毕业设计151上海师范大学三菱FX2N PLC在电梯控制中的应用

上海师范大学机电学院毕业论文

三菱FX2N PLC在电梯控制中的应用

摘 要

本文主要介绍可编程控制器（PLC）在电梯电气控制系统中的应用，通过对系统硬件设计方法和程序设计思路的介绍，给出了5层电梯逻辑控制部分的方法。主要涉及5层电梯的PLC控制系统的总体设计方案、组成及模块化程序设计。

关键词：PLC；电梯；逻辑控制；程序设计

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三菱FX2N PLC在电梯控制中的应用

The Application of Mitsubishi FX2N PLC in Elevator

Control

Abstract

The implement of PLC (Programmable Logic Controller) in elevator electric control system is presented in this paper. The method of logic control part of five-floor elevator is also described by providing system hardware design and program design clues. This paper include of main design method, composition, program design in this elevator control system.

Key words: PLC; elevator; logic control; program design

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三菱FX2N PLC在电梯控制中的应用

随着人口的增加，科学技术日新月异地发展，人们物质文化生活水平的逐步提高，建筑业得以迅速发展，大批的高楼大厦拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭店、办公楼、住宅楼鳞次栉比。伴随建筑业的发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯工业也在日新月异地发展着。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汽车一样，成为重要的运输设备之一。

一、电梯的概述

（一）电梯的发展简史

据国外有关资料介绍，公元前2800年在古代埃及，为了建筑当时的金字塔，曾使用过由人力驱动的升降机械。公元1765年瓦特发明了蒸汽机后，1858年美国研制出以蒸汽为动力，并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。并随着水压梯的发展，淘汰了蒸汽梯。后来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。

但是，电梯得以兴盛发展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，并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，特别是交流双速电动机的出现，显著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年代美国纽约市的102层摩天大楼建成，美国奥的斯电梯公司为这座大楼制造和安装了74台速度为6.0m/s的电梯。从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异地发展着。目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘坐舒适。随着电子工业的发展，可编程序控制器（PLC）和电子计算机成功地应用到电梯的电气控制系统中去后，电梯产品的质量和运行效果显著提高。

（二）电梯的运行工作情况

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一部电梯主要由轿厢、配重、曳引机、控制柜／箱、导轨等主要部件组成。电梯在做垂直运行的过程中，有起点站也有终点站。对于三层以上建筑物内的电梯，起点站和终点站之间还设有停靠站。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。一般电梯在起点站和终点站上各设置一个按钮，中间层站的召唤箱上各设置两个按钮。而电梯的轿厢内都设置有（杂物电梯除外）操纵箱，操纵箱上设置有手柄开关或与层站对应的按钮，供司机或乘用人员控制电梯上下运行。召唤箱上的按钮称外召唤按钮，操纵箱上的按钮称指令按钮。

电梯的运行工作情况和汽车有共同之处，但是汽车的起动、加速、停靠等全靠司机控制操作，而且在运行过程中可能遇到的情况比较复杂，因此汽车司机必须经过严格的培训和考核。而电梯的自动化程度比较高，一般电梯的司机或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。对于自动化程度高的电梯，司机或乘用人员一次还可下达一个以上的指令信号，电梯便能依次起动和停靠，依次完成全部指令任务。

尽管电梯和汽车在运算工作过程中有许多不同的地方，但仍有许多共同之处，其中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，司机或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，假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。

本课题主要研究单台五层电梯的PLC控制方法，分述其硬件设计和软件设计过程。设计程序要求完成电梯控制系统主要达到以下要求：

1) PLC电梯控制系统应具备：有司机、无司机、消防三种工作模式。 2) 系统应具备自动响应层楼召唤信号（含上召唤和下召唤）。

3) 具有轿厢层楼显示（二进制方式或十进制方式）。能自动显示电梯运行方向。 4) 具有电梯直驶功能和反向最远停站功能。具有消防应急处理功能。 5) 电梯开门时间设为3秒，电梯关门时间也设定为3秒。 6) 具有应急手动开门、关门按钮。

