1、1课题名称：三层电梯的电气控制及 PLC 实现课题来源及要求：电梯运动包含电梯上下运动以及电梯门的开关运动，电梯只有处在需停的楼层，方能进行电梯门的开关控制，电梯的上下运动必须在电梯门关合好后方可运动。课题来源：老师设计要求：1、列出所有按钮，并说明出其功能；2、电梯楼层显示系统要有；3、电梯状态要有；4、有合理的电气方案及 PLC 实现方案。2三层电梯的电气控制及 PLC 实现正文一、引言 可编程控制器（ProgrammableLogicController，简称 PLC）作为工业控制专用的计算机，由于其结构简单、性能优良，抗干扰性能好，可靠性高，编程简单，调试方便，在机械、化工、橡胶、电力
2、、石油天然气等行业工业控制现场已日趋广泛地得到应用，成为工控现场进行实时控制的最主要的控制装置。同时利用 PLC 所具有的串行通信和计算机的远程通信功能，可实现计算机对多台 PLC 控制装置的远程集中监控。（一）PLC 的产生与发展PLC 的产生是工业发展的迫切需要和计算机技术的快速进步共同作用的结果。传统的电气控制装置是继电器接触器控制系统。继电器接触器控制系统采用的是固定接线方式，控制系统的功能决定与接线方式。生产过程有了变动，控制系统的功能需要相应改变，这就必须重新设计接线和重新安装、调试。随着市场竞争越来越激烈，市场对产品的需求呈现出多品种、小批量、高质量和更新换代快的特点。与此相适应
3、，生产工艺和生产设备的功能要随之改进，控制系统接线也要不断改造。20 世纪 60 年代，随着电子技术在自动控制领域中的应用，出现了由分立元件和中小规模集成电路构成的逻辑式顺序控制器，由于使用不够灵活而没能推广应用。1968 年，美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断更新和生产工艺不断改进的需求，提出新一代控制器应具备简单、灵活和可靠等一些主要特性。1969 年，美国数字设备公司（DEC 公司）据此研制出世界上第一台可编程序控制器 PDP-14，并在 GM 公司的汽车生产线上试用成功，PLC 从此诞生。在 20 世纪 70 年代，出现了微处理器，微处理器被应用于 PLC，使 PLC 发生了
4、巨大的变化。总之，PLC 是专门为工业环境应用而设计和制造的计算机，具有使用简单、灵活和可靠等优点，是将计算机技术、自动控制技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。（二）PLC 的特点灵活性好，编程简单；可靠性搞，适应工业环境；安装简单，使用方便；功能日益强大等特点。（三）PLC 的主要用途开关量逻辑控制，模拟量控制，运动控制，联网通信等。(四)PLC 的发展趋势向微型化发展，向集成化、网络化发展，向开放型转变等。3二、PLC 的硬件组成 （一）、处理器(CPU)CPU 是 PLC 的核心，在很大程度上决定了 PLC 的整体性能。CPU 由运算器、控制器、寄存器和各种总线构成，这些电路一般都
5、集成在一块芯片上。CPU 通过抵制总线、数据总线和控制总线与存储器、输入/输出接口电路相连接。CPU具有逻辑运算、算术运算和协调控制功能。从执行程序功能角度看，CPU 主要完成下面的功能：(1)从存储器中读取指令。CPU 从地址总线上给出存储地址，从控制总线上给出上给出读命令，从数据总线上得到读出的指令，并存入 CPU 内的指令寄存器中。(2)执行指令。CPU 对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作，如读取输入信号、取操作数、进行逻辑运算或算术运算等，将结果输出，驱动现场设备。(3)准备取下一条指令。CPU 执行完一条指令后，能根据条件产生下一条指令的地址，以便取出和执行
6、下一条指令。在 CPU 的控制下，程序的指令既可以顺序执行，也可以分支或跳转。(4)处理中断。CPU 除顺序执行程序外，还能接收输入/输出接口发来的中断请求，并进行中断处理，中断处理结束后，再返回原址，继续顺序执行。(二) 、元件介绍1、交流接触器 (1).交流接触器主要的组成a.电磁系统,包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；b.触头系统,包括三副主触头和两个常开、两个常闭辅助触头,它和动铁芯是连在一起互相联动的；c.灭弧装置,一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置,以便迅速切断电弧,免于烧坏主触头；d.绝缘外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。(2).交流接触器的工作原理当线圈通电时，
