十层电梯plc控制实验装置设计.doc
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1引言
随着城市建设的不断发展，楼群建筑不断增多，电梯在当今社会的生活中有着广泛的应用。
电梯作为楼群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。
实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，大部分电梯控制系统都采用随机逻辑方式控制。
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（PLC）取代微机实现信号集选控制。
从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。
国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定、可靠性高等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器（PLC）来实现。
在本次十层电梯实验装置控制系统中，我采用PLC构成的控制系统，因PLC具有可靠性高，故障率低，维修方便等优点。
PLC采用三菱PLC（FX-2N）作为十层电梯实验装置的控制装置。
设计的实验装置可以模拟电梯的基本功能，可以进行PLC综合实验和编程模拟，增强对机电一体化的感性认识。
1.1设计目的及意义
用PLC构成电梯控制器主要目的是培养学生综合应用所学课程的基础理论、基本技能和专业知识的能力，培养学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法。
培养侧重从生产第一线获得生产实际知识和技能的能力。
通过课程设计获得工程技术应用性岗位工作的基本训练，树立正确的生产观点、经济观点和全局观点，实现由学生向工程技术人员的过渡。
（1）使学生进一步巩固和加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的掌握，使之系统化、综合化。
（2）培养学生独立工作、独立思考和综合运用所学知识技能，提高解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力，从而扩大、深化所学的专业知识和技能。
（3）培养学生的设计计算、工程绘图、实验研究、数据处理、查阅文献、计算机应用、文字表达等基本工作实践能力，使学生初步掌握科学研究的基本方法和思路。
（4）培养学生学会调查研究的方法、熟悉有关政策，提高运用国家标准、手册等工具书的能力，尤其注重培养学生独立获取新知识、新技术和新信息的能力。
（5）使学生初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想、方法和手段，树立做事严谨、严肃认真、一丝不苟、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识和团结协作的工作作风。
（6）培养学生撰写符合规范要求的设计说明书和编写相关技术文件的能力。
1.2国内外电梯发展现状及发展趋势
1.2.1国外电梯发展现状
国外电梯行业发展迅猛，不仅在节能上做了很大的功夫，现在在智能化，远程化，集成化，可视化也已有了先进的技术！
例如：
（1）集垂直运输与水平运输的复合运输系统。
该系统采用直线电机驱动，在一个井道内设置多台轿厢。
轿厢在计算机导航系统控制下，可以在轨道网络内交换各自运行路线。
该系统节省了井道占用的空间，解决了超高层建筑电梯钢丝绳和电缆重量太大的问题，尤其适合于具有同一底楼的多塔形高层建筑群中前往空中大厅的穿梭直驶电梯。
（2）交流永磁同步无齿轮曳引机驱动的无机房电梯无机房电梯由于曳引机和控制柜置于井道中，省去了独立机房，节约了建筑成本，增加了大楼的有效面积，提高了大楼建筑美学的设计自由度。
而交流永磁同步无齿轮曳引机的特点是：
（A）结构简单紧凑，体积小，重量轻，形状可灵活多样；（B）配以变频控制可以实现更大限度的节能；（C）没有齿轮，于是没有齿轮振动和噪声，齿轮效率，齿轮磨损及油润滑问题，减少了维护工作，降低了油污染；（D）由于失电时旋转的电机处于发电制动状态，增加了曳引系统的安全可靠性。
