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基于plc的电梯控制系统设计
毕业设计（论文）中文摘要
随着我国经济的高速发展，自动控制技术也得到了迅猛发展，而电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，在工业、商业和民用方面应用已十分广泛，与人们的生活紧密相关。
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。
本论文通过讨论电梯控制系统的组成，阐述可编程控制器（PLC）在电梯控制中的应用，采用三菱PLC编程的程序控制方式，提出了四层电梯的PLC控制系统总体设计方案、设计过程、组成，列出了具体的主要硬件电路、电梯的控制梯形图及指令表。
并给出了系统组成框图和程序流程图，在分析、处理随机信号逻辑关系的基础上，提出了PLC的编程方法，设计了一套完整的电梯控制系统方案。
采用本方案实现电梯控制，能够解决继电器接触器触点多，故障率高、可靠性差、安装调试周期长、维修工作量大、接线复杂等缺点。
使电梯运行更加安全、方便、舒适。
关键词：
电梯、PLC、梯形图
1绪论
1.1概述
随着我国经济的高速发展，自动控制技术也得到了迅猛发展，而电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，在工业、商业和民用方面应用已十分广泛，与人们的生活紧密相关。
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。
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。
因为在核心控制部分采用了FX2N型PLC，使用是软件程序控制，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。
此电梯模型所采用的类型为三菱FX2N。
PLC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：
内选外召唤信号的登记、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。
1.2课题的提出
当今社会电梯产品繁多，选择何种器件来控制电梯的稳定、安全、高效运行显得尤为重要。
PLC以其优越的性能，在很多领域中得到了广泛的应用。
在电梯业也是如此，目前国内70～80年代安装完成的电梯绝大部分是继电器控制，线路复杂，节点接线多，故障率高，系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大，严重地影响电梯运行质量。
应对这些电梯进行更新和改造。
但是更新需要大量资金，对使用单位来说有一定困难，所以对电梯进行局部改造是经济的、实际的。
近年来，采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯，取得了良好效果。
利用PLC和变频器对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。
为此提出了本课题加以研究。
1.3课题的主要讨论内容
由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。
因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。
针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯。
课题所研究的任务主要是用可编程控制器（PLC）作为核心器件对电梯控制系统进行系统控制，从而实现电梯稳定、安全、高效运行。
论文的主要内容如下：
电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分，这就确定了系统的总体结构，由PLC来实现电梯信号控制，有双速电机实现调速，完成了电机和可编程控制器（PLC）的选择。
然后是系统硬件开发，完成了PLC的选型、I/O点数分配与PLC的连接。
在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出了软件流程图，提出了模块化编程思想，介绍了系统的软件开发。
