四层电梯模型PLC控制系统设计.docx

电气控制技术课程设计说明书

四层电梯模型PLC控制系统设计

学生姓名： 李 平
专 业： 电气工程及其自动化
班 级： 1303班
学 号： 1330140313
指导教师 雷军 职称 高级实验师
完成时间： 2016年6月

湖南工学院电气控制技术课程设计课题任务书
学院：电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化
指导教师
雷军
学生姓名
李平
课题名称
四层电梯模型PLC控制系统设计

内容及任务

一、目标
设计一个基于PLC的四层电梯控制系统。
二、任务
根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行四层电梯的控制原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。
主要内容包括：
1. 设计该系统电气控制硬件系统；
2．PLC选择及I/O及其它PLC元器件分配。
3．选择电器元件，编制元件目录表。
4．设计该系统PLC控制梯形图。
5．用计算机绘制PLC控制电路图。
6．进行系统调试，实现四层电梯的控制要求。
7. 编写设计说明书。
三、要求
1、电梯模型电梯的上、下行由一台直流电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。直流电动机参数：36ZY，额定功率６W，额定电压DC 24V。
2、轿厢开门、关门用指示灯显示；
3、电梯运行时，厅门和轿厢门都不能开门。电梯手动开门与关门按钮不起作用；开门之后不能行车，有门连锁保护。
4、电梯上行时，下行召唤无效；电梯下行时，上行召唤无效。
5、楼层呼叫按钮及电梯内按钮按下，电梯未达到相应楼层或未得到相应的响应时，相应指示灯一直接通指示。响应之后，能自动将召唤指令消除(召唤指令的记忆与消除)；
6、电梯运行时，电梯到达停在各楼层时，电梯开门与关门动作可由电梯手动开门与关门按钮控制，也可延时自动控制，开门10秒后自动关门，开门3秒后电梯可上或下运行。
7、厅外有指示电梯运行方向和所在位置的指示信号。
8、电梯拖动电动机控制电路有如短路保护、正反转互锁等常规电气保护措施。

主要参考资料

[1]史国生主编，电气控制与可编程控制器技术［M］。北京：化学工业出版社，2012。
[2]于广庆主编，可编程控制器原理及系统设计［M］。北京：清华大学出版社，2004。
[3] 吴启红主编，变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书（第二版）［M］。北京：机械工业出版社，2010。
[4] 史国生，鞠勇。电气控制与可编程控制器技术实训教程［M］。北京：化学工业出版社，2010。
[5] 于晓云，许连阁。可编程控制技术应用—项目化教程［M］。北京：化学工业出版社，2011。
[6] 廖常初。PLC编程及应用[M]。北京：机械工业出版社，2005年。
[7] 胡学林。可编程控制器应用技术[M]。北京：高等教育出版社，2001年。
[8] 三菱FX系列可编程序控制器编程手册[M]。三菱公司编，2001年。
[9] 三菱可编程序控制器应用101例[M]。三菱公司编, 1994年。
[10] 史宜巧，孙业明，景绍学。PLC技术及应用项目教程［M］。北京：机械工业出版社，2009。
教研室
意见

教研室主任：（签字）
年 月 日

目 录

摘 要 - 1 -
1 概述 - 2 -
1.1电梯发展状况及发展趋势 - 2 -
2总体方案设计 - 4 -
2.1四层电梯控制系统分析 - 4 -
3 PLC机型的选择 - 6 -
3.1 PLC的I／O点数估算 - 6 -
3.2 输入输出模块的选择 - 6 -
3.3 机型的确定 - 6 -
4 硬件设计 - 8 -
4.1四层电梯主电路设计 - 8 -
4.2 输入输出分配表 - 9 -
4.3 PLC接线图 - 9 -
5 软件设计 - 10 -
5.1 设计要求 - 10 -
5.2 程序流程图 - 10 -
5.3 程序语句 - 12 -
5.3.1复位程序段 - 12 -
5.3.2用户输入输出程序段 - 14 -
5.3.2电梯空闲状态程序段 - 15 -
5.3.3电梯上下行主程序段 - 15 -
5.3.4开关门子程序 - 16 -
5.3.4清除标记子程序 - 17 -
5.3.5设定上下行最近目标层子程序 - 18 -
设计总结 - 20 -
致 谢 - 21 -
参考文献 - 22 -

摘 要

课题四层电梯模型PLC控制系统设计，大致可分为电气控制硬件系统设计、PLC选择及I/O分配、系统PLC控制梯形图设计及其仿真、；采用三菱FX2N-PLC实现对电梯的控制,实现课题的控制要求，设计思路是采用模块化程序设计。根据电梯的控制规律，程序设计可分为以下几种模块:电梯复位、电梯参数初始化、用户输入(按键检测)、系统状态确认、上行主程序、下行主程序;涉及到的子程序块:电梯开关门子程序、清除标记子程序、电梯空闲状态处理子程序、设定上行目标子程序、设定下行目标子程序。
电机采用的是36ZY,额定功率6W，额定电压DC24V。软件程序使用GX-Developer仿真，使用Visvo绘制硬件PLC控制电路图。