（3）彩色大屏幕液晶楼层显示器。
这类显示器可以以高分辨率的彩色平面或三维图像显示电梯的楼层信息（如位置、运行方向），还可以显示实时的载荷、故障状态等。
通过控制中心的设置还可以显示日期、时间、问候语、楼层指南、广告等，甚至还可以与远程计算机和寻呼系统联接发布天气预报、新闻等。
有的显示器又增加了触摸查询功能。
该装置缓解了陌生乘客在轿厢内面对面对视时的尴尬、无趣的局面，降低了乘客乘梯时心理等待焦虑感。
（4）电梯远程监控系统。
该系统是将控制柜中的信号处理计算机获得的电梯运行和故障信息通过公共电话网络或专用网络（都需要使用调制解调器）传输到远程的能够提供可视界面的专业电梯服务中心的计算机，以便那里的服务人员掌握电梯运行情况，特别是故障情况。
该系统一般具有显示故障、分析故障、故障统计与预测等功能，还有的可实现远程调试与操作，便于维修人员迅速进行维修应答和采取维修措施。
这样缩短了故障处理时间，简化了人工故障检查的劳动，保证了大楼电梯安全高效地运行。
1.2.2国内电梯发展现状
中国电梯行业从市场规模上已经有了很大提高，一些自主品牌也逐步提升了自己的产品质量和技术含量，我国政府提出的节约型社会正好让电梯行业中拥有节能电梯技术的企业有机会发展，另外，国外用户比以前更多地青睐中国产品也为中国电梯的崛起提供了机会。
目前我国节能电梯技术在某些方面已经达到了国际领先水平，但是节能电梯的普及率还很低，可节电30%以上的无齿轮电梯普及率不及10%，可以能源再生的造能电梯普及率不及2%。
因此专家预计，节能电梯市场会在“十一五”期间进入快速增长期。
节能电梯从2001年开始进入我国办公楼、住宅楼、酒店等场所，经过5年的发展，全国的无齿轮电梯市场从几千台增长到近6万台。
目前我国已超过日本成为世界最大的新装电梯市场。
由于房地产业、城市公共建设等产业发展迅速，预计未来10年，我国的电梯市场仍将保持每年20%的递增速度，年平均销售额至少500亿美元。
房地产市场快速发展，对电梯的需求继续扩大。
专家估计未来50年我国新增住房面积将达到200亿平方米。
目前国家规定20米以上高楼就应安装电梯，因此未来电梯最大的市场就是住宅市场。
此外，机场、商场、地铁等大型公共设施建设对自动扶梯、观光电梯等电梯的需求量也十分可观。
西部地区的小城镇建设速度加快。
东部地区城市化经过20年的发展，有些发达地区城市化水平已达到80%，基本饱和，甚至出现了逆城市化的趋势。
而近年来西部地区国民生产总值的增长速度，已经与电梯需求高速发展所需的GDP水平相吻合。
电梯更新进入高峰期。
虽然国家对电梯寿命目前没有提出强制标准，但是按国外电梯使用寿命的惯例，一般日本系列电梯设计寿命为15年，欧美电梯设计寿命为25年。
根据我国电梯选购的实际情况，采用日本系列产品或技术的比例大约有60%以上，国内在1990年前安装的日系电梯已经全部到了更新期。
而且1990年以前的电梯生产技术相对比较落后，电梯的耗电水平是现在节能电梯的三到四倍。
按电梯使用寿命及15年前电梯安装数量看，预计2007年将有15000至20000台电梯需要更新。
电梯节能潜力巨大，电梯和空调被认为大型建筑两大耗能大户。
据了解，目前我国星级酒店每平方米平均年耗电量为150千瓦时，一座3万~5万平方米的星级酒店，其年总能耗大约相当于3000至4000吨标准煤，其中将近一半用于电梯供电。
电梯行业协会统计，2005年在我国所有使用的电梯中如果有80%采用节能电梯，全年可以节约耗电122亿千瓦时。
如果2015年全部采用节能电梯，将节电800亿千瓦时，几乎等于三峡大坝一年的发电量。
1.2.3电梯技术发展趋势
（1）环保：
绿色理念是电梯发展总趋势。
有专家预言“谁最先推出绿色产品并抢占市场，谁就掌握市场竞争主动权”。
发展趋势主要有：
不断改进产品的设计，生产环保型低能耗、低噪声、无漏油、无漏水、无电磁干扰、无井道导轨油渍污染的电梯。
电梯曳引采用尼龙合成纤维曳引绳，钢皮带等无润滑油污染曳引方式。
电梯装璜将采用无（少）环境污染材料。
电梯空载上升和满载下行电机再生发电回收技术。
