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基于三菱FX2N的电梯控制 毕业论文.doc
前言
近期我国的经济发展越来越快，人民的生活水平迅速提高，住房工作条件越来越好。电梯作为建筑内重要的垂直交通工具，与我们的生活有着越来越紧密的关系。传统的电梯采用接触器来实现电动机状态的改变，此外控制系统由继电器接触器控制逻辑组成，因此存在元件多、功能弱、故障频繁、可靠性差及工作寿命短等诸多缺点。为了提高电梯系统的性能，保证其运行的可靠安全，电梯控制系统越来越多的采用PLC控制。PLC控制较继电器控制有着许多的优点，同时，鉴于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已渐渐过渡到了交流变频调速，满足乘客的舒适感，保证平稳的精度，降低能耗，节省运行开支，节约能源。
本次设计的研究题目是“基于PLC的六层电梯控制系统”，主要是利用PLC及其软件来实现电梯信号的控制，其控制系统的核心为PLC。课题开发的主要任务和内容是：（1）电梯运行指定位置后具有手动或自动开/关门的功能。（2）利用指示灯显示电梯轿厢外的呼唤信号、电梯轿厢内的指令信号和电梯的到达信号。（3）能自动判断电梯的运行方向，并发出响应的指示信号。（4）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；电梯反转，电梯下降。（5）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。（6）每一层楼设有呼叫按钮；轿厢内设有开关轿厢门按钮；轿厢内的层面指令按（7）电梯启动、运行、到站实现速度的调节。（8）行车时，厅门和轿厢都不能开门。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。达到的要求是：通过深入的研究和编程实践，全面认真的完成上述内容。
本次课题的核心问题有两个：一是运行效率和安全性的要求；二是利用PLC实现电梯信号的控制。对于第一个的问题，我采用的是三菱公司的FX2N型可编程控制器。第二个问题，根据这次设计所需要达到的要求以及PLC顺序执行程序的特点来编写PLC程序。
第一章 绪论
1.1 电梯的概述
据有关资料表明，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。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，结束了用人力运送重物的历史。1765年瓦特发明蒸汽机后，1858年美国研制出以蒸汽为动力，通过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯。1878年英国的阿姆斯特朗发明了水压梯，淘汰了蒸汽梯。后又出现了液压泵和控制阀以及直接柱塞式和侧柱塞式结构的液压梯。这种液压梯至今仍为人们所采用。
电梯发展兴盛的根本原因在于采用了电力作为动力来源。18世纪末发明了电机，随着电机技术的发展，19世纪初开始使用交流异步单速和双速电动机作动力的交流电梯，尤其是交流双速电动机的出现，改善了电梯的工作性能。在20世纪初，美国奥的斯电梯公司首先使用直流电动机作为动力，生产出以槽轮式驱动的直流电梯，从而为后来的高速度、高行程电梯的发展奠定了基础。20世纪30年代，美国奥的斯电梯公司为纽约市的102层摩天大楼制造和安装了74台速度为
电梯主要由轿厢、配重、曳引机、控制柜／箱、导轨等主要部件组成。电梯在运行的过程中有起点站也有终点站。起点站设在一楼，终点站设在最高楼。各站的厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮。
电梯的运行工作情况和汽车有共同之处，只是电梯的自动化程度比较高，一般电梯的乘用人员只需通过操纵箱上的按钮向电气控制系统下达一个指令信号，电梯就能自动关门、定向、起动、在预定的层站平层停靠开门。
乘客电梯的运行工作情况类似公共汽车，在起点站和终点站之间往返运行，在运行方向前方的停靠站上有顺向的指令信号时，电梯到站能自动平层停靠开门接乘客。而载货电梯的运行工作情况则类似卡车，执行任务为一次性的，乘用人员控制电梯上下运行时一般一次只能下达一个指令任务，当一个指令任务完成后才能再下达另一个指令任务。在执行任务的过程中，从一个层站出发到另一个层站时，若中间层站出现顺向指令信号，一般都不能自动停靠，所以载货电梯的自动化程度比乘客电梯低。
本设计主要研究单台六层电梯的PLC控制方法，分述其电气设计和软件设计过程。
电梯控制系统主要由电力拖动部分和电气控制部分组成。
1）电力拖动部分
电梯主拖动类型有直流电动机拖动、交流电动机拖动、直流发电机－电动机组供电（G－M）拖动、晶闸管供电（SCR－M）的直流拖动和交流双速电动机拖动、交流调压调速（AVCC）拖动、交流变频调速（VVVF）等。为得到较好的舒适感，要求曳引电动机在选定的调速方式下，电动机的输出转矩总能达到负载转矩的要求。考虑到电压的波动、导轨不够平直造成的运动阻力增大等因素，电动机转矩还应有一定的裕度。
2）电气控制部分
电气控制系统由控制柜、操纵箱、层楼指示、召唤箱及曳引电动机等几十个分散安装在电梯井道内外和各相关电梯部件中的电器元件构成。电气控制系统通过电路控制电力拖动系统工作程序，完成各种电气动作功能，保证电梯安全运行。
电梯一般是由电动机来拖动的，其运行过程大多包括启动、正（反）转、停止等，这整个过程是由电气控制系统来完成。电梯电气控制系统与电力拖动系统比较，变化范围比较大。
电气控制系统决定着电梯的性能、自动化程度和运行可靠性。PLC以其体积小、功能强、故障率低、寿命长、噪声低、维护保养简便、修改逻辑灵活、程序容易编制，易联成控制网络等诸多优点得到了广泛的应用。
1.2 电梯继电器控制的特点及存在的问题
（1）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，适合一般技术人员和技术工人。
（2）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。
（3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格便宜。
（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，熟悉掌握的人员较多。
（1）系统触点多，接线复杂，且触点易烧坏磨损，造成接触不良，故障率较高。
（2）普通控制电器及硬件接线方法难以满足较复杂的控制功能
（3）电磁机构及触点动作缓慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。
（4）系统结构庞大，能耗高，机械动作噪音大。
（5）线路复杂，易出现故障，保养维修工作量大，费用高；且检查故障困难，费时费工。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。
1.3 PLC及其电梯PLC控制的特点
PLC实质上属于计算机控制方式，与普通微机一样。以通用或专用 CPU 作为字处理器，实现字运算和数据存储，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。
1、可靠性：对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。
（1）PLC无需大量的活动元件和接线电子元件
（2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计
（3）PLC有较高的易操作性，编程简单，操作方便，维修容易
（4）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件，采用精简化的编程语言
（5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。
