六层电梯PLC控制系统设计.doc

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除目录摘要IAbstractII第1章 引言1第2章 功能需求分析32.1 电梯的集选控制功能32.2 电梯的楼层检测及平层功能32.3 电梯门的控制功能32.4 电梯的调速功能42.5电梯的安保功能4第3章 电梯控制系统的硬件设计53.1可编程控制器（PLC）的选型53.2其他主要器件的选型53.2.1电机的选型53.2.2变频器的选型63.2.3开关器件的选型63.3电气原理图的设计及工作原理73.3.1主电路图的设计及工作原理73.3.2电梯升降控制部分电路图设计及工作原理93.3.3电梯门控制部分电路图设计及工作原理103.4输入输出（I/O）口分配及PLC接线11第4章 系统软件设计154.1 软件设计思想及主程序流程图154.2 电梯控制系统各环节梯形图设计164.2.1 外部请求响应子程序164.2.2 梯内请求信号响应子程序184.2.3 当前层显示子程序184.2.4 上升控制子程序194.2.5 下降控制子程序19【精品文档】第 27 页4.2.6 电梯门控制子程序204.2.7 电梯升降控制子程序20第5章 系统的仿真22第6章 结论24致谢26参考文献27摘要本文采用可编程控制器(PLC)代替传统的继电器接触控制，设计了六层电梯的控制系统。在功能需求分析的基础上，选用S7-200系列PLC（CPU226）作为控制器完成了系统的硬件系统的设计，利用编程软件Step7-Micro结合模块化的编程思想设计了电梯系统各环节的梯形图，并借助S7-200仿真软件对六层电梯控制系统进行了模拟仿真，给出了仿真结果图。仿真结果表明本设计实现了电梯运行的基本功能。本文设计的电梯控制系统提高了电梯的控制水平，克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素，取得了良好的预期效果，也为高层电梯及电梯的群控技术提供了理论依据。关键字： 电梯，PLC 控制系统，硬件系统，梯形图，仿真Abstract In this paper, the programmable controller (PLC) is used to replace the traditional relay contact control and the design of the control system for an elevator of six levels is introduced.On the basis of analysis of the functional requirements, S7-200 series PLC (CPU226) is selected as the controller to complete the system hardware design, the use of the programming software Step7-Micro designed the elevator system at all stages of the ladder with modular programming ideas, and the use of S7-200 simulation software for a six-story elevator control system simulation debugging, simulation results are given and the Fig simulation results show that the design of the basic functions of elevator running can be realized.In this paper, the design of elevator control system improves the control level of the elevator, and overcomes some human interference factors in manual operation, and has achieved good result. meanwhile it provides the theory basis for high-level elevator and the control technology of elevator group.Key words: elevator, PLC control system, hardware system,ladder diagram, simulation第1一章 引言随着经济的发展，社会的进步，以及人口密度的增加，城市土地资源的紧缺，城市里高楼大厦越来越多，高层建筑在城市里已然随处可见，甚至一度被作为衡量一个城市发达与否的标准，而电梯承担着高楼里人和物的主要运输工作，已然成为了高楼不可或缺的设备，因此，随着高楼的不断涌现，电梯行业也得以迅速发展，电梯的逻辑控制由原来的继电器接触器控制发展到了现在的可编程控制器控制（PLC）和微机控制，电梯的控制方式由原来的手柄开关控制、按钮信号控制发展到了现在的集选控制、并联控制、群控等，电梯的传动方式由原来的直流电机传动发展到了现在的交流电机传动，从而使得电梯的可靠性得到了大大的提高，电梯的速度得到了大幅度提升，电梯的能耗也得到极大的改善。