基于PLC的四层箱式电梯改造的课程设计.docx

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基于PLC的四层箱式电梯改造的课程设计

摘要

电梯是高层建筑不可缺少的运输工具，用于垂直运送乘客和货物，传统的电梯控制系统主要采用继电器—接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。

目前在电梯行业已得到广泛应用。

采用PLC对电梯进行控制，通过合理的选择和设计，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。

本文阐述了可编程控制器PLC在电梯控制中的应用。

主要介绍了四层电梯的PLC控制系统总体设计方案、设计过程、组成，列出了具体的主要硬件电路、电梯的控制梯形图及指令表。

并给出了系统组成框图，在分析、处理随机信号逻辑关系的基础上，提出了PLC的编程方法。

用MCGS组态软件实现了对PLC控制的四层电梯的模拟，计算机与PLC通过串行通信交换信息，用PLC来控制“虚拟”电梯。

通过组态软件中命令语言编写的程序，使虚拟电梯的轿厢和门执行相应的动作，用画面上的指示灯和楼层显示器来显示来自PLC的各种状态信息。

关键词：

电梯控制;可编程控制器;组态软件

ABSTRACT

Theelevatoristhehigh-riseconstructionessentialtransportmeans,usesinverticalshippingthepassengerandthecargo,thetraditionalelevatorcontrolsystemmainlyusestherelay.Thecontactdevicecarriesonthecontrol,itsshortcomingistheelectroniccontactaremany,failureratehigh,reliabilitybad,serviceworkloadbigandsoon,butusesthePLCcompositionthecontrolsystemtobepossibletosolvetheaboveproblemwell,causestheelevatormovementtobesafer,tobeconvenient,iscomfortable.Atpresentobtainedthewidespreadapplicationintheelevatorprofession.Inthelayerandthecontrolfunctionfewsituations;usethePLCcontroltobeadvantageous.

ThearticleelaboratedprogrammablecontrollerPLCintheelevatorcontrolapplication.MainlyintroducedfourelevatorPLCcontrolsystemoverallprojectdesigns,thedesignprocess,thecomposition,havelistedtheconcretemainhardwareelectriccircuit,theelevatorcontrolladderdiagramandtheinstructionlist.Andgivingthesystemcompositiondiagramandtheprogramflowdiagram,intheanalysis,intheprocessingrandomsignallogicrelationsfoundation,proposedthePLCprogrammingmethod.UsingtheMCGSconfigurationsoftwarerealizethePLCcontrolofthefourlayersofcomputersimulation,theelevatorwithPLCthroughserialcommunicationexchangeinformationwithPLCtocontrol,"virtual"theelevator.Throughtheconfigurationsoftwarecommandlanguageprogram,makethevirtualelevatorofthecardoorandexecutesaction,usepicturesoftheindicatorandthefloortodisplaymonitorfromthevariousstatesinformationwithPLC.

Keywords:

elevator;ProgrammableLogiccontroller;configurationsoftware;

第一章总体方案设计

1.1总体方案的确定

电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。

图3-1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。

系统控制核心为PLC主机、操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。

图1-1电梯PLC控制系统的基本结构图

1.2设计思想

1.信号控制系统

电梯信号控制基本由PLC软件实现。

电梯信号控制系统如图3-2所示，输入到PLC的控制信号有：

运行方式选择（如自动、有/无司机、检修、消防运行方式等）、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器、光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。

图1-2电梯PLC信号控制系统框图

2.电梯控制系统实现的功能

1）行车方向由内选信号决定,顺向优先执行;

2）行车途中如遇呼梯信号时,顺向截车,反向不截车;

3）内选信号、呼梯信号具有记忆功能,执行后解除。

4）内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均由信号灯指示

5）停层时可延时自动开门、手动开门、（关门过程中）本层顺向呼梯开门;

6）有内选信号时延时自动关门,关门后延时自动行车;

7）无内选时延时5s自动关门，但不能自动行车;