7、静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失,动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源。(3).交流接触器的分类交流接触器的种类很多，其分类方法也不尽相同。按照一般的分类方法，大致有以下几种。4a.按主触点极数分 可分为单极、双极、三极、四极和五极接触器。单极接触器主要用于单相负荷，如照明负荷、焊机等，在电动机能耗制动中也可采用；双极接触器用于绕线式异步电机的转子回路中，起动时用于短接起动绕组；三极接触器用于三相负荷，例如在电动机的控制及其它场合，使用最为广泛；四极接触器主
8、要用于三相四线制的照明线路，也可用来控制双回路电动机负载；五极交流接触器用来组成自耦补偿起动器或控制双笼型电动机，以变换绕组接法。b.按灭弧介质分 可分为空气式接触器、真空式接触器等。依靠空气绝缘的接触器用于一般负载，而采用真空绝缘的接触器常用在煤矿、石油、化工企业及电压在 660V 和 1140V 等一些特殊的场合。c.按有无触点分 可分为有触点接触器和无触点接触器。常见的接触器多为有触点接触器，而无触点接触器属于电子技术应用的产物，一般采用晶闸管作为回路的通断元件。由于可控硅导通时所需的触发电压很小，而且回路通断时无火花产生，因而可用于高操作频率的设备和易燃、易爆、无噪声的场合。2、时间继
9、电器时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。(1).时间继电器原理在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器 ,它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。凡是继电器感测元件得到动作信号后，其执行元件（触头）要延迟一段时间才动作的继电器称为时间继电器(2).时间继电器类型及特点a.空气阻尼式时间继电器又称为气囊式时间继电器，它是根据空气压缩产生的阻力来进行延时的，其结构简单，价格便宜，延时范围大（0.4180s） ，但延时精确度低。b.电磁式时间继电器延时时间短（0.31.6s） ，但它结构比较简单，通常用在断电延时场合和直流电路中
10、。c.电动式时间继电器的原理与钟表类似，它是由内部电动机带动减速齿轮转动而获得延时的。这种继电器延时精度高，延时范围宽（0.472h） ，但结构比较复杂，价格很贵。d.晶体管式时间继电器又称为电子式时间继电器，它是利用延时电路来进行延时的。这种继电器精度高，体积小。3、熔断器熔断器是一种过电流保护电器。熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等组成。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，起5到保护的作用。（1）.熔断器分类.螺旋式熔断器 RL：在熔断管装有石英砂，熔体埋于其中，熔体熔断时，电弧喷向石英砂及其
11、缝隙，可迅速降温而熄灭。为了便于监视，熔断器一端装有色点，不同的颜色表示不同的熔体电流，熔体熔断时，色点跳出，示意熔体已熔断。螺旋式熔断器额定电流为 5200A，主要用于短路电流大的分支电路或有易燃气体的场所。.有填料管式熔断器 RT：有填料管式熔断器是一种有限流作用的熔断器。由填有石英砂的瓷熔管、触点和镀银铜栅状熔体组成。填料管式熔断器均装在特别的底座上，如带隔离刀闸的底座或以熔断器为隔离刀的底座上，通过手动机构操作。填料管式熔断器额定电流为 501000A，主要用于短路电流大的电路或有易燃气体的场所。.无填料管式熔断器 RM：无填料管式熔断器的熔丝管是由纤维物制成。使用的熔体为变截面的锌合
12、金片。熔体熔断时，纤维熔管的部分纤维物因受热而分解，产生高压气体，使电弧很快熄灭。无填料管式熔断器具有结构简单、保护性能好、使用方便等特点，一般均与刀开关组成熔断器刀开关组合使用。 .有填料封闭管式快速熔断器 RS：有填料封闭管式快速熔断器是一种快速动作型的熔断器，由熔断管、触点底座、动作指示器和熔体组成。熔体为银质窄截面或网状形式，熔体为一次性使用，不能自行更换。由于其具有快速动作性，一般作为半导体整流元件保护用。 （2）.熔断器在电动机中的应用 单台直接起动电动机 熔体额定电流(1.52.5)电动机额定电流。多台直接起动电动机 总保护熔体额定电流(1.52.5)各台电动机电流之和。降压起动
