电梯自动控制系统设计毕业设计

摘要
电梯不仅仅是高层建筑里的必备设施，在多层建筑里也是不可缺少的垂直运输工具。

电梯的控制系统已由初期的继电控制向微机控制发展。

可编程控制器由于具有可靠性高、功能强大等特点已经成为电梯微机控制系统的核心。

本文在阐述电梯的结构和可编程控制器的结构和工作原理的基础上，针对4层4站电梯，使用三菱FX2N48MR可编程控制器，设计了电梯的控制系统。

实现了电梯的指层控制、轿内与各层厅站呼梯指令的记录、电梯运行方向和停靠的层站的控制，自动运行和自动开关门等功能。

这种电梯控制系统应用于实际运行的电梯中，运行结果表明：电梯控制系统安全性和可靠性高，日常保养维护和故障检修方便，运行成本低。

关键词：电梯控制系统可编程控制器
Abstract
The elevator is not only the necessary facility in the high-rise building．is also the essential vertical transport means in the multi—layered construction．The control system of elevator is developed from the initial relay control system to the microcomputer control system．The programmable logic controller has already become the core of the elevator microcomputer control system because of its high reliability and formidable function and so on the characteristics．
This article elaborated the elevator structure，the structure and the working principle of the programmable logic controller．Aim at the elevator of 4 floors and 4 stations，the writer design this elevator control system by the use of Mitsubishi FX2N-48MR PLC．The writer design the elevator control modules These modules achieve the functions：fingering out the location of the cabin，registering the instructions from the cabin and the station hall．choosing the direction and the station of elevator follow these instructions，operating elevator and door automatically，and other functions．
This elevator control system applies in the actual operating elevator．the operating result indicated：its security and reliability ale high, the routine maintenance and the trouble shooting are convenient, the elevator operating cost is low．
Key Words：Elevator Control System Programmable Logic Controller
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目录
第1章概述 (1)
1.1课题的来源和实际意义 (1)
1.2国内外发展现状 (3)
1.3 论文主要完成的任务 (4)
第2章方案论证 (5)
2.1 电梯的基本结构和控制方法 (5)
2.1.1 电梯物理模型的结构 (5)
2.1.2 电梯的控制要求 (8)
2.2 PLC的选择 (8)
2.2.1 PLC的定义和特点 (8)
2.2.2 PLC工作原理 (12)
2.2.3 PLC的结构和组成 (13)
2.2.4 PLC型号的选择 (15)
2.3 变频器的选择 (16)
2.3.1 变频器的定义及工作原理 (16)
2.3.2 变频器的结构和组成 (17)
2.3.3 VS-616G5型变频器简介 (18)
第3章系统硬件设计 (19)
3.1 系统硬件的基本结构 (19)
3.1.1 系统主结构 (19)
3.1.2 电机调速系统的设计 (20)
3.1.3 电梯楼层检测设计 (21)
3.1.4 井道信号系统的设计 (22)
3.2 PLC控制系统设计 (24)
3.2.1 信号控制系统 (24)
3.2.2 电梯控制系统实现的功能 (24)
3.2.3 输入、输出回路 (25)
3.2.4 输入、输出点分配 (26)
3.3 变频器结构及参数设置 (27)
3.3.1 616G5型变频器的特点 (27)
3.3.2 VS-616G5变频器的参数 (29)
第4章软件设计 (30)
4.1FX2N系列PLC基本指令 (30)
4.2三菱PLC编程软件GX D简介 (32)
4.3程序流程图 (33)
4.4 程序说明 (35)
4.4.1 电梯安全程序 (35)
4.4.2 楼层显示 (36)
4.4.3 电梯控制显示 (37)
4.4.4 电梯的选层上、下行控制 (38)
总结 (40)
致谢 (41)
参考文献 (42)
附录1：基于PLC的电梯系统原理图 (46)
附录2：基于PLC的电梯系统程序清单 (47)
第1章概述
1.1课题的来源和实际意义
随着科学技术和社会经济的发展，高层建筑已成为现代城市的标志。