安装电梯将无需安装手脚架。
电梯零件在生产和使用过程中对环境没有影响（如刹车皮一定不能使用石棉）并且材料是可以回收的。
（2）蓝牙技术在电梯上应用。
安装过电梯的人都知道放线、对线是费时、费力、极容易错的工作。
如果控制屏与召唤系统通过蓝牙技术连接起来实现无线召唤将会是电梯控制的另一场革命同时为我们带来巨大好处。
A安装期将减少30％以上，其直接好处是降低安装成本，客户也因从订梯到使用电梯周期费用减少和提高现金周转率。
B在电梯上使用蓝牙技术一定会使电梯控制系统大量使用最新最快微机，这将会进一步提高电梯整机可靠性，故障率大大降低，控制精度也进一步提高，带来的结果是电梯更加舒适，平层更加准确。
C很好地解决了电梯控制与外围设备的兼容和联系。
特别是可以把电梯和扶梯归纳到大楼管理系统或智能化管理小区系统中。
据国外有关资料介绍，公元前2800年在古代埃及，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年瓦特发明了蒸汽机后，1858年美国研制出以蒸汽为动力，并通过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯。
1878年英国的阿姆斯特朗发明了水压梯。
并随着水压梯的发展，淘汰了蒸汽梯。
后来又出现了液压泵和控制阀以及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。
但是，电梯得以兴盛发展的根本原因在于采用了电力作为动力来源。
18世纪末发明了电机，并随着电机技术的发展，19世纪初开始使用交流异步单速和双速电动机作动力的交流电梯，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，美国奥的斯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，从而为后来的高速度、高行程电梯的发展奠定了基础。
20世纪30年代美国纽约市的102层摩天大楼建成，美国奥的斯电梯公司为这座大楼制造和安装了74台速度为6.0m/s的电梯。
从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异地发展着。
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。
随着电子工业的发展，可编程序控制器（PLC）和电子计算机成功地应用到电梯的电气控制系统中去后，电梯产品的质量和运行效果显著提高。
1.3PLC控制发展现状及发展趋势
1.3.1PLC控制发展现状
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1.3.2PLC控制发展趋势
1、向高速度、大容量方向发展
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。
PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
2、向超大型、超小型两个方向发展
当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。
现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。
3、PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。
这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。
4、增强外部故障的检测与处理能力
根据统计资料表明：
在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。
前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。
因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。
5、编程语言多样化
