机电一体化毕业设计交流双速电梯PLC控制系统的设计.docx
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机电一体化毕业设计交流双速电梯PLC控制系统的设计
机电一体化毕业设计——交流双速电梯PLC控制系统的设计
ZHEJIANGWATERCONSERVANCYANDHYDROPOWERCOLLEGE
毕业设计（论文）
题目：
交流双速电梯PLC控制系统的设计
系（部）：
机械电子工程系
专业班级：
姓名：
学号：
指导教师：
2012年月日
摘要
目前电梯设计使用可编程控制器（PLC），要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。
维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。
当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后．控制系统进行下列运作：
根据轿厢所处位置及乘员所处层数．判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。
将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。
另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。
交流双速电梯的机构简单、价格较低、使用和维护都较为方便，对其进行必要的改造后，可改善牵引电动机调速不够平滑、舒适性较差等缺点。
PLC控制的交流双速电梯既提高了电梯的乘坐舒适性，也减少了人的参与，操作也更加简单干便。
关键词
PLC；控制系统；程序语言；交流双速电梯
Abstract
CurrentlyelevatordesignUSESprogrammablelogiccontroller（PLC）,flexible,simpleprogrammingfunction,lownoise,lowmalfunction.Maintenanceconvenience,saveenergyandstronganti-jammingcapability,controlboxarea.Whenthecrewintotheelevator,pressthebutton,thefloorautomaticallyclosedthedooraftertheoperation.Thecontrolsystemaccordingtoenclosurepositionandcrewarelayers.Determineenclosuremovementdirection,ensureenclosureflatlayer.Tostopthecaronthefloor,Atthesametime,accordingtothefloorofthecall,theroadparking,automatic.Intheenclosureandallhavelightshowelevatorrunningdirectionandseveralfloors.Exchangetwo-speedelevatorofsimplestructure,lowprices,useandmaintenancearerelativelyeasy,carriesonthenecessaryrenovation,improvestractionmotorspeedisnotsmooth,comfortshortcomings.
PLCcontrolcommunicationtwo-speedelevatorcanimprovetheelevatorridecomfort,alsoreducedthepeople'sparticipation,theoperationismoresimpleanddry.
KeyWords
PLC；Controlsystem；Programminglanguages；Exchangetwo-speedelevator
0引言
可编程序控制器（PLC）是近十几年发展起来的一种新型工业控制器，由于它把计算机的编程灵活，功能强大，应用面广等优点与继电器系统的控制简单，使用方便，抗干扰能力强,价格便宜,体积小等优点结合起来，在工业生产控制中广泛地应用。
电梯是一种特殊的垂直运输工具，都市人们的日常生活已经越来越离不开它。
现在随着我国经济的高速发展，高楼处处可见，而高楼的主要运输工具都是电梯，所以接触电梯的人也越来越多，且随时影响人们的工作、生活、学习。
因此人们对电梯的安全性，稳定性也越来越高。
它由多许机械构件和电子、电气、大规模集成电路组成的微型计算系统及声、光控制部件所组成。
我们从按下电梯的按钮到完成电梯的运行并走出电梯轿厢，实际上已包含了电梯的许多功能，如：
电梯的定向选层、电梯的起动、加速、稳速运行、到站减速、平层停车、开关门。
还有检修功能、安全保护功能、消防功能、楼层显示，语音报站、并联功能、群控功能等。
