基于PLC的四层电梯控制系统设计

1、学 号：2014 届毕业论文成 绩：江西城市职业学院四层电梯的 PLC 控制系统设计学 院： 应用科技学院专 业： 电气自动化学生姓名： 龙军指导教师姓名： 周保森二一四年三月目录摘要2前言3第一章 可编程控制 41.1 可编程控制器的介绍 41.1.1 定义 41.1.2 PLC 的构成 41.1.3 cpu 的构成 51.1.4 I/O 的构成 51.1.5 电源模块 61.1.6 PLC 的通信联网 61.2 可编程控制器的选用 61.2.1 PLC 控制系统的 I/O 点数计算 61.2.2 PLC 的型号选择 7第二章 硬件接线 72.1 外部接线图 82.2 I/O 分配图 92.

2、3 四层电梯模拟控制面板 10第三章系统软件设计 113.1 PLC 梯形图概述 123.2MELSOFT 系列 GX Devel oper 编程软件的操作方法 123.3 系统工作过程分析 133.4 系统要求 133.5 过程分析 143.6 调试过程 163.6.1 准备工作 163.6.2 调试程序 16结束语 17致谢18参考文献 18摘要在现在社会及经济活动中，随着高层建筑的增多，电梯已经称为一种文明的标志。它作为一种垂直的交通运输工具，承载着大量人流物流的运输。正因为如此，在高层建筑中人们对电梯的安全性、舒适度、低噪音、低能耗等性能要求越来越高了。正是这一 系列的要求促使了电梯技

3、术的快速发展。本设计主要应用 PLC 对电梯进行逻辑控制，考虑上述的性能要求，本设计控制系统具 备楼层指示、选层选向、自动运行等特点，能有效的保证电梯的输送传输任务。本文在介绍电梯的基本结构的基础上还深入分析了电梯的工作原理。阐述了 PLC 相对 于其他控制系统的优缺点。其中重点研究了电梯的软、硬件设计并提出了基于 PLC 控 制的四层电梯控制系统设计方案，并做出总结，关键词 ：电梯，控制系统， PLC1969 年，美国数字设备公司根据美国通用汽车公司的要求， 研制出第一台可编程 控制器 PDD-14 ，并在 GM 公司汽车生产线上首次应用成果。 70 年代后期，随着微电 子技术和计算机的迅猛

4、发展，使 PLC 从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程PC。控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称 但由于 PC 容易与个人计算机相混淆，故人们仍习惯地用 PLC 作为可编程控制器的缩 写。国际电工委员会于 1987 年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。 在草案中对可编 程控制器定义如下： “可编程控制器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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种 类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围

5、设备，都应按易于与工业系统联成 一个整体，易于扩充其功能的原则设计” 。可编程控制器， 简称 PLC 。它在集成电路、 计算机技术的基础上发展起来的一种新 型工业控制设备。具有 1. 可靠性高、抗干扰能力强 2.设计、安装容易，维护工作量少 3. 功能强、通用性好 4.开发周期短，成功率高 5. 体积小，重量轻，功耗低等特点。已 经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继 电接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电接触器控制系统小；价格上 能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能 直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向

6、中央执行机构、中央数据处理系统 直接传输数据等。因此，进行电梯的 PLC 控制系统的设计，可以推动电梯行业的发展，扩大 PLC 在 自动化控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值第一章 可编程控制器1.1 、可编程控制器的介绍1.1.1 定义PLC 可编程序控制器： PLC 全称为可编程逻辑控制器，定义是 :一种数字运算操作的电 子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储 程序，执行逻辑运算 ,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数 字或模拟式输入 / 输出控制各种类型的机械或生产过程。1.1.2 PLC 的构成从结构上分， PLC分为

7、固定式和组合式 （模块式）两种。固定式 PLC 包括CPU板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块 可以按照一定规则组合配置。1.1.3 CPU 的构成CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU ，它按PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部 电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐 条读取

8、指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控 制电路。CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态 总线构成， CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程 序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析 CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还是 应有足够的理解。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行 指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指 挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果， 它也是在控制器指挥下工作。CPU 速度和内存

9、容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度， I/O 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。1.1.4 I/O 模块PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（ I/O ）完成的。 I/O 模块集成 了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状 态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。 I/O 分为开 关量输入（ DI ），开关量输出（ DO ），模拟量输入（ AI），模拟量输出（ AO）等 模块。开关量是指只有开和关（或 1 和 0 ）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的 量。常用的 I/O 分类如下：开关量

10、：按电压水平分，有 220VAC 、110VAC 、24VDC ，按隔离方式分， 有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（ 4-20mA,0-20mA ）、电压型0-10V,0-5V,-10-10V ）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 I/O 点数确定模块规格及数量， I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管 理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。1.1.5 电源模块PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入 电

