基于PLC五层电梯控制系统的设计

泰 山 学 院 本科毕业论文

基于PLC五层电梯控制系统的设计

所 在 学 院 机械与工程学院______ 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化

申请学士学位所属学科 工学 _____ _

年 级 二〇一一级 (3+2)_____ 学生姓名、学号 杨国明 2011170234 指导教师姓名、职称 陈宏圣___副教授______

完 成 日 期 2013年5月30日 _ __

摘要

摘要

随着我国人口不断地增长，城市的发展正向大型化，立体化发展，因此，在有限的住房面积，高层建筑越来越多，越来越高，电梯进而成为了人们日常生活中必不可少的代步工具。随着科技不断地进步发展，电梯性能的安全对人们日常生活的影响越来越重要，因此提高电梯系统的性能不可或缺，以保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。

为了提高电梯设备的工作效率,安全和控制系统的性能，本文设计了一套以PLC为核心控制器的电梯自动控制系统，用来取代以往的旧式的较繁琐的继电器—接触器控制。因PLC控制系统由于运行可靠性高，抗干扰性强, 使用维修方便设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点。本文以三菱FX2N系列PLC为例，以五层电梯为设计对象，系统的控制部分采用日本三菱公司生产的FX2N型PLC，因为核心控制部分采用的是软件程序控制，不仅能在保证电梯正常运行的，还能克服因手动操作所带来的一些人为干扰因素，大大的提高了电梯故障检查与维修的方便性和容易性，同时取得良好的预期效果。

关键词：电梯，PLC，梯形图

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Abstract

ABSTRACT

As China's population continues to increase, the development of the city is large, the three-dimensional development, therefore, in a limited area of housing, more and more high-rise buildings, more and more high, elevator and become indispensable in the daily life of the means of transport. With the development of science and technology continue to progress, elevator performance security impact on people's daily life is becoming more and more important, therefore, to improve the performance of elevator system is indispensable, in order to ensure the operation of the lift is energy efficient and reliable security.

In order to improve the performance of elevator equipment working efficiency, safety and control system, this paper designed a set of automatic control system with PLC as the core controller of the elevator, complicated relay control contactor used to replace the old. Because the PLC control system with high reliability, strong anti-interference, convenient repair design and commissioning period shorter, has attracted much attention etc. Based on Mitsubishi FX2N series PLC as an example, with five elevators as the design object, the control part of the system adopts FX2N PLC produced by Mitsubishi Co in Japan, because the core control part of the use of the software program control, not only can guarantee the normal operation of the elevator, but also overcome by manual some human disturbance factors brought about operation, greatly improve the elevator fault inspection and repair convenience and easy, at the same time to obtain the good anticipated effect. Keywords: elevator, PLC, ladder diagram

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目录

目录

前 言............................................................... 1 1绪论 .............................................................. 3 1.1 PLC的特点及其在电梯应用的优点 .................................. 3 1.1.1 PLC的特点 .................................................... 3 1.1.2 PLC 控制电梯的优点............................................ 4 1.2课题的提出 ...................................................... 4 1.3课题的主要内容 .................................................. 5 1.4电梯的功能要求 .................................................. 5 2电梯发展以及电梯设备简介 .......................................... 7 2.1 电梯的发展...................................................... 7 2.2 电梯设备........................................................ 8 2.2.1 电梯的分类.................................................... 8 2.2.2 电梯的主要组成部分............................................ 9 2.3电梯安全保护装置 ................................................ 9 3 三菱FX2N 系列PLC介绍 ........................................... 12 3.1 可编程控制器的基本介绍......................................... 12 3.2 PLC的程序设计语言 ............................................. 14 3.3 PLC控制系统 ................................................... 15 4 PLC的选择及其软件开发 ........................................... 16 4.1 PLC的选型 ..................................................... 16 4.2 交流双速电梯的主电路.......................................... 17 4.3 系统软件设计................................................... 20 4.3.1 控制系统的工作流程.......................................... 20 4.4 系统信号的确定以及软元件的选取................................. 21

III

目录

4.5系统梯形图设计 ................................................. 26 4.5.1开门环节 ..................................................... 26 4.5.2关门环节 ..................................................... 28 4.5.3楼层显示环节 ................................................. 28 4.5.4内呼信号的登记与消除环节 ..................................... 31 4.5.5外呼信号的登记与消除环节 ..................................... 32 4.5.6定向环节 ..................................................... 35 4.5.7启动环节 ..................................................... 38 4.5.8制动环节 ..................................................... 39 4.5.9抱闸环节 ..................................................... 41 5 总结............................................................. 42 参考文献........................................................... 43 致谢............................................................... 44 附录 公式 系统梯形图............................................... 45

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前 言

随着我国的经济,科技的快速发展，人民生活水平的越来越高，生活工作居住条件越来越好。电梯作为建筑物尤其是高层建筑物内的垂直交通运输工具，与人们的生活紧密关系。以往传统型的电梯曳引电动机采用接触器来改变电动机的工作状态，其次，传统的电梯控制系统由继电器接触器控制逻辑组成，功能弱、电气元件多、工作寿命短、可靠性差和等等。而PLC技术是随着顺序逻辑控制的需要进化发展起来的，是专门为工业应用而设计的数字运算操作的电子设备。鉴于它的优点，目前，PLC 控制基本替代了继电器的电梯控制方式，与此同时，电机的交流变频的调速技术也随之快速发展，电梯调速的方式不再是直流调速而是变频交流的调速，不仅能达到需要的平稳精度，还能充分满足舒适度，亦能够减少消耗，延长寿命，节约能源，节约成本。以上表明，PLC 可编程控制加变频调速注定成为电梯业界的热点。