（6）在PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。
2、易操作性:PLC 的易操作性表现在下列几个方面：
（1）操作方便
（2）编程方便
（3）维修方便
3、灵活性:PLC的灵活性表现在以下几个方面：
（1）编程的灵活性。
（2）扩展的灵活性。
（3）操作的灵活性。
（1）采用PLC控制电梯，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。
此外，PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期短等优点，倍受人们重视，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。
1.4 课题的提出
以前的电梯控制都采用的是继电器控制，线路复杂，故障率高，系统庞大，能耗较高，噪声大，严重影响电梯运行的质量。而且对于电梯的更新需要大量的资金，对于单一的单位来说还是比较困难的。所以只能对电梯的控制方式加以改进。近年来，采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯，取得了良好效果。利用 PLC 和变频器对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。
1.5 课题的主要讨论内容
这次课题所讨论的内容主要是利用PLC编程来控制电梯的运行。由于老式的电梯大部分控制可靠性欠佳，用户希望对电梯进行改进以节约资金。因此找出一种合适的改进方法，提高电梯运行的可靠性和安全性，具有十分重要的意义。
针对老式电梯采用继电器控制时所出现的功能弱、故障多、可靠性差及使用寿命短等缺点，采用具有功能强、故障少、可靠性高及使用寿命长等优点的PLC进行控制。
论文的主要内容如下：
首先对电梯做一个大体的介绍，了解电梯的发展历史、工作情况及控制系统组成；接着阐述PLC的特点，并将其与继电器进行比较；然后全面介绍可编程控制器FX2N；在了解了这些之后选择交流双速电机进行调速，画出主电路图；利用PLC编程实现电梯信号控制；对于硬件的开发，对PLC进行选型，完成I/O接口的分配和连接，画出软件流程图和梯形图；最后进行调试以达到预期的效果。
1.6 电梯的功能要求
1）电梯运行指定位置后具有手动或自动开/关门的功能。
2）利用指示灯显示电梯轿厢外的呼唤信号、电梯轿厢内的指令信号和电梯的到达信号。
3）能自动判断电梯的运行方向，并发出响应的指示信号。
4）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；电梯反转，电梯下降。
5）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。
6）每一层楼设有呼叫按钮；轿厢内设有开关轿厢门按钮；轿厢内的层面指令按
7）电梯启动、运行、到站实现速度的调节。
8）行车时，厅门和轿厢都不能开门。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。
第二章 三菱FX2N可编程控制器介绍
2.1 可编程控制器的基础认识
1. 三菱FX2N的PLC主要特点：
1)集成型高性能。CPU、电源、输入输出三为一体。
2)高速运算
基本指令：0.08μs／指令
应用指令：1.52～几百μs／指令
3)安全、宽裕的存储器规格
内置8000步RAM存贮器
安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。
4)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点
5)除了具有输入输出16～256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。
6)面向海外的产品适合各种安全规格
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点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。
(2)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。
(3)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。
(4)功能扩展能力
可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如A／D模块、D／A模块、位置控制模块等。
(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
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是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
1) PLC的硬件结构
一套PLC系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入／输出接口、内部电源）、I／O扩展单元及外部设备组成。
2)PLC的软件
PLC的软件系统指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。系统程序：包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。
2.2 可编程控制器的工作方式
1、PLC的扫描工作方式：
可编程序控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重要进行。可编程序控制器工作时的扫描过程如图2-1所示，包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。
Y N 开始 内部处理 通信处理 输入扫描 程序执行 输出处理 RUN方式？
图2-1 PLC的扫描过程
2. PLC的程序执行过程
PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如图2-2所示。
输入 输出 程序执行阶段 输入采样阶段 输出刷新阶段 X001 Y001 Y001 M1 读 读 ① ② ③ ④ ⑤
图2-2 PLC的程序执行过程
3. PLC的扫描周期
在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。
4. PLC的I／O响应时间
PLC采用集中I／O刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了PLC的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为2-3个扫描周期。
2.3 可编程控制器的编程语言
PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两种语言用得较多，顺序功能图语言也在许多场合被采用。本课题所采用的编程语言为梯形图语言。
2.4 可编程控制器与继电器在电梯控制中的应用比较
在电梯的电气系统中，逻辑判断起着主要的作用，其控制系统必须起动各种控制信号和执行元件（如接触器、继电器、发光指示器、电动机以及电子元件、电力电子器件等），要达到这些控制目的，其方法有：
1. 继电器—接触器控制系统
这种控制系统是早期电梯多采用的一种控制系统。优点：与其它控制系统比较，其简单、易于理解和掌握、价格便宜。缺点：动合触点易磨损，且电接触不良；体积大；控制系统耗能大、动作噪声大；维修保养工作量大、费用高。因此这种控制系统仅用于速度不高、性能要求也不高的电梯中。
2. PLC控制系统
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