五层电梯控制系统设计.docx
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五层电梯控制系统设计
毕业实践
类别毕业实践
题目5层模拟电梯的控制系统设计
系名称电气工程系
专业及班级
学生姓名
学号
指导教师
完成日期2010年11月28日
毕业实践任务书
系名称电气工程系
专业及班级
学生姓名
学号
毕业实践题目：
5层模拟电梯的控制系统设计
指导教师（签字）：
教研室主任（签字）：
系主任（签字）：
2010年11月28日
毕业实践课题及任务
课题简介
电梯作为现代化的高层办公楼和高层住宅的必备设施，其运行的平稳性、舒适性是很受用户关注的重要参数。
本设计为5层模拟电梯，采用小功率直流电机（可正反转）驱动，通过滚轮、钢丝带动轿箱上下移动，控制系统以PLC为核心，控制方便稳定。
课题任务
要求
请以PLC为控制为核心，设计电梯的楼层感应控制、轿内指令控制、门厅招唤控制、选向控制、启动控制等。
要求：
1、设计液压系统；
2、设计硬件框图及PLC控制系统接线图；
3、设计软件流程及编写程序；
4、对软硬件进行调试；
5、按“毕业实践规范”，撰写毕业实践报告。
进程安排
暑假第1周:
根据课题要求，查阅相关资料、参考书，进一步加深对毕业实践课题的理解和认识；完成开题报告，并写出毕业实践的摘要及目录；
暑假第2周：
根据课题要求，设计硬件电路，并写出工作原理；
暑假第3周：
设计软件流程及编写程序，并对程序进行注释；
暑假第4周-2010下期第16周：
进行硬件及软件安装、调试及软硬件联调；
2010下期第17-18周：
课题资料的整理、修改、完善、装订，论文答辩。
参考资料
1、机电一体化技术手册.机械工业出版社,1994年
2、周伯英.工业机器人设计.机械工业出版社,1995年
3、李秧耕.电梯基本原理及安装维修全书.机械工业出版社,2001年
4、王兆义.小型可编程控制器实用技术.机械工业出版社,1997年
5、产品资料（Atos电子-液压产品、三菱FX系列）
毕业实践开题报告
5层模拟电梯的控制系统设计
电气工程系机电一体化技术专业
姓名班级：
学号
一、选题的目的、意义
现代社会中，电梯已经成为不可缺少的运输设备。
电梯的存在使得每幢高层建筑的交通更为便利。
电梯控制技术的发展主要经历了三个阶段：
继电器控制阶段，微机控制阶段，现场总线控制阶段。
目前电梯设计使用可编程控制器（PLC），要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。
维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。
随着经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入一个崭新的时代，其应用越来越广。
电梯是现代高层建筑的垂直交通工具，其设计要求稳定性、安全性及高。
随着人们生活水平的不断提高,对电梯的要求的也相应提高，电梯得到了快速发展。
二、课题任务要求
以PLC为控制为核心，设计电梯的楼层感应控制、轿内指令控制、门厅招唤控制、选向控制、启动控制等。
当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后．控制系统进行下列运作：
根据轿厢所处位置及乘员所处层数．判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。
将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。
另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。
电梯的控制要求：
1）自动响应层楼召唤信号（含上召唤和下召唤）
2）自动响应轿厢服务指令信号
3）自动完成轿厢层楼位置显示
4）自动显示电梯运行方向
5）具有电梯直达功能
6）系统提供的输入控制信号
7）系统需要输出的开关控制信号
三、课题准备情况
1、查阅资料，熟悉电梯的工作原理，分析电梯的基本功能，整理出要实现功能及所需的知识点，并对所需知识点进行巩固性学习。
2、收集与电梯设计相关的一些材料，从中吸取一些有用的方法，以便以后把这些方法灵活的运用在我们的设计中。
3、主要参考文献：
[1]廖常初.可编程控制器的编程方法和工程应用.重庆大学出版社，2001.2.
[2]李秧耕,何乔治,何峰峰.电梯基本原理及安装维修全书.机械工业出版社,2001.7.
[3]叶安丽.电梯技术基础.中国电力出版社,2004.