从电梯控制统的实现方法分，电梯的控制系统经历了继电器控制、可编程序控制（PLC）、单片微机控制、多微机控制多种形式。
其中的可编程序控制器的电梯控制系统可以实现由继电器实现的逻辑控制功能，而且触点少、可靠高、故障率低、维修方便、噪声小最主要的是可编程序控制系统的"可编程"功能，使得当改变电梯的控制功能时，只要更改程序即可。
而PLC的编程语言需不尽相同，但都有通俗易懂，便于自学的优点一般维修及工程人员都能掌握,当然PLC电梯控制系统只适用于小高层的楼房。
本文就PLC的结构原理及基本指令，电梯的基本结构及控制原理，PLC在电梯上的选用原侧，设计项目要点等作了一般性的介绍。
最后以西门S7-200，PLC为例，设计了三层站的交流双速电梯的控制过程及控制程序。
1．PLC的结构及基本指令
1.1PLC的结构原理
可编程序控制器（ProgrammableLogicalController,简称PLC），是在继电器控制和计算机控制的基础开发的产品，逐渐发展以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动装置。
它有可编程性，且编程灵活简单，有在恶劣环境下工作的高抗干扰能力，适应性力。
而其体积小，重量轻，价格底等特点，在工业控制应用上越来越广泛，电梯控制系中的应也不例外。
PLC的结构原理：
不同的生产厂家生产的可编程逻辑控制器的结构及组成基本原理是一样的，PLC的硬件系统主要由中央处理单元（CPU）、输入电/输出器件、存储器（ROM/RAM）、输入/输出扩展接口、外设扩展接口及电源电路等组成。
1.2PLC的基本工作原理
1）PLC的等效电路
PLC是由以微机为核心的电子部件，可以将它看作是一个由各种继电器、定时器、计数器及状态器组合体。
PLC的输入继电器，由外部开关通过输入端来驱动的；PLC内的输出继电器，带有无数内触点和外部输出触点。
此外，PLC还有如定时器、计数器、状态寄存器等"软"元件，这些元件带有动作线圈和很多电子常开触点和常闭点，可以在PLC内自由选择使用。
PLC控制系统主要由三部分组成：
输入部分、控制部分、输出部分。
2）PLC的工作过程
PLC的工作过程实质上就是执行程序的过程。
当PLC运行时，CPU按照分时操作原理每个周期执行一个操作，由于CPU的运算处理速度很快，使得外部出现的结果从宏观来看似乎是同时完成的，种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。
PLC的工作过程分为三个阶段：
输入处理、程序执行及输出处理。
1.3PLC的功能和优点
1.3.1PLC的功能
SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监
测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相
连成网络皆能实现复杂控制功能。
CPU224集成14输入/10输出共24个数
字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
S7-200提供了多种功能，使得在编程与控制时更加灵活方便。
指令执行速度高。
S7-200几乎包括了一般计算机所具有的种种基本操作指令。
例如：
变量赋值，数据存储，计数，装载，传输，比较，移位，循环，求补及子程序的调用等。
（1）触发中断的信号，可以用软件中断输入信号的上升沿或下降沿，以便对过程事件做出快速的响应。
（2）可设定为由时间控制的自动中断，所设定的时间范围为5MS—255MS（步长为1MS）。
（3）可由计数器自动触发中断，且具有两种不同的触发方式：
计数到达预定值触发和改变计数方向的瞬间触发。
1.3.2可编程控制器PLC的优点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
（2）程序简单易学
（3）功能完善，适应性强
（4）用简单，调试维修方便
（5）体积小、重量轻、功耗低
1.4PLC的软件系统
硬件系统和软件相互结合才能构成一个完整PLC控制系统，完成各种复杂的控制功能。
PLC的软件系统由系统程序和用用户程序组成。
系统程序（又称系统软件）用于PLC控制系统的管理、服务及对用户程序的编译。
系统程序质量的优劣直接影响PLC的性能。
系统软件是由PLC生产厂家提供并固化在内部程序存储器中，用户不行存取和修改。
用户程序也称为应用程序或应用软件，它由PLC使用者根据被对象的控制要求用程序语言编制而成。
用户程序是通过编程器键入到PLC内，并线性地丰放在由管理程序指定的存储区域内。
小型PLC的用户程序比较简单，通常是顺序编制而成。
大中型PLC的用户程序容量较大且比较复杂，为使用户程序编制简单，可以按功能、结构或使用目的将用户程序分为各个程序模块，每个模块各自完成一个确定的功能，然后把它们链接在一起构成一个完整的软件系统。
1.5PLC的编程语言
PLC的编程语言采用面向顺序控制和面向过程控制的"自然语言"，这些语言包括：
梯形图，语名表，控制系统流程图，逻辑方程式或布尔代数式等。
现在介绍常用的PLC编程语言梯形图。
