完整版基于四层电梯的PLC控制系统设计毕业设计.docx
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完整版基于四层电梯的PLC控制系统设计毕业设计
常州刘国钧高等职业技术学校
毕业论文
编号
论文名称基于四层电梯的PLC控制系统设计
系部自动化工程系
专业机电一体化
班级0861班
姓名周琦
学号086103
指导教师袁建春
2013年4月16日
摘要………………………………………………………...…………………1
Abstract……………………………….......................…………….…………….2
基于四层电梯的PLC控制系统设计
摘要
由于国民经济的高速发展和多功能现代化的高层建筑不断涌现，全社会配备电梯的用户正在迅速增加，可编程控制器（简称PLC）以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到了日益广泛的应用，电梯由传统的继电器控制方式发展为PLC控制的一个重要方向，成为当前电梯控制与技术改造的热点之一。
本文详细介绍了四层电梯PLC控制系统的设计，讲述了PLC控制电梯的原理，给出了电梯PLC控制系统的总体设计，提供了电梯PLC控制系统设计流程图，并对主要梯形图程序设计进行了分析，着重阐述了本系统的各个程序的设计原理和一些功能的实现。
通过对所设计的程序进行调试，可实现电梯自动定向、顺向截梯、反向保号、外呼记忆、自动开关门、停梯消号等基本功能的控制，并且具有门厅指示层、轿厢内指示层、方向指示灯等信号显示。
本系统的功能主要由PLC编程实现，程序中应用了多种指令，并且有一些实用的编程思想。
在调试程序时也积累了许多宝贵的经验，遇到的问题及解决方法，在本文系统调试中作了介绍。
关键词：
电梯、功能、PLC、控制、系统设计
Abstract
Becauseoftherapiddevelopmentofnationaleconomyandthespringingupofmultifunctionalhigh-risebuildings,theuserswhoequippedtheelevatorsareincreasingrapidly.Programmablecontroller（PLC）wasbeenmadeagooduseintheelevatorcontrolwithitsreliabilityanditstechnicaladvancement.ItisthekeydirectionforthedevelopmentoftheelevatorfromthetraditionalrelaycontrolintothePLCcontrol,anditturnsouttobeafocusintheelevatorcontrolandthetechnicalreformation.
ThistextintroducedthefourelevatorPLCcontrolsystemdesign,andnarratedtheprincipleofthePLCcontrollingelevator,showedthechartandthestructureofPLCsystem,provideditsdesigningthoughtsandanalyzingladderprogramdesign,andemphasizedelaboratelytheprogramdesignprincipleandtherealizationsoffunctionsinthissystem.
Throughthedesignprocedureofdebugging,thesystemhaverealizedautomaticdefinitedirection,followtoholdupsteps,reversetosavenumber,callmemoryoutside,automaticswitchdoor,stoptoeliminatenumberetcbasicfunctionsofcontrol,havinghalllantern,carpositionindicatorandthedirectionindicatoretc.
ThefunctionofthissystemwasmainlyrealizedbyPLC.Itappliedvariousinstructionsintheprocedure,andthereweresomepracticalprogrammedthoughts.Whiledebuggingprocedure,Ialsoaccumulatedmuchpreciousexperience.Atlastthetextintroducedthemeetingproblemandresolvingmethod.
