基于PLC的六层电梯控制系统毕业设计.docx

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基于PLC的六层电梯控制系统毕业设计

基于PLC的六层电梯控制系统

【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。

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。

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.

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

Keywords:

Elevator,PLC,LadderDiagram

目　录

前言

近年来我国的经济飞速发展，人民生活水平的迅速梯高，工作居住条件得到了巨大的改善。

电梯作为建筑物内的垂直交通运输工具，与人们的生活息息相关。

传统的电梯曳引电动机采用接触器来实现电动机工作状态的改变，另外，传统的电梯控制系统由继电器接触器控制逻辑组成，存在着电气元件多、功能弱、电气故障频繁，可靠性差和工作寿命短等缺陷。

可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。

鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。

同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速，不仅能满足乘客的舒适感和保证平稳的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。

因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行列的一个热点。

本课题的研究题目——“基于PLC的电梯控制系统的设计”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。

达到的要求是：

通过深入的理论研究和编程实践，全面认真的完成上述几个内容。

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。

1.绪论

1.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题

1.1.1电梯继电器控制系统的优点

（1）所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。

（2）系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。

（3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格便宜。

（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉掌握的人员较多。

1.1.2电梯继电器控制系统存在的问题

（1）系统触点繁多接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，

因而故障率较高。

（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的

控制功能不易增加，技术水平难以提高。

（3）电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度

难以提高。

（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。

（5）由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；而且检查故障困难，费时费工。

电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊扰。

且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。

1.2PLC及其在电梯控制中的应用特点

1.2.1PLC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

1.2.2PLC控制电梯的优点

（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。

（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。

（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。

（4）PLC可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。

（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。

（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。

此外，微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷而没被广泛采用。

PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。

1.3课题的提出

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。

1.4课题的主要讨论内容

课题所研究的内容主要是用可编程控制器（PLC）改造在用电梯自动控制系统。

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。

论文的主要内容如下：

首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的总结和介绍。

接着阐述了电梯控制系统的分类及特点，电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分。

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。

1.5电梯的功能要求

（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

（7）电梯启动、运行、到站实现速度的调节。

（8）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。

2.三菱FX2N系列可编程序控制器介绍

2.1.可编程控制器的基础认识

1.三菱FX2NPLC的主要特点：

1）集成型高性能。

CPU、电源、输入输出三为一体。

对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。

2）高速运算

基本指令：

0.08μs／指令

　应用指令：

1.52～几百μs／指令

3）安全、宽裕的存储器规格

　内置8000步RAM存贮器

　安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。

4）丰富的软元件范围

　辅助继电器：

3072点，定时器：

256点，计数：

235点

　数据寄存器；8000点

5）除了具有输入输出16～256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。

6）面向海外的产品适合各种安全规格

　为大量实际应用而开发的特殊功能：

　开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要----模拟I／O，高速计数器。

对每一个FX2N主单元可配置总计达8个特殊功能模块。

2.PLC的性能指标和分类

1）PLC的主要性能指标

（1）输入／输出点数（I／O点数）

I／O点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。

它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。

（2）存储容量

存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16位即一个字为一步。

（3）扫描速度

一般以执行1000步指令所需时间来衡量，单位为ms/k步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用µs/步。

（4）功能扩展能力

可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如A／D模块、D／A模块、位置控制模块等。

（5）指令系统

指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和，它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。

2）PLC的分类

通常，PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。

按结构形式不同,可以分为整体式和模块式两类。

按控制规模大小、则可以分为小型、中型和大型PLC三种类型。

3.PLC系统的组成

PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。

PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。

1）PLC的硬件结构

一套PLC系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入／输出接口、内部电源）、I／O扩展单元及外部设备组成。

2）PLC的软件

PLC的软件系统指PLC所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。

系统程序：

包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。

用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。

2.2可编程序控制器的工作方式

1.PLC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。

2.3PLC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。

本课题所采用的编程语言为梯形图语言。

（1）.可编程序控制器与继电器、微机在电梯控制中的应用比较

在电梯的电气系统中，逻辑判断起着主要的作用，其控制系统必须起动各种控制信号和执行元件（如接触器、继电器、发光指示器、电动机以及电子元件、电力电子器件等），要达到这些控制目的，其方法有：