梯形图结构形式类似地传的继电器控制电路，它是由图形符号连接而成，这些符号分别代表常开触点、常闭触点、并联接线、串联接线及继电器线圈等，每个触点和线圈都有一个编码。
2．物料传送和分拣机构的控制
2.1物料传送和分拣机构的控制
在机械手分拣装置中，物料经过送料机构、搬运机构之后，就进入了传送和分拣机构。
如图1所示，当落料光电传感器检测到有物料后，马上启动输送电动机，；当物料经过推料一位置，如果电感式动作，则说明该物料为金属，则气缸动作将物料推入到金属料槽中；如果物料未被电感式传感器识别，而被输送到推料二位置，此时如果电容式传感器动作，则必定为非金属物料，气缸动作将其推入到塑料槽中。
如图1
物料传送和分拣机构具体包括以下几个部分：
1，落料广电传感器：
检测是否有物料到传送带上，并给PLC一个输入信号；
2，放料孔：
物料落料位置定位；
3，金属料槽：
放置非金属物料；
4，塑料料槽：
放置非金属物料；
5，电感式传感器：
检测金属材料；
6，电容式传感器：
用于检测非金属材料；
7，三相异步电动机：
驱动传送带转动，低速运行；
8，推进气缸：
将物料推入料槽，由双向电控气阀控制。
2.2物料分拣用的检测开关
2.2.1金属分拣用的电感式传感器
电感式传感器由三大部分组成：
振荡器、开关电路及放大输出电路。
振荡器产生一个交变磁场。
当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。
振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的（如图2所示）。
图2
在物料分拣中，电感式传感器工作流程如图3所示，金属物体在接近电感式传感器的振荡感应头时，会在物体内部产生涡流，这个涡流反作用于传感器，使传感器振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。
这种电感式传感器所能检测的物体必须是金属物体。
图3
2.2.2物料分拣用的电容式传感器
电容式传感器的感应面由两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串接在RC振荡回路内。
电源接通时，RC振荡器不振荡，当一目标朝着电容器的电靠近时，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。
通过后级电路的处理，将振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。
该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电常数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大。
如图4所示为电容式传感器工作流程。
电容式传感器亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。
这种传感器的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体，在检测较低介电常数ε的物体时，可以调节传感器的内部电位器来增加感应灵敏度。
图4
由于机械手自动分拣装置的输入和输出点数比较多，对于已经包含了送料机构、搬运机构、物料传送和分拣机构四大部分的设备来说，往往一个主CUP不能满足要求，这就需要进行扩展。
2.3物料传送与分拣机构的程序编制与调试
2.3.1根据控制工艺，列出物料传送和渐渐机构的输入/输出资源配置，如表1所示。
表4物料传送与分拣装置的输入/输出资源配置
2.4三层站的交流双速电梯的控制程序编写
2.4.1电梯运行状态选择程序
旋钮默认状态为I0.0断开，在断开时中间继电器M0.0闭合，不论电梯处于什么位置，电梯都直接下行到底层，如电梯就在底层，则厢门上的限位器传送信号到PLC中，表示电梯已到达目标位置，延迟一段时间后，厢门开启进行维修维护工作，其维修状态的梯形图程序如图2-8所示
图2-8维修状态时的梯形程序图
2.4.2楼层指令输入程序
在正常运行状态时，接收每个楼层的上行/下行指令和箱体控制按钮的指令。
在此程序中，先将收到的楼层指令存储到对应的寄存器中，然后电梯以此为目标在楼层间运行，如果在运行过程中，有其他楼层的按钮被按下，则经过PLC的运算。
按照输入的指令停止在指定的楼层上，其楼层指令输入梯形图程序如图2-9所示
图2-9楼层指令输入梯形图程序
2.4.3电梯上下行运行判断程序
如果电梯处于底层或者顶层，则运行时只有一个方向：
上行或者下行。
如果停留在中间任何一层，就需要通过PLC的运算将电梯所在楼层和输入指令的楼层进行比较，然后输出上行还是下行的指令，电梯上下行运行判断程序如图2-10所示。
图2-10电梯上下行运行判断程序
从图2-3所示中可以看出当电梯处于空闲状态时，不论是厢内还是厢外的控制按钮被按下后，所对应的楼层寄存器都和电梯现在所在楼层的寄存器进行比较，如果大于电梯所在楼层则上行，如果小于电梯所在楼层则下行。
同时在运行过程中，不断比较楼层与电梯所在楼层，用来确定带难题的上行和下行工作状态。
