电梯模型PLC控制系统设计.docx

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电梯模型PLC控制系统设计

毕业设计[论文]

题目：

电梯模型PLC控制系统设计

系别：

电气与电子工程系

专业：

电气自动化技术

姓名：

学号：

指导教师：

2011年5月24日

摘要

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，保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。

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。

本文将可编程序控制器（PLC）应用于六层电梯进行逻辑控制，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-80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，取得了良好的预期效果。

关键词：

电梯、PLC、梯形图

Abstract

Withthedevelopmentofmoderncities,anincreasingnumberofhigh-risebuilding,elevatorbecomeanindispensablemeansoftransportofdailylife.Thequalityoftheliftperformanceoftheimpactonpeople'slivesbecomingmoreandmoreobvious,itmuststrivetoimprovetheperformanceofelevatorsystems,andensuretheoperationoftheliftissafe,reliableandenergyefficient.Thetraditionalelevatorcontrolsystemuseslogicoftherelaytocontrolcircuit,thiskindofcontrolseasilytobecrash,maintainsinconveniently,themovementlifeisshort,andthatoccupyingalargeareaofspace,itbeingeliminatedgradually.

Thistextappliesprogrammablelogiccontrollertocarryonthelogiccontrolinasixlayerelevator,usingtoreplaceformermorecomplicatedofafterelectricappliances-thecontactmachinecontrol.Thecorepart（controlpart）ofthesystemusedaJapaneseMitsubishicompanytoproduceoftheFX2N-80typePLCisthesoftwareprocedurecontrolinthecorebecauseofwhattocontrolthepartadoption,thusBepromisingtheelevatorcirculatesnormallyunderthecircumstanceof[with]thisrequest,raisedelevatortobreakdowncheckandtheconvenienceandeasyformaintainconsumedly,stillovercametomoveanoperationsomeartificialinterferencefactorsbringinthemeantime,obtainthegoodresults.

Keywords:

Elevator,PLC,LadderDiagram

1、绪论…………………………………………………………………1

1.1选题的目的和意义…………………………………………1

1.2国内外研究综述…………………………………………………2

1.3本次设计主要任务…………………………………………………2

2、PLC概述…………………………………………………………………4

2.1PLC发展及特点……………………………………………………4

2.1.1PLC简介………………………………………………………4

2.1.2PLC的特点……………………………………………………5

2.2PLC的工作方式与编程语言………………………………………6

2.2.1PLC的扫描工作方式…………………………………………6

2.2.2PLC的编程语言………………………………………………8

3、六层电梯硬件电路设计………………………………………………9

3.1交流双速电梯的主电路…………………………………………9

3.2PLC选型………………………………………………………10

4、六层电梯PLC控制系统软件设计……………………………………11

4.1PLC控制系统的基本结构…………………………………………11

4.2电梯PLC控制系统设计……………………………………………11

总结…………………………………………………………………16

致谢…………………………………………………………………17

参考文献………………………………………………………………18

附录…………………………………………………………………19

1.三菱FX2NI/O接口电路连接图…………………………………19

2.梯形图程序………………………………………………………20

1、绪论

1.1选题的目的和意义

目前，由可编程序控制器和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。

采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性可以完成更为复杂的的控制任务，以成为电梯控制的发展方向，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。

可编程序控制（ProgrammableController）系统是专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。

它采用一种可编程的存储器，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，通过数字式或模拟式的输入输出控制各种类型的机械设备或生产过程。

通过可编程控制器可以实现由继电器实现的逻辑控制功能，而且最主要的是可编程控制器的“可编程”功能，使得当改变电梯的控制功能时，只要更改程序即可，而不需要像继电器控制系统那样改变硬件和接线。

传统的电梯控制系统主要采用继电器——接触器进行控制，其缺点是触点比较多，故障高，可靠性差，体积大，维修工作量大等缺点，正逐步被淘汰。

可编程序控制器（PLC）既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口和维修方便等诸多高品质性能又采用一种可编程运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入、输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

因此，现在PLC在电梯控制领域得到了广泛而深入的应用。

随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程序控制器更多的具有计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有数据处理、通信、网络等功能。

由于它可以通过软件来改编控制过程，而且体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。

可编程控制器的出现，以其无可媲美的优越性，正在以惊人的速度取代继电器-接触器系统。

1.2国内外研究综述

当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。

在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍。

可编程序控制器已经广泛的应用在所有的工业部门，随着可编程控制器的性能价格比不断提高。

过去许多使用计算机的场合可以使用可编程控制器。

可编程序控制器的应用范围不断扩大，正在成为工业控制领域的关键设备。

世界上有名的几家电梯公司，诸如:

美国奥梯斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等，其电梯的产量己占世界市场的51%。

其中，奥梯斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。

我国自改革开放以来，对电梯的需求量急剧上升。

在通过引进国际电梯标准以及发达国家的先进产品和技术，产生了一支以中外合资企业为主体的外向型企业队伍。

如中国迅达公司、天津奥梯斯公司、上海三菱公司、苏州迅达公司和广州电梯工业公司等企业，就是通过合资和补偿贸易方式，引进发达国家的先进管理和技术，不断改善现有产品结构和管理体制使企业素质和产品质量都提高到了一个新水平，推出一代电梯新产品。

目前，交流调压调速电梯技术已趋成熟，一些企业都有成功的产品。

微机控制电梯是电梯技术的方向，一些生产企业与科研单位相结合，相继推出了微机控制的电梯新机型，使控制功能得到增强，电梯的性能得到改善，明显提高了可靠性。

另外，用可编程序控制器取代继电器控制系统的机型对单梯进行控制还是有前途的。

有些生产企业开发了紧急供电装置、放火厅门、地震控制、自检测以及语言合成等电梯新功能。

总之，与国外先进技术水平相比，虽然还存在一定差距，但国内电梯技术正以迅猛的发展速度赶超世界先进水平。

1.3本次设计的主要任务

本课题的研究题目——“电梯模型PLC控制系统设计”做诠释如下PLC控制是指电梯信号控制由PLC及其软件来实现，控制系统的核心为PLC。

其次课题开发的主要任务和内容是：

建立“PLC控制的电梯系统”的总体框架；信号控制系统利用PLC集中处理电梯运行方式、安全保护信号、内指令信号、外召唤信号、井道信号、门区信号、开关门及限位信号等信号，并显示电梯所到楼层、运行方向及呼梯应答等，实现开关门控制；拖动控制系统中曳引机的启动、运行、制动停止，包括正反转信号及多种速度信号，经PLC运算、判断后通过电机来实现。

本电梯控制要求：

（1）电梯运行到指定位置后应具有手动或自动开/关门的功能。

（2）利用指示灯显示电梯轿厢外的呼唤信号、电梯轿厢内的指令信号和电梯的到达信号。

（3）能自动判断电梯的运行方向，并发出响应的指示信号。

（4）电梯的上行下行有一台交流双速电机牵引。

电机正传，电梯上升；电梯反转，电梯下降。

（5）电梯轿厢门由另一台小功率电机驱动。

电机正传，轿厢门打开；电机反转，轿厢门关闭。

（6）每一层楼设有呼叫按钮；轿厢内设有开关轿厢门按钮；轿厢内的层面指令按电梯启动、运行、到站实现速度的调节。

（7）行车时，厅门和轿厢都不能开门。

开门之后不能行车，有门连锁保护。

平层时可自动开门、手动开门，夹人时自动开门。

本课题的核心问题有两个：

一是运行效率、平层精度和安全性的要求；二是PLC实现电梯信号控制及其软件开发。

对于第一个问题，通过选择合适的PLC，进行合理的设计和编程便可以实现。

本人选择的PLC是日本三菱公司的FX2N－80型可编程控制器。

第二个问题，根据电梯所要实现的功能以及PLC的顺序执行程序的特点，编写PLC程序主要是采取模块化编程思想，即根据各功能实现的条件及原则编写各个功能模块来实现。

方案选择是通过多种方案的比较和对照，完成电梯控制系统中控制方法的选择。

2、PLC概述

2.1PLC的发展及特点

2.1.1PLC简介

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。

它采用可编程的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺存储执行逻辑运算、顺宇控制、定时、计数和算术运算等操作指令,并通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各类型的机械动作过程。

可编程控制器及其相关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则设计。

PLC已成为工业控制领域中最常见、最重要的控制装置,它代表着一个国家的工业水平。

1.PLC通常以输入输出点（I/O）总数的多少进行分类。

（I/O）点数在128点以下为小型机;（I/O）点数在129-512点为中型机;（I/O）点数在5I3点以上为大型机。

PLC的I/O点数越多,其存储容量也越大。

2.PLC的常用编程工具有:

1.手持式编程器.一般供现场调试及修改使用;2.个人电脑,利用专用的编程软件进行编程。

3.PLC的应用领域：

PLC的应用非常广泛,例如:

电梯控制、防盗系统的控制、交通分流信号灯控制、楼宇供水自动控制，消防系统自动控制、供电系统白动控制、喷水池自动控制及各种生产流水线的自动控制等。

按PLC编程功能来分可为以下四大类:

（1）开关量顺序控制

这是PLC最早、最原始的控制功能.可以取代传统的继电器逻辑电路中的顺序控制系统。

例如电梯自动控制、工厂装配流水线、交通分流信号灯的自动控制等。

（2）模拟量控制

PLC利用PID（proportionallntegralderivative）算法可实现闭环控制功能。

例如对温度、速度、压力及流量等的过程量控制。

（3）运动控制

目前PLC制造商已制造出能驱动机和伺服电动机的单轴或多轴的PLC和运动制特殊模块,可驱动单轴或多轴电动机按一定的速度、作用力到达拟定目标位置。

随着PLC用量的增加,其价格也达到相当低，其功能却不断地增强，现在用PLC实现运动控制比用其他方法更有优越佳:

价格更低、速度更快、体积更小、操作更方便

（4）通信功能

为适应现代化工业自动化控制系统的需要——集中及远程管理,PLC可实现与PLC、单片机，打印机及上级计算机之间的相互交换信息的通信功能。

2.1.2PLC的特点

PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。

PLC与普通微机一样。

以通用或专用CPU作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制。

PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修。

编程简单、灵活性强等特点。

1、可靠性

对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。

（1）PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。

（2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTTF（平均无故障时间），使可靠性提高。

（3）PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。

（4）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。

采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。

（5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。

例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。

（6）PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。

例如，采用软件滤波等；软件自诊断；简化编程语言等。

2、易操作性

PLC的易操作性表现在下列几个方面：

（1）操作方便

PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。

大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。

编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。

更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。

更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。

（2）编程方便

PLC有多种程序设计语言可供使用。

对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。

采用布尔助记符编程语言，十分有助于编程人员的编程。

（3）维修方便

PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。

当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。

3、灵活性

PLC的灵活性表现在以下几个方面：

（1）编程的灵活性。

PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。

编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。

（2）扩展的灵活性。

PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。

它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。

（3）操作的灵活性。

操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易

2.2PLC工作方式与编程语言

2.2.1PLC的扫描工作方式

图2-1PLC的扫描过程

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，并周而复始地重复进行。

可编程序控制器工作时的扫描过程如图2-1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2-2所示。

图2-2PLC的程序执行过程

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。

2.2.2PLC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。

1）标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点；

A.它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。

B.梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。

C.梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。

内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。

D.PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当条件使用。

2）语句表语言，类似于汇编语言。

3）逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能，左边画输入、右边画输出。

本课题所采用的编程语言为梯形图语言。

3、六层电梯硬件电路设计

3.1　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，电机转为低速接法，接入阻抗制动，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，抱闸抱死，电梯停止运行。

图3-1主电路图

3.2PLC选型

1.I/O的点数的估算

1/O点数的估算根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后调整和扩充，一般应加上10%～15%的备用量。

在该设计中，根据电梯运行系统的调查，电梯控制系统的输入有轿内指令选层按钮、上下行召唤指令按钮、上下行防超越开关、上下行换速开关、轿顶轿内开关门按钮应急按钮、直驶按钮以及信号输入等。

估计需要41个输入点，38个输出点。

考虑在实际安装、调试和应用中，还可能会发现一些估算中未预见的因素，故输出点增加2个。

2.用户存储器容量的估算

用户存储器容量的估算用户应用程序占用多少内存与许多因素。

例如:

输入、输出点的数量和类型，输入、输出量之间关系的复杂程度，需要进行运算的次数，处理量的多少，程序结构的优劣等，都与内存容量有关。

因此，在用户程序编写、调试好以前，很难估算出PLC所应配置的存储容量。

这里只对其进行简单估算即可，也就是根据输入、输出的点数及其类型、控制的繁简程度加以估算。

估算方法采用（输入点数+输出数）*（10-20）=指令语句数。

本系统的粗略估算为（41+38）*10=790。

考虑到后调整和扩充，一般应加10%～15%的备用量，则本系统选用三菱FX2N-80型PLC机。

其输入输出接口电路如附录1所示。

FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。

它的基本指令执行时间高达0.08μs每条指令，远远超过了很多大型可编程序控制器。

用户存储器容量可扩展到16K步，最大可扩展到每256个I/O点，有5种模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、4种位置控制模块、多种RS-232C/RS-242串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展板，使用特殊功能模块和功能扩展板，可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。

其I/O见附录1

FX2N系统PLC具有以下几方面的优点：

1）FX2N配置灵活，除主机单元外，还可扩展I/O模块，A/D模块，D/A

模块和其它特殊功能模块。

2）FX2N指令功能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。

3）FX2N可用内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要。

4）FX2N的编程可用编程器，也可以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSOFT系列的GXDeveloper来进行。

编程语言可用梯形图或指令表。

4、六层电梯PLC控制系统软件设计

4.1电梯PLC控制系统的基本结构

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4-1所示：

图4-1电梯PLC控制系统的基本结构图

电梯控制系统的控制核心是PLC。

哪些信号需要输入PLC，PLC要驱动哪些负载，以及采用何种编程方式，输入输出点的确定，是设计整个控制系统的首要问题，决定系统