六层电梯的PLC控制新版系统标准设计.docx

目录摘要IAbstractII第1章 引言1第2章 功效需求分析32.1 电梯集选控制功效32.2 电梯楼层检测及平层功效32.3 电梯门控制功效32.4 电梯调速功效42.5电梯安保功效4第3章 电梯控制系统硬件设计53.1可编程控制器（PLC）选型53.2其它关键器件选型53.2.1电机选型53.2.2变频器选型63.2.3开关器件选型63.3电气原理图设计及工作原理73.3.1主电路图设计及工作原理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步骤图154.2 电梯控制系统各步骤梯形图设计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 目前层显示子程序184.2.4 上升控制子程序194.2.5 下降控制子程序194.2.6 电梯门控制子程序204.2.7 电梯升降控制子程序20第5章 系统仿真22第6章 结论24致谢26参考文件27摘要本文采取可编程控制器(PLC)替换传统继电器接触控制，设计了六层电梯控制系统。在功效需求分析基础上，选择S7-200系列PLC（CPU226）作为控制器完成了系统硬件系统设计，利用编程软件Step7-Micro结合模块化编程思想设计了电梯系统各步骤梯形图，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基础功效。本文设计电梯控制系统提升了电梯控制水平，克服了手动操作所带来部分人为干扰原因，取得了良好预期效果，也为高层电梯及电梯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 引言伴随经济发展，社会进步，和人口密度增加，城市土地资源紧缺，城市里高楼大厦越来越多，高层建筑在城市里已然随地可见，甚至一度被作为衡量一个城市发达是否标准，而电梯负担着高楼里人和物关键运输工作，已然成为了高楼不可或缺设备，所以，伴随高楼不停涌现，电梯行业也得以快速发展，电梯逻辑控制由原来继电器接触器控制发展到了现在可编程控制器控制（PLC）和微机控制，电梯控制方法由原来手柄开关控制、按钮信号控制发展到了现在集选控制、并联控制、群控等，电梯传动方法由原来直流电机传动发展到了现在交流电机传动，从而使得电梯可靠性得到了大大提升，电梯速度得到了大幅度提升，电梯能耗也得到极大改善。电梯为大家生活带来了极大便利，也为中国现代化建设提供了关键保障。对于高速发展电梯产业来说，提供愈加安全、高效、环境保护、稳定电梯控制系统，使每一部电梯全部能安全高效稳定地运行，将成为电梯行业未来关键发展方向。多年来，伴随生活水平深入提升，大家对乘坐电梯安全性和舒适性提出了更高要求，这就要求电梯研究者和开发者不停提升电梯控制技术，以满足大家对于乘坐电梯日益增加要求。 十一届三中全会以后，在改革开放浪潮下，中国经济得以快速发展，也使得中国电梯行业进入了高速发展时期。现在，在中国大部分城市，电梯全部在被广泛地应用着。中国拥有电梯数量已然居于世界第一，中国电梯技术也达成了世界领先水平。然而，伴随现代化建设发展，科学和技术进步，智能化和信息化建筑出现，和大家生活观念改变，电梯行业将面临新一轮挑战，大家对电梯要求将不只是完成垂直运输基础功效，大家本着以人为本观念，对电梯安全性和舒适性提出了更高要求，这就要求电梯研究者和开发者从电梯运行控制智能化角度考虑，电梯优质服务不再是单一“时间最短”问题，而是采取模糊理论、神经网络、教授系统等方法，以期实现单梯和群控管理最好模式。合理配置和使用远程监控和故障诊疗、节能和降低环境污染等。本论文中将关键研究电梯升降控制逻辑和电梯整个运行过程，不着重介绍主电动机升降速度和电梯安全保护方法。本设计关键是用可编程控制器(PLC)替换电梯传统电气控制系统。因为大部分传统电梯电气控制系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯电气控制系统进行技术改造，方便改善电梯性能，降低电梯成本。所以，对电梯控制系统进行研究，提出一条适合国产传统传统电梯改造技术，并进而提升国产电梯技术水平和质量，将含有十分关键意义。针对传统传统电梯采取继电器逻辑控制方法存在功效弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺点，本论文提出采取功效强、故障率低、可靠性高可编程控制器(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）作了简单介绍。并对本电梯控制系统进行了功效需求分析，确定了本系统总体设计方案，由可编程控制器（PLC） 来实现电梯逻辑信号控制，由交流电机来实现电梯调速。然后对本系统硬件开发部分做了相关介绍，确定了 PLC 选型、I/O 点数分配和和PLC 连接外部设备。在确定了系统硬件系统以后，认真分析了电梯控制系统软件设计方法，依据功效需求设计出了控制系统软件步骤图，提出了模块化编程思想，并具体介绍了系统软件开发，对电梯控制系统各个步骤梯形图进行了设计和工作原理叙述。最终对本设计过程中碰到问题及本设计不足之处进行了一个总结。第二章 电梯及PLC基础知识本章关键介绍电梯及PLC基础知识，方便于愈加好了解该系统。电梯基础知识介绍了电梯定义、分类、组成结构和现有电梯存在问题，PLC基础知识从PLC定义和特点，PLC组成，PLC工作原理及PLC控制电梯系统优点等方面做了相关介绍。