五层简易电梯运行控制系统的设计

远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）题目：五层简易电梯运行控制系统的设计学习中心： 内蒙古电大学习中心 学 号： 090F31143014 姓 名： 陈 帅 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 刘 磊 2016年9月23日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表学生姓名：陈帅 学号：090F31143014 专业：电气工程及其自动化 毕业设计（论文）题目：五层简易电梯运行控制系统的设计 指导教师意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）选题符合电气自动化专业培养目标要求，也体现出一定实践应用性，全文结构合理，思路清晰，语言通顺，层次分明，观点表达准确，论据与论点保持一致，参考的文献资料与论题和论文内容结合相对紧密，能基本综合运用电气自动化专业所学内容解决主要问题，但格式还不是很规范，创新点不够。总体上说，基本上达到了毕业论文的要求。 同意答辩。指导教师结论： 合格 （合格、不合格）指导教师姓名刘磊所在单位内蒙古工业大学指导时间2016.9.25中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院 本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表学生姓名：陈帅 学号：090F31143014 专业：电气工程及其自动化 毕业设计（论文）题目：五层简易电梯运行控制系统的设计 评阅意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）该论文选题为“五层简易电梯运行控制系统的设计”，切合生产生活实际，具有一定的研究价值。论文结构紧凑完整，逻辑性强，写作格式基本符合规范。论文中的研究成果体现出该学生对基本专业知识的掌握和理解，符合本科论文要求，同意答辩。修改意见：（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。毕业设计（论文）评阅成绩 （百分制）： 80 评阅结论： 同意答辩 （同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）评阅人姓名吴涛所在单位中国地质大学（武汉）评阅时间2016.10.14论文原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的本科毕业论文五层简易电梯运行控制系统的设计，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。 论文作者（签字）： 陈帅日期：2016年9月23日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文） 摘 要电梯是高层建筑中不可缺少的运输工具。随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。传统的电梯控制系统采用的是继电器逻辑控制电路，这种控制易出故障，维护不便，运行寿命短，占地空间大，正逐步被淘汰。为了提高自动控制系统的可靠性和设备的工作效率，本文设计了一套以PLC、编码器为核心控制器的电梯自动控制系统，用来取代以往的较复杂的继电器接触器控制。系统的核心部分（控制部分）使用了日本三菱公司生产的FX2N-64MR型PLC，因为在核心控制部分采用的是软件程序控制，从而在保证电梯正常运行这个要求的情况下，大大的提高了电梯故障检查与维修的方便性和容易性，同时还克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素，取得了良好的经济效益和社会效益。关键词：电梯；PLC；编码器目 录绪 论11.背景介绍12.设计内容13.