本课题的研究题目——“基于PLC五层电梯控制系统的设计”。 电梯PLC 控制是指电梯信号控制由 PLC 及其软件来实现，控制系统的核心是 PLC。再者课题开发的主要任务和内容：建立“PLC 控制的电梯系统”的总体框架；控制的信号系统则利用安全保护信号、内指令信号、门区信号、井道信号、 PLC 统一处理电梯运行方式、开关门和外召唤信号等等，并且显示电梯运行方向，所到达的楼层、呼梯应答等等，使得开关门控制得以实现，在系统中控制曳引机的启动、运行和停止，正反转信号、多种速度信号等等，经过 PLC判别后通过电机来实现。达到的要求是：通过深入的理论研究和编程实践，认真仔细的完成上述的几部分内容。

本课题的主要问题有两个：一是用 PLC 实现电梯信号的控制和软件的开发；二是精度、 效率和安全性的要求。对于第一个问题，根据电梯所要实现的功能和 PLC 的顺序执行程序的特点，编写 PLC 程序主要是应用模块化编程思想，也就是根据各功能实现的条件及原则编写各个功能模块来实现。对于第二个问题，通过选择合适的PLC，进行合理的设计和编程就能实现。我所选的PLC是日本三菱公司

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的 FX-2N 型号。

方案选择是通过多种方案的比对，完成电梯控制系统中控制方案的选择。

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1绪论

1.1 PLC的特点及其在电梯应用的优点 1.1.1 PLC的特点

PLC 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式，模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。同时还是自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。以专用或通用 CPU 作为字处理器，实现数据的存储和字的运算，另外还有位处理器，进行点（位）运算与控制。PLC 控制一般具有可靠性高、易操作、维修方便、编程简单等各种特点。

（1）使用方便，编程简单

PLC各种指令简单易学，编写程序在计算机容易完成并可直接输入PLC即可使用。

(2) 硬件的可靠性

PLC是在恶劣条件下应用而设计并具有很强的抗湿度、极端温度、机械振动、和电磁干扰性能。

(3) 通用性好，接线简单

PLC的接线只要将PLC输入端子和像开关按钮等的输入设备连接，将PLC输出端子和接收信号输出执行任务的执行元件连接。接线容易、工作量少，避免了传统继电器控制需要拆线和接线的一系列麻烦。

连接现场的设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的设计就使得电气技术人员易于使用。

(4) 可以连接成为控制网络系统

PLC能够连成强大功能的网络系统。网络分成两种：一种是低速网络，通信

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方式为主从方式，传输速率从几千比特到上万比特，传输距离一般为500—2500m；另一种是高速网络，是用的令牌传送的方式来进行通信，传输速率为1M—10Mbps，传输距离为500—1000m，网上结点可以有1024个。这两种网络能够级连，在网络上可以兼容多种类型的计算机和PLC，因此构成较大控制范围的局域网络。

(5) 易于安装，便于维护

随着技术不断发展，PLC体积越来越小，很容易安装，只需几根导线和机器相连。

PLC的诸多特性使它成为几乎所有控制系统的十分有用的部分。一旦被安装，它的作用就会显现，其收益也会很快的实现，和别的智能设备一样，PLC潜在的优点还决定于它在应用过程中的创造性。

1.1.2 PLC 控制电梯的优点

（1）PLC大大简化了电梯部分空间结构，线路简单易寻。

（2）在电梯的控制中用 PLC，电梯运行，用软件实现对电梯的自动控制，大大提高可靠性。

（3）PLC 能够完成各种繁杂的控制系统，方便地改变或者增加控制的功能。 （4）PLC能够自动检测故障、显示报警，便于维修保障。 （5）用来群控的管理调配 ，使电梯运行的效率得以提高。 （6）变换控制方案时没必要改动硬件接线。

另外，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没被广泛的采用。PLC控制系统由于运行可靠性高、抗干扰性强、设计和调试周期短等优点，在电梯控制系统中目前已成为使用最多的控制方式。

1.2 课题的提出

PLC以其优越的性能，在很多领域中得到了广泛的应用，在有些国家，工业部门应用最广泛，主要有：通信连网，运动控制，数据处理，闭环过程控制，开关

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量逻辑控制。但由于七八十年代安装的电梯绝大部分是继电器控制，线路复杂，节点繁多，故障率高，系统结构庞大，损耗较大，机械动作噪音大，严重地影响电梯运行质量。所以对电梯进行更新和改造必不可免。但是更新需要大量的财力，精力，这对使用单位来说有一定的困难，因此对电梯进行局部改造是实际的可行的。电梯行业因PLC的特点,在电梯广泛的应用而快速发展，最近几年来，采用功能强大、高可靠性低故障率的可编程控制器去控制电梯，取得了良好的效果。利用 PLC 和变频器对旧电梯进行改造，不仅能够减少资源的浪费，降低运行的费用，还能降低损耗，增加电梯的安全性、舒适度和可靠性等。

