电梯自动控制系统设计.docx
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电梯自动控制系统设计
远程与继续教育学院
本科毕业论文（设计）
题目：
电梯自动控制系统设计
学习中心：
兰州
学号：
59F31093005
姓名：
潘旭
专业：
电气工程及其自动化
指导教师：
李双科
2011年9月20日
中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院
本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表
学生姓名：
潘旭学号：
59F31093005专业：
电气工程及其自动化
毕业设计（论文）题目：
电梯自动控制系统设计
指导教师意见：
（请对论文的学术水平做出简要评述。
包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。
还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。
）
指导教师结论：
（合格、不合格）
指导教师
姓名
所在单位
指导时间
中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院
本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表
学生姓名：
潘旭学号：
59F31093005专业：
电气工程及其自动化
毕业设计（论文）题目：
电梯自动控制系统设计
评阅意见：
（请对论文的学术水平做出简要评述。
包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。
还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。
）
修改意见：
（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见）
毕业设计（论文）评阅成绩（百分制）：
评阅结论：
（同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）
评阅人姓名
所在单位
评阅时间
论文原创性声明
本人郑重声明：
本人所呈交的本科毕业论文《电梯自动控制系统设计》，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。
论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。
对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。
本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。
论文作者（签字）：
潘旭
日期：
2011 年 9 月 20 日
摘要
现代化的高层建筑离不开电梯，随着国民经济的高速发展和多功能现代化的建筑群不断涌现，全社会使用电梯的数量正在迅速增加。
电梯已成为人们日常工作和生活中极为重要的交通工具，电梯是一种垂直起重运输设备，又是比较复杂的机电一体化的大型工业产品，它既有完善的机械专用构造，又有复杂的电气控制系统。
电梯的控制系统随着科学技术的发展不断进步。
国内电梯控制系统过去大多是采用继电器控制电路，即继电器逻辑电路，存在功能弱、故障多、寿命短等缺点。
因此我们设计采用性能优越的可编程序控制系统对电梯进行自动控制。
可编程序控制器是计算机技术与继电器逻辑控制概念相结合的一种新型的工业自动化装置，它具有可靠性高、使用方便、抗干扰能力强、体积小、能耗低、适应范围广等特点。
这次设计的是可编程序控制器对电梯的自动控制，主要包括对可编程序控制器的介绍，对电梯发展史的概括以及对电梯硬件系统和软件系统的说明与编制。
实践表明用可编程序控制器对电梯进行控制优于传统的继电器控制方法。
目前，我国已经广泛采用可编程序控制器来控制电梯，其性能有很大改善。
这次设计采用可编程序控制器实现电梯控制系统的软件和硬件的设计，以及电梯的可编程序控制器控制方案和可编程序控制器输入、输出信号的确定，并完成电梯的可编程序控制器控制系统的程序设计来实现对电梯的自动控制。
关键词：
可编程序控制器;电梯;自动控制
第1章引言
这次设计主要完成电梯的PLC控制系统的设计。
这次设计采用FX2N-80MR可编程序控制器实现电梯控制系统的软件和硬件的设计，以及电梯的可编程序控制器控制方案和可编程序控制器输入、输出信号的确定，并完成电梯的可编程序控制器控制系统的程序设计来实现对电梯的自动控制，还有电力拖动系统的设计。
电力拖动系统主要包括电梯垂直方向主拖动电路和轿厢开关门电路。
电梯垂直方向主拖动电路采用OMRON变频器控制电动机，来达到调速的目的。
为使电梯门在启闭过程中达到快、稳的要求，必须对自动门机系统进行速度调节，所以用小型直流伺服电动机，通过电阻的串、并联方法调速。
电气控制系统则由众多呼叫按钮、指层传感器、控制用继电器、平层装置、指示灯、LED七段数码管和控制部分的核心器件（PLC）等组成。
PLC集信号采集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。
我国电梯事业的发展虽起步较晚，但改革的不断深入促进了电梯行业的高速发展，现在无论是在电梯的制造还是使用上，我国已成为世界上的电梯大国。
早在1992年我国电梯拥有量就已居世界第四位，美国装有电梯约50万台，德国约为45万台，日本约为35万台，我国装有电梯在12万台以上。
电梯生产数量现居世界第三位，仅次于美国和日本。
