毕业设计 - 基于PLC的三层电梯控制系统设计

毕 业 设 计

题 目：作 者：系 ：专 业：班 级： 基于PLC的三层电梯控制系统设计 学 号： 自动控制系 电气自动化技术 10 电气技术301

2013 年 6 月

目录

第一章 引言 ........................................................ 1 1.1 电梯发展的历史 ................................................ 1 1.2 电梯的结构 .................................................... 1 第二章 PLC可编程控制器 ............................................. 3 2.1 可编程控制器简介 .............................................. 3 2.2 PLC的结构及各部分的作用 ....................................... 3 2.3 PLC的结构组成 ................................................. 4 2.4 PLC的工作原理 ................................................. 5 2.5 PLC的编程语言 ................................................. 5 2.5.1 梯形图编程语言 ............................................... 6 2.5.2 语句表编程语言 ............................................... 6 2.6 PLC基本指令 ................................................... 6 2.7 梯形图规则 .................................................... 7 第三章 三层电梯PLC控制系统设计 .................................... 8 3.1 电梯的控制要求 ................................................ 8 3.2 输入输出点数分配 .............................................. 9 3.3 PLC外围接线图 ............................................... 10 3.4 功能指令表述 ................................................. 10 3.5 程序设计与分析 ............................................... 12 3.6 本系统的不足及改进 ........................................... 17 第四章 系统软件仿真调试 ........................................... 18 4.1 系统软件的编译 ............................................... 18 4.2 程序的调试运行 ............................................... 19 第五章 结束语 ..................................................... 22 致谢 .............................................................. 23 参考文献 .......................................................... 24

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第一章 引言

随着城市进步而不断发展，城市快速的崛起，高层建筑不断增多，电梯成为高层建筑中垂直运行的工具已与人们的日常生活息息相关的一部分。它是采用电力拖动，把载有物品与乘客的轿厢，在刚性导轨之间垂直的运行，运送乘客与货物的升降设备。所以，电梯是作为高层运输的服务的设施。电梯具有安全可靠性高、运送速度快，操作简易的优点。而传统的电梯控制方式主要采用继电器的接触器进行控制，其缺点有触点多，故障高、可靠差、维修工作大等，但是采用 PLC控制电梯可以很好地解决哪些问题，使电梯运转更加安全、方便、舒适。

眼下电梯的控制方式一般采用这两种方式，一是运用微机当作信号控制系统单元，完成电梯的信号的采集工作、运转状态和性能的设定，完成它的自动调度和选择运行功能，电梯拖动控制是由变频器去完成；第二种方式则是用可编程控制器代替微机来实现控制。从控制方式与性能上比较，这两种方式并没有过大的区别。PLC可靠性强，设计程序也比较方便简单。

1.1 电梯发展的历史

根据外国相关资料表示，在公元前 2800年，古代的埃及，当时为了造那时的金字塔，使用过是由人力来驱动升降装置的机械。公元1765年，瓦特发明了出来蒸气机后，1858年美国的研究以蒸气作动力，并且通过履带传动和一些减速的配置来驱动电梯，1878年阿姆斯特，创造了水压梯，后来水压梯的进一步发展逐渐取代蒸气梯，接下来又出现了由液压泵以及直接柱塞式和侧柱塞式结构的液压梯，这种至今仍被人们采用。因为18世纪后期发明了电机，尤其是交流双速电动机的发明，明显改善了电梯的一些不足。在20世纪前期，美国OTIS电梯公司第一个用直流电动机当为动力，创造以槽轮式驱动的电梯。在此之后，电梯这种产品，随着时间发展一直在跟新换代。现在的电梯，不仅规格多，自动化水平高，并且安全性能高，乘坐舒适性也高。

1.2 电梯的结构

电梯是一个具有特种容载装置轿厢沿着恒定不变的铅垂导轨，在不同水平面间歇运动的用电力驱动的起重机械，它适宜于装置在二层以上的高层建筑物内，专供上下运送人员或货物之用。电梯的结构及其装备可分为机械、电气两大部分，现将组成电梯的主要部件按其安装部位的不同分别介绍，并说明其作用如下：