1.3 课题的主要内容

课题所研究的主要内容是用PLC改造现用电梯自动控制系统。因为大多数老式电梯的控制系统欠佳的可靠性，用户希望对电梯的控制系统来进行改造，以节约资金。所以，对电梯电控技术进行研究，寻求一条适合我国老式电梯的改造之路，并由此而提高国产电梯的质量和技术水平 ，这具有十分显著地意义。

由于老式电梯采用继电器控制的方式，它存在功能弱、故障多以及工作寿命短等的缺点，由此采用可靠性高、较强功能、低故障率、的PLC来控制电梯。

论文的主要内容如下：

首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的介绍和总结。接着阐述了电梯控制系统的分类和特点，电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分。确定了系统的总体结构，由 PLC 来实现电梯信号控制，由双速电机来实现调速，完成电机和可编程控制器的选择。然后是系统硬件开发，完成了 PLC 的选型、I/O 点数分配与 PLC 的连接。在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出了软件流程图，提出了模块化编程思想，介绍了系统的软件开发。

1.4 电梯的功能要求

（1）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

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反转，电梯下降。

（2）电梯启动、运行、到站实现速度的调节。

（3）每一层楼设有呼叫按钮；轿厢内设有开关轿厢门按钮。

（4）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。

（5）电梯运行到指定位置后应该具有手动或自动开/关门的功能。 （6）能够自动判断电梯的运行方向，并发出相应的指示信号。

（7）利用指示灯显示电梯轿厢外的呼唤信号、电梯轿厢内的内选信号和电梯的到达信号。

（8）行车时，厅门和轿厢都不能打开。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，夹人时自动开门等。

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2电梯发展以及电梯设备简介

2.1 电梯的发展

1854 年，美国人奥的斯在纽约的水晶宫举行的世博会上，向世界第一次展示了他的发明---历史上第一部安全升降电梯。从此，升降梯被世界广泛应用。她辉煌的旅程以奥的斯的名字命名的电梯公司也开始。至今，她已经发展成为世界领先的电梯公司。

自从改革开放后，中国调整相关，高层建筑在全国

各地拔地而起，电梯作为高楼的垂直交通工具，其需求 量不断增长。不同类型的电梯已在高楼内被投入运行。为确保电梯安全、正常使用，必须要了解电梯、熟悉电梯、管理

电梯、维护好电梯。

在19世纪的末期，拽引式电梯在美国出现，其结构如图1，可以看出，钢丝绳悬挂在拽引轮上，一端与轿厢连接，另一端连接对重，当曳引轮开始转动，依靠曳引轮槽与钢丝绳之间摩擦力使对重与轿厢作一上一下的相反运动。显然，钢丝绳不用缠绕，能更好的发挥其优势。因此，人们对电梯的使用需求很满足。所

图1拽引式电梯示意图 以到现在，曳引式电梯一直受到重视。发展至今。

在随后的几十年里，电梯的自动平层控制系统以及1—轿厢 2—曳引轮 3—对重 通过变换电动机极数的调速来调整电梯的运行速度的技术相继研制成功，1933年第一台运行速度为6m/s的电梯被安装在了美国纽约的帝国大厦中。

随着电子电力技术的快速发展，晶闸管变流装置在电梯系统也越来越多地被用于，提高了电梯的拖动性能，系统简化。电梯的变速系统显著改善。20世纪80年代，通过电动机定子供电电压的调压调频技术与控制频率电梯运行速度，交流变压变频（VVVF）调速电梯随之出现，开拓了电梯拖动的新领域。时至今日，随

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着智能化、数字化建筑的兴起，人们对电梯基本功能不再满足简单的上下运输，而是本着以人为本的各种需求，提高舒适度和安全，单一的“时间最短”问题不再是电梯的优质服务质量唯一标准，而是采用神经网络、模糊理论、专家系统等方法，来达到实现电梯与群控管理的最佳模式。合理的配置与使用远程监控与故障诊断、节约能源以及减少环境污染等等。本课题主要研究电梯的升降控制逻辑，不侧重研究主电动机的升降速度以及电梯的安全保护措施。 图2 三种常见的PLC

2.2 电梯设备 2.2.1 电梯的分类

电梯的分类有各式各样：

（1）速度分类有低速电梯1m/s以下、高速电梯 2-3m/s、超高速电梯 3-10m/s。

（2）按曳引机结构分类有齿曳引机电梯、无齿曳引机电梯。 （3）按拖动方式分类有直、交流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯。 （4）按用途分类有乘客电梯、住宅电梯、载货电梯 。

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2.2.2 电梯的主要组成部分

1.电梯的组成结构及功能

一部直流或交流电梯，由电气控制系统和机械系统两大部分组成。另外，还要有电梯专用井道、机房等，机械系统一般由轿厢、门系统、导向系统、牵引系统、对重系统及组成。各部分的功能如下：

(1) 导向系统，包括导轨架、导靴、导轨，对对重和轿厢的运行起防止摆动和导向的作用。

(2) 对重系统，包括对重和平衡补偿装置，起到平衡轿厢自重及载重量的作用。

(3) 牵引系统，包括几个牵引机组、牵引轮、导向轮、钢丝轮，产生动力并负责传送。

(4) 门系统，主要由门锁电梯门、自动开门机、层门联动机构组成。 (5) 限速装置，由安全钳和限速器构成，起到电梯轿厢的运行速度。

2.3 电梯安全保护装置

（1） 限位开关：当轿厢超过限定位置仍未停车时，限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。

（2） 急停按钮：装于轿厢司机操纵盘上，当发生异常情况时按此按钮切断电源，电磁制动器制动，电梯得以紧急停车。

（3） 电磁制动器：装于曳引机轴上，一般采用直流电磁制动器，起动时通电松闸，停层后断电制动。

（4） 超载开关：当超载时轿底下降开关动作，电梯不能运行和关门。 （5） 关门安全开关：常用的是装于轿厢门边的安全触板，如在关门过程中安全触板碰到乘客时，发出信号，延时重新开门，门电机停止关门，反向开门，此外还有红外线开关等。