关键词：梯形图;模块化;硬件控制原理图

1 概述

我国的电梯生产技术得到了迅速发展。一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。更新换代生产更新型的电梯，电梯主要分为机械系统与控制系统两大部份，随着自动控制理论与微电子技术的发展，电梯的拖动方式与控制手段均发生了很大的变化，交流调速是当前电梯拖动的主要发展方向。目前电梯控制系统主要有三种控制方式：继电路控制系统、PLC控制系统、微机控制系统。继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。而PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造。
1.2 PLC及在电梯控制中的应用特点
1.2.1 PLC的特点
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。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不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
(2)PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性提高。
(3)PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。
(4)PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。
(5)在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件:采用先进的工艺制造流水线制造;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等;对电源的断电保护;对存储器内容的保护等。
(6)PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波;软件自诊断;简化编程语言等。
1.易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面:
(1)操作方便对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
(2)编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。
(3)维修方便PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。
2.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。
1.2.2 PLC控制电梯的优点
1.在电梯控制中采用了PLC，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与报警显示，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。
综上所述，PLC控制的优点远远多于传统的继电器控制方式，课题主要采用了三菱PLC对四层电梯的控制。

2总体方案设计

2.1四层电梯控制系统分析
对于电梯的结构而言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,下面梯机械部分的结构,四层电梯平面图如图1-1所示。

图1-1 四层电梯平面图
课题研究的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。电气控制系统主要由操纵装置、位置显示装置、控制屏(柜)、平层装置等组成。电气控制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。
电梯在各服务层站设有层门、轿厢运行方向指示灯、数学显示轿厢、运行位置指层器和召唤电梯按钮。电梯召唤按钮使用时，上楼按上方向按钮，下楼按下方向按钮。轿厢到达时，层楼方向指示即显示轿厢的运动方向，乘客判断欲往方向和确定电正常后进入轿厢，轿厢内有位置显示器、操纵盘及开关门按钮和层楼选层按钮。
课题是以四层电梯为控制对象，用PLC实现对电梯的控制。课题的任务是用可编程控制器（PLC）控制四层电梯，实现所有的控制要求，设计思路是采用随机逻辑控制原理，根据电梯自身的控制规律，响应随机的外部呼叫信号，设计分析、讨论了用FX2N型PLC控制电梯模型的程序设计的整个过程,并主要阐述了三个方面：系统的控制要求、系统配置、软件设计。

3 PLC机型的选择

3.1 PLC的I／O点数估算
主要的信号输入硬件有3个上行按钮和3下行按钮、4个厢内楼层按钮，2个手动开关门按钮，2个启动停止按钮，2个上下平层限位开关，2个上下减速限位开关，2个上下减速接近开关，2个上下平层接近开关，共22个输入信号。
主要的输出信号有：楼层指示灯占7个输出，2个电梯上下行指示灯，6个楼层上下行指示灯，厢内楼层指示灯4个，电梯开关门指示灯2个，电机正反转，减速占3个输出，共19个输出信号。
输入输出总共占41个点。再留有10%的余量，可选输入输共64个点的PLC。按照（输入+输出） *（10或11或12）的原则估计程序总共500步左右。
3.2 输入输出模块的选择
来自现场的设备按钮、限位开关、行程开关等的电平信号并将其转换为机器内部电平信号，模块类型为直流和交流两种。根据设备与模块之间的远近程度选择电压的大小，一般5V、12V、24V属低电平，传输距离不宜太远，例如5V的输入模块最远不能超过l0m，也就是说，距离较远的设备选用较高电压的模拟比较可靠。另外，高密度的输入模块如32点、64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般讲，同时接通点数不得超过60%。
输出模块的任务是将机器内部电平信号转换为外部的控制信号。输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。
3.3 机型的确定
（1） FX2N-64MR技术指标
合计总数64点，32点输入，DC24V，32点继电器输出；
（2） FX2N-64MR系列PLC的功能
1. 高速运算
基本指令：0.08μs/指令，应用指令：100μs/指令
2. 存储器规格
内置8000步RAM存储器。
3. 软元件范围
辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数器：235点；数据寄存器：8000点
根据PLC机型选择的基本原则，及设计所需要的I/O点数41个，程序500步左右，选择了三菱公司FX2N-64MR系列的PLC。
4 硬件设计