1.继电器—接触器控制系统

这种控制系统是早期电梯多采用的一种控制系统。

优点：

与其它控制系统比较，其简单、易于理解和掌握、价格便宜。

缺点：

动合触点易磨损，且电接触不良；体积大；控制系统耗能大、动作噪声大；维修保养工作量大、费用高。

因此这种控制系统仅用于速度不高、性能要求也不高的电梯中。

2.微机控制系统

电梯的微机控制系统实质上是使控制算法不再由硬件逻辑完成，而是通过程序存贮器中的程序来完成的控制系统。

因此对于有不同功能要求的电梯控制系统，只要改变程序存贮器中的程序指令即可，而无需变更或增减硬件系统的元件或布线。

因此，十分方便于使用和管理，并提高系统的可靠性，减小控制系统体积，降低了能耗及其维修保养费用。

虽然微机控制的电梯，与继电器控制的电梯比较，它具有较大的优越性。

但是，对一般的电梯而言，应用微机控制也有其局限性和不足之处。

其缺点是：

微型计算机是按数字运算的需要而设计的，功能比较齐全，结构比较复杂；而一般的电梯控制只需要进行简单的逻辑运算，运算方式多为“与”、“或”、“非”几种，运算位数只需1位，即“1”与“0”。

因此，使用微机就有“大材小用”之嫌。

此外，微机的接口电路没有标准件，而且一般不控制强电。

但在电梯控制中，往往要求能直接控制110V或220V的用电设备，如用户专门配备接口电路既不方便又不可靠。

综上所述，造成用微机控制的成本、运行和维修费用均较高，因此，如在一般的电梯上使用微机控制在经济上不合算。

3.PLC控制系统

PLC充分利用了微型计算机的原理和技术，保留计算机控制的优点，而克服了它的缺点。

它具有强大的生命力，各工业部门纷纷用它来改造旧有的电梯控制电路，取得了明显的效果。

总之，PLC是采用微机技术制造的通用自动控制设备，它能控制开关量、模拟量、具有可靠性高、抗干扰能力强、并具有完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术、运算等功能，可以取代继电器为主的各种控制设备。

它不仅能用于控制机械设备、流水线和各种设备的运行过程，将PLC用于控制电梯各种操作和处理相关信息也是可行的。

3.电梯设备及电梯发展动态

3.1电梯的出现及发展

1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明---历史上第一部安全升降梯。

从那以后，升降梯在世界范围内得到了广泛应用。

以奥的斯的名字而命名的电梯公司也开始了她辉煌的旅程。

150年以来，她已经发展成为世界、亚洲和中国领先的电梯公司。

自从我国实行改革开放政策以来，全国各地高层建筑不断涌现，作为高楼的垂直交通工具―电梯，其需求量日益增长。

各种类型、规格繁多的电梯已在高楼内投入运行。

为了确保电梯正常运行、安全使用，必须要了解电梯、熟悉电梯、管理电梯、维护好电梯。

20世纪初，美国出现了曳引式电梯，其结构如图1-1所示，从图中可见，钢丝绳悬挂在曳引轮上，一端与轿厢连接，而另一端与对重连接，随曳引轮的转动，靠钢丝绳与曳引轮槽之间的摩擦力使轿厢与对重作一升一降的相反运动。

显然，钢丝绳不用缠绕，因此钢丝绳的长度和股数均不受限，当然轿厢的载重以及提升高度就得到了提高，从而满足了人们对电梯的使用需求。

因此，近一百年来，曳引式电梯一直受到重视，并发展沿用至今。

图3-1曳引式电梯示意图

在后来的几十年里，电梯的自动平层控制系统以及1—轿厢2—曳引轮3—对重通过变换电动机极数的调速方法来调整电梯的运行速度的技术相继研制成功，1933年世界上第一台运行速度为6m/s的电梯被安装在美国纽约的帝国大厦。

第二次世界大战后，建筑业的发展促使电梯进入了高峰发展时期，代表新技术的电子技术被广泛应用于电梯领域的同时，陆续出现了群控电梯、超高速电梯、交流变频变压调速电梯。

随着电力电子技术的发展，晶闸管变流装置越来越多地用于电梯系统，使电梯的拖动系统简化，性能提高。

同时交流调压调速系统的研制和开发，使交流电梯的调速性能有了明显的改善。

进入20世纪80年代，通过控制电动机定子供电电压与频率电梯运行速度的调压调频技术研制成功，出现了交流变压变频（VVVF）调速电梯，开拓了电梯拖动的新领域。

1993年，日本生产了12.5m/s的世界高速交流变压变频调速电梯，结束了直流电梯独占高速领域的历史。

电梯发展的今天，在使用需求和新技术应用方面都进入到全面发展时期，随着智能化、信息化建筑的兴起与完善，要求电梯不只是完成垂直运输的基本功能，还应以人为本提高舒适度