基于PLC的电梯控制系统设计

河南科技学院
2009届本科毕业论文（设计）
论文题目：基于PLC的电梯控制系统设计
学生姓名：贾**
所在院系：机电学院
所学专业：机电技术教育
导师姓名：王玉萍
完成时间：2009年5月20 日
摘要
随着社会的发展，电梯的应用越来越被企、事业单位、大型超市等场所普及，而它的安全、可靠性确备受观注。

可编程控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置。

它的功能性强,可靠性高,编程简单,使用方便,体积小巧,将PLC 应用于电梯控制，克服了继电器控制的控制线路复杂、体积大、故障率高、难于维护等缺点，电梯控制系统的安全性、可靠性得到了很大的改善。

关键词：PLC, 电梯控制系统, 可靠性
PLC-based elevator control system design
Abstract
With the development of society, the elevator are applied by enterprises, institutions, large supermarket etc popularization widely, it is the view of safety and reliability. Programmable logic controller (PLC) is a general automatic control device as the core of a computer technology, its strong function, high reliability, simple programming, easy to use, small size, applying PLC to elevator control to overcome the elevator control circuit complexity, big volume, difficult to maintain and high defects. it obtained very big improvement to elevator control system of the safety and reliability.
Keywords: Elevator Control System, PLC, Reliability
目录
1 绪言 (6)
2 控制系统方案设计 (6)
2.1 PLC控制系统与其他控制方式的比较 (6)
2.1.1 PLC控制系统与继电器控制系统的比较 (6)
2.1.2 PLC控制系统与计算机控制系统比较 (8)
2.2 电梯控制系统方案设计 (9)
2.3电梯控制系统原理框图设计 (9)
2.4 电梯控制系统硬件结构框图 (9)
3 电气控制部分 (10)
3.1 交流双速电梯的主电路 (10)
3.2 电梯的主要电气设备 (11)
3.2.1曳引电动机 (11)
3.2.2 自动门机 (11)
3.2.3 层楼指示 (11)
3.2.4 呼梯盒 (12)
3.2.5 操纵箱 (12)
3.2.6 平层及开门装置 (12)
3.2.7 停层装置 (13)
3.2.8 开关装置 (13)
4 PLC控制部分 (14)
4.1 PLC的选择 (14)
4.2 输入/输出电路的设计 (15)
4.2.1 PLC的电源控制电路 (15)
4.2.2 输入设备 (15)
4.2.3 输出设备 (15)
4.3 梯形图设计 (16)
4.3.1 开门环节 (16)
4.3.2 电梯的关门环节 (18)
4.3.3 开关门保护及故障显示电路 (19)
4.3.4 层楼信号的产生与清除环节 (19)
4.3.5 内选信号的登记、消除和显示环节 (20)
4.3.6 外呼信号的登记、消除和显示环节 (20)
4.3.7 电梯的定向环节 (21)
4.3.8 停层信号的产生和消除环节 (22)
4.3.9 停车制动环节 (23)
4.3.10 自动运行时启动加速和稳定运行环节 (24)
5 结论 (25)
谢辞 (26)
参考文献 (27)
1 绪言
电梯是一种大型机电产品,作为一种现代的运输工具已广泛的进驻到人们的生活中。

当今世界,电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一,它必须具有高度的安全性与科学性,因此它的控制系统就受到了广泛的关注。

早期的国产电梯控制系统中,电梯信号的逻辑控制一般是由继电器电路来实现的。

继电器控制系统故障率高,降低了电梯的运行可靠性与安全性。

传统的继电器控制方式已经被计算机控制方式所代替,其控制方式有:单片机控制、单板机控制、单微机控制、多微机控制以及可编程序控制器( PLC) 控制等多种方式。

其中单片机控制具有成本低,通用性强等优点,但它不适于较复杂的控制算法和故障诊断等要求;微机控制的配件使系统设计和调试更加复杂,它必须具有相应的大型开发系统,这无疑会增加电梯的成本,因此对于一个小型的电梯控制系统利用PLC 进行控制将是一个最佳的选择。

2 控制系统方案设计
2.1 PLC控制系统与其他控制方式的比较
2.1.1 PLC控制系统与继电器控制系统的比较
继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。

但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、
可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。

可编程序控制器(PLC)最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。

鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制所代替。

同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。

因此，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。

电梯继电器控制系统的优点：所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握；系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器；大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜；多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，己形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。