11、路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（ 220VAC 或 110VAC ）， 直流电源（常用的为 24VAC ）1.1.6 底板或机架大多数模块式 PLC 使用底板或机架， 其作用是：电气上，实现各模块间的联系， 使 CPU 能访问底板上的所有模块， 机械上，实现各模块间的连接， 使各模块构成一 个整体。1.1.7 PLC 系统的其它设备1 、编程设备：编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件， 用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况，但它 不直接参与现场控制运行。 小编程器 PLC 一般有手持型编程器， 目前一般由计算

12、机 （运行编程软件）充当编程器。2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式 的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非 常普及。3 、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如 EPROM 、EEPROM 写入 器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机1.1.8 PLC 的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此， 网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著， 甚至有人提出 "网络就是控制器 "的观点说法。PLC 具有通信联网的功能， 它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上

13、位计算机以及其他智 能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数 PLC 具 有 RS-232 接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC 的通信，还未实现互操作性， IEC 规定了多种现场总线标准， PLC 各厂家 均有采用。对于一个自动化工程 （特别是中大规模控制系统 ）来讲，选择网络非常重要的。首先， 网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不 同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准 的协议、机制的前提下进行；再次综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用 性等具体问题，确定不同层次所使用的网络

14、标准。1.2 可编程控制器的选用1.2.1 、PLC 控制系统的 I/O 点数计算根据电梯控制的特点，输入信号应该包括以下几个部分：（1 ） 轿厢内及各层门厅外呼按钮 主要是轿厢内的楼层选择数字键 14 ，各层门厅外呼按钮，除一层只设置上升 按钮，四层只设置下降按钮外，其他层均设置上升和下降两个按钮。一共需要10 个输入。（2 ） 位置信号位置信号由安装于各楼层的电梯停靠位置的 4 个传感器产生。 平时为常开，当 电梯运行到平层时关闭。另外还有一组开光门限位。所以位置信号一共需要 6 个输 入。（3 ） 电梯门控制信号大部分电梯都具有开门啊、 关门按钮， 以方便手动开关门。 一共需要 2 个输

15、入。 （4 ） 模拟电梯到位按钮由于条件有限， 所以本文海设置了到位按钮。 电梯一共四层， 所以设置了 4 个到 位按钮，一共需要 4 个输入。综上所述，共需要输入点 22 个。 输出信号应该包括：（1 ） 内呼指示信号内呼指示信号有四个，分别用来表示 14 层楼层内呼的指令被接受，并在内呼 指令完成后，信号消失。（2 ） 外呼指示信号外呼指示信号共有六个，分别用来表示 14 层楼层外呼的指令被接受，并在外 呼指令完成后，信号消失。（3 ） 电梯轿厢上下行，电梯上下行指示信号，共四个。（4 ） 门电机开关指示，共需两个输出点。综上所述，共需要输出点 16 个。1.2.2 PLC 的型号选择综合

16、输入、输出点的计算以及要实现的电梯控制功能， 实验室现有的三菱 FX2N型号的 PLC 完全能实现设计要求。因为 FX2N 型号的 PLC 是一款面对大中型工业应用的 PLC ，输入输出点，内存容量以及响应时间均符合条件。并且，三菱PLC具有稳定性高，功能强大，环境适应性强，编程软件简单完善，价格适中等优点。所以我采用了 FX2N-48MR 型号的可编程控制器。第二章 硬件接线2.1 外部接线图系统的硬件连接图即 PLC 和系统中各个硬件的连线。具体如图 1-1 ：图 1-1 主电路2.2 I/O 分配图如表 1-1序号名称输入点序号名称输出点0外呼 1 上行X00电梯上行Y0表 1-1 I/

17、O 分配图1外呼 2 下行X11电梯关门Y12外呼 2 上行X22电梯下行Y23外呼 3 下行X33电梯开门Y34外呼 3 上行X44内呼 1 层指示Y45外呼 4 下行X55内呼 2 层指示Y561 层到位X66内呼 3 层指示Y672 层到位X77内呼 4 层指示Y783 层到位X108外呼 1 层上升指示Y1094 层到位X119外呼 2 层下降指示Y1110开门到位X1210外呼 2 层上升指示Y1211关门到位X1311外呼 3 层下降指示Y1312内呼 1 层X1412外呼 3 层上升指示Y1413内呼 2 层X1513外呼 4 层下降指示Y1514内呼 3 层X1614内呼开示Y

