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基于PLC的四层电梯的控制设计与分析
【摘要】
PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。
它应用大规模集成电路，微型机技术和通讯技术的发展成果，逐步形成了具有多种优点和微型，中型，大型，超大型等各种规格的系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多控制领域。
随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。
电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。
PLC在电梯升降控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。
由于PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。
在电梯升降过程中，各种逻辑开关控制与PLC很好的结合，很好的实现了对电梯的控制。
本文主要讨论研究利用三菱FX2NPLC对四层电梯的升降进行控制，形成电梯控制系统。
【关键词】：
PLC；四层电梯控制；可编程控制
引言
随着科学技术的进步，机电工业得到了飞速发展。
电梯作为典型的机电产品之一，是机械、电气紧密结合的大型复杂产品，在机电产品中非常具有代表性。
电梯是指用电力拖动，在垂直或垂直方向倾斜角不大于15°的两根导轨之间，运送乘客或货物的固定式运送设备。
电梯、手扶梯、自动人行道等都属于起重设备。
现代化的高层建筑已经越来越多，电梯已经成为人们在生活中重要的交通工具，作为高层建筑的运输服务设备，它给人们的生产和生活带来了极大的方便。
当今世界，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已经成为世界各国加快经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
数控设备的装调与维修一直是企业组织生产的重要环节，而其中数控机床的PLC控制技术为其关键技术之一。
由于传统的电梯以继电器作为中间过程控制的系统，所采用的元器件机电寿命短、动作复位和运行噪声大，基本不适应电梯使用条件和使用环境的要求，因此造成电梯的故障率高，可靠性差，运行效果不能令人满意。
随着建筑物对电梯功能要求的不断增加，先进技术不断应用于电梯中，使我国的电梯控制技术发生了跳跃式的进步，其中可编程控制器和微机对电梯的控制是电梯更趋向于智能化。
可编程控制器（又称PLC），是一种工业控制用微机，与一般微机比较，具有在恶劣条件下和强电一起工作，易于实现机电一体化，加之其程序编制简单、应用设计和调试简便及运行可靠、无故障时间长等显著优点，因此采用PLC取代传统继电器控制，已成为电梯运行管理控制的手段。
一、电梯的功能要求
（一）电梯的组成结构
电梯中广泛使用的机械传动形式为曳引传动，既以曳引轮作为驱动部件，曳引钢丝绳通过曳引轮，一端连接轿厢，一端连接对重装置，轿厢与对重装置的重力使曳引钢丝绳压紧在曳引轮绳，拖动轿厢和对重作上下相对运动。
既轿厢上升、对重下降，轿厢下降、对重上升。
1.曳引系统
曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮、曳引轮组成。
曳引机是电梯的主要拖动机械，其作用是生产并传送动力，驱动轿厢和对重上下与运行。
分为有齿轮曳引机和无齿轮曳引机。
2.轿厢系统
轿厢是乘客或货物的载体，是电梯的主要设备之一。
由轿厢架及轿厢体组成。
3.对重系统
对重系统也称重量平衡系统，位于井道内，通过曳引绳经曳引轮与轿厢连接。
包括对重平衡补偿装置。
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.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。
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