研究意义1第一章 电梯的基本情况21.1电梯的发展史21.2电梯的工作运行情况21.3电梯的工作原理2第二章 可编程序控制器以及编码器的概述42.1三菱FX2NPLC的主要特点42.2三菱FX2NPLC系统的组成42.2.1PLC的硬件结构42.2.2PLC的软件42.3三菱FX2NPLC的工作方式52.3.1PLC的扫描工作方式52.3.2PLC的程序执行过程52.4编码器52.4.1电梯编码器工作原理62.4.2编码器与PLC的连线62.4.3电梯编码器相关问题6第三章 电梯控制系统的硬件连接以及软件设计83.1 电梯模型结构83.1.1电梯模型的主体结构与控制柜83.1.2电梯层门83.2 PLC的外部接线图93.3电梯各个环节的设计103.3.1上下行指示灯环节103.3.2楼层信号写入环节113.3.3呼叫信号写入环节113.3.4自动选向控制环节123.3.5电梯方向指示环节123.3.6编码器控制环节133.3.7电梯上升环节133.3.8电梯下降环节13第四章 电路的仿真144.1上下行指示灯环节144.2楼层信号写入环节144.3自动选向控制信号环节154.4呼入信号写入环节154.5电梯的方向指示环节164.6编码器控制环节174.7电梯的上升环节174.8电梯的下降环节18结 论19参考文献20附录：各个环节的指令21谢 辞25绪 论1.背景介绍随着社会的进步，人口数量的增多，电梯已经是城市中不可缺少的运输工具。在当今社会，我们应该尽力提升电梯的性能，确保电梯的高效节能和安全运行，并且对于现代社会的能源节约和人们高水平、高质量的生活有着显著的影响。为了适应工业生产环境，设计师们设计并且制造了数字运算的电子装置即可编程控制器。目前电梯的核心控制部分大多数是采用可编程控制器件(PLC)来控制的。为了检测电梯的平层信号、检测电梯的速度以及电梯控制的灵敏度，在电梯以前的设计中都采用将感应器安装在井道的不同位置来检测这种方法。但是这样不但增加了PLC的控制输入点数还提高了在井道中的安装作业强度，所以我们必须提高电梯的性能。在提高电梯性能方面，我们使用旋转编码器将电梯的运动位置信号转变为光电脉冲，并且对其进行高速计数，这样就能实现电梯平层和加速、减速的准确控制。相对于使用感应弹簧等传统方法，其显著提高了电梯的性能和可靠性，并且减少了PLC的输入信号点数。电梯是否能够平稳运行这也都是我们所面临的问题。解决这个问题，当然要用编码器和电机的结合，这样才能够简化电梯的硬件电路和准确地控制电梯的平稳运行。2.设计内容本文设计一个以PLC为控制核心的五层简易电梯运行控制系统。此系统应当具备上下行指示灯输出环节；反向楼层号预处理环节；楼层信号写入环节；呼叫信号写入环节；定向和等待信号设定环节；停止信号产生环节；上行（下行）或等待状态反向信号处理环节；上行（下行）同向信号处理环节；内部呼叫信号处理环节等。3.研究意义 当代，国内外的电梯性能以及控制技术发展迅猛。以前在电梯控制系统中采用的是继电器-接触器控制系统，而今随着控制系统的自动化程度提高，并且出现了可编程控制器，所以可编程控制器成为现代电梯核心控制系统中不可或缺的装置。这样就使电梯控制容易，操作简单，仅使用几个简单的按钮就可以轻松的控制电梯的运行，不用再像以前那样，还得有专职司机来控制电梯。正如前面介绍，现在我们需要更进一步研究电梯的控制与可编程控制器、编码器、电机的有效结合，为了更好的提高电梯的运行性能。第一章 电梯的基本情况1.1电梯的发展史随着人们生活水平和质量的提高和现代化城市的发展，越来越多的高楼大厦矗立在我们的面前，而在此过程中发展最为迅速的便是电梯。电梯是一种用来承载货物或者人的工具。然而在很长时间之前，一些古老的工具便被人们使用来运送人和物。公元前一一零零年左右，我国古代人发明了辘轳，它采用圆筒的转动运动完成升降工作，因此增加了提升货物的高度。公元前二三六年，伟大的希腊数学家设计并制作了由绞车和滑轮组组合而成的起重装置。以上出现的这些升降工具的驱动力一般是人或畜，比较落后。十九世纪初，因为瓦特发明了蒸汽机，所以在欧州美国等工业大国开始使用蒸汽机作为升降工具的动力。一直到一八五一年，世界上出现了第一台安全升降机，与此同时，被工业界普遍认为和接受的升降机才出现。自从电梯发明以来，随着建筑物规模越来越大、城市化建设的加强、自动化水平的提高、信息化时代的到来,对电梯的调速精度和范围、自动化控制程度、稳定运行等特性提出了更高的要求。以前安装的可控硅低压调速电梯、 交流双速电梯、直流电梯等这些电梯控制方式落后、能耗大、故障多、维修不方便、安装不方便、速度不平稳等很难满足人们要求。现如今，电梯调速平稳、舒适、实用、美观、智能化和绿色环保、节能改造及对各个方面技术升级已是电梯行业发展趋势。1.2电梯的工作运行情况一台电梯主要由轿厢、配重、曳引机、控制柜或箱、导轨等主要部件组成。电梯在做垂直运动的过程中，有最底层也有最高层。