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PLC电梯控制系统设计论文

XXXXXXX

毕业设计

题目xxx

姓名xxx

学号xxx

专业班级xxx

分院xxx

指导教师xxx

xxxx年xxx月xxx日

前言

近期我国的经济发展越来越快，人民的生活水平迅速提高，住房工作条件越来越好。

电梯作为建筑内重要的垂直交通工具，与我们的生活有着越来越紧密的关系。

传统的电梯采用接触器来实现电动机状态的改变，此外控制系统由继电器接触器控制逻辑组成，因此存在元件多、功能弱、故障频繁、可靠性差及工作寿命短等诸多缺点。

为了提高电梯系统的性能，保证其运行的可靠安全，电梯控制系统越来越多的采用PLC控制。

PLC控制较继电器控制有着许多的优点，同时，鉴于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已渐渐过渡到了交流变频调速，满足乘客的舒适感，保证平稳的精度，降低能耗，节省运行开支，节约能源。

本次设计的研究题目是“基于PLC的六层电梯控制系统”，主要是利用PLC及其软件来实现电梯信号的控制，其控制系统的核心为PLC。

课题开发的主要任务和内容是：

（1）电梯运行指定位置后具有手动或自动开/关门的功能。

（2）利用指示灯显示电梯轿厢外的呼唤信号、电梯轿厢内的指令信号和电梯的到达信号。

（3）能自动判断电梯的运行方向，并发出响应的指示信号。

（4）电梯的上行下行有一台交流双速电机牵引。

电机正传，电梯上升；电梯反转，电梯下降。

（5）电梯轿厢门由另一台小功率电机驱动。

电机正传，轿厢门打开；电机反转，轿厢门关闭。

（6）每一层楼设有呼叫按钮；轿厢内设有开关轿厢门按钮；轿厢内的层面指令按（7）电梯启动、运行、到站实现速度的调节。

（8）行车时，厅门和轿厢都不能开门。

开门之后不能行车，有门连锁保护。

平层时可自动开门、手动开门，夹人时自动开门。

达到的要求是：

通过深入的研究和编程实践，全面认真的完成上述内容。

本次课题的核心问题有两个：

一是运行效率和安全性的要求；二是利用PLC实现电梯信号的控制。

对于第一个的问题，我采用的是三菱公司的FX2N型可编程控制器。

第二个问题，根据这次设计所需要达到的要求以及PLC顺序执行程序的特点来编写PLC程序。

第一章绪论

1.1电梯的概述

1.1.1电梯的发展史

据有关资料表明，早在公元前2600年，埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统。

1203年，在法国海岸边的一个修道院里安装了一台以驴子为动力的起重机，结束了用人力运送重物的历史。

1765年瓦特发明蒸汽机后，1858年美国研制出以蒸汽为动力，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，淘汰了蒸汽梯。

后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。

电梯发展兴盛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，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，尤其是交流双速电动机的出现，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，美国奥的斯电梯公司为纽约市的102层摩天大楼制造和安装了74台速度为6.0m/s的电梯。

从此电梯一直日新月异地发展着。

随着电子工业的发展，PLC和电子计算机成功地应用到电梯的电气控制系统中，电梯产品的质量和运行效果显著提高。

1.1.2电梯的运行工作情况

电梯主要由轿厢、配重、曳引机、控制柜／箱、导轨等主要部件组成。

电梯在运行的过程中有起点站也有终点站。

起点站设在一楼，终点站设在最高楼。

各站的厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮。

电梯的运行工作情况和汽车有共同之处，只是电梯的自动化程度比较高，一般电梯的乘用人员只需通过操纵箱上的按钮向电气控制系统下达一个指令信号，电梯就能自动关门、定向、起动、在预定的层站平层停靠开门。

