基于PLC的电梯控制系统设计.docx

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基于PLC的电梯控制系统设计

成人高等学历教育毕业设计（论文）

基于PLC的电梯控制系统设计

学生姓名：

xxx

学号：

2xxx

指导教师：

xx

年级专业：

xx级电气工程及其自动化

重庆大学继续教育学院

二〇一六年五月

摘要

随着城市化进程地不断加快，高层建筑己经越来越多。

电梯作为垂直交通工具，发挥的作用也越来越大。

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。

继电器控制是电梯产业中最为传统的一种控制方式。

继电器控制系统存在很多缺点与不足，如：

故障率高、维护不方便、耗能比较大、编程繁琐等缺点。

从人们对电梯的需求出发，这种系统己经满足不了人们日常的需求，将逐渐被淘汰。

本文将可编程序控制器（PLC）应用于五层电梯控制系统，此种控制方式具有易编程、易维护、抗干扰性强、安全稳定性强等优点。

大大提高了电梯安全性、舒适感、灵活性与可维护性，缩短了电梯的开发周期，同时降低了电梯的损耗。

PLC控制系统作为电梯的控制方式能满足人们可靠性、安全性、舒适性等需求，己经成为当今电梯控制系统的一种发展潮流。

PLC在电梯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。

在电梯控制过程中，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。

本设计在原有的电梯控制模式上，完善厅召唤、指层、选层、选向等功能，比原有控制系统可以更容易的实现更为复杂的控制任务。

从而降低了电梯的能耗，提高了电梯工作效率，进一步增强了市场竞争力。

设计中首先了解五层电梯的构造与工作原理，对PLC的特性与功能进行了详细阐述。

接着根据输入、输出点数和存储容量选择了合适的PLC机型，结合PLC机型与I/O分配表画出梯形图与接线图，设计出指令程序，以实现电梯的指层控制、选层选向等功能。

最后选取选层选向功能的指令程序，输入实验台，通过实验结果可以验证本设计可行。

关键词:

可编程控制器，电梯，指令程序，控制系统

Abstract

Withthecontinuousaccelerationofurbanization,high-risebuildingshavebecomemoreandmore.Elevatorasaverticaltransport,theroleisalsogrowing.Theelevatoristheequipmentforthehigh-risebuildingtransportationservice,ithastheadvantagesoffasttransportation,safeandreliable,simpleoperation.Relaycontrolisoneofthemosttraditionalcontrolmethodsintheelevatorindustry.Relaycontrolsystemhasmanyshortcomings,suchas:

highfailurerate,maintenanceisnotconvenient,energyconsumptionisrelativelylarge,programmingandsoon.Fromthedemandofpeopletotheelevator,thissystemhasbeenmettheneedsofpeople'sdaily,willgraduallybeeliminated.

Inthispaper,programmablelogiccontroller（PLC）isappliedtothefivelayerelevatorcontrolsystem.Thiscontrolmethodhastheadvantagesofeasyprogramming,YiWeihu,stronganti-interference,strongsecurity,andsoon.Greatlyimprovethesafety,comfort,flexibilityandmaintainability,shortenthedevelopmentcycleoftheelevator,whilereducingthelossoftheelevator.PLCcontrolsystemasthecontrolmodeoftheelevatorcansatisfypeople'sreliability,safety,comfort,etc.,hasbecomeatrendofthedevelopmentofelevatorcontrolsystem.

TheapplicationofPLCintheelevatorcontrolismainlyreflectedinitslogicalswitchcontrolfunction.BecausethePLChasalogicoperation,countingandtiminganddatainputandoutputfunctions.Intheprocessofelevatorcontrol,allkindsoflogicswitchcontrolandPLCverygoodcombination,verygoodtoachievethecontroloftheelevator.Thisdesignintheoriginalelevatorcontrolmode,improvethehallcall,referstothelayer,layerselection,selectionandotherfunctions,thantheoriginalcontrolsystemcanbemoreeasytoachievemorecomplexcontroltasks.Soastoreducetheenergyconsumption,improvetheefficiencyoftheelevator,andfurtherenhancethecompetitivenessofthemarket.