8）行车时不能手动开门或本层呼梯开门,开门不能行车。

第二章硬件的选型

2.1控制系统的选择

2.1.1PLC的特点

PLC能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些下列特点：

一、可靠性。

二、易操作性。

三、灵活性。

四、机电一体。

2.1.2PLC与其他工业控制系统的比较

1.PLC与继电器控制系统比较

表2-1可编程序控制器与继电器柜的区别

可编程序控制器

继电器柜

控制方式

程序（软件）

继电器配线（硬件）

控制功能

指令

以软件实现大规模高兴能控制

器件

功能有限，随规模加大而大型化

控制要素

无触点（也有有触电的），高可靠性，寿命长，高速控制。

有触点，寿命有限，低速控制

变更控制

更改程序可适应各种控制对象

更改器件之间连接，更改困难

2.PLC与微型计算机的比较

表2-2可编程序控制器与通用计算机的区别

比较项目

通用计算机

可编程序控制器

工作方式

中断方式

扫描方式

编程语言

汇编语言、高级语言

助记符语句表、梯形图等

工作环境

要求较高

可在较差的环境下工作

对使用者的要求

需进行专门的学习培训才能掌握

语言易学，稍加培训即可使用

可靠性

商业级要求

工业级，且有多种特殊设计，包括监视计时器功能（WatchDogTitner-WDT）

系统软件

功能强大，但占用存储空间过大

功能专用，占用存储空间小

适用领城

办公、管理，科学计算、家庭

工业控制

从上边的论述和比较可以看出。

由PLC的硬件决定了它的可靠性和控制功能比继电器控制系统高的多，它是专门为工业控制场合设计的，所以他的稳定性也比一般通用计算机要好的多，而且它操作简单灵活，易于实现系统升级和功能扩展所以在本设计中采用PLC来进行逻辑控制。

3.1变频器参数设置

参数设置原则（如表3.1）：

（1）为减小启动冲击及增加调速的舒适感，其斜坡上升时间和斜坡下降时间应当长一些（如图3.1.1时间t（s）/f（Hz）曲线）；

（2）为了提高运行效率，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）零速一般设置为Oft，带速抱闸将影响舒适感；

表3.1变频器参数设置

图3.1.1时间t（s）/f（Hz）曲线

3.2减速及平层控制

电梯的工作特点是频繁启制动,为了提高工作效率、改善舒适感，要求电梯能平滑减速至速度为零时，准确平层，即“无速停车包闸”，不要出现爬行现象或低速抱闸,即直接停止,要做到这一点是要准确发出减速信号,在接近层楼面时按距离精确的自动矫正速度给定曲线。