乘客电梯的运行工作情况类似公共汽车，在起点站和终点站之间往返运行，在运行方向前方的停靠站上有顺向的指令信号时，电梯到站能自动平层停靠开门接乘客。

而载货电梯的运行工作情况则类似卡车，执行任务为一次性的，乘用人员控制电梯上下运行时一般一次只能下达一个指令任务，当一个指令任务完成后才能再下达另一个指令任务。

在执行任务的过程中，从一个层站出发到另一个层站时，若中间层站出现顺向指令信号，一般都不能自动停靠，所以载货电梯的自动化程度比乘客电梯低。

本设计主要研究单台六层电梯的PLC控制方法，分述其电气设计和软件设计过程。

1.1.3电梯控制系统的组成

电梯控制系统主要由电力拖动部分和电气控制部分组成。

1）电力拖动部分

电梯主拖动类型有直流电动机拖动、交流电动机拖动、直流发电机－电动机组供电（G－M）拖动、晶闸管供电（SCR－M）的直流拖动和交流双速电动机拖动、交流调压调速（AVCC）拖动、交流变频调速（VVVF）等。

为得到较好的舒适感，要求曳引电动机在选定的调速方式下，电动机的输出转矩总能达到负载转矩的要求。

考虑到电压的波动、导轨不够平直造成的运动阻力增大等因素，电动机转矩还应有一定的裕度。

2）电气控制部分

电气控制系统由控制柜、操纵箱、层楼指示、召唤箱及曳引电动机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。

电气控制系统通过电路控制电力拖动系统工作程序，完成各种电气动作功能，保证电梯安全运行。

电梯一般是由电动机来拖动的，其运行过程大多包括启动、正（反）转、停止等，这整个过程是由电气控制系统来完成。

电梯电气控制系统与电力拖动系统比较，变化范围比较大。

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。

PLC以其体积小、功能强、故障率低、寿命长、噪声低、维护保养简便、修改逻辑灵活、程序容易编制，易联成控制网络等诸多优点得到了广泛的应用。

1.2电梯继电器控制的特点及存在的问题

1.2.1电梯继电器控制的特点

（1）所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合一般技术人员和技术工人。

（2）系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。

（3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格便宜。

（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，熟悉掌握的人员较多。

1.2.2电梯继电器控制存在的问题

（1）系统触点多，接线复杂，且触点易烧坏磨损，造成接触不良，故障率较高。

（2）普通控制电器及硬件接线方法难以满足较复杂的控制功能

（3）电磁机构及触点动作缓慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。

（4）系统结构庞大，能耗高，机械动作噪音大。

（5）线路复杂，易出现故障，保养维修工作量大，费用高；且检查故障困难，费时费工。

电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。

1.3PLC及其电梯PLC控制的特点

1.3.1PLC的特点

PLC实质上属于计算机控制方式，与普通微机一样。

以通用或专用CPU作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制。

PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修。

编程简单、灵活性强等特点。

1、可靠性：

对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。

（1）PLC无需大量的活动元件和接线电子元件

（2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计

（3）PLC有较高的易操作性，编程简单，操作方便，维修容易

（4）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件，采用精简化的编程语言

（5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。

（6）在PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。

2、易操作性:

PLC的易操作性表现在下列几个方面：

（1）操作方便

（2）编程方便

（3）维修方便

3、灵活性:

PLC的灵活性表现在以下几个方面：

（1）编程的灵活性。

（2）扩展的灵活性。

（3）操作的灵活性。

1.3.2PLC在电梯控制中的特点

（1）采用PLC控制电梯，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。

（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。

（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。

（4）PLC可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。

（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。

（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。

此外，PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期短等优点，倍受人们重视，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。

