毕业论文五层电梯PLC控制系统设计.docx
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毕业论文五层电梯PLC控制系统设计
摘要2
Abstract2
第一章绪论3
第一节可编程控制器的概念3
第二节PLC的应用和发展3
一PLC的应用领域3
二PLC的发展前景4
第三节PLC的结构及工作原理4
一PLC的机构4
二PLC的工作原理5
第四节PLC的特点6
第五节电梯的概述7
第六节电梯的分类8
第七节电梯的组成及工作原理9
第二章PLC的程序设计语言和编程方法10
第一节PLC的程序设计语言10
第二节三菱FX系列PLC内部继电器的编号和功能10
第三节FX2N系列PLC的基本逻辑指令12
第四节梯形图的设计与编程方法13
一给元件编号并分配I/O口13
二梯形图的编程规则13
三梯形图的设计方法14
第三章系统软件的设计16
第一节控制系统的工作流程16
第二节控制系统的功能要求16
一电梯内部功能16
二电梯运行状态的分析17
三电梯的控制要求18
第三节系统信号的确定以及软元件的选取18
第四节系统梯形图的设计21
第四章仿真软件的介绍与调试运行32
第一节仿真软件的介绍32
第二节软件中梯形图程序的编写方法32
第三节软件调试方法34
第四节梯形图程序仿真36
第五章硬件的设计与选择38
第一节PLC硬件的选择38
第二节其它硬件的选择38
一轿厢位置检测装置的选择38
二牵引电机的选择39
三开关门电机的选择41
四继电器的选择42
五熔断器的选择43
第三节PLC外部接线及主电路设计43
一PLC的外部接线43
二主电路电气原理图45
第六章总结47
参考文献48
致谢49
附录系统梯形图50
英文原文57
中文翻译65
五层电梯PLC控制系统设计（三菱指令）
摘要
随着经济的发展,现代城市中的高层建筑日益增多,电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具。
而电梯性能的好坏，除了电机等硬件以外，电梯控制系统是其核心因素。
PLC（Programmablelogiccontroller）因其简单易用、可靠性高、维修养护方便和抗干扰能力强等优点，在电梯控制领域应用极为广泛。
本文以三菱FX2N系列PLC为例,以五层电梯为设计对象，分别从电梯控制系统的构成及工作原理，系统PLC配置方案，PLC软件设计,PLC软件的调试仿真和电梯硬件选取等方面，详细的阐述了PLC在电梯控制系统中的应用,形成了以PLC为控制系统的完整的电梯模型，使电梯在更精确、更可靠、更快速的控制平台上运行.
关键词：
电梯控制,PLC，模型电梯
Abstract
Withthedevelopmentofeconomy,anincreasingnumberofhigh-risebuildinginmoderncities，elevatorbecomeanindispensablemeansoftransportofdailylife.Thecoreofelevator’sfunctioniscontrolsystembesideshardware.PLC（Programmablelogiccontroller）havewideuseforitsmanyadvantages,suchasconvenience,highreliabilityandantijamming。
ThisarticletakingJapaneseMitsubishiFX2NseriesPLCforexample，fifthfloorelevatorasthedesign，detailstheplc’sapplicationintheelevatorcontrolsystem,throughthereferenceandworkingmechanismofelevatorcontrolsystem,configurationprogramofPLC，softwaredesigningofPLC，emulationsoftwareofPLCandhardwarechoosingtheelevator。
ThispaperworkoutacompletemodeloftheelevatorcontrolledbyPLC。
ThisPLCcontrolsystemcanmakeelevatorrunninginaaccurate，credibleandfastway。
Keyword:
elevatorcontrol，PLC,modelofelevator
第一章绪论
第一节可编程控制器的概念
可编程控制器简称PC（英文全称：
ProgrammableController），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：
ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期.为与个人计算机（PC）相区别,现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。
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.
第二节PLC的应用和发展
一、PLC的应用领域
在发达的工业国家，PLC已经广泛应用于所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围也不断扩大。
PLC主要用于以下方面.