一、机房部分： 1、曳引机：

电梯的起重机构，安装在专用承重钢梁上，其主要有下列部件组成： a.驱动电动机―采用变压变频（VVVF）驱动方式，对电机进行控制，电梯

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起动时，逆变部分使定子频率从零赫兹，按要求上升到额定频率，使转速相应从零速平滑地上升到额定值，电梯停站前电源频率从额定频率按要求下降，使转速平滑地下降为零速，实现电梯停层，保证了电梯具有良好的舒适感。

b.制动器―闭式型电磁制动器，只有在制动器通电时松闸，或当电梯停驶时即时制动。并保持轿厢位置不变，即制动器通电松闸，关电制动，充分保证工作的可靠性。

c.减速器―采用蜗轮蜗杆减速器或永磁同步驱动技术，蜗轮蜗杆减速器具有承载能力大，驱动平稳等特点，永磁同步驱动具有高效率及低噪音特点。

d.防振装置―采用橡胶防振装置安装于曳引机与承重大梁之间，以消除或减小曳引机的振动，提高电梯运行时的舒适感。

2、限速器：

由限速器的制动装置和涨紧装置组成，它通过安全绳索与轿厢连接，把轿厢的运动传递给限速器随轿厢速度相应转动，当轿厢的运动速度超过允许的安全速度时，限速器即起作用，其过程分为：

a.首先通过超速限位开关，切断控制电路；

b.如果电梯继续超速，则限速器动作带动安全钳或夹绳器动作。 3、控制屏：

控制屏是电梯电气控制的中心，采用先进的微电子及电力电子元件，用现代的微机技术及变压变频技术对电梯进行电气控制。在操纵装置的配合下，使电梯正确地实现起动和停止、上行或下行、快速和慢速，以及达到设定的自动功能和安全性能。当按下厅外召唤或轿内指令按钮时，控制系统按原先编制设定的程序，通过输入输出接口电路将信号输入微处理器，根据电梯当时的状态确定电梯的运行，屏内装有自动/检修转换开关，以及上行/下行按钮，可对电梯实行机房控制。

4、主开关：

每台电梯单独装设一只能切断该电梯所供电电路（下列供电电路除外）的主动力开关，该开关不应切断下列供电电路。 a.轿厢照明、通风； b.轿顶电源插座； c.机房照明、电源插座； d.电梯井道照明；

e.报警装置，该开关装于机房门内。

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第二章 PLC可编程控制器

2.1 可编程控制器简介

可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller），为了用来代替继电器，来执行判断、计数、等顺序功能控制。PLC的基本设计思想是反映计算机功能灵活、完善、通用等优点和继电器控制系统的操作方便、简单易懂、价格便宜等优点统一的结合起来，控制器的那些硬件是通用的、标准的。依据实际对象，将控制内容写成软件输入到控制器的程序存储器中。被控对象与控制器连接方便。

随着技术的发展，特别是微型计算机和微处理器的发展，到70年代以后，PLC已普遍地使用微处理器当作中央处理器。的输入输出模块和外接电路全部都运用了大、中规模乃至于超大规模的集成电路，现在的PLC已经不再是只具有判断功能，它还同时有PID调节、数据处理、和数据通信等功能。

可编程控制它是一种用数字运算来操作的电子系统，专门为在工业条件下应用而去设计，它克服了继电器接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。

2.2 PLC的结构及各部分的作用

可以编程控制器的结构各式各样，但是它们所组成的原理一般基本相同，全部是用微处理器作核心结构。一般是由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM、 RAM）、输出输出单元（I/O）、编程器和电源等几个部分所组成。

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按钮

CPU输入单元输出单元接触器电磁阀继电器触点

行程开关

存储器电源部分指示灯编程器或其他设备 图2.2 PLC的结构图

2.3 PLC的结构组成

1.中央处理单元（CPU）

CPU作为整个PLC的核心，充当总指挥作用。CPU由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU的功能有以下一些：从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。