4.1四层电梯主电路设计
在三菱ＰＬＣ控制系统中，电梯的所有动力均有电动机提供。上下行电动机为电梯上下行提供动力。开关门电动机控制电梯门的开与关。整个系统共需 M1、M2两台电动机。主电路如图4-1所示。
图4-1 主电路
在实际运行中，过负载、欠电压、断相等因素都可能造成电动机超过其负载，即广义上的超载。电动机的短时超载是允许的，但如果长时间运行将会毁坏电动机。因此需采取保护措施，目前比较常用的是热继电器。在其工作过程中，可能出现短时间大电流的超载，热继电器无法起到有效的保护作用，可在电路中安装熔断器对其进行保护。 各电动机使用接触器控制。其中接触器 KM1、KM2、KM3、KM4分别控制电动机M1的上下行、电动机M2的门开关。FR1、FR2为 M1、M2提供过负载保护。FU1、FU2为 M1、M2提供短路保护。

4.2 输入输出分配表
表 4-1 系统I/0分配表
输入
对应的辅助继电器
对应的输出
1
一楼上行按钮 X60
M60

1层外呼上指示 Y50
2
二楼下行按钮 X61
M61

2层外呼下指示 Y51
3
二楼上行按钮 X62
M62

2层外呼上指示 Y52
4
三楼下行按钮 X63
M63

3层外呼下指示 Y53
5
三楼上行按钮 X64
M64

3层外呼上指示 Y54
6
四楼下行按钮 X65
M65

4层外呼下指示 Y55
7
厢内一楼按钮 66
M66

1层内呼指示 Y56
8
厢内二楼按钮 X67
M67

2层内呼指示 Y57
9
厢内三楼按钮 X70
M70

3层内呼指示 Y60
10
厢内四楼按钮 X71
M71

4层内呼指示 Y61
11
厢内开门按钮 X72
M72

电梯开门指示 Y62
12
厢内关门按钮 X73
M73

电梯关门指示 Y63
4.3 PLC接线图
图4-2为PLC输入输出接线图。X50～X73为输入信号，Y000～Y026为输出信号，其中Y020～Y026分别按顺序接数码管的A～G显示轿厢所在楼层。输入端的公共端COMI接地，输出端的公共端COMⅡ接+24V电源。

图4-2 PLC输入输出接线图
5 软件设计

5.1 设计要求
1、轿厢开门、关门用指示灯显示；
2、电梯运行时，厅门和轿厢门都不能开门。电梯手动开门与关门按钮不起作用；开门之后不能行车，有门连锁保护。
3、电梯上行时，下行召唤无效；电梯下行时，上行召唤无效。
4、楼层呼叫按钮及电梯内按钮按下，电梯未达到相应楼层或未得到相应的响应时，相应指示灯一直接通指示。响应之后，能自动将召唤指令消除(召唤指令的记忆与消除)；
5、电梯运行时，电梯到达停在各楼层时，电梯开门与关门动作可由电梯手动开门与关门按钮控制，也可延时自动控制，开门10秒后自动关门，开门3秒后电梯可上或下运行。
6、厅外有指示电梯运行方向和所在位置的指示信号。
8、电梯拖动电动机控制电路有如短路保护、正反转互锁等常规电气保护措施。
5.2 程序流程图
电梯复位程序用于系统上电后把轿厢位置复位到第一层；输入程序和状态输出程序用于用户输入后马上保持用户的选择以便后面程序判断；轿厢开关门程序控制轿厢的开关门；设定上行目标程序和设定下行目标程序是用来确定上下行过程中的下一个目标楼层,只在上下行及电梯空闲状态的时候调用,如果没有下一个目标,就设定电梯为空闲状态。
流程图见下页。

图5-1 程序流程图
5.3 程序语句
5.3.1复位程序段

复位程序段的作用：不管电梯在什么位置，都要让电梯停在一楼；代码M80是人工设置的常闭触点，M9在常开状态下才可以执行这段程序。M4是执行电梯逆转并设定M5用以检测电梯是否遇到下行减速限位开关；若遇到，电梯停止逆转，开始正转，遇到上行减速接近开关时，再逆转，由于一楼没有上行减速开关，所以碰到的是二楼的上行减速开关，直到碰到一楼的下行减速接近开关，开始减速，碰到下行平层接近开关，电梯停靠在了一楼。5.3.2电梯参数初始化程序段

表 4-2 初始值定义表
元件名
含义
初始值
D100
电梯当前位置
1
D101
电梯上行最近目标楼层
1
D102
电梯下行最近目标楼层
1
M101
电梯上行标志
0
M102
电梯下行标志
0
M103
电梯空闲标志
1
M104
电梯开门标志
0
M105
电梯关门标志
0
M106
电梯开门完毕标志
0
M107
电梯关门完毕标志
0
复位程序如下：

