电梯PLC控制系统设计毕业设计论文 精品.docx
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电梯PLC控制系统设计毕业设计论文精品
防灾科技学院
毕业设计
题 目
电梯PLC控制系统设计
学生姓名
王中榆
学 号
085031101
系别
防灾仪器系
专业
电气工程及其自动化
班 级
0850311
开题时间
2011年12月20日
答辩时间
2012年6月11日
指导教师
李立新
职称
讲师
电梯PLC控制系统设计
作者王中榆
指导教师李立新
摘要从第一次工业革命开始，为人类提供方便的东西出现得越来越多，电梯就是其中之一。
电梯的高档、新奇、灵活、方便等深受广大人们的青睐。
为此，本文阐述了可编程序控制器PLC在电梯控制中的应用，主要介绍了一个5层楼的PLC电梯控制系统的总体设计方案、设计过程以及所选用的PLC的型号、电梯控制的梯形图，并给出了程序流程图，在分析、处理逻辑关系之后，提出了PLC编程。
关键词：
电梯;系统控制;可编程序控制器;梯形图
DesingofElevatorControlSystemBasedonPLC
AuthorWANGZhong—yu
TeacherLILi—xin
AbstractAfterthefirstindustrialrevolution,moreandmoreinventionswhichofferconvenienceforhumanhavebeenappearing,andtheelevatorisoneofthem.Becauseoftopgrade,novelty,flexibilityandconvenience,theelevatorisfavoredbythemajorityofpeople.Therefore,thispaperexpoundstheprogrammablelogiccontrollerPLCintheelevatorcontrolapplication,mainlyintroducingafive-floorbuilding’sPLCcontrolsystem’stheoveralldesignofthescheme,designprocessandtheuseofPLCmodel,theelevatorcontrolladderdiagram,andgivingtheprogram’sflowchart.Aftertheanalysisandprocessofthelogicrelationship,thePLCprogrammingisputforward.
Keywordselevator;controlsystem;PLC;trapezoidalchart
目录
引言1
1.电梯2
1.1电梯分类及世界电梯之最2
1.1.1电梯的分类2
1.1.2世界电梯之最2
1.2电梯的功能分析2
1.3电梯控制系统系统设计的基本思路2
2.PLC控制系统3
2.1可编程序控制器PLC3
2.1.1PLC概述和FPΣ机型3
2.1.2可编程序控制系统设计原则及步骤8
2.1.3程序设计以及说明9
3程序调试和结果分析18
3.1PLC程序调试18
3.1.1预备知识18
3.1.2本程序调试结果18
3.2PLC运行结果19
结论19
致谢20
参考文献21
引言
电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。
也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称扶梯。
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。
从电梯的产生到现在，电梯控制系统主要有三种基本控制方式：
继电器控制、微机控制和PLC控制，其中继电器控制系统具有线路直观、维修方便、成本脚底等优点，同时也具有故障率高、可靠性差、接线复杂、通用性差等缺点，所以使用率的较低。
1976年微机开始用于电梯，使电梯的电气控制进入了一个崭新的发展时期。
微机控制具有控制系统体积减小、节能、可靠性提高，尤其是对群控、通讯等复杂电梯控制功能更具优越性，因此，微机控制系统多用于性能要求较高较高档的客梯中。
当然微机控制也有其缺点，那就是微机控制系统的抗干扰能力弱，而PLC控制系统运行可靠，编程简单，维修方便，抗干扰性强，已成为目前电梯系统中使用最多的控制方式[1]。