2.1 电梯基础知识 2.1.1 电梯定义及分类 依据国家标准GB/T7024.-1997电梯、自动扶梯、自感人行道术语，电梯定义：服务于要求楼层固定式升降设备。它含有一个轿厢，运行在最少两列垂直或倾斜角小15 刚性导轨之间。轿厢尺寸和结构形式便于乘客出入或装卸货物。 依据中国行业习惯，电梯分类有以下多个形式： (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)按拖动方法分类：交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、螺杆式电梯、直线电动机驱动电梯； (4)按控制方法分类：层间控制、简易集选控制、集选控制、有没有司机控制、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 电梯结构组成 电梯是机电一体化产品，也是一个经典自动控制系统，其控制部分是该系统控制器，电气部分组成了该系统实施器及检测元件，机械部分为该系统控制对象。在控制器统筹调度下，各部分协调配合，共同确保了电梯正常安全运行。尽管电梯品种繁多，但现在使用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，导向系统和机械安全保护装置组成；而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功效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输动力，用于驱动电梯运行。关键由曳引机，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。曳引钢丝绳两端分别连接轿厢和对重（或两端固定在机房上），依靠钢丝绳和曳引轮绳槽之间摩擦来驱动轿厢升降。导向轮用于使轿厢和对重间隔开，为增加曳引力，能够采取复绕型，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。它作用是限制轿厢和对重活动自由度，以确保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，导轨架是承重导轨组成部件，和井道壁连接。导靴安装在轿厢和对重架上，和导轨配合，以强制轿厢和对重在导轨直立方向运动。 (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，是轿厢和层门开合动力装置。 (4)轿厢 轿厢功效是运输乘客或货物。它是由轿厢架和轿厢体两部分组成。轿厢架是轿厢体承重机构，由横梁，立柱，底梁，和斜拉杆等组成。轿厢体由厢底，轿厢壁，轿厢顶和照明通风装置，轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。轿厢体空间大小取决于额定载重大小和额定客人数量。 (5)重量平衡系统 重量平衡系统由对重和重量赔偿装置组成。对重由对重架和对重块组成。对重能够平衡轿厢自重和部分额定载重。重量赔偿装置是赔偿高层电梯中轿厢和对重侧拽引钢丝绳长度改变对电梯平衡设计影响装置。 (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装置，依据电梯配置可采取交流电动机或直流电动机。供电系统是电动机电源提供装置。速度反馈系统用于为调速系统提供电梯运行速度信号，通常采取测速发电机或速度脉冲发生器和电动机相连。调速装置可对曳引电动机速度进行调控。 (7)电气控制系统 电梯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逻辑控制要求运行，设置在机房中控制柜上。操纵装置是由轿厢内按钮箱和厅门召唤箱等部分组成，乘客可经过按钮箱和召唤箱上按钮来操纵电梯运行。平层装置用于确保电梯在某一楼层停靠时，轿厢能够和厅门处于一个水平面上，避免事故发生，在靠近停靠站时，平层装置将发出平层信号并将该信号传输到控制装置，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，用于显示电梯目前所在楼层，表现为轿内楼层指示灯和厅门箭头指示灯。(8)安全保护系统 安全保护系统包含机械和电气多种保护系统，可确保电梯安全地使用。机械方面有：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保护作用，还有切断总电源极限保护装置等方法。电气方面安全保护在电梯各个运行步骤梯形图中全部有所表现。 2.1.3 现在电梯存在关键问题伴随社会发展，建筑智能化水平提升，电梯作为各楼宇门户，假如仍然仅仅含有其移动运输功效，将显得功效太过单调，传统传统电梯采取继电器逻辑控制方法存在功效弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺点。2.2 PLC基础知识2.2.1 PLC 定义和特点 可编程控制器（Programmable Controller）是基于工业环境设计，含有很强抗干扰能力。它是一个数字运算操作电子系统，专为工业环境而设计。它采取了可编程存放器，用来在其内部存放逻辑运算、次序控制、定时、计数和算术运算等操作基于用户指令，并经过数字式和模拟式输入和输出，控制多种类型机器或过程。PLC及其相关外围设备，全部应该按易于和工业控制系统集成，易于实现其预期功效标准设计。