[4]张淼,冯剁生.变频器的应用与维护.华南理工大学出版社,2001.9.
[5]秋洁,燕宾.变频器应用基础.机械工业出版社,2002.
[6]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册.机械工业出版社，1998.
[7]刘祖润、胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社，1996.
[8]陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，2004.
[9]汪晓华.PLC可编程控制器开发实例导航.人民邮电出版社，2005.
四、思路和方法
1.查阅资料，熟悉电梯的工作原理，分析电梯的基本功能，通过坐电梯亲自体验一下电梯需要注意的一些方面，例如上升或下降时的加速度大小、电梯最大速度上限值、电梯最大载重量的设计、电梯门卡到人要自动打开、电梯必须要确定关好门后才能启动、必须停稳后才能开门、突然停电的应急处理等等。
2.通过熟悉电梯的工作原理后再确定好所设计电梯要实现的功能，确定电梯的一些参数，如加速度大小、最大速度上限值、电梯最大承载量等。
3.根据确定好的功能和参数来选择好合适的硬件，如电动机型号、变频器型号、楼层选择键盘、楼层显示、行程开关等，再根据选择的硬件和所要实现的功能设计硬件系统初稿，再通过查阅资料，参照一些更好的设计方案来改善硬件系统，尽量使设计的硬件系统更加完善。
4.根据要实现的功能和已确定的硬件系统，对需实现功能会出现的所有情况进行分析，设计出状态流程图，通过对状态流程图简化后再设计出梯形图，如果有条件可以用软件对结果进行仿真，根据仿真后的结果再进行调试，如果没有仿真条件就需对所编辑的程序认真分析，确定没问题后在交个辅导老师检查，最后根据辅导老师的指导来对所编辑的程序进行改善与调试，争取使软件系统更加完善。
5.整理所有资料，并把硬件与软件结合起来分析，争取通过反复检查后要做到硬件与软件能够统一（在此期间如果遇到问题要主动与同学交流，遇到解决不了的问题要向指导老师请教）。
五、重点解决的问题
1、由于没有学过交流变频调速控制技术，所以在设计电梯驱动系统，传动系统，交流变频调速系统时，还会存在很大的困难；
2、电梯运行速度的调制；
3、交流变频器的使用；
4、电梯软硬件的设计及PLC系统输入、输出分配；
5、故障处理系统：
常用故障的例举及解决方案；
6、电梯上升和下降时加速和减速的控制；
7、传感器控制（如关门时若卡到人门自动打开的）；
8、在软件设计时要实现所有功能而会出现的所有状态的分析；
9、软件的设计与调试。
六、计划进程
暑假第1周:
按照课题要求查阅质料，熟悉电梯的的工作原理，确定设计的电梯要实现的功能；
暑假第2周：
根据确定的功能设计硬件，使硬件能实现电梯的基本功能，再通过收集一些关于电梯硬件方面的一些资料来对设计的硬件部分进行简化和调试，争取使设计的系统更加完美；
暑假第3周：
根据要实现的功能分析好可能出现的情况，并对每种情况进行分析，确定所有要实现的功能全部考虑进去后再画出流程图，在对所画出的流程图进行化简和调试，在根据流程图画出梯形图，如果有条件用软件模拟仿真一下，根据结果再对程序进行特定的修改；
暑假第4周：
整理资料，把设计出来的硬件系统和软件系统联系起来分析，要做到硬件与软件配套，并且能够实现我们需要的功能,并整理好资料，确定好毕业论文初稿。
湖南工业职业技术学院毕业实践考核表
电气工程系专业
学生姓名
班级
学号
课题名称
5层模拟电梯的控制系统设计
课题
完成
情况及自我评价
（学生填写）
指导教师评价
评语
评分
签名：
年月日
评阅教师评价
评语
评分
签名：
年月日
答辩小组评价
评语
评分
组长签名：
年月日
毕业实践评审组审核
经综合考核该学生毕业实践评定为
组长签名：
年月日
摘要
电梯是标志现代物质文明的垂直运输工具、是机电一体化的复杂运输设备。
它涉及电子技术、机械工程、电力电子技术、微机技术、电力拖动系统和土建工程等多个科学领域。
目前电梯的生产情况和使用数量已成为一个国家现代化程度的标志之一。
可编程控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，在各行各业中得到了广泛的应用。
在电梯行业中，PLC的作用得到了充分的体现。
本文介绍了PLC控制的五层电梯模型的构成、主要功能、PLC的I/O接口分配、PLC的编程方法及对电梯系统的程序设计等。
通过对电梯控制系统的程序设计，实现了电梯的开关门控制以及在电梯运行方式下电梯的呼叫显示、上下行、起动、延时关门、平层、停靠开门和报警等控制功能。
通过对软件程序的编译、硬件的连接以及电梯模型与PLC控制系统的联调，使得控制系统在电梯模型运行过程中直观的体现出来，实现了对电梯功能的控制。
关键词：
电梯模型；PLC控制；系统控制；梯形图；交流变频调速