Keywords:
ElevatorFunctionPLCControlSystemdesign
第一章绪论
第1.1节概述
随着国民经济的高速发展和多功能现代化的高层建筑的不断涌现，全社会配备电梯的用户正在迅速增加，电梯在工业生产、建筑、商贸、楼宇自动化等各行各业中应用越来越广泛。
电梯信号控制系统主要有继电器控制和计算机控制两种控制方式。
随着科学技术的发展，各种微型计算机控制系统，尤其是可编程序控制器控制系统逐步取代了传统的继电器--接触器控制系统，从而大大简化了控制线路，提高了运行可靠性和自动化程度。
控制系统主要是对大量的输入输出开关量进行逻辑运算和处理。
现在国内的电梯产品和正在运行的电梯大多采用继电器组成的控制系统，其缺点是触点多，故障率高，可靠性差和体积庞大等。
微机控制和PLC控制是解决上述问题的两个重要途径。
PLC控制更以研制周期短和可靠性高等优越性受到了电梯生产厂家的青睐。
可编程序控制器的英文为ProgrammableController，简称PLC。
是以微处理器为核心，综合了计算机技术、通信技术和控制技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。
四层电梯PLC电气控制系统包括拖动系统和控制系统两部分。
第1.2节拖动系统概论
电梯对电力拖动系统的要求是启停平稳，加减速快，调速性能好。
随着人们对乘坐电梯的舒适性要求越来越高，对电梯的电力拖动系统性能要求也越来越高。
目前应用于电梯的拖动系统主要有直流电机拖动系统和交流电机拖动系统两类。
采用直流电动机拖动系统，具有调速性能好，调速范围大的特点，因此很早就已应用于电梯，但成本高，维护不方便，不能用于易燃易爆场合；采用交流电机拖动系统，又可以分为变极对数交流电机拖动系统；绕线转子异步电动机串级调速拖动系统，笼式异步电机定子调压调速和变频变压（VVVF）调速等拖动系统。
随着电力拖动控制技术的发展和交流控制技术的日益成熟，加之交流异步电动机结构简单，维修方便，价格便宜，采用交流异步电动机变频调速已成为当前的主流。
1984年，第一台采用变频变压（VVVF）系统控制的电梯问世。
它采用交流电动机驱动，却可以和直流电动机的调速性能相比美。
控制系统的体积小、重量轻、效率高，节省能源，几乎包括了以往电梯的所有优点，已成为目前最新的电梯拖动系统。
交流变极电动机拖动系统主要应用于舒适感较差的客、货运电梯上，但具有结构紧凑、维护简单的特点，价格低。
若采用微处理机或PLC进行控制，并将涡流制动或能耗制动用于交流电梯控制上，也可以获得满意的舒适感和平层准确度，因此也有广泛的应用场合。
第1.3节电梯的PLC控制系统组成
1.3.1电梯PLC控制系统的概述
电梯的运行是一个复杂的过程，为了实现安全、方便、舒适、高效和自动化运行，除了需要良好的拖动系统以外，还必须要有一套完善、可靠的控制系统。
电梯PLC控制系统与其它类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两大部分组成。
下面就详细介绍这两方面。
1.3.2电梯的信号控制系统
电梯信号控制基本由PLC编程实现，机械选层器与绝大部分继电器已被PLC取代。
输入到PLC的控制信号有:
运行控制、内指令，外召唤、安全保护、开关门及限位或平层信号等；输出控制信号有：
楼层显示、呼梯及选层指示、方向指示、开关门控制等。
信号控制系统的所有功能如召唤信号登记、轿厢位置判断、选层定向、顺向截梯、反向截梯、消号及反向保号、平层、开关门、电梯优先服务均为程序控制。
1.3.3电梯的拖动控制系统
PLC控制的拖动系统的工作状态及部分反馈信号可送入PLC，由PLC向拖动系统发出速度切换、起动、运行、换速、平层等控制信号。
PLC程序根据召唤信号定向，通过电动机实现对轿厢的快车起动运行与慢车减速制动，工作原理如图1-3所示。
考虑到本课题的模型是集成的，因此无法实现快车起动运行和慢车减速制动，故不考虑速度切换这方面的问题。
图1-3四层电梯PLC拖动系统原理图
第二章系统的电气控制要求及控制方案的确定
第2.1节系统的电气控制要求
2.1.1系统对电气控制的要求
1、控制方式：
手动、自动、自动门、自平层。
2、信号显示：
门外指层灯、轿厢内指层灯、方向指示灯、电梯运行指示灯等。
2.1.2设计要求
1、系统的硬件设计：
（1）主电路设计；
（2）输入部分接点分配：
手动关门、开/关门到位、上下限位开关、外呼、内选；