电梯为人们的生活带来了极大的便利，也为我国的现代化建设提供了重要保障。对于高速发展的电梯产业来说，提供更加安全、高效、环保、稳定的电梯控制系统，使每一部电梯都能安全高效稳定地运行，将成为电梯行业未来的主要发展方向。近年来，随着生活水平的进一步提高，人们对乘坐电梯的安全性和舒适性提出了更高的要求，这就要求电梯的研究者和开发者不断提高电梯控制技术，以满足人们对于乘坐电梯日益增长的要求。 十一届三中全会以后，在改革开放的浪潮下，我国经济得以迅速发展，也使得我国的电梯行业进入了高速发展的时期。如今，在我国大部分城市，电梯都在被广泛地应用着。我国拥有的电梯数量已然居于世界第一，我国的电梯技术也达到了世界领先水平。然而，随着现代化建设的发展，科学与技术的进步，智能化和信息化建筑的出现，以及人们生活观念的改变，电梯行业将面临新一轮挑战，人们对电梯的要求将不只是完成垂直运输的基本功能，人们本着以人为本的观念，对电梯的安全性和舒适性提出了更高的要求，这就要求电梯的研究者和开发者从电梯运行的控制智能化角度考虑，电梯的优质服务不再是单一的“时间最短”问题，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统等方法，以期实现单梯与群控管理的最佳模式。合理的配置与使用远程监控与故障诊断、节能以及减少环境污染等。本论文中将重点研究电梯的升降控制逻辑以及电梯的整个运行过程，不着重介绍主电动机的升降速度以及电梯的安全保护措施。本设计主要是用可编程控制器(PLC)代替电梯的传统电气控制系统。由于大部分老式电梯的电气控制系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电气控制系统进行技术改造，以便改善电梯性能，减少电梯成本。因此，对电梯的控制系统进行研究，提出一条适合国产老式传统电梯的改造技术，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，将具有十分重要的意义。针对老式传统电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，本论文提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器(PLC)来控制电梯系统。 本论文对电梯控制系统及可编程控制器（PLC）作了简单的介绍。并对本电梯控制系统进行了功能需求分析，确定了本系统的总体设计方案，由可编程控制器（PLC） 来实现电梯的逻辑信号控制，由交流电机来实现电梯的调速。然后对本系统硬件开发部分做了相关介绍，确定了 PLC 的选型、I/O 点数分配以及与PLC 连接的外部设备。在确定了系统的硬件系统之后，认真分析了电梯控制系统的软件设计方法，根据功能需求设计出了控制系统的软件流程图，提出了模块化编程思想，并详细介绍了系统的软件开发，对电梯控制系统的各个环节的梯形图进行了设计与工作原理阐述。最后对本设计过程中遇到的问题及本设计的不足之处进行了一个总结。第二章 电梯及PLC的基本知识本章主要介绍电梯及PLC的基本知识，以便于更好的理解该系统。电梯的基本知识介绍了电梯的定义、分类、组成结构以及现有电梯存在的问题，PLC的基本知识从PLC的定义和特点，PLC的组成，PLC的工作原理及PLC控制电梯系统的优点等方面做了相关介绍。2.1 电梯的基本知识 2.1.1 电梯的定义及分类 根据国家标准GB/T7024.-1997电梯、自动扶梯、自动人行道术语，电梯的定义：服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小15 °的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。 根据我国的行业习惯，电梯的分类有如下几种形式： (1)按用途分类：乘客电梯、载货电梯、客货电梯、病床电梯、杂物电梯、住宅电梯、特种电梯； (2)按速度分类：低速电梯(以下)、快速电梯（- ）、高速电梯( -)、超高速电梯( 以上)； (3)按拖动方式分类：交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、螺杆式电梯、直线电动机驱动的电梯； (4)按控制方式分类：层间控制、简易集选控制、集选控制、有无司机控制、群控； (5)按曳引机结构分类：有齿曳引机电梯、无齿曳引机电梯。 2.1.2 电梯的结构组成 电梯是机电一体化产品，也是一个典型的自动控制系统，其控制部分是该系统的控制器，电气部分组成了该系统的执行器及检测元件，机械部分为该系统的控制对象。在控制器的统筹调度下，各部分协调配合，共同保证了电梯的正常安全运行。尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳曳引式结构，其机械部分由曳引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成；而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。 (1)曳引系统 电梯曳引系统负责输出动力和传递动力，用于驱动电梯运行。主要由曳引机，曳引钢丝绳，导向轮和反绳轮等装置组成。曳引机是电梯的动力提供装置，由电动机，曳引轮，联轴器，减速箱，制动器，机座等部分组成。曳引钢丝绳的两端分别连接轿厢和对重（或者两端固定在机房上），依靠钢丝绳和曳引轮绳槽之间的摩擦来驱动轿厢的升降。导向轮用于使轿厢和对重间隔开，为增加曳引力，可以采用复绕型，导向轮安装在曳引机架上或承重梁上。 (2)导向系统 导向系统由导轨，导靴和导轨架等部分组成。它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，以保证轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组成部件，与井道壁连接。导靴安装在轿厢和对重架上，与导轨配合，以强制轿厢和对重在导轨的直立方向运动。 (3)门系统 门系统由轿厢门，层门，开门机，联动机构等组成。轿厢门设在轿厢入口处，由门扇，门导轨架、门靴和门刀等组成，层门设在层站入口处，由门扇，门导轨架等部分组成。开门机设在轿厢上，是轿厢和层门开合的动力装置。 (4)轿厢 轿厢的功能是运送乘客或者货物。它是由轿厢架和轿厢体两部分组成的。轿厢架是轿厢体的承重机构，由横梁，立柱，底梁，和斜拉杆等组成。轿厢体由厢底，轿厢壁，轿厢顶以及照明通风装置，轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小取决于额定载重的大小和额定客人的数量。 (5)重量平衡系统 重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。对重由对重架和对重块组成。对重可以平衡轿厢自重和部分的额定载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧拽引钢丝绳长度变化对电梯的平衡设计影响的装置。 (6)电力拖动系统 电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，调速装置等组成，它的作用是对电梯进行速度控制。曳引电动机是为电梯提供动力的装置，根据电梯的配置可采用交流电动机或者直流电动机。供电系统是电动机的电源提供装置。速度反馈系统用于为调速系统提供电梯运行速度信号，一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电动机相连。调速装置可对曳引电动机的速度进行调控。 (7)电气控制系统 电梯的电气控制系统由控制装置，操纵装置，平层装置，和位置显示装置等部分组成。其中控制装置负责控制电梯按一定的逻辑控制要求运行，设置在机房中的控制柜上。操纵装置是由轿厢内的按钮箱和厅门的召唤箱等部分组成，乘客可通过按钮箱和召唤箱上的按钮来操纵电梯的运行。平层装置用于确保电梯在某一楼层停靠时，轿厢可以与厅门处于一个水平面上，避免事故的发生，在接近停靠站时，平层装置将发出平层信号并将该信号传递到控制装置，控制装置将对平层信号做出响应，控制电梯平层。位置显示装置，用于显示电梯当前所在的楼层，表现为轿内的楼层指示灯和厅门的箭头指示灯。(8)安全保护系统 安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可确保电梯安全地使用。机械方面的有：限速器和安全钳能起到超速保护作用，缓冲器能起到冲顶和撞底的保护作用，还有切断总电源的极限保护装置等措施。电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节梯形图中都有所体现。 2.1.3 目前电梯存在的主要问题随着社会的发展，建筑智能化水平的提高，电梯作为各楼宇的门户，如果依然仅仅具备其移动运输的功能，将显得功能太过单调，老式传统电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷。2.2 PLC的基本知识2.2.1 PLC 的定义和特点 可编程控制器（Programmable Controller）是基于工业环境设计的，具有很强的抗干扰能力。它是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的基于用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机器或过程。PLC及其相关的外围设备，都应该按易于与工业控制系统集成，易于实现其预期功能的原则设计。为了与个人计算机（Personal Computer）区别，一般将可编程序控制器简称为PLC（Programmable Logic Controller）。PLC的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，具有以下几个显著特点： (1)可靠性高，抗干扰能力强 主要模块采用了集成电路，减少了硬件线路和机械触点的数量，用程序实现逻辑顺序和时序的控制，大大提高了其可靠性。