2.存储器（ROM、RAM）

存储器一般用于存放系统的程序、用户的程序及工作的数据。存放系统软件的存储器叫做系统程序存储器；存放应用软件的存储器叫做用户程序存储器；存放工作数据的存储器叫做数据存储器。常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。掉电时，可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM都是只读存储器。用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。

3.输入输出单元（I/O单元）

I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器

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4.电源

电源是指为CPU、I/O存储器接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也是输入设备提供直流电源。

5.编程器

编程器是PLC的最主要外围设备。用编辑器把用户程序写入PLC的存储器，还可以有用编辑器检查程序，修改程序，监视PLC运行状态。除此，在个人计算机上添加相应的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。

2.4 PLC的工作原理

PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回到第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

PLC的一个周期必经过输入取样、程序执行和输出刷新三个阶段。 PLC在输入取样阶段：

首先一扫描方式按顺序将所有暂存在输入寄存器中的输入端子的通断状态或者输入数据读入，并将其写入各个对应的输入状态寄存器中，就是刷新输入，随即关闭输入端口，进行程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：

按先左后右，先上后下的步序，执行 程序指令。其过程如下：从输入状态寄存器和其它元件 状态寄存器中读出有关元件的通 / 断状态，并根据用户程 序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的状态寄存器中。

PLC在输出刷新阶段：

在所有指令执行完毕后，将各物理继电器对应的输出状态寄存器的通 / 断状态，在输出刷新阶段转存到输出寄存器，去 控制各物理继电器的通 / 断，这才是 PLC 的实际输出。 由 PLC 的工作过程可见， 在 PLC 的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会立即改变，要 等到下一个周期输入处理阶段才能改变。暂存在输出状态寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束， CPU 集中将 这些输出信号全部输出给输出锁存器，这才成为实际的 CPU 输出。因此全部输入、输出状态的改变就需要一个扫描周 期，换言之，输入、输出的状态保持一个扫描周期。

2.5 PLC的编程语言

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2.5.1 梯形图编程语言

PLC的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制设计的。PLC的编程语言包括五种：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块图语言、顺序动能流程图语言（SFC）及结构化文本语言（ST）。指令语句表示一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，但比汇编语言易懂易学。一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。

编程指令：指令是PLC被告诉要做去什么，而且以及怎么去做那些代码及符号。从原理上讲，指令就是一些二进制编码与代码，这点PLC与哪些普通计算机都是完全一致的。当然PLC也有自己的编译系统，比如说：它能把文字符号和图形符号转换编译成能识别的机器码，因此用户最后看到的PLC的那些指令就不是机器码反而是文字代码；或者是图形符号。所以常用的那些助记符号语句用英文（可多国文字）缩写及数字代表各相应指令。一般的图形符号就是梯形图，它因为和电气原理图符号比较相似，所以大部分电气工作人员接受。

指令系统：一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。我们在编程之前必须弄清PLC的指令系统。

程序：PLC指令的有顺序的集合，PLC运行它，可进行对应的工作，当然，这里的程序表示PLC用户程序。一般用户程序由用户设计。用语句去表达程序不直观，可读性差，尤其是那种较难理解的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。

2.5.2 语句表编程语言

指令语句表示一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，但比汇编语言易懂易学。一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。

2.6 PLC基本指令

20 个基本指令： L D：取指令（常开触点） LDI：取反指令（常闭触点） AND：串指令（常开触点） ANI：串反指令（常闭触点） O R：并指令（常开触点） ORI：并反指令（常闭触点） ORB：并反指令 ORB：并块指令

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ANB：串块指令 MPS：金栈指令 MRD：读栈指令 MPP：出栈指令 PLS：上跳沿微分指令 PLF：下跳沿微分指令 M C：主控指令 MCR：主控复位指令 NOP：空指令 OUT：输出指令 END：结束指令

2.7 梯形图规则

1.触点的安排

触点应该画在同一水平线上，不能画在垂直分支上。 2.串、并联的处理

在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图最上面。有几个并联图回路一起串联时，就将触点最多的那条并联回路去放在图的最左面。

