三层电梯自动控制系统设计说明.docx

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三层电梯自动控制系统设计说明

毕业设计（论文）

函授站  西工院10级

专业  机电一体化

姓名 东卫林

致..............................................................................................................................31

摘要

电梯是高层建筑不可缺少的运输工具，用于垂直运送乘客和货物，传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题。

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，提出了三层电梯的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。

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

第一章电梯概述

1.1引言

随着城市建设的不断发展，城市迅速的崛起，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。

它是采用电力拖动方式，将载有乘客或货物的轿厢，运行于垂直方向的两根刚性导轨之间，运送乘客和货物的固定式提升设备。

所以，电梯是为高层建筑运输服务的设备，它具有运送速度快、安全可靠、操作简便的优点。

但传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。

目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器取代微机实现信号控制。

从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。

而采用PLC可靠性高，程序设计方便灵活。

1.2电梯的发展简史

据国外有关资料介绍，公元前2800年在古代埃与，为了建筑当时的金字塔，曾使用过由人力驱动的升降机械。

公元1765年瓦特发明了蒸气机之后，1858年美国研制以蒸气为动力，并通过皮带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯，1878年英国的阿姆斯特发明了水压梯，并随着水压梯的发展淘汰了蒸气梯，后来又出现了采用液压泵的控制阀以与直接柱塞式和侧柱塞式结构的液压梯，这种液压梯至今仍为人们所采用。

18世纪末发明了电机，特别是交流双速电动机的出现，显著改善了电梯的工作性能。

在20世纪初，美国OTIS电梯公司首先使用直流电动机作为动力，生产出以槽轮式驱动的直流电梯。

从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异的发展着。

目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘坐舒适。

1.3电梯的基本结构

电梯是机电合一的大型复杂产品,机械部分相当于人的躯体,电器部分相当于人的神经.机与电的高度合一,使电梯成了现代科学技术的综和产品.对于电梯的结构而言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,但以功能系统来描述,则更能反映电梯的特点.下面简单介绍电梯机械部分的结构,而我们的主要目的是怎样来控制它。

1.3.1.曳引系统

曳引系统的主要功能是输出与传递动力,使电梯运行.

曳引系统主要由曳引钢丝绳,导向轮,反绳轮组成.

1.3.2.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.

导向系统主要由导轨,导靴和导轨架组成.

1.3.3.轿厢

轿厢是运送乘客和货物的电梯组件,是电梯的工作部分.

轿厢由轿厢架和轿厢体组成.

1.3.4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.

1.3.5重量平衡系统

系统的主要功能是相对平衡轿厢重量,在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之,保证电梯的曳引传动正常.

系统主要由对重和重量补偿装置组成.

1.3.6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.

1.3.7电气控制系统

电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制.

电气控制系统主要由操纵装置,位置显示装置,控制屏（柜）,平层装置,选层器等组成.

1.3.8安全保护系统

保证电梯安全使用,防止一切危与人身安全的事故发生.

由限速器,安全钳,缓冲器,端站保护装置组成.

1.4电梯的分类

1.4.1按用途分:

（1）客梯代号K为运行乘客而设计的电梯,有完善的安全装置.

（2）货梯代号H为运送货物而设计的电梯,通常有人操作,有必备的安全装置.

（3）客货梯代号L主要用作运送乘客,但也可运送货物,它与客梯的区别在于轿厢部装饰结构不同.

（4）病床电梯代号B为运送病床而设计的电梯,具有轿厢长而窄的特点.

（5）住宅电梯代号Z供住宅楼使用的电梯,一般采用下集选控制方式,轿厢部装饰较简单.

（6）杂物电梯代号W供图书馆,办公楼,饭店运送图书,文件,食品等.不容许人员进入电梯,结构简单,无乘人必备的安全装置.

（7）船舶电梯代号C用于船舶上的电梯,能在船舶摇晃中正常工作.

（8）观光电梯代号G轿厢壁透明供乘客观光之用.

（9）还有一些专用电梯.

1.4.2按速度分:

（1）低速电梯速度不大于1米/秒的电梯.

（2）快速电梯速度大于1米/秒,低于2米/秒的电梯.

（3）高速电梯速度在2米/秒以上的电梯.

1.4.3按拖动方式分:

（1）交流电梯曳引电动机是交流电机.

当电机是单速时,称为交流单速电梯.

当电机是双速时,称为交流双速电梯.

当电机具有调压调速装置时,称为交流调速电梯.

当电机具有调压调频调速装置时,称为变频调速电梯.

（2）直流电梯曳引电动机是直流电机

分为直流有齿和直流无齿电梯.