（3）输出部分接点分配；
（4）PLC机型的选择。
2、系统的PLC程序设计内容：
根据四层电梯系统的运行要求,对下述要求进行研究与实现其PLC控制:
（1）开始时，电梯处于任意一层。
（2）当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时3S后自动关门。
（3）当有内呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时3S后自动关门。
（4）在电梯运行过程中，电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方向无其它内、外呼梯信号时，则电梯响应该外号，但不响应二层向下外呼梯信号。
同时，如果电梯到达三层，如果四层没有任何呼梯信号，则电梯可以响应三层向下外呼梯信号。
（5）电梯应具有最远反向外呼梯响应功能。
例如：
电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。
（6）电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。
平层且电梯停止运行后，按开门按钮电梯门打开，按关门电梯门关闭。
3、电梯设计的基本步骤：
（1）深入了解和分析电梯的工艺条件和控制要求。
（2）确定I/O设备。
根据四层电梯控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。
（3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。
（4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。
（5）设计电梯系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个电梯系统设计的核心工作。
（6）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。
（7）电梯整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。
第2.2节系统的控制方案确定
一般乘客电梯根据乘客的要求设有自动工作状态和故障检修状态两种。
故障检修状态以满足电梯管理人员进行检修。
下面以电梯自动运行状态为例，讨论其运行特点。
工作中的电梯PLC控制系统应根据乘客的各种呼梯信号和电梯的当前运行要求，根据省时、高效的原则，自动进行综合分析，确定下一步运行工作状况。
为此，电梯要满足具有自动定向、顺向截梯、反向保号、外呼记忆、自动开关门、停梯消号、自动到层等各种功能。
例如，电梯停在顶层，当第一、第二层同时有人呼上时，电梯将按最佳的顺序运行，先到一层，然后到二层停，再上行到三层，这叫反向呼梯，优先为最远距离服务。
电梯运行过程控制是，当电梯PLC控制系统扫描到内、外呼信号，梯门关闭时，PLC接通电机的快速接触器，电梯加速运行，当电梯运行到距每层位置1.6m处时，双稳态开关发出换速信号，PLC切断快速接触器，接通慢速接触器，电梯进行减速过程，一定时间后进入爬行阶段，然后由平层干簧管感应器发出平层信号，PLC发出停梯抱闸信号，停稳后开门，完成一次电梯运行服务。
电梯PLC控制系统还应具有对以下信号的处理功能：
最远反向外呼响应程序：
设置此程序是为了让电梯节省行程，即当电梯需要执行最远反向外呼响应程序时，其它层的内呼和外呼（不在最远反向外呼信号内）均不响应，只做记忆处理，当最远反向外呼响应程序执行完成后，再执行其它的响应。
第三章系统的总体设计
第3.1节电梯模拟轿厢的简介
为了能将本系统的四层电梯PLC控制系统得到模拟仿真,借助于PLC实验室中的四层电梯模型来完成调试任务。
电梯模型正面面板如图3-1所示，该装置是TVT90HC-10四层电梯控制的模型，本装置电源为交流24V50Hz。
轿厢在模型的左侧，由内部集成电路来控制它的上升和下降以及厢门开门和关门控制。
面板上的输入信号端子有内选按钮信号、外选按钮信号、平层、限位信号、厢门限位信号及公共端Ⅰ等共计21个，控制时应分别与PLC主机输入端连接，公共端Ⅰ与主机输入COM点连接。
面板上的输出信号端子有轿厢上升下降控制、厢门控制，公共端Ⅱ等共计5个，控制时应分别与PLC主机输出端连接，公共端Ⅱ与主机输出COM点连接。