Firstofall,thedesignofthefivelayerofthestructureandworkingprinciple,thecharacteristicsandfunctionsofthePLCaredescribedindetail.Thenaccordingtotheinput,outputpointsandstoragecapacityoftheappropriatePLCmodel,combinedwiththePLCmodelandtheI/Odistributiontabletodrawtheladderdiagramandthewiringdiagram,designtheinstructionprogram,inordertoachievetheelevatorcontrol,layercontrol,andsoon.Finally,selecttheselectedlayertoselectthefunctionoftheinstructionprogram,entertheexperimentalplatform,theexperimentalresultscanverifythedesignisfeasible.

Keywords:

programmablecontroller,elevator,instructionprogram,controlsyste

1绪论

1.1课题的背景、意义

随着中国城市化进程的不断深化，城市迅速的崛起，高层建筑的不断增多，安装电梯的场所越来越多，电梯在人们日常生活中的作用也日趋重要。

电梯设置在垂直的两根导轨之间，通过电力拖动的方式，将载有乘客或货物的轿厢做升降运动。

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。

继电器控制是电梯产业中最为传统的一种控制方式。

继电器控制系统存在很多缺点与不足，如：

故障率高、维护不方便、耗能比较大、编程繁琐等缺点。

从人们对电梯的需求出发，这种系统己经不能满足人们日常的需求，将逐渐被淘汰。

可编程序控制器（PLC）控制系统具有可靠性高、编程和维护方便等主要特性。

自20世纪90年代以来，可编程序控制器（PLC）在电梯控制系统中的应用日渐普遍，特别是在我国中小型电梯企业的产品中得到广泛的应用。

近年来，在我国的电梯行业中，传统的继电器控制方式基本己经被淘汰，逐渐被PLC控制系统和微控制器数字控制系统所取代。

其中，PLC由于编程简单、容易维护、设计和调试周期短、抗干扰能强、可靠性高等优点，被广泛地应用于电梯控制系统中。

本课题将可编程序控制器（（PLC）应用于五层电梯进行逻辑控制，通过PLC对程序设计，进一步改进了电梯控制功能。

大大提高了电梯安全性、舒适感、灵活性与可维护性，缩短了电梯的开发周期，同时降低了电梯的损耗。

在原有的电梯控制模式上，完善厅召唤、指层、选层、选向等功能，比原有控制系统可以更容易的实现更为复杂的控制任务。

PLC在电梯控制系统中的应用非常广泛，非常有使用价值。

1.2国内研究现状

目前，我国电梯行业己经具备了很强的生产能力，不但可以生产出符合国内市场需求的产品，而且部分产品己经走出国门进入国际市场。

经过多年的改革与发展，涌现出了江苏江南、巨人通力、苏州帝奥、申龙、宁波宏大等一大批国内优秀的电梯品牌。

以国际先进技术为标准，国内电梯企业坚持“科学发展、科学创新”的原则，努力拼搏、顽强奋进，在无机房电梯、远程监控、绿色电梯等新技术和新产品中取得了卓越的成绩，部分技术己经达到了国际先进水平，得到了国内外广大用户的一致好评。

目前，继电器控制、PLC控制和微型计算机控制是电梯主要的三种控制方式。

电梯技术的飞速发展，主要取决于国内电梯企业对技术发展的重视程度，在电梯技术的革新、电梯工艺的修善上投入了大量的人力、物力。

继电器控制系统是以前电梯企业主要采用的一种电梯控制系统，随着技术的革新换代，人们对生活水平的要求越来越高，开始考虑电梯的安全性、舒适性、快速性，继电器控制己经不能满足人们的生活需求。

随着电子技术不断发展提高，PLC控制系统作为一种可编辑的数字运算电子装置，开始出现在电梯控制系统中，由于此系统具有安全稳定、灵活实用、易操作、低能耗等一系列优点，得到大力推广与发展，己经逐渐开始替代继电器控制，成为电梯控制技术的主流。