电梯作为垂直运输工具，承担着大量的人流和物流的输送，其作用在建筑物中至关重要。

是现代城市生活中必不可少，且应用最广泛的垂直交通运输工具。

它起源于公元前236年的古希腊。

当时阿基米德设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬机，共造出三台，安装在妮罗宫殿里。

人们把这三台卷扬机看作是现代电梯的鼻祖。

电梯进入人们的生活已经150年了，1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明。

他站在装满货物的升降梯平台上，命令助手将平台拉升到观众都能看得到的高度，然后发出信号，令助手用利斧砍断了升降梯的提拉缆绳。

令人惊讶的是，升降梯并没有坠毁，而是牢牢地固定在半空中——奥的斯先生发明的升降梯安全装置发挥了作用。

“一切安全，先生们。

”站在升降梯平台上的奥的斯先生向周围观看的人们挥手致意。

谁也不会想到，这就是人类历史上第一部安全升降梯。

人类利用升降工具运输货物、人员的历史非常悠久。

早在公元前2600年，埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统，这套系统的基本原理至今仍无变化：即一个平衡物下降的同时，负载平台上升。

早期的升降工具基本以人力为动力。

1203年，在法国海岸边的一个修道院里安装了一台以驴子为动力的起重机，这才结束了用人力运送重物的历史。

英国科学家瓦特发明蒸汽机后，起重机装置开始采用蒸汽为动力。

紧随其后，威廉·汤姆逊研制出用液压驱动的升降梯，液压的介质是水。

在这些升降梯的基础上，一代又一代富有创新精神的工程师们在不断改进升
降梯的技术。

然而，一个关键的安全问题始终没有得到解决，那就是一旦升降梯拉升缆绳发生断裂时，负载平台就一定会发生坠毁事故。

奥的斯先生的发明彻底改写了人类使用升降工具的历史。

从那以后，搭乘升降梯不再是“勇敢者的游戏”了，升降梯在世界范围内得到广泛应用。

1889年12月，美国奥的斯电梯公司制造出了名副其实的电梯，它采用直流电动机为动力，通过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索，悬挂并升降轿厢。

1892年，美国奥的斯公司开始采用按钮操纵装置，取代传统的轿厢内拉动绳索的操纵方式，为操纵方式现代化开了先河。

生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。

150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新——手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形——扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。

如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。

调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保——一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好。

1887年，美国奥的斯公司制造出世界上第一台电梯，这是一台以直流电动机传动的电梯。

它被装设在1889年纽约德玛利斯大厦。

这座古老的电梯，每分钟只能走10米左右。

当初设计的电梯纯粹是为了省力。

1900年，以交流电动机传动的电梯开始问世。

1902年，瑞士的迅达公司研制成功了世界上第一台按钮式自动电梯，采用全自动的控制方式，提高了电梯的输送能力和安全性。

随着超高层建筑的出现，电梯的设计、工艺不断得到提高，电梯的品种也逐渐增多。

1900年，美国奥梯斯公司制成了世界上第一台电动扶梯。

1950年又制成了安装在高层建筑外面的观光电梯，使乘客能在电梯运行中清楚地眺望四周的景色。

1903年，美国奥的斯在电梯传动机构中采用了曳引驱动代替卷筒方式，提高了电梯传动机械的通用性，同时也制造了有齿轮曳引高速电梯。

这种电梯减少了传动设备，增强了安全性能，成为目前电梯曳引传动的基本构造形式。

在电梯控制技术方面，1949年开始应用电子技术，以后出现了电子器件与信息处理的分区控制系统，以后发展到大规模集成电路。

由于电梯拖动技术从直流电动机驱动，到交流单速、交流双速电动机驱动，到交流调压调速(ACVV)控制，交流调压调频调速(VVVF)控制，使得电梯控制技术不断成熟，加上电子技术、电子计算机技术、自动控制技术在电梯中的广泛应用，使电梯运行的可靠性、安全性、舒适感、平层精度、运行速度、节能降耗、减少噪声等方面都有了极大改善。

70年代，特别是1973年以来，电梯控制柜的控制电路逐渐从模拟电路向数字化电路发展，数字技术显著提高了电梯的可靠性和运性精度。

70年代末到80年代初，高速无齿轮和有齿轮快速电梯都应用微机作为控制的主要部件，而且每部电梯使用的微机不止一部。

80年代，大功率晶体管模块的问世以及微机和数字调节技术的不断成熟，人们利用PWM(脉宽调节)技术来控制换流器，实现对电梯中交流电动机进行调压调频(VVVF)，达到线性调速的目的。

