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变频器 PLC 设计电梯门 论文


山西职业技术学院毕业论文

毕 业 设 计(论文)

题目:用 PLC 和变频器设计 电梯轿厢开关门的控制系统

系部: 电气工程与自动化系 专业: 班级: 姓名: 机电一体化 机电 A1003 刘鑫胜

指导教师: 王彦勇

山 西 职 业 技 术 学 院

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山西职业技术学院电气工程与自动化系

毕业设计(论文)任务书

题目名称:用 PLC 和变频器设计电梯轿厢开关门的控制系统

学生学号: 1012100316

指导教师: 王彦勇

学生姓名:

刘鑫胜

学生专业: 机电一体化

山西职业技术学院电气工程与自动化系

2012 年 11 月 30 日

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毕 业 设 计 任 务 书

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开始日期: 答辩日期: 1、设计目的

2012 年 11 月 5 日 2012 年 11 月 30 日

完成日期:

2012 年 11 月 29 日

考核学生对本专业知识的掌握和应用。 2、设计题目 用 PLC 和变频器设计电梯轿厢开关门的控制系统 3、设计内容和要求 内容: 1、按开门按钮 SB1,电梯轿厢门即启动(20HZ),2 秒后即加速(40HZ), 6 秒后即减速(10HZ),10 秒后停止。 2、按关门按钮 SB2,电梯轿厢门即启动(20HZ),2 秒后即加速(40HZ), 6 秒后即减速(10HZ),10 秒后停止。 要求: 1、设计思路 2、变频器设置 3、PLC 的 I/O 分配 4、程序设计 5、系统接线图

4、设计报告要求 1.详细阐述系统功能及控制过程; 2.详细阐述设计过程, 包括根据功能要求确定方案、 器件选型、 设计电路图, 软件编程思路等; 3.采用 AUTOCAD 绘制电路图(包括主回路图,控制电路图, PLC I/O 口分配 等; 4.程序流程图、梯形图; 5.写出设计体会与建议。

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5、进度要求 第一阶段: 第二阶段: 第三阶段: 第四阶段: 第五阶段: 考勤要求: 了解工艺,查阅资料 元器件选型,绘制电路图 设计编程思路,编制程序 总结设计中的问题,得出结论 撰写论文及准备答辩 每周两次讨论 共 6、任务分配 4 周 ( ( ( ( ( 1 1 周) 周)

1 周 ) 3 3 天) 天)

用一周时间的时间了解室内温度控制的工艺流程,并查阅相关 资料。第二周时间设计几个可行的方案,选择最合适的方案及所需要 的单片机类型和温度传感器类型。 最后两周时间,设计硬件电路和软件程序及排版论文。

指导教师签名: 2012 年 月 日

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毕 业 设 计 (论 文)进 度 计 划 表
日期 11 月 5—10 日 工 作 内 容 执行情 况 指导教师签 字

了解电梯的结构及发展前景、意义,并查 阅相关资料。

11 月 10—13 了解 PLC 的组成、分类、应用及选型规则。 日 11 月 14—18 日 11 月 19—22 日 11 月 23—25 日 11 月 26—27 日 11 月 28—29 日 熟悉变频器的功能及其应用。

绘制相关的电路图,以及表格

设计编程思路,列出编程。

总结设计中的缺点及可能的解决方法

总结在设计过程中的心得体会

教师对进 度计划实 施情况 总 评 签名 年 月 日

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目录
摘要 .................................................................... 8 1.绪论 .................................................................. 9 2 论文方案选择及器件简介 ................................................ 9 2.1 本次论文方案选择 ............................................... 9 2.2 器件简介 ...................................................... 10 2.2.1 PLC 简介 ................................................ 10 2.2.2 变频器简介 .............................................. 11 3.电梯门控制系统硬件设计 ............................................... 12 3.1 变频器的选择 .................................................. 12 3.2.PLC 的选择条件及定型: ........................................ 12 3.3 伺服电机的选定: .............................................. 13 3.4 变频器“程序步”转速设计 ...................................... 13 3.4.1 输入控制端的“程序步”功能 .............................. 13 3.4.2 程序步的控制特点 ....................................... 15 3. 5 PLC 控制系统硬件及接口电路设计 ............................... 16 3.5.1 PLC 的 I/O 端口分配表 .................................... 16 3.5.2 PLC 硬件电路设计 ........................................ 16 3.5.3 变频器硬件电路设计 ...................................... 17 4、电梯轿厢门机控制系统软件设计 ........................................ 17 4.1 开门关门环节 .................................................. 17 4.1.1 开门环节电梯主要情况 .................................... 17 4.1.2 关门环节 ................................................ 19 4.2 程序步开关门运行过程 .......................................... 19 5、总结 ................................................................ 20 参考文献 ............................................................... 22 附录-A 附录-B 电梯轿厢门控制系统梯形图 ...................................... 23 电梯轿厢门控制程序指令表 ...................................... 25