13、电动机 熔体额定电流(1.52)电动机额定电流。绕线式电动机 熔体额定电流(1.21.5)电动机额定电流。4、热继电器：热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失 电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。(1)、热继电器的作用是： 主要用来对异步电动机进行过载保护，他的工作原理是过载电流通过热元件后， 使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将电动机控制电路断开实现电动机断电停车，起到过载保护的作
14、用。鉴于双金属片受热弯曲6过程中，热量 的传递需要较长的时间，因此，热继电器不能用作短路保护，而只能用作过载保护(2)、热继电器的选择方法热继电器主要用于保护电动机的过载，因此选用时必须了解电动机的情况，性质、工作如工作环境、启动电流、负载制、允许过载能力等。1、原则上应使热继电器的安秒特性尽可能接近甚至重合电动机的过载特性，或者在电动机的过载特性之下，同时在电动机短时过载和启动的瞬间，热继电器应不受影响( 不动作) 。 2、当热继电器用于保护长期工作制或间断长期工作制的电动机时，一般按电动机的额定电流来选用。例如，热继电器的整定值可等于 0.951.05 倍的电动机的额定电流，或者取热继电器
15、整定电流的中值等于电动机的额定电流，然后进行调整。 3、当热继电器用于保护反复短时工作制的电动机时，热继电器仅有一定范围的适应性。如果短时间内操作次数很多，就要选用带速饱和电流互感器的热继电器。 4、对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机，不宜采用热继电器作为过载保护装置，而应使用埋人电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。三、 三层电梯的电气控制及 PLC 实现1、简单的电梯模型72、主电路的系统设计8主电路控制系统如图 a 所示，其中，电梯的上升和下降，电梯的开门和关门控制分别通过两台电动机 M1、M2 的正反转来控制的。图 a 主电路控制系统原理图图 a 中，接触器 KM1、KM2 控制
16、电动机 M1 的正、反转，实现电梯的上升和下降，接触器 KM3、KM4 控制电动机 M2 的正、反转，实现电梯的开门和关门。3、控制电路的系统设计控制电路控制系统如图 b 所示工作原理及运动过程分析：控制电路可分为两部分，第一部分是电动机 M1 的控制电路，第二部分是电动机M2 的控制电路。其中，都是由电动机 M1、M2 的正反转电路组成。（1）.当电梯停在一层时，行程开关 SQ1 闭合，如果二层有人呼叫，开关 SB3闭合，中间继电器 KA1 线圈得电，KA1 的常开触点闭合，使电梯上升接触器 KM1的线圈得电,电梯向上运动，到达二层时，SQ2 的常闭触点断开，线圈 KM1 失电，此时电梯开门
17、接触器 KM3 线圈得电，电梯门打开，接通时间继电器 KT，30s 后，KT 的常开触点闭合，电梯关门接触器 KM4 线圈得电，电梯门关闭。如果按SB6，电梯下降接触器 KM2 的线圈得电，电梯向下运动，到一层时电梯门打开。如果按 SB8，电梯上升接触器 KM1 的线圈得电，电梯向上运动，到三层时电梯门打开。（2）. 当电梯停在一层时，行程开关 SQ1 闭合，如果三层有人呼叫，9开关 SB4 闭合，电梯上升接触器 KM1 的线圈得电，电梯向上运动，到达三层时，SQ3 的常闭触点断开，线圈 KM1 失电，此时电梯开门接触器 KM3 线圈得电，电梯门打开，接通时间继电器 KT，30s 后，KT 的
18、常开触点闭合，电梯关门接触器KM4 线圈得电，电梯门关闭。按 SB6, 电梯下降接触器 KM2 的线圈得电，电梯向下运动，到一层时电梯门打开。（3）. 当电梯停在二层时，行程开关 SQ2 闭合，如果三层有人呼叫，开关 SB4闭合，电梯上升接触器 KM1 的线圈得电，电梯向上运动，到达三层时，SQ3 的常闭触点断开，线圈 KM1 失电，此时电梯开门接触器 KM3 线圈得电，电梯门打开，接通时间继电器 KT，30s 后，KT 的常开触点闭合，电梯关门接触器 KM4 线圈得电，电梯门关闭。如果按 SB6，电梯下降接触器 KM2 的线圈得电，电梯向下运动，到一层时电梯门打开人出，30s 后电梯关门接触
