基于PLC的七层电梯控制系统设计

四川大学本科毕业设计（论文） 基于 PLC 的七层电梯控制系统设 计 -1- 基于基于 PLC 的七层电梯控制系统设计的七层电梯控制系统设计 机械制造及其自动化专业 学生 安 锋 指导老师 罗 华 摘要摘要：电梯不仅仅是高层建筑罩的必备设施，在多层建筑里也是不可缺少的垂直运输工具。 电梯的控制系统已由初期的继电控制向微机控制发展。可编程控制器由于具有可靠性高、功能 强大等特点已经成为电梯微机控制系统的核心。 本文在阐述电梯的结构和可编程控制器的结构和工作原理的基础上，针对7层7站电梯， 使用三菱FX2N-80MR可编程控制器，设计了电梯的控制系统。包括电梯的指层控制模块、轿内 指令和厅外召唤的登记与消除模块、电梯的选层和定向模块、电梯的开关门运行模块、电梯运 行控制模块等，实现了电梯的指层控制、轿内与各层内呼梯指令的记录、电梯运行方向和停靠 的层站的控制，自动运行和自动开关门等功能。 这种电梯控制系统应用于实际运行的电梯中，运行结果表明：电梯控制系统安全性和可 靠性高，月常保养维护和故障检修方便，运行成本低。电梯连续运行12000次，故障率为0,平 层精度小于5mm，平衡系数4850，起动、制动及运行平稳、舒适，安全保护和可靠性 均达到GB75882003的规定，能够满足电梯的控制要求。 关键字关键字：电梯；控制系统；可编程控制器电梯；控制系统；可编程控制器 四川大学本科毕业设计（论文） 基于 PLC 的七层电梯控制系统设 计 -2- Abstract：Elevator is not only the necessary facility in the high-rise buildingis also the essential vertical transport means in the multilayered constructionThe control system of elevator is developed from the initial relay control system to the microcomputer congol systemThe programmable logic controller has already become the core of the elevator microcomputer control system because of its high reliability and formidable function and so on the characteristics This article slalomed the elevator structure，the structure and the working principle of the programmable logic controllerAim at the elevator of sever floors and sever stations，the writer design this elevator control system by the use of Mitsubishi FX2N80MR programmable illogic controller111e writer design the elevator control modulesSuch the module of shown layerthe module of register and cancel the instructions from the cabinThe module of register and cancel the instructions from the smfion hallthe module of choose station and direction。the module of door movement，the module of elevator operation，and so onThese modules achieve the functions：fingering out the location of the cabin，registering the instructions from the cabin and the station hallchoosing the direction and the station of elevator follow these instructions，operating elevator and door automatically，and other functions This elevator control system applies in the actual operating elevatorthe operating result indicated：its security and reliability ale high, the routine maintenance and the trouble shooting are convenient, the elevator operating cost is lowThe elevator continuous running 12000 timesthe failure rate is 0。