在单台电梯控制系统的基础上进一步探讨用一台PLC控制多台电梯协调运行的实施方案。

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（三）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. 电梯的电力拖动部分

电梯主拖动类型有直流电动机拖动、交流电动机拖动、直流G－M（即发电机－电动机组供电）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。因直流电梯的拖动电动机有电刷和换相器，维护量较大，可靠性低，现已被交流调速电梯所取代。为了得到较好的舒适感，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. 电梯的电气控制部分

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。具体地说电梯的控制主要是指对电动机的起动、停止、运行方向、层楼指示、层站召唤、轿厢内指令等进行处理。其操纵是实行各个控制环节的方式和手段。

电梯电气控制系统与电力拖动系统比较，变化范围比较大。当一台电梯的类别、额定载重量和额定运行速度确定后，电力拖动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。继电器控制系统的电梯故障率高，大大降低了电梯的运行可靠性和安全性，所以基本上已经被淘汰。而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。

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行过程，将PLC用于控制电梯各种操作和处理相关信息也是可行的。

三、PLC控制单台电梯的分析

电梯控制系统主要有三种控制方式：继电器控制、PLC控制、微机控制，其中继电器控制系统故障率高，微机控制系统抗干扰能力弱，而PLC作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，成为目前电梯系统中使用最多的控制方式，从而使电梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和技术改造的热点之一。本课题采用三菱FX2N PLC对单台五层电梯进行逻辑控制。

1. 电梯模型结构

1) 电梯模型的主体结构与控制柜

图3-1为五层电梯的简化模型和控制柜示意图。电梯主体包括升降电机、轿厢、滑轮、钢丝绳、行程开关等。升降电机为交流可逆电动机，轿厢套在钢丝绳上，电机带动钢丝绳正转或反转时，轿厢对应上升或下降。每层楼均安装行程开关，利用机械碰撞，给出各楼层的层信号。 电动机 减速器 TCP/IP RS232 5 行程 开关 轿厢4 电梯控制柜 继电器/接触器 FX2N –48MR PLC 3 RS422 配重2 开关 电源 LED 显示 电路 1 电梯控制柜 图3-1五层电梯的简化模型和控制柜示意图

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电梯控制柜是电梯电气控制系统完成各种主要任务，实现各种性能的中心。主要包括FX2N-48MR PLC、继电器/接触器、显示部分、开关电源。LED显示部分主要包括轿厢运行方向显示、楼层显示。

2) 电梯层门

电梯层门是为了确保安全，而在各层楼的停靠站，通向井道的入口处，设置供司机、乘用人员和货物等出入的门。

图3-2为电梯层门示意图。电梯层门旁装有消防按钮、上召唤按钮和下召唤按钮（最底层只有上召唤按钮、最高层只有下召唤按钮）,并有召唤登记指示灯。层门上方装有LED数码管，以显示轿厢所在层楼位置，另外还有轿厢上行和下行指示灯。

图3-2 电梯层门示意图

3) 轿厢内控制屏

轿厢内控制屏示意图如图3-3所示。其中包括上行、下行显示及LED层楼位置的显示。另外还有1楼－5楼的指令按钮及登记显示和有司机／无司机的选择按钮。在有司机工作状态下还有指令专用开关，即只响应指令信号，不响应召唤信号。此外，还有消防按钮，当发生火灾时，立即清除所有指令信号和召唤信号，电梯直达底楼后开门。需要说明的是，本实验装置在无司机状态下，利用定时器控制开门、关门和上下客时间；有司机状态下，则直接由司机控制开门、关门和上下客时间。

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3 2 1 AJ 5 4 YSJ 图3-3 轿厢内控制屏示意图