2.4.4最近上行目标楼层确定程序
当电梯已经接收到目标楼层指令，且正在开始移动，在还没到达目标楼层之前，例如:
正在1层开始运动，有人在2层按下了上行按钮，则电梯的最近上行目标楼层应立刻更新为2，而如果此时1层按下上行按钮，则不会影响电梯的运行状态，最近上行目标楼层确定程序如图2-11所示。
图2-11最近上行目标楼层确定程序
在此段程序中，PLC在每个扫描周期都检测厢内和每个楼层的按钮状态，若有按钮按下，且所在楼层高与之前的目标楼层数，则更该目标楼层数。
2.4.5上行运行程序
在确定了最近的目标楼层后，由PLC输出的指令控制电梯向上运动，接近目标楼层后。
目标楼层的下层限为器输入的信号，输入到PLC中，然后调用速度切换程序，上行运行程序如图2-12所示。
图2-12上行运行程序
2.4.6最近下行目标楼层确定程序
当电梯已经接收到目标楼层指令，且正在向下开始移动，在还没到达目标楼层之前，例如:
正在从3层开始运动，有人在2层按下了上行按钮，则电梯的最近下行目标楼层应立刻更新为2，而如果此时3层按下行按钮，则不会影响电梯的下行状态，最近下行目标楼层确定程序如图2-13所示。
图2-13最近下行目标楼层确定程序
在此段程序中，PLC在每个扫描周期都检测厢内和每个楼层的按钮状态，若有按钮按下，且所在楼层低与之前的目标楼层数，则更该目标楼层数。
如果指定楼层高于所有目标楼层中的最低层，则PLC将下一个目标楼层指定为距离电梯所在楼层的最近一层，然后根据其他楼层的按钮情况，依次对下一个目标楼层进行修改更新。
2.4.7下行运行程序
在确定了最近的目标楼层后，由PLC输出的指令控制电梯向下运动，接近目标楼层后。
目标楼层的上层限为器输入的信号，输入到PLC中，然后调用速度切换程序，其程序如图2-14所示。
图2-14下行运行程序
2.4.8开关门程序
在电梯运行过程中，即使按下开门按钮，电梯门也不会打开；同样如果电梯门没有完全关闭，电梯不进行上下运行，以此保证乘客的安全，其程序如图2-15所示。
图2-15（a）开门子程序
图2-15（b）关门子程序
在开关门程序中。
当电梯门处于正在开门状态时，必须等厢门完全打开后才能执行关门程序图2-8（b）所示，只有在I1.4闭合后手动开关才能开始操作；而反过来当电梯门正处于开门状态时，可通过手动开门按钮I2.1断开关门自锁继电器M1.3如图2-8（b），然后接通开门自锁继电器M1.2，将关门状态转化为开门状态
2.4.9换速程序
为了保证电梯运行的快速稳定，而且能提供给乘客一个舒适的乘坐环境，该控制系统采用双速运行方式。
在电梯启动阶段，速度较低，然后增加到快速运行阶段，既能较快地到达目标楼层，也不会产生较强的不舒适感。
电梯的切换程序如图2-16所示。
图2-16换速程序
2.4.10门定位程序
在门定位程序中，不仅要利用三个限位器对电梯进行定位，而且需要多所在楼层的寄存器进行复位处理，其程序如图2-17所示。
图2-17门定位程序
2.4.11超重报警程序
在电梯运行过程中，尤其是在有乘客进入的时候，需要不断的采集电梯厢内的重量，以防止超过最大重量，造成安全事故，其程序如图2-18所示
图2-18超重报警程序
3.程序调试
将电脑中的软件部分和外部的硬件部分相连接将编译好的程序下载到PLC中，进行实际操作试验看看能否实现预设的功能。
硬件方面的要注意电器设备的放置，既要便于维修，也要便于与电梯厢连接。
，由于电梯需要较高的安全防护性，因此不仅要有软件方面的防护，也必须要有硬件保护措施。
对于电梯门的定位限位器也需要经过多次调试，才能确定最合适的位置。
结束语
至此，整个设计系统的工作完成，最终达到了预想的设计要求。
本次毕业设计课题的内容是PLC在电梯上控制系统设计。
电梯PLC控制系统所涉及的面非常广，用上了以前所学的很多知识和技术，如《可编成控制器教程》中的PLC原理及程序设计以及《电路》、《电机拖动》等许多方面，使我原来的知识得到了巩固和加深。
同时，我又学到了很多新的知识，特别是电梯的基本结构，基本，工作原理和控制系统。
而且这是一次难得的把所学的理论知识在实践中加以运用的机会，使之更融会贯通，对我日后的学习和工作都会有很大的帮助。
设计中遇到了不少困难，一个困难的解决，就是一次知识和经验积累的过程，让我明白了真正设计出成果的不易，更加认识到知识的力量，让我在以后的工作和学习过程中可以时刻提醒自己。
通过完成此次课题，使我对电梯和PLC及电梯有了一些新的看法。
电梯作为当今高层建筑中的交通工具，为了更好地满足用户的要求，方便人们.它将随之不断改进，使之更加舒适、安全、可靠、方便。
在舒适方面可以采用变频调速，让人感觉犹如平地。
从方便来看，可以用微机智能控制，实现智能化。
为配合楼层的伸高，更要开发安全的高速电梯。
而PLC，由于计算机技术的发展，如不加以改进，势必将被淘汰。
只有在它的强项，如：
可长时间连续工作，管理方便等方面作得更有特色，才能继续占有市场。
最后，要说明的是，由于水平有限，电梯和PLC都是一个复杂的系统,PLC在电梯更多控制方面未能试验.
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