the even level precision is smaller than+5mm，the balanced coefficients is 4850，the starting，the brake and the movement ale extremely steady and comfortable，the safekeeping of security and the reliability achieved GB75882003 the stipulationsCan satisfy the elevator the control request Key Words：Elevator; Control System; Programmable Logic Controller 四川大学本科毕业设计（论文） 基于 PLC 的七层电梯控制系统设 计 -3- 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 .6 1.1 课题研究背景和意义 .6 1.2 国内外发展状况 .7 1.3 主要研究内容 .9 第二章第二章 电梯的概述电梯的概述 .10 2.1 电梯的定义 .10 2.2 电梯的分类 .10 2.2.1 按用途分类 .10 2.2.2 按驱动系统分类 .11 2.2.3 按操作控制方式分类 .12 2.3 电梯的主要机械部件 .13 第三章第三章 电梯的电力驱动系统电梯的电力驱动系统 .15 3.1 电梯电力驱动系统的定义及构成 .15 3.2 电梯电力驱动系统的要求 .15 3.3 电机的选择 .16 3.3.1 电动机选择的基本原则 .16 3.3.2 电动机容量的选择 .16 第四章第四章 变频器选择及其参数设计变频器选择及其参数设计 .17 4.1 变频器的选择 .17 4.1.1 选择变频器品牌型号 .18 4.1.2 选择变频器规格 .18 4.1.3 选择的变频器应满足的条件 .18 4.2 专用变频器 .19 4.3 变频器结构及其参数设计 .19 第五章第五章 PLC 的选择及其电路设计的选择及其电路设计 .19 四川大学本科毕业设计（论文） 基于 PLC 的七层电梯控制系统设 计 -4- 5.1 PLC 元件分配表及控制功能.19 5.1.1 输入输出（I/O）点数的选择.20 5.1.2 存储器容量的估算 .22 5.1.3 控制功能的选择 .22 5.2 可编程序控制器（PLC）的选择 .24 5.2.1 开关量 I/O 接口.24 5.2.2 外部电源的选择 .26 5.2.3 PLC I/O 硬件连线图.26 第六章第六章 控制方案与程序设计控制方案与程序设计 .26 6.1 梯形图设计控制原理 .26 6.1.1 门厅上行呼叫信号 .26 6.1.2 门厅下行呼叫信号 .28 6.1.3 轿厢内选层信号 .29 6.1.4 轿厢内选层信号灯的控制 .29 6.1.5 楼层位置信号 .31 6.1.6 七段数码管显示 .33 6.1.7 楼层呼叫选层综合信号 .34 6.1.8 上下行辨别控制信号 .35 6.1.9 开门控制 .36 6.1.10 关门控制 .37 6.1.11 停止信号 .38 6.1.12 升降电机控制 .40 6.1.13 手动检修控制方式 .40 6.2 七层电梯控制总图 .41 6.3 控制程序 .41 第七章第七章 电梯模拟调试电梯模拟调试 .42 7.1 系统调试 .42 四川大学本科毕业设计（论文） 基于 PLC 的七层电梯控制系统设 计 -5- 7.1.1 调试前具备的条件 .42 7.1.2 电梯的运行调试 .42 7.1.3 电梯的整机性能调试 .43 7.2 程序运行与调试 .43 7.2.1 程序的软件模拟运行 .43 7.2.2 程序调试 .46 第八章第八章 总结与展望总结与展望 .48 参考文献参考文献 .48 致谢致谢 .48 附录附录 .48 四川大学本科毕业设计（论文） 基于 PLC 的七层电梯控制系统设 计 -6- 第一章第一章 绪论绪论 随着社会主义市场经济的不断发展，我国建筑行业的快速发展和楼宇自动化、智能 化的需要，电梯产品的用量剧增。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基于一体的机电设备，它是建筑 物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。电梯控制系统主要有以下三种控制方式：继电器控制系统、PLC 控制系统和微机控制系统。继电器控制系统犹豫故障率高，控制方式不灵活及功率消耗 大等缺点，目前已经逐渐被淘汰。微机控制系统虽然在只能控制方面有比较强大的功能， 但也存在一定的不足之处，例如抗干扰性差，系统设计比较复杂，一般维修人员难以掌 握其维修技术，这些都限制了微机控制系统应用的广泛性。而 PLC 控制系统由于运行可 靠、试用维修方便、抗干扰性能强等优越性，成为目前在电梯控制系统中试用最多的控 制方式。电梯需要运行平稳且舒适性好，使用变频器进行变频控制电机的速度能达到很 好的控制目的，现在的电梯通常是 PLC+变频器组成的控制系统。 1.1 课题研究背景和意义 电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的 交通工具。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速精度、 调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉 及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而 对现代电梯而言，应具有高度的安全性。事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措 施。在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。 然而只有电梯的制造，安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量才能全面保证电梯 的最终高质量。在国外，已“法规”实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造 企业认可的法规认证的专业安装队伍维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验， 从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。 目前，由可编程序控制器(PLC)和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速 度发展着。