基于PLC的施工场地升降机控制系统设计毕业设计论文解读Word格式文档下载.docx
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随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展建筑用施工电梯也已成为人类现代生活广泛使用的建筑施工运输工具。
随着人们对建筑用施工电梯运行安全性、高效性、舒适性等要求的提高，其功能得到了快速发展，其拖动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。
可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。
电梯控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。
通过PLC对程序设计，提高了建筑用施工电梯的控制水平，并改善了建筑用施工电梯运行的舒适感。
因此PLC在电梯控制系统中的应用非常广泛，非常有实际价值。
第2章系统设计方案的确定
2.1升降机的概述
施工升降机又叫建筑用施工电梯，也可以成为室外电梯，工地提升吊笼。
是建筑中经常使用的载人载货施工机械，主要用于高层建筑的内外装修、桥梁、烟囱等建筑的施工。
由于其独特的箱体结构让施工人员乘坐起来既舒适又安全。
施工升降机在工地上通常是配合塔吊使用。
一般的施工升降机载重量在1-10吨，运行速度为1-60m/min。
施工升降机的种类很多，按运行方式分有：
无对重和有对重两种；
按控制方式分为手动控制式和自动控制式。
根据实际需要还可以添加变频装置和PLC控制模块，另外还可以添加楼层呼叫装置和平层装置。
1、安全系数高标准节顶节无齿条的设计保证了吊笼不会冒顶，限位和极限开关以及防坠安全器的安装更加保证了施工人员的安全。
2、驱动系统减小吊笼内噪音，使吊笼内净空增大，同时也使传动更加平稳、机构振动更小。
3、便捷多用在传统施工升降机基础上加装了钢筋运送装置和混凝土运送装置，可运送钢筋、混凝土及施工人员，大大提高施工效率；
可选配性能先进的无级变频调速系统，使得升降机可实现0～60m/min的无级调速，运行平稳无冲击
4、钢结构钢结构主要由吊笼、外笼、标准节、对重、附墙架等组成。
1）吊笼：
吊笼是升降机的核心部件，为焊接钢结构体，周围有钢丝防护网，前后分别安装单、双开吊笼门，顶上安装护身拉杆。
吊笼的立柱上有传动机构和限速器底板安装孔，导向滑轮组也安装在立柱上。
2）外笼：
外笼主要由底盘、防护围杆及一节基础标准节等组成。
外笼入口处有外笼门并装有自动开门机构，当吊笼上升时，外笼自动关闭。
吊笼着地时，外笼门能自动打开。
底盘装有缓冲弹簧，以保证吊笼着地时能柔性接触。
3）标准节：
标准节由无缝钢管和角钢等焊接而成。
标准节上安装齿条，多节标准节用螺栓相接组成导轨架，通过附墙架和建筑物固定，作为吊笼上下运转的导轨。
4）对重：
对重用以平衡吊笼的自重，从而提高电动机功率利用率和吊笼载重，并可改善结构受力情况。
对重由钢丝绳通过导轨架顶部的天轮与吊笼上下运转的导轨。
5）附墙架：
附墙架用来使导轨架与建筑物附着连接，以保证导轨架的稳定性
本设计课题为施工场地的升降机控制系统设计。
以四层建筑场地升降机为模型，主要用于建筑施工与维修。
2.2升降机继电器控制系统
1、升降机继电器控制系统的优点
（1）所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。
（2）系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。
（3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜。
（4）多年来我国一直生产这类升降机，技术成熟，己形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。
2、升降机继电器控制系统存在的问题
（1）系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。
（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，
使系统的控制功能
不易增加，技术水平难以提高。
（3）电磁机构及触点动作速度比较慢，
机械和电磁惯性大，
系统控制精度难以提高。
（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
（5）由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；
而且检查故障困难，费时费工。
升降机继电器控制系统故障率高，大大降低了升降机的可靠性和安全性，经常造成
停梯，给乘用人员带来不便和惊忧。
且升降机一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成升降机机械部件损坏，还可能出现人身事故。
2.3PLC控制系统
1、升降机的PLC控制
自80年代后期PLC引入我国升降机行业以来，由PLC组成的升降机控制系统被许多升降机制造厂家普遍采用。
并形成了一系列的定型产品。
在传统继电器系统的改造工程中，PLC系统一直是主流控制系统。
升降机控制系统分为调速部分和逻辑控制部分。
调速部分的性能对升降机运行是乘客的舒适感有着重要影响，而逻辑控制部分则是升降机安全可靠运行的关键。
为了改善升降机的舒适感和运行的可靠性，现在都改为用PLC来控制升降机的运行，这样大大提高了升降机的性能。
PLC控制制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在升降机控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造。
2、PLC的工作原理及结构图
（1）PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
PLC具有微机许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式。
PLC则采用循环扫描工作的方式。
在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。
如此周而不断循环。
每一个循环称为一个扫描周期。
一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段。
所谓I/O刷新即对PLC的输入进行依次读取，将输入端各变量的状态从新读入PLC中存入内部寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O（输出）刷新”。
由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，则本次输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。
由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。
扫描的长短主要受PLC的运算速度，程序长度和每条指令占用时间长短影响。
图1-1PLC的结构
2、PLC控制升降机的优点
（1）从控制方式上看：
电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；
而PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
（2）从工作方式上看：
电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约。
（3）从控制速度上看：
电器控制速度慢，触点易抖动；
而PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，故而无抖动一说。
（4）从定时、记数看：
电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；
PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；
有记数功能。
（5）从可靠、维护看：
电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差；
PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
2.4PLC的控制系统设计原则与思路
1、PLC控制系统设计基本原则
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求
（2）保证PLC控制系统安全可靠
（3）力求简单、经济、使用及维修方便
（4）适应发展的需要
2、PLC控制系统设计思路。
：
图1-2设计思路流程图
2.5变频调速控制升降机
施工升降机是高层建筑施工中重要的垂直运输设之一，其运行状况的好坏直接影响施工进度。
传统施工升降机由于运行速度单一，存在以下几个主要题：
（1）起制动过程中加速度过大，齿轮对齿条的击大，危害设备；
（2）启动电流大，冲击供电电，影响其他设备的正常运行；
（3）对高层建筑而，运行速度低且无法调速，工作效率低；
（4）由于载荷发生变化，造成停位不准确，下降制停时平层不确。
采用变频调速技术，可以有效地改善这些情况。
随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。
电动机交流变频技术是当今节电，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外公认为最有发展前途的调速方式。
1.变频调速升降机使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。
2.变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能;
调速范围宽、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速。
3.变频调速升降机使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。
第3章系统的硬件设计
3.1.PLC的选型
SIMATICS7系列PLC是德国西门子公司在S5系列PLC基础上于1995年陆续推出的性能价格比较高的PLC系统。
其中，小型的有SIMATICS7-200系列，最小配置为8DI/6DO，可扩展2～7个模块，最大I/O点数为64DI/DO、12AI/4AO；
中小型的有SIMATICS7-300系列；
中高档性能的有S7-400系列。
SIMATICS7系列PLC都采用了模块化、无排风扇结构且具有易于用户掌握等特点，使得S7系列PLC成为各种从小规模到中等性能要求以及大规模应用的首选产品。
SIMATICS7-300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能如下：
（1）高速的指令处理
0.1～0.6的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。
（2）人机界面（HMI）
方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，因此人机对话的编程要求大大减少。
（3）诊断功能
CPU的智能化的诊断系统可连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事件。
（4）口令保护
多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。
（5）操作方式选择开关
操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。
这样就能防止非法删除或改写用户程序。
（6）方便用户的参数赋值
一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。
（7）浮点数运算
用此功能可以有效的实现更为复杂的算术运算。
1、SIMATICS7-300系列PLC系统基本构成
SIMATICS7-300系列PLC是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用，模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。
SIMATICS7-300有着广泛的应用领域，主要包括：
纺织机械、各种机床、通用机械工程应用、电器制造工业及相关产业。
多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。
当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用接口模块对PLC进行扩展。
S7-300是模块化的组合结构，根据应用对象的不同，可选用不同型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架（导轨）或多个机架上。
除了电源模块、CPU模块和接口模块外，一个机架上最多只能再安装8个信号模块或功能模块。
CPU314/315/315-2DP最多可扩展4个机架，IM360/IM361接口模块将S7-300背板总线从一个机架连接到下一个机架，SIMATICS7-300系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展。
其系统构成如图2.1所示。
它的主要组成部分有导轨（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元模块（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）等。
它通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7PLC相连。
图1-3S7-300系列PLC系统构成框图
2、S7-300系列PLC模块性能简介
（1）CPU模块
S7-300有CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU314IFM、CPU315/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等8种不同的中央处理单元可供选择。
CPU315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有现场总线扩展功能。
CPU以梯形图LAD、功能块FBD或语句表STL进行编程。
（2）信号模块