在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。
除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
1.4设计任务
1、了解本课题目前相关情况，完成开题报告和英文资料翻译。
2、十层电梯PLC控制实验装置总体设计，对实验装置总体方案和布局进行研究。
绘制总体布局图1张，A0。
3、十层电梯PLC控制实验装置机械设计，绘制机械部分装配图，A0。
4、十层电梯PLC控制实验装置控制系统设计，对软件系统梯形图、控制程序研究设计。
绘制I/O接
线图1张，梯形图1张，编写控制程序。
5、编写设计说明书1份，字数满足教研室要求。
1.5功能描述
我设计的电梯实验装置有如下功能：
1、记忆呼梯信号功能
2、确定电梯运行方向功能
3、响应顺向呼梯信号，并到层后消除对应的呼梯信号功能
4、当轿厢到达指定的楼层时，楼层指示灯闪烁，表示电梯门处于打开状态，闪烁时间为3S
5、互锁、上下限位保护功能
6、显示轿厢所处的楼层位置、显示呼梯信号
7、自动开/关门功能
1.6设计的重点与难点
1、设计的电梯实验装置，基本结构是什么？
尺寸参数如何确定？
2、设计的电梯实验装置，动力源参数如何确定？
4、设计的电梯实验装置，轿厢开关门机构与层门开关门机构是本次设计电梯模型的重点也是难点，如何设计？
5、设计的电梯实验装置，变频器如何选用？
6、设计的电梯实验装置，PLC控制程序梯形图是本次设计电梯模型的重点也是难点，如何设计？
1.7设计方案
1.7.1电梯实验装置设计方案一
如图1.7.1
图1.7.1
电梯的工作原理：
由图可见，带悬挂在曳引轮上，一端与轿厢连接，另一端与对重连接，随曳引轮的转动，靠带与曳引轮之间的摩擦力，使轿厢与对重做一升一降的相反运动。
方案分析：
优点：
1、带能缓和冲击
2、电梯运行平稳、无噪声
3、制造和安装容易
缺点：
1、在传动过程中容易打滑
2、电梯不能自锁
3、电梯转动比不能保证
本次电梯实验装置设计我采用方案一
1.7.2电梯实验装置设计方案二
如图1.7.2
图1.7.2
电梯的工作原理：
由图可见，带悬挂在曳引轮上，一端与轿厢连接，另一端与对重连接，随曳引轮的转动，靠带与曳引轮之间的摩擦力，使轿厢与对重做一升一降的相反运动。
方案分析：
优点：
1、带能缓和冲击
2、电梯运行平稳、无噪声
3、制造和安装容易
缺点：
1、在传动过程中容易打滑
2、电梯不能自锁
3、电梯转动比不能保证
1.7.3电梯实验装置设计方案三
如图1.7.3
图1.7.3
电梯的工作原理：
电机轴与丝杠相连，轿厢在丝杠上，电机带动丝杠作正传与反转，厢对应上升与下降
方案分析：
优点：
1、电梯轿厢在不运行时，在丝杠中可以自锁
2、电梯运行过程中传动平稳
缺点：
1、丝杠制造困难，价格高
2、安装复杂
1.7.4电梯实验装置设计方案四
如图1.7.4
图1.7.4
电梯的工作原理：
通过液压动力源把油压入液压缸，使柱塞向上，直接或间接地作用在轿厢上，使轿厢上升；轿厢的下降一般靠轿厢的自重使液压缸内的油返回邮箱中。
方案分析：
优点：
1、提升载荷大，运行速度低
缺点：
1、液压泵噪声大
2、运行状态会受油温变化的影响，运行速度有波动
3、液压电梯所需的功率比同规格电梯高
4、使用油液，电梯工作环境有油液污染
5、制造困难，造价高
6、这种电梯使用的地方少见，与日常见得电梯结构不同，使学生不能对日常见得电梯的工作原理能很好的理解
1.7.5电梯实验装置设计方案五
如图1.7.5
图1.7.5
电梯的工作原理：
由图可见，轿厢上装有电机与齿轮，齿轮沿导轨可运动，电机带动齿轮正转，轿厢对应上升；轿厢下降依靠自重而实现。
方案分析：
缺点：
1、导轨制造复杂，造价高
2、导轨与齿轮安装与调试复杂
3、制动困难
2总体设计
2.1总体布局
十层电梯PLC控制实验装置主要有以下三大部分组成，总体布局如图2.1所示
1、模拟结构有：
支架、井道、机房、底坑、厅门。
2、机械结构有：
曳引机、轿厢及导向装置、对重及导向装置、导轨、行程开关等。
3、电气控制系统有：
操纵及显示装置、变频调速器、PLC、编程器等。
图2.1总体布局图
说明：
1、曳引轮系统2、导向系统3、曳引绳4、支架5、井道6、对重
