毕业设计五层电梯的PLC控制系统设计Word文档下载推荐.docx
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采用继电器控制电梯，存在易出故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。
随着时间推移，这种控制系统将逐渐被淘汰。
现在几乎全部的电梯控制系统都采用上位机或可编程控制器（PLC）控制，大大提高了电梯运行的可靠性和可维护性，并且延长了其使用寿命，同时缩短了电梯的开发周期，将PLC用于电梯控制系统，已经成为一种发展趋势。
可编程控制器（PLC：
ProgrammableLogicController）的发展是根据顺序逻辑控制的需要，专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。
PLC控制方式具有可靠性、实用性和灵活性的特点，它更适合于电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制中理想的控制新技术。
PLC采用巡回扫描的方式，分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会正常工作；
又由于PLC中的内部辅助继电器和保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，即无线圈又无触点，且使用次数不受限制，属无触点运行。
因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。
同时随着电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐发展成为交流变频调速。
这不仅能满足乘客的舒适感和保证平层的精度，还可以节约能源、降低能耗、减小运行费用。
模块化程序设计思想是把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组成一个完成总任务的完整程序。
采用这种程序设计思想各模块具有相对独立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改，特别是用于复杂控制过程的生产过程。
本文选用OMRONC200HE型号的PLC来对五层电梯进行逻辑控制，由它提供变频器的运行方向和速度指令，使变频器根据电梯需要的速度调节运行方向和速度。
通过PLC的合理编程，实现自动掌握停站时间、自动开关门、自动平层、顺向截梯、自动换向及内外呼信号的登记与消除等集选控制功能。
五层电梯控制系统是集选式控制系统，控制比较复杂，适合采用模块化的编程方法，将各个输出信号按属性分类，模块与模块之间的衔接可以用内部继电器来传递信息。
系统软件大致分为：
电梯的启动与选向模块、电梯的换速与停层模块、电梯轿厢开关门控制模块、电梯运行方向指示灯显示模块、信号综合处理程序模块、楼层检测及显示控制模块和检修模块八大模块。
要求实现以下功能：
●电梯复位模块：
当超过一定时间无呼叫信号，电梯自动返回基站，即一层。
●电梯的启动与选向模块：
完成电梯在响应呼叫时作出的向上运行还是向下运行的判断。
●电梯的换速与停层模块：
根据呼叫信号与轿厢所在楼层产生减速信号与停止信号。
●电梯轿厢开关门控制模块：
电梯到达指定楼层时完成自动开关门及在电梯停止运行时完成手动开关门。
●电梯运行方向指示灯显示模块：
电梯上下行时，用向上、向下箭头（三角形发光二极管）显示电梯的上行、下行。
●信号综合处理程序模块：
综合处理外呼、内选信号的登记、保持和消除。
●楼层检测及显示控制模块：
根据楼层行程开关状态信号判断所在楼层并控制七段数码管显示该楼层号，直到楼层改变为此。
●检修模块：
当电梯出现故障时，切换为检修模式，检修电梯。
程序完全采用模块化结构编程，模块之间耦合程度低，程序通用性强、易于扩展，程序逻辑简单、语句较少，方便进行设计、调试、修改和阅读。
第一章绪论
1.1设计背景
随着我国的经济发展，电梯逐渐成为高层运输必不可少的交通运输工具。
电梯的形式多种多样，有垂直方向运行的的、斜方向运行的。
随着人们对电梯的安全性、可靠性、舒适性等方面的要求日益增高，电梯技术得到了不断发展。
从二十世纪末起，PLC在电梯控制系统中的应用逐渐广泛。