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摘要
在现代社会和经济活动中, 计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到 了迅速的发展,电梯已经成为城市物质文明的一种标志。特别是在高层建筑中, 电梯是不可缺少的垂直运输设备。随着高层建筑飞速发展的今天,电梯行业也随 之进入了新的发展时期,电梯控制技术已经发展到了调频调压调速,其逻辑控制 也由 PLC 代替原来的继电器控制, 其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现 的。 在介绍电梯基本结构的基础上,深入分析了电梯的工作原理,阐述了 PLC 的优点及特点,重点分析了电梯的硬件设计和软件设计,研究并提出了基于 PLC 电梯控制系统设计的实现方案,最后对本论文的研究内容进行了总结与展望。 关键词:电梯;变频器;PLC 控制;变频调速

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1.绪论

课题主要研究内容及意义
论文研究的电梯门机控制系统,是一个典型的电机伺服系统,是电梯门开关 的执行机构。 据统计,电梯门开关不正常是现代电梯运行过程中比较容易出现的 故障。随着国民经济的飞速发展,现代化大厦目益增多,电梯成为人们日常生活 工作中不可或缺的工具。电梯的正常运行关系着人身安全,因此,电梯门的开关 不仅要动作可靠、准确,而且还必须运行平稳,反应迅速,动态特性好,这对电 机本身及其控制系统均提出了较高的要求。控制系统的主要技术要求有:适用范 围广, 适用于开门宽度在350mm~2400mm之间的电梯门; 电动机起动、 停止,各段速度的转换要求加减速过程平滑,具有s曲线的加减速过程:门扇运 行各状态点速度可设置。

2 论文方案选择及器件简介

2.1 本次论文方案选择
当前,电梯门机控制系统主要有由交流电机及其VVVF调速系统构成的, 也有少数由单片机结合变频器控制伺服交流电机及其调速系统构成的。 后者除整 套系统的成本较高外,虽然体积小,寿命长,但控制较复杂,对控制系统中的处 理器性能要求较高,而且如果为同步电机,在带载情况下还易出现失步现象。而 后者尽管控制简单,但直流电机体积大,维护困难,寿命短,电刷结构带来电磁 火花,易形成干扰。这些缺陷在电梯实际运行中就表现为电梯门开关不正常,维 护工作量大等困扰操作人员的问题,进一步可造成严重经济损失甚至人身伤害。 此次,结合本人三年专业知识,将使用可编程控制器(PLC),变频器(VVVF) 来控制交流伺服电动机来实现电梯箱门控制系统。

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2.2 器件简介 2.2.1 PLC 简介
可编程控制器(PLC)定义:PLC 是一种数字运算操作的电子装置;专为工业环 境下应用而设计,它采用存储器春初程序,按程序执行逻辑运算,顺序控制,定 时,技术和算术运算等操作,并通过数字式模拟式的输入和输出,控制各种类型 的机械式生产过程。 可编程控制器(PLC)基本结构: PLC 的型号、规格繁多。它主要由中央处理单元 CPU、存储器、输入、输出 等部分组成(如图 2-2 所示) 。

图 2.2

可编程控制器的结构简化框图

PLC 的特点:
1.使用方便,编程简单; 2.功能强,性能价格比高; 3.硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强;

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4.可靠性高,抗干扰能力强; 5.系统的设计、安装、调试工作量少; 6.维修工作量小,维修方便;

2.2.2 变频器简介 (1)变频器的基本结构:
变频器通常分为 4 部分: 整流单元、 高容量电容、 逆变器和控制器。 (如图: 2.3) 整流单元:将工作频率固定的交流电转换为直流电。 高容量电容:存储转换后的电能。 逆变器:由大功率开关晶体管阵列组成电子开关,将直流电转化成不同频 率、宽度、幅度的方波。 控制器:按设定的程序工作,控制输出方波的幅度与脉宽,使叠加为近似 正弦波的交流电,驱动交流电动机。

图 2.3 (2)变频器的工作原理:

变频器的结构简化框图

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的 主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器, 直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器, 其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的 “整流器”,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的 “平波回路”,以 及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 (3)变频器控速特点:

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电动机交流变频调速技术是当今节电改善工艺流程以提高产品质量和改善 环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起、制动 平稳性能,高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围及其它许多优点而 被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