本设计采用旋转编码器检测轿厢位置，只要电梯运行，计数器就可以精确地确定走过的距离，达到与减速点相应的预制数时即可发出减速命令。

3.3电梯机房里的主要部件（如图3.5）

图3.5电梯构架图

1.拽引机

（1）驱动电动机：

交流梯专用的双速电动机

制动器：

在电梯上通常采用双瓦块常闭式电磁制动器。

电梯停止或电源断电情况下制动抱闸，以保证电梯不致移动。

（2）减速箱：

涡轮蜗杆减速箱。

（3）拽引轮：

拽引机上的绳轮称为拽引轮。

两端借助拽引钢丝绳分别悬挂轿厢和对重，并依靠拽引钢丝绳与拽引轮绳槽间的静摩擦力来实现电梯轿厢的升降

（4）导向轮或复绕轮（导向轮又称抗绳轮）：

因为电梯轿厢尺寸一般都比较大，所以轿厢悬挂中心和对重悬挂中心间的距离往往大于设计上所允许的拽引轮直径。

因此对一般电梯而言，通常要设置导向轮，以保证两股向下的拽引钢丝绳之间的距离等于或接近轿厢悬挂中心和对重悬挂中心间的距离。

对于复绕的无齿轮电梯而言，改变复绕轮的位置同样可以达到上述目的。

2.限速器：

当轿厢运行速度达到限定值时，能发出电信号并产生机械动作的安全装置

3.控制柜：

各种电子元器件和电气元器件安装在一个防护用的柜形结构内，按预定程序控制轿厢运行的电控设备。

4.电源开关、照明开关

5．选层器、极限开关。

机械楼层指示器、发电机组等部件

3.4电梯井道里的主要部件（如图3.5）

1.轿厢：

轿厢是电梯的主要部件，是容纳乘客或货物的装置。

2.导轨：

供轿厢和对重在升降运行中起导向作用的组件。

3.对重装置：

设置在井道中，由拽引钢丝绳经拽引轮与轿厢连接，在运行过程中起平衡作用的装置。

4．缓冲器：

当轿厢超过下线位置时，用来吸收轿厢或对重装置所产生动能的制停安全装置。

缓冲器一般设置在井道低坑上。

5.限位开关：

该装置是可以装载轿厢上，也可以装在电梯井道上端站和下端站附近，当轿厢运行超过端站时，用于切断控制电源的安全装置。

6.接线盒：

固定在井道壁上，包括井道中间接线盒及各层站接线盒。

7.控制电缆：

电缆两端分别与井道中间接线盒和轿内操作箱连接。

8.补偿链或补偿绳：

用于补偿电梯在升、降过程中由于拽引钢丝绳在拽引轮两边的重量变化。

9.平层感应器或井道传感器：

在平层区内，使轿厢地坎与厅门地坎自动准确对准的装置。

3.5轿厢上的主要部件

1．操作箱：

装载轿厢内靠近轿厢门附近。

用指令开关、按钮或手柄等操作轿厢运行的电气装置。

2.轿内指层灯：

设置于轿厢内，客梯一般装在轿门上方，货梯一般装在轿厢侧壁，用以显示电梯运行位置和运行方向的装置。

3.自动门机：

装于轿厢顶的前部，以小型的交流、直流、变频电动机为动力的自动门开关轿门和厅门的装置。

4.安全触板（光电装置）：

设置在层门轿门之间，在层门、轿门关闭过程中，当有乘客或障碍物触及时，门立刻停止并返回开启的安全装置。

5.轿门：

设置在轿厢入口的门。

6.称重装置：

能检测轿厢内的负载变化状态，并发出信号的装置，适用于乘客或货物电梯等。

7.安全钳：

由于限速器作用而引起动作，迫使轿厢或对重装置制停在导轨上，同时切断控制回路的安全装置。

8.导靴：

设置在轿厢架和对重装置上，使轿厢和对重装置沿着导轨运行的装置。

9.其他部件：

轿顶安全窗、光电保护、超载装置、邻梯指示等部件，要视电梯规格、型号、种类及客户要求而设置。

3.6电梯层门口的主要部件

1层门：

设置在层站入口的封闭门。

2.层门门锁：

设置在层门内侧，门关闭后，将门锁紧，同时接通控制回路，轿厢可运行的机电联锁安全装置。

3.楼层指示灯；设置在层站层门上方或一侧，用以显示轿厢运行层站位置和方向的装置。

4.层门方向指示灯：

设置在层站层门上方或一侧，用以显示轿厢欲运行方向并装有到站音响机构的装置。

5.呼梯盒：

设置在层站门侧，当乘客按下需要的召唤按钮时，在轿厢内即可显示或登记，令电梯运行停靠在召唤层站的装置。

6.电梯门侧壁上装有压力传感器，当电梯在关门时施加一定压力，梯门从新打开。

3.7电梯的安全保护环节

（一）断绳与超速保护；

（二）轿门与层门锁保护；

（三）安全电路保护；

（四）梯门入口安全保护；

（五）上、下端站的强迫减速保护；

（六）上、下方向限位保护及终端保护；

（七）缺相、错相保护；

（八）电梯电气控制系统中的短路保护；

（九）拽引电动机（交流原动机、主变压器）的过载保护；

（十）电动机运转时间限制保护；

（十一）紧急停止保护；

（十二）轿厢上行超速保护；

3.8电梯控制系统操作过程

（1）按动召唤按钮,电梯牵引机启动到达召唤层停止、响铃、电梯门和轿厢门同时打开。

（2）人进入轿厢，超重保护没有报警。

（3）电梯门开的同时计时器开始计时5秒钟,5秒钟到电梯门和轿厢门自动关闭。

（4）按动选层键,电梯牵引机启动到达选择层停止、响铃、电梯门和轿厢门同时打开。

（5）电梯门打开的同时计时器开始计时5秒钟，5秒钟到电梯门和轿厢门自动关闭。

（6）当电梯行驶过程中收到正向召唤信号,则到达召唤楼层时停止,接收到反向召唤信号,电梯继续执行当前信号,在顺向信号执行完毕后执行反向信号,执行过程中自动相应最近的信号。