最后对改造后的电梯系统进行模拟调试。
2状态设定、运行分析及控制要求
2.1 电梯状态设定
1.电梯的待命状态。
假设电梯位于1层待命，各层显示器处于以下状态：
各层呼叫灯均不亮。
电梯内部及外部各楼层显示器显示均为“1”。
电梯内部及外部各层电梯门均关。
2.电梯的运行状态。
按下某层呼叫按钮（1-4层）后，该层呼叫灯亮，电梯响应该层呼叫。
电梯上行
或下行直至该层。
各楼层显示随电梯移动而改变，各层指示灯也随之而变。
运行中电梯门始终关闭，到达指定层时，门才打开。
在电梯运行过程中，支持其他呼叫。
3.电梯到达指定楼层状态。
电梯门会自动打开，经一段延时自动关闭，在此过程中，支持手动关门。
各楼层
显示值为该层所在位置，且上行与下行指示灯均灭。
2.2 运行中的情况分析
实际中，电梯服务的对象是许多乘客，乘客乘坐电梯的目的地是不完全一样的，而且，每一个乘客呼叫电梯的时间有前有后，因此，将电梯在实际中的各种具体情况加以分类，做出分析，以便于编制程序。
1．电梯上行分析。
若电梯在上行过程中，某楼层有呼叫产生时，可分以下两种情况：
若呼叫层处于电梯当前运行层之上目标运行层之下，则电梯应在完成前一指令之前先上行至该层，完成该层呼叫后再由近至远的完成其他各个呼叫动作。
呼叫层处于电梯当前运行层之下，则电梯在完成前一指令之前不响应该指令。
前一指令执行完毕再响应
2. 电梯下行分析。
若电梯在下行过程中，楼层有呼叫产生时，可分以下两种情况：
若呼叫层处于电梯当前运行层之下目标运行层之上，则电梯应在完成前一指令之前先下行至该层，完成该层呼叫后再由近至远地完成其他各个呼叫动作。
若呼叫层处于电梯运行层之上，则电梯在完成前一指令之前不响应该指令，直至电梯重新处于待命状态为止。
3．综合分析
由以上各种分析可以看出，电梯在接受指令后，总是由近至远地完成各个呼叫任务。
电梯机制只要依此原则进行设计动作，就不会在运行时出现电梯上下乱跑的情况了。
在分析的同时，我们也知道了电梯系统中哪些是可人工操作的设备。
根据以上分析，下图2-1给出了4层楼电梯控制组态仿真界面。
下图的左半部分是电梯的内视图，其中包括1个楼层显示灯、开门按钮、关门按钮、1层到4层的呼叫按钮以及电梯的上升和下降状态指示灯等。
两扇电梯门打开后可以看到楼道的景象。
下图的右半部分是4层楼宇电梯的外观图，表示4层楼宇和1个电梯的轿箱。
在电梯的外视图中，1层有1个是呼叫按钮，4层有1个下呼叫按钮，2、3有上、下呼叫按钮各1个，每个呼叫按钮内有1个相应的指示灯，用来表示该呼叫是否得到响应。
轿箱的箱门和每层的电梯门都可以打开。
图2-1 轿厢内外按钮、显示布局示意图
2.3 电梯的控制要求
1.接受每个呼叫按钮（包括内部和外部的呼叫）的呼叫命令，并做出相应的响应。
2.电梯停在某一层（例如3层），此时按动该该层（3层）的呼叫按钮（上呼叫或下呼叫），则相当于发出打开电梯门命令，进行开门的运作过程；若此时电梯的轿箱不在该层（在1、2、4、5层），则等到电梯关门后，按照不换向原则控制电梯向上或向下运行。
3.电梯运行的不换向原则是指电梯优先响应不改变观在电梯运行方向的呼叫，直到有些命令全部响应完毕后才响应使电梯反向运行的呼叫。
例如现在电梯的位置在1层和2层之间上行，此时出现了1层上呼叫、2层下呼叫和3层上呼叫，则电梯首先响应三层上呼叫，然后再依次响应2层下呼叫和1层上呼叫。
4.电梯在每一层都有1个行程开关，当电梯碰到某层的行程开关时，表示电梯已经到达该层。
5.当按动某个呼叫按钮后，相应的呼叫指示灯亮并保持，直到电梯响应该呼叫为止。
6.当电梯停在某层时，在电梯内部按动开门按钮，则电梯门打开，按动电梯内部的关门按钮，则电梯门闭闭。
但在电梯行进期间电梯门是不能被打开的。
7.当电梯运行到某层后，相应的楼层指示灯亮，直到电梯运行到前方一层时楼层指示灯改变。
3控制系统的硬件设计
3.1PLC类型的选择
FX2N型可编程控制器是日本公司研制的一种新型可编程控制器。
较其他控制它工作可靠，功能强，存储容量大，编程方便，抗干扰能力强。
因此，能够满足电梯对电气控制系统的要求。
紧凑的结构,低廉的成本及功能强大的指令集使得FX2N成为各种小型控制任务理想的解决方案。
利用三菱FX2N可编程序控制器编写一个四层电梯的控制系统。
分别完成轿内指令、厅外召唤指令、楼层位置指示、平层换速控制、开门控制等控制任务。
FX2N型PLC在电梯中的应用也已很成熟。