PLC（ProgrammableLogicController）是一种可编程序的控制器，在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程的设备。
伴随着时间的推移以及微电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC从1969年的第一代经历的三次变革。
现在的PLC更多地融入了计算机的功能，不仅能够实现逻辑控制，而且具有了数据处理、通信和网络等功能。
它具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域[2]。
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解决。
本人选取的PLC是日本松下公司的FPΣ可编程序控制器。
第二个问题，根据电梯要实现的功能以及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.电梯
1.1电梯分类及世界电梯之最
1.1.1电梯的分类
从电梯的运行速度来分，电梯可分为低速电梯（1m/s以下）、快速电梯（1~2m/s）和高速电梯（2~5m/s）、超高速电梯（5m/s以上）。
从电梯的用途来分，电梯可分为乘客电梯、载货电梯、医用电梯、杂物电梯、观光电梯、建筑施工电梯、其他类型的电梯。
1.1.2世界电梯之最
最快——韩国现代电梯公司开发出时速64.8公里世界最快电梯。
最大——日本大阪，三菱电机全球最大的电梯，如果按65kg的单人体重计算，它可以一次运载80名人员同时上下楼。
最小——中国按照1:
20的比例缩小制造的“袖珍电梯”，原理和操作就跟真的电梯一样。
主要是为学生的学习与研究服务。
最长——迪拜塔共有57部电梯，运输长度世界第一，分别安装在塔内的不同地区，访客、住户、上班族、饭店客人各使用不同电梯。
位于塔中央的主电梯高504米，上升高度也是世界第一，超越台北101大楼电梯的448米记录，几乎是纽约帝国大厦电梯（381米）的1.5倍[3]。
1.2电梯的功能分析
1.电梯有5层楼，分别1F——5F。
2.电梯共有3中运行方式，分别为上行、下行和停止。
3．如运行途中遇呼梯信号时，顺向截车，反向不截车。
4．内选信号、呼梯信号具有记忆功能，执行后解除。
5．内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层具有指示灯。
6．停层时延时1s后自动开门或手动开门。
7．行车时不能手动开门，开门时不能行车。
8．正常工作状态下，工作电压均为24VDC。
1.3电梯控制系统系统设计的基本思路
PLC程序不必一口气完成，可以分步进行设计。
PLC程序设计思路如下：
编写开、关门限制时间程序，作开、关门的计时，
编写各楼层呼梯程序，能识别各楼层的呼梯需要，
编写指示灯程序，自动判断呼叫楼层点亮相应指示灯，
编写截车程序，当有截车信号时，根据运动方向判断是否截车，
编写上、下行程序，作指示电梯的运动趋势，⑥编写无呼叫计时程序，用以在无呼叫时，让电梯出于待机状态。
各步程序的编写都是基于上一步完成的程序上，最后修善可得完整的控制程序。
2.PLC控制系统
2.1可编程序控制器PLC
2.1.1PLC概述和FPΣ机型
1.PLC的概论
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC具有编程简单，维护方便、接线简单，成本降低、可靠性高，抗干扰能力强、模块化组合，灵活方便、维修便利，施工周期缩短、通信功能强，高度网络化等特点[4]。
2.PLC的基本功能
（1）.条件控制功能
（2）.定时/计数控制功能
（3）.数据处理功能
（4）.A/D与D/A转换功能
（5）.运动控制功能
（6）.过程控制功能
（7）.扩展功能
3.PLC基本结构和原理
PLC采用了典型的计算机结构，主要是由CPU，RAM，ROM，和专门设计的输入/输出接口电路组成[5]。
PLC的内部结构如图2.1.1，逻辑结构如图2.1.2。
图2.1.2PLC内部结构图
图2.1.1PLC逻辑结构图
PLC采用循环扫描的工作方式，从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后返回第一条指令，如此周而复始不断循环。
4.PLC的性能指标