在抗干扰性能方面，PLC在结构设计、内部电路设计、系统程序执行等方面都给予了充分的考虑。 (2) 结构简单，通用性强 整个PLC控制系统采用模块化结构，扩展模块品种繁多，可灵活组合完成各种控制要求，当控制要求发生改变时，只需简单更改程序或者更换模块即可，因此，其结构十分简单，通用性很强(3) 编程简单，易于使用PLC采用梯形图语言进行编程，该语言中的电路符号和表达方式与电气原理图相似，形象直观且简单易学。 (4)控制系统易于设计，开发周期短PLC面向底层用户，设计时只需按照其性能和容量等选用合适的型号和模块进行组装，根据功能要求进行程序设计即可，而其软件编程和模块化结构更是大大减少了繁琐的安装接线工作，故其易于设计，开发周期短。 (5)维护方便 PLC可通过输入输出端子处的指示灯直观的反映现场的信号变化，易于诊断故障，并且采用模块化结构，方便排除故障。 (6)功能强，性价比高PLC的高集成、编程控制、模块化的结构等特点使得由PLC构成的系统易于扩展，亦可满足各种需求，抗干扰性强，可降低系统成本。 2.2.2 PLC 的基本组成 市场上的可编程控制器(PLC)种类繁多，而且外观也不尽相同，但是其硬件结构和组成原理大体相同，主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出器件（I/O 接口）、电源及编程设备等几大部分构成，其基本结构框图如图下所示。 图 PLC 的硬件结构框图 (1)中央处理单元(CPU) 中央处理器是可编程控制器的核心，是PLC进行运算和协调控制的地方。它的性能直接影响了PLC的整体性能。 (2)存储器 PLC 存储器可分为系统存储器和用户存储器两部分。用于存储PLC运行需要的程序以及其运行过程中产生的数据。一般有ROM 、EEPROM 、RAM三种类型。 (3)输入输出接口（I/O 接口） I/O 接口是 PLC 与现场 I/O 设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC 输入输出信号有数字量和模拟量两种。输入输出接口一般包括与被控设备相连接的接口电路和输入/输出映像寄存器两部分。 (4)电源 PLC可使用220V的交流电或24V的直流电。内部的开关电源由PLC的中央处理器等电路提供，部分PLC外接24V直流电源，用于对外部传感器等供电。 (5)编程设备过去的编程设备是由厂家提供的编程器，仅能对用户程序进行读写和调试，现在 PLC厂家不再提供编程器，PLC的编程依靠运行于PC上的编程软件，该编程软件既能完成程序的编辑、修改、转换、打印、保存，还能进行实时调试，对PLC运行过程中的各个参数进行监控。 2.2.3 PLC 的工作原理 可编程控制器(PLC)有两种基本工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。当 PLC 工作在 STOP 状态下时，扫描过程只包括内部处理和通信处理两个阶段；当 PLC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，并周而复始地重复进行。可编程序控制器工作时的扫描过程如图 3.2 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。 图 PLC 工作时的扫描过程 PLC的工作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，在 PLC 的实际工作过程中，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）进行通信等处理。 2.2.4 PLC 控制电梯系统的优点 PLC控制电梯系统有很多优点，主要表现在以下几个方面： (1)在电梯控制中采用可编程控制器，用软件实现对电梯的逻辑控制，可使电梯自动运行的可靠性显著改善。 (2)PLC的运用取缔了大部分继电接触器，使得控制系统结构简化，安装线路减少。 (3)PLC的模块化结构使得它不但功能强大，而且易于增加和改变控制功能。 (4)PLC可进行故障自动检测，这将大大提高电梯运行的安全性，并便于后期维护和检修。第三章 第2章 功能需求分析本章将根据本系统所要实现的主要功能，在确保可行的前提下，结合经济性、便利性等原则，选择一种最佳的设计方案，以便更好的实现电梯控制功能。23.1 电梯的集选控制功能当电梯轿厢内及各楼层厅门外同时有多个请求发出时，要能按照一定顺序逐个响应，这就要求系统能够对各个楼层的优先级进行判断比较，而且要能够记忆各个尚未作出响应的请求信号。为方便各层发出请求，在各层厅门需要设置上下请求按钮，在轿厢内部需要设置选层按钮，在编程时需要考虑电梯的响应逻辑，对请求信号做出比较，以便电梯能按一定的顺序进行响应，对于尚未响应的请求信号要有专门的寄存器存储，以免信号丢失，当响应时可以将其从寄存器中取出，响应结束后要能自动消除请求信号，用程序实现顺向截停，自动换向反向应答等功能。23.2 电梯的楼层检测及平层功能电梯在控制过程中，需要判断当前电梯的位置，依据当前电梯的位置及请求信号做出判断处理，要判断电梯的位置也就是需要对电梯进行楼层检测，对楼层检测可以用位置开关，当电梯到达位置开关处时，相应的位置开关会做出响应，反馈给PLC当前的位置信号。