。

1.3论文的主要内容和章节安排

本设计把握当今电梯控制系统的发展趋势，通过文献查阅、调查研究、实验论证等方式方法，对五层电梯PLC控制系统进行了研究、分析、总结与设计。

在设计的过程中，对五层电梯的硬件、PLC情况进行学习与研究，全面掌握电梯构造、PLC的特性与功能。

然后，分析电梯的控制策略，根据设计计算出I/O点数，并确定所选PLC机型。

接着进行程序设计，写出控制系统I/O分配表、输入输出端子接线图、梯形图、流程图等。

最后编写出实验验证程序，并进行实验验证。

本论文共分为七章：

第一章，介绍本文的研究背景、研究意义与目的。

第二章，从电梯的起源与发展、国内外现状、结构、分类、以及电梯控制相关要求出发进行阐述，对电梯知识进行全面了解。

从PLC的起源与发展、结构、分类、特点、工作原理、发展趋势等方面全面介绍了PLC相关情况。

第三章，从PLC控制系统设计总体原则、设计步骤、主要内容、编程语言类型等方面出发，详细介绍了PLC控制系统的总体设计。

第四章，主要阐述了电梯控制系统硬件的选型，选择并确定合适的PLC、变频器机型做为本次5层电梯控制系统的主要配件。

第五章，根据电梯控制要求，对电梯PLC控制系统的设计与实现系统程序进行设计，编辑系统指令程序，并绘制安装图、梯形图等。

第六章，主要介绍了电梯PLC控制系统的实现，并选取五层电梯中选层选向功能的指令程序在实验室进行调试，以验证设计的可行性。

第七章，总结研究成果与本文存在的不足之处，并对未来电梯控制系统的发展趋势进行展望。

2电梯与PLC的概述

2.1电梯与PLC的起源与发展

2.1.1电梯的起源与发展

电梯作为垂直运输工具，被广泛的应用在人们的口常生活中。

追溯到公元前2800年前，电梯的前身—机械升降机作为一种运输设备便己经应用到金字塔的建造中。

伟大科学家阿基米德于公元前236年，设计出了被人们称为现代电梯鼻祖的人力驱动的卷筒式卷扬机。

亨利·沃特曼于1850年，在美国纽约市设计出了世界上第一台以蒸汽机为动力的卷扬机。

1952年，世界上第一台具有安全装置的升降梯由美国人奥的斯发明设计，并由此拉开了广泛使用升降梯的序幕。

随着经济社会的迅猛发展，科学技术日新月异，在蒸汽电梯发明不久，水压梯、油压汞和控制阀的液压梯等升降梯新技术相继出现。

直至1889年，世界上第一台以电力为动力的卷筒式驱动梯由美国奥的斯公司在纽约发明。

由此，电梯作为一种新颖的升降工具开始走进人类的生活，并得到了不断的发展。

为了提高电梯的安全性、舒适性、高效性，人们通过不断技术改造与创新，开发出了日趋完善的电梯新技术。

1892年，发明了用电动机励磁场来调速的电动机—发电机电力驱动系统；1900年，交流感应电动机应用于电梯驱动，从而简化了传动系统；1903年，曳引驱动方式、有齿轮高速电梯得到运用，成为现代电梯的前身；1949年，电子技术开始运用到电梯控制技术中，使电梯发展得到了空前地发展。

70年代，数字化电路开始运用于电梯控制中，从而进一步提高了电梯运行的稳定性与精确性。

80年代，微机和数字调节技术日益完善，脉宽调节技术开始使用，进而完善了速度调节功能。

90年代，调压调频拖动系统大量运用于电梯控制系统。

目前，PLC控制系统正成为一种潮流被广泛运用在电梯控制系统中，为电梯不断发展、进步继续谱写着新的历史篇章。

2.1.2PLC的起源与发展

1968年，通用汽车公司（GM）提出要研制一种能集计算机、继电器控制系统各自的优点的新型控制设备的设想。

1969年，美国数字设备公司（DEC）把设想转换为现实，把研制成功的可编程序控制器PDP一14试用在汽车自动装配线上「14]。

1971年，日本从美国引进了这项新技术，并很快研制成功了日本第一台可编程序控制器CS-8。

1973-1974年德国和法国也研制出了可编程序控制器。

1977年我国研制成功了自己的可编程序逻辑控制器。

目前可编程序控制器己经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。

这项新技术的成功使用，在工业界产生了巨大影响。

从第一台PLC诞生以来，PLC的发展经历了五个重要时期。

从1969年到20世纪70年代初期。

CPU由小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器，控制功能比较简单，仅仅是继电接触器的替代产品。