（7）电梯门和轿厢门设有压力传感器,当受到一定推力时,门自动返回计时5秒后重新关闭。

3.9电梯控制系统实现的功能

1.电梯内外当前楼层显示；

2.各层厅外召唤按钮；

3.轿厢内楼层选择指令键；

4.一台交流电动机拽引轿厢上升和下降；

5．待客召唤自动开门，当电梯在某层时，按下召唤信号自动开门；

6．感到压力及时自动重新开关门；

7.到站有自动响铃提示并自动开门经5秒自动关门；

8.指令记忆，当轿厢接收多个指令后，电梯能按顺序自动停靠车门，并自动选择最佳运行方向；

9.自动定向功能，当轿厢接收多个指令时，按照先入为主原则，自动确定运行方向；

10.呼梯记忆和顺向截梯功能，当电梯运行时，遇到顺向召唤信号能停靠应答；

11.自动换向功能，当电梯运行到顶层或最底层时，能自动换向运行；

12.自动关门待客功能，当电梯全部完成轿厢内指令，又无厅外召唤信号时，电梯能自动关门停在原位待客。

第一章软件设计

4.1：

I/O（输入/输出）端口分配

根据控制要求I/O端口分布（如图4.1）

图4.1输入输出端口分配

4.2：

外部接线图（如图4.2）

根据I/O端口设计外部接线图

图4.2外部接线图

4.3：

梯形图

4.4梯形图控制分析

1.网络1至网络6：

当按下召唤按钮I0.0、I0.1、I0.2、I0.3时，对应辅助继电器，M0.0、M0.1和M0.2、M0.3和M0.4、M0.5得电，如果轿厢在呼叫层上方M0.0、M0.1、M0.3接通电梯下行输出Q0.1，反之M0.2、M0.4、M0.5接通电梯上行输出,当电梯开门时,才能将当前呼梯信号清除,只有当前信号有效,轿厢到达时,才能自动开。

当有多个呼梯信号同时发生，根据轿厢位置，利用时间继电器，管理轿厢上行或者下行，例如轿厢在二层，一层、三层和四层同时有呼梯，轿厢先去三层四层，最后去一层。

2.网络7至网络网络18：

当按下选层按钮，如果是向上辅助继电器M0.6、M0.7、M1.0、M1.2、M1.3、M1.6接通电梯上行输出，电梯上行；反之M1.1、M1.4、M1.5、M1.7、M2.0、M2.1接通电梯下行输出，电梯下行。

3.网络19至网络24:

利用时间继电器，将多个同时呼梯信号排序，如果轿厢在三层，这时一层、二层和四层同时有呼梯，通过网络22辅助继电器M2.5先断开网络1的M0.0和网络6的M0.5，然后分别利用时间继电器T41定时1秒、T42定时2秒接通M0.0和M0.5。

使轿厢先去二层再去一层最后去四层。

4.网络25至网络30：

当有多个选层信号时，分别利用定时继电器将信号延时输入,起到对选层信号智能逐一执行的作用。

例如网络25如果轿厢在二层当去一层、三层/四层时按下时，利用辅助继电器M3.4先断开网络M1.3和网络M1.4输入，利用定时器T46延时5秒钟接通M1.2和M1.3，使轿厢先去一层。

5.网络31至网络38：

当轿厢运行时正好有顺向呼梯信号，电梯运行到呼梯层停止并开门接客，然后继续运行。

6.网络39至网络40为电梯上行和下行输出。

上行和下行互锁，都设有开门、关门、故障、开门限位保护。

7.网络41至网络45为电梯开门输出，碰到开门限位开关I2.4时电梯停止开门。

网络45设有电梯门侧压力传感器输入I1.3，当侧门感受到一定压力时重新将门打开。

Q0.4是电铃，与开门输出并联，当门开时电铃同时响。

8.网络46至网络47是电梯关门过程，当门碰到极限开关I2.4时停止开门，并接通定时器T45定时5秒钟，T45接通关门输出Q0.3，电梯门自动关闭，当碰到关门限位开关I2.5时断开关门输出Q0.3，电梯停止关门。