对于三层以上建筑物内的电梯而言，最底层和最高层之间还设有中间层。最底层设在一楼，最高层设在最高楼。每一层的厅外均设有召唤箱，箱上设有供乘坐人员召唤电梯用的召唤按钮。一般电梯在最底层和最高层上各设置一个按钮即最底层只有上升按钮、最高层只有下降按钮，中间层的召唤箱上各设置两个按钮即上升和下降按钮。而电梯的轿厢内都设置有操纵箱，操纵箱上设置有与层站对应的按钮以及供紧急情况使用的消防按钮，供乘坐人员控制电梯上下运行。1.3电梯的工作原理电梯的基本工作原理是电梯是将电能转换成势能和动能，这些具体的操作由控制部分完成。在最现代化的电梯曳引电动机驱动模式下，使用的导线端部连接到电梯轿厢的曳引机的绳轮的端口，并连接的另一端，当曳引机正反转的时侯，由电线摩擦牵引滑轮电梯轿厢的上升和下降做相应的操作；当有呼叫信号时，呼叫信号传到控制器(PLC),由控制器按照设置参数控制变频器，使异步电动机比较平稳节能运动，在异步电动机运行时编码器会相应的产生脉冲，这些脉冲信号反馈到PLC，与PLC内部设计的高速计数器值进行比较，通过比较值的不同将又产生不同的结果，编码器减少输入信号，让硬件电路和软件编程简化、功能主要是采集信息确定轿厢位置和加减速控制。第二章 可编程序控制器以及编码器的概述2.1三菱FX2NPLC的主要特点可编程序控制器其实就是一个程序包的单元型，其采用装卸式端子台，可以元件解释，可以使用键盘保护程序，内装RUN/STOP开关和程序存储器，具有时钟功能，采用RUN写入，有丰富的输出和输入扩展设备以及丰富的特殊扩展设备，具有简便的应用指令群和高速处理功能。此外，可编程控制器还具有以下特点：抗干扰能力强、可靠性高，通用性好、接线简单，功能完善，设计、施工和调试的周期短，体积小、扩展灵活、维护方便，编程语言简单、易掌握，输入/输出接口电路已设计好、输出驱动能力强等。2.2三菱FX2NPLC系统的组成PLC是一种自动化程度极高的自动控制装置，它以微处理器为核心。当然它也由硬件系统和软件系统两大部分组成的，即PLC有有形的看得见摸得着的实体部分，而另一部分则是软件部分，软件部分是PLC不可或缺的部分，其由系统程序和用户程序两部分组成。2.2.1PLC的硬件结构一套PLC系统在硬件上由IO扩展单元、外部设备单元及基本单元组成，其中基本单元包含中央处理单元、存储器单元、输入输出接口单元以及内部电源单元。图2-1为PLC的硬件结构图。输入电路CPUEPROMRAM 输出电路基本单元内部电源扩展I/O接口各种外设接口输出信号现场输入信号主机编程器打印机PC机 输入电路输出电路扩展单元输出信号扩展连接电缆 至其他扩展单元现场输入信号图2-1 PLC的硬件结构图2.2.2PLC的软件PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。2.3三菱FX2NPLC的工作方式2.3.1PLC的扫描工作方式 开始 内部处理 通信处理RUN方式？ 输入扫描 程序执行 输出处理NY 图2-2 PLC的扫描过程2.3.2PLC的程序执行过程输入采样、程序执行和输出刷新一般是PLC的程序的执行过程的三个主要阶段，如图2-3所示。2.4编码器编码器（encoder）就是把位移或速度等物理量转变成电信号的电子器件。根据工作原理可分绝对式和增量式两类，前者主要是将位移通过测量器件转换成周期的电信号，通过周期变化的脉冲的个数来表示位移量，后者是在运行范围之内没一个位置设定一个准确的数字码，测量值与起始点和终点有关和过程无关。按对位移测量的不同可分为旋转式和直线式，然而前者主要测量角位移后者主要测量直线位移。图2-3 PLC的程序执行过程输入端子输入映象寄存器输出映像寄存器输出锁存器输出端子输入 .输出程序执行阶段输入采样阶段输出刷新阶段X001Y001Y001M1读读2.4.1电梯编码器工作原理电梯编码器可以说是一个安装在电机轴上的传感器，它可以获得四组正弦波信号A、B、C、D，因为旋转编码器转动一周为360度，一周由四相信号组成，所以每相之间相差90度的相位。为了稳定信号，所以把C、D信号取反后加在A、B两相上。设定每转输出一个脉冲代表零位参考位，由于A、B两相相位仅相差90度，电机正转和反转可以通过A、B两相相位前后判断，通过零脉冲可以获得编码器零位参考位置。2.4.2编码器与PLC的连线 电梯编码器主要安装在电动机轴上，是一种光电式旋转测量装置，电梯编码器可以发出脉冲个数伴随着电动机的转动，之后把被测角位移转换成脉冲数字信号。