基于三菱PLC十层电梯控制设计.docx

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基于三菱PLC十层电梯控制设计

基于三菱PLC十层电梯控制设计

摘要

电梯是电器紧密结合的大型机电产品．主要由机房、井道、轿厢、门系统和控制系统组成。

电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种工作和生活中的必需设备，完全可以预想到，随着社会的发展，电梯产品在人们物质文化生活中的地位将和一样，成为重要的运输设备之一。

本次设计主要将可编程序控制器（）和计算机应用到电梯的控制系统中去，以十层电梯为例来完成单台电梯控制系统的总体设计方案、组成及模块化程序设计。

选用三菱FX2N可编程控制器，利用220V交流电源供压。

在进行PLC的I/O接口分配、组合排列和代号后，确定机内各种软继电器、数据区、通道代号，常用指令的编制规则和代号等。

选用交流双速电机实现电梯拖动，采用楼层传感器实现楼层间翻转；显示驱动电路采用LED发光二极管构成显示屏的屏体。

重点研究的安全控制电路、楼层控制电路，开关门电路的设计，以及启动开关门程序、上行下行程序、楼层控制程序、自动定向程序的编写。

PLC电梯控制系统只需要稍加改进即可应用于更高性能要求的电梯中。

这一切都表明该系列不仅可以满足电梯对高可靠性的实际需求，而且在控制水平和性能完全可以替代进口的同类产品，并将突破电梯领域应用到更为广泛的行业，未来前景将更为广阔。

关键词：

电梯,逻辑控制,程序设计

BasedontheMitsubishielevatorcontroldesignofPLCten

ABSTRACT

Theelevatoristhemechanicalelectricappliancecloseunionlarge-scalemechanicalandelectricalproducts.Mainlyofengineroom,wellroad,sedantheaterbox,gatesystemandelectriccontrolsystemcomposition.Theelevatoralreadywasnotonlyinonekindofproductionlink'simportantequipment,wasinonekindofworkandthelifeessentialequipment,definitelymightexpectthatalongwithsociety'sdevelopment,theelevatorproduct'swillbethesameinpeoplematerialculturelifestatuswiththeautomobile,becomesoneofimportanttransportvehicles.

Thisdesignmainly（PLC）andthecomputerappliestheprogrammablecontrollerinelevator'scontrolsystem,asregularlycompletesthesingleTaiwanelevatorPLCcontrolsystem'soverallprojectdesign,thecompositionandthemodularizedprogramdesigntakefiveelevators.SelectstheMitsubishiFX2Nprogrammablecontroller,AftercarryingonPLCtheI/Oconnectionassignment,thecombinationarrangementandthecodechannelcodenumber,commonlyusedinstructionestablishmentruleandcodenumberandsoon.Selectstheexchangetwospeedelectricalmachinerytorealizetheelevatordragging,usesthefloorsensortorealizebetweenthefloortoturnover;ThedemonstrationdrivingcircuitusestheLEDlightemitterdiodetoconstitutedisplaymonitor'sscreenbody.Keystudiesthesafetycontrolelectriccircuit,thefloorcontrolcircuit,theswitchgatedesign,aswellasstartingswitchgateprocedure,upwarddownwardprocedure,floorcontrolprocedure,automaticorientationprocedurecompilation. ThePLCliftcontrolsystemonlyneedstoimproveslightlythenappliesinthehighperformancerequestelevator.Alltheseindicatedthatthisseriesnotonlymaysatisfytheelevatortotheredundantreliablephysicaldemand,moreoverdefinitelymaysubstitutetheimportinthecontrollevelandtheperformancethesimilarproducts,andwillbreakthroughtheelevatordomaintoapplyamorewidespreadprofession,inthefuturetheprospectwillbebroader.