但是，电梯继电器控制系统存在很多的问题：系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高；普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高；电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高；系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大；由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高，而且检查故障困难，费时费工。

电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊忧，且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。

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与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道(字)的运算和数据存储，另外还有位处理器(布尔处理器)，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、编程简单、灵活性强等特点。

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。

为便于比较PLC控制系统与继电器控制系统优缺点现列表如下，详见表2-1。

从表2-1可以看出，PLC控制系统具有继电器控制系统无法比拟的优点，因此传统的继电器控制系统将逐渐被PLC控制系统所取代是大势所趋。

2.1.2 PLC控制系统与计算机控制系统比较
计算机控制系统在工业控制领域中，其主机一般采用能够在恶劣工业环境下可靠运行的工控机。

工控机有通用微机应用发展而来，在硬件结构方面总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰富，能提供实时操作系统的支持，故对要求快速，实时性强，模型复杂的工业对象的控制占有优势。

但是，它的使用和维护要求工作人员应具有一定的专业知识，技术水平较高，且工控机在整机水平上尚不能适应恶劣工作环境。

可编程控制器对此进行了改进，变通用为专用，有利于降低成本，缩小体积，提高可靠性等特性，更适应过程控制的要求。

PLC控制系统与计算机系统比较见表2-2。

对内存的要求容量大容量小
价格价格高价格低
其他若用于控制，一般需自行设计机种多，模块种类多，易于集成系统
从表2-2可见，在控制功能方面，PLC与通用计算机相比，工作更稳定可靠，而且编程简单，使用方便，应用设计和调试周期可大大缩短，加之又能在恶劣的工业环境下和强电一起工作，容易实现机电一体化。

2.2 电梯控制系统方案设计
本设计通过多种方案的比较和参照，可看出PLC控制具有显著的优点：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；可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能；可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性和可靠性，并便于检修；用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。

综上所述，本设计采用PLC控制。

2.3电梯控制系统原理框图设计
电梯控制系统原理框图如图1所示，主要由轿箱内指令电路、门厅呼叫电路、主拖动电机电路、开关门电路、档层显示电路、按钮记忆灯电路、楼层检测与平层检测传感器及PLC电路等组成的。

图1 电梯控制系统原理框图
2.4 电梯控制系统硬件结构框图
系统由曳引机构、开、关门机构、轿厢、控制系统等组成，如图2所示。

曳引系统的主要功能是输出和传递动力，使电梯运行。

门系统的功能是封住层站入
口和轿厢人口。

而轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的主要工作部分。

图2 电梯控制系统硬件结构框图
3 电气控制部分
3.1 交流双速电梯的主电路
下图图3为交流双速电梯的主电路图。

图中，M1为YYYD系列电梯专用型双速笼型异步电动机（4/16极），KM1、KM2为电动机正、反转接触器，用以实现电梯上、下行控制；KM3、KM4为电梯高、低速运行接触器，用以实现电梯的高速或低速运行；KM5为启动加速接触器；KM6、KM7、KM8为减速制动时的接触器；L1、L2与R1、R2为串入电动机定子电路中的电感与电阻，与KM5-KM8配合实现对电机的加、减速控制。

当KM1或KM2与KM3通电吸合时，电梯将进行上行或下行启动，延时后KM5通电吸合，KM3断电释放，KM4通电吸合，电动机转为低速接法，串入阻抗制动，实现上升与下降的低速运行，且KM6-KM8依次通电吸合，用来控制制动过程的强度，提高停车制动的舒适度，至平层位置时，接触器全部断电释放，机械抱闸，电梯停止运行。

在检修状态时，电梯只能在低速接法下点动运行。

图3 交流双速电梯的主电路图
3.2 电梯的主要电气设备
3.2.1曳引电动机
曳引电动机作为电梯的提升机构，主要由驱动电动机、电磁制动器（也称电磁抱闸）、减速器及曳引轮组成。

3.2.2 自动门机
用来完成电梯的开门与关门：电梯的门的有厅门（每层站一个）和轿门（中有一个）。

只有当电梯停靠在某层站时，此层厅门才允许开启（由门机拖动轿门，轿门带动厅门完成）；也只有当厅门，轿门全部关闭后才允许启动运行。

3.2.3 层楼指示
层楼指示也叫层显，过去常有低压灯泡构成，安装在每层站厅门的上方和轿门内轿门的上方；现多由数码管或LED点阵结构组成，与呼梯盒，运行方向指
示做成一体结构。