而PLC直接可以识别这种信号，因此可以将电梯编码器的输出脉冲信号直接传输到PLC中，利用PLC内部高速计数器进行对脉冲信号计数，在经过内部进一步转换得到测量结果。2.4.3电梯编码器相关问题本设计采用旋转编码器脉冲进行电梯楼层定位，所用型号为OVW2-06-2MHC的旋转编码器，脉冲为600脉冲/r，DC24V电源。采用600P的电梯编码器，4极电动机的转速按1500r/min；则50Hz时的每秒脉冲个数： 设电梯每层相隔75000个脉冲，则具体分析数据图如图2-4所示： 平层脉冲个数：300000 向上运行减速脉冲个数：285000 向下运行减速脉冲个数：240000 平层脉冲个数：225000 向上运行减速脉冲个数：210000 向下运行减速脉冲个数：165000 平层脉冲个数：150000 向上运行减速脉冲个数：135000 向下运行减速脉冲个数：90000 平层脉冲个数：75000 向上运行减速脉冲个数：60000 向下运行减速脉冲个数：15000 平层脉冲个数：0图2-4 数据分析图第三章 电梯控制系统的硬件连接以及软件设计3.1 电梯模型结构3.1.1电梯模型的主体结构与控制柜升降电机、轿厢、滑轮、钢丝绳以及行程开关是电梯主体的主要构成单元。升降电机是交流可逆电动机，钢丝绳上套着轿厢，由于电动机带动着钢丝绳正转或反转，那么轿厢对应就会上升或下降。TCP/IPRS232电梯控制柜 继电器/接触器FX2N 48MR PLC开关电源LED显示电路RS42212345配重 电梯控制柜轿厢电机减速器图3-1 五层电梯的简化模型和控制柜示意图3.1.2电梯层门为了确保货物和乘客的安全，所以在各层楼的停靠站，通向井道的入口处都设置了电梯层门。图3-2为电梯层门示意图。ZXF图3-2 电梯层门示意图3.2 PLC的外部接线图图3-3 PLC的外部接线图3.3电梯各个环节的设计PLC的I/O地址分配如表表3-1 PLC的I/O地址分配 输入 输出C235计数端X0五层位置显示灯5ZDY0一层上召唤按钮1ASZX1四层位置显示灯4ZDY1二层上召唤按钮2ASZX2三层位置显示灯3ZDY2二层下召唤按钮2AXZX3二层位置显示灯2ZDY3三层上召唤按钮3ASZX4一层位置显示灯1ZDY4三层下召唤按钮3AXZX5一层上召唤指示灯1SZDY5四层上召唤按钮4ASZX6二层上召唤指示灯2SZDY6四层下召唤按钮4AXZX7三层上召唤指示灯3SZDY7五层下召唤按钮5AXZX10四层上召唤指示灯4SZDY10一层轿内按钮指令1ANX11二层下召唤指示灯2XZDY11二层轿内按钮指令2ANX12三层下召唤指示灯3XZDY12三层轿内按钮指令3ANX13四层下召唤指示灯4XZDY13四层轿内按钮指令4ANX14五层下召唤指示灯5XZDY14五层轿内按钮指令5ANX15上行接触器SCY15下行接触器XCY16电梯上升箭头Y17电梯下降箭头Y20电梯上升Y21电梯下降Y223.3.1上下行指示灯环节图3-4 上下行指示灯环节3.3.2楼层信号写入环节图3-5 楼层信号写入环节3.3.3呼叫信号写入环节图3-6 呼叫信号写入环节3.3.4自动选向控制环节图3-7 自动选向控制环节3.3.5电梯方向指示环节图3-8 电梯方向指示环节3.3.6编码器控制环节图3-9 编码器控制环节3.3.7电梯上升环节图3-10 电梯上升环节3.3.8电梯下降环节图3-11 电梯下降环节第四章 电路的仿真4.1上下行指示灯环节假设电梯现在停在四层，则M4为ON，Y1为ON，由I/O地址分配表可知，四层位置显示灯4ZD亮。图4-1 上下行指示灯环节4.2楼层信号写入环节假设电梯现在停在一层，则上行接触器SC和下行接触器XC均为OFF。当乘客按下3AN和5AN时，则X13为ON，X15为ON，即3层和5层的轿内指令被登记。图4-2 楼层信号写入环节4.3自动选向控制信号环节本设计采用的是单轿厢全集选操作方式即控制室记录所有轿厢内以及厅外的召唤，上行时应答所有的上行召唤，直到最高层自动返回时才应答所有的下行的召唤。图中继电器M130和M131分别是控制电梯上下运行的中间继电器，它们将直接控制着方向输出继电器Y15和Y16的ON或OFF状态，进而决定继电器SC或XC，从而控制电梯的上行或下行。假设电梯停在一层，乘客欲到三层和五层，则按下3AN和5AN，则X13为ON，X15为ON，所以M114为ON，M112为ON。又因为此时电梯停在一层，Y4为ON。由图可知其动断触点打开，于是已处于闭合状态的M114和M112只能使M130为ON，所以电梯选择了上行方向。