（3）液压电梯靠液压传动的电梯,分为柱塞直顶式和柱塞侧置式.

（4）齿轮齿条式电梯（一般为工程电梯）.

1.4.4按控制方式分:

（1）手柄操纵控制电梯由司机操纵轿厢的手柄开关,实行轿厢运行控制的电梯.

（2）按钮控制电梯具有简单的自动控制方式的电梯,具有自动平层功能.

（3）信号控制电梯自动控制程度较高的有司机电梯.具有自动平层,自动开门,轿厢命令登记,厅外召唤登记,自动停层,顺向截停和自动换向等功能.

（4）集选控制电梯高度自动控制的电梯,可无司机驾驶,除信号控制电梯的功能外,还具有自动掌握停站时间,自动应召服务,自动换向应答反向厅外召唤等功能.

第二章总体设计方案

2.1总体方案的确定

电梯行业在我国迅速的发展，在一定程度上占有很大的市场。

而在今天选择控制电梯运动的设备已经从传统的继电器—接触器转变成可编程序控制器（PLC）。

可编程序控制器（PLC）与其他计算机控制相比较：

个人计算机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设计的，对环境要求很高，抗干扰能力不强，一般不适合在工业现场使用。

单片机只是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。

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、制作和程序计的工作量相当大，要求设计者具有很强的计算机领域的理论知识和实践经验。

工业控制计算机（简称工控机）也是为工业控制设计的，目前比较流行的是PC总线工控机，它与个人计算机兼容。

工控机采用总线式结构，各厂家产品的兼容性强。

工控机一般是在通用微机的基础上发展起来的，有实时操作系统的支持，因此在要求快速、实时性强、功能复杂的领域占有优势。

工控机的价格较高，将它有与开关量控制以取代继电器系统有些大材小用。

工控机的外部I/O接线一般都用多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如可编程序控制器的接线端子那样方便可靠。

可编程序控制器是专为工厂现场应用环境设计的，结构上采取整体密封或插件组合型，对印刷电路板、电源、机架、插座的制造和安装，均采用了严密的措施。

可编程序控制器由于具有前述的各种优点，在工业控制领域具有不可比拟的竞争力。

当然可编程序控制器在电梯的控制领域也具有重要的地位，把可编程序控制器用于电梯运动的核心部分是很合理的选择，而且可编程序控制器的程序设计方便灵活，梯形图语言易于被工厂的电气人员掌握，性价比高。

我确定选用PLC控制电梯的运行。

2.2电梯PLC控制系统的构建

（1）机房

机房用来安装曳引机、电控屏、限速器等。

机房可以设置在井道顶部，也可设置在井由自部。

当机房设于井道底部时，即为曳引机下置式曳引方式。

这种方式结构复杂，建筑物承重大，对井道尺寸要求大，只有在机房无法顶置时才使用。

对于绝大多数电梯，机房均设于井道顶部。

机房必须有足够的面积，高度、承重能力与良好的通风条件。

（2）轿厢

轿厢是用以运送乘客和货物的电梯组件。

它由轿厢架和轿厢体组成。

轿厢架是轿厢体的承重构架。

是由上横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成；轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶与照明、通风装置、轿厢装饰件和轿操纵按钮等组成；轿厢体空间的大小由额定载重量和额定载客量决定。

（3）门厅

每一层电梯门口装的门，门上带有机器锁与电气接点。

客梯多为自动开关门，开关门由轿厢门上的开门刀带动厅门上的橡皮勒辘来完成的，而轿厢门是由轿厢上的开关门装置驱动的。

（4）重量平衡系统

该系统由对重和重量补偿装置组成。

对重由对重架和对重块组成，对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重；重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯设计影响的装置。

（5）电力拖动系统

该系统由曳引机、供电系统、速度反馈装置、调速装置和变频器等组成。

对电梯实行速度控制。

曳引电动机是电梯的动力源，根据电梯的配置可用交流电动机或直流电动机；供电系统是为电动机提供电源的装置；速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号，一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电动机相连；调速装置对曳引电动机实行调速控制；变频器可以通过改变频率的大小来控制其运行速度的快慢。

（6）电器控制系统

该系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成，它起着操纵和控制电梯运行的作用。

操纵装置包括轿厢的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急；位置显示装置是指轿和层站的指层灯；层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站；控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件（或板）组成，是电梯实行电气控制的集中组件；选层器能起到指示和反馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。

它可由机械式、继电器式或电子式组成。

（7）安全保护系统

电梯上设有机械和电气的各类保护系统，以保证电梯安全使用。

机械方面的有限速器和安全钳，起超速保护作用；缓冲器，起冲顶和撞底保护作用；切断总电源的极限保护。

2.3电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析

2.3.1电梯的初始状态

假设电梯开始时处于第1层待命、各层显示器都被初始化,电梯处于以下状态:

各层呼叫灯均不亮。

电梯部与外部各楼层显示器显示均为“1”。

电梯部与外部各楼电梯门均关闭。

2.3.2电梯运行过程中

按下某层呼叫按钮（1～3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,到过指定层时,门才打开。

在电梯运行过程中,支持其他呼叫。

2.3.3电梯运行后状态

在到达指定楼层后,电梯会继续待命,直到新命令产生。

电梯在到达指定楼层后,电梯门会自动打开,经过一段时间自动关闭,在过程中,支持手动开门或关门。

各楼层显示值为该层所在位置,且上行与下行指示灯均灭。

2.4实际运行中的控制要求分析

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,我们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。

2.4.1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:

（1）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,完成该呼叫后再由近至远的完成其他各个呼叫动作。

（2）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,直至电梯重新处于待命状态为止。

2.4.2电梯下行分析

若电梯在下行过程中,某楼层有呼叫产生时,可分以下两种情况:

（1）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的完成其他各个呼叫动作。

（2）呼叫层处于电梯当前运行层之上,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。

2.5电梯的7项控制要求

（1）呼叫接收控制

接受每个呼叫按钮（包括部和外部的呼叫）的呼叫命令,并做出相应的响应。

（2）楼层呼叫控制

电梯停在某一层（例如2层）时,此时按动该层的呼叫按钮（上呼叫或下呼叫）,则相当于发出打开梯的门命令,进行开门的动作过程;若此时电梯的轿箱不在该层（在1、3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）运行方向控制

电梯运行的不换向原则是指电梯优先响应不改变现在电梯运行方向的呼叫,直到这此命令全部响应完毕后才响应使电梯反向运行的呼叫。

（4）楼层到达控制

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）呼叫按钮控制

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）电梯门控制

当电梯停在某层时,在电梯部挥动开门按钮,则电梯门打开,按动电梯部的关门按钮,则电梯门关闭。

但在电梯运行期间电梯门是不能打开的。

（7）楼层指示灯控制

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。

2.6可行性论证

可编程序控制器是由继电器逻辑控制而来的，所以它在开关量处理、顺序控制方面具有一定的优势，发展初期主要侧重于开关量顺序控制。

随着计算机技术的发展，可编程序控制器增加了数值运算，并开始与个人计算机或小型计算机联网，它本身也可以构成网络系统。

可编程序控制器的应用领域，在发达的工业国家，可编程序控制器已经广泛地应用在所有的工业部门，随着可编程序控制器的性能价格比的不断提高，过去许多使用专用计算机的场合也可以使用可编程序控制器。

比如用在开关量的控制，这是可编程序控制器最基本最广泛的应用，它的输入和输出信号都是只有通、断状态的开关量信号，这种控制与继电器控制最为接近，可以用价格较低，仅有开关量控制的功能的可编程序控制器作为继电器控制系统的替代物。

开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动线生产线，如机床控制、冲压、铸造机械、运输带、包装机械的控制，同样也可以用于电梯的控制。

通过上述的简述，我希望在控制系统中能够达到如下要求：

根据人们生活中的经验证明，在运动速度不变的情况下，速度值的大小对人们的器官基本上没有什么影响，这只是指人们沿地面或空中的沿与地面平行的任意方向运动的情况而言的。

高速的升降运动就和上述运动有所不同。

这是由于在升降运动中，人体周围气压的迅速变化，对人们的器官产生影响。

例如耳膜会感到压力而嗡嗡响等等。

只要采取一定措施，这些影响是可以消除的。

所以目前电梯的运行速度虽已高达10m/s。

仍能使乘客无大的不适感。

2.7设计的整体布局与其选型

通过上述的分析可知，我所选择的电梯载重量为1000kg,速度为1m/s,三层三站。

PLC的型号为FX2N-48MR，通过其继电器电路图来设计出梯形图，通过PLC的选型连接其PLC接线图。

电动机选用交流三相异步电动机，它具有结构简单、维护和操作简便、价格便宜、坚固耐用、工作可靠等优点；其缺点是调速性差、概率因数低。

变频器选用安川变频器（616G5），它作为通用变频器适合任何应用场合,在低速下能够实现平稳启动（1%额定转速），并且极其精确地运行。

它的自动调整功能可使世界各地生产的电动机达到高性能运行。

具有如下优点：

低速大转矩和全频域平稳加、减速；驱动普通电机能达到最佳的控制效果；操作简单灵活；具有扩展功能，既可单机使用也可联网使用；设计平均无故障时间：

250000小时。

把50Hz的工频交流电经过处理后输出频率可调的交流电的电气装置叫变频器。

它由整流电路、滤波电路、再生制动电路、逆变电路和控制电路组成。

第三章三层电梯可编程控制设计

3.1电梯PLC控制系统

3.1.1可编程控制器的结构与各部分的作用

PLC部主要由主机、输入/输出接口、电源、编程器、扩展接口和外部设备接口等几部分组成。

3.1.2主机

主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序与数据存储器CPU是PLC的核心，一切逻辑运算与判断都是由其完成的，并控制所有其它部件的操作。

