2组五层电梯佟玲谷力副本.docx
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2组五层电梯佟玲谷力副本
燕山大学
课程设计说明书
题目：
基于PLC五层电梯模型控制系统设计报告
学院（系）：
电气工程学院
年级专业：
12级自动化卓越试点班
学号：
120103050001
学生姓名：
佟玲
指导教师：
李建雄王跃灵
教师职称：
讲师
摘要
本文介绍了一种PLC五层电梯模型控制系统。
电梯是垂直方向的运输设备，是高层建筑中不可缺少的交通运输设备。
它靠电力，拖动一个可以载人或物的轿厢，在建筑的井道内导轨上做垂直升降运动，在人们生活中起着举足轻重的作用。
而控制电梯运行的PLC系统也要求越来越高，要求达到电梯运行的“稳、准、快”的运行目的。
该系统主要由PLC、逻辑控制电路组成。
其中包括交流异步电动机、限位开关、按钮、指示灯、触摸屏、可编程控制器和变频器组成为一体的控制系统。
本机控制单元采用以西门子的可编程控制器PLC对机器进行全过程控制。
整个系统通过PLC、逻辑控制电路对电梯的升降、加速减速、平层、起动、制动控制。
其结构简单、运行效率高、平层精度高、易于理解与掌握。
关键词：
PLC控制系统电梯逻辑控制电路变频器
Abstract
ThistextintroducesthecontrolsystemofakindofelevatorPLC.Theelevatorisperpendiculardirectionaloftheconveyanceequipmentsbeindispensableinthehighbuildingoftransportationequipments.Itdependselectricpower,draggingalongtomoveacarthatcancarrypersonorthingandleadatrackinthebuildingofthewellwayupdoperpendicularitytoascendanddescendsport,thereisprominentfunctioninthepeople'slife.AndthecontrolelevatorcirculateofthePLCsystemalsohasmoreandmorehighrequest,requesttoattainthemovementpurposeof"steady,quasi-,quick"ofelevatormovement.ThatsystemmainlyfromPLC,logiccontroltheelectriccircuitconstitute.Includeanexchangesdifferencetotreadelectricmotoramongthem,aftertheelectricappliances,getintouchwithamachine,routeoftravelswitchandpressbutton,giveoutlighttheindicatorconstituteandtransducerforthecontrolsystemofintegralwhole.ThethismachinecontrolunitadoptioncarriesonwholeprocessacontroltothemachinebytheprogrammablecontrollerPLCofSiemenscompany.
ThewholesystempassesPLC,logiccontroltheelectriccircuitistotheriseandfallofelevator;Add,decelerate;Evenlayer;Start,maketomoveacontrol.Itsstructureissimpleandcirculateanefficiency,evenlayeraccuracy,beeasytocomprehensionandcontrol.
Keywords：
ThePLCcontrolssystem，elevator，Thelogiccontrolselectriccircuit，transducer
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论2
1.1课题背景2
1.2电梯控制系统研究的现状2
1.3电梯设计要求3
第2章电梯的结构及工作原理4
2.1电梯的结构4
2.2电梯的工作原理5
2.2.1电梯运行5
2.2.2轿厢开关门5
2.2.3门厅呼叫按钮5
2.2.4轿厢内呼叫按钮5
2.2.5平层检测信号6
2.2.6超载报警6
第3章电梯系统设计7
3.1电梯硬件结构图7
电梯的硬件结构如图3-1所示。
7
3.2输入输出口的分配7
3.2.1硬件输入输出7
3.2.2PLC的输入输出8
3.3模拟电梯布置图10
3.4主电路图11
3.5控制电路图14
第4章硬件选型15
4.1可编程控制器PLC15
4.2曳引电机的选择15
4.3开关门电机的选择16
4.4传感器17
4.5变频器17
4.6触摸屏18
4.7设备选型及报价19
结论20
心得体会21
参考文献22
附录123
附录225
第1章绪论
1.1课题背景
电梯是将机械原理应用、电气技术、微处理器技术、系统工程学、人体工程学及空气动力学等多学科和技术集于一体的机电设备，它是建筑物中的永久性垂直交通工具。
电梯作为一种较为复杂的机电一全化设备，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。
那么电梯到底有哪些功能呢？
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。
继电器控制系统是80年代最广泛的一种电梯控制方式，有控制逻辑线路简单、直接、易于理解和掌握的优点，但由于该类系统是由众多继电器、接触器构成，使用一段时间后其接触点往往接触不良，所以电梯故障高，众多的继电器、接触器动作噪声较大，整个控制柜体积大。
随着多微机系统在电梯控制系统中的应用，电梯控制发生了限大的变化，因为微机在电梯中的应用不仅取代了大部分继电器和选层器，整个系统更加可靠，灵活性更加提高，功能大增强了。
但微机的集成度高，功能项目固化，一般维修人员及工程人员修改或增加不了其功能。
如要修改或增加其功能要找回生厂家或用专用的工具。
可编程序控制器取代继电器构成的电梯控制系统，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,PLC电梯控制系统比较适用于小高层的楼房。
