西门子SPLC控制四层电梯专项方案.doc

3 电梯具体介绍
3.1 电梯定义及组成
3.1.1 电梯定义
一个以电动机为动力垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。
3.1.2 电梯组成及功效
现代电梯关键由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等)、信号操纵系统、轿厢和厅门等组成。这些部分分别安装在建筑物井道和机房中。通常采取钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。电梯要求安全可靠、输送效率高、平层正确和乘坐舒适等。电梯基础参数关键有额定载重量、可乘人数、额定速度、轿厢外廓尺寸和井道型式等。
曳引系统 : 曳引系统关键由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成,曳引系统关键功效是输出和传输动力，使电梯运行。
导向系统:导向系统关键功效是限制轿厢和对重活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导向系统关键由导轨，导靴和导轨架组成。
轿厢:轿厢是运输乘客和货物电梯组件，是电梯工作部分。轿厢由轿厢架和轿厢体组成。
门系统：门系统关键功效是封住层站入口和轿厢入口。门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成.
重量平衡系统：系统关键功效是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢和对重间重量差保持在限额之内，确保电梯曳引传动正常。系统关键由对重和重量赔偿装置组成。
电力拖动系统：电力拖动系统功效是提供动力，实施电梯速度控制。电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。
电气控制系统：电气控制系统关键功效是对电梯运行实施操纵和控制。电气控制系统关键由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜)，平层装置，选层器等组成。
安全保护系统：确保电梯安全使用，预防一切危及人身安全事故发生。由限速器，安全钳，缓冲器，端站保护装置组成。
3.2 电梯原理
3.2.1 电梯结构原理
电梯是机、电一体化产品。其机械部分好比是人躯体，电气部分相当于人神经，控制部分相当于人大脑。各部分经过控制部分调度，亲密协同，使电梯可靠运行。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，图3.1所表示是电梯基础结构剖视直观图。
从电梯空间位置使用看，由四个部分组成：依附建筑物机房、井道；运载乘客或货物空间——轿厢；乘客或货物出入轿厢地点——层站。即机房、井道、轿厢、层站。电梯基础结构图3-1所表示。