3.2.4 呼梯盒
呼梯盒用以在每层站召唤电梯。

常安装在厅门外，离地面1米左右的墙壁上。

基站与顶站有一个按钮，中间层站由上呼与下呼两个按钮组成。

按钮带有呼梯记忆灯，灯亮时表示呼梯号已被接收并记忆；当电梯满足呼梯要求并停层开门时，呼梯记忆灯熄灭。

基站的呼梯盒上，常带有钥匙开关，供电梯管理员开关电梯。

3.2.5 操纵箱
操纵箱安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发布动作指令。

操纵箱上设有与电梯经层站数相同的内选层按钮（带有标记），上下层启动按钮（带有上，下行指示灯，检修时用），开关门按钮，急停按钮，电梯运行状态选择钥匙开关（选择电梯是自动运行，还是检修状态）以及风扇，照明等的控制开关。

3.2.6 平层及开门装置
该装置如图4所示，由磁铁板和上、下平层感应器1KR、2KR组成。

上行时，1KR首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至2KR插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号，电机停转，机械抱闸；下行时，2KR首先插入隔梯铁板，发出减速信号至1KR插入隔梯铁板时，发出停车及开门信号。

图4 电梯的平层、停层装置示意图
3.2.7 停层装置
图4所示，在电梯的井道内每层站装有一只磁铁板，当轿厢运行到相应层站时，磁铁板插入平层感应器内，以此检测电梯所处位置和平层信号。

3.2.8 开关装置
安全窗及其开关,安全钳及其开关，限速器及其开关，上，下限位开关，上下强迫停止开关，极限开关
电梯的轿厢顶部开有安全窗，供紧急情况下疏散乘客，当安全窗打开时，电梯不允许运行。

安全钳是为防止电梯曳引钢绳断裂及超速运行的机械装置，用以在是述情况下，将轿厢夹持在导轨上。

限速器是用以检测电梯运行速度的机械装置，当电梯超速运行时，限速器动作，带动安全钳使电梯停止运行。

以上三种装置的动作通过其相应天关来检测。

当电梯运行至上，下极限位置时仍不停车，上，下限位开关动作，发出停车信号，若不能停车，将压下上，下强迫停止开关，强制电梯停止运行；若还不能停车，将通过机械装置带动极限开关SQ0动作，切断电梯曳引电动机的电源，以达到停车的目的，避免电梯出现冲顶与蹾底事故。

为了便于对电梯的工作原理及PLC控制系统进行分析，现列出5层5站电梯的电见下表：
4 PLC控制部分
4.1 PLC的选择
传统的控制方法是采用继电器—接触器控制。

这种控制系统较复杂，并且大量的硬件接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的工作效率。

采用可编程控制器较好地解决了这一问题，可编程控制器是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备，不仅能实现对开关量信号的逻辑控制,还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。

因此，将可编程控制器应用于电梯控制，完全能满足控制要求。

且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点。

在本控制系统中，所需的开关量输入为32点，开关量输出为29点，考虑到系统的可扩展性和维修的方便性，选择模块式PLC。

由于本系统的控制是顺序控制，选用日本三菱电工公司生产的FX2N-80MR的PLC来控制整个系统。

之所以选择这种PLC，主要考虑FX系列PLC有以下特点：
（1）可靠性高、抗干扰能力强PLC 是为工业控制而设计的，除了对器件的严格筛选外，在硬件和软件两个方面还采用可屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间达到30000h以上。

（2）编程直观、简单考虑到大多数电气技术人员熟悉电气控制线路的特点，PLC没有采用微机控制中常用的汇编语言，而是采用了一种面向控制过程的梯形图语言。

梯形图语言与继电器原理图相类似，形象直观，易学易懂，电气工程师和具有一定知识的电气技术人员都可在短时间内学会，计算机技术和传统的继电器控制技术间的隔阂在PLC上完全不存在。