7、对重导向绳8、轿厢导向绳9、轿厢
2.2总参数确定
电梯总高:
1240mm；
井道尺寸为:
160mm×160mm×1130mm；支架尺寸为:
20mm×20mm×1240mm；
机房尺寸为:
160mm×160mm×100mm；轿厢尺寸为:
120mm×120mm×80mm；
对重尺寸为:
140mm×30mm×73mm；轿厢门尺寸为:
25mm×2mm×78mm；
缓冲器高度为:
25mm；曳引轮直径:
60mm；
导向轮直径:
30mm；开门转轮直径:
60mm；
曳引钢丝绳直径:
4mm；导向钢丝绳直径:
3mm；
连杆宽度:
5mm；每层楼高度:
90mm；
每层楼厚度:
10mm；
2.3控制动作与装置描述
2.3.1电梯控制动作描述
1、电机带动曳引轮转动，用PLC程序控制实现电机正反转，则轿厢对应上升或下降。
模型电梯每层均装有行程开关，其中第一、十层为单向行程开关，其余层为双向行程开关。
在轿厢升降运行过程中，轿厢左侧下部有一个压块，当压块碰到楼层行程开关。
行程开关闭合，给PLC的输入端一个输入信号，由PLC程序确定电梯到达相应的楼层号，是否在该层停留，要根据模拟的楼层与轿厢内外乘客输入指令的要求，由程序判断确定执行。
2、电梯开始起动，通过变频器驱动电机拖动轿箱运动。
轿箱运动速度由低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至目标层，并且遵守或一直向上，或一直向下的原则。
3、当电梯检测到目标层减速点后，电梯进入减速状态，由高速变为低速，并以低速运行至平层点停止。
4、平层后，经过一定延时开门，直至碰到开门到位行程开关；再经过一定延时后关门，直到安全触板开关动作。
规定在运行方向确定之后，不响应中途的反向呼唤要求，直到到达本方向的最远站点才开始返回。
2.3.2电梯装置描述
1、由于电梯要求做到电机停则轿厢停，这在实际中应有制动装置，我的模型电梯运动机构是滑轮机构，没有制动装置，电机停后。
轿厢将由于自重而下降。
为了解决这一问题。
我采用对重结构。
根据轿厢重量配一个对重，使其重量与轿厢相等，基本上实现电机停则轿厢停。
对重通过绳子和轿厢连接，悬挂于曳引轮上。
曳引绳可选用钢丝绳或圆形带。
为避免轿厢运行中与对重在空间上发生干涉，用两根钢丝在对重俩侧垂直穿过平衡块作为导轨（钢丝拉直后两端通过螺栓固定在支架上）。
为了保证轿厢在上、下行过程中不致于走偏，用两根钢丝在轿厢俩侧垂直穿过轿厢作为导轨（钢丝拉直后两端通过螺栓固定在支架上），轿厢、对重可在钢丝上下移动。
2、行程开关采用KW12型微动开关，十个楼层行程开关分别固定在合适位置。
由于第二层到第九层需要双向开关，我们将单向行程开关接触簧片加长并弯曲成弧形，成功地实现了轿厢上升、下降双向控制。
3、电梯模型支架结构采用铝合金成形材料，为了便于观察电梯的运行，支架窗口可选用厚度为5mm无色透明的有机玻璃用氯仿粘结而成。
曳引方式为半绕l：
l吊索法，整个模型电梯的重量很轻，接口处均采用螺栓固定，以保证整体结构稳固。
4、轿厢可选用厚度2mm的无色透明有机玻璃或采用铝合金材料制作而成。
轿厢门采用双扇中开式，由交流电机拖动，当电梯运行到位后，碰到开门行程开关，自动或手动开门。
碰到关门行程开关，将自动或手动关门。
5、对重可选用45号钢或铝合金制作。
缓冲器可采用海棉安装在底坑底部。
曳引轮、导向轮、开门转轮可选用45号钢或铝合金制作。
为了便于操作，操纵箱可安装在电梯底座中。
2.4电梯的升降控制互锁设计
电梯的轿箱由一个220V交流电机拖动，并由PLC的Y13和Y17分别控制电梯轿箱的升降。
尽管在PLC编程时，Y13与Y17进行互锁，但是为了防止意外而造成电源短路，在外部硬件上进行了互锁设计，即使用弹簧继电器J1和J2进行互锁，如图3.3所示，从而避免发生电源短路事故。
具体实现过程：
输出点Y13闭合，继电器J1线圈得电，使220V交流电源正接到交流电机上，此时交流电机正向转动，即电梯轿箱上升;输出点Y17闭合，继电器J2的线圈得电，使220
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