目前，在我国的电梯行业中，PLC以其逻辑功能强、可在线修改控制程序、可靠性、体积小、具有远程通信联网功能、能对模拟量进行控制、易与计算机接口、具备高速技术与位控等高性能模块的优异性能，日益取代由大量时间继电器、中间继电器、计数继电器等组成的传统的继电器控制系统。
PLC由于其可靠性高、实用性强、编程和维护方便而备受广大用户的欢迎。
近几年来，新发展起来的变压变频调速技术在电梯行业中得到迅速发展，与用直流电动机调速相比变压变频调速技术的调速性能更优。
电梯运行更加舒适，平层精度大大提高，对能源的消耗更少。
所以，由可编程序控制器（PLC）和变频调速器控制电梯系统在电梯行业中得到广泛应用。
1.2设计内容
本设计从以下几个方面对五层电梯的PLC控制系统进行研究。
1.电梯的复位：
当长时间无呼叫信号时，电梯自动返回基站。
2.电梯的启动与选向控制：
要求根据电梯所在楼层的位置或运行状态，综合外呼、内选信号确定电梯的运行方向。
3.电梯的换速与停层：
要求根据顺向截梯的原则和呼叫信号的类型，在电梯运行过程中自动产生换速停层信号。
4.电梯的开关门：
支持电梯停车自动开关门以及停止运行时手动开关门。
5.电梯运行方向指示：
以三角形发光二极管指示当前电梯的运行方向。
6.呼叫信号的综合处理：
综合处理外呼、内选信号的保持与消除。
7.楼层检测及显示：
要求判断轿厢所在位置，并以七段数码管显示当前轿厢所在的楼层号。
8.电梯的检修：
检测电梯是否出现故障。
1.3设计思想
由于生产过程控制的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。
基本程序既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为模块化结构中的单元程序。
根据计算机程序设计思想，基本程序的结构方式只有三种：
顺序结构、分支结构和循环结构。
模块化程序是把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组成一个完成总任务的完整程序。
各模块相对独立、功能单一、结构清晰、接口简单、降低了程序设计的复杂性，提高了程序的可靠性，缩短开发周期，避免程序开发的重复劳动，易于维护和功能扩充。
因为各模块具有相对独立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改，特别是复杂控制的生产过程一般采用这种程序设计思想。
在众多的程序设计方法中，模块化程序设计方法是最基础、使用最广泛的一种方法。
应用模块化程序设计方法进行设计时应该遵循的最主要的原理是模块独立性原理。
采用模块化原理设计的程序系统具有以下三个特点：
第一，由于模块间是相互独立的，所以每个模块可以独立地被理解、编写和调试，这就使得程序容易设计，也容易理解和阅读；
第二，模块的独立性也能有效地防止错误在模块之间蔓延扩散，有助于提高软件的可靠性；
第三，模块化由于具有分割功能而且接口可以简化，因此，可由许多人分工合作开发，有助于加快开发速度，方便调试。
PLC编程是一种串行方式，为了满足原并行逻辑控制电路的要求，它采用“自上而下、从左往右、不断循环”的循环扫描方式，除非有跳转、调用子程序等指令的存在，否则PLC在每个扫描周期都会将程序从头到尾扫描一遍，不论程序是否需要执行。
由于这种特殊的扫描方式，对于复杂系统的设计将会使程序变得比较庞大，不易于调试、修改、扩展，容易出错，可读性差且系统运行效率低。
采用模块化程序设计思想在PLC程序中可以重复调用该模块，不但减少编程量，而且减少内存占用量，有利于大型PLC程序的编制。
1.4设计目的和意义
随着我国经济的高速发展，电梯已经成为人们现代生活广泛使用的交通运输工具，电梯在各方面得到了快速发展，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。
PLC因为稳定可靠、结构简单、简单易学、成本低廉、功能强大和使用方便已经成为应用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。
通过PLC对程序设计，提高了电梯控制水平，并改善了电梯运行的舒适感。
因此，PLC在电梯控制系统中的应用非常广泛，非常有使用价值。
我国电梯工业起步晚，PLC作为通用产品引入电梯，对尽快提高电梯质量，满足日益增长的市场需求起到了积极作用。