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（6） 厅门开关：每个厅门都有厅门开关，电梯运行时，开关打开，当开关关闭，电梯立即停止运行。

（7） 强迫减速开关：装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站变速但是没有减速时，轿厢上撞块就触动此开关，并通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速。

（8） 行程极限保护开关：当轿厢经过端站限位开关不起作用时，该开关动作。

（9） 其它的开关：钢带轮的断带开关，安全窗开关等等。

制动器失效 轿厢超载 低速滑行 安全钳动作 缓冲器 曳引机不动行程极限开关 作轿厢在运钢丝绳断裂 超速滑行 轿厢超速下行 紧急安全开关 电磁制动器制限速器动作 将轿厢夹住在导轨上 曳引轮钢丝 绳打滑 厅、较门故障 在端站未停 电梯停止行驶 关门时碰到乘客身体 门安全开关动作反向开门 图3 电梯安全保护系统主要动作示意图

2.4电梯的控制要求

1. 接受任一个按钮，如外部和内部的呼叫命令，并做出对应的响应。

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2. 电梯停在3层时，按动3层的上或下呼叫按钮，电梯门接收打开命令，在打开开门的过程中；若此时电梯的轿厢在其余4层之间，在电梯关门后，按照不换向原则控制电梯向上或向下运行。

3. 当按动某个呼叫按钮后，响应的指示灯亮并保持，直到电梯完成该呼叫为止。

4. 电梯在每层设置上、下平层感应，其中1楼只有下平层、5楼只有上平层，当该层有呼叫信号且到达平层点时，电梯开始减速平层停车，否则继续高速通过该层。

5. 电梯运行的不换向原则是指优先响应不改变现在电梯运行方向的呼叫，直到这些命令全部响应完毕后才响应使电梯反向运行的呼叫。例如现在电梯位置在1层和2层之间上行，此时出现了3层上呼叫、5层下呼叫和4层上呼叫，则电梯首先响应3层上呼叫，然后再依次响应4层上呼叫和5层下呼叫。

6. 当电梯停在某层时，相应的指示灯亮，直到电梯运行到前方一层时楼层指示灯改变。当电梯内部按动关门按钮，电梯门则关闭。按动开门按钮，电梯门则打开。但在电梯行进期间电梯门是不能被打开的，是为了安全。

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3 三菱FX2N 系列PLC介绍

3.1 可编程控制器的基本介绍

1. 三菱FX2N PLC的主要特点： 1)高速运算

基本指令：0.08μs／指令 应用指令：1.52～几百μs／指令 2)安全、宽裕的存储器规格 ，内置8000步RAM存贮器。 3)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 4)集成型高性能。CPU、电源、输入输出三为一体

5)除了具有定位控制、模拟量控制等特殊控制之外，还有输入、输出16～256点的一般用途。

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点数包括输入、输出端子数。它可以控制多少个负载、可以接多少个按钮、开关。

(2) 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。

(3) 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。

(4) 功能扩展能力

可编程序控制器除了主模块之外，还可以扩展模块，，如A／D模块、D／A模

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块、位置控制模块等，来达到各种特殊应用的需要。

(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

通常，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、则可以分为小型、中型和大型PLC三种类型。

3. PLC系统的组成

PLC是一种自动控制的工业通用微处理器，主要由软件系统和硬件系统两部分构成。

1) PLC的硬件结构

在硬件方面PLC系统由基本单元（包括处理单元、输入和输出接口、存储器以及内部的电源等等）、I／O扩展单元和外部设备等构成。

2) PLC的软件

PLC的软件系统指PLC所采用的各种程序的集合，它是由用户程序和系统程序组成的。用户程序是用户依据控制的要求，用PLC编程语言，例如梯形图编写的应用程序。系统程序包括输入程序、监控程序和诊断程序等。

PLC的内部结构如图4所示：

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图4 PLC的内部结构

3.2 PLC的程序设计语言

PLC程序设计语言主要有结构化语句描述语言、功能表图语言、梯形图语言等。梯形图语言是最常用最基本程序设计语言，由一系列指令组成并可以完成大多数简单的控制功能。

梯形图程序设计中，采用梯形图程序设计语言，采用梯形图的形式描述程序。用因果关系在程序设计语言中描述事件发生的条件、结果。每一个梯级是一个因果关系，在梯级图中，事件发生条件、发生结果分别表示在左面和后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，所以，本课题选用的编程语言为梯形图语言。

梯形图程序设计语言的特点：

1. 与电气操作原理图相对应，具有鲜活性、直观性、对应性。 2. 与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于撑握和学习。