（二）PLC单台电梯控制系统功能介绍

1. PLC电梯控制系统三种工作方式介绍

电梯主要有三种工作方式——有司机方式、无司机方式、消防方式。 1) 有司机方式是指由专职司机操纵电梯运行。具有以下特点： ① 电梯上行／下行启动由司机决定 ② 电梯开门、关门时间由司机控制

③ 电梯是否直驶（不再响应外召唤）由司机决定

2) 无司机方式是指由乘客自己操纵电梯，这种电梯具有集选控制功能。具有以下特点： ① 电梯开门／关门／上、下客时间均由定时器定时 ② 只要电梯门关闭后自动定向

3) 消防方式是指大楼发生火灾时，电梯运行控制的一种特殊工作方式。具有以下特点： ① 正在运行的电梯控制系统一旦收到消防信号：

a) 处于上行时立即返回底楼停站开门 b) 处于下行时立即直驶底楼停站开门

c) 处于底楼以外停站开门的电梯立即关门返回底楼停站开门

② 电梯返回底楼并在底楼开门后，电梯处于消防工作状态。此时，电梯不再响应外召

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唤信号，电梯的关门起动运行和准备前往层站由消防员控制操作。当电梯就近到达某层站后，立即清除其它所有指令信号登记，是否继续上行依火势大小决定。

2. PLC单台电梯控制系统的工作流程

图3-4为PLC单台电梯控制系统工作流程图，从图中可知控制一台电梯正常工作，主要需要如下信号：控制信号、层楼信号、指令信号、召唤信号和消防信号。这些信号分别来自轿厢控制面板、井道行程开关、层面控制铵钮和层面火警开关。来自井道行程开关的层楼信号进行层楼定位并参与自动定向，同时显示所在层楼位置。来自轿厢控制面板的指令信号和来自层面控制按钮的召唤信号分别进行指令登记和召唤登记，同时进行信号登记显示。这两种信号也参与自动定向，和层楼信号一同对电梯进行运行控制，包括开／关门、上／下行和停站。当来自层面的火警开关发出消防控制信号时，立即消除指令登记和召唤登记，直接控制电梯下行至底楼并开门。此外，当有来自轿厢控制面板发出控制信号，如：有司机直驶状态，则略过召唤信号，直接响应指令信号。运行控制电梯的同时进行运行显示和驱动电动机正转或反转，即电梯上行或下行。

显 层楼定位 控制信号 层楼信号 指令信号 置位 指令登记 召唤信号 置位 消防控制 召唤登记 来自轿厢 控制面板 来自井道 行程开关 来自轿厢 控制面板 来自层面 控制按钮 来自层面 火警开关

清除 显 示 自动定向 显 示 示 清除 运行控制（开/关门、上/下行、停站） 运行显示 电动机驱动控制

图3-4 PLC单台电梯控制系统工作流程图

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（三）PLC控制单台电梯方案

PLC电梯控制系统的控制核心是PLC。哪些信号需要输入PLC，PLC需要输出哪些信号，以及采用何种编程方式都需要仔细推敲。输入输出点的确定是设计整个控制系统的首要问题，决定系统的程序及硬件线路的方案。

1. PLC I/O地址分配

根据电梯操作的工艺过程及对控制系统的要求，首先归纳本系统中所有输入信号和输出信号；然后根据PLC的输入点和输出点进行I/O地址分配，使每个输入信号对应PLC内部的输入继电器，每个输出信号对应PLC内部的输出继电器。

1) PLC输入信号的确定

先考察电梯轿厢内的操作。操作面板上应有各层的选层指令按钮，5层共有5个。有司机时，应有司机直驶专用开关和上行、下行按钮，需3点输入。

各楼层乘客召唤时，除底层和顶层只有一个召唤按钮，其它各层均设上下两个召唤按钮，5层共需8个输入按钮。

5层电梯需5个行程开关来控制是否到了某一层，因此需5点输入。 其它输入有消防、有司机/无司机方式选择等开关或触点。 经以上分析，可知共需23点开关量输入端口。

表3-1 输入地址分配表

输入信号名称 AYS AYX JSJ 1YC 2YC 3YC 4YC 5YC A1J A2J A3J A4J A5J AJ ZXF A1S PLC输入地址 X000 X001 X002 X003 X004 X005 X006 X007 X010 X011 X012 X013 X014 X015 X016 X017 13