KEYWORDS:

Elevator,Logicalcontrol,Programming 

目　录

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前　言

随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。

电梯作为高层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，电梯控制系统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、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。

电梯是将机械原理应用、电气技术、微处理器技术、系统工程学、人体工程学及空气动力学等多学科和技术集于一体的机电设备，它是建筑物中的永久性垂直交通工具。

为满足和提高人们的生活质量，电梯的智能化、自动化技术迅速发展。

特别是随着计算机网络技术、微电子和电力电子技术的飞速发展，现代电梯的技术含量日益提高。

在改善电梯性能的同时，对电梯的设计、管理和维护人员提出了更高的要求。

第1章总体方案确定

总体方案的确定

目前，电梯行业在我国迅速的发展，在一定程度上占有很大的市场。

而在今天选择控制电梯运动的设备已经从传统的继电器—接触器转变成可编程序控制器（PLC）。

可编程序控制器（PLC）与其他计算机控制相比较：

个人计算机有很强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，但是它们是为办公室自动化和家庭设计的，对环境要求很高，抗干扰能力不强，一般不适合在工业现场使用。

单片机只是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。

要将它用于工业控制，还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大，要求设计者具有很强的计算机领域的理论知识和实践经验。

工业控制计算机（简称工控机）也是为工业控制设计的，目前比较流行的是PC总线工控机，它与个人计算机兼容。

工控机采用总线式结构，各厂家产品的兼容性强。

工控机一般是在通用微机的基础上发展起来的，有实时操作系统的支持，因此在要求快速、实时性强、功能复杂的领域占有优势。

工控机的价格较高，将它有与开关量控制以取代继电器系统有些大材小用。

工控机的外部I/O接线一般都用多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如可编程序控制器的接线端子那样方便可靠。

以上各种计算机用语控制的程序一般都是用汇编语言编写的，不像可编程续控制器的梯形图语言那样易于被工厂的电气人员掌握。

可编程序控制器是专为工厂现场应用环境设计的，结构上采取整体密封或插件组合型，对印刷电路板、电源、机架、插座的制造和安装，均采用了严密的措施。

可编程序控制器由于具有前述的各种优点，在工业控制领域具有不可比拟的竞争力。

当然在电梯的控制领域也具有重要的地位，把可编程序控制器用于电梯运动的核心部分是很合理的选择，而且可编程序控制器现在市场上也是一种成熟的产品。

总之，经上述比较可得，我确定选用PLC控制电梯的运行。

电梯PLC控制系统的构

1.机房

机房用来安装曳引机、电控屏、限速器等。

机房可以设置在井道顶部，也可设置在井由自部。

当机房设于井道底部时，即为曳引机下置式曳引方式。

这种方式结构复杂，建筑物承重大，对井道尺寸要求大，只有在机房无法顶置时才使用。

对于绝大多数电梯均设于井道顶部。

机房必须有足够的面积，高度、承重能力及良好的通风条件。

2.曳引系统

曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮组成。

曳引机由电动机联轴器、制动器、减速器、机座、曳引轮等组成，它是电梯的动力源；曳引钢丝绳的两端分别连接轿厢和对重装置（或者两端固定在机座房上），依靠钢丝绳与曳引轮绳槽之间的摩擦力来驱动轿厢的升降；导向轮的作用是分开轿厢和对重装置的距离，导向轮安装在曳引机架上或重梁上。

当钢丝绳的绕绳比大于1时，在轿厢和对重架上应增设反绳轮。

3.导向系统

导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。

它的作用是限制轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

导轨固定在导轨架上；导轨架是支承导轨的组件，与井道壁联接；导靴装在轿厢和对重架上，与导导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。

4.门系统

门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。

轿厢门社在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成；层门社在层站入口，由门扇、门导轨架、门靴和门锁装置及开锁装置组成；开门机社在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。

5.轿厢

轿厢是用以运送乘客和货物的电梯组件。

它由轿厢架和轿厢体组成。

轿厢架是轿厢体的承重构架。

是由上横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成；轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮等组成；轿厢体空间的大小由额定载重量和额定载客量决定。