电梯电气控制系统是指对电梯运行实行操纵和监控的系统。
8.安全保护系统
电梯在运行过程中安全是首要问题。
电梯的安全保护系统有制动器、厅门、轿厢门门锁、安全触板、限速器、安全钳、缓冲器、中断保护、轿厢超速保护、轿顶安全栅栏、安全窗、供电系统保护及报警装置等。
（二）对电梯的控制要求
电梯的上升与下降，我们可以用图1-1的流程图简单的表达出来
图1-1电梯升降流程图
具体的控制要求如下：
1.电梯上行设计要求
a.当电梯停于1楼（1F）、2F或3F时，4楼呼叫，则上行到4楼停止；
b.电梯停于1F或2F时，3F或4F呼叫时，则上行到3F或4F停止；
c.电梯停于1F时，2F、3F或4F呼叫，则上行到2F、3F或4F停止；
d.电梯停于1F或2F时，3F、4F同时呼叫，电梯上行到3F停，门关继续上行到4F停止；
e.电梯停于1F时，2F、3F、4F同时呼叫，电梯上行到2F停，门关到3F停，门关继续上行到4F停止；
2.电梯下行设计要求
a.电梯停于4F、3F或2F时，1F呼叫，电梯下行到1F停止；
b.电梯停于4F或3F时，2F或1F呼叫，电梯下行到2F或1F停止；
c.电梯停于4F时，3F、2F或1F呼叫，电梯下行到3F、2F或1F停止；
d.电梯停于4F，3F时，2F、1F同时呼叫，电梯下行到2F停，门关下行到1F停止；
e.电梯停于3F时，2F、1F同时呼叫，电梯下行到2F停，门关继续下行到1F停止；
3.其他设计要求
a.电梯停于某一层，数码管应显示该层的楼层数；
b.电梯上、下行时，相应的标志灯亮；
c．电梯上行运行时以上面的信号优先；电梯下降运行时，以下面的信号优先；
d.在一个呼叫请求完成以前，不接收新的呼叫请求。
当故障报警信号有效时，任何动作都无效，指示灯灭。
二、基于PLC电梯电气控制系统设计的主要工作
采用PLC机取代传统电梯控制系统的中间过程控制继电器，一般应熟悉和做好以下工作。
1.系统设计根基确定的电梯拖动和控制方式及其他特殊要求，计算I/O点数和选择PLC机的型号规格，并设计、绘制电路原理和安装接线图。
2.设计PLC机梯形图程序采用PLC作为中间过程控制的电梯电气控制系统，电路原理图和安装接线图设计绘制完成后，还必须设计绘制与电路原理图对应的PLC梯形图程序，梯形图程序是PLC内各种软继电器的逻辑控制图，它的逻辑控制方式类似于中间过程控制继电器之间的逻辑控制电路图。
因此它是PLC控制电气系统设计工作的重要环节之一。
设计梯形图程序时，应按照PLC使用手册的提示，了解PLCI/O点分配、组合排列和代号，PLC内各种软继电器、数据区、通道的代号，常用指令的编程规则和代号等，只有搞清PLC的基本结构和常用基本指令，才能把梯形图程序设计好。
3.写入梯形图程序梯形图设计完成后，还需把梯形图程序写入到PLC的存储器中去。
写入梯形图程序的方法手段有多种，可以用计算机或盒式录放机，也可用于PLC配套的编程器。
写入程序之前，应按PLC使用手册的提示，掌握梯形图变为编程语句的操作和各个指令的使用场合及使用方法，才能把编写正确的语句写入PLC中，使其正常工作。
4.模拟试验检查把梯形图程序写入到PLC存储器中后，应进行模拟实验检查。
通常有两种做法：
a.只对PLC本身进行模拟试验检查。
b.把PLC装入控制柜中，待整个控制柜的配接线全部完成后再进行综合性模拟试验检查。
5.存储程序在对PLC或装有PLC的控制柜做模拟试验检查，确认一切符合要求后，如有必要可把程序存放在磁盘上做永久保存，以备需要时再调入到PLC的存储器中。
可提高工作效率，也可减少不必要的差错。
三、I/O分析与PLC型号的确认
（一）输入输出设备分析
I/O点数随电梯层数的不同而不同，一般来讲，输入点较输出点多，输出为继电器输出。
1.输入点来自电梯各部分有
a.轿内指令按钮：
位于轿厢内的操纵箱上，每层的指令按钮均对应一个输入点。
b.厅外召唤按钮：
除底层和顶层个有一个输入点外，其他每层各两个输入点。
c.层楼感应器：
井道每一层的感应器均对应一个输入点，该点信号用于定向、选层，轿厢内指令、厅外召唤信号的控制和指层电路。
e.平层感应器：
上下平层感应器和门区感应器各对应一个输入点。
f.开关门：