3.线圈的安排

不能够将触点放在线圈的右边，只可以在触点右边的接线圈上。 4.不准双线圈输出状态

如果同一程序中有同一元件线圈运用两次或多次，就称为双线圈输出。这前面的线圈输出无效，那是就最后一次有效，因此不应出现这种双线圈输出情况。

5.重新编排电路

当电路结构复杂，就可重复用一些触点表示出它等效电路，接下来进行编程相对就比较容易。

6.编程顺序

对复杂的那些程序应该先将程序切分成若干个较易的程序段，而且每一段都从最左边的触点开始，也由上之下的向右依次进行编程，最后把那些程序仔逐段连接到起来。

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第三章 三层电梯PLC控制系统设计

3.1 电梯的控制要求

对于电梯自动控制系统的要求有如下几点：

电梯运行到位后具有手动或者自动开门和自动关门的功能。

1) 手动开门时，当电梯运行到位，手动开门按钮X0 闭合时，Y0 得电 有效，电梯门被打开；开门到位时候，开门行程开关动作，X2常闭触点断开，开门过程结束；自动开门时候，当电梯运行到位后，相应的楼层的接近开关(X11、X12或者X13)闭合，定时器T0 开始计时，计数到3S，T0触点闭合，Y0输出有效，打开电梯门。手动关门时，按下关门按钮X1，Y1有效并自锁，驱动关门继电器工作，关闭电梯门。自动关门时，当电梯运行到位，定时器T1定时5S，T1触点闭合，Y1输出有效，实现自动关门。当自动关门的时候，为了防止乘客夹住，在门两侧安装红外线检测装置(X6和X7 )，有人进出时，X6和X7闭合，T2开始定时，2s后才关门。

2）利用指示灯显示轿厢外召唤信号、厢内指令信号和电梯到达信号 该电梯采用轿厢外呼叫，轿厢内按钮控制方式的自动控制形式。由安装在轿厢内的指令按钮进行操控，其操作内容为响应，轿厢内依层次指令进行起动电梯，使电梯到达目标层。轿厢外指令即叫做呼叫作用。

电梯上、下由一台电动机驱动：电动机正转，驱动电梯上升；电动机反转，驱动电梯下降。电梯轿厢门由另外一个小电机驱动，该电机正转，轿厢门开；电机反转，轿厢门关。每层楼设有呼叫按钮SB6——SB9，轿厢内开门按钮SB1，关门按钮SB2，轿厢内层指令按钮SB3——SB5。

3）能自动辨别电梯运行方向，并发出响应的指示信号

电梯运行方向是由输出继电器Y20和Y21指示的，当电梯运行方向确定后，在关门信号和门锁信号符合要求的情况下，电梯开始启动运行。电梯起动后快速运行，2s后加速，在接近目标楼层时，相应的的接近开关动作，电梯开始转为慢速运行，直到电梯到达目标楼层为止。

当有乘客在轿厢外某层按下呼叫按钮（X17、X20、X21、X22）中的任何一个时，相应的指示灯亮，说明有人呼叫。呼叫信号一直保持到电梯到达该层，相应的接近开关动作才被撤销。

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层呼叫指示梯形图程序

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图3.5 该系统PLC程序图

电梯启动和方向选择梯形图程序。

3.6 本系统的不足及改进

本系统使用三菱 FX1N-40MR PLC实现三层电梯的控制,在实际运用中，由于电梯使用的楼层比较高，为了在运行过程中节省时间，可采用变频调速。例：用楼层限位开关进行感应，启动时，若电梯离起点距离为一层以下时，进行低速运转；若电梯离起点为一层以上时，转为高速。停止时，若电梯当前位置离目的地有两层以上距离时，用高速进行运行；若电梯当前位置离目的地在两层以下距离时，用低速运行；

本设计的三层电梯为相应单一呼叫的电梯，即在一个动作没有完成前不响应其他呼叫，在现实生活中，通常可以相应多个呼叫，这就需要用到另外两条条功能指令SFWR、SFRD。用SFWR来依次存储呼叫信号，用SFRD来依次读取呼叫信号。以达到按呼叫顺序来控制电梯运动的效果。