第二章电梯简介
2.1电梯的起源与发展
随着科学技术的发展，人们的生活水平逐步提高，电梯在人们的生活中的地位也会和汽车一样，成为重要的交通运输设备之一。
早在公元前2800年，古埃及人为了建造金字塔，就发明了依靠人力运行的机械升降机。
直到1203年，在法国海岸边的一个修道院里安装了一台以驴子为动力的起重机，这才结束了用人力运送重物的历史。
到了1858年，美国研制出依靠蒸汽驱动的蒸汽电梯。
紧随其后，威廉·
汤姆逊研制出以液压驱动的升降梯，液压的介质是水。
在这些升降梯的基础上，升降机技术不断发展起来。
19世纪初，随着电机技术的迅速发展，电梯的工作性能得到了改善。
随着时间的推移，二十世纪70年代，集成电路的发展，大大改善了可编程序控制器的体积大小和性能，提高了电梯控制系统的稳定性和可靠性。
二十世纪80年代，变压变频调速技术在电梯控制系统中的应用，大大改善了电梯的舒适性，节能能力也得到了提高。
在未来，电梯的发展将更加智能化，超高速电梯速度越来越高，蓝牙技术也将在电梯上广泛应用，绿色环保电梯将逐渐普及。
2.2电梯的分类
1.按用途分为：
乘客电梯、载货电梯、客货两用电梯、医用电梯、船舶电梯、消防电梯与矿井电梯等。
2.按额定速度分为：
低速题、中速梯、高速梯和超高速梯。
3.按驱动方式分为：
交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、螺杆式电梯和直线电机驱动的电梯等。
4.按控制方式分为：
信号控制电梯、集选控制电梯、并联控制电梯和群控电梯等。
2.3电梯的组成
1.曳引系统：
曳引系统主要由曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成，主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。
2.导向系统：
导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成，主要功能是使轿厢沿着导轨运行。
3.轿厢：
轿厢由轿厢架和轿厢体组成是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。
4.门系统：
门系统由轿厢门、层门、开门机、门锁装置组成，主要功能是封住层站入口和轿厢入口。
5.重量平衡系统：
系统主要由对重和重量补偿装置组成，主要功能是保证电梯正常地曳引传动。
6.电力拖动系统：
电力拖动系统由曳引动机，电源装置，速度测量变送装置，电动机调速装置等组成，主要功能是给电梯提供动力，实现电梯的速度控制。
7.电气控制系统：
电气控制系统主要由操纵面板、楼层显示屏、控制柜、楼层检测装置、呼叫装置等组成，主要功能是控电梯的运行。
8.安全保护系统：
由限速器、安全钳、缓冲器、端站保护装置组成，保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。
2.4电梯工作原理
在曳引式电梯系统中，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，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，从而带动电梯轿厢上升或下降，达到运输目的。
因为悬挂轿厢和对重的曳引钢丝绳与曳引轮槽间有足够的摩擦力来克服任何位置上的轿厢侧和对重侧曳引钢丝绳上的拉力差，从而保证了轿厢和对重可以随着曳引轮的正转和反转，而不断的上升和下降。
常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯正常运转，在失电时制动，使轿厢停止运行，并在指定层站上维持其静止状态，供人员或货物出入。
轿厢是运载乘客和其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。
固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，以防止轿厢在运行中偏斜或摆动。
补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。