1—控制柜(屏) 2一拽引机 3—拽引钢丝绳 4—限速器 5—限速器钢绳 6—限速器张紧装置 7—轿厢 8—安全钳 9—轿厢门安全触板 10—导轨 11—对重 12—厅门13—缓冲器
图3-1 电梯基础结构
一、拽引系统
电梯拽系统功效是输出动力和传输动力，驱动电梯运行。关键由拽引机，拽引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。拽引机为电梯运行提供动力，由电动机，拽引轮，连轴器，减速箱，和电磁制动器组成。拽引钢丝两端分别连轿厢和对重，依靠钢丝绳和拽引轮之间摩擦来驱动轿厢升降。导向轮作用是分开轿厢和对重间距，采取复绕型还能够增加拽引力。
二、导向系统
导向系统由导轨，导靴和导轨架组成。它作用是限制轿厢和对重活动自由度，使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。
三、门系统
门系统有轿厢门，层门，开门，连动机构等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门导轨架，等组成，层门设在层站入口处。开门机设在轿厢上，是轿厢和层门动力源。
四、轿厢
轿厢是运输乘客或货物电梯组件。它是有轿厢架和轿厢体组成。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。轿厢体空间大小由额定载重量和额定客人数决定
五、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。对重将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。
六、电力拖动系统
电力拖动系统由拽引电机，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。拽引电机是电梯动力源，依据电梯配置可采取交流电机或直流电机。供电系统是为电机提供电源装置。速度反馈系统是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机相连。调速装置对拽引电机进行速度控制。
七、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。其中控制装置依据电梯运行逻辑功效要求，控制电梯运行，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按钮来操纵电梯运行。平层装置是发出平层控制信号，使电梯轿厢正确平层控制装置。所谓平层，是指轿厢在靠近某一楼层停靠站时，欲使轿厢地坎和厅门地坎达成同一平面操作。位置显示装置是用来显示电梯所在楼层位置轿内和厅门指示灯，厅门指示灯还用尖头指示电梯运行方向。
八、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，可保护电梯安全使用。机械方面有：限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断总电源极限保护装置。电气方面安全保护在电梯各个运行步骤中全部有表现。
3.3 电梯工作原理
曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机经过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳和曳引轮摩擦产生牵引力，实现轿厢和对重升降运动，达成运输目标。固定在轿厢上导靴能够沿着安装在建筑物井道墙体上固定导轨往复升降运动，预防轿厢在运行中偏斜或摆动。常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。轿厢是运载乘客或其它载荷箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、降低电动机功率。赔偿装置用来赔偿曳引绳运动中张力和重量改变，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以正确停靠。电气系统实现对电梯运动控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。指示呼叫系统随时显示轿厢运动方向和所在楼层位置。安全装置确保电梯运行安全。
3.4 电梯PLC控制系统功效分析
整个升降电梯控制系统组成由关键控制元件PLC、电机马达开关、开关、按钮、指示灯、和外部光电传感器等元部件组成。其中由面板旋钮开关或带锁钥匙旋钮开关选择整个系统工作状态，经过状态安全继电器得电或失电来区分自动运行和手动运行输出电源通和断。这么就使得系统只有在自动运行状态下时PLC输出端子才有输出电压，当系统在手动运行状态下时，PLC输出端子上无输出电压。马达开关作用为当系统指令电机以工频方法工作时，起到保护电机作用。人机界面能够方便操作人员对设备进行操作和监控，实时显示设备工作状态。指示灯向PLC传输外部状态信号，指示电梯工作状态。自动化控制系统中安全部分紧急停止按钮拥有最高设备输出中止权，即不管在手动还是自动状态下，只要紧停按钮被按下，设备全部会立即停止任何动作。电梯井除了在高处和低处安装了感应电梯吊篮位置光电传感器，还在井架极限高位和极限低位安装了机械式行程限位开关，确保电梯轿厢不发生冲顶和撞底事故。
3.5 电梯PLC控制系统处理思绪
电梯系统电气部分关键组成就是电机拖动，信号元件和轿内和外部控制按扭。怎样合理设置和使用这些资源，对于处理这类问题至关关键。设计中首先要了解控制对象特点，从而确定相关PLC输入、输出点选择。
对于一个四层电梯控制，要处理关键问题包含以下多个方面：