使用时首先将模型与PLC主机输入、输出端口的连接好，检查无误后，接通电源，模型处于待机状态，启动PLC运行程序，按动模型选层的内呼或外呼按钮，若PLC运行程序编制正确的话，电梯模型将按内、外呼按钮指令正常运行。
图3-1电梯模型
第3.2节PLC的I/O点数分配及机型的选择
3.2.1PLC的选型及输入部分接点分配
本课题为四层电梯，根据控制开关、设备的需要，要求PLC有20个输入点，4个输出点才能满足控制要求，考虑输入/输出点留有一定的裕量，故选择FX2N--48型PLC可满足要求，其输入点为20个，其分配情况如表3-1。
表3-1PLC输入接点分配
PLC输入点分配
输入信号设备
PLC输入点分配
输入信号设备
X000
一层外呼向上按钮SB1
X012
内呼开门SB11
X001
二层外呼向下按钮SB2
X013
内呼关门SB12
X002
二层外呼向上按钮SB3
X014
一层到位SQ1
X003
三层外呼向下按钮SB4
X015
二层到位SQ2
X004
三层外呼向上按钮SB5
X016
三层到位SQ3
X005
四层外呼向下按钮SB6
X017
四层到位SQ4
X006
内呼一层按钮SB7
X020
上升极限SQ5
X007
内呼二层按钮SB8
X021
下降极限SQ6
X010
内呼三层按钮SB9
X022
开门到位SQ7
X011
内呼四层按钮SB10
X023
关门到位SQ8
3.2.2PLC输出接点分配
本课题要求输出点为4个，PLC的输出点分配情况如表3-2。
表3-2PLC的输出接点分配
PLC输出接点分配
驱动外设名称
PLC输出接点分配
驱动外设名称
Y000
电梯上行接触器KM1
Y002
电梯开门接触器KM3
Y001
电梯下行接触器KM2
Y003
电梯关门接触器KM4
3.2.3PLC中使用的中间继电器和其它软元件
本课题需要使用PLC中一些内部中间继电器及其它软元件，其分配如如表3-3和表3-4所示。
表3-3PLC内部中间继电器的分配
代号名称
中间继电器名称
代号名称
中间继电器名称
M0
电梯上升辅助继电器
M70
确保电梯动作时关门继电器
M1
电梯下降辅助继电器
M71
上升辅助继电器
M30
定时辅助继电器
M72
下降辅助继电器
M33
内呼开门辅助继电器
M73
上升辅助继电器
M34
上升沿输出开门到位
M74
上升辅助继电器
M35
上升沿驱动电梯静止
M80
促使电梯不静止辅助继电器
M36
电梯静止辅助继电器
M91
到一楼停止动作继电器
M40
上电上升辅助继电器
M92
到二楼停止动作继电器
M42
上电驱动开门
M93
到三楼停止动作继电器
M44
内呼开门辅助继电器
M94
到四楼停止动作继电器
M50
上升沿输出到一楼开门（内呼）
M104
一层内呼辅助继电器
M51
上升沿输出到二楼开门（内呼）
M105
二层内呼辅助继电器
M52
上升沿输出到三楼开门（内呼）
M106
三层内呼辅助继电器
M53
上升沿输出到四楼开门（内呼）
M107
四层内呼辅助继电器
M54
上升沿输出到一楼开门（外上）
M110
外呼一楼上升辅助继电器
M55
上升沿输出到二楼开门（外上）
M111
外呼二楼下降辅助继电器
M56
上升沿输出到三楼开门（外上）
M112
外呼二楼上升辅助继电器
M57
上升沿输出到二楼开门（外下）
M113
外呼三楼下降辅助继电器
M58
上升沿输出到三楼开门（外下）
M114
外呼三楼上升辅助继电器
M59
上升沿输出到四楼开门（外下）
M115
外呼四楼下降辅助继电器
M60
电梯关门辅助继电器
M300
同时到1、2辅助继电器（向上）
表3-4PLC内部其它软组件的分配
PLC软组件名称
代号名称
功能
特殊功能继电器
M8002
初始脉冲
定时器
T0
电梯开门延时30S关门
第3.3节PLC输入输出电气接线原理图
根据表3-1、表3-2的PLC输入/输出接点分配，可以画出PLC外部接点的电气接线如图3-3所示。
图中的KM1～KM4是驱动电梯上行、电梯下行、电梯开门以及电梯关门的直流接触器，在实验室程序调试时分别由数码显示管和LED指示灯表示出来，对于按钮开关及限位开关动作时，也由LED指示灯指示表示通断。
图3-2PLC输入输出线路图
第3.4节程序流程图设计
根据本课题的控制要求设计的程序流程图如图3-3所示；
图3-3程序流程图
简要说明一下流程图中主要程序段的功能：
（1）电梯上电初始化程序段