①数字量输入模块
数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。
数字量输入模块有直流输入方式和交流输入方式。
对现场输入元件，仅要求提供开关触点即可。
输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器等待CPU采样。
采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。
数字量输入模块SM321有四种型号模块可供选择，即直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入模块。
②数字量输出模块
数字量输出模块SM322将S7-300内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。
晶体管输出模块只能带直流负载，属于直流输出模块；
可控硅输出方式属于交流输出模块；
继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块。
从响应速度上看，晶体管响应最快，继电器响应最慢；
从安全隔离效果及应用灵活性角度来看，以继电器触点输出型最佳。
③模拟量输入模块
SM331主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。
A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数，也即积分时间越长，被测值的精度越高。
SM331可选四档积分时间：
2.5ms、16.7ms、20ms和l00ms，相对应的以位表示的精度为8、12和14。
④模拟量输出模块
模拟量输出模块SM332目前有三种规格型号，即4AO×
l2位模块、2AO×
12位模块和4AO×
l6位模块，分别为4通道的12位模拟量输出模块、2通道的12位模拟量输出模块、4通道的16位模拟量输出模块。
SM332可以输出电压，也可以输出电流。
在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。
采用4线回路能获得比较高的输出精度。
（3）PS307电源模块
PS307是西门子公司为S7-300专配的24VDC电源。
PS307系列模块除输出额定电流不同外（有2A、5A、10A三种），其工作原理和各种参数都相同。
PS307可安装在S7-300的专用导轨上，除了给S7-300CPU供电外，也可给I/O模块提供负载电源。
（4）接口模块（IM）
接口模板（IM360/361）用来在机架之间传递总线。
IMS接口代表发送，IMR接口代表接收。
接口模板必须安装到特定的插槽。
如果需要，在扩展机架可以安装辅助电源。
对于双层组态，硬连线的IM365接口模板较为经济（不需要辅助电源，在扩展机架上不能使用CP模板）。
（5）通讯处理器模块
CP340/CP341通讯处理模块用于建立点对点的低速连接，最大传输速率为19.2kbps。
有三种通信接口：
RS-232C，20mA（TTY）和RS-422/RS-485，有多种通讯协议可以使用。
3.2变频器的选择
1、变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类:
（1）按变换频率的方法分类：
交─直─交变频器交─交变频器
（2）按主电路工作方式分类：
电压型变频器电流型变频器
（3）按变频器调压方法的不同分类：
PAM变频器PWM变频器
（4）按工作原理分类：
U/f控制变频器VC控制变频器SF控制变频器
（5）按照用途分类：
通用变频器高性能专用变频器高频变频器
2、VS-616G5型通用变频器
本设计选用安川VS-616G5型全数字变频器。
它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别适合升降机类负载频繁变化的场合。
另外，VS-616G5变频器的启动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达0.01～0.02%使得升降机运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。
无须配专用电机，可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。
采用高性能IGBT，载波频率20KHZ，从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形，使电机始终运行于静噪音状态。
VS-616G5型变频器是安川电机公司面向世界推出的21世纪通用型变频器。
这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速围[5]。
VS-616G5变频器的特点如下:
（1）包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。
（2）有丰富的内藏与选择功能。
（3）由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。
（4）保护功能完善、维修性能好。
（5）通过LCD操作装置，可提高操作性能。
升降机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升降机按理想的给定速度曲线运行，以改善升降机运行的舒适感；
另外，由于升降机在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，升降机节约用电日益受到重视。
考虑以上各种因素，本设计选用安川VS-616G5型全数字变频器。
3、VS-616G5变频器的特点如下:
VS-616G5型变频器的标准规格如表所示：
表1-1VS-616G5型变频器的标准规格
220V级
输出特性
最大输出电压
3相,200/208/220/230V（对应于输入电压）
额定输出频率
最大400Hz
额定输入电压和
频率
3相，200/208/220V50Hz
200/208/220/230V60Hz
电源
允许电压波动
+10%，-15%
允许频率波动
±
5%
400V级
3相,380/400/415/440/460V（对应于输入电压）
3相,380/400/415/440/460V50-60Hz
控制
特性
控制方式
正弦波PWM（V/f控制、带PG反馈的V/F控制、开环矢量、闭环矢量控制4种控制方式任选性）
启动力矩
150%/1Hz（带PG,150%/Ormin）
速度控制范围
1:
100（带PG,1:
1000）
速度控制精度
0.2%（带PG，±
0.02%）
速度响应
5Hz（带PG,30Hz）
力矩限制
可采用（参数设定：
4级可变）
力矩精度
力矩响应
20Hz（带PG,40Hz）
频率控制范围
0.1～400Hz
频率控制精度
数字指令:
0.01%（-100C～+40℃）
模拟指令:
0.1%（250℃～±
10℃）
4、变频器的参数设置
由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。
（1）VS-616G5变频器的参数
616G5变频器共有9组参数，每一组参数的设定都具有特定的含义。
常用参数如表：
表1-2VS-616G5变频器的参数
参数
功用
A组
B组
C组
D组
E组
F组
G组
升级会员 