（一）开关量逻辑控制
PLC用“与”、“或”、“非”等逻辑指令来实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制.开关量逻辑控制可以用于单台设备,也可以用于自动生产线,其应用领域已遍及各行各业，甚至深入到家庭中.
（二）运动控制
PLC使用专用的指令或运动控制模块,对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制,使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起，有的可以实现单轴、双轴、3轴和多轴位置控制。
PLC的运动控制功能广泛应用于各种机械，例如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等场合。
（三）闭环过程控制
闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。
PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换与D/A转换，并对模拟量实行闭环PID（比例—积分—微分）控制。
现代的PLC一般都有PID闭环控制功能,这一功能可以用PID子程序或专用的PID模块来实现。
其PID闭环控制功能已经广泛应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。
（四）数据处理
现代的PLC具有数学运算（包括四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位和浮点数运算等）和数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析和处理.这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置,或者将它们打印制表。
（五）通信联网
PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备（例如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。
PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统.
二、PLC的发展前景
PLC技术随着计算机和微电子的发展而迅速发展,由一位机发展到8位机，直到现在，PLC产品已经使用了32位高性能微处理器，而且实现了多通道处理。
PLC在未来将会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现;从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向.伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
第三节PLC的结构及工作原理
一、PLC的结构
PLC的内部结构如图1-1所示：
图1-1PLC的内部结构
（一）中央处理单元CPU
CPU是PLC的核心部件,由运算器和控制器组成。
主要用于：
接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。
（二）存储器
包括系统程序存储器、用户程序存储器和工作数据存储器。
（三）I/O模块
I/O接口是PLC与外界连接的接口。
输入接口用来接收和采集输入信号，输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。
（四）电源模块
用来将外部供电电源转变成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源.
（五）编程器
编程器是PLC最重要的外围设备，是PLC不可缺少的部分。
编程器的作用是输入和编辑用户程序、调试程序和监控程序的执行过程。
二、PLC的工作原理
（一）工作方式
图1-2PLC的扫描过程
PLC有两种工作状态,即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。
在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能.为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次,而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC不还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段，如图1—2所示。
PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
在工作状态下，执行一次上图所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期。
其典型值为1-100ms。
（二）扫描周期
在工作状态下,执行一次图2所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期。
其典型值为1-100ms.
当PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期.在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1、输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变.因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下，该输入均能被读入.
2、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令.即在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反,排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用.
3、输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段.在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
第四节PLC的特点
PLC有许多优点，其可概括为以下五点：
1、可靠性高，抗干扰能力强
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时.一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低.此外，PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息.在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2、硬件配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统.PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3、易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受.梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能.为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4、系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来.更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5、体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm,仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。
它的重量小于150g，功耗仅数瓦.由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
第五节电梯的概述
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，俗称自动电梯.它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。
轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。
习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称.
在乘梯楼层电梯入口处,根据自己上行或下行的需要,按上方向或下方向箭头按钮，只要按钮上的灯亮，就说明你的呼叫已被记录，只要等待电梯到来即可。
电梯到达开门后，先让轿厢内人员走出电梯，然后呼梯者再进入电梯轿厢.进入轿厢后，根据你需要到达的楼层，按下轿厢内操纵盘上相应的数字按钮.同样，只要该按钮灯亮，则说明你的选层已被记录;此时不用进行其他任何操作，只要等电梯到达你的目的层停靠即可。
电梯行驶到你的目的层后会自动开门，此时按顺序走出电梯即结束了一个乘梯过程.
第六节电梯的分类
一般根据建筑的高度、用途及客流量（或物流量）的不同,而设置不同类型的电梯。
目前电梯的基本分类方法大致如下。
1、按用途分类
乘客电梯，为运送乘客设计的电梯，要求有完善的安全设施。
载货电梯，主要为运送货物而设计，通常有人伴随的电梯。
医用电梯，为运送病床、担架、医用车而设计的电梯,轿厢长而窄.
杂物电梯,供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电梯。
观光电梯，轿厢壁透明，供乘客观光用的电梯。
车辆电梯，用作装运车辆的电梯。
船舶电梯，船舶上使用的电梯.