采用 PLC 控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加 可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为电梯控制的发展方 向。可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制 四川大学本科毕业设计（论文） 基于 PLC 的七层电梯控制系统设 计 -7- 器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控 制的专用计算机。自 1969 年针对工业自动控制的特点和需要而开发的第一台 PLC 问世以 来，迄今己 30 多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又不同于顺序 控制器和通用的微机控制装置。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的 实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的 计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语 言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。 用户买到所需 PLC 后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作， 就可灵活而方便地将 PLC 应用于生产实践。而且用户程序的编制、修改和调试不需要具 有专门的计算机编程语言知识。这样就破除了“电脑”的神秘感，推动了计算机技术的 普遍应用。可编程序控制器 PLC 在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。 PLC 现已成为现代工业控制三大支柱(PLC、CADCAM、ROBOT)之一，以其可靠性、 逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能，易与计算机接口、 能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，同时取代由大量 输入输出继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统的继电一接触控制系统，在机 械、化工、石油、冶会、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业德到广泛应用.总之，电 梯的控制是比较复杂的，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空问。PLC 是 专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着 PLC 应用技术的不断发展，将使得它的体 积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强、机械与电气 部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起因此，它已经 成为电梯运行中的关键技术。 1.2 国内外发展状况 在经济不断发展，科学技术日新月异的今天，楼的高度已和经济发展同样的速度成 长起来。作为建筑的中枢神经，电梯起着不可或缺的作用，电梯作为建筑物内的主要运 输工具，像其他的交通工具一样，已经成为我们日常生活的一个不可缺少的组成部分。 一个国家的电梯需求总量，主要受其经济增长速度、城市化水平、人口密度及数量、国 家产业结构等综合因素的影响。在全球经济持续低迷的情况下，我国国民经济仍然以较 高的速度持续增长，城市化水平不断提高。这从客观上导致了我国电梯行业的空前繁荣 景象，我国已经成为全球最大的电梯市场。上世纪 80 年代以来，随着经济建设的持续高 速发展，我国电梯需求量越来越大。总趋势是上升的，目前进入了“第三次浪潮” ，2004 年总产量超过了 8 万台，而且目前还没有减速的迹象。从 1949 年建国以来全国共生产安 装了 61 万多台电梯。尽管如此，我国的电梯远未达到饱和的程度。全世界平均 1000 人 四川大学本科毕业设计（论文） 基于 PLC 的七层电梯控制系统设 计 -8- 有 l 台电梯，我国如果要达到这个水准，还需要增加 70 万台。到那时候，全国在用电梯 将达到 130 万台，每年仅报废更新就需要 6 万台。到 2005 年，中国电梯的年产量达到 135 万台，与 1980 年相比，25 年增长了 59 倍，产量每年平均增长 178。2005 年 安装验收电梯台，截至 05 年底，我国的在用电梯总数已达台。如此庞大的市场需求为我 国电梯行业的发展创造了广阔的舞台!我国电梯行业已经具备了很强的生产能力。兴旺的 电梯市场吸引了全世界所有的知名电梯公司，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国 蒂森、日本三菱、只立、东芝、富士达等 13 家大型外商投资公司在国内的市场份额达到 了 74先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。苏州江南、 山东百斯特、浙江巨人、上海华立、昌华、东莞飞鹏、宁波宏大、苏州申龙和东南液压 电梯等一批优秀的电梯品牌看清了自己的定位与出路。目前国内市场需要的电梯产品， 我国电梯行业几乎全部可以生产，不但大量替代了进口，而且有一定的出口。 国产电梯 的技术水平和产品质量正在稳步提高。自 1985 年我国参加了国际标准化组织 ISOTCl78 以来，先后等同或等效采用了一批国际标准和先进国家的标准。标准的高起点使我国电 梯行业在技术上居于有利地位。许多新技术和新产品，如无机房电梯、无齿轮曳引机、 永磁同步拖动技术、远程监控技术等，国际上也是刚刚出现，我国就有许多企业可以生 产了。国产电梯以其高质量，低成本的优势赢得了越来越多的国内外客户，为逐步进入 国际市场创造了有利条件。 