（1） 轿内按扭和各层门厅按扭设置；
（2） 电梯运行位置监测；
（3） 电梯和各层门厅开关门状态监测；
（4） 确定控制逻辑。
经过上述问题分析，能够完成对所需PLC控制点数选择，一样作为一个逻辑控制为主系统，需要将被控电机作为唯一控制目标，全部逻辑实现全部是针对这一目标进行，而对此目标控制又分成了正向/反向。当电梯轿内或门厅呼叫按钮按下时，依据监测到上行或下行指令给出 对应信号，从而控制电梯驱动电机进行对应动作。当有多个呼叫信号抵达时，实施方法为优先响应电梯运行方向上信号，再响应另一方向信号。对未立即响应信号要进行保留。
4 电梯硬件设计
4.1电梯控制要求
上行要求：
1.当电梯停于1层或2层、或3层时，按S4按钮呼梯则电梯上升至LS4停。
2.当电梯停于1层，若按S2按钮呼梯，则电梯上升LS2停，若按S3按钮呼梯，则电梯轿箱上升至LS3停。
3.当电梯停于2层，若按S3按钮呼梯，则电梯上升到LS3停，
4.当电梯停于1层而S2、S3按钮全部有些人呼梯时，电梯上升到LS2暂停5秒后继续上升到LS3停。
5.当电梯停于2层，而S3、S4按钮全部有些人呼梯时，电梯上升到LS3暂停5秒后继续上升到LS4暂停。
6.当电梯、停于1层，而S2、S4按钮全部有些人呼梯时，电梯上升到LS2暂停5秒后，继续上升到LS4停。
7.当电梯停于1层，而S3、S4按钮全部有些人呼梯时，电梯上升到LS3暂停5秒后继续上升到LS4停。
8.当电梯停于1层，而S2、S3、S4按钮全部有些人呼梯时，电梯上升到LS2暂停5秒后继续上升到LS3暂停5秒后继续上升到LS4停。
下行要求：
9.当电梯在4层或3层或2层时，按S1呼梯，则电梯下降到LS1停。
10.当电梯停于4层，若按S3呼梯，则电梯下降到LS3停，若按S2呼梯，则电梯下降到LS2停。
11.当电梯停于3层，若按S2按钮呼梯，则电梯下降到LS2停止。
12.当电梯停于4层，而S2、S3按钮全部有些人呼梯时，电梯下降到LS3暂停5秒后继续下降至LS2停。
13.当电梯停于4层，而S3、S1全部有些人呼梯时，电梯下降到LS3暂停5秒，继续下降到LS1停止。
14.当电梯停于4层，而S3、S2、S1按钮全部有些人呼梯，则电梯下降到LS3暂停5秒继续下降到LS2暂停5秒后，继续下降到LS1停止。
15.当电梯停于3层，而S2、S1按钮全部有些人呼梯，则电梯下降到LS2暂停5秒后继续下降到LS1停止。
16.当电梯停于2层，而S1、S3、S4按钮全部有些人呼梯，则电梯先下降至LS1暂停5秒后，再上升。
17.当电梯停于3层，而S1、S2、S4按钮全部有些人呼梯，则电梯先下降至LS2暂停5秒后，继续下降到LS1暂停5秒，再上升至LS4停止。
注：选择方向和运行方向不一致时，呼叫无效，内选同上。
4.2 可编程控制器机型选择
为了完成设定控制任务,关键依据电梯控制方法和输入/输出点数和占用内存多少来确定PLC机型。本系统为四层楼电梯,采取集选控制方法。所需输入/输出点数和内存容量估算以下:
1．输入/输出点估算：
采取PLC组成四层简易电梯电气控制系统。电梯上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。一层有上升呼叫按钮K1和指示灯H1，二层有上升呼叫按钮K2和指示灯H2和下降呼叫按钮K4和指示灯H4，三层有上升呼叫按钮K3和指示灯H3和下降呼叫按钮K5和指示灯H5，四层有下降呼叫按钮K6和指示灯H6。一至四层有到位行程开关SQ1～SQ4。电梯内有一至四层呼叫按钮K10～K7和指示灯H10～H7；电梯开门和关门按钮SB5和SB6，电梯开门和关门分别经过电磁铁KM3和KM4控制，关门到位由行程开关ST1检测，开门到位由行程开关ST2检测。轿厢上行和下行由接触器KM1和KM2控制，并有上行记忆和下行记忆两路指示灯。输入点共有14个，输出点共有16个,总共30个。
2. 内存容量估算
用户控制程序所需内存容量和内存利用率、输入/输出点数、用户程序编写水平等原因相关。所以,在用户程序编写前只能依据输入/输出点数、控制系统复杂程度进行估算。本系统有开关量I/O总点数有30个，模拟量I/O数为0个。利用估算PLC内存总容量计算公式:
存字数=开关量I/O总点数×(10～15)+模拟量I/O总点数×(150～250)再按30%左右预留余量。估算本系统需要约1K字节内存容量。
综合I/O点数和内存容量，S7—200CPU226输入，输出点数为24／16，足以满足要求。
4.3 输入/输出点分配
该系统占用PLC30个I/O口，14个输入点，16个输出点，具体I/O分配如表4-1所表示。
表4-1 I/O分配表
序号
名    称
输入点
序号
名    称
输出点
0
一层平层
I0.0
0
电梯上行记忆
Q0.0
1
二层平层
I0.1
1
电梯下行记忆
Q0.1
2
三层平层
I0.2
2
电机正转
Q0.2
3
四层平层
I0.3
3
电机反转
Q0.3
4
内呼一楼
I0.4
4
内呼一楼指示
Q0.4
5
内呼二楼
I0.5
5
内呼二楼指示
Q0.5
6
内呼三楼
I0.6
6
内呼三楼指示
Q0.6
7
内呼四楼
I0.7
7
内呼四楼指示
Q0.7
8
一层外呼上行
I1.0
8
一层外呼上行指示
Q1.0
9
二层外呼上行
I1.1
9
二层外呼上行指示
Q1.1
10
三楼外呼上行
I1.2
10
三楼外呼上行指示
Q1.2
11
二楼外呼下行
I1.3
11
二楼外呼下行指示
Q1.3
12
三楼外呼下行
I1.4
12
三楼外呼下行指示
Q1.4
13
四楼外呼下行
I1.5
13
四楼外呼下行指示
Q1.5
14
手动开门
I2.0
14
门电机正转
Q1.6
15
手动关门
I2.1
15
门电机反转
Q1.7
16
开门限位
I2.2