18、1615内呼 4 层X1715内化关门指示Y1716内呼开门X2017内呼关门X2118电梯上升限位X2219电梯下降限位X2320手动复位X242.3 四层电梯模拟控制面板采用了 THPLC-DT 型四层电梯实验教学模型，利用面板上的按钮来模拟实现四层电梯运行的状态。它设置了电梯门，电梯内按钮指示，电梯内按钮信号，电梯外按钮电梯平层、限位信号，电梯门限信号，电梯外部呼叫指示灯， 电梯行控，电梯内部选择指示灯， 电梯门控已经层数标志图 1-2 四层电梯模拟控制面板第三章 系统软件设计3.1 PLC 梯形图概述梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为 PLC 的第一编程语言。梯形图 电器控制系统

19、的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被设计人员掌握，特 别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的 状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序 进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映 像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。3.2 MELSOFT 系列 GX Developer 编程软件的操作方法本课题采用的编程软件为 MELSOFT 系列 GX Developer 编程软件， 具体操作 方法如下：1. 打开

20、 MELSOFT 系列 GX Developer 编程软件，之后点击，在下拉菜单栏点 击“创建新工程（ N）”，再选择，确定打开就可以绘制梯形图，编写本课题的 程序。2. 在打开文件之后就可以绘制梯形图，根据所编的程序的要求，在页面上面的功能图在绘制梯形图中选择需要的输入元件，完成对梯形图的绘制3. 完成对梯形图的绘制后，在确定 PLC 处于通讯状态时，在软件的菜单栏中点 击，并在下拉菜单中点击“ PLC 写入”，将程序编入三菱 FX2N-48MR 中3.3 系统工作过程分析1. 初始化2. 确认本层于目标层并检测是否有厢内或厢外呼叫，无则结束3. 若有呼叫分辨本层于目标层是否一致， 是则开门

21、4. 确认电梯启动方向。5. 电梯启动。6. 电梯加速。7. 电梯高速运行。8. 楼层检测。9. 是否是目标层，不是则继续高速运行。10. 到目标层，电梯减速。11. 到层检测。12. 电梯制动。13. 开门。14. 延时后再关门。15. 是否停止运动，不是则原地等待。16. 确认运行结束则停止运行。图 1-3 电梯运动流程图如图 1-3 ：电梯运动流程图3.4 控制要求所设计的电梯模型共有四层。电梯的每一层面均有升降及轿厢所在楼层的指示灯显示； 1 4 所对应的指示灯表示楼层号， 每层的楼厅均有输入（分上行和下行）按钮召唤电梯。工作中的电梯主要对各种呼梯信号和当时的运行状态进行综合分析，再确

22、定下一个工作状态，为此它要求具有自动选向，顺向截梯和反向保号，外呼记忆，自动开、关门，停梯信号，自动达层等功能分析以上控制要求，将电梯控制要实现的功能罗列如下：1. 开始时，电梯处于任意一层。2. 当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运 行，电梯门自动打开，延时 3 秒后自动关门。3. 当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运 行，电梯门自动打开，延时 3 秒后自动关门。4. 在电梯运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反向下降（或上升）的 呼梯信号均不响应；如果某反向呼梯信号前方再无其他呼梯信号，则电梯响应该呼 梯信号。5. 电梯应具有

23、最远反向呼梯功能。6. 电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮军不起作用。平层且电梯停止运 行后，按开门按钮可使电梯门打开，按关门按钮可使电梯门关闭。3.5 过程分析1、电梯上行设计要求1）当电梯停于 1 楼或 2 楼， 3 楼呼叫时，则上行，当 3 楼的行程开关控制停止， 同时轿厢门与厅门打开， 3 秒后，轿厢门与厅门关闭。2）当电梯停于 1 楼， 2 楼呼叫，则上行，到 2 楼的行程开关控制停止，同时，轿 厢门与厅门打开， 3 秒后，轿厢门与厅门关闭。3）当电梯停于 1楼，2楼、3楼同时呼叫，电梯上行到 2 楼，行程开关控制停止， 同时，轿厢门与厅门打开， 3 秒后，轿厢门与厅门关闭，继续

24、上行到 3 楼行程开关控制停止4）当电梯停于 1 楼，3 楼、4楼同时呼叫时，电梯上行到 3 楼，行程开关控制停 止，同时，轿厢门打开， 3 秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到 4 楼行程控制停止。5）当电梯停于 1 楼，2 楼、4楼同时呼叫时，电梯上行到 2 楼，行程开关控制停 止，同时，轿厢门打开， 3 秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到 4 楼行程控制停止。6 ）当电梯停于 1 楼，2 楼、3 楼、4 楼同时呼叫，电梯上行到 2 楼，行程开关控制 停止，同时，轿厢门与厅门打开， 3 秒后，轿厢门与厅门关闭，继续上行到 3 楼行程开 关控制停止，同时，轿厢门打开， 3 秒后，轿厢门与厅门关