因此，许多国家生产的PLC都把梯形
图语言作为第一用户语言。

此外，还可采用指令表进行编程控制。

（3）适应性好PLC 是通过程序实现控制的。

当控制要求发生改变时，只要修改程序即可。

由于PLC 产品已标准化、系列化、模块化。

因此能灵活方便地进行系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系统。

其适应能力非常强，既可控制一台机器，一条生产线，也可控制一个复杂的群控系统，既可以现场控制，又可以远距离控制。

（4）功能完善、接口功能强PLC 具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使设备控制水平大大提高；其接口功率驱动范围较大，不像普通的计算机输出信号需放大才能驱动负载，极大地方便了用户。

其常用的数字量输入输出接口，就电源而言有110V、220V交流和5V、48V直流等多种。

4.2 输入/输出电路的设计
4.2.1 PLC的电源控制电路
PLC采用AC220V供电，如下图5所示，电梯正常工作时，锁梯开关SA2接通，PLC电源接通，程序正常运行，锁梯时，SA2断开，PLC断电，电梯停止运行。

图5 PLC电源控制电路
4.2.2 输入设备
启动、停止选择开关SQ1限位开关SQ2～SQ8 点动开关SB1～SB18安全开关SA1门锁开关SA2 自动
SA3
检修SA4上减速SA5下减速
SA6
4.2.3 输出设备
控制上行、下行、高速、低速、启动加速、制动减速、开门、关门电机的接触器KM1～KM10
工作方式指示灯HL1～HL15,楼梯层数字显示HL16。

将电梯运行过程中的各种输入信号，送入PLC的输入口构成其输入电路图。

完成电梯运行的各种执行元件及指示电梯运行状态的各种指示灯，均要受到PLC 输出口的控制，构成其输出电路。

其输入/输出电路如下图6所示。

由上述输入/输出电路可知输入输出点分别为32点和29点，故可选择FX2N-80MR的PLC 构成其控制系统。

PLC输入、输出接线图如下页图6所示。

图6是PLC和外围设备的外部接线图，应说明的是PLC面板上标有“COM”标记的端子即可作为公共端。

4.3 梯形图设计
梯形图的设计可以分成几个环节进行，然后再将这些环节组合在一起，形成完整的梯形图。

4.3.1 开门环节
电梯的开门存在以下几种情况
（1）电梯投入运行前的开门
此时电梯位于基站，将开关电梯钥匙手插入SQ1（程序中X010）内，旋转至开关电梯位置，此时PLC电源接通，程序开始运行，电梯自动开门，乘客或司机进入轿厢，选层后电梯自动进行。

(2)电梯检修时开门
检修状态下（X003接通），开门均为手动状态，由开关门按钮SB1（X004），
图6 5层5站电梯PLC控制I/O图
SB2（X005）实施开门与关门。

(3)电梯自动运行停层时的开门
电梯在停层时，至平层位置，M140接通，电梯开门
(4)电梯关门过程中的重新开门
在电梯关门的过程中，当需要重新开门时，可以通过开门按钮X004实施重新开门。

大多数电梯现采用光幕或机械安全触板进行检测，自动发送重新开门信号，以达到重新开门的目的。

(5)呼梯开门
电梯到达某层站后，若没有人继续使用电梯，电梯将停靠在该层站待命；若有人在该层站呼梯，电梯将首先开门，以满足用梯的要求。

电梯在运行的过程中，当有外呼梯信号时，若顺向运行，则电梯停层开门；若逆向运行，则电梯不停层。

(6)防夹或超载开门
当电梯在关门的过程中，如有东西夹在门上，则电梯在关门的过程中关不上，
会使X037接通；或电梯超载，轿箱底下的称重开关X036接通，使程序中的M20接通，则电梯重新开门。

(7)电梯在运行中禁止开门
开门环节的梯形图如下图7所示：
图7 开门环节程序梯形图
4.3.2 电梯的关门环节
(1)电梯停用后的关门
此时电梯到达基站，司机或乘客离开轿厢，电梯自动关门，司机将开、关梯钥匙插入SA2，旋转到关梯位置，电梯诉安全回路被切断，PLC停止运行，电梯被关闭。

（2）自动关门
电梯开门时开始计时，时间到后，电梯应自动关门。

（3）提前关门
停站时间未到时，可以用按钮X005实现提前关门。

（4）检修关门
考虑检修状态时的关门，检修关门不自锁。

（5）电梯超重时禁止关门
关门环节的梯形图如图8所示：
图8 电梯关门环节程序梯形图图9 重复开关、关门电路和故障显示程序梯形图4.3.3 开关门保护及故障显示电路
电梯在关门地过程中因各种原因不能关门到位，电梯会重新关门，开门时间到后，又会自动关门，关门不到位又要开门。