此段程序是在其上电的后使电梯回到一层处于等待工作状态。
（2）用户输入程序段
用户的输入包括外呼按钮和轿厢内的内呼按钮，用户输入程序段完成在用户输入以后，马上保持用户选择的状态，以便后面的程序判断。
（3）系统状态确定程序段
系统运行用户输入程序段中，对用户选择的状态进行分析和处理，确定程序应该执行哪一部分的代码，以及更改电梯本身的状态。
（4）轿厢开关门程序段
轿厢开关门程序段时用来控制轿厢的开关门，包括电梯到层自动开门、延时关门、防夹处理等。
（5）设定上行目标
此段程序是用来确定上行过程中的下一个目标的，只有在上行以及电梯处在等待状态时才会调用，如果没有下一个目标，就会设定电梯为等待状态。
（6）设定下行目标
此段程序是用来确定下行过程中的下一个目标的，只有在下行以及电梯处在等待状态时才会调用，如果没有下一个目标，就会设定电梯为等待状态。
（7）执行上行程序
此段程序包括控制电梯上行，检测电梯是上行还是下行并且执行。
（8）执行下行程序
此段程序包括控制电梯下行，检测电梯是上行还是下行并且执行。
第四章系统的软件设计
第4.1节电梯内、外呼梯形图程序设计及原理说明
电梯内、外呼要求对用户外呼按钮和厢内按钮信号进行判断并进行操作，例如：
当电梯不在一楼时，用户按下1层内呼的按钮（X006闭合）时，M104得电，记忆该信号，驱动Y001使电梯下行，到一层时（X014常闭触点断开），电梯停止运行，电梯内呼到一层的程序如图4-1，程序中M0和M91对Y001进行互锁。
电梯外呼的程序与内呼程序相类似。
图4-1电梯内呼到一层的程序
同理其它按钮信号的记忆、消除，由各自对应的逻辑线圈和各层对应的层楼信号来实现，具体程序见总程序清单。
每个触点所对应的辅助继电器如表4-1所示。
表4-1输入出点对应的辅助继电器对照表
输入触点
对应的辅助继电器
1层外呼向上X000
M110
2层外呼向下X001
M111
2层外呼向上X002
M112
3层外呼向下X003
M114
3层外呼向上X004
M114
4层外呼向下X005
M115
1层内呼X006
M104
2层内呼X007
M105
3层内呼X010
M106
4层内呼X011
M107
第4.2节电梯自动开关门程序设计及原理说明
电梯自动开门程序如图4-2。
当电梯开门标志（M50）满足条件ON时，且此时X020（开门限位开关，门打开时为逻辑1）常闭触点闭合，此时Y002线圈得电，使电梯开门，当开门到位限位开关（X022）得电断开时，此时电梯停止开门，开始用T0来计时，计时3s完毕后，开始关门程序。
此时Y003（对电梯关门）进行互锁，即只要关门动作在执行时，Y002即失电停止动作。
图4-2电梯自动开门程序
电梯自动关门程序如图4-3所示，当T0接通后，此时关门输出Y003得电，进行关门操作，当关门到达位置（X023动作）后，关门限位开关的指示灯亮，此时停止关门，而Y002是和Y003进行互锁。
实现开门、关门不可同时进行。
图4-3电梯自动关门程序
第4.3节电梯手动开关门程序设计及原理说明
为了方便乘客在电梯到站时还有人在规定时间内未上或者未下，在电梯中设置了手动开关门的功能。
手动开关门只有当电梯到站停梯时,才允许手动开关门,在运行过程中严禁手动开关门,以确保乘客乘坐电梯的安全。
程序梯形图如图4-4、4-5所示。
图4-4手动内呼开门程序
对于手动开门的按钮是设置在电梯的轿厢内的，当电梯停于楼层的平层限位处（一层X014、二层X015、三层X016、四层X017）时，按下手动开门按钮（X012）便启动手动开门程序，此时内呼开门辅助继电器（M33）得电并驱动开门线圈Y002，当开门到达开门限位开关（X022）处时，电梯停止开门；在开门的时候，电梯禁止上行和下行操作，即Y000和Y001与M33形成互锁。
图4-5手动内呼关门程序
对于手动关门的程序和开门的程序基本一致，当电梯停于楼层的平层限位处（一层X014、二层X015、三层X016、四层X017）时,按下手动关门按钮（X013）便启动手动关门程序，此时内呼关门辅助继电器（M44）得电并驱动开门线圈Y003，当关门到达关门限位开关（X023）处时，电梯停止关门，关门操作完成。
第4.5节电梯上行主程序设计及原理说明
根据电梯的实际运行情况，在电梯上升的过程中有以下的情况：
（1）当电梯停于一楼或二楼、三
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