电气系统实现对电梯运动的控制，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的运动方向和所在楼层位置。
安全装置保证电梯运行安全。
第三章可编程序控制器简介
3.1可编程序控制器概述
近年来，随着大规模集成电路的发展，可编程序控制器得到了迅速发展，广泛应用于各行各业中，以满足现代化大生产中的高效的、大量的自动化要求。
PLC是以微处理机为核心组成的工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission）颁布的PLC标准草案中对PLC定义如下：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、算数运算、顺序运算、计数和计时等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关外围设备都应该按易于与工业控制体系形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”【1】
PLC是基于计算机技术和自动控制理论而发展起来的，结合了计算机通用、灵活、功能完备等优点以及继电器控制系统的简单易懂，价格便宜的优点。
早期的PLC主要用于顺序控制，今天PLC的应用已经不仅限于顺序控制，还能进行数值运算、数据处理，具有分支、中断通信，监控、故障自诊断及扩展等功能。
随着其扩展能力和通信能力的发展，它越来越多地应用于闭环过程控制以及复杂的分布式计算机控制系统中。
PLC自20世纪60年代出现以来，它以成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，采用不断发展的新器件和新技术，逐步形成一门较为独立的新型技术，产生具有特色的各种系列产品。
3.2可编程序控制器一般组成
PLC与一般的计算机类似，由中央处理单元（CPU），存储器、输入/输出单元及其它可选部件四大部分组成。
如图3.1所示。
一般将CPU、存储器和输入/输出单元三部分称为PLC的基本组成部分，因为PLC在运行过程中，由这三部分即可完成预定的各种控制任务。
外存储器、编程器、扩展接口、模拟I/O盘、通信接口以及测试设备等可作为PLC的可选元件，主要完成程序存储、编程组态、系统扩展、通信联网和系统的测试与维护等功能，它们在PLC正常运行期间这些部件并不起作用，主要用在系统的开发、安装、调试和维护，所以称它们为PLC的辅助组成部分。
图3.1PLC的一般组成
3.3可编程序控制器发展趋势
随着微处理器技术的发展和PLC应用领域不断扩大，可编程序控制器也得到了迅速发展。
目前，PLC的发展趋势有以下几个方面：
●系统功能完善化
●体系结构开放化
●通信功能标准化
●I/O模块智能化
●安装现场化
●功能模块专用化
●编程组态软件图形化
●硬件结构集成化、冗余化
●控制与管理功能一体化
第四章控制系统硬件设计
4.1电梯模型结构
图4.1电梯模型图
考虑到一般性，本设计采用集选控制的交流曳引式电梯系统（由于只是作为一个模型，在实际设计中电梯系统的大小及功能不是严格按照真实系统设计的，但它基本上具有实际电梯的基本的结构与功能），它由曳引电机、门电机、变频器及其他电气元件等构成。
图4.1为电梯模型实物图。
该系统采用的是曳引式八层电梯模型，实际用到的只有一至五层，主要由底盘、主体框架、导轨、曳引电机、轿厢、楼层到位检测装置、变频调速器、电梯外呼按钮及显示、内选面板、显示屏等组成。
各部分功能如下：
1.主体框架及导轨：
采用铝合金型材，保证轨道一定的硬度和运行的顺滑性，是主要承重支架。
2.曳引电机：
曳引电机是三相异步电动机，电机带着曳引轮进行正转或反转时，轿厢就相应地上升或下降。
电机正传时，电梯上行；
电机反转时，电梯下行。
轿厢通过曳引钢丝绳与对重悬挂连接。
轿厢内装有门电机和行程开关。
开门和关门可由一台开门电机的正反转来实现。
电机正转时电梯开门，电机反转是电梯关门，共需2个输出点。
门开到位（门关紧）时压下开门行程开（关门行程开关）关以切断电源，使开门电机停转，2个行程开关需要2个输入点。
4.楼层到位检测装置：
每层3个平层传感器，安装在导轨上，传感器采用凹槽光电开关，且在轿厢一侧装有金属挡板，可以准确的检测轿厢的位置。
如图4.2所示。
图4.2电梯模型结构示意图
轿厢是通过相关的平层传感器使其对应的常开触点闭合来表明轿厢已经到达相应的楼层的。