如此开、关门反复动作，如现场没人及时处理，门很容易被损坏，应此要求在出现这种情况时，开、关门动作出现5次，电梯停止运行。

其程序梯形图如图9所示。

关门时，M101接通，如正常关门到位时，X001接通，程序中常闭触点是断开的，M22不能接通，T6不接通，不会重新开门。

如经过一段时间（3S）关门不能到位，X001的常闭点是接通的M22得电，T6的触点接通，电梯重新开门，开门计时时间到，T5接通，又要关门，关门又不到位，T6又接通，如此循环，当连续关门达到5次时，C0的触点接通，利用C0的触点，使电梯停止运行。

且故障显示0、2交替出现。

当电梯关门到位时，对C0复位。

当电梯的安全继电器KA2断开时也即X000为OFF时，电梯停止运行，且故障显示0、1交替出现。

其控制程序梯形图如图10和图11所示。

利用主控和主控复位控制了程序的运行。

图10、11 主控、安全继电器断开时故障显示程序梯形图
4.3.4 层楼信号的产生与清除环节
当电梯位于某一层时，应产生于该楼层的信号，以控制楼层显示器显示楼层所处的位置，离开该层时，该楼层信号应被新的楼层信号所取代。

其梯形图如图
12所示。

D200为电梯的楼层数，通过译码器用数码管显示出来。

X040是下强迫楼层显示开关，装在1楼，当电梯运行到1楼时，使D200为1。

在中间的某些楼层中，电梯上行时，每上一层时，D200加1；当电梯下行时，每下一层，D200减1。

另外电梯在1楼-5楼时，分别使M110—M114置ON。

如果电梯楼层显示有误，只要将电梯开到顶层或一层，马上就能显示正常。

图12 层楼信号的产生与清除环节图13 内选信号的登记、消除和显示环节程序梯形图程序梯形图
4.3.5 内选信号的登记、消除和显示环节
乘客或司机通过轿厢内操纵盘上1楼-5楼选层按钮的操作；可以选择欲去的楼层。

选层信号被登记后，选层按钮下的指示灯亮。

当电梯到达所选的楼层后，停层信号应被消除，指示灯也应熄灭。

其程序梯形图如图13所示：
4.3.6 外呼信号的登记、消除和显示环节
乘客在厅门外呼梯时，呼梯信号应被接收和记忆。

当电梯到达该楼层，且电梯运行方向与呼梯目的地方一致时（基层和顶层除外），呼梯要求满足，呼梯信号应被消除。

其程序梯形图如图14所示：
图14 外呼信号的登记、消除和显示环节程序梯形图
图中，按下外呼按钮时，相对应的外呼辅助继电器按通，外呼按钮下的指示灯亮，表示呼梯要求已被电梯接收并记忆。

电梯运行方向与呼梯目的地方向一致时，至呼梯楼层时，电梯将停止并开门，呼梯要求满足，呼梯信号被消除。

电梯运行方向与呼梯目的地方向相反时，如电梯从1楼向上运行，而呼梯要求从2楼向下，若有去3楼以上的内选层要求及外呼梯要求，电梯到达2楼时不停梯，呼梯要求没有满足，呼梯信号不能消除；若3楼以上无用梯要求，电梯将停在2楼，但呼梯信号不能立即消除，待乘客进入轿厢内，选层（去1楼）后，电梯定下向，则2楼呼梯信号已满足，呼梯信号被满足。

电梯停在该楼层时，按下外呼按钮（上行或下行），此时指示灯应该亮。

4.3.7 电梯的定向环节
在自动运行状态下，电梯应首先确定运行方向，也即定向。

电梯的定向只有两种情况即上行和下行。

电梯处于待命状态下，接收到内选和外呼信号时，应将电梯所外的位置与内选信号和外呼信号进行比较，确定是上行还是下行，一旦电梯定向后，内选信号与外呼信号对电梯进行顺向运行要求没有满足的情况下，定向信号不能消除。

检修状态下运行方向直接由上行和下行启动按钮确定，不需定向。

其程序梯形图如图15所示。