有厅门、轿厢门电气触电开关（用于保证电梯厅门、轿厢门都关好，开关接通时电梯才能运行）、开关门极限开关，手动开关门按钮各对应有输入点。
g.其他有超载、上下极限、司机/检修方式等开关或触电都对应有输入点。
2.输出点有
a.上、下行接触器。
b.快、慢速接触器。
c.加速接触器。
d..各级减速接触器。
e.开关门继电器。
f.层楼指示灯。
g.电磁制动器线圈等。
（二）PLC选型及I/O分配
1.PLC选型
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。
用户控制程序所需内存容量与内存利用率、输入/输出点数、用户的程序编写水平等因素有关。
因此,在用户程序编写前只能根据输入/输出点数、控制系统的复杂程度进行估算。
本文所要用的输入输出点数64点足够，所以选择PLC的型号为FX2N-64MR。
2.I/O分配表
根据上面的分析可知，I/O分配表如表2-1所示如下。
表2-1I/O分配表
输入点
X0
编码器B相输入
X16
直驶开关
X1
编码器A相输入
X17
一楼按钮
X2
计数复位输入
X20
二楼按钮
X3
开门按钮
X21
三楼按钮
X4
关门按钮
X22
四楼按钮
X5
一楼上升
X23
门开到位
X6
二楼上升
X24
门关到位
X7
二楼下降
X25
限速器开关
X10
三楼上升
X26
门触板开关
X11
三楼下降
X27
门力矩开关
X12
四楼下降
X30
警铃按钮
X13
自动/手动
X31
急停按钮
X14
慢上按钮
X32
超速演示
X15
慢下按钮
输出点
Y0
制动
Y14
快速
Y1
下降
Y15
中速
Y2
报警警铃
Y16
慢速
Y3
到层提示音
Y17
上升
Y4
一楼上指示灯
Y20
上升指示
Y5
二楼上指示灯
Y21
下降指示
Y6
二楼下指示灯
Y22
一楼按钮灯
Y7
三楼上指示灯
Y23
二楼按钮灯
Y10
三楼下指示灯
Y24
三楼按钮灯
Y11
四楼下指示灯
Y25
四楼按钮灯
Y12
楼层显示A
Y26
开门
Y13
楼层显示B
Y27
关门
数据寄存器
D1226
脉冲计数记忆值
D1242
三楼平层上限
D1228
二楼脉冲记忆
D1244
至三楼上升减速
D1230
二楼平层下限
D1246
至三楼下降减速
D1232
二楼平层上限
D1248
四楼脉冲记忆
D1234
至二楼上升减速
D1250
四楼平层下限
D1236
至二楼下降减速
D1252
四楼平层上限
D1238
三楼脉冲记忆
D1254
至四楼上升减速
D1240
三楼平层下限
D1256
至四楼下降减速
计数器
C252
高速计数器过程值
C100
报警复位
时间继电器
T1
主机升降延时
T7
主机上平层延时
T2
主机报警辅助
T8
主机下平层延时
T3
主机开门时间
T9
主机直驶辅助1
T4
主机开门延迟
T10
主机直驶辅助2
T5
主机开门延迟1
T11
主机到层提示延时
T6
主机状态保持时间
T13
主机平层延时
中间继电器
M0停止
M26关门力矩保护
M53三楼平层
M80慢速
M1上升
M27开门力矩保护
M54四楼平层
M81中速
M2下降
M30上电平层
M55一楼上
M82快速
M3慢速
M31超速保持
M56二楼上
M83一楼
M10开门
M32平层延时辅助1
M57三楼上
M84二楼
M11关门
M33平层延时辅助2
M60二楼下
M85三楼
M12
M34上升减速
M61三楼下
M86四楼
M13上升状态
M35下降减速
M62四楼下
M87下降响应
M14下降状态
M36上下状态保持
M64自动上升至2.3.4楼
M90上升响应
M15任务完成
M41自动平层
M65自动下降至1.2.3楼
M91厢内任务完成
M16楼层符合
M42一楼平层
M66轿厢一楼按钮
M92测试自动运行
M17快速上升
M43二楼平层
M67轿厢二楼按钮
M120二楼上
M20快速下降
M44三楼平层
M70轿厢三楼按钮
M121三楼上
M21上平层辅助
M45四楼平层
M71轿厢四楼按钮
M122二楼下
M22下平层辅助
M46上升状态保持
M72一楼呼叫
M123三楼下
M23报警
M47下降状态保持
M73二楼呼叫
M24开门保持
M51一楼平层