PLC作为主控制器，一方面要采集电梯的各种输入信号，包括电梯的位置、状态、内外指令的按钮信号、门锁信号、门区信号、井道内的强迫减速信号、防冲信号以及消防信号等。
另一方面要把采集到的信号进行计算和处理给出电梯的楼层信号和速度信号，并驱动相应的开关门信号、方向继电器和抱闸继电器，以控制电梯的运行。
电梯的电力拖动系统对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速起着决定性作用。
驱动系统的优劣直接影响电梯的起动、制动、加减速度、平层精度、乘座的舒适感等指标。
所以我们的PLC选用日本三菱公司的FX2N型PLC以其可靠性高、运算速度快、产品成本低和电梯专用客制化服务等优点，PLC的输入输出点数可根据需要配置，并可根据用户的要求增加并联功能。
因高层电梯系统程序冗长本课题以编制一台4层4站的电梯为例，先根据控制要求计算所需要的I/O接口点数，其中输入点数为32，输出点数为24。
3.2电梯内部控制硬件设计
在电梯内部，有4个楼层（1-4层）按钮、开门和关门按钮以及楼层显示器、上升和下行显示器。
当乘客进入电梯后，电梯内有能让乘客按下的代表其要去目的地的楼层按钮，称为内呼叫按钮。
电梯停下时，具有开门、关门的功能，即电梯门可以自动打开，经过一定的延时后，又可自动关闭。
而且，在电梯内部也有控制电梯开门、关门的按钮，使乘客可以在电梯停下时随时地控制电梯的开门与关门。
电梯内部还配有指示灯，用来显示电梯现在所处的状态，即电梯是上升还是下降以及电梯处在楼层的第几层，这样可以使电梯里的乘客清楚地知道自己所处的位置，离自己要到的楼层还有多远，电梯是上升还是下降等。
3.3电梯外部控制硬件设计
电梯的外部共分4层，每层都应该有呼叫按钮、呼叫指示灯、上升和下降指示灯及楼层LED显示器。
呼叫按钮是乘客用来发出呼叫的工具，呼叫指示灯在完成相应的呼叫请求之前应一直保持为亮，它和上升指示灯、下降指示灯、楼层LED显示器一样，都是用来显示电梯所处的状态的。
4层楼电梯中，1层只有上呼叫按钮，4层只有下呼叫按钮，其余2层同时具有上呼叫和下呼叫按钮。
而上升、下降指示灯以及楼层显示
器4层电梯均相同。
3.4数码管的显示原理
数码管的显示是根据点亮不同的二极管而显示不同的数字。
一般单位二极管有10个引脚，二位二极管也是10个引脚，四位数码管是12个引脚。
关于具体的引脚及段，可根据其资料进行查询。
数码管根据其连接的不同可分为共阴极连接，如下图3-1所示其中图a，共阳极连接如图b。
单位数码管的引脚分布如图C。
其中，公共端叫做位选线，连接在一起的段线叫段选线。
数码管的显示分为静态显示和动态显示。
当多位数码管应用于某一系统是，他们的位选是可以独立控制的，而段选是连接在一起的，我们可以通过位选信号控制那个数码管亮，在同一时刻，位选选通的的所有数码管显示相同的数字。
因为他们的是连在一起的，所以这种显示叫做静态显示。
数码管的动态显示又叫动态扫描，它是在根据人的视觉效果（至少25次/秒），来让数码管进行动态显示。
图3-1 数码管显示原理图
3.5电气控制系统主回路原理图
根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图3-2所示。
图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1~KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。
FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。
FU1为熔断器，起过电流保护作用。
图3-2电气控制系统主回路原理图
3.6门机电路、抱闸电路、门锁及安全运行电路
图3-3为电梯的门机、抱闸、门锁及安全运行电路。
门电动机为他励直流电动机，可由KM9、KM10控制其正反转。
KM9接通时，电阻R2与电动机电枢并联，电流由电枢左端流向右端，电动机正转实现开门，压下SQ8时，R2部分被短接，实现开门调速。
KM10接通时，电动机将反转，实现关门，并由SQ9、SQ10与R3一起实现关门调速。
当电梯上下运行时，抱闸应打开，其线圈应通电。
电梯停止运行时，抱闸应抱死，其线圈应断电。
将所有厅、轿门开关串联在一起，控制门锁继电器KA1，实现全部门关闭后电梯才能运行的控制。