从20世纪70年代初期到20世纪70年代末期。

采用CPU微处理器，存储器采用了半导体存储器，实现了模拟量控制，软件上开发自诊断程序，PLC的可靠性提高，产品实现了系列化，PLC的应用范围扩大。

从20世纪70年代末期到20世纪80年代中期。

大规模集成电路推动了PLC的发展。

CPU采用了8到16位微处理器，数据处理能力和速度提高，PLC开始具备了通讯能力，软件上开发了梯形图语言和语句表语言，发达国家多种工业控制开始使用PLC。

20世纪80年代中期到20世纪90年代中期。

超大规模集成电路使PLC完全计算机化。

CPU开始采用32位微处理器，数学运算和数据处理能力大大提高，增加了运动控制，PID控制。

联网能力加强，PLC向标准化，系列化发展。

20世纪90年代中期至今。

主要特点：

CPU使用16位和32位微处理器，运算速度更快，具有大批量数据处理能力，出现了智能化模块，可以对各种复杂系统进行控制。

编程语言除了梯形图和语句表语言之外，还增加了高级语言。

2.2电梯的分类与构造

2.2.1电梯的分类

电梯的品种繁多，根据电梯的不同用途设置了功能多样的电梯，主要分为以下几类：

以电梯的速度作为分类标准：

把低于1.00m/s速度的电梯称为低速电梯、把速度在1.00~2.00m/s的电梯称为中速电梯、把速度大于2.00m/s的电梯称为高速电梯、把速度超过2.00m/s的电梯称为超高速梯。

②以电梯的用途作为分类标准：

客运电梯、货运电梯、观光电梯、矿井电梯、车辆电、船舶电梯、医用电梯等。

③以电梯的驱动方式作为分类标准：

用交流感应电动机作为驱动力的交流电梯、用直流电动机作为驱动力的直流电梯、用螺母旋转作为驱动力的螺杆式电梯、用电动泵驱动液体流动作为驱动力的液压电梯、用电动机带动齿轮旋转作为驱动力的齿轮齿条电梯。

④以有无司机作为分类标准：

有司机电梯、无司机电梯。

⑤以控制方式作为分类标准：

单程控制、下集选（常用于住宅梯）、全集选（常用于非住宅梯）、并联控制（（2台）、群控（（3台以上）。

⑥以机房位置作为分类标准：

上机房电梯、下机房电梯、无机房电梯。

2.2.2电梯的构造

电梯是机、电合一的垂直运输设备，其中，主要由电力拖动系统、电气控制系统、曳引系统、导向系统、门系统、轿厢、重量平衡系统、安全保护系统等八大系统组成了完整的电梯。

电梯的机械部件主要如图2-1所示：

图2-1电梯的机械系统

2.2.2.1电力拖动系统

电力拖动系统的功能是为电梯提供动力，并对电梯的启动加速、匀速运行和制动减速起着控制作用。

拖动系统的优劣直接影响着电梯启停时的加速和减速性能、平层精度、乘坐舒适感等指标。

目前电梯的拖动系统分为直流电动拖动、交流电动机拖动和永磁同步电动机拖动。

曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等设备组成了电力拖动系统。

2.2.2.2电气控制系统

电气控制系统主要是指对电梯曳引电动机和门机的启动、运行方向、减速、停止功能的控制，以及管理每层站显示、层站召唤、轿内指令、安全保护等指令信号，并在实行每个控制环节实行操作。

控制系统的功能与性能直接决定着电梯的自动化程度与性能。

电气控制系统的类型主要有继电器控制、PLC控制、微机控制三种方式。

2.2.2.3曳引系统

电梯曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮和反绳轮等部件组成，主要向电梯输送、传递动力，从而使电梯运行。