25、闭，继续上行到 4 楼行程控 制停止。7 ）当电梯停于 2 楼，3 楼和 4 楼同时呼叫，电梯上行到 3 楼，行程开关控制停止， 同时，轿厢门与厅门打开， 3 秒后，轿厢门与厅门关闭。8） 当电梯停于 1 楼或 2 楼或 3 楼， 4 楼呼叫，电梯上行到 4 楼，行程开关控制停 止，同时，轿厢门与厅门打开， 3 秒后，轿厢门与厅门关闭。2、电梯下行设计要求1）当电梯停于 4 楼， 2 楼呼叫时，则下行，到 2 楼的行程开关控制停止，同时， 轿厢门与厅门打开， 3 秒后轿厢门与厅门关闭。2）当电梯停于 4 楼，3 楼呼叫时，则下行，到 3 楼的行程开关控制停止，同时，轿 厢门与厅门打开， 3 秒

26、后轿厢门与厅门关闭。3）当电梯停于 4楼，2楼、3楼同时呼叫时，则下行，到3 楼的行程开关控制停止， 同时，轿厢门与厅门打开， 3 秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到 2 楼行程开关控制停 止。4）当电梯停于 4 楼，1 楼、3楼同时呼叫时，则下行，到 3 楼的行程开关控制停 止，同时，轿厢门与厅门打开， 3 秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到 1 楼行程开关控 制停止。5）当电梯停于 4 楼，1 楼、2楼同时呼叫时，则下行，到 2 楼的行程开关控制停 止，同时，轿厢门与厅门打开， 3 秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到 1 楼行程开关控 制停止。6 ）当电梯停于 4 楼，1 楼、2 楼、3 楼同时

27、呼叫时，则下行，到 3 楼的行程开关控 制停止，同时，轿厢门与厅门打开， 3 秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到 2 楼行程开 关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开， 3 秒后轿厢门与厅门关闭，继续下行到 1 楼行 程开关控制停止。7）当电梯停于 4 楼或 2 楼或 3 楼，1 楼呼叫时，则下行，到 1 楼的行程开关控制 停止，同时，轿厢门与厅门打开， 3 秒后轿厢门与厅门关闭。3、电梯呼叫、上行或下行均需信号指示。4、在电梯运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的 呼叫信号均不响应；如果某反向呼梯信号前方再无其它呼梯信号，则电梯响应该呼梯信 号。5 、电梯具有最远反向呼梯响

28、应功能。3.6 调试过程3.6.1 准备工作按照图 1-1 将所有的设备连接起来，并接通电源，观察 PLC 的指示灯， PLC 上的 RUN 和 RDY 指示灯正常亮起，则 PLC 正常工作，观察电梯模型上，电源指示灯 正常亮起，则电梯模型正常工作打开 GX Developer 编程软件，并打开已绘制的电梯 PLC 控制程序，单击菜单栏 中“在线”，然后单击子菜单栏中的“ PLC 写入（ W）”，成功连接 PLC 。设定好步数，单击“执行”按钮，即可将程序传送到 PLC 中去。3.6.2 调试程序因为条件有限， 调试程序时用按钮来表示输入， 用指示灯来模拟程序运行后的输出。如图 1-3. 。此

29、处举几个具有代表性的调试例子。1 轿厢在一层时有二层内呼 首先按住一层平层按钮，然后按下二层内呼按钮，此时二层内呼指示灯亮起。松开 一层平层按钮，电梯上行指示灯亮起，按下二层平层按钮，则电梯开门指示灯亮起，二 层内呼指示灯熄灭。再按下开门限位按钮，电梯开门指示灯熄灭， 3 秒之后电梯关门指 示灯自动亮起。再按下关门限位按钮，整个运动过程结束。2 电梯在一层时（此时电梯门关着） ，一层外呼上（四层内呼） ，未到二层时，同时 收到四层外呼下指令（一层内呼） ，二层外呼下指令，三层外呼上指令（四层内呼） 。这是一个非常复杂的运动过程，包含了设计中要求的自动定向，顺向截梯，反向记 忆，自动开门等所有功能。首先按住一层平层按钮，然后按下一层外呼按钮，一层上指示灯亮起，此时电梯开 门指示灯亮起，一层外呼指示灯熄灭，接着按下开门限位按钮，电梯开门指示灯熄灭， 过3 秒后，电梯关门指示灯自动亮起，按下关门限位按钮，电梯关门指示灯熄灭。电梯 上行指示灯亮起来。按下四层内呼按钮，四层内呼指示灯来亮起。然后连接按下四层外 呼下，二层外呼下，三层外呼上按钮，相应指示灯亮起。接着按下二层平层按钮，电梯 不做反应，按下三层平层按钮，电梯做开关门运动，并继续上行。按下四层平