随着计算机技术的发展，微型计算机在工业控制系统中得到了广泛的应用，在电梯 控制上采用微型计算机，取代传统的继电器控制方式越来越受到人们的重视。使用微型 计算机控制，它成本低，体积小，可靠性高，使用寿命长，简化了安装调试工作，使得 电梯控制系统体积减小、节省能源、可靠性提高。可编程使灵活性增大。更突出的优点 是微型计算机具有算术运算功能和灵活的逻辑运算功能，因此可以实现更完善的自动控 制，例如对于电梯平层可以实现自适应控制，便平层情况达到最佳状态。目前，交流调 压调速电梯技术已趋成熟，一些企业都有成功的产品。微机控制电梯是电梯技术的方向， 一些生产企业与科研单位相结合，相继推出了微机控制的电梯新机型使控制功能得到增 强，电梯的性能得到改善，明显提高了可靠性。除了合资企业外，也有其他厂家开发出 了变频调速电梯新产品。另外，用可编程序控制器取代继电器控制系统的机型对单梯进 行控制还是有前途的。有些生产企业开发了紧急供电装置、防火厅门、地震控制、自检 测以及语言合成等电梯新功能；对机械系统采用了新结构、新材料、新技术和新工艺。 总之，与国外先进技术水平相比，虽然还存在一定差距但国内电梯技术正以迅猛的发展 速度赶超世界先进水平。中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置，每年销售量己达 l 万台左右，约占亚洲市场的 150，一些合资企业在出口创汇方面也做出了贡献。当今世 界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。在 一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍。世界上有名的几家电梯公司，诸如：美国 奥的斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等，其电梯的产量已占世 四川大学本科毕业设计（论文） 基于 PLC 的七层电梯控制系统设 计 -9- 界市场的 51。其中，奥的斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。目前，国 外除了以交流电梯取代直流电梯以外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。此外，家 用小型电梯将成走电梯家族中新的组成部分。 随着科技的进步，电梯也更加安全、舒适。然而，人们的追求并没有就此停止下来， 仍在不断地进行研究改进。绿色是和平，绿色是天然，绿色是和谐。电梯是载人的机电 设备，要实现“绿色” ，也就是强调电梯更舒适、更安全地为人类的生产和生活服务，强 调电梯与环境的协调与和谐。国外对绿色电梯的研究做得比较出色的可能要数 Peters 了， 他专门就绿色电梯进行研究。当然，他的研究是从电梯对环境影响的角度进行的。不可 再生资源的消耗、产生废弃物和为生产满足曳引电梯的电力而产生的二氧化碳。同时他 还认为，目前电力是不可持续的并对环境有损害，作为在地球上有责任的人，我们应当 减少能源消耗，寻找可持续发展的能源。 1.3 主要研究内容 课题所研究的内容主要是用可编程控制器（PLC）和变频器改造在用电梯自动控制系 统。由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造， 以节约资金。因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路， 并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。针对老式电梯采用的继 电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能 强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯。调速系统采用交流变频调 速，在各种负载下都有良好的调速性能和准确的停车性能，满足乘客的舒适感和保证平 层精度（即准确停车） ，并能节约大量电能。 第 1 章 绪论 主要介绍电梯的发展情况和背景。阐述了选题的目的和意义。 第 2 章 电梯的概述 主要介绍电梯的分类情况以及电梯的主要机械部件。 第 3 章 电梯的电力驱动系统 主要介绍电力驱动系统的组成、电动机的选择和电力 驱动系统的设计。 第 4 章 变频器选层及参数设计 主要介绍变频器的选择以及变频器的参数设计。 第 5 章 PLC 的选择及其电路设计 主要介绍可编程控制器的选择和电气系统原理 设计。 第 6 章 控制方案与程序设计 主要介绍各信号的控制程序设计和主程序的设计。 第 7 章 电梯模拟调试 主要介绍程序在软件上的运行以及检测。 第 8 章 总结与展望 对本文进行了总结并对电梯的发展做了初步展望。 四川大学本科毕业设计（论文） 基于 PLC 的七层电梯控制系统设 计 -10- 第二章第二章 电梯的概述电梯的概述 2.1 电梯的定义 电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直 的倾斜角小于 15 度的钢性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。它 适用于装置在两层以上的建筑内，是输送人员或货物的垂直提升设备的交通工具。 2.2 电梯的分类 2.2.1 按用途分类 1)乘客电梯 代号 K 为运行乘客而设计的电梯，有完善的安全装置。 2)载货电梯 代号 H 为运送货物而设计的电梯，通常有人操作，有必备的安全装置。 3)客货梯 代号 L 主要用作运送乘客，但也可运送货物，它与乘客电梯的区别在 于轿厢内部装饰结构和使用场合不同而言。 4)病床电梯 代号 B 为运送医院病人及其病人而设计的电梯，其轿厢具有窄而长的 特点。 5)住宅电梯 代号 Z 供住宅楼使用的电梯，控制系统和轿厢装饰均较简单，也必须 具有客梯所具有的安全保护装置。 6)杂物电梯 代号 W 供图书馆,办公楼，饭店运送图书、文件、食品等。而绝不允 许人员进入的小型用货电梯。 7)消防梯 代号 火警情况下能适应消防员专用的电梯，非火警情况下可作为一般客 四川