1.4课题的提出

以前的电梯控制都采用的是继电器控制，线路复杂，故障率高，系统庞大，能耗较高，噪声大，严重影响电梯运行的质量。

而且对于电梯的更新需要大量的资金，对于单一的单位来说还是比较困难的。

所以只能对电梯的控制方式加以改进。

近年来，采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯，取得了良好效果。

利用PLC和变频器对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。

1.5课题的主要讨论内容

这次课题所讨论的内容主要是利用PLC编程来控制电梯的运行。

由于老式的电梯大部分控制可靠性欠佳，用户希望对电梯进行改进以节约资金。

因此找出一种合适的改进方法，提高电梯运行的可靠性和安全性，具有十分重要的意义。

针对老式电梯采用继电器控制时所出现的功能弱、故障多、可靠性差及使用寿命短等缺点，采用具有功能强、故障少、可靠性高及使用寿命长等优点的PLC进行控制。

论文的主要内容如下：

首先对电梯做一个大体的介绍，了解电梯的发展历史、工作情况及控制系统组成；接着阐述PLC的特点，并将其与继电器进行比较；然后全面介绍可编程控制器FX2N；在了解了这些之后选择交流双速电机进行调速，画出主电路图；利用PLC编程实现电梯信号控制；对于硬件的开发，对PLC进行选型，完成I/O接口的分配和连接，画出软件流程图和梯形图；最后进行调试以达到预期的效果。

1.6电梯的功能要求

1）电梯运行指定位置后具有手动或自动开/关门的功能。

2）利用指示灯显示电梯轿厢外的呼唤信号、电梯轿厢内的指令信号和电梯的到达信号。

3）能自动判断电梯的运行方向，并发出响应的指示信号。

4）电梯的上行下行有一台交流双速电机牵引。

电机正传，电梯上升；电梯反转，电梯下降。

5）电梯轿厢门由另一台小功率电机驱动。

电机正传，轿厢门打开；电机反转，轿厢门关闭。

6）每一层楼设有呼叫按钮；轿厢内设有开关轿厢门按钮；轿厢内的层面指令按

7）电梯启动、运行、到站实现速度的调节。

8）行车时，厅门和轿厢都不能开门。

开门之后不能行车，有门连锁保护。

平层时可自动开门、手动开门，夹人时自动开门。

第二章三菱FX2N可编程控制器介绍

2.1可编程控制器的基础认识

1.三菱FX2N的PLC主要特点：

1）集成型高性能。

CPU、电源、输入输出三为一体。

2）高速运算

基本指令：

0.08μs／指令

　应用指令：

1.52～几百μs／指令

3）安全、宽裕的存储器规格

　内置8000步RAM存贮器

　安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。

4）丰富的软元件范围

　辅助继电器：

3072点，定时器：

256点，计数：

235点

　数据寄存器；8000点

5）除了具有输入输出16～256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。

6）面向海外的产品适合各种安全规格

2.PLC的性能指标和分类

1）PLC的主要性能指标

（1）输入／输出点数（I／O点数）

I／O点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。

它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。

（2）存储容量

存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16位即一个字为一步。

（3）扫描速度

一般以执行1000步指令所需时间来衡量，单位为ms/k步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用µs/步。

（4）功能扩展能力

可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如A／D模块、D／A模块、位置控制模块等。

（5）指令系统

指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和，它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。

2）PLC的分类

PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。

按结构形式不同,可以分为整体式和模块式两类。

按控制规模大小，则可分为小型、中型和大型PLC三种类型。

3.PLC系统的组成

PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。

PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。

1）PLC的硬件结构

一套PLC系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入／输出接口、内部电源）、I／O扩展单元及外部设备组成。

2）PLC的软件

PLC的软件系统指PLC所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。

系统程序：

包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。

用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。

2.2可编程控制器的工作方式

1、PLC的扫描工作方式：

可编程序控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。

从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。

然后再从头开始扫描，并周而复始地重要进行。

可编程序控制器工作时的扫描过程如图2-1所示，包括五个阶段：

内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。

PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。

扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。

图2-1PLC的扫描过程

2.PLC的程序执行过程

PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如图2-2所示。

图2-2PLC的程序执行过程

3.PLC的扫描周期

在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。

即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。

4.PLC的I／O响应时间

PLC采用集中I／O刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。

输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了PLC的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为2-3个扫描周期。

2.3可编程控制器的编程语言

PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。

其中前两种语言用得较多，顺序功能图语言也在许多场合被采用。

本课题所采用的编程语言为梯形图语言。

2.4可编程控制器与继电器在电梯控制中的应用比较

在电梯的电气系统中，逻辑判断起着主要的作用，其控制系统必须起动各种控制信号和执行元件（如接触器、继电器、发光指示器、电动机以及电子元件、电力电子器件等），要达到这些控制目的，其方法有：