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3. 易与其它程序语言的转换，程序的检查很容易。

3.3 PLC控制系统

PLC充分利用了微型计算机的技术和原理，延续计算机控制的优点，并且克服了它的缺点。它具有巨大的生命力，各工业部门纷纷用它来改造旧有的电梯控制电路，得到了显著地效果。总之，PLC是采用微机技术制造的自动控制设备，它能控制模拟量、开关量，具有抗干扰能力强、可靠性高并具有定时、完成逻辑判断、记忆、计数、运算等功能，可以取代以继电器为主的各种控制设备。它不仅能用于控制各种设备的运行过程、机械设备和流水线，还可以将PLC用于处理相关信息和控制电梯各种操作等。

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4 PLC的选择及其软件开发

4.1 PLC的选型

因本次设计的电梯系统有五层，开关量很多，模拟量比较少；对于开关量控制为主的系统而言，一般PLC的响应速度足以满足控制的要求，在小型PLC中整体式比模块式的价格便宜、体积也小、综合考虑后，选择日本三菱公司生产的 FX2N系列 PLC。

FX2N 系统 PLC 具有以下几方面的优点：

1）FX2N配置灵活，除主机单元外，还可扩展A/D 模块，I/O 模块，D/A 模块和其它特殊功能模块。

2）FX2N指令功能丰富，有各种指令 107 条，而且指令执行速度很快。 3）FX2N可用内部辅助继电器 M，定时器 T，状态继电器 S，，寄存器 D，计数器 C 的功能和数量满足了系统控制要求。

运行方式选择运行控制信号安全保护信号呼梯信号显示内指令信号外指令信号门区或平层信号输入接口PLC输出接口楼层显示运行方向指示呼梯灯开关门控制开关门信号安全警示信号拖动控制系统 图5电梯PLC信号控制系统框图

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4.2 牵引机的选择

因为牵引电梯的动力电机都是短时工作制，其基本上都是工作在起动、恒速、制动、停止四个状态，这样频繁的起动、制动工作就要求所选的电机要有起动和过载能力惯性机械强度大、绝缘材料等级高的特点。所以根据电梯这种特殊的运行状态，考虑使用异步电动机，因为其具有结构简单、制造方便、价格便宜、维护次数和费用都低以及运行方便的特点，但考虑到电梯到了制定层要减速运行时需要调速，所以所选电机应具有调速能力。其次，电梯也对拖动的电机有以下要求：

1. 高速或低速运行时要有较大的堵转转矩和较小的堵转电流。低速制动时产生的

制动转矩应使制动效果明显而制动电流又不能过大，以保证电动机的可靠运行。

2. 高速运行时电动机有较高的效率和功率因数。

3. 为了使电梯平稳、舒适，电机应具有良好的机械特性。

考虑到以上几个方面决定选用交流双速异步电动机。

双速电动机其实就是笼型异步电动机，只不过在其定子绕组上有两套绕组，一套高速绕组，一套低速绕组。或者是一套绕组在不同的运行速度下接法不同。无论是怎样的绕组，其目的都是在电机运行时通过改接绕组的方法，使电机定子绕组的极对数改变，当极对数变化后电机的定子旋转磁场磁极对数就会发生变化。 n160f 公式1 p n2

60f(1s) 公式2 p公式1是同步转速表达式，公式2是转子实际转速表达式，由以上两式可以看

出，异步电机的同步转速和磁极对数成反比，当磁极对数增加一倍时，同步转速n1下降到原转速的一半，电动机的额定转速n2也将下降近似一半。所以改变磁极

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的对数可以达到改变电机转速的目的。

单绕组双速电动机定子绕组引出六根出线端，可以结成2Y/△、2Y/Y、2Y/2Y

等。图所示为2Y/△联结的定子绕组接线方式。

图6异步电动机2Y/△联结方式

当定子绕组的U1、V1、W1三个接线端接三相交流电源，而将U2、V2、W2三个

接线端悬空，三个定子绕组接成三角形联结，电机以四极低速运行。当定子绕组U2、V2、W2、三个接线端接三相交流电源，而U1、V1、W1三个接线端连在一起，则原来三相定子绕组的三角形联结变为双星形联结，电动机以二极高速运行。为保证电动机旋转方向不变，从一种联结变为另一种连接时，应改变电源的相序。

根据设计电梯的基本参数（表1）与计算公式3，计算所需电机的功率。

表 1 电梯的基本参数

额定载重（kg） 1000kg 额定速度（m/s） 1m/s 平衡系数Kp 0.45

总传动效率 0.8 18

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PQV1Kp102 公式3

式中：P代表电机功率，单位kw；Q代表电梯的额定载重，单位kg；V代表电梯的额定运行速度，单位m/s；Kp代表电梯的平衡系数；代表曳引机的传动总效率。

将表1中电梯的基本参数带入公式3中计算，得出计算结果。考虑到电机的可靠运行，电机的功率留有裕量，因此选用嘉兴巨能电机公司生产的YD160L-8/4交流双速异步电机。具体参数见表2，图7。

表2 交流双速异步电机参数 功率电机型号 级数 （kw） YD160L-8/4 8 4 7 11 （V） 380

（r/min） 730 1450 （A） 19 21 级 IP44 级 F级 电压 转速 电流 防护等绝缘等

图7 交流双速异步电动机

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4.3 系统软件设计 4.3.1 控制系统的工作流程

根据电梯的工作流程可以将电梯的工作过程画成如下的流程图（图10）。图中

展示了电梯运行时的三种状态，初始状态、运行中状态、运行后状态。直观的展示了电梯的工作流程。

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图10 电梯运行的流程图 图11 电梯平层检测流程图

根据电梯运行流程图，大致可将软件的设计分为以下几个大部分：启动环节、楼层显示环节（七段码显示）、轿内呼叫信号的登记与消除环节、厅外呼叫信号的登记与消除环节、定向环节、制动环节。