17
关门限位
I2.3

18
电梯上升极限位
I2.4

19
电梯下降极限位
I2.5

4.4 PLC外部接线图
本设计PLC外部接线图图4-1所表示.CPU226CN传感器电源24V(DC)能够输出600mA电流，经过核实在本设计中PLC容量完全满足要求，CPU226CN输出继电器触点容量为2A，电压范围为5~30V（DC）或5~250V（AC）

图4-1 PLC外部接线图
4.5 变频器参数设置及计算
4.5.1 变频器参数设置
因为采取PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采取开关量而不用模拟量。
参数设置标准:
(1) 为减小开启冲击及增加调速舒适感，其速度环百分比系数宜小些，而积分时间常数宜大些；
(2) 为了提升运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车冲击;
(3) 零速通常设置为0HZ；
(4) 变频器其它常见参数可依据电网电压和电机铭牌数据直接输入
表4-2 安川616G5变频器关键参数设置表

4.5.2 变频器自学习功效应用方法
为了使变频器工作在最好状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动电动机进行自学习，而616G5就含有曳引机参数自学习功效，其方法是:将曳引机制动轮和电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后开启电动机，让变频器自动识别并存放电动机相关参数，变频器将依据识别到结果调整控制算法中相关参数。显然，这一组自学习到参数，是和变频器匹配最好参数，使变频器能对该电动机进行最好控制。
4.5.3 变频器容量计算
变频器功率可依据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重和配重进行选择。设电梯曳引机电机功率为P1电梯运行速度为v，电梯自重为w1，电梯载重为W2配重为W3重力加速度为g，变频器功率为P。在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为P2:
P2 = [(W1+W2-W3) g+F1] v （4-1）
其中F1=K (W1+W2-W3) g+＆为摩擦力，＆可忽略不计。
电机功率P1，变频器功率P应靠近于电机功率P1，相对于P2留有较大裕量，可取P≈l.5P2
4.5.4 变频器制动电阻参数计算
因为电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应含有制动功效.带有逆变功效变频调速装置经过逆变器即使能够将再生能量回馈电网，但成本太高.采取能耗制动方法经过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且含有良好使用效果.能耗制动电阻R1大小应使制动电流I1值不超出变频器额定电流二分之一，即
I1=U0 /R1≤I/2 （4-2）
其中U0为额定情况下变频器直流母线电压.因为制动电阻工作不是连续长久工作，所以其功率能够大大小于通电时消耗功率.
5 电梯软件设计
5.1 PLC编程语言
PLC程序是PLC指令有序集合，PLC运行程序就是按一定次序，实施这集合中一条条指令。指令是指示PLC动作文字代码或图形符号。使用编程语言不一样，这些文字代码和图形符号就不相同。但从本质上来讲，指令实质全部是二进制机器码。同一般计算机一样，PLC编程软件经过编译系统把PLC程序编译成机器代码。
PLC提供了功效较为完整编程语言，以适应PLC在工业环境中应用。利用PLC编程语言，根据不一样控制要求编制不一样控制程序，这相当于设计和改变继电器控制硬件接线，也就是所谓“可编程序”。
PLC编程语言通常有五种：次序功效图(Sequential Function Chart)、梯形图(Ladder Diagram)、功效块图(Function Block Diagram)、指令表(Instruction List)和结构文本(Structured Text)。其中，次序功效图

(SFC)、梯形图(LD)、功效块图(FBD)是图形编程语言，指令表(IL)和结构文本(ST)是文字语言。梯形图(LD)是现在使用最广泛PLC图形编程语言，梯形图和继电器控制系统电路图相同，比较易于掌握、程序表示清楚，本系统PLC程序编制采取梯形图语言。
5.2 程序设计常见方法
在工程中，对PLC应用程序设计有多个方法，这些方法使用，也因各个设计人员技术水平和喜好有较大差异。现将常见多个应用程序设计方法简明介绍以下。
1. 经验设计法
经验设计法也叫凑试法。在掌握部分经典控制步骤和电路设计基础上，依据被控对象对控制系统具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于部分简单控制系统设计是比较凑效，能够收到快速、简单效果。经验设计法具体步骤以下：
（1） 确定输入/输出电器；
（2） 确定输入和输出点个数、选择PLC机型、进行I/O分配；
（3） 做出系统动作工程步骤图；
（4） 选择PLC指令并编写程序；
（5） 编写其它控制控制要求程序；
（6） 将各个步骤编写程序合理地联络起来，即得到一个满足控制要求程序。
2. 逻辑设计法
工业电气控制线路中，有很多是经过继电器等电器元件来实现。而继电器、交流接触器触点全部只有两种状态即：断开和闭合，所以用“0”和“1”两种取值逻辑代数设计电气控制线路是完全能够。该方法法是依据数字电子技术中逻辑设计法进行PLC程序设计，它使用逻辑表示式描述问题。在得出逻辑表示式后，依据逻辑表示式画出梯形图。
3. 次序控制法
对那些按动作前后次序进行控制系统，很适合使用次序控制设计法进行编程。次序控制法规律性很强，即使编程相当长，但程序结构清楚、可读性。在用次序控制设计法编程时，功效图是很关键工具。功效图能够清楚地表现出系统各工作步功效、步和步之间转换次序及其转换条件。
功效图由步骤步、有向线段、转移和动作组成，在使用时它有部分使用规则，具体以下：
步于步之间必需用转移隔开；
转移和转移之间必需用步隔开；
转移和步之间用有向线段连接，正常画次序功效图方向是从上向下或则从左向右。根据正常次序画图时，有向线段能够不加箭头，不然必需加箭头。
一个次序功效图中最少有一个出初始步。
5.3 系统结构框图
5.3.1 电梯开关门步骤图