为了和个人计算机（Personal Computer）区分，通常将可编程序控制器简称为PLC（Programmable Logic Controller）。PLC产生是基于工业控制需要，是面向工业控制领域专用设备，含有以下多个显著特点： (1)可靠性高，抗干扰能力强 关键模块采取了集成电路，降低了硬件线路和机械触点数量，用程序实现逻辑次序和时序控制，大大提升了其可靠性。在抗干扰性能方面，PLC在结构设计、内部电路设计、系统程序实施等方面全部给了充足考虑。 (2) 结构简单，通用性强 整个PLC控制系统采取模块化结构，扩展模块品种繁多，可灵活组合完成多种控制要求，当控制要求发生改变时，只需简单更改程序或更换模块即可，所以，其结构十分简单，通用性很强(3) 编程简单，易于使用PLC采取梯形图语言进行编程，该语言中电路符号和表示方法和电气原理图相同，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，设计时只需根据其性能和容量等选择适宜型号和模块进行组装，依据功效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降低了繁琐安装接线工作，故其易于设计，开发周期短。 (5)维护方便 PLC可经过输入输出端子处指示灯直观反应现场信号改变，易于诊疗故障，而且采取模块化结构，方便排除故障。 (6)功效强，性价比高PLC高集成、编程控制、模块化结构等特点使得由PLC组成系统易于扩展，亦可满足多种需求，抗干扰性强，可降低系统成本。 2.2.2 PLC 基础组成 市场上可编程控制器(PLC)种类繁多，而且外观也不尽相同，不过其硬件结构和组成原理大致相同，关键由中央处理单元（CPU）、存放器（RAM、ROM）、输入输出器件（I/O 接口）、电源及编程设备等几大部分组成，其基础结构框图图下所表示。 图 PLC 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关键，是PLC进行运算和协调控制地方。它性能直接影响了PLC整体性能。 (2)存放器 PLC 存放器可分为系统存放器和用户存放器两部分。用于存放PLC运行需要程序和其运行过程中产生数据。通常有ROM 、EEPROM 、RAM三种类型。 (3)输入输出接口（I/O 接口） I/O 接口是 PLC 和现场 I/O 设备或其它外部设备之间连接部件。PLC 输入输出信号有数字量和模拟量两种。输入输出接口通常包含和被控设备相连接接口电路和输入/输出映像寄存器两部分。 (4)电源 PLC可使用220V交流电或24V直流电。内部开关电源由PLC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)编程设备过去编程设备是由厂家提供编程器，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编程依靠运行于PC上编程软件，该编程软件既能完成程序编辑、修改、转换、打印、保留，还能进行实时调试，对PLC运行过程中各个参数进行监控。 2.2.3 PLC 工作原理 可编程控制器(PLC)有两种基础工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。当 PLC 工作在 STOP 状态下时，扫描过程只包含内部处理和通信处理两个阶段；当 PLC在进入 RUN 状态以后，采取循环扫描方法工作。从第一条指令开始，在无中止或跳转控制情况下，按程序存放地址号递增次序逐条实施程序，即按次序逐条实施程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地反复进行。可编程序控制器工作时扫描过程图 3.2 所表示，包含五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序实施、输出处理。 图 PLC 工作时扫描过程 PLC工作过程通常可分为输入采样、程序实施和输出刷新三个关键阶段，在 PLC 实际工作过程中，还要进行自诊疗、和外设（如编程器、上位计算机）进行通信等处理。 2.2.4 PLC 控制电梯系统优点 PLC控制电梯系统有很多优点，关键表现在以下多个方面： (1)在电梯控制中采取可编程控制器，用软件实现对电梯逻辑控制，可使电梯自动运行可靠性显著改善。 (2)PLC利用取缔了大部分继电接触器，使得控制系统结构简化，安装线路降低。 (3)PLC模块化结构使得它不仅功效强大，而且易于增加和改变控制功效。 (4)PLC可进行故障自动检测，这将大大提升电梯运行安全性，并便于后期维护和检修。第三章第四章 第2章 功效需求分析本章将依据本系统所要实现关键功效，在确保可行前提下，结合经济性、便利性等标准，选择一个最好设计方案，方便愈加好实现电梯控制功效。23.1 电梯集选控制功效当电梯轿厢内及各楼层厅门外同时有多个请求发出时，要能根据一定次序逐一响应，这就要求系统能够对各个楼层优先级进行判定比较，而且要能够记忆各个还未作出响应请求信号。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响应逻辑，对请求信号做出比较，方便电梯能按一定次序进行响应，对于还未响应请求信号要有专门寄存器存放，以免信号丢失，当响应时能够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效。