目 录
第一章绪论………………………………………………………………………7
1.1设计背景…………………………………………………………………7
1.2设计内容…………………………………………………………………8
1.3设计目的和意义…………………………………………………………8
1.4PLC的设计步骤…………………………………………………………
第二章电梯控制的原理与实现.………………………………………………10
2.1电梯的总体设计…………………………………………………………
2.2电梯控制系统构成……………………………………………………10
2.3电梯的工作原理及功能要求……………………………………………10
第三章电梯的电力驱动系统……………………………………………………13
3.1电梯电力驱动系统的定义及构成.……………………………………13
3.2电梯电力驱动系统的要求………………………………………………13
3.3交流感应电动机的转速调节及其评价…………………………………13
3.4交流调速电梯的运行工艺过程…………………………………………14
3.5交流双速电梯的主驱动系统……………………………………………15
3.6三相交流双速异步电动机的拽引系统…………………………………16
第四章控制系统硬件设计…………………………………………17
4.1电梯的启动所需条件……………………………………………………17
4.2电梯停车所需的条件……………………………………………………
4.3控制系统硬件设计………………………………………………………
4.4输入输出点分配…………………………………………………………
4.5PLC控制电梯接线及原理图………………………………………………
第五章控制系统软件设计…………………………………………………………
5.1电梯程序流程图…………………………………………………………
5.2电梯初始化.………………………………………………………………
5.3指层控制…………………………………………………………………
5.4开关门控制………………………………………………………………
5.5轿内指令控制……………………………………………………………
5.6厅外呼叫控制……………………………………………………………
5.7电梯的选层上、下行控制………………………………………………
5.8电梯的运行控制…………………………………………………………
5.9抱闸、泊梯、超重控制…………………………………………………
第六章总结………………………………………………………………………
致谢……………………………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………………………
附录………………………………………………………………………………
第一章绪论
1.1设计背景
1968年，美国最大的汽车制造商—通用汽车公司为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，将汽车的生产方式由大批量、少品种转变为小批量、度品种。
为此要解决因汽车不断改型而重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题，要寻求一种比继电器更可靠、响应速度更快，功能更强大的通用工业控制器。
于是可编程控制器应运而生，1969年，美国数字设备公司研制出世界上第一台可编程控制器，从此，PLC开始活跃于控制领域。
而且其影响也越来越大，应用也越来越广。
70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，是PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmablecontroller）。
但由于PC容易与个人计算机（programmablecomputer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。
PLC的定义：
可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。
继电器在控制系统中主要起两种作用：
（1）逻辑运算
（2）弱点控制强电
PLC是集自动控制技术，计算机技术个通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，以跃居工业自动化散打支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。
可编程控制器，简称PLC。
它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。