4.4 系统信号的确定以及软元件的选取

经过对电梯运行流程和电梯的控制要求，选取控制系统的软元件，软元件包

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括输入继电器、输出继电器、辅助继电器和定时器，其编号分别如下列表所示。

输入的信号 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 SB10 SB11 SB12 SB13 SB14 SB15 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SQ6 表3 输入信号及信号编码

名称 一层内呼信号 二层内呼信号 三层内呼信号 四层内呼信号 五层内呼信号 手动开门 手动关门 一层外呼上 二层外呼上 二层外呼下 三层外呼上 三层外呼下 四层外呼上 四层外呼下 五层外呼下 一楼下平层 二楼上平层 二楼下平层 三楼上平层 三楼下平层 四楼上平层 22

信号的编码 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X20 X21 X22 X23 X24 X25 泰山学院本科毕业论文

SQ7 SQ8 SL1 SL2 S1

四楼下平层 五楼上平层 开门到位 关门到位 零速返回信号 X26 X27 X31 X32 X33 表4 输出信号及信号编码

输出的信号 HL1 HL2 HL3 HL4 HL5 HL6 HL7 七段码a 七段码b 七段码c 七段码d 七段码e 七段码f 七段码g KM1 KM2 名称 一楼内呼显示 二楼内呼显示 三楼内呼显示 四楼内呼显示 五楼内呼显示 上行显示 下行显示 七段码a显示 七段码b显示 七段码c显示 七段码d显示 七段码e显示 七段码f显示 七段码g显示 上行（电机正转） 下行（电机反转） 23

信号的编码 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 Y16 Y17 Y20 Y21 泰山学院本科毕业论文

KM3 KM4 KM8 KM6 KM7 KM5 HL8 HL9 HL10 HL11 HL12 HL13 HL14 HL15 电机低速 电机高速 抱闸 开门输出 关门输出 电机制动 一层上行外呼显示 二层上行外呼显示 二层下行外呼显示 三层上行外呼显示 三层下行外呼显示 四层上行外呼显示 四层下行外呼显示 五层下行外呼显示

表5 定时器和中间继电器的编号和功能

Y22 Y23 Y24 Y25 Y26 Y27 Y30 Y31 Y32 Y33 Y34 Y35 Y36 Y37 编号 T50 T51 名称及作用 关门计时（2s后没关门到位则开门） 开门到位计时（15s后自动关门） 24

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T52 T53 T54 M1 M2 M3 M4 M5 M8 M9 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 M17 M18 M19 M20 M21 M22 M23

制动计时（制动1s后抱闸） 抱闸计时（抱闸1s后开门） 低速计时（低速1s后转为高速） 轿厢在一楼中间继电器 轿厢在二楼中间继电器 轿厢在三楼中间继电器 轿厢在四楼中间继电器 轿厢在五楼中间继电器 开门中间继电器 关门中间继电器 一楼内呼信号保持中间继电器 二楼内呼信号保持中间继电器 三楼内呼信号保持中间继电器 四楼内呼信号保持中间继电器 五楼内呼信号保持中间继电器 一楼上外呼信号保持中间继电器 二楼上外呼信号保持中间继电器 二楼下外呼信号保持中间继电器 三楼上外呼信号保持中间继电器 三楼下外呼信号保持中间继电器 四楼上外呼信号保持中间继电器 四楼下外呼信号保持中间继电器 五楼下外呼信号保持中间继电器 上行显示中间继电器 25

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M24 M25 M26 M27 M28 M29 M30 M31 M32 M33 M34 M35 M36 M37 M39 M40 M41 下行显示中间继电器 上行部分中间继电器（保证呼叫信号‘先内后外’） 下行部分中间继电器（保证呼叫信号‘先内后外’） 上行输出中间继电器 下行输出中间继电器 电机低速中间继电器 电机高速中间继电器 电机制动中间继电器 抱闸中间继电器 采集抱闸瞬间信号中间继电器 抱闸延时开门中间继电器 制动辅助中间继电器1 制动辅助中间继电器2 开门辅助中间继电器1（解决双线圈） 开门辅助中间继电器2（解决双线圈） 关门辅助中间继电器1（解决双线圈） 关门辅助中间继电器2（解决双线圈） 4.5 系统梯形图设计

根据电梯运行流程，把电梯控制系统分为如下九块：开门环节、关门环节、楼层显示环节、内呼信号登记与消除环节、外呼信号登记与消除环节、定向环节、启动环节、制动环节和抱闸环节。分块设计如下。

4.5.1 开门环节

开门环节应该满足如下几点要求： (1) 按下轿厢内的手动开门按钮，开门输出；

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(2) 电梯到所选楼层（外呼和内呼），平层抱闸后自动开门；