1.继电器—接触器控制系统

这种控制系统是早期电梯多采用的一种控制系统。

优点：

与其它控制系统比较，其简单、易于理解和掌握、价格便宜。

缺点：

动合触点易磨损，且电接触不良；体积大；控制系统耗能大、动作噪声大；维修保养工作量大、费用高。

因此这种控制系统仅用于速度不高、性能要求也不高的电梯中。

2.PLC控制系统

PLC充分利用了微型计算机的原理和技术，保留计算机控制的优点，而克服了它的缺点。

它具有强大的生命力，各工业部分纷纷用它来改造旧有的电梯控制电路，取得了明显的效果。

总之，PLC是采用微机技术制造的通用自动控制设备，它能控制开关量、模拟量、具有可靠性高、抗干扰能力强、并具有完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术、运算等功能，可以取代继电器为主的各种控制设备。

第三章PLC控制系统与变频器

3.1PLC控制系统设计

图3-1是PLC控制系统设计步骤的流程图。

详细步骤如下：

（1）了解和分析被控对象的控制要求，确定输入、输出设备的类型和数量。

（2）根据输入、输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数，并选择相应点数的PLC机型。

（3）合理分配I/O点数，绘制PLC控制系统输入、输出端子接线图。

（4）根据控制要求绘制工作循环图或状态流程图。

（5）根据工作循环图或状态流程图编写梯形图、指令语句、汇编语言或计算机高级语言等形式的用户程序。

（6）用编程器将用户程序输入到PLC内部存储器中，进行程序调试。

（7）程序调试。

先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。

（8）调试过程结束，整理技术资料，投入使用。

3.2变频器的分类

变频器的种类有很多，根据不同的分类方法将变频器分为：

按交换环节方法分：

交-直-交变频器；交-交变频器。

按主电路工作方式分：

电压型变频器；电流型变频器。

按电压的调制方式分：

PAM变频器；PWM变频器。

按工作原理分：

V/f控制变频器；转差频率控制变频器；矢量控制变频器；直接转矩控制变频器。

按用途分：

通用变频器；高性能变频器；具有电源再生功能的变频器；风机、水泵用变频器；其他专业变频器。

3.3变频器的选择

3.3.1选择变频器的规格及满足条件

按照变频器标称功率进行选择，在实际中常常可能会行不通。

根据具体的工程情况，可以有以下的几种选择方式：

（1）按照标称功率选择：

一般做为初步投资估算依据。

（2）按照电动机额定电流选择：

多用于恒转矩负载的新设计项目。

（3）按照电动机实际运行电流选择：

多用于改造工程。

（4）照转矩过载能力选择。

且选择的变频器应满足以下条件：

（1）根据被控设备的负载特性选用通用变频器的类型。

（2）所选用通用变频器的类型与被控异步电动机的参数匹配。

（3）为降低电梯成本，选用通用变频器。

（4）电梯的启动和停车都要平稳。

（5）变频器带有防止失速功能。

（6）变频器具有优良的转矩特性。

3.3.2VS-616G5变频器

VS-616G5变频器属于电压型变频器，包括4种控制方式：

V/F控制、带PG反馈的V/F控制、无传感器的磁通矢量控制和带PG反馈的磁通矢量控制。

VS-616G5只需简单的参数设置就可以用于广泛的应用领域。

其主要参数设置如表3-1所示。

表3-1VS-616G5变频器主要参数设置

表3-2示出了控制电路端子的功能说明。

变频器的输入信号包括对运行/停止、正转/反转、点动等运行状态进行操作的数字操作信号。

变频器通常利用继电器触点或晶体管集电极开路形式得到这些运行信号PLC的输出端口可以和变频器的上述信号端子直接相连接，从而实现PLC对变频器的控制。

变频器的监测输出信号分为开关量检测信号和模拟量检测信号两种，用来和其他设备配合以组成控制系统。

模拟量检测输出信号既可根据需要送给电流表或频率表，也可以送给PLC的模拟量输入模块。

对于开关量检测信号，由于是通过继电器触点或晶体管集电极开路的形式输出，额定值均在24V/50mA之上，符合FX系列PLC对输入信号的要求，所以将变频器的开关量检测信号FX系列PLC的输入端直接相连接，从而实现信号的反馈控制。