尤其值得一提的是，在上海、北京、天津、广州等地建立起了一系列的中外合资电梯制造公司，使电梯的控制和驱动技术达到了国际先进水平，先后向市场推出了一批能耗小，效率高，速度快，平层和舒适度好的交流调速电梯，直流高速电梯（包括机体控制电梯），我国较有影响力的电梯公司有：
中国迅达电梯公司、天津奥的斯公司、广州电梯工业公司等。
随着科技的进步，微电脑、微处理机在电梯控制系统中得到了广泛的应用，代替了传统的数量众多的继电器、接触器控制系统，调频调压的交流调速电梯也有了突飞猛进的发展。
这次设计就是采用变频器来实现主拖动电动机的变频调速。
第2章PLC的基本概念
可编程序控制器（ProgrammableLogicController）是计算机家族中的一员，是以微处理器为基础的新型工业控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的崭新产品。
可编程序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，用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械运转或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都是按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。
2.1PLC的由来
在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。
当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。
随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装十分费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。
为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：
（1）编程方便，现场可修改程序；
（2）维修方便，采用模块化结构；
（3）可靠性高于继电器控制装置；
（4）体积小于继电器控制装置；
（5）数据可直接送入管理计算机；
（6）成本可与继电器控制装置竞争；
（7）输入可以是交流115V；
（8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；
（9）在扩展时，原系统只要很小变更；
（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。
到1971年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。
这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。
1971年日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。
1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。
我国从1974年开始研制，于1977年开始工业应用[1]。
2.2PLC的定义
PLC问世以来尽管时间不长，但发展迅速。
为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController）,并给PC作了如下定义：
“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。
用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。
一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。
”以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：
“可编程序控制器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。
可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
总之，可编程序控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但可编程序控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制[2]。
2.3PLC的特点
PLC实际上是一种工业计算机，是专为工业环境下应用而设计的，它以先进的计算机技术来满足工业生产用户的实际需要，于是它具有以下对用户至关重要的特点。
2.3.1可靠性高
由于工业生产的环境条件远比通用计算机所处的环境差，所以要求PLC具有很强的抗干扰能力，并且应能在笔比较恶劣的环境中（如高温、过电压、强电磁干扰和高湿度等）长期可靠运行，它的平均无故障时间可达30万小时以上。
究其原因主要采取了以下措施。
（1）硬件方面
①屏蔽
屏蔽有两种：
一类是对变压器采取磁场和电场的双重屏蔽，此时要用既导磁又导电的材料作屏蔽层；另一类是对CPU和编程器等模块只作电场屏蔽，此时可用导电的金属材料作屏蔽层。
②滤波
在PLC系统中的I/O接口处，常会引入现场或空间的高频干扰信号，因此在PLC的I/O模板上都是采用C－R滤波器，它不仅可滤去来自外界的高频干扰，同时也可削弱各模块之间的信号耦合。
③隔离
在PLC系统中，CPU与各I/O回路之间（主要指数字接口）设有光电耦合器作隔离，以防止外界的地线和其它干扰信号影响CPU的正常工作，或导致CPU损坏。
④电源
PLC中的电源，尤其是为CPU模板供电的正5V电源，都是具有很强的抗电网电压波动和高频扰动的能力，同时还具有过电压、过电流等保护措施，以防止PLC的损坏。