当电梯接近停靠站时需要准备平层，使电梯轿厢地面和厅门地面可以停靠在同一水平面上，以免出现事故，为保证准确平层需要进行平层检测，平层检测可以使用接近开关，接近开关是一种非接触式的开关，无机械损耗和机械误差，定位精度高，当电梯达到平层位置时接近开关做出响应，反馈给PLC平层信号，PLC接收信号并进行下一步响应操作。23.3 电梯门的控制功能当电梯到达停靠站停机后，电梯门程序要判断当前情况是否满足开门条件，当满足时要能实现自动开门，为实现准确判断要收集当前楼层信号、平层信号、电机运行信号等。当开门程序启动后要判断何时停止开门，当轿厢内有手动关门信号发出时将跳过开门程序直接关门，当无手动开门信号时就需要在开门末端设置限位开关，当开门到达限位开关位置时停止开门。开门程序结束后经过一定时间后要能自动关门，这段时间的长短可以通过定时器设置，当关门程序启动后需要判断何时停止关门，当关门过程中轿厢内有手动开门信号或者检测开关检测到两扇门之间有物体存在时需要结束关门程序，跳转到开门程序，当无手动开门信号和关门检测信号时就需要在关门终端设置关门限位信号，当关门到达该限位开关时停止关门，在电梯运行过程中，电梯门必须保证处于关闭状态。为保证电梯的运行安全，当轿厢承载超重时，电梯门将无法关闭，为实现轿厢载重的检测，在轿厢内部安装超重检测装置，当载重超过设定值时，发出超重信号给PLC，PLC做出响应。23.4 电梯的调速功能为提高电梯的舒适度，当电梯启动时，应以低速启动，为保证电梯的运行效率，电梯运行过程中应以适当高速运行，当电梯停车时为保证准确靠站，应先降到较低速度运行，停站时抱闸停车。为实现电梯的双速运行，可以用变频器来实现电梯的调速。23.5电梯的安保功能本设计在电梯上升过程的呼叫程序中加入了一个呼叫确认开关，当按动上升请求按钮时，上升呼叫信号将传送到该层户主家，户主确认呼叫才可发送上升请求到电梯控制器，户主出行可佩带IC卡以乘坐电梯，确认呼叫，该功能可防止陌生人随意进出该楼各楼层。在本设计中只是提供这一延伸功能，但与该功能相关的外围设备及设计不做探讨。本章针对系统的部分主要控制要求进行了功能需求分析，给出了设计方案，为后续的硬件系统设计甚至软件系统设计提供了一定的理论支持。第四章 第3章 电梯控制系统的硬件设计本章主要介绍电梯的硬件部分。在对电梯系统进行了功能需求分析之后，本章将首先根据具体要求选择适当的硬件设备，并对一些主要的硬件设备进行分析选型，在确定了硬件设备之后，将着重介绍该系统的电气原理图的分析与设计，并对电气系统的工作原理做出说明。34.1可编程控制器（PLC）的选型PLC作为整个控制系统的核心，在选择时要结合实际功能进行考虑，电梯控制系统需要PLC完成的是一些很常规的功能，市场上的大部分PLC都能实现，故在此主要考虑其容量和成本。本系统是一个六层的电梯控制系统，属于中小型控制系统，考虑到本人对德国西门子公司生产的一种小型PLC S7-200比较熟悉，而且其某些功能达到中型PLC的水平，但价格却是小型PLC价格，性价比较高，故此首先考虑采用S7-200系列PLC。经分析，该系统需要34个输入，23个输出，输入输出信号类型均为数字量，S7-200系列PLC中CPU226型PLC拥有24个数字量输入，16个数字量输出，最多可以接7个扩展模块，价格相对较低，而且功能强大。CPU226型PLC外接一个16点输入，8点输出的输入/输出混合扩展模块EM223即可满足要求，使用方便，功能强大，而且价格便宜，故此，本系统采用CPU226型S7-200系列PLC。34.2其他主要器件的选型34.2.1电机的选型六层电梯控制系统为一中小型控制系统，所需功率较小，因其商用性、民用性的特点，要求价格便宜，运行稳定。电机分为直流电机和交流电机，直流电机较交流电机来说，调速范围广，易于平滑调速，启动、制动和过载转矩大，易于控制，可靠性较高，但换向问题严重；交流电机结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流的电机，最主要的是交流电机没有换向问题。本系统换向频繁，外部电源为交流电源，故采用交流电机。交流电机分为异步电机和同步电机。异步电动机结构简单、容易制造、价格低廉、性能良好、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高且适用性强，缺点是功率因数较差；同步电动机功率因数较高，对大功率低转速的电动机，其体积要比异步电动机小，但其结构和性能较异步电动机较差，故此采用异步电动机。异步电动机又分为鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式电机结构简单，成本低，运行可靠，维护工作量小，控制电机运行也相对简单，但是启动力矩较小，不易调速；绕线式电机可以通过集电环和电刷，在转子回路中串入外加电阻，从而实现平稳的启动或改变外加电阻在一定范围内调节转速，而且其启动及运行的力矩较大，一般用在重载和频繁启动的生产机械上，但其也因此结构复杂，成本增加，运行可靠性降低，维护费用增加。鼠笼式异步电机的维护及运行成本都比绕线式电机低，而且可靠性更高，故此采用鼠笼式电机。综上所述，本电梯控制系统采用三相交流鼠笼式异步电动机。