将安全窗开关、安全钳开关、限速器开关、轿内急停开关、上下强迫停止开关、基站开关梯开关以及热继电器触点FR1、FR2串联在一起，构成安全回路，控制安全运行继电器KA2，用KA2的触点控制PLC的RUN口，只有当该KA2吸合时，才允许PLC处于运行状态。
这样可以节省PLC的输入口，又可以实现在多种紧急情况下的立即停车。
图3-3电梯的门机、抱闸、门锁及安全运行电路
3.7PLC信号控制系统框图
系统核心为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
3.8I/O分配表
在编程过程中，遇到的I/O地址分配如下表3-1所示。
编程过程可能分为电梯内部和电梯外部两部分进行。
表3-1I/O分配表
输入符号
功能
输出符号
功能
XO
接上升按钮
Y0
电梯上升接触器线圈
X1
接下降按钮
Y1
电梯下降接触器线圈
X2
接开门按钮（梯内）
Y2
开门接触器线圈
X3
接关门按钮（梯内）
Y3
关门接触器线圈
X4
接于1楼指令按钮
Y4
接于1楼指令按钮灯
X5
接于2楼指令按钮
Y5
接于2楼指令按钮灯
X6
接于3楼指令按钮
Y6
接于3楼指令按钮灯
X7
接于4楼指令按钮
Y7
接于4楼指令按钮灯
X10
接钥匙式按钮（总开关）
Y10--Y13
接七段译码显示器的显示数据输入端（字形）
X11
接1楼行程开关
Y14--Y17
X12
接2楼行程开关
Y20
接1楼门口上升呼唤按钮灯
X13
接3楼行程开关
Y21
接2楼门口上升呼唤按钮灯
X14
接4楼行程开关
Y22
接3楼门口上升呼唤按钮灯
X15
接开门按钮（梯外）
Y23
接4楼门口下降呼唤按钮灯
X16
接关门按钮（梯外）
Y24
接3楼门口下降呼唤按钮灯
X20
接1楼门口上升呼唤按钮
Y25
接2楼门口下降呼唤按钮灯
X21
接2楼门口上升呼唤按钮
Y26
上升显示灯
X22
接3楼门口上升呼唤按钮
Y27
下降显示灯
X23
接4楼门口下降呼唤按钮
X24
接3楼门口下降呼唤按钮
X25
接2楼门口下降呼唤按钮
3.9PLC硬件接线图
根据上小节的信号控制系统框图可以进行如下PLC的硬件连接，具体如下图3-5所示。
图3-5PLC硬件接线图
图中Y20-Y26接数码管进行动态显示，Y4-Y7接各楼层指令按钮灯，Y12、Y10接两主接触器。
4控制系统的软件设计
4.1系统流程图
根据硬件设计我们就可以进行相应的流程图编辑，具体如下图4-1所示。
图4-1程序流程图
4.2PLC程序梯形图
1.预达楼层的程序
电梯内部的4个预达楼层呼叫按钮，指定的是电梯的运行目标。
在电梯未达到指定目标时，该层呼叫灯应一直有显示（为绿），因此驱动预达楼层呼叫按钮指示灯的继电器应该使用保持继电器。
另外，当电梯达到指定数层时，呼叫灯应灭掉，即保持继电器断开。
由此可得预达楼层的PLC梯形图程序。
2.电梯运行楼层的显示程序。
电梯运行到了哪一楼层，电梯内及楼层门口都有需要显示器显示。
运行楼层的显示是以电梯是否碰到行程开关来决定的。
同一楼层内显示同一个运行楼层数。
电梯接触到其上层或下层的行程开关时更换某一显示器的值，显示相应运行楼层数。
七段显示译码器采用Mc14495，其输入为需要显示数字的BCD码，输出为高电平有效的字形码，驱动共阴极数码管。
由于数码管耗电小，楼层门口的4个七段显示译码器采用Mc14495和电梯内的1个七段显示译码器采用Mc14495可并联接在PLC的字形输出点Y10—Y13上。
3.电梯内、外的电梯升降显示程序
Y0有输出时，接通上升所有上升指示灯（楼层门口的4个和电梯内的1个）。
Y1有输出时，接通下降所有下降指示灯（楼层门口的4个和电梯内的1个）。
4.电梯到达楼层后的停止程序
由于电梯有上升呼叫和下降呼叫，所以当呼叫方向与电梯运行方向相同时，电梯才能停止。
5.电梯的开、关门程序
电梯门的开、关门注意事项前面已介绍过。
以电梯的开门Y2程序为例说明。
首先，只有当电梯既不上升也不下降时才能进行开门。
即Y2才能有输出。
6.电梯外部操作与显示的PLC程序
电梯外部呼叫与内部呼叫是类似的。
一个呼叫灯的接通对应于相应的外部呼叫接通，其关闭条件为相应行程开关闭合，相应升降指示灯闭合。
另外，外部呼叫同样有保持特性，故也应使用保持继电器作为输出。
需要指出的是第一、第四层的呼叫是单向的，故其关闭条件也相应变为行程开关闭合“AND”电梯升降断开.