⑤模块式结构
PLC通常是采用积木式的模块结构，目的是便于用户检修，当一块模板发生故障时，只需拆卸一块故障模板，用一块好的模板替换它，就能保证系统正常运行。
在模板上还设有故障检测电路，并用相应的指示仪器标志它的状态，使用户很快确定故障模板的位置。
⑥环境的检测和诊断电路
这部分电路负责对PLC的运行环境状态检测（如电网电压、工作温度、环境的湿度等），同时也完成对PLC中各模块的工作状态的检测。
（2）软件方面：
①软件与精简的配合
它能定时对外界的工作环境状态检测（如电网掉电、过压、欠压和强电磁干扰等），以便在有异常情况下可及时处理。
②工作信号的保护
PLC在受到强干扰而导致工作进程混乱甚至停止时，如果PLC的引见系统受损，则在强干扰消失后，PLC应能继续工作。
PLC在受到强干扰时，它的保护软件应迅速将当前的工作状态和有关信息存放到磁性的或由其他电源（如电池）供电的存储器中去，以便在强干扰消失后，PLC就知道从这种存储器中取出这些信息，从而继续完成因强干扰而中断的工作。
③扫描方式
PLC是以扫描方式进行工作的，即PLC对信号的输入、数据的处理和控制信号的输入分别在一个扫描周期的不同时间间隔里以批处理方式进行，因此不仅使用户编程简单、不易出错，而且不易使PLC的工作受到外界的干扰的影响；同时所处理的数据比较稳定，以减少处理上的错误；另外输入输出的控制比较简单，不容易产生因时序不合适造成的问题。
2.3.2使用方便
（1）编程方便
PLC的设计是面向控制过程，面向企业中的一般电气工程技术人员，因此在做PLC的操作系统和编程语言设计时，采用类似继电器电路的梯形图编程方法，这种编程方法不仅具有对控制过程和清晰的直观感优点，而且编程方法简单易学，不容易出错。
尤其重要的是现在的电气人员对继电器控制电路比较熟悉，所以无论是设计生产线，还是改造原有设备，他们都非常容易使用和推广PLC，使PLC得以迅速发展和应用。
（2）操作方便
在PLC上编程时经常只使用数量有限的专用键，操作非常方便，一般编程人员不需要具有专门的计算机知识，只需要经过不长时间的培训即可掌握编程方法。
在PLC运行过程中，PLC的板面上显示有生产过程中用户感兴趣的各种状态和数据，使操作人员做到心中有数，即使在出现故障甚至事故时，也能及时处理。
（3）维修方便
现在的PLC一般都或多或少的具有一定的故障自诊断能力和PLC运行过程的监控能力，所以系统出现故障时，维修人员往往可通过各种异常状态的指示或自诊断结果的显示，比较快的确定故障的位置，以便迅速处理和修复。
譬如PLC都具有I/O通道的状态指示、RAM后备电池的转台显示、存储器数据的奇偶检测结果的显示、数据通信异常和PLC中内部电路运行异常等显示。
2.3.3通用性强，适应性强
由于PLC的系列化和模块化，硬件配置相当灵活，可以组成能各种满足各种控制要求的控制系统。
硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
PLC的输入输出端可以直接与AC220V或DC24V的强电信号相接，它还具有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器的线圈。
2.3.4体积小，能耗低
以三菱的FX2N型为例，其底部尺寸仅为90mm×75mm,由于体积小，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。
2.3.5系统的设计、安装调试工作量小
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中的大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输出信号的状态可以观察PLC上的有关发光二极管，调试好后再将PLC安装现场调试。
调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，调试花费的时间比继电器系统少得多[3]。
2.4PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
可编程序控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块、编程器和电源组成。
（1）CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微处理器（CPU）和存储器组成。
CPU才用扫描方式工作，每一次扫描要完成，输入处理，程序执行，输出处理三项工作。
CPU模块的工作电压一般是5V。
PLC的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
系统存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM，用户存储器常有CMOSRAM存储器，EPROM存储器和EEPROM存储器。
（2）I/O模块
I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号，输出模块控制外部设备。
I/O模块的工作电压，直流24V和交流220V。
I/O寻址方式：
PLC的硬件结构主要分单元式和模块式两种。
前者将PLC的主要部分（包括I/O系统和电源等）全部安装在一个机箱内。
后者将PLC的主要硬件部分分别制成模块，然后由用户根据需要将所选用的模块插入PLC机架上的槽内，构成一个PLC系统。
不论采取哪一种硬件结构，都必须确立用于连接工业现场的各个输入/输出点与PLC的I/O映象区之间的对应关系，即给每一个输入/输出点以明确的地址确立这种对应关系所采用得方式称为I/O寻址方式。
I/O寻址方式有以下三种：
固定的I/O寻址方式：