它就是我们常说的电脑芯片。

（1）运行用户程序。

（2）监控输入/输出接口状态。

（3）作出逻辑判断和进行数据处理。

部存储器有两类：

一类是系统程序存储器，另一类是用户程序与数据存储器

系统程序存储器：

主要存放系统管理和监控程序与对用户程序作编译处理的程序。

系统程序已由厂家固定，用户不能更改。

用户程序与数据存储器：

主要存放用户编制的应用程序与各种暂存数据、中间结果。

3.1.3输入/输出（I/O）接口

输入接口用于接收输入设备（如：

按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。

输出接口用于将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备（如:

接触器、电磁阀、指示灯等）。

3.1.4电源

电源指为CPU、存储器、I/O接口等部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源。

3.1.5编程器

编程器是PLC很重要的外部设备，它主要由键盘、显示器组成。

编程器分简易型和智能型两类。

小型PLC常用简易编程器，大、中型PLC多用智能编程器。

编程器的作用是编制用户程序并送入PLC程序存储器。

利用编程器可检查、修改、调试用户程序和在线监视PLC工作状况。

现在许多PLC采用和计算机联接，并利用专用的工具软件进行编程或监控。

3.1.6输入输出扩展接口

I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数扩展单元与基本单元（即主机）联接在一起。

3.1.7外部设备接口

此接口可将编程器、打印机、条形码扫描仪等外部设备与主机相连。

3.2可编程控制器的工作原理

PLC采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式，这个过程可分为输入采样，程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。

3.2.1输入采样阶段

PLC在输入采样阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态或输入数据，并将此状态存入输入状态寄存器，即输入刷新。

接着转入程序执行阶段。

在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。

3.2.2程序执行阶段

PLC在执行阶段，按先左后右，先上后下的步序，执行程序指令。

其过程如下：

从输入状态寄存器和其它元件状态寄存器中读出有关元件的通/断状态，并根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的状态寄存器中。

在所有指令执行完毕后，将各物理继电器对应的输出状态寄存器的通/断状态，在输出刷新阶段转存到输出寄存器，去控制各物理继电器的通/断，这才是PLC的实际输出。

由PLC的工作过程可见，在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的容也不会立即改变，要等到下一个周期输入处理阶段才能改变。

暂存在输出状态寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输出给输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。

因此全部输入、输出状态的改变就需要一个扫描周期，换言之，输入、输出的状态保持一个扫描周期。

3.2.3可编程控制器的主要技术性能

（1）I/O点数指PLC外部输入和输出端子数。

（2）用户程序存储容量用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。

（3）扫描速度指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。

（4）指令系统条数指PLC具有的基本指令和高级指令的种类和数量。

种类数量越多，软件功能越强。

（5）编程元件的种类和数量编程元件指：

输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、通用“字”寄存器、数据寄存器与特殊功能继电器等。

其种类和数量是衡量PLC的一个指标。

3.3编程语言的形式

采用最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。

采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机与相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。

虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的C语言、BASIC语言、专用的高级语言（如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。

不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。

编程指令：

指令是PLC被告知要做什么，以与怎样去做的代码或符号。

从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全一样的。

同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。

常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写与数字代表各相应指令。

常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。

指令系统：

一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。

它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。

一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。

我们在编程之前必须弄清PLC的指令系统

程序：

PLC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC的用户程序。

用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供。

用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以本设计编程语言用梯形图表达。

3.4可编程控制的选择

由于市面上三菱产品型号较多，种类齐全，技术先进，加之本人对三菱产品的学习，所以我选择三菱FX2N系列产品。

3.5可编程控制器的硬件设计

输入输出点的估算：

首先列出被控制对象输入输出的设备名称，并根据所需要的输入输出点数进行统计，根据统计的数据，增加10%～20%的可扩展余量后就得到了输入输出点数的估计数据。

以此为依据可以算出I/O总点数约为100点。

开关量输入、输出模块的选择：

（1）根据PLC输入、输出量点数与性质，可确定I/