9.网络48为电梯的安全保护输入，当任何一个元器件发生故障时，Q1.1会立即被接通得电，并通过Q1.1的常闭触点断开电梯所有的输入输出，使电梯立即停止运行。

10.网络49是电梯超载保护输入，当电梯超载时发出警告信号，并断开关门输出。

当超载解除时继续执行关门输出。

11.网络50至网络53是电梯运行显示指示信号输出，用于显示轿厢当前所在楼层。

设计心得

这次毕业设计从开始到结束用力一个多月的时间，非常高兴能够圆满完成。

通过设计由最初对电梯工作过程一窍不通到自己独立设计，渐渐明白了利用PLC就可以实现控制电梯复杂的运行。

在本次设计中学到最多的是电梯的控制过程，比如说当有多个呼层指令发出时，电梯会根据自己的位置最先响应距离自己最近的信号，当运行时再有呼梯信号进来，就先完成当前任务，如果这个呼梯信号在运行方向前方，则到达呼叫层停止，然后再继续运行，实现了控制过程的智能化。

节省了电能消耗，在一定程度上保护了环境。

设计中用到了PLC、变频器、压力传感器，通过对PLC为中心编程控制电梯整个运行过程，为了使电梯可靠安全运行，加入了多种保护开关，如拽引机超载保护防止电梯超载，梯门入口安全保护防止关门过程中有东西被夹到，为了让人即使了解电梯运行状况电梯装有楼层显示器、超载报警、电梯到达电铃响铃。

通过变频器变频调速，电梯在平层时轿厢速度逐渐减小，并利用“无速停车抱闸”控制方法停止电梯，启动时缓慢启动，使人不感到眩晕、振动大大提高了乘坐电梯的舒适度和安全系数。

压力传感器主要用在电梯门侧主要作用是收到压力时及时打开门防止东西被夹到。

刚开始在设计电梯召唤信号时用了两个按钮，即上楼呼梯和下楼呼梯，但后来感觉这样和在轿厢内选层有所重复，并且大大增加编程难度，所以省略了厅外两个召唤信号，改用一个召唤信号，上下楼选层在轿厢内选择，这样也极大的方便了不清楚要去楼层在上还是在下的用户。

设计中用到了变频器这一新时代的产物，由于对变频器的学习几乎没有，所以在图书馆、网上找了许多资料，勉强了解了变频器一些基础知识，但也足够本次设计用了。

本次设计对我们是一个很大的考验，也是一个很大的学习机会，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。

原来在我们身边还有许多能够用我们所学的专业知识来解决的问题，这使得我对我学的专业越来越喜欢，并且从理论结合实际中，我可以学到更多。

所以这次的课程设计虽然艰难也学到了很多。

我也明白了，设计必须建立在实际的基础上。

以后要更努力的学习，提高自己。

也要多多运用自己所学的知识来运用的实际中，解决实际问题。

致谢

设计至此，算是告一段落。

这次设计要感谢我的设计指导老师张老师，每次遇到问题张老师都会详细帮我分析问题，引导我找到解决问题的方法。

在这里衷心的对张老师说声：

张老师您辛苦了！

还要感谢学校给了我一个上大学的机会，使我学到了很多有用的知识。

还要感谢我的从大一到大三教过我的每位老师。

最后祝愿我们学校以后发展的越来越好！

祝愿每位老师身体健康，工作顺利！

[参考文献]：

[1]《西门子S7-200系列PLC应用实例详解》--------化学工业出版社｛主编：

赵光｝

[2]《西门子S7-200PLC应用100例》-------------电子工业出版社｛主编：

杨后川｝

[3]《PLC技术应用》---------北京理工大学出版社｛主编：

白娟娟郭军｝

[4]《电梯基本原理及安装维修全书》-------机械工业出版社｛主编：

何峰峰｝

[5]《高性能变频调速及其典型控制系统》------------人民邮电出版社｛主编：

王占福谢丽萍｝