各部分功能梯形图如下图4-2所示：
图4-4程序梯形图
5电梯PLC的调试与安装
5.1模拟调试
模拟调试可以在输入端接上手动按钮，而在PLC的输出指示灯上看输出。
这种调试比较抽象，输入信号完全靠手动来控制。
如按下X4是三层内呼，如此时电梯不在三层，则对应输出指示灯亮，然后依次通过手动来控制接近开关按钮，到第三层时电动机停转，输出指示灯灭。
其它层的运行模拟调试同理。
5.2安装调试
安装调试过程是一个比较复杂且耗时间的过程，首先要确定器件型号。
选择器件型号除了要考虑机械设备、电压、电流外，还要考虑经济实用及美观问题。
内选、外召唤信号指示灯可统一使用24V，这样可以用一个电源供电。
不仅可以简化布线的繁杂，而且可以减少器件的使用，节省开支。
接近开关可用KCB—1型双稳态磁保开关，功率为100W，这种开关完全是靠磁性动作，不需电源。
这样不仅接线方便，而且可以节省一个电源。
变压器型号是
BK—50，主要用到24V和5V。
5V用在层楼显示上。
在正反转线路中，交流接触器型号是B—16型，此接触器线圈电压为220V，这是在购买接触器时特别注意的问题。
因为PLC输出外部电源不能超过250V，所以选用接触器线圈电压为220V的型号。
另外还有空气开关、热继电器、电动机等等，这里不必一一详述。
所有的器件都备好后，接下来就是安装。
主电路及PLC都装在控制柜内，这就要考虑到互相干扰的问题，主要是接触器、空气开关和PLC之间的干扰，所以要相隔一定的距离，在安装接近开关时还要考虑到一个动作范围，要确保轿厢正好在每层中间停靠。
按钮、指示灯或数码显示也按照同样原则接线。
所有的元器件都按照一定的编号安装好后，确保无误后，就可以调试了。
由于调试过程中，输入输出点比较多，且完成一个动作所涉及的开关、按钮、输出显示也比较多。
所以这里不一一说明。
只对动作中一部分加以说明。
5.2.1单指令运行调试
这是一种最简单的调试方法，检查所设计的程序在完成其最简单的控制功能时是否会发生错误。
若各种调试无错误，则再用复杂的方法进行调试。
单指令运行调试的具体内容如下：
假定电梯的轿厢在一楼，数码管显示为“1”，此时按下三楼的内指令按钮X5，三楼内指令显示Y35亮。
电梯关门后，开始上行，当轿厢上升到三楼后，数码管显示为“3”楼的内指令显示信号Y35消除。
5.2.2复杂运行调试
首先必须弄清楚各种按钮的常开与常闭触点。
布线时，一定要标号，以备维修查找方便。
线头不能过长也不能过短。
线头过长会碰到一起，引起短路。
线头过短，过细，固定牢靠性又成问题。
布线时还要考虑美观性。
一根线的布置不会有太多问题，但是成百上千根线就有美观性可言。
因此，接线槽、扎带、套管就成为必不可少的辅件。
交流输入输出信号与直流输入输出信号分别使用各自的电缆。
为了防止轿厢冲顶和蹲底，当电梯运行到顶层或底层时，可采取双重强迫停车。
结束语
此设计主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了对四层升降电梯的控制。
利用梯形图可以很直观的看出电梯运行过程。
利用可编程控制器控制升降电梯，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。
当建筑物的层楼增加时，硬件接线上只需增加楼层相应的输入信号。
原来的接线不需改变，软件上只需增加相应楼层的功能，要改动的地方也较少。
调试结果表明，在适应性、精确性和可靠性方面，到达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。
致谢
三年的大学生活已经快结束，在本专业的学习中使我掌握了不少专业知识，锻炼了自己。
毕业设计可以说是三年学习的总结和体现，在指导老师的指导和帮助下，我完成了这篇毕业设计通过本次设计，我受益匪浅，无论在学习还是生活中都保持认真的态度。
更重要的是，我更了解了有关可编程控制器的功能。
我选择这个设计，也是为了能更深刻的了解PLC。
做设计就要到现场调查研究收集资料，阅读文献，分析对比，设计计算，对每一个数据都要细心琢磨，理论和实践相结合，思考的越多，得到越多，不懂的问题也就解决了，独立工作能力逐渐增强，业务技术能力逐渐增强。
能很好的完成这次设计与老师的辛勤劳动和耐心细致地循循诱导分不开的，他们学识渊博，治学严谨，为指导我们搞设计，不辞辛劳，其严谨的治学作风和兢兢业业的工作作风是我们学习榜样，在此我表示深切的感谢。
谨向战崇玉老师表示感谢。
谨向所有任课老师致以衷心的感谢！
我们即将毕业，在此，再一次向三年中在学习和生活中给予过我帮助的老师和同学致谢。
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