19、器 KM4 线圈失电，电梯门关闭。如果按 SB7，中间继电器 KA3 得电，KA3 的常开触点闭合，中间继电器 KA2 得电，电梯下降接触器 KM2 的线圈得电，电梯向下运动，到二层时电梯门打开人出，30s 后电梯关门接触器 KM4 线圈失电，电梯门关闭。（4）. 当电梯停在三层时，行程开关 SQ3 闭合，如果一层有人呼叫，开关 SB1闭合，电梯下降接触器 KM2 的线圈得电，电梯向下运动，到一层时 SQ1 的常闭触点打开，电梯停止向下运动，此时电梯开门接触器 KM3 线圈得电，电梯门打开，接通时间继电器 KT，30s 后，KT 的常开触点闭合，电梯关门接触器 KM4 线圈得电，电梯门关闭。如
20、果按 SB7，中间继电器 KA3 得电，KA3 的常开触点闭合，中间继电器 KA2 得电，电梯下降接触器 KM2 的线圈得电，电梯向下运动，到二层时电梯门打开人出，30s 后电梯关门接触器 KM4 线圈失电，电梯门关闭。10图 b 控制电路控制系统原理图 11电气原理图如下124、PLC 系统结构设计（1）PLC 选型及地址分配根据该电梯运动的控制要求，其输入/输出及控制信号共有 20 个，其输入信号共有 16 个，输出信号 4 个，在实际使用时，系统的输入大都为开关控制量，拟采用三菱公司 FX1N-40MR 型 PLC，输入输出信号地址分配见表 C。作用 名称 地址一层内部按钮 SB1 X0
21、01二层内部按钮 SB2 X002二层内部按钮 SB3 X003三层内部按钮 SB4 X004一层外部按钮 SB6 X006二层外部按钮 SB7 X007三层外部按钮 SB8 X020电梯开门按钮 SB5 X000电梯关门按钮 SB9 X021一层呼叫按钮 SQ1 X011二层呼叫按钮 SQ2 X012三层呼叫按钮 SQ3 X013电梯开门开关 SQ4 X014电梯关门开关 SQ5 X015电梯上升的接触器 KM1 Y1 电梯下降的接触器 KM2 Y2电梯开门的接触器 KM3 Y3电梯关门的接触器 KM4 Y4热继电器 FR1 X022热继电器 FR2 X023表 C 输入输出信号地址分配表1
22、3(2)、PLC 控制电路设计图 d PLC 控制系统 I/O 端口接线图图 d 为电梯运动的控制系统 I/O 端口接线图，需注意的是，图中对输入的常闭触点进行了处理，即常闭触点改用了常开触点。145、控制系统梯形图编制根据控制要求和 I/O 地址编制，绘制控制系统梯形图如图 e。图 e156、指令语句表根据梯形图编写出指令语句表，如图 f：图 f16四、课程设计总结本课程设计为期一个月，按照要求完成了电气空气与 PLC 的课程设计。其中，先用电气控制系统来设计电梯运动的课题，在采用 PLC 对电梯运动进行了自动控制，简化了电气控制系统的硬件和接线，减少了控制器的体积，进一步提高了控制系统的灵
23、活性。在设计电气控制系统中，采用了电动机的正反转、自锁、行程控制等知识点，结合设计要求所反映出来的运动特性，把这些运动情况分成几个部分，在对每个运动过程加以分析，最后整理思路，画出原理图。其中在电梯开关门时出现了一些问题，到达某一层时电梯门打开后关闭然后又自动打开，对此我认真的思索的一下，然后在电梯开关门的控制电路中加入一个行程开关使问题得以解决。然后采用 PLC 对电气控制进行改造，整理出 IO端口，编辑出接线图，再由原理图绘制出梯形图。最后对两者进行比较，明显可以看出 PLC 有较好的自保护能力，同时也增强了系统的抗干扰能力，提高了系统的稳定性，应用表明，PLC 在今后的应用中会更加广泛。
24、五、结语 此次课程设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了很多。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负
25、的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在此要感谢我的老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。17参 考 文 献1 王炳实. 机床电气控制. 北京：机械工业出版社，2007.2 杨娅萍，陈北莉. 电气控制与 PLC.北京：化工工业出版社，2009.3 百度文库、豆丁网.