目前市场上各厂家的PLC产品的技术性能不同，且各有特色，但其主要性能通常是由以下几种指标进行综合描述。
（1）.I/O点数
I/O点数指PLC外部输入、输出端子数，这是PLC最重要的一项技术指标。
（2）.扫描速度
PLC的扫描速度一般以执行1000步指令所需要的时间来衡量，单位ms/千步。
（3）.内存容量
在PLC中，程序指令是按“步”而论，一“步”占一个地址单元，一个地址单元占用2B。
（4）.指令条数
这是衡量PLC软件功能强弱的主要指标，PLC具有的指令种类及条数越多，则其软件功能越强，编程越灵活，越方便。
（5）.内部寄存器
PLC中有很多“辅助寄存器”、“引索寄存器”、“通用寄存器”、“专用寄存器”等内部寄存器，可给用户提供很多特殊功能，并简化整个系统的程序设计。
（6）.高级模块
高级模块的配置反映了PLC功能的强弱，是衡量PLC产品档次高低的一个重要标志。
5.PLC的分类
（1）.以I/O点数多少进行分类（超小型、小型、中型、大型、超大型）；
（2）.按结构形式分类（整体式、模块式、板式）；
（3）.按功能分类（低档机、中档机、高档机）。
6．PLC的应用
（1）.用于开关逻辑控制；
（2）.用于机械加工的数字控制；
（3）.用于机器人控制
（4）.用于闭环过程控制；
（5）.用于组成多级控制系统。
6.PLC的发展方向
PLC发展的一个方向是向着大型化、复杂化、高功能化、多层分布式工厂全自动网络化方向发展；另一个方向是朝着小型化、超小型化方向发展。
7.FPΣ机型
（1）.FPΣ正视图
①.状态指示发光二极管
状态指示见表2.1.1
（1）
表2.1.1
（1）FPΣ状态指示发光二极管状态
发光二极管
发光二极管的状态与当前运行状态
运行（绿色）
在运行模式下灯亮，表明程序正在执行
在强制输入或输出模式下，灯闪烁
编程（绿色）
在编程模式下灯亮，表明运行已经停止
在强制输入或输出模式下，灯闪烁
错误或报警（红色）
当自诊断功能检测到错误时，灯就会闪烁
当出现硬件故障或是由于编程使计算机停滞，灯就会亮
②.模式开关
模式动作见表2.1.1
（2）
表2.1.1
（2）模式选择开关操作模式
开关位置
操作模式
运行（向上）
进入运行模式，执行程序并开始操作
编程（向下）
进入编程模式，操作停止，通过编程软件可以编程
③.编程接口
引脚定义见表2.1.1（3）
表2.1.1（3）编程口各脚定义
引脚号
信号
简写
信号方向
1
地信号
SG
——
2
发送信号
SD
单元→外设
3
接受信号
RD
单元→外设
4
未使用
——
——
5
+5V
+5V
单元→外设
④.通信状态指示灯
通信状态指示灯意义见表2.1.1（4）
表2.1.1（4）通信状态指示灯状态
LED
LED与通信状态
COM.1
S
发送数据监控
当有数据正在传送时，灯闪烁
当没有数据传送时，灯熄灭
R
接受数据监控
当有数据正在接收时，灯闪烁
当没有数据接收时，灯熄灭
COM.2
S
发送数据监控
当有数据正在传送时，灯闪烁
当没有数据传送时，灯熄灭
R
接受数据监控
当有数据正在接收时，灯闪烁
当没有数据接收时，灯熄灭
⑤.输入连接器
⑥.输入指示发光二极管
⑦．输出连接器
⑧.输入指示发光二极管
⑨.模拟电位计
⑩.电源连接器
（2）.FPΣ侧视图
①.左侧扩展连接器
②.站号设置开关
③.通信插卡
④.扩展钩
⑤.右侧扩展连接器
⑥.DIN轨连接杆
（3）.FPΣ特点
①.存储容量大
②.全方位的通信功能
③.高速计数器和脉冲输出功能
④.模拟量控制
⑤.可扩展性
⑥.超强的数据处理能力
2.1.2可编程序控制系统设计原则及步骤
1.控制系统设计原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控制对象（生产设备活生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应主要遵循以下几个原则：
（1）保证能满足控制对象的工艺要求，能按照工艺流程准确而且可靠的工作。
（2）系统构成应力求简单、实用，系统易操作、调整，检修方便。
（3）设计合理、经济，能发挥PLC控制的有点。
（4）适应发展的需要[6]。
2.控制系统设计的一般步骤
PLC控制系统的设计方法和传统的继电器——接触器控制系统的设计相比较，组建的选择代替了原来的器件选择，原来的逻辑电路设计被程序设计所代替。
一个PLC控制系统的设计步骤大体如图2.1.2所示。
（1）工艺分析。
（2）机型选择。
①.功能选择：