具有1、可靠性高、抗干扰能力强2、设计、安装容易，维护工作量少3、功能强、通用性好4、开发周期短、成功率高5、体积小、重量轻、能耗低等特点。
具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小，重量轻等优点。
已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。
与继电接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电接触器控制系统小；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序。
便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构、中央数据处理系统直接传输数据等。
1.2设计内容
本次设计从以下几个方面对PLC电梯控制系统进行研究和论证
1、电梯类型的选择：
综合电梯的类别和各类的特点和要求，在本次设计中，主要研究五层电梯的上下行控制，开、关控制、内外呼叫控制。
2、电梯硬件系统的设计：
本次设计的电梯要求运行迅速准确度高，在电梯的各层检测系统中许啊用用在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现PLC对电梯的控制。
在硬件系统的设计过程中主要考虑了电梯的经济实用、稳定的需要。
3、电梯控制系统软件的设计：
本次设计选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计出机械手控制的要求，梯形图的编写运用SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，此软件支持全部三菱FX系列的PLC，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短了维修时间。
1.3设计的目的和意义
随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，电梯已成为人类现代生活广泛使用的人员运输工具。
随着人们对电梯运行安全性、高效性、舒适性等要求的提高，电梯得到了快速发展，其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。
可编程控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。
电梯控制要求介入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。
通过PLC对程序设计，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感。
因此PLC在电梯控制系统中的应用非常广泛，非常有实际价值。
1.4PLC的设计步骤
开发应用PLC的设计任务分为硬件和软件设计两部分。
1.4.1硬件设计
硬件设计主要包括：
（1）确定安排PLC的输入、输出点；
（2）设计外围电路，包括主电路；
1.4.2软件设计
大多数用梯形图和指令程序，主要包括：
（1）设计控制流程，根据工艺要求先画出工作循环，如有必要再画详细的状态流程图；
（2）根据工作循环图，画出虚拟的电路图----继电器梯形图；
（3）系统调试：
根据设计要求，对程序进行调试和修改，必要时还可对硬件进行修改，直到符合要求为止。
第二章电梯控制的原理与实现
2.1电梯的总体设计
电梯主要由控制系统和电力驱动系统构成，本章主要介绍电梯的控制系统构成及工作原理。
其中电梯的工作原理及功能要求包括变频调速回路和输入输出回路，在后面几章我们将介绍电梯的电力驱动系统、硬件设计和软件设计。
电梯的主要控制要求：
电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵，其操纵内容为电梯运行方向。
电梯上升途中只响应上升呼叫，下降途中只响应下降呼叫，任何反方向的呼叫均无效。
例如，电梯停在一层，在三层轿厢外呼叫时，必须按三层上呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从一层运行到三层），按三层下呼叫按钮无效；反之，若电梯停在四层，在三层轿厢外呼叫时，必须按三层下降呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从四层运行到三层），按三层上呼叫按钮无效，以此推理。
在电梯关门的过程中，若有人或物夹在两门的中间，需要重新开门，可以通过开门按钮实施重新开门。
现在都采用光幕或是机械安全触板进行检测，自动发送重新开门信号，以达到重新开门的目的。
电梯到达某层站后，如果没有人继续使用电梯，电梯将停靠在该层站待命，若有人在该层站呼梯，电梯将首先开门，以满足用梯的要求。