23.2 电梯楼层检测及平层功效电梯在控制过程中，需要判定目前电梯位置，依据目前电梯位置及请求信号做出判定处理，要判定电梯位置也就是需要对电梯进行楼层检测，对楼层检测能够用位置开关，当电梯抵达位置开关处时，对应位置开关会做出响应，反馈给PLC目前位置信号。当电梯靠近停靠站时需要准备平层，使电梯轿厢地面和厅门地面能够停靠在同一水平面上，以免出现事故，为确保正确平层需要进行平层检测，平层检测能够使用靠近开关，靠近开关是一个非接触式开关，无机械损耗和机械误差，定位精度高，当电梯达成平层位置时靠近开关做出响应，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 电梯门控制功效当电梯抵达停靠站停机后，电梯门程序要判定目前情况是否满足开门条件，当满足时要能实现自动开门，为实现正确判定要搜集目前楼层信号、平层信号、电机运行信号等。当开门程序开启后要判定何时停止开门，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，当开门抵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，这段时间长短能够经过定时器设置，当关门程序开启后需要判定何时停止关门，当关门过程中轿厢内有手动开门信号或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，当关门抵达该限位开关时停止关门，在电梯运行过程中，电梯门必需确保处于关闭状态。为确保电梯运行安全，当轿厢承载超重时，电梯门将无法关闭，为实现轿厢载重检测，在轿厢内部安装超重检测装置，当载重超出设定值时，发出超重信号给PLC，PLC做出响应。23.4 电梯调速功效为提升电梯舒适度，当电梯开启时，应以低速开启，为确保电梯运行效率，电梯运行过程中应以合适高速运行，当电梯停车时为确保正确靠站，应先降到较低速度运行，停站时抱闸停车。为实现电梯双速运行，能够用变频器来实现电梯调速。23.5电梯安保功效本设计在电梯上升过程呼叫程序中加入了一个呼叫确定开关，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，户主确定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，确定呼叫，该功效可预防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效，但和该功效相关外围设备及设计不做探讨。本章针对系统部分关键控制要求进行了功效需求分析，给出了设计方案，为后续硬件系统设计甚至软件系统设计提供了一定理论支持。第五章第六章 第3章 电梯控制系统硬件设计本章关键介绍电梯硬件部分。在对电梯系统进行了功效需求分析以后，本章将首先依据具体要求选择合适硬件设备，并对部分关键硬件设备进行分析选型，在确定了硬件设备以后，将着重介绍该系统电气原理图分析和设计，并对电气系统工作原理做出说明。34.1可编程控制器（PLC）选型PLC作为整个控制系统关键，在选择时要结合实际功效进行考虑，电梯控制系统需要PLC完成是部分很常规功效，市场上大部分PLC全部能实现，故在此关键考虑其容量和成本。本系统是一个六层电梯控制系统，属于中小型控制系统，考虑到本人对德国西门子企业生产一个小型PLC S7-200比较熟悉，而且其一些功效达成中型PLC水平，但价格却是小型PLC价格，性价比较高，故此首先考虑采取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，最多能够接7个扩展模块，价格相对较低，而且功效强大。CPU226型PLC外接一个16点输入，8点输出输入/输出混合扩展模块EM223即可满足要求，使用方便，功效强大，而且价格廉价，故此，本系统采取CPU226型S7-200系列PLC。34.2其它关键器件选型34.2.1电机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、民用性特点，要求价格廉价，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，开启、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，比较牢靠，轻易做成高转速、高电压、大电流电机，最关键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，故采取交流电机。交流电机分为异步电机和同时电机。异步电动机结构简单、轻易制造、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；同时电动机功率因数较高，对大功率低转速电动机，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，故此采取异步电动机。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，不过开启力矩较小，不易调速；绕线式电机能够经过集电环和电刷，在转子回路中串入外加电阻，从而实现平稳开启或改变外加电阻在一定范围内调整转速，而且其开启及运行力矩较大，通常见在重载和频繁开启生产机械上，但其也所以结构复杂，成本增加，运行可靠性降低，维护费用增加。鼠笼式异步电机维护及运行成本全部比绕线式电机低，而且可靠性更高，故此采取鼠笼式电机。总而言之，本电梯控制系统采取三相交流鼠笼式异步电动机。