建筑施工电梯，建筑施工与维修用的电梯。
其它类型的电梯，除上述常用电梯外，还有些特殊用途的电梯,如冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯、消防员用电梯等。
2、按驱动方式分类
交流电梯，用交流感应电动机作为驱动力的电梯.根据拖动方式又可分为交流单速、交流双速、交流调压调速、交流变压变频调速等。
直流电梯，用直流电动机作为驱动力的电梯.这类电梯的额定速度一般在2.00m/s以上。
液压电梯，一般利用电动泵驱动液体流动，由柱塞使轿厢升降的电梯。
齿轮齿条电梯，将导轨加工成齿条，轿厢装上与齿条啮合的齿轮，电动机带动齿轮旋转使轿厢升降的电梯。
螺杆式电梯,将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹，再将带有推力轴承的大螺母安装于油缸顶,然后通过电机经减速机（或皮带）带动螺母旋转,从而使螺杆顶升轿厢上升或下降的电梯。
3、按速度分类
电梯无严格的速度分类，我国习惯上按下述方法分类：
低速梯，常指低于1.00m/s速度的电梯。
中速梯，常指速度在1。
00~2.00m/s的电梯.
高速梯，常指速度大于2.00m/s的电梯。
超高速梯，速度超过5。
00m/s的电梯。
4、其它分类方式
按电梯有无司机分类可分为有司机电梯和无司机电梯；按操纵控制方式分类课分为手柄开关操纵、按钮控制电梯、信号控制电梯和集选控制电梯等；按机房位置分类,则有机房在井道顶部的（上机房）电梯、机房在井道底部旁侧的（下机房）电梯，以及有机房在井道内部的（无机房）电梯；按轿厢尺寸分类，则经常使用“小型”、“超大型”等抽象词汇表示。
第七节电梯的组成及工作原理
电梯结构包括：
曳引系统、轿厢、门系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统.安全保护系统保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生.电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。
电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制.门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。
轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。
曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。
电梯的结构如图1-3所示。
图1-3电梯的结构
曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。
固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。
常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态,供人员和货物出入。
电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作.指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。
安全装置保证电梯运行安全。
第二章PLC的程序设计语言和编程方法
第一节PLC的程序设计语言
在PLC中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。
梯形图语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成,用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如,代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等,通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。
功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作,例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。
功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在PLC中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。
梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。
采用梯形图程序设计语言,程序采用梯形图的形式描述。
这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。
每个梯级是一个因果关系。
在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面,事件发生的结果表示在后面。
梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。
它来源于继电器逻辑控制系统的描述。
在工业过程控制领域,电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用.
梯形图程序设计语言的特点是:
1、与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性
2、与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习。
3、与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是,梯形图中的能流（PowerFLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待.
4、便于与其它程序语言的转换，便于程序的检查。
第二节三菱FX系列PLC内部继电器的编号和功能
三菱FX系列产品，它内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件,按通俗叫法分别为继电器、计时器、计数器等，但它们与真实的元件有很大的差别，一般称之为“软继电器"。
这些编程用的继电器，它们的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、没有机械损耗和电腐蚀等问题.它在不同的指令操作下，汽工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以做脉冲数字元件使用。
一般情况下，X代表输入继电器,Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。
FX系列PLC梯形图中的编程元件的名称由字母和数字组成,它们分别表示元件的类型和元件号，例如Y10、M129。
输入继电器和输出继电器的原件号用八进制数表示，八进制数只有0~7这8个数字符号,遵循“逢8进1"的运算规则。
表2-1给出了FX2N系列PLC的输入/输出继电器元件号.
表2—1FX2N系列PLC的输入/输出继电器元件号
型号
FX2N-16M
FX2N-32M
FX2N—48M
FX2N—64M
FX2N—80M
FX2N-128M
扩展时
输入
X0~X7
8点
X0~X17
16点
X0～X27
24点
X0~X37
32点
X0～X47
40点
X0～X77
64点
X0~X267
184点
输出
Y0~Y7
8点
Y0~Y17
16点
Y0～Y27
24点
Y
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