6.门厅

每一层电梯门口装的门，门上带有机器锁及电气接点。

客梯多为自动开关门，开关门由轿厢门上的开门刀带动厅门上的橡皮勒来完成的，而轿厢门是由轿厢上的开关门装置驱动的。

7.井道

井道由围壁、顶板及底坑围成一个在纳电梯轿厢和对重的有限空间。

为了出人，在每个层站开有入口。

8.顶板

井道的顶部是机房，它是维修人员工作的地方。

因此顶板必须是封闭型的，将井道与机房完全隔离。

顶板还具有阻止机房即传向井道的作用。

对于快、高速电梯，为了取得良好的隔声效果，常在井道顶部设隔音层，此时的井道顶成了双层结构。

9.底坑

井道的底坑深入地面，用于安装缓冲器、限速器、钢丝绳涨紧装置等。

由于深人了地面，因此要求防水，最好有排水设施。

10.重量平衡系统

该系统由对重和重量补偿装置组成。

对重由对重架和对重块组成，对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重；重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯设计影响的装置。

11.电力拖动系统

该系统由曳引机、供电系统、速度反馈装置、调速装置和变频器等组成。

对电梯实行速度控制。

曳引电动机是电梯的动力源，根据电梯的配置可用交流电动机或直流电动机；供电系统是为电动机提供电源的装置；速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号，一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电动机相连；调速装置对曳引电动机实行调速控制；变频器可以通过改变频率的大小来控制其运行速度的快慢。

12.电器控制系统

该系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成，它起着操纵和控制电梯运行的作用。

操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急；位置显示装置是指轿内和层站的指层灯；层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站；控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件（或板）组成，是电梯实行电气控制的集中组件；选层器能起到指示和反馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。

它可由机械式、继电器式或电子式组成。

13.安全保护系统

电梯上设有机械和电气的各类保护系统，以保证电梯安全使用。

机械方面的有限速器和安全钳，起超速保护作用；缓冲器，起冲顶和撞底保护作用；切断总电源的极限保护。

设计的整体布局及其选型

通过上述的分析可知，我所选择的电梯载重量为1000Kg,速度为1m/s,十层十站。

PLC的型号为FX2N-128MR，通过其继电器电路图来设计出梯形图，通过PLC的选型连接其PLC接线图。

电动机选用交流三相异步电动机。

变频器选用安川变频器，它作为通用变频器适合任何应用场合。

它的自动调整功能可使世界各地生产的电动机达到高性能运行。

具有扩展功能，既可单机使用也可联网使用；设计平均无故障时间：

250000小时。

变频器构成的电梯系统，当变频器接收到控制器发出的呼叫方向信号，变频器依据设定的速度及加速度值，启动电动机，达到最大速度后，匀速运行，在到达目的层的减速点时，控制器发出切断高速度信号，变频器以设定的减速度将最大速度减至爬行速度，在减速运行过程中，变频器的能够自动计算出减速点到平层点之间的距离，并计算出优化曲线，从而能够按优化曲线运行，使低速爬行时间缩短至,在电梯的平层过程中变频器通过调整平层速度或制动斜坡来调整平层精度。

即当电梯停得太早时，变频器增大低速度值或减少制动斜坡值，反之则减少低速度值或增大制动斜坡值，在电梯到距平层位置4～10cm时，有平层开关自动断开低速信号，系统按优化曲线实现高精度的平层，从而达到平层的准确可靠。

（其速度曲线如下所示）

图1-1抛物线—直线综合速度曲线

第2章可编程序控制器的结构与工作原理

2.1PLC的体系结构

PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。

如下图所示：

图2-1PLC体系结构

可编程序控制器的基本结构

可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）由输入模块、CPU、输出模块和编程器组成。

它由五大部分组成，如下图所示：

图2-2可编程序控制器基本结

可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。

可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。

1.CPU模块

CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。

CPU的作用类似于人类的大脑和心脏。

它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：

输入处理：

将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。

程序执行：

逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。

输出处理：

将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。

2.I/O模块

I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。

输入模块用来接收和采集输入信号。

输入信号有两类：

一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。

可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。

CPU模块的工作电压一般是5V，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。

从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使可编程序控制器不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。