这种I/O寻址方式是由PLC制造厂家在设计、生产PLC时确定的，它的每一个输入/输出点都有一个明确的固定不变的地址。
一般来说，单元式的PLC采用这种I/O寻址方式。
开关设定的I/O寻址方式：
这种I/O寻址方式是由用户通过对机架和模块上的开关位置的设定来确定的。
用软件来设定的I/O寻址方式：
这种I/O寻址方式是有用户通过软件来编制I/O地址分配表来确定的。
（3）编程器
编程器除了用来输入和编辑用户程序外，还可以用来监视可变成控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。
（4）电源
PLC一般使用220V交流电源。
PLC内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。
2.5PLC的工作原理
最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：
继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
除了执行用户程序外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分5个阶段。
可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
2.5.1输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2.5.2用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
2.5.3输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时才是PLC的真正输出[4]。
2.6PLC与其它控制装置的比较
2.6.1PLC与单片机控制系统的比较
个人计算机所有很强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，但是它们是为办公室自动化和家庭自动化设计的，对环境的要求很高，抗干扰能力不强，一般不适于在工业现场使用。
单片机只是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号连接。
要将它用于工业控制，还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量很大，要求设计者具有较强的计算机领域的理论知识和实践经验。
工控机一般是在通用微机的基础上发展起来的，有实时操作系统支持，因此在要求快速、实时性强、功能复杂的领域中占有优势。
但是，其价格高，将她用于开关量的控制以取代继电器系统有写大材小用。
以上各种计算机用于控制的程序一般是用汇编语言编写的，不像可编程序控制器的梯形图语言那样易于被工厂的电气人员掌握。
2.6.2PLC与继电器控制系统的比较
可编程序控制器与继电器均可用于开关量逻辑控制，但是在工作原理和功能上要明显强于继电器，另外在可靠性和可维护性等其它方面也要优于继电器，下面我们来逐一比较。
（1）工作原理
继电器控制系统的控制功能是硬件继电器（或称物理继电器）实现的，可编程序控制器的控制功能主要是用软件（即程序）实现的。
（2）功能
可编程序控制器采用了计算机技术，具有顺序控制、定时、记数、运动控制、数据处理、闭环控制和通信联网等功能。
继电器控制也可以实现顺序控制，但是它的功能有限。
（3）可靠性和可维护性
继电器系统的可靠性差，复杂的继电系统，其故障的诊断与排除非常困难，平均修复时间长。
梯形图程序中的输出继电器等是一种“软继电器”它们的功能是用软件来实现的，因此没有硬件继电器那样的易于被电弧烧伤而导致接触点不良的缺点。
可编程序控制器的可靠性高，故障率低，并且很容易诊断和排除故障。
（4）响应速度
继电器的控制是靠触点的机械动作来实现的，触点的动作时间一般约几十ms，使用的继电器越多，反应速度越慢，此外还存在触电动作时间抖动的问题。
可编程序控制器响应速度一般比继电器系统快的多。
（5）设计与调试
至今还没有一套通用的容易掌握的继电器电路设计方法，这是电路的设计增加了难度，并且设计出的电路也很难阅读和理解。
可编程序控制器有大量用软件实现继电器和定时器、计数器等编程元件供梯形图的设计者使用，这些编程元件的触电使用次数不受限制。
设计复杂控制系统的梯形图，比设计相同的继电器电路花费的时间要少得多。
继电器系统要在硬件安装、接线全部完成后才能进行调试，发现问题后修改电路的时间也很多。
可编程序控制器控制系统的开关柜制作、现场施工的梯形图设计可以同时进行，梯形图可以在实验室模拟调试，发现问题后修改起来非常方便[5]。
2.7PLC的应用领域
PLC已广泛应用于国内外的机械、冶金、化工、汽车、轻工业等行业中。
若按应用类型来划分，PLC的应用领域大致可分为如下几个领域。
（1）开关量逻辑控制
PLC最基本的功能是逻辑运算，计时（定时）计数等。
可实现逻辑控制，常常用来取代传统的继电器控制系统。
PLC对一些机床、机械手的控制，生产自动线的控制都属于这一类永远。
这是PLC最基本的应用。
（2）闭环过程控制
大中型PLC都有多路的模拟量输入输出和PID控制，甚至有的小型PLC也带有模拟量入输出。
这样，PLC也可以作为模拟量控制，用于过程控制
（3）位置控制
较高档次的PLC都有位置控制模块，用于控制步进电动机或伺服电动机，实现对各种机械的运动控制及位置控制。
（4）监控系统
用PLC可以构成监控系统，进行采样和处理，监控生产过程。
（5）分布式控制系统
近几年，随着计算机控制技术的发展，国外正兴起工厂自动化（FA）网络系统。
较
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