选择机型时切记出现“大材小用”和“小马拉大车”的现象。
②.I/O点数确定：
根据控制系统所需要的开关量、模拟量的I/O点数，选择PLC的I/O点数和种类。
③.内存估计：
用户程序所需要的内存容量主要与系统的I/O点数、控制要求、编程者的编程水平有关。
④.工业现场调查：
调查现场的温度和湿度、PLC机架的抗冲击和振动能力、电磁干扰、有无腐蚀性气体和过量粉尘、供电情况。
（3）硬件设计：
包括外部电路的设计、绘制单装配图和总接线图、设计组件装配图和接线图以及PLC的安装和配线等。
（4）程序设计：
根据控制要求，把工艺流程图转换成梯形图。
（5）程序初调。
（6）联机调试。
图2.1.2PLC控制系统设计步骤流程图
2.1.3程序设计以及说明
1.PLC的编程工作方式
不同类型的PLC都有相应的编辑器，但是编程原理都是大同小异。
程序编辑和调试操作的过程如图2.1.3
（1）所示，F系列PLC基本单元具有运行和停止两种状态。
编程时基本单元置于停止状态；而PLC系统处于工作运行或对程序执行情况监视时，基本单元（主机）应置于运行状态。
但有的PLC，不把其公共端子COM和运行端子RUN连接起来，就是停止状态，即相当于把基本单元置于STOP位置。
编程时，必须使主机处于停止状态，同时把编程器置于“PROGRAM”编程位置。
2.PLC梯形图程序设计
梯形图是用的最广泛的PLC图形程序编辑语言。
梯形图语言是在传统的电器控制系统中最常用最基本的继电器、接触器等图形表达符号的基础上转变而来的。
它与电器的控制线路图相似。
继承了传统的电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算和输入输出，具有很直观、形象、实用等优点。
所以，这种编程语言为广大的电气技术人员所熟悉，是应用最广泛的PLC的程序编辑语言，是PLC的首选编程语言[6]。
图2.1.3
（1）程序编辑和调试操作过程
3.软件系统设计方案
软件系统的整体设计方案为，对电梯的运行状态控制进行分类：
下行、上行、停止以及各个指示灯的控制。
电梯控制系统程序流程图如图2.1.3
（2）所示。
图2.1.3
（2）电梯控制程序流程图分析
4.电梯模型的控制要求
五层电梯：
轿厢内有5个层选开关，开门、关门开关，轿厢外一、五楼各有一个层选开关，二、三、四层各有两个层选开关，另外有5个平层开关、两个轿厢行程限位开关、两个轿厢门行程限位开关。
方向优先原则：
当电梯正在运行时，轿厢两侧都有呼叫信号，优先响应与运动方向相同的呼叫信号，存储与运动方向相反的呼叫信号，待电梯反向运行时，再依次响应反方向的呼叫信号。
时间优先原则：
当电梯停于某一层时，轿厢两侧都有呼叫信号，优先响应先按的外部呼叫信号。
内呼优先外呼原则：
当电梯停于某一层时，优先响应内部呼叫，应，再响应外部呼叫。
楼层的外呼开关也是开门开关，到达呼叫楼层后自动开门5秒，然后自动关门。
总开关打开时可执行上述功能；关闭时，不响应新的呼叫（无论内呼、外呼），在响应完当前呼叫信号后回到一楼。
5.PLC的I/O点定义
PLC的I/O点定义如表2.1.3
表2.1.3I/O点定义
输入信号
输出信号
信号
PLC——I口
信号
PLC——O口
五层内呼
X0
一层内灯
Y1
四层内呼
X1
二层内灯
Y2
三层内呼
X2
三层内灯
Y3
二层内呼
X3
四层内灯
Y4
一层内呼
X4
五层内灯
Y5
五层平层
X8
一层外灯上
Y20
四层平层
X9
二层外灯下
Y21
三层平层
XA
二层外灯上
Y22
二层平层
XB
三层外灯下
Y23
一层平层
XC
三层外灯上
Y24
上行限制
X24
四层外灯下
Y25
下行限制
X23
四层外灯上
Y26
内呼开门
X22
五层外灯下
Y28
内呼关门
X23
电梯上行
Y0
开门限制
X26
关门限制
X27
一层外上呼
X20
电梯下行
Y6
二层外下呼
XD
二层外上呼
X5
三层外下呼
XE
门电机开
Y7
三层外上呼
X6
四层外下呼
XF
四层外上呼
X7
门电机关
Y27
五层外下呼
X21
6.程序说明
此处为程序的开、关门的限制时间，当电梯到达指定楼层后接触到楼层限位开关自动响应开门信号，Y1~Y5接通，电梯开门。
门打开之后有5秒的开门等待时间，当定时器5秒后Y27接通自动关门，门完全关闭后关门限位X27自动显示关门信号。
具体程序如图2.3.1（3）所示。
图2.3.1（3）开、关门限制时间程序
当电梯有人发出呼叫信号后，电梯随即响应并到达指定楼层。