图4-3 自动选向控制信号环节4.4呼入信号写入环节 假设电梯停在一层，现有一层和四层的乘客欲上行，则分别按下1ASZ和4ASZ。此时二层厅外还有乘客欲下行，则按下2AXZ。于是图中X1,、X6和X3均为ON，所以Y5为ON，Y10为ON，Y11为ON，分别使召唤指示灯1SZD、4SZD和2XZD亮。图4-4 呼入信号写入环节4.5电梯的方向指示环节中间继电器M17和M20分别控制Y17和Y20，从而控制电梯上升或者下降的箭头的显示。图4-5 电梯的方向指示环节4.6编码器控制环节 辅助继电器M8000控制C235计数。图4-6 编码器的控制环节4.7电梯的上升环节图4-7 电梯的上升环节4.8电梯的下降环节图4-8 电梯的下降环节结 论通过这几个月的学习和图书馆书籍的阅读以及老师对我的指导，使我对PLC这门技术有了一定的了解,还有对编码器及其工作原理有了一定的认识。我相信这将对我以后的学习和工作奠定了良好的基础。为了提高电梯的性能，改变以往的继电器-控制器系统，并且为了能够更好地实现电梯的平层问题，本文设计的五层简易电梯是基于PLC和编码器的。在此系统中具有上下行指示灯环节、楼层信号写入环节、呼入信号写入环节、自动选向控制环节、电梯方向指示环节、编码器控制环节以及电梯上升环节和电梯下降环节。采用感应弹簧控制时，每一层都得安装感应弹簧用来感应楼层位置的变化；而采用利用编码器控制时，只需要一个并且将其安装在电动机的轴上即可。由此可见，用编码器代替以前的感应弹簧减少了PLC的输入点，继而提高了PLC的资源利用率，并且用编码器能够更准确地控制电梯的平层问题。参考文献1 岳庆来.变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术.北京.机械工业出版社.2006.2 王俭 龙莉莉.建筑电气控制技术中国建筑工业出版社.1998. 3 陈家盛.电梯结构原理及安装维修.机械工业出版社.2000.4 蔡杏山PLC、变频器入门知识与实践课堂.北京.电子工业出版社.2011:2-20 5 陈在平.可编程控制器技术与应用系统设计M.北京.机械工业出版社.2002.6 徐忱等.旋转编码器原理及应用黑龙江科技信息2007 年第 17 期7 Meng Xiangde,Li Lishun.Control System Design of Palletized Loading System Based on PLC and Fuzzy Control Technology Control System Design of Palletized Loading System Based on PLC and Fuzzy Control Technology8Elector 400 Incremental and Absolute Eneoder9.catalogue 19971998：28-29.9Lin Yao,Yanbin Liu,Taichao Chen.Integrated Test System Based on Instrument Control Technology for Elevator Control Cabinet.2010.10 李锡伟.试论电梯节能改造技术及发展趋势.大科技.2011.11 初航.零基础学三菱FX系列PLCM.机械工业出版社.2010.12 可编程序控制器及其应用M.中国劳动社会保障出版社.2007. 13 谢克明,夏路易.可编程控制器原理与程序设计M.北京.电子工业出版社.2003. 14 杨公源.可编程控制器（PLC）原理与应用M.北京.电子工业出版社.2004. 22 附录：各个环节的指令 1.上下行指示环节 2.楼层信号写入信号环节 27 3.自动选向控制信号环节 4.呼入信号写入环节5.编码器控制环节6.电梯的方向指示环节 7.电梯的上升环节 8.电梯的下降环节谢 辞本论文是在刘老师悉心指导下完成的。谨向刘老师致以最诚挚的谢意。刘老师严谨的治学态度、渊博的知识、对科学的执着追求、高度的敬业精神和宽厚的师长风范为我树立了榜样，堪为我一生学习之楷模。从论文的选题到论文的撰写，无不倾注着刘老师的细心指导和不懈的支持。再次向刘老师表示深深的谢意！论文进行过程中得到了班上一些同学的帮助，在与他们的讨论过程中得到了很多解决实际问题的方法，在此对他们表示感谢！深深感谢我的家人对我学习上的支持和生活上无微不至的关怀！最后，向所有评阅论文的老师们一并致以诚挚的谢意，感谢你们脱开繁忙的事务，为我审阅论文。谢谢！