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第四章 系统软件仿真调试

4.1 系统软件的编译

在系统调试中软件调试非常重要，系统软件调试时要一步的去调试，这样才能使进程有条不紊的进行下去，而不至于出现混乱。

首先，打开GX Developer软件，新建，选择FX2N系列PLC，后进行其他工程项目的设定。

图4.1.1 PLC程序软件界面

完成上面两步后，开始填写软元件的注释，分别是按钮（x）和接触器（y），另传感器用X代替。

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图4.1.2 PLC程序软件内部分配表

4.2 程序的调试运行

当做完上面的步骤后，开始进行仿真软件的调试。依次打开：测试-梯形图逻辑测试启动。

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图4.2 向二层运行时仿真状态图

仿真现象与预期的一样，说明次程序成立，仿真成功。

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第五章 结束语

在设计本系统之初，我的三菱PLC编程语言知识几乎为空白，特别是编程，除了在上课时学到的一些松下PLC基本指令外，我对三菱PLC基本指令、功能指令及应用几乎没有什么接触。在老师和同学的帮助下，我首先用了将近一个月的时间对三菱PLC的知识进行了强化补习，然后再根据所学的编程知识，用大约一个半月的时间完成了从最初的结构设计到最后实验室模拟及实际实现，并在这个过程中进一步熟悉了欧姆龙和西门子PLC。

在完成本设计的过程中，我既感受到了面对自己无法解决的问题时的苦恼，也体会到问题最终得以解决时的快乐。同时，也总结了以下一些经验： 1.一个详细周密的计划对于完成一项任务的重要性。实际上，我对这次作业着手较早。但由于刚开始时间较松，在学习时就想到哪学到哪，没有认真计划。到后来发现同学们的进度都已经赶上甚至超过我，这才又着急起来，赶紧找经验丰富的同学出主意，制定出详细的计划，这才按时完成了任务。

2.学习一门程序语言，实践是最好的方法。我对PLC的学习实际上分为两个阶段。前一阶段为学习语言而学习语言。在这一阶段中，我总有隔雾观花的感觉，学得似是而非。后一阶段边实践边学习，很多前一阶段不甚了了的问题得到迎刃而解。

3.要学会运用互联网工具。互联网是一个具有大量资源的信息宝库，在这次毕业设计中如果没有互联网也许我多花一倍的时间也完不成任务。所以一定要会并善于运用互联网工具。

完成这次设计后回过头来看，我的这项作业完成得并不完美。还有很多需要提高和改进的地方。

首先，是系统的功能还太单一，有一些实际工作中需要用到的功能在分析时没有考虑进去，也没能实现。

其次，是设计过程中时间分配不合理，后期紧张的时间给我的工作带来很大的被动。

三是知识积累还不够，有很多知识都是临到用了才去补，这样学到的知识毕竟不牢，而且用起来也不灵活。

总之，经过这次毕业设计，我深刻认识到要完成一项任务首先必须有一个详细周密的计划，要有系统的思维方式和方法，对待一个新的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来解决；要勇于实践，在实践中发现和解决问题，要相信自己有解决问题的能力和勇气。

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致谢

通过这次毕业设计，我基本上掌握了PLC实现一个自动控制系统的基本思路和实施步骤。在设计和论文写作的整个过程中，吕勇老师在各方面给予了很大的指导与帮助。导师的精深的知识、创新与求实、严谨勤奋的治学风范、时刻熏陶着我，两位导师的敬业精神、不辞辛劳的精神给我留下深深的印象，这将使我终生受益。

在校期间，得到网络教育学院各级领导和辅导老师的亲切关怀和无私的培养，使我在学习的过程学到了许多做人的道理。在此作者向他们道声：您们辛苦了！

另外，互联网上一些朋友也给我完成设计提出了很多宝贵的意见和无私的帮助。这对于我以后的学习和工作都有很大的帮助，在此对他们表示由衷的感谢！

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参考文献

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