，到2楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭。
2）当电梯停于4楼，3楼呼叫时，则下行，到3楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭。
3）当电梯停于4楼，2楼、3楼同时呼叫时，则下行，到3楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到2楼行程开关控制停止。
4）当电梯停于4楼，1楼、3楼同时呼叫时，则下行，到3楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到1楼行程开关控制停止。
5）当电梯停于4楼，1楼、2楼同时呼叫时，则下行，到2楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到1楼行程开关控制停止。
6）当电梯停于4楼，1楼、2楼、3楼同时呼叫时，则下行，到3楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到2楼行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到1楼行程开关控制停止。
7）当电梯停于4楼或2楼或3楼，1楼呼叫时，则下行，到1楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，3秒后轿厢门与厅门关闭。
3、电梯呼叫、上行或下行均需信号指示。
4、在电梯运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的呼叫信号均不响应；如果某反向呼梯信号前方再无其它呼梯信号，则电梯响应该呼梯信号。
5、电梯具有最远反向呼梯响应功能。
3.6调试过程
3.6.1准备工作
按照图1-1将所有的设备连接起来，并接通电源，观察PLC的指示灯，PLC上的RUN和RDY指示灯正常亮起，则PLC正常工作，观察电梯模型上，电源指示灯正常亮起，则电梯模型正常工作
打开GXDeveloper编程软件，并打开已绘制的电梯PLC控制程序，单击菜单栏中“在线”，然后单击子菜单栏中的“PLC写入（W）⋯⋯”，成功连接PLC。
设定好
步数，单击“执行”按钮，即可将程序传送到PLC中去。
3.6.2调试程序
因为条件有限，调试程序时用按钮来表示输入，用指示灯来模拟程序运行后的输出。
如图1-3.。
此处举几个具有代表性的调试例子。
1轿厢在一层时有二层内呼首先按住一层平层按钮，然后按下二层内呼按钮，此时二层内呼指示灯亮起。
松开一层平层按钮，电梯上行指示灯亮起，按下二层平层按钮，则电梯开门指示灯亮起，二层内呼指示灯熄灭。
再按下开门限位按钮，电梯开门指示灯熄灭，3秒之后电梯关门指示灯自动亮起。
再按下关门限位按钮，整个运动过程结束。
2电梯在一层时（此时电梯门关着），一层外呼上（四层内呼），未到二层时，同时收到四层外呼下指令（一层内呼），二层外呼下指令，三层外呼上指令（四层内呼）。
这是一个非常复杂的运动过程，包含了设计中要求的自动定向，顺向截梯，反向记忆，自动开门等所有功能。
首先按住一层平层按钮，然后按下一层外呼按钮，一层上指示灯亮起，此时电梯开门指示灯亮起，一层外呼指示灯熄灭，接着按下开门限位按钮，电梯开门指示灯熄灭，过3秒后，电梯关门指示灯自动亮起，按下关门限位按钮，电梯关门指示灯熄灭。
电梯上行指示灯亮起来。
按下四层内呼按钮，四层内呼指示灯来亮起。
然后连接按下四层外呼下，二层外呼下，三层外呼上按钮，相应指示灯亮起。
接着按下二层平层按钮，电梯不做反应，按下三层平层按钮，电梯做开关门运动，并继续上行。
按下四层平层按钮，电梯再次做开关门运动，四层内呼指示灯熄灭，上行指示灯熄灭。
之后电梯自动下行，下行指示灯亮起，按下一层内呼按钮，一层内呼指示灯亮起，按下三层平层，电梯没有
反应，按下二层平层，电梯做开关门，然后继续下行，到一层平层按钮按下，电梯最后做开关门运动，所有指示灯熄灭。
整个运动过程结束。
由以上调试结果证明这个电梯PLC控制系统飞设计师成功的，可以实现电梯运行的基本功能。
结束语
本设计主要以PLC为核心，利用PLC强大的控制功能，实现了利用可编程控制器控制电梯的功能。
梯形图程序在模拟调试时可以非常直观的展现出4层电梯的运行过程。
在调试过程中，本设计充分发挥了PLC接线简单、编程直观等台电。
当建筑物的楼层增加时，硬件接线上只需要增加行程开关输入信号。
原来的接线不需改变，软件上只需要增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也比较少。
调试结果表明，在适应性、精确性和可靠性方面，达到了设计的要求，表明该设计方案是
可
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