I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。

3.编程器

编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。

编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来后可编程序控制器也可以运行。

一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器公用。

开关量I/O模块

开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。

电压等级有直流5V，12V，24V，48V和交流110V，220V等。

2.3.1输入模块

图2-3直流输入曲线

输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入点抖动或外部干扰脉冲引起的错误的输入信号。

滤波电路延迟时间的典型值为10~20ms（信号上升沿）和20~50ms（信号下降沿），输入电流约为10mA，上图2.31a是某直流输入模块的内部电路和外部接线图。

本节的输入电路和输出电路都只画出了一路，COM是各路的公共点。

图中的输入触点直接接在公共点和输入端（400是梯形图中输入继电器的编号）之间，不需要外接电源。

有的可编程序控制器还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V电源。

图2-4光电传感器

当图2-4中的外接触点接通时，光电耦合器中的发光二极管发光，光敏三极管导通，信号经内部电路传送给CPU模块。

图2-5是交流输入电路。

光电耦合器中有两个反并联的发光二极管，显示用的两个发光二极管也是反并联的，因此这个电路可以接收外部的交流输入电压。

图2-5交流输入电路

2.3.2输出模块

输出模块的功率放大元件有大功率晶体管和磁效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动内交流负载）和小型继电器，后者可以驱动交流负载或直流负载。

输出电流的典型值为~2A，负载电源由外部现场提供。

输出电流的额定值与负载的性质有关，但是只能驱动100VA/22V的电感性负载和100W的白炽灯。

额定负载电流还与温度有关，温度升高时额定负载电流减小，有的可编程序控制器提供了有关曲线。

输出模块内可能设置有熔断器，并在模块面板上用发光二极管显示熔断器的状态。

某些新式的模块用非破坏性的电子保护电路代替熔断器。

可编程序控制器的工作原理

可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。

这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。

2.4.1可编程序控制器的工作原理

可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。

在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

为了使可编程序控制器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，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。

除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（见左上图）。

可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。

在内部处理联合阶段。

可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。

在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。

当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。

可编程序控制器处于（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作（见右图），图中仅画出了与用户程序执行过程有关的3个阶段。

2.4.2PLC工作过程

1.输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入I/O的相应单元内。

输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化I/O的相应单元的数据和状态也不会改变。

所以输入如果是脉冲信号，它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的CPU总是由上而下，从左到右的顺序依次扫描梯形图。

并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。

或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

例如：

算术运算、数据处理、数据传达等。

3.输出刷新阶段

在输出刷新阶段，CPU按照I/O内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。

这时才是PLC真正的输出。

PLC控制程序设计

2.5.1PLC编程步骤

图2-6PLC编程步骤

第3章电梯的电气控制系统

概述

电气控制系统是电梯的两大系统之一。

电气控制系统由控制柜、操纵箱、指层灯箱、召唤箱、限位装置、换速平层装置、轿顶检修箱等十几个部件，以及曳引电动机、制动器线圈、开关门电动机及开关门调速开关、极限开关等几十个分散安装在电梯井道内外和各相关电梯部件中的电器元件构成。

载重量和额定运行速度确定后，机械系统各零部件就基本确定了，而电气控制系统则有比较大的选择范围，必须根据电梯安装使用地点，乘载对象进行认真选择，才能最大限度地发挥电梯的使用效益。

电气控制系统决定着电梯的性能、自动化程度和运行可靠性。

随着科学和、技术的发展和技术引进工作的进一步开展，电气控制系统发展换代迅速。

在国产电梯中，在中间逻辑控制方面，已淘汰继电器控制，采用PLC和微机控制。

在拖动方面，除速度V≤s的底速电梯仍有部分产品采用交流双电动机变极调速外，对于速度V≥s的各类电梯，均采用交流调压调速和交流调频调速拖动系统。

新电气控制系统和拖动系统的出现，不但改善了电梯的性能，而且提高了电梯的运行可靠性能，使我国的电梯工业提高到一个新的水平，基本实现乘用安全、可靠、舒适的愿望。

电梯电气控制系统中的主要电器部件

为了便于制造、安装、调试和维修，常把电气控制系统中几百至成千万个电器元件组装在操纵箱，控制柜等十几个部件内。

但是有些电器元件组装到各电源部件中去后，反而会给制