电梯开关门步骤图
5.3.2 电梯上升下降步骤图

电梯上升下降步骤图
5.4 梯形图
5.4.1 外召唤信号登记及消除

5.4.2 内指令信号登记及消除
点动内呼按钮，信号登记显示。到层信号取消。
本系统设一楼为基站，两分钟内无任何操作，电梯自动返回一楼。

5.4.3 电梯平层信号处理

5.4.4 选层定向及反向截梯
1 轿厢上行

2.轿厢下行

5.4.5 内指令外召唤信号保持
轿厢内呼指令和外召唤指令保持信号，用于在有乘坐需要楼层停车，并自动或手动实施开关门操作。开关门实施一次以后，信号取消。使电梯能够继续响应其它乘坐信号。

5.4.6 各楼层停车信号

5.4.7 自动开关门
如梯形图所表示，电梯到层停车后，延时2s开门，5s后自动关门。并设有手动开门按扭和关门按钮。可实现即时开关门。

总 结
此设计关键以PLC为关键，利用PLC强大控制功效，实现了对四层升降电梯控制。
利用梯形图能够很直观看出电梯运行过程。利用可编程控制器控制升降电梯，含有接线简单、编程直观、扩展轻易等特点。当建筑物层楼增加时，硬件接线上只需增加楼层对应输入信号。原来接线不需改变，软件上只需增加对应楼层功效，要改动地方也较少。调试结果表明，在适应性、正确性和可靠性方面，抵达成了设计要求，表明该设计方案是可行。
此次设计达成了预定设计目标。利用可编程控制器和双速交流电动机控制技术，充足利用了数字化电子控制技术，经过合理设别选型、软件设计，提升了电梯运行可靠性和运行效率，使电梯结构紧凑、噪音降低、维修简单、故障率低，改善了电梯运行舒适感，并节省了电能。含有一定经济效益和社会效益。
顺利准期完成此次毕业设计给了我很大信心，让我了解专业知识同时也对本专业发展前景充满信心。不管PLC控制电梯系统怎么复杂，我全部采取了部分新技术和设备。它们有着很多优越性，但也存在一定不足，这些不足在一定程度上限制了我们发明力。比如我设计在怎么能够更大程度满足乘客乘坐时舒适感方面处理得不是很理想，这让我感到很遗憾。发觉问题，面对问题，才有可能处理问题。不足和遗憾不会给我打击只会愈加好鞭策我前行，以后我更会关注新技术新设备新工艺出现，并争取立即掌握这些优异知识，愈加好为社会做出应有贡献，为祖国四化服务。
参考文件
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致 谢
经过此次设计，我受益匪浅，不管在学习还是生活中全部保持认真态度。更关键是，我更了解了相关可编程控制器功效。我选择这个设计，也是为了能更深刻了PLC。做设计就要到现场调查研究搜集资料，阅读文件，分析对比，设计计算，对每一个数据全部要细心琢磨，理论和实践相结合，思索越多，得到越多，不懂问题也就处理了，独立工作能力逐步增强，业务技术能力逐步增强。
能很好完成这次设计和老师辛勤劳动和耐心细致地循循诱导分不开，她们学识渊博，治学严谨，为指导我们搞设计，不辞辛劳，其严谨治学作风和兢兢业业工作作风是我们学习楷模，在此我表示深切感谢。
谨向隋青松老师表示感谢。
谨向全部任课老师致以衷心感谢！我们立即毕业，在此，再一次向三年中在学习和生活中给过我帮助老师和同学致谢。
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