含义 向上行驶按钮 向下行驶按钮 有/无司机选择开关 一楼行程开关 二楼行程开关 三楼行程开关 四楼行程开关 五楼行程开关 一楼指令按钮 二楼指令按钮 三楼指令按钮 四楼指令按钮 五楼指令按钮 指令专用开关（直驶） 置消防开关 一楼上召唤按钮

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行。

上行和下行同时有互锁常闭Y003和常闭Y004。在有司机工作状态下，如果电梯有运行信号Y007，则不再接收上行或下行信号。M0是一个特殊中间继电器，要求在无司机、门未关闭、既非上行也非下行条件下，指令优于召唤参加定向，这是为了在既有召唤信号也有指令信号的情况下，优先满足轿厢内的乘客需要。 Y023 Y024 Y015 M0 M32 M33 M34 Y004 X016 Y003 X002 X000 Y007 M13 M13 Y024 Y023 Y015 M13 Y002 X002 Y003 Y004 M0 M32 M31 M30 Y003 X002 X001 Y007 M13 Y004 X016 M0 图3-9 自动定向功能（部分）梯形图

4. 停站控制功能

图3-10为停站及1秒停站脉冲形成功能（部分）梯形图。从图中可知，停站信号形成有几种情况：

1) 非消防及非有司机直驶时一楼到； 2) 非消防及非有司机直驶时五楼到；

3) 非消防时指令信号或召唤信号所指的层楼到； 4) 非上行也非下行时，即未定向时；

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5) 消防时下行到达底楼开过门； 6) 运行中且没有到达任何一层面；

Y005 Y006 Y014 X003 X007 M35 Y003 X003 M14 M15 M15 T3 M14 T3 K10 M19 Y004 X004 M19 M35 X005 M15 X006 X007 M14 Y021 Y022 M16 X004 X016 X003 M13 M15 M1 图3-10 停站及1秒停站脉冲形成功能（部分）梯形图

非消防时，当上行继电器Y005和二楼上召唤按钮Y021或下行继电器Y006和二楼下召唤按钮Y022或二楼指令登记显示有任意一组同时满足时，且轿厢到达二楼时，二楼行程开关常开X004变常闭，1秒停站停冲脉冲形成后，停站信号线圈M1得电。消防时，电梯下行到底楼开过门后，常开M13变常闭，一楼行程开关常开X003变常闭，1秒停站脉冲形成后，停站信号线圈M1得电。同时如果一楼到X003变常闭，五楼到X007变常闭，未定向时，停站信号线圈M1也得电。

1秒停站脉冲形成过程是这样的：如果轿厢既不在一楼、二楼、三楼、四楼、五楼时，线圈M14得电，常开M14变常闭，线圈M15得电，常开M15自保，启动定时器T3，定时1秒钟后，线圈M19得电，常闭M19变常开，M15失电。这样做的目的是，如果在停站信号中直接使用不延时1秒钟的常开M15，一旦电梯到达某一层面时，线圈M14失电，线圈

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M15失电，停站线路中仍为常开M15，与前面的任何层面的行程开关变常闭有所矛盾，这样线圈M1无法得电，电梯也就无法停站。因此，采用延时1秒钟的办法，让任何层面的行程开关先得电，M19也得电，延时1秒钟后再断开，让线圈M1能够得电，这样电梯就能顺利的停站。