自80年代中期，VVVF控制的电梯先后由美国奥的斯、日本三菱等电梯公司相继开发并逐步推向市场。

90年代，VVVF拖动系统得到较快发展，其许多技术、经济指标，明显优于其它电梯控制系统。

1.2国内外发展现状
中国最早的一部电梯出现在上海，是由美国奥的斯公司于1901年安装的。

1932年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着。

1951年，党中央提出要在天安门安装一台由我国自行制造的电梯，天津从庆生电机厂荣接此任，四个月后不辱使命，顺利地完成了任务。

十一届三中全会后，沐浴着改革开放的春风，我国电梯业进入了高速发展的时期。

如今，在我国任何一个城市，电梯都在被广泛应用着。

电梯给人们的生活带来了便利，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。

从1949年建国以来全国共生产安装了6l万多台电梯。

尽管如此，我国的电梯远未达到饱和的程度。

全世界平均1000人有l台电梯，我国如果要达到这个水准，还需要增加70万台。

到那时候，全国在用电梯将达到130万台，每年仅报废更新就需要6万台。

到2005年，中国电梯的年产量达到13．5万台，与1980年相比，25年增长了59倍，产量每年平均增长17．8％。

2005年安装验收电梯124465台，截至05年底，我国的在用电梯总数已达651794台⋯。

如此庞大的市场需求为我国电梯行业的发展创造了广阔的舞台!
世界上有名的几家电梯公司，诸如：美国奥的斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等，其电梯的产量已占世界市场的51％。

其中，奥的斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。

目前，国外除了以交流电梯取代直流电梯以外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。

此外，家用小型电梯将成走电梯家族中新的组成部分。

1.3 论文主要完成的任务
1.介绍了电梯物理模型设计中主要部件的原理和结构、主要元件的选型、电气接线图。

2.用编程软件三菱PLC编程软件GX-DEVELOPER 7编写了电梯模型控制系统的PLC控制程序
3.在计算机模拟用PLC控制的4层电梯模型的运行，并设计了报警和查询功
能。

4.研究了基于三菱FX-2N48MR 型号PLC的并联电梯群控调度算法。

5.研究基于VS一616G5型号的变频器及其应用
第2章方案论证
2.1 电梯的基本结构和控制方法
2.1.1 电梯物理模型的结构
电梯的组成：
1.曳引系统
曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。

曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。

2.导向系统
导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

3.轿厢
轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。

轿厢由轿厢架和轿厢体组成。

4.门系统
门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。

门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。

5.重量平衡系统
系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。

系统主要由对重和重量补偿装置组成。

6.电力拖动系统
电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。

电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。

7.电气控制系统
电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。

电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜)，平层装置，选层器等组成。

8.安全保护系统
保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。

由电梯限速器、安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。

图1-1 电梯基本结构
2.1.2 电梯的控制要求
1.电梯通电运行控制电梯的开启。

2.电梯断电关闭控制电梯的关闭。

3.保持开门时间的自动控制无司机运行时，电梯到站自动开门后，延时若干时间自动关门。

4.本层厅外开门如本层召唤按钮被按下，轿门自动打开。

如按钮按住不放，门保持打开。

5.关门按钮提前关门自动状态下，在保持开门的状态时，可以按关门按钮使门立即响应关门动作，提前关门。

6 开门按钮开门电梯停在门区时，可以在轿厢中按开门按钮使电梯已经关闭或尚未关闭的门重新打开。

7.反向时自动消指令当电梯到达最远层站将要反向时，原来所有后方登记的指令全部消除。

8.点阵式层楼显示器系统厅外和轿内都采用点阵式层楼显示器，具有字符丰富、显示生动、字形美观等特点。

9.电梯报警系统在电梯出现鼓掌声，轿厢中有报警求救按钮。

10.电梯自动运行电梯在无司机的情况下，根据轿厢内和外的按钮信号，自动处理分析，从而自动运行，满足乘客的需要。

2.2 PLC的选择
2.2.1 PLC的定义和特点
1.PLC的定义
在工业生产过程中，具有大量的开关量顺序控制，要求按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集等。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽
车）公司公开招标，提出研制能够取代继电器的控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。

1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee IEC)颁布了
PLC标准草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版对PLC作了如下的定义:PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输人和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。

上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，它有与其他顺序控制装置不同的特点。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

2.PLC的特点
(1)可靠性高，抗干扰能力强
工业生产一般对控制设备要求很高，应具有很强的抗干扰能力和高的可靠性，能在恶劣的环境中可靠地工作，平均故障间隔时间长，故障修复时间短。