3.电梯门控制系统硬件设计

3.1 变频器的选择 变频器的选择条件:
变频器是变频调速系统的核心设备, 它的质量品质对于系统的可靠性影响很 大。其选型主要满足以下条件: (1)为降低电梯成本,首选通用变频器。 (2)电梯门机的启动和停车都要平稳。 (3)变频器带有防止失速功能。 (4)变频器具有优良的转矩特性。

变频器型号的确定:
电梯的调度要求除了一般工业控制的静态、动态性能外,他的舒适度指标往 往是选择中的一项重要内容。 本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想 的给定速度曲线运行,以改善电梯运行的舒适感;另外,由于电梯在建筑物内的 耗电量占建筑物总用电量的相当比例,因此,电梯节约用电日益受到重视。 考虑以上各种因素,本设计选用本学期所学的富士 FRN30G11S-4 变频器。

3.2.PLC 的选择条件及定型:
在工程应用中可选用的 PLC 机型很多,比如三菱公司的 FX 系列、OMRON 公司的 C 系列、西门子等,它们功能都差不多,在工程应用中各有千秋,至于要选择哪种 机型,就要根据自己的设计需要及应用水平。因为根据轿厢楼层位置检测方法, 要求可编程控制器必须具有高数计数器。又因为电梯是双向运行的,所以 PLC

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还需具有可逆计数器。就本次四层电梯的设计而言,上述三种机型都行,但根据 课本学习和熟悉程度,本次设计采用三菱公司生产的 FX 系列 PLC FX1S-30MR。

3.3 伺服电机的选定:
异步电动机交流调速原理 交流异步电动机是应用最广泛的一种动力机械。 异步电动机所以能得到这样广泛 的应用,是由于它结构简单、制造容易、运行可靠、维护方便,而且效率高、重 量轻、价格低。但异步电动机存在的缺点之一是调速性能差。 此次设计所用的电梯门电动机只是用来拖动门扇,其功率不是太大,并且门机频 繁的起制动,这就要求电动机快速停止,准确定位,往复运转,频繁起动,防止 滑行,且还要有断电抱闸的功能。因此本次设计选用了具有电磁制动功能的 HYD22-180L-0.75.

3.4 变频器“程序步”转速设计
设计所选用的富士 FRN30G11S-4 变频器。

3.4.1 输入控制端的“程序步”功能
(1) 功能含义介绍 变频器可以设定若干步工作频率, 其频率的切换是由外接的开关器件改变输 入端子的状态和组合来实现的。 例如,当端子 X1、X2、X3 被预置为多程序步转速的信号输入端时。通过开 关 KA1、KA2、KA3 的不同组合,可输入 7 个程序步转速的信号,如图 3-3 所示。 转速档次与各输入端子状态之间的关系如表 3-1 所示。 表 3-4 “程序步”输入端子与各步的关系

输入端子状态 X3 (SS4) OFF X2 (SS2) OFF X1 (SS1) ON 1 程序步

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OFF OFF ON ON ON ON (2) 变频器的功能预置

ON ON OFF OFF ON ON

OFF ON OFF ON OFF ON

2 3 4 5 6 7

以富士 FRN30G11S-4 变频器为例,如表 3-5 所示。

表 3-5

变频器功能预置

预置目的

功能码 F01

功能含义 频率设定 运行操作 最高频率 选择 X1 端子 选择 X2 端子 选择 X3 端子 第 1 步运行频率 第 2 步运行频率 第 3 步运行频率 第 4 步运行频率 第 5 步运行频率 第 6 步运行频率

数据码 0 1 50Hz SS1 SS2 SS4

数据含义 键盘面板 由外部端子输入运行 输出最高频率为 50Hz

选择 功能 端子

F02 F03 E01 E02 E03 C05

接点输入型号组合

选择各 程序步 转速 的工作 频率

C06 C07 C08 C09 C10

在上限频率和下限频
fL ~ fH

率之间预置

由表 3-5 可知, 功能预置分三个步骤:

第一步:在基本功能端子中设定操作方式和最高输出频率.