(3) 电梯在某层停用，本层外呼，开门输出。开门环节的梯形图如图12所示。

图12 开门环节梯形图

为满足以上要求，设计中添加了中间继电器M37（开门辅助继电器1）和M39（开门辅助继电器2），此中间继电器的另外一个功能是避免了双线圈。

其中平层抱闸开门输出的启动条件是抱闸至电机停转，所以加了计时器T53，令抱闸后1s开门，此处的时间设为1s并无确实依据，显示中，要根据实际情况设

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置此时间。

开门输出断开的条件是开门到位，当门完全打开，开门到位触点接通，利用开门到位信号，把开门输出断开，开关门直流电机停转。

4.5.2关门环节

关门环节应该满足的要求：

(1) 轿厢内按下手动关门按钮，关门输出；

(2) 开门到位15s后自动关门。此环节的梯形图如图13所示。

图13 关门环节梯形图

同开门环节，为满足上述条件，设置了中间继电器M40（关门辅助继电器1）和M41（关门辅助继电器2），同时避免了双线圈的出现。

其中T51是开门到位计时器，当开门到位15s后，自动输出关门。关门输出的关断条件是关门到位，即关门输出时开关门直流电机运转，当关门到位，关门到位触点接通，关门输出被关断，开关门直流电机停转。

4.5.3 楼层显示环节

楼层显示环节应该满足的条件是：

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(1) 轿厢不运行时，七段码要显示所在楼层；

(2) 轿厢运行时，电梯在两层之间运行时要正确显示所在楼层，如从一楼上行，首先要碰到一楼下平层感应触点，虽然此触点被接通，但电梯仍在一楼，所以显示楼层要显示一楼；直至二楼上平层感应触点接通，显示变为二楼。其余楼层以此类推。

楼层的登记与消除部分和楼层显示部分组成了完整的楼层显示环节。 楼层显示用七段码显示，七段码显示图解如图14，各段标号依此图为准。。 其中一、二、三、四、五楼显示分别是：bc段、abdeg段、abcdg段、bcfg段和acdfg段。楼层确定由M1、M2、M3、M4和M5登记和保持。

其中七段码的输出分别为：Y11、Y12、Y13、Y14、Y15、Y16和Y17。‘+’代表‘或’的关系，通过元件的并联实现；‘·’代表‘与’的关系，通过元件的串联实现。

图14 七段码显示

M1、M2、M3、M4、M5

和七段码的逻辑关系是：

a段：Y11（M2+M3+M5）M1M4

b段：Y12（M1+M2+M3+M4）M5； c段：Y13（M1+M3+M4+M5）M2； d段：Y14（M2+M3+M5）M1M4； e段：Y15M2M1M3M4M5； g段：Y17 f段：Y16（M4M5）M1M2M3；（M2M3M4M5）M1。

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楼层的登记与消除部分的梯形图如15所示。

图15 楼层的登记与消除部分梯形图

楼层显示环节的梯形图如图16所示。

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图16 楼层显示部分梯形图

4.5.4 内呼信号的登记与消除环节

内呼信号由轿厢内的选层按钮产生，内呼信号被登记后，要由程序完成保持，

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直至电梯到达内选确定的楼层后信号才被消除。内呼信号被保持的阶段，内呼信号输出要一直导通，即内呼显示灯要一直亮。内呼信号的登记与消除环节梯形图如图17所示。

图17 内呼信号的登记与消除环节梯形图

内呼信号的消除条件是：电梯到达所选楼层，且电梯牵引电机抱闸停转。由此条件可知，若乘客进入轿厢内呼当前楼层，内呼信号是不会被登记的。

4.5.5 外呼信号的登记与消除环节

外呼信号的登记与消除环节类似于内呼，都经过登记-保持-消除三个步骤。

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虽然电梯运行过程中要碰到很多的情况，比如，电梯在三楼正上行，此时二楼和五楼同时外呼，虽然外呼信号都要被登记和保持，但是并不影响电梯的正常运行，因为定向环节会确定电梯的运行方向，如此一来，虽然外呼信号都被登记，但有一些不会对电梯的运转产生影响。

外呼信号的消除条件亦是：电梯到达所选楼层，且电梯牵引电机抱闸停转。同样电梯在某层停转，乘客外呼本层，外呼信号不会被登记。但是若电梯在某层停用，即不运转，也没有内外呼，此时虽然外呼信号不能被登记，但是轿厢的门会自动打开，这是由开门环节决定的。

外呼信号的登记与消除环节的梯形图如图18所示。

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图18 外呼信号的登记与消除环节梯形图

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4.5.6 定向环节

定向环节分为两个部分，即定上行和定下行。由于定上行和定下行的情况基本类似，故只以定上行为例介绍定向环节的原理。上行要满足的条件： (1) 电梯在一楼，楼上只要有外呼，或有内呼，电梯就上行；

(2) 轿厢在二楼及以上楼层时，上级楼层有外呼，且外呼满足此时运行方向条件，则上行。

(3) 定向时，内呼信号的优先级要高于外呼信号。定上行部分的梯形图如图19所示。

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图19 定上行部分梯形图

为了确定内呼信号的优先级高于外呼信号，设置了中间继电器M25，通过对M25的置位和复位以确保内呼信号的高优先级。上下行显示由轿厢内和门厅外的上下行显示灯显示。

同定上行一样，定下行部分的梯形图如图20所示。

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图20 定下行部分梯形图

当上行和下行条件同时满足时，定向环节会由惯性原则确定方向，即当同时满足上行和下行条件时，由此时电梯的运行状况决定；若此时电机上行，则定向为上行；若此时为下行，则定向为下行；若此时电机停转，则由定向信号被登记的时间先后决定。

电梯在运行过程中，定向程序的执行只是在电梯停层阶段，也就是说，电梯

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只要在楼层停层都会定向一次，当电梯运行中间，定向程序是不会被执行的。