5. 厅外开门功能

所谓厅外开门是指在无司机状态下，轿厢既非上行也非下行（未定向）且停在某层时，如果这层恰好有召唤登记信号，则自动开门。

X020 X021 X004 Y003 Y004 M20 X002 M2 图3-11 二楼厅外开门功能梯形图

图3-11为二楼厅外开门功能梯形图。在非上行显示常闭Y003、非下行显示常闭Y004、无司机常闭X002、无上／下客常闭M20都得电时，二楼有向上或向下召唤登记，则电梯定向到达二楼，二楼行程开关常开X004得电变常闭，厅外开门M2线圈得电，实现厅外开门。

6. 开门时间、上／下客时间、关门时间、门关闭控制功能

电梯到站后，首先开门3秒，然后上／下客4秒，最后关门3秒。时间均为定时器控制。 1) 开门时间控制功能

M1 M2 Y000 T1 X016 X003 T1 K30

M13 M20 M20 Y000 图3-12 开门时间控制功能梯形图

图3-12为开门时间控制功能梯形图。在无司机状态下，由定时器控制开门时间。从图中可知，满足开门条件有以下几种情况：

① 非消防时有停站开门信号；

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② 非消防时有厅外开门信号； ③ 消防时到达底楼；

在非消防状态时，PLC一旦发出停站开门信号或厅外开门信号，即常开M1变常闭或常开M2变常闭，开门信号线圈Y000得电，常开Y000自保，同时启动定时器T1，定时时间为3秒，3秒后线圈M20得电，常闭M20变常开，定时器复位，取消开门信号。

在消防状态时，电梯下行至底楼开门，一楼行程开关X003得电，常开M13得电，PLC发出开门信号。

2) 上／下客时间控制功能

图3-13为上／下客时间控制功能梯形图。在无司机状态下，由定时器控制上／下客时间。

X002 T2 Y000 Y001 Y002 T2 K40 M18 图3-13 上／下客时间控制功能梯形图

在无司机状态下，X002常闭；无开门显示，Y000常闭；非关门显示，Y001常闭；门未关闭：Y002常闭；定时器线圈T2得电，定时时间为4秒，4秒后，M18线圈得电，上／下客时间结束，启动关门信号。

3) 关门时间控制功能

X002 Y003 Y004 M5 X016 Y001 T0 M17 M13 T0 K30 M13 X000 X001 M18 X002 M13 Y000 Y002 M17 Y001 Y000 M5 图3-14 关门时间控制功能梯形图

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图3-14为关门时间控制功能梯形图。从图中可知，满足关门条件有以下几种情况： ① 无司机状态下，消防未到过底楼开过门，上／下客4秒钟后； ② 有司机状态下，在上行／下行显示情况下，按下上行／下行驶按钮，； ③ 消防到过底楼开过门后，响应指令登记信号，由消防人员控制电梯上行； 关门条件线圈M5得电后，关门显示线圈Y001得电，开门Y000和门关闭Y002互锁，同时定时器线圈T0得电，定时3秒后，线圈M17得电，常闭M17变常开，关门显示线圈Y001失电，定时器复位。消防且未到过底楼开过门的情况下，也要进行关门。

4) 门关闭控制功能

关门3秒后，电梯门关闭。图3-15为门关闭控制功能梯形图。关门3秒后M17得电变常闭，且无开门信号，关闭线圈Y002得电，常开Y002自保。

M17 Y002 Y000 Y002 图3-15 门关闭控制功能梯形图

7. 有司机直驶控制功能

图3-16为有司机直驶控制功能梯形图。有司机状态下，常开X002变常闭；指令状态下，常开X015变常闭，有司机直驶线圈M16得电，即只响应指令召唤。

图3-16 有司机直驶控制功能梯形图

8. 轿厢定位功能

轿厢由行程开关给出所在层楼位置信号。

X004 M31 X003 X005 M31 X002 X015 M16 图3-17 轿厢定位在二楼功能梯形图

图3-17为轿厢定位在二楼功能梯形图。当二楼行程开关X004得电，轿厢在二楼线圈M31得电，常开M31自保。轿厢在一楼、三楼行程开关X003、X005互锁。

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