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第二步:在输入控制端子中选择若干个端子(此次设计 3 个即可满足)作为多档转 速输入控制端; 第三步:预置各档转速的运行频率。 变频器中所预置的频率以十进制数存储在功能存储器中, 以便在运行时能迅 速对应相应频率。

变频器各程序步运行频率设置,如表 3-6 所示: 表 3-6 开关门频率预置

功能码 C05 C06 C07 C08 C09 C10

运行档 第 1 步运行 第 2 步运行 第 3 步运行 第 4 步运行 第 5 步运行 第 6 步运行

频率预置 20Hz 40Hz 10Hz 20Hz 40Hz 10Hz

3.4.2 程序步的控制特点
程序步转速控制电路 如图 3-4 所示,说明如下:

图 3-4

多档速的 PLC 控制电路示意图

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通过 PLC 的三个输出端子 Y1~Y3 的编码 (与表 3-1 类似)完成六档的输入。 , 本设计共计六个档, 分别为开门三个档与关门三个档,开门与关门过程中各改变 频率三次。

3. 5 PLC 控制系统硬件及接口电路设计 3.5.1 PLC 的 I/O 端口分配表
本文电梯门机控制器要实现电梯门的开关控制, 同时要求能够通过 PLC 的输 出端口进行编码输出,作为变频器的多档调速输入端。 具体的 I/O 端口分配如下: 表 3-7 I/O 端口分布

I/O 端口分布表 输入端口 X001 X002 开门按钮输入 关门按钮输入 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 输出端口 多档调速输出 多档调速输出 多档调速输出 正转开门输出 反转关门输出

3.5.2 PLC 硬件电路设计
1 PLC 的输入电路 如图 3-4 所示开关 X1~X2 分别用于控制电梯门的开关。 2 PLC 的输出电路 如图 3-4 所示, 输出端 Y001、Y002、Y003 分别接至变频器的输入控制端的 X1、X2、X3, 用于控制 X1、X2 和 X3 的状态,从而决定变频器的输入状态控制程

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序步调速;Y004~Y005 分别接至变频器正转输入端(FWD)与反转输入端(REV), 控制电机的正反转,即控制开关门。

3.5.3 变频器硬件电路设计

图 3-6

变频器硬件电路图

(1)通过 PLC 的输出端子 Y001~Y003 接至变频器的输入端 X1~X3 来控制 变频器的多档调速。 (2)FWD 和 REV 分别为变频器的正转与反转输入端,分别接至 PLC 的输出 端 Y005 与 Y006,用来控制电机的正反转,即控制门机的开关门。 (3)PLC 端子为 PLC 信号电源输入端,连接 PLC 输出信号电源。

4、电梯轿厢门机控制系统软件设计

4.1 开门关门环节 4.1.1 开门环节电梯主要情况:
按开门按钮 X1,电梯轿厢门即启动(20HZ) 秒后即加速(40HZ) 秒后 ,2 ,6

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即减速(10HZ) ,10 秒后停止。 开门梯形图如下:

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4.1.2 关门环节
电梯的关门程序如图 4-3 所示, 按关门按钮 X2,电梯轿厢门即启动(20HZ),2 秒后即加速(40HZ),6 秒 后即减速(10HZ),10 秒后停止。

4.2 程序步开关门运行过程
在 3.4 中我们已经知道, 开门与关门过程各有三次变频变速,故电梯轿厢的 程序步调速可分为以下两种情况: 1 开门过程调速 第一步: 按下 X1, 接到电机正转指令→Y4 闭合电机转动,M1(YOO1)闭合信号接通 →Y003~Y001 输出编码为 001(其中 0 表示不带电, 表示带电, 1 以下同此), CO5 程序步启动→2S 后定时器 T1 时间到→常闭 T1 断开→M1(YOO1)失电复位→第一 档结束。 第二档:常开 T1 闭合→M2(Y002)闭合→Y003~Y001 输出编码为 010→6S 后定时 器 T2 时间到→第二档结束。 第三档:常开 T2 闭合→M1(YOO1)闭合→Y003~Y001 输出编码为 011→10S 后 定时器 T3 时间到→常闭 T3 断开→Y4 等全部失电复位→第三档结束。

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2 关门过程调速 第一档:按下 X2,接到电机反转指令→Y5 闭合电机转动,YOO3 闭合信号接通 →Y003~Y001 输出编码为 100 →2S 后定时器 T4 时间到→第一档结束。 第二档:常开 T4 闭合→M11(Y001)闭合→Y003~Y001 输出编码为 101→6S 后 定时器 T5 时间到→常闭 T5 断开→M11(Y001)失电复位→第二档结束。 第三档:常开 T5 闭合→M22(Y002)闭合→Y003~Y001 输出编码为 110→10S 后定 时器 T6 时间到→常闭 T6 断开→Y5 等全部失电复位→第三档结束。 多档的实现: 对于只有三个输出端子, 要借用内部辅助继电器来实现控制。开关门共计六 个档,将各档的编码排列如下: 表 4-1 档位 开门档 关门档 第一档 001 100 开关门档位编码 第二档 010 101 第三档 011 110