M74三楼呼叫
M25开门辅助
M52二楼平层
M75四楼呼叫
四、电梯PLC控制各主要部分程序设计
（一）平层控制
本电梯的平层是由编码器来实现的，如下图4-1所示。
当PLC寄存器中的数据被擦掉或损坏通过以下方式重新输入：
1.输入前把电梯停在一楼
2.将手动自动开关置于手动状态，急停和直驶开关断开。
然后按慢上慢下调节一楼平层。
3.慢上将轿厢上升到二楼附近调节二楼平层。
平层关门后同时按下第盘上操作面板个的“二楼”和警铃按钮。
再按一次消除警报。
同样的方法调节“三楼”和“四楼”的平层。
4.平层调好后，若电梯不响应呼梯信号，手动开门一次或断电再上即可。
若其响应呼梯信号但到层不开门，手动开门关门。
运行一圈后便能正常运行。
图4-1平层控制梯形图
主要指令释义：
传送指令MOV、（D）MOV（P）指令的编号为FNC12，该指令的功能是将源数据传送到指定的目标。
如图4-2所示，当X0为ON时，则将[S.]中的数据K100传送到目标操作元件[D.]即D10中。
在指令执行时，常数K100会自动转换成二进制数。
当X0为OFF时，则指令不执行，数据保持不变。
图4-2传送指令的应用
使用应用MOV指令时应注意：
a.源操作数可取所有数据类型，标操作数可以是KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z。
b.16位运算时占5个程序步，32位运算时则占9个程序步。
DMOV为32位的数据传送指令，（DMOVC252D1228）意思是当指令执行时将C252中的当前值传送给D1228。
（二）上升及下降减速控制
如图4-3所示，此程序是控制电梯上升和下降减速，而电梯上升或下降减速的位置是由编码器控制的，减速位置是由原先各楼层平层记忆脉冲减去400（上升）或加上300（下降）得出的值就是减速位置。
而在电梯上升或下降过程中由高速计数器提供的过程值与目标楼层减速位置作比较，当符合减速要求时M34或M35置1，M3置1使变频器改变频率使电机转速下降，从而达到上升减速或下降减速。
图4-3轿内指令控制梯形图
主要指令释义：
1.加法指令ADD
加法指令ADD、（D）ADD（P）指令的编号为FNC20。
它是将指定的源元件中的二进制数相加结果送到指定的目标元件中去。
如图4-4所示，当X0为ON时，执行（D10）+（D12）→（D14）。
图4-4加法指令的应用
2．减法指令SUB
减法指令SUB、（D）SUB（P）指令的编号为FNC21。
它是将[S1.]指定元件中的内容以二进制形式减去[S2.]指定元件的内容，其结果存入由[D.]指定的元件中。
如图4-5所示，当X0为ON时，执行（D10）—（D12）→（D14）。
图4-5减法指令的应用
使用加法和减法指令时应该注意：
a.操作数可取所有数据类型，目标操作数可取KnY、KnM、KnS、T、C、D、V和Z.。
b.16位运算占7个程序步，32位运算占13个程序步。
c.数据为有符号二进制数，最高位为符号位（0为正，1为负）。
d.加法指令有三个标志：
零标志（M8020）、借位标志（M8021）和进位标志（M8022）。
当运算结果超过32767（16位运算）或2147483647（32位运算）则进位标志置1；当运算结果小于-32767（16位运算）或-2147483647（32位运算），借位标志就会置1。
电梯程序中指令解释为：
DSUB为32位的减法运算指令，（DSUBD1228K400D1234）意思是指令执行时将D1228中的数据减去400，把得到的数放到D1234中去。
DADD为32为的加法指令，（DADDD1228K300D1236）意思是将D1228中的数据加上300，把得到的数放到D1236中去。
3.比较指令
（D<=C252D1234）意思是比较C252中的数与D1234中的数，如过小于等于就执行，大于就不执行,此为触点比较指令。
关于比较指令，除触点比较外，还有CMP（比较）和ZCP（区间比较）二条。
本文没有应用CMP（比较）和ZCP（区间比较），但也做了一些研究：
a.比较指令CMP、（D）CMP（P）指令的编号为FNC10，是将源操作数[S1.]和源操作数[S2.]的数据进行比较，比较结果用目标元件[D.]的状态来表示。