这是PLC 控制优于微机控制的一大特点。

例如日本的三菱公司F1、F2系列平均故障间隔时间长达30万h，而A系列的可靠性比F1、F2系列更高。

PLC控制系统的故障通常有两种：一种是偶发性故障，即由于恶劣环境（电磁干扰、超高温、过电压、欠电压）引起的，这类故障只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统本应随之恢复正常，但因PLC受外界影响后，内部存储的信息被破坏，必须从初始状态重新起动。

另一类是永久性故障，是由于元器件不可恢复的损坏引起的。

在PLC设计中，可以从硬件和软件两方面采取措施，防止以上故障的发生，以提高其可靠性。

主要措施有：
1）硬件措施有：
屏蔽:对电源变压器、CPU编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。

滤波:对供电系统及输入/输出线路采用多种形式的滤波，如LC式π型滤波网络，以消除高频干扰和削弱各种模块之间的相互影响。

电源的调整与保护:对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压影响。

隔离:在微处理器与输入/输出电路之间，采用光电隔离，有效地隔离输入/输出间电的联系，减少故障和误动作的可能。

联锁:所有输出模块都受开门信号控制，而这个信号只在规定的各种条件都满足时才有效，这样就有效地防止了产生不正常输出的可能性。

采用模块式结构:这种结构有助于故障情况下短时修复。

设置环境检测和诊断电路:这种分电路与软件配合，可以实现灵活保护与故障指示等功能。

2）软件措施有：
故障检测:软件定期地检测外界环境，对诸如掉电、强干扰信号等情况能及时进行处理。

信息保护和恢复:对偶发性故障只要故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息，一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的工作。

设置了警戒时钟WDT:如果程序每循环执行时间超过了WDT规定时间，预示了程序进入死循环，立即报警。

加强对程序的检查和检验:一旦程序有错，立即报警并停止执行。

对程序及动态数据进行电池后备:停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会因此而丢失。

这样，PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高。

例如美国通用电气公司制成的PC控制模块平均无故障率可达1千万小时之多，组成系统后的平均无故障率可达4至5千万小时。

（2）编程简单，使用方便
这是PLC优于微机的另一个特点。

目前大多数PLC采用继电控制形式的“梯形图编程方式”，即有传统控制线路的清晰直观，又适合电气技术人员的读图习惯和微机应用水平，易于接受，与常用的汇编语言相比，更受欢迎。

这了进一步简化编程，当今的PLC还针对具体问题设计了诸如步进梯形指令、功能指令等。

PLC是为车间操作人员而设计的，一般只要很短时间的训练即能学会使用。

而微电脑控制系统则要求具有一定知识的人员操作。

当然，PLC的功能开发，需要有软件专家的帮助。

（3）控制程序可变，具有很好的柔性
在生产工艺流程改变或生产线设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只要改变程序就可以满足要求。

所以PLC取代继电器控制，而且具有继电器所不具备的无可比拟的优点。

因此PLC除应用于单机控制外，在柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS），以至工厂自动化（FA）中也被大量采用。

（4）功能完善
现代PLC具有数字和模拟量输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录和显示功能，使用设备水平大提高。

（5）扩充方便，组合灵活
PLC产品具有各种扩充单元，可以方便地适应不同工业控制需要的不同输入输出点及不同输入输出方式的系统。

（6）减少了控制系统设计及施工的工作量
由于PLC采用软件编程来达到控制功能，而不同于继电器控制采用接线来达到控制功能，同时PLC又能率先进行模拟调试，并且操作化功能和监视化功能很强，这些都减少了许多的工作量。

（7）体积小、重量轻，是“机电一体化”特有的产品
一台收录机大小的PLC具有相当于1.8m高的继电器控制柜的功能，一般节电50％以上。

由于PLC是工业控制的专用计算机，其结构紧密、坚固、体积小巧，并由于具备很强的抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现“机电一体化”较理想的控制设备。

由于PLC具备了以上特点，它把微计算机技术与继电器控制技术很好地融合在一起，最新发展的PLC产品，还把直接数字控制（DDC）技术加进去，并具有监控计算机联网的功能。

因而它的应用几乎覆盖了所有的工业企业，既能改造传统机械产品成为机电一体化的新一代产品，又适用于生产过程控制，实现工业生产的优质、高产、节能与降低成本。

总之，PLC技术代表了当前电气控制的世界先进水平，PLC与数控技术和工业机器人已成为机械工业自动化的三大支柱。

2.2.2 PLC工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1.输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2.用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或。