M1、M11 中只要有一个接通,则 Y001“动作”→变频器的 X1 端接通; M2、M22 中只要有一个接通,则 Y002“动作”→变频器的 X2 端接通;

5、总结
本论文是针对电梯的门机控制系统进行的研究。 详细地分析了门机运行的过 程,指出了系统运行时存在的一些问题,并给出了解决这些问题的具体方法,通 过这些方法的实现,较好地完成了对门机的控制,达到了平稳、安全、可靠的控 制目的。 完成了控制电路主要器件及驱动电机的选择。 控制器件选用的是当前在电梯 控制系统中常用的 PLC, PLC 控制系统具有运行可靠、使用维修方便、抗干扰性 强等优点;变频器选用的是日本富士司生产的通用变频器 FVR-E11S。此种变频 器体积小、功能强、干扰小且性价比较高。速运行时,为减小机械冲击所采取的 分段曲线过程进行了详细的理论分析。

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完成了系统运行曲线的设计。 针对系统运行的问题给出了门机运行分段的速 度变化曲线等,并对门机加/减设计。设计了控制电路、电机的驱动电路、保护 电路和检修电路等。 设计中实现了对电机的变频调速控制,为实现系统的可靠运 行加了保护、防夹处理,整体设计简单,可靠性高。 完成了系统软件的设计, 并在实验台上通过了实验仿真。系统软件多档调速 方式实现电梯门的正常开关门控制中的速度控制。 通过以上所述的设计, 使得系统在模拟运行状态下工作稳定可靠,较好地实 现了电梯门机系统的控制,基本实现了设计目的。 但由于时间问题及个人能力有限,此次设计并不是非常完善,并不清楚具体 的负载工作情况。此外,系统中还有很多值得研究的方面,在本文中没有涉及或 涉及的不够深入, 比如对门机是否开关到位可以取消限位开关,采用无位置传感 器来检测、语音提示等等,这些都是本课题今后的研究方向。

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参考文献
[1]李惠升.电梯控制技术[M].北京:机械工业出版社.2003 [2]吴国政.电梯原理·使用·维修[M].北京:电子工业出版社,1999 [3]韩安荣.通用变频器及其应用(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2000 [4]王整风, 谢云敏.可编程控制器原理与实践教程[M].上海:上海交通大学出版 社,2007 [5]陈家盛.电梯结构原理及安装维修(第三版)[M].北京:机械工业出版社, 2006 [6]何超.交流变频调速技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006 [7]刘剑,朱德文,梁质林.电梯电气设计[M].北京:中国电力出版社,2006 [8]曾毅,王效良,吴皓,张朝平.调速控制系统的设计与维护[M].济南:山东科学 技术出版社,2002 [9]张燕宾.常用变频器功能手册[M].北京:机械工业出版社,2004 [10]张汉杰,王锡仲,朱学莉.现代电梯控制技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出 版社,2001 [11]富士电机株式会社.FVR-E11S 操作说明书.INR-Si47-0535b. [12]国家技术监督局.传感器图用图型符号.GB/T 14479-93. [13]MITSUBISHI.三菱微型可编程控制器使用手册.FX2N 系列. [14]何小溪,仲伟峰,张杰。变频器在电梯门控制中的应用[J].《电工技术杂 志》.2001 年第六期.

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附录-A 电梯轿厢门控制系统梯形图

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附录-B 电梯轿厢门控制程序指令表

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山 西 职 业 技 术 学 院
__电气工程与自动化___系毕业设计(论文)成绩考核表
课题: 用 PLC 和变频器设计电梯轿厢开关门的控制系统

学生姓名:

___专业:

班级

指导老师: __ __所在单位: 毕业论文(设计)指导教师评语:

职称:

指导教师________________ 年 毕业论文(设计)审阅教师评语: 月 日

审阅教师:

___

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审阅时间:







答辩组成员:

学生答辩情况:

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答辩意见:

答 辩 小组组长签名:

年 日



成 绩

毕 业 设 计 ( 论 文 )

1 设计说明书 (论文报告)



2 答





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总分: 3 平 时 成 绩 分 ___

(等级:



: 系(部)意见 学 校 意 见













1 、本表填写一式两份:一份留系部保存,一份交教务处审查后存入 学生档案。 2 、此件需用碳素笔填写,不能打印。

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课题:

用 PLC 和变频器设计电梯轿厢开关门的控制系统

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1 设计说明书 (论文报告)



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分 总分:

3 平









___

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: 系(部)意见 学 校 意 见

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