若其他层站有人呼梯，电梯将首先定向，并起动运行，到达呼梯层时再开门，此时的开门按停层开门处理。
人员通过对轿厢内操纵盘上1-5层选层按钮的操作，可以选择欲去的楼层。
选层信号被登记后，选层按钮下的指示灯亮。
当电梯到达所选的楼层后，停层信号即被消除，指示灯也应熄灭。
程序中各内选层辅助继电器支路中串入了层楼辅助继电器的动断触点。
2．2电梯控制系统构成
电梯控制系统主要由变频调速主回路、输入输出单元以及PLC单元构成，由如图1所示，PLC用来完成对电梯曳引电机及开关门机的起动，加减速，停止，运行方向，楼层显示，层站召唤，轿箱内操作，安全保护等指令信号进行管理和控制功能。
图1电梯控制系统原理图
2．3电梯的工作原理及功能要求
2．3．1变频调速回路
变频调速主回路由三相交流输入、变频调速驱动、曳引机和制动单元构成.三相电源R、S、T经接线端子进入变频器为其主回路和控制回路供电，输出端为两相电接电动机的快速绕组，外接制动单元减少了制动时间，加快制动过程。
旋转编码器用来检测电梯的运行速度和运行方向，变频器将实际速度与变频器内部的给定速度相比较，从而调节变频器的输出频率及电压，使电梯的实际速度跟随变频器内部的给定速度，达到调节电梯速度的目的。
变频器输入信号为：
上、下行方向指令，低速、高速、检修速度编码指令。
2．3．2输入输出回路
输入输出单元为PLC的I/O接口部分，主要由厅外呼叫、轿箱内选层、楼层及方向指示、开关门、井道内的上下平层、上下强迫换速开关、门锁、安全保护继电器、检修、消防、泊梯、称重等单元构成。
（1）输入单元为：
厅外呼叫单元，用来对各层站的厅外召唤信号进行登记、记忆和消除；轿箱内选层单元，负责对预选楼层指令的登记、消除和指示；开关门按钮，输入PLC控制轿门的开闭（厅门也同时动作）；上下平层装置，用来保证电梯轿箱在各层停靠时准确平层；上下限强迫换速开关，用于保护电梯的高速运行安全，避免电梯出现冲顶或蹲底事故，当电梯到达上下端站时，装在轿厢边的上下限强迫换速开关打板，信号输入PLC，PLC发出换速信号强迫电梯减速运行到平层位置；门锁装置（或轿门和厅门联锁保护装置），轿门闭合和各厅门闭合上锁是电梯正常起动运行的前提；安全回路，通常包括轿内急停开关、轿顶内急停开关、安全钳开关、限速器断绳开关、限速器超速开关、底坑急停开关、相序保护继电器、上下限极限开关等；检修、消防和泊梯，检修、消防和泊梯为电梯的三种运行方式，检修运行为电梯检修时的慢速运行方式，消防运行有消防返回基站和消防员专用两种运行状态，泊梯状态，消除内选和外呼信号，自动返回泊梯层、关门并断电；称重单元，用来检测轿厢负荷，判断电梯处于欠载、满载或超载状态，然后输出数字信号给PLC，根据负载情况进行起动力矩补偿，使电梯运行平稳。
（2）输出单元为：
楼层及方向指示单元，包括电梯上下行方向指示灯、层楼指示灯以及报站钟等，目前的方向及层楼指示灯主要有七段码显示方式和点阵显示方式，本系统为七段码显示方式；开关门单元，用于控制电梯的厅门和轿门的打开和关闭，在自动定向完成或电梯平稳停靠后，PLC给出相关指令，完成开关门动作。
第三章电梯的电力驱动系统
3．1电梯电力驱动系统的定义及构成
电梯的电力驱动系统分为两大类：
交流驱动系统和直流驱动系统，由以下几部分组成。
（请看图2）
图2
3.2电梯电力驱动系统的要求
电梯的电力系统要求是：
“快、稳、准”
3.3交流感应电动机的转速调节及其评价
以三相交流感应电动机为驱动的交流电梯中，在现有的条件下，交流电梯的运行速度一般均在1m/s以下。
而lm/s＜V＜2.0m/s则属交流调速（或称快速）电梯的范畴。
（1）改变三相交流感应电动机定子电压转速调节特性
这种调速方法的拽引电机工作在非正常状态下，如果长期处于低于额定电压下的运行，虽达到调速的目的，但其能耗、特性硬度、最大转矩等特性均低于额定电压时的情况，因此这种调速方法是不经济的，且性能也不理想，故这种调速方法今仅用于起动和制动的短暂时间内，以限制起动电流和改善电梯的舒适感。
由公式n0＝60f/p中可知，当电动机的极对数P改变时交流感应电动机的同步转速n0也将改变。
所以，交流电梯中也常用改变电动机极对数P的方法获得电梯所需的转速调节特性。
这种具有二种以上极对数的电动机，我们通常称之为双速、三速电动机。
这种电动机的定子绕组有两种结构形式：
A．各独立统组的多速电动机（例如JTD系列电动机）；B．按特殊接线方法而改变极对数的单绕组多速电动机（例如YTD系列电动机）。
（2）改变三相交流感应电动机定子绕组的极对数时的转速
只能是有极的调节交流感应电动机的转速而不是无极的，因此在转速的调节过程中，即从一个极对数相对应的速度调节至另一极对数相对应的转述过程中，必定要采取有效措施防止电梯系统给乘客带来不舒
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