是电梯运行的根本，是电梯中的核心部分之一。

曳引机是电梯的动力设备，由电动机、制动器、曳引轮、联轴器、机架和盘车手轮等组成。

2.2.2.4导向系统

导向系统在电梯运行过程中，使电梯在标准的轨道范围内规律运行，不会发生横向的搬动和振动，保证轿厢和对重运行平稳不偏摆。

导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

2.2.2.5门系统

门系统可以分为两种，装在井道入口层站处的为层门，装在轿厢入口处的为轿厢门。

电梯层门和轿厢门一般由门、导轨架、滑轮、滑块、门框、地坎的部分组成。

层门主要功能是封住层站入口和轿厢入口，轿厢门设在轿厢入口，轿厢上的开门机为轿厢、门提供动力。

2.2.2.6轿厢

电梯轿厢具有方便出入门装置的箱型结构部件，是与乘客或货物直接接触的，主要由轿厢架和轿厢体组成。

轿架是轿厢的承载结构，轿厢的负荷由它传递到曳引钢丝绳，一般由上梁、立柱、底梁和拉杆等组成。

轿厢体是形成轿厢空间的封闭围壁，除必要的出入口和通风孔外不得产生有害气体和烟雾，高度大于2米，防止乘员过多，内部面积要受到限制。

轿厢体一般由厢底、轿厢壁、轿厢顶等组成。

2.2.2.7重量平衡系统

重量平衡系统的作用是使对重和轿厢达到相对平衡，在电梯运行中即使重量不断变化，仍然能使两者间的重量差保持在较小限额之内，保证电梯传动平稳、正常。

主要由对重装置和重量补偿装置两部分组成。

2.2.2.8安全保护系统

安全保护系统主要应对设备突发故障时，及时采取相应的措施，防止事故的发生。

安全设备主要由限速器、安全钳、夹绳器、缓冲器、安全触板、光幕、超载保护等装置组成。

限速器的作用是随时监测控制轿厢的速度，当出现超速度的情况是，即电梯额定速度的115%时，能及时发出信号，继而产生机械动作切断电路，使曳引机制动。

如果电梯无法制动，则安装在轿厢底部的安全钳动作将轿厢强制制停。

限速器是指令的发出者，而安全钳是执行者，两者共同作用才出现安全电梯之说。

缓冲器一般有蓄能型和耗能型两种，一般设置在井道底坑内，当其他安全设施都不起作用，电梯由于失控可能撞向底坑（撞底）或冲向楼顶（冲顶）时，缓冲器可起到吸收、消耗电梯轿厢和对重动能的作用，使轿厢减速，并安全停止。

安全触板、光幕同属于电梯的进门安全保护装置，是机电一体式关门防夹安全装置，作用是在电梯自动关门过程中，防止人员或物品被夹受损。

2.3电梯的工作原理与控制要求

2.3.1电梯的工作原理

目前，我国使用的电梯大部分为“机电一体化”的曳引式电梯。

由曳引钢丝绳承受着电梯轿厢的全部悬挂重量，在运转时绕曳引轮、导向轮将电梯向上或向下拉升。

曳引钢丝绳是由若干钢丝先捻制成股、后捻制成绳而成的，捻制钢丝绳的钢丝一般是由优质碳素结构钢冷拉而成。

曳引钢丝绳磨损过度、断丝率超过其受力极限时，就将导致“坠梯”的情况发生，因此使用单位应该定期维护或更换曳引钢丝绳。

电梯拖动系统示意图如图2-2所示。

图2-2电梯拖动系统示意图

1一电动机；2-减速机构；3一曳引轮；4一刚丝绳；5一轿箱；6-配重

2.3.2电梯的控制要求

随着科学技术的不断发展，以及生活水平的不断提高，人们对电梯的智能性、舒适性、多功能性要求越来越高。

根据市场的需求，电梯厂家开发研制出各类电梯产品，并针对客户要求配置，设计出不同的控制系统。

其中，电梯的控制要求主要集中在以下几个方面：

①上升和下降只受单台电机控制。

②轿厢内有楼层按钮、开门按钮、开门按钮。

③电梯平层时能自动开关门。

④电梯每层设有方向、当前层指示灯、上/下呼叫开关。

⑤停站5-6秒后或在此时间内按下关门键，电梯门自动关闭。

⑥电梯具有记忆功能，运行过程中，对于方向相同的选层信号，能依次停站应答。

⑦电梯全面完成一个方向的指令后，能自动关门，同时能自动的调转方向，执行反方向的相关指令。

⑧当电梯完成全部指令，并没有其它任何指令时，电梯可以自动运行到基层停止。

2.4PLC的特点

国际电工委员会（IEC）对可偏程序控制器即PLC的定义如下：

“可编程序控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子系统。

它通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，从而实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并可编程序控制器及其有关设备、都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”这段话对可偏程序控制器的特点和应用领域进行精炼的总结。

2.4.1可靠性高，抗干扰能力强

PLC通常采用微电子技术，选用的电子器件品质精良，一般都是工业级，甚至是军用级，基本无故障。

相对于继电器控制系统，PLC活动部件比较少，连接线不多，系统简单易维护，其次是设计相对比较合理、操作简单，