当轿厢停在该层时，可同时碰到三个光电开关，所以当电梯下行时，挡板碰到光电开关3时，表示电梯已经到达该层；
当电梯上行时，挡板碰到光电开关1时，表示电梯已经到达该层。
其中每层的中平层光电开关连在一起，共11个输入点。
2个行程开关需要2个输入点。
5.变频调速器：
变频器是曳引电机的驱动器，其运行特性是衡量电梯性能的一个重要指标。
PLC通过变频调速器控制电梯运行/停止、正转/反转和调速，一共需3个输出点。
6.外呼按钮及显示：
每一层的外呼按钮和指示灯装在一起，采用带灯按钮，位于电梯厅门旁，除了顶层只有向下呼叫按钮和底层只有向上呼叫按钮外，其余每层都有向上、向下呼叫按钮，共需8个输入点，要求每一个按钮按下时，内部的呼叫指示灯就会亮，又需要8个输出点。
7.内选面板：
主要有一至五层内呼按钮，关门、开门按钮，运行/检修开关。
（1）内呼按钮：
把电梯的内选按钮和指示灯装在一起，采用带灯按钮，要求每一个按钮按下时，内部的呼叫指示灯就会亮，共需5个输入点，5个输出点。
（2）开关门按钮：
开门关门按钮共2个，需2个输入点。
（3）运行/检修开关：
当开关打到运行位置时，电梯按照乘客所按的指令信号自动运行。
当打到检修位置时，电梯进入检修状态。
占用1个输入点。
8.显示屏：
安装在底层的下面和顶层的上面，由七段数码显示器、上行和下行方向指示器（三角形发光二极管）组成。
如图4.3所示。
图4.3显示屏图示
（1）七段数码管：
显示轿厢所在楼层的数字，共需7个输出点。
（2）电梯运行方向指示灯：
上行指示灯“↑”，下行指示灯“↓”，共需3个输出点。
4.2电梯的系统结构
电梯系统可分为主电路和控制电路。
主电路采用200伏的一相电源，经变频器直接驱动三相电机的运转。
控制电路以PLC为主，结合开关，按钮等用于控制主电路的运行状态。
它采用交流220伏和直流24伏两路电源供电，其中24伏电源联结按钮和开关，可以确保乘客的操作安全。
电梯有大量的开关量输入、输出信号，PLC接受来自现场的呼叫、开关门、平层、限位、运行检修信号等信号，产生发给变频调速器的运行停止信号、速度信号及正反转信号，门电机的开关门信号和楼层显示及各种指示灯显示信号。
PLC的通信模块将电梯运行的状态及相关数据通过RS232传送到计算机。
整个系统的硬件框图如图4.4所示。
开关门控制
4.2.1PLC的选型
电梯模型是PLC的控制程序指令的典型实例，PLC接收来自外呼内选按钮、开关门按钮、各楼层的光电开关以及开关门行程开关等的信号，并将输出信号输出到变频调速器和各个指示灯。
1、输入点数估计
外部呼叫按钮除第l层只有一个上呼叫按钮，第5层只有一个下呼叫按钮外，其余3层上下呼叫按钮各有一个，共8个输入点；
内选面板包括1-5层内呼按钮、开门按钮、关门按钮、运行检修开关各一个，共8个输入点；
轿厢门控由2个限位开关实现，平层光电开关11个。
共计需要的输入点为29个。
2、输出点数估计
外呼指示灯共8个，内选指示灯5个，上下行指示灯需要3个输出点，楼层指示灯需要7个输出点，控制变频器输出需3个输出点，开门关门各1个。
共计需要输出点28个。
3、选型
本电梯系统是五层电梯系统，根据PLC的I/O节点的使用原则，同时考虑到系统控制的扩展需要，应留出一定的I/O点以做扩展时使用。
系统中实际需要输入点29点，输出点28点，综合各种因素在此选用欧姆龙C200HE型的PLC。
其中CPU类型为CPU42，电源模块选用PA204S，输入模块选用直流输入单元ID211、ID212，前者提供8点直流输入信号，后者提供16点直流输入信号；
输出模块选用继电器输出单元OC221、OC225，前者输出点为8点，后者输出点为16点，底板为8槽底板。
PLC外部接线见附录一
4.2.2传感器与变频器
1、传感器
系统用到的传感器包括用于楼层检测的光电开关、起保护作用的限位开关和开/关门行程开关。
限位开关有上限位开关和下限位开关，分别安装在电梯的顶部和底部，当电梯上行（下行）碰到上限位开关（下限位开关）时，切断曳引电机电源，电梯停止上行（下行）。
开关门行程开关作用在4.1.1节有介绍，与限位开关类似。
光电开关用于检测轿厢位置，采用槽式光电开关GK102，如图4.5所示，它通常是标准
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