表3-2控制电路端子的功能说明

种类

端子符号

端子名称

功能说明

数字

输入

信号

1

正转停止

闭，正转；开，停止

多功

能输

入端

2

反转停止

闭，反转；开，停止

3

外部故障

闭，故障；开，正常

4

故障复位

闭时复位

5

主速/辅助切换

闭辅助频率指令

6

调速指令2

闭多段速设定2有效

7

点动指令

闭时点动运行

8

外部封锁指令

闭时变频器停止输出

11

顺序公共端子

数字

输出

信号

9

运行信号

运行时闭

多功

能输

出端

10

25

零速信号

零速值（b2-01）以下时闭

26

速度一致信号

在设定频率±2Hz以内闭

27

多功能输出公共端

18

故障输出

故障时18-20之间闭合

故障时19-20之间断开

19

20

模拟

输出

信号

21

频率表输出

0～10V/100﹪频率

22

公共端

23

电流监视

5V/变频器额定电流

3.3.3VS-616G5变频器多级调速的PLC控制

利用PLC的开关量输入输出模块对变频器的多功能输入端进行控制,实现三相异步电动机的正反转、多速控制。

这种控制方式满足其工艺要求，且接线简单，抗干扰能力强，使用方便，成本低，并且不存在由于噪声和漂移带来的各种问题。

表2-3中多功能输入端子和多功能输出端子的功能为出场时所设定，用户也可以根据需要利用变频器的数字操作器对这些端口重新进行功能设定。

用数字操作器对参数H1-01～H1-06进行设定，最多可达9段速运行，设定情况如表3-3所示。

表3-3多段速参数的设定

端子

对应参数

设定值

内容

5

H1-03

3

多段速指令1

6

H1-04

4

多段速指令2

7

H1-05

5

多段速指令3

8

H1-06

6

点动频率选择

然后通过端子5、6、7、8和公共端子11之间的接通/断开的组合，可得9段速频率的选择。

端子接通/断开的组合与被选择频率的对应关系如表2-4所示。

表中1表示接通，0表示断开。

其中，点动运转是一种与所设置的加减速时间无关的、单步的、以点动频率运转的驱动功能。

变频器的5、6、7端子经过功能设定后再通过通断组合，可控制8档频率，连同端子8对应的点东频率，共可实现9段速的控制。

每档相应额频率可以通过数字操作器对参数D1-01～D1-09的设置而定（范围0～400Hz）。

如表3-4所示。

表3-4多段频率的选择

5-11（段速1）

6-11（段速2）

7-11（段速3）

8-11（点动频）

被选择的频率

0

0

0

0

频率指令1D1-01主速频率数

1

0

0

0

频率指令2D1-02辅助频率数

0

1

0

0

频率指令3D1-03

1

1

0

0

频率指令4D1-04

0

0

1

0

频率指令5D1-05

1

0

1

0

频率指令6D1-06

0

1

1

0

频率指令7D1-07

1

1

1

0

频率指令8D1-08

1

点动频率D1-09

3.4变频调速方案

一、控制要点

控制模式。

为了保证在低速时能有足够大的转矩，最好采用带转速反馈的矢量控制方式。

起动方式。

为满足吊钩从“床面”上升时，需要消除传动间隙，将钢丝绳拉紧的要求，应采用S型起动方式。

制动方式。

采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。

点动制动。

点动制动是用来调整被吊物体空间位置的，应能单独控制。

点动频率不宜过高。

二、调速方案

变频器的选型。

考虑到起升机构对运行的可靠性要求较高，应选用具有带速度反馈矢量控制功能的变频器。

调速机构。

虽然变频器调速是无级的，可以用外接电位器来进行调速，希望调速时的基本操作方法能够和原拖动系统的操作方法相同。

因此，采用左、右各若干挡转速的控制方式。

3.5