只有复位程序执行后才可以执行初始化。复位成功后M9置1，而M0是电梯启动标志，初始化后在启动前完成；X024和X025是电梯启动和停止按钮，运用主控指令实现对整个程序的控制。
5.3.2用户输入输出程序段

M72和M73分别是开关门标志对应的辅助继电器，只有在代表正反转输出为0，时才允许执行开关门，若开门状态M72接通先取消关门状态的M73，Y066（关门驱动输出）开门完毕标志位M106复位；若M73接通，情况类似。
5.3.2电梯空闲状态程序段
电梯空闲时调空闲状态处理程序，来判断是否有键被按下，并判断出电梯运行方向，目标楼层清除电梯所在层的呼叫记录，程序如下。
5.3.3电梯上下行主程序段

上下行主程序功能是：在电梯上行时，没有进入减速之前，需要不断的调设定电梯上行的最近一个目标楼层的子程序，来改变目标楼层。每经过一次上行或下行减速接近开关，就代表电梯上了一层楼，即D100加1，然后D100和D102(上行最近的目标楼层)或者D101（下行最近的目标楼层）比较，不等就继续让电梯上行或下行，反之相等，就停靠。
5.3.4开关门子程序

在电梯开门标志M104置位，M106复位下就执行开门程序，只有当X003（开门限位开关）接通，M106置位；关门判断和开门类似。
5.3.4清除标记子程序

在子程序开头，把电梯当前层数保存在变址寄存器V中并使用跳转指令CJ跳到P80V标注程序段直到执行到CJP99或SRET。
5.3.5设定上下行最近目标层子程序

把电梯当前位置保存到变址寄存器V中，然后根据V，使用跳转指令跳到相应程序段来设定上行或下行的最近目标楼层。

设计总结

此次课题设计，利用可编程控制器PLC控制四层电梯升降，优点：具有接线简单，编程直观，扩展容易。缺点此次编程中未加入电梯安全保护程序，检测故障程序和报警程序，以及故障出现后故障处理程序。由于自己初次接触电梯的设计，对电梯的硬件组成还是了解的不充分，远远未达到现实中实际需要的要求，只是满足了本次课题的要求。
四层电梯控制系统的设计让我了解了PLC梯形图，指令表，外部接线图有了更好的了解，有很多设计理念来源于实际，从中找到正确的设计方法。要求团队完成， 所以遇到问题要求和同学互相交流互相讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样， 我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便左后设计合在一起，讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入讨论一些技术的问题，这样可以使自己处理问题要快一些，少走弯路，多改变自己的设计方法，在设计过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。

致 谢

在各科老师的精心指导下，我掌握了不少的专业知识和实践经验。可以说是三年学习的一个总结和体现。在指导老师的热心指导和帮助下，我顺利的完成了这篇这篇课程设计和所有教育过我的老师也是分不开的，没有老师传授的知识，我也不可能顺利地完成这个课题。我无论是在课程学习阶段，还是在论文的选题，资料查询和撰写的每一个环节，无不得到指导老师的悉心指导和帮助。对于较好的完成课题设计而感到欣慰之余，，向关心和支持我学习的所有老师和同学们表示真挚的谢意！感谢你们对我的关心和支持！

参考文献

[1] 廖常初﹒PLC基础及应用［Ｍ］.北京：机械工业出版社，2003
[2] 张万忠﹒电器与PLC控制技术［Ｍ］.北京：化学工业出版社，2003
[3] 汪晓光﹒可编程控制器原理及应用［Ｍ］.第二版﹒北京：机械工业出版社，2004
[4] 陈立定﹒电气控制与可编程序控制器的原理及应用﹒北京：机械工业出版社，2004
[5] 张进秋﹒可编程控制器原理及应用实例［Ｍ］.北京：机械工业出版社，2004
[6] 吴晓君﹒电气控制与可编程控制器应用［Ｍ］.北京：中国建材工业出版社，2004
[7] 吴亦锋﹒可编程序控制器原理与应用速成［Ｍ］.福州：福建科学技术出版社，2004
[8] 李树雄﹒可编程序控制器原理及应用教程［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，2003
[9] 殷洪义﹒可编程序控制器选择设计与维护［Ｍ］.北京：机械工业出版社，2004
[10] 齐蓉﹒最新可编程控制器教程［Ｍ］.西安：西北工业大学出版社，2000
[11]高钦和﹒可编程控制器应用技术与设计实例［Ｍ］.北京：人民邮电出版社，2004
[12]廖常初﹒以转换为中心的PLC顺序控制［Ｍ］.电气时代，2004
[13]刘东汉﹒用PLC应注意的问题［Ｍ］.电气时代，2004
[14]罗雪莲﹒交流双速电梯PLC控制［Ｍ］.机电一体化，2001
[15]席晓慧﹒PLC自动控制系统调试研究［Ｍ］.机电一体化，2003