电梯的定向输出控制轿厢牵引电机的正反转来实现上下行，即上行时牵引电机正转，下行时牵引电机反转。

定向输出信号的消除条件是：电梯到达某个楼层停层后关门输出。比如电梯在二楼登记上行信号，要求在三楼停层，此时电梯上行，在二楼登记的上行信号保持到电梯在三楼停层再关门。此时在二楼登记的上行信号被消除，定向程序重新执行，重新判断电梯的运行方向。

4.5.7 启动环节

本程序设计的启动环节其实包括低速启动和高速平稳运行两个部分。电梯的启动条件是：轿厢门关好，定向完成以及牵引电机停转。启动条件满足，牵引电机开始低速启动，低速启动后1s电梯进入高速示。

平稳运行阶段。

启动环节的梯形图如图21所

图21 启动环节梯形图

低速启动信号由高速信号断开，高速运行信号由制动信号断开。电机的高低速运行的实现，在程序控制的基础上，由外部电机的接线完成。电梯启动平稳运行后进入制动环节。

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4.5.8 制动环节

制动环节程序设计时也分上行制动和下行制动两块来分析和设计，最后把两块整合，即为完整的制动环节程序。

以上行制动为例，阐述制动环节的设计思路。上行制动有如下几种情况： (1) 电梯正上行，内选m楼（上级楼层），m层上平层触点接通，牵引电机开始制动；

(2) 电梯在m层定上行，n层有外上呼（n>m），n层上平层触点接通，牵引电机开始制动；

(3) 电梯上行，目标层为m层，此时m以上楼层均无内外呼信号，m层有外下呼信号，当m层上平层触点接通，牵引电机开始制动； (4) 电梯行上至五楼必制动。

下行制动类似，特殊情况：下行至一楼必制动。

制动信号由平层感应触点触发，上行由上平层感应触点触发，轿厢碰到上平层感应触点到电梯停层位置还有一段距离，此程序中设置了制动后1s抱闸，此处时间的设置，并无确实依据，现实中要根据实际情况设置，使其制动时间结束，抱闸开始，轿厢正好达到停层位置。

制动信号由抱闸输出信号断开，即抱闸信号产生的同时，制动信号被断开。其间制动信号一直保持，电机一直在制动状态。

在程序控制的基础上，牵引电机的制动由外部电机的接线完成。 制动环节的梯形图如图22所示。

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图22 制动环节梯形图

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4.5.9 抱闸环节

牵引电机制动后电机抱闸，抱闸信号由制动计时器产生。牵引电机抱闸后抱闸信号一直保持，直至下次启动。抱闸信号的保持是为了防止轿厢停层时下坠，故在轿厢停止运行的时间内，抱闸信号一直存在。

抱闸环节的梯形图如23所示。

图23 抱闸环节梯形图

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5 总结

毕业设计是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次完整的电梯PLC控制程序设计，让我感受到实践与理论知识相结合的重要性。通过此次设计，让我的实际动手能力得到很好锻炼，提高了查阅设计规范、设计手册、文献资料以及电脑制图等专业能力水平。通过PLC控制电梯，实现电梯的运行速度、反映时间和停层的准确度达到一定的标准，而对电梯的速度、运行状态、安全、可靠、消防等进行合理的设计。综合考虑电梯PLC控制系统，能够达到“稳、准、快”的要求，这就要求我们的设计必须严密、可靠。通过这次毕业设计，提高了我的意志力和品质力，提升了自己的忍耐力，懂得了怎样缓解压力，学会了思考、逻辑思维、提出问题、分析问题、解决问题的方法。这是我们希望看到的，也正是我们进行毕业设计的目的所在。

虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获却更加丰富。通过陈老师的悉心指导，我了解到了电梯控制系统的设计方法，相关设备的选用标准，以及各种容易忽略的细节，我的能力得到了提高。虽然提高是有限的，但这次提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了大量的实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的理解能力，更强的沟通能力和更快的应变能力。最终按质按量完成本次设计，我的收获是很难用语言来描述的，非常感谢老师的指导与帮助！

由于学生的设计水平有限以及设计时间有限，在设计中不免出现错误之处，诚请指导老师和评审老师批评指正。

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参考文献

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[21]邓则名, 邝穗芳等.电器与可编程控制器应用技术[M].北京: 机械工业出版社, 2004,

102-199.

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致谢

非常感谢陈宏圣老师的精心指导和小组成员的团结协作，我才得以完成。 陈宏圣老师渊博的知识和严谨的作风给我留下了深刻的印象，为我在以后的工作生活中确定了方向。在这次论文写作中，我们小组成员一起查资料，一起讨论问题，互相支持，互相帮助，使很多问题得到了很好的解答，这使我感受到了团队合作的工作效率和生活乐趣，也为我们以后的工作及事业的成功打下了坚实的基础。

在此真诚感谢陈老师对我的悉心指导，感谢同学们对我的热心帮助与支持，并对四年来给予我帮助的老师和同学们表示衷心的感谢，感谢机电工程学院老师两年来对我的辛勤耕耘和培养。

最后祝老师们工作顺利，心想事成！祝同学们在以后的工作和学习中一帆风顺！

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附录 公式 系统梯形图

公式 n160f 公式1

梯形图pn60f(1s)2p PQV1Kp102 45

公式2 公式3

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