X20、XD、X5、XE、X6、XF、X7、X21分别为电梯一、二（下、上）、三（下、上）、四（下、上）、五层的外呼信号；X0、X1、X2、X3、X4分别为电梯五、四、三、二、一层的内呼信号，当X20或X4响应时，电梯到达一层自动开门，然后关门到达指定的楼层，经过LED指示灯给电梯内部的人看，以防坐错楼层。
具体程序如图2.3.1（4）所示。
图2.3.1（4）各楼层呼梯程序
当电梯内外有人按楼层呼梯按钮时，相应的指示灯点亮。
如当X20响应且XC不响应时，Y20接通一层外呼向上指示灯点亮。
具体程序如图2.3.1（5）所示。
图2.3.1（5）指示灯程序
电梯具有平层限位的能力，当电梯到达某一层时电梯门会自动打开或关闭，此时，一、二、三、四、五层的开关按钮R1、R2、R3、R4、R5会根据每层的需要做出相应的选择。
外呼梯信号的锁定与清除：
只要某一楼层有外呼梯信号，那么该呼梯信号就需要被锁定。
当电梯运行方向与呼梯方向相同，那么就需要响应该信号；如果运行方向与呼梯信号相反，那么就需要等待电梯轿厢运行回来再响应呼梯信号。
如果电梯轿厢在运行过程中有多个反方向呼梯信号同时存在，例如在电梯向上运行的过程中同时存在有2层向下呼梯信号、3层向下呼梯信号、4层向下呼梯信号、5层向下呼梯信号，那么就要优先响应最远的反方向呼梯信号，即5层向下呼梯信号，然后电梯轿厢转为向下运行，依次响应其余的呼梯信号（此时其余的呼梯信号已经变为同向呼梯信号）；反之，在电梯向下运行的过程中同时存在有1层向上呼梯信号、2层向上呼梯信号、3层向上呼梯信号、4层向上呼梯信号，那么就要优先响应最远的反方向呼梯信号，即1层向上呼梯信号，然后电梯轿厢转为向下运行，依次响应其余的呼梯信号（此时其余的呼梯信号已经变为同向呼梯信号）。
如果电梯轿厢在上运行过程中，到达某一层遇到反方向呼梯信号，并且该楼层前方没有其他的任何呼梯信号，那么就需要开门响应该呼梯信号。
具体程序如图2.3.1（6）所示。
图2.3.1（6）截车程序
当截车方式确定以后，只要有任何内、外呼梯信号，电梯运行方向就应该显示出来，并且电梯轿厢门关闭，那么电梯就可以上下运行了。
电梯的上行与下行由Y0和Y6来输出显示，它的控制由电梯的内呼开关和外呼来控制。
电梯按其响应趋势来控制电梯的上下行，当遇到上限位或下限位、电梯门开等均应该停止运行。
具体程序如图2.3.1（7）所示。
图2.3.1（7）上、下行程序
当电梯无呼叫信号且在停止状态下，电梯将进入待机状态。
具体程序如图2.3.1（8）所示。
图2.3.1（8）无呼叫计时程序
3程序调试和结果分析
3.1PLC程序调试
3.1.1预备知识
1.总体检测与程序核对
程序编写完后，不要忙于下载，要先“程序核对”和“总体检查”。
“程序核对”是将当前处于活动状态的编辑画面中的程序与PLC主机内、或其他编辑窗口内的程序进行比较对照，检查二者是否一致。
核对时，按照系统寄存器、程序大小、程序代码的顺序进行。
“总体检查”就是检查PLC主机内的程序。
在发现错误时，显示错误信息，便于程序修改。
“总体检查”应在“在线”状态下、PLC为编程（PROG）模式下进行。
编辑画面中所显示的程序与PLC本身所存储的程序有可能不同，因此一般先进行“程序核对”，再执行“总体检查”。
2.保持指令、定时器指令、微分指令、数据传输指令等
3.索引寄存器的种类、功能
索引寄存器是一个16位的寄存器，它的存在使PLC的编程更为灵活和方便。
索引寄存器的个数视PLC机型而定，具体见表3.1.1所示。
表3.1.1不同机型的索引寄存器
机型
个数
索引寄存器的编号
FP1
2
IX，IY
FP0
2
IX，IY
FPΣ
14
I0，I1，I2…，IA，IB，IC，ID共14个，其中前两个I0，I1对应FP1，FP0中的IX，IY
4.动态写入数据
在在线菜单下打开数据监控画面，PLC连线状态下点击数据位置就会跳出动态写入数据对话框。
写入数据后点击“OK”数据就写入相应的寄存器中了。
3.1.2本程序调试结果
在经过多次调试与修改之后，本程序的错误率为0。
本程序调试结果如图3.1.2所示。
图3.1.2总体检查结果
3.2PLC运行结果
（1）最低楼层和最高楼层（例如最低楼层），不论是外呼梯信号还是内呼梯信号，只要电梯轿厢到达该楼层，就一定会打开电梯轿厢门响应该呼梯信号。
（
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