如图4-6所示，当X1为接通时，把常数100与C20的当前值进行比较，比较的结果送入M0～M2中。
X1为OFF时不执行，M0～M2的状态也保持不变。
图4-6CMP比较指令
b.区间比较指令ZCP、（D）ZCP（P）指令的编号为FNC11，指令执行时源操作数[S.]与[S1.]和[S2.]的内容进行比较，并比较结果送到目标操作数[D.]中。
如图4-7所示，当X0为ON时，把C30当前值与K100和K120相比较，将结果送M3、M4、M5中。
X0为OFF，则ZCP不执行，M3、M4、M5不变。
图4-7ZCP区间比较指令
（三）电梯上升控制
如图4-8所示此程序是关于电梯上升控制，而电梯上升的执行首先的必要条件是当上下状态保持、下降状态保持没有接通的情况下，以及电梯不在四楼时。
即M36闭合；电梯不是下降状态，急停按钮没有被接通，任务没有完成。
1.当电梯位于一楼时，按下轿厢内二、三、四楼的指令按钮或者在厢内任务完成的情况下，按下二楼上、三楼上、四楼下的轿外呼叫按钮，在直驶开关没接通的状态下都可以使电梯处于上升状态。
2.当电梯位于二楼时，按下轿厢内三、四楼的指令按钮或者在厢内任务完成的情况下，按下三楼上、四楼下的轿外呼叫按钮，在直驶开关没接通的状态下都可以使电梯处于上升状态。
3.当电梯位于三楼时，按下轿厢内四楼的指令按钮或者在厢内任务完成的情况下，按下四楼下的轿外呼叫按钮，在直驶开关没接通的状态下都可以使电梯处于上升状态。
4.当厢内任务完成时，上升响应接通时，也可以使电梯处于上升状态。
5.当自动/手动开关处于手动状态时，在慢上按钮闭合的情况下可以使电梯处于上升状态。
图4-8电梯上升控制梯形图
（四）开门控制
如图4-9所示，此程序是关于开门的，如果要实现此程序的功能，首先当电梯处于自动状态而且没有任何动作时，按下开门按钮可以使开门辅助继电器M10接通。
在电梯所有的任务完成的情况下，开门按钮接通，使得开门辅助继电器M10接通。
T4接通且处于自动状态，以及门触板开关接通门没有关到位时都可以使得M10接通。
在电梯停于任一平层，使相应楼层的轿外呼叫触点闭合，可以使得M10接通。
当关门力矩保护触点被接通时，可以让电梯进行重新开门，即让M10接通。
在M10被上升沿脉冲导通时，辅助继电器M130被接通，使得M10继续处于接通状态。
图4-9电梯开门控制梯形图
总结
本论文主要阐述了了电梯的组成和工作原理，介绍了三菱FX系列PLC是如何控制电梯的升降和减速与各种运动方式，阐述了电梯维修测试的操作过程及各种安全注意事项。
我认为这个电梯设计包括程序的设计都有许多可以改进的地方，比如外部元器件的选择，PLC怎么能更简便的控制来完成所要求的动作，但由于本人的知识有限，所以无法更精确，更完整的完成这个要求。
在还没有做毕业论文之前，我认为这也就是一个大一点的作业而已，但当我开始接触毕业论文时，我才发现这不仅仅只是一个作业，从这次的毕业论文中我发现了自己的很多的不足之处，我也发现了自己的知识是如此的匮乏，我才知道：
很多东西不是我们从课本上就可以学得到的，我们要在自己的实践中去学习，从生活中却学习，这样我们才可以不断的提高自己。
参考文献
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谢辞
毕业论文终于完成了，历时一个月之久，在这段时间之中我为自己的论文付出了很多的努力，如今心里有说不出的高兴。
欣慰之余，心里也感到丝丝的沉重，因为毕业论文的完成也预示着我的大学生涯也即将结束了，要离开我喜爱的同学，敬爱的老师了。
我愿在未来离开学校工作的过程中，始终牢记老师的谆谆教诲，记住老师严谨的教学态度，这是我以后工作上的榜样。
我要向老师一样，在工作中，保持严谨稳重的态度，有着积极向上的生活态度。
在次，再次向他们表示我最诚挚的谢意，我将以最大的热情投入到工作中，以报答所以帮助我过的老师和同学。
最后，还要谢谢培养了我三年的母校——苏州工业职业技术学院，以及精密制造系的各位老师，以及关心过我，帮助过我的同学，在此，说声谢谢！
附录（PLC控制四层电梯的梯形图）
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