1.2电梯控制系统研究的现状
电梯的出现大大方便了人们的生活。
随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有越来越广泛的应用，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
随着经济的高速发展，
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，这使得交流变频调速电梯控制系统已经进入一个崭新的时代。
实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。
目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。
从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。
国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。
1.3电梯设计要求
1.PLC上电时，电梯来到一层作为起始点。
2.电梯在上、下行运行过程中，不允许开门，电梯到达目标层且停稳后才允许对门进行操作。
3.轿厢外某层按下了上升或下降按钮，则对应的上升或下降灯点亮，当电梯到达该呼叫层后，将对应的上升或下降灯熄灭。
4.如果没有任何呼叫指示和目标，那么电梯无目标，暂停运行。
5.超载开关：
当超载时轿底下降开关动作，电梯不能关门和运行，并发出报警信号，相应的指示灯亮起。
6.电梯上升时先依次在临近的上方目标层停下，待进出的人动作完成后，再继续上升，直到最终到达目标层。
7.上升的最终目标层不一定是顶层，应是有人想进电梯或想出电梯的最高层。
8.电梯上升的过程中，不理睬途径呼叫楼层的厢外下行按钮。
9.电梯下降时先依次在临近的下方目标层停下，待进出的人动作完成后，再继续下降，直到最终到达目标层。
10.下降的最终目标层不一定是底层，应是有人想进电梯或想出电梯的最低层。
11.电梯下降的过程中，不理睬途径呼叫楼层的厢外上行按钮。
第2章电梯的结构及工作原理
2.1电梯的结构
电梯结构包括：
曳引系统、轿厢、门系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统。
安全保护系统保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。
电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。
电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。
门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。
轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。
曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。
电梯的结构如图2-1所示。
图2-1电梯的结构
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，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。
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，防止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。
电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、启动、运行、开关门、平层、测速工作。
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。
2.2电梯的工作原理
2.2.1电梯运行
除了顶楼和底楼外，中间每个楼层都设置上行和下行两个外呼灯按钮，在电梯上升的过程中屏蔽下降的外呼信号；而下降的过程中屏蔽上升的外呼信号。
当电梯在某层暂停时，同时清除该层的外呼或者内选信号。
2.2.2轿厢开关门
当电梯响应了某一楼层的呼叫信号，在该楼层暂停时，执行开门程序，打开轿厢门，当门完全打开时，开门限位开关动作，开门电机停转；延时一段时间后，自动执行关门程序，当门关闭时，关门限位开关动作，关门电机停转。
而且，在电梯内部也应有控制电梯开门、关门的按钮，当轿厢暂停时，乘客可以随时地控制电梯的开门与关门。
2.2.3门厅呼叫按钮
位于电梯厅门旁，除了顶层（5楼）只有下行呼叫灯按钮和底层（1楼）只有上行呼叫灯按钮以外，其余每层均有上行和下行2个呼叫灯按钮，共有8个灯按钮，即8个输入点。
当每个呼叫灯按钮按下时，按钮内部的指示灯会自动亮起。
2.2.4轿厢内呼叫按钮
位于电梯厢体内，是电梯的内选信号，5层电梯对应着5个按钮，即5个输入点。
当每个按钮按下时，按钮内部的指示灯会自动亮起。
2.2.5平层检测信号
在每一楼层上均装有平层信号检测装置，当电梯到达或者位于该层即被检测装置检测到，5层共有5个检测信号的输入点。
相应地外部有5个输出灯显示电梯所在楼层。
2.2.6超载报警
当超载时桥底下降开关动作，电梯不能关门和运行，并发出报警信号，相应的指示灯亮起。
第3章电梯系统设计
3.1电梯硬件结构图
电梯的硬件结构如图3-1所示。
图3-1电梯硬件结构图
3.2输入输出口的分配
3.2.1硬件输入输出
系统的硬件输入输出如表3-1所示。
表3-1硬件输入输出
输入
输出
文字符号
说明
文字符号
说明
SB1
电梯内一层按钮
H1
电梯一层按钮指示灯
SB2
电梯内二层按钮
H2
电梯二层按钮指示灯
SB3
电梯内三层按钮
H3
电梯三层按钮指示灯
SB4
电梯内四层按钮
H4
电梯四层按钮指示灯
SB5
电梯内五层按钮
H5
电梯五层按钮指示灯
SB6
电梯内开门按钮
H6
电梯内上行指示灯
SB7
电梯内关门按钮
H7
电梯内下行指示灯
SB11
一层上升呼叫按钮
H11
一层上升呼叫按钮指示灯
SB21
二层上升呼叫按钮
H21
二层上升呼叫按钮指示灯
SB22
二层下降呼叫按钮
H22
二层下降呼叫按钮指示灯
SB31
三层上升呼叫按钮
H31
三层上升呼叫按钮指示灯
SB32
三层下降呼叫按钮
H32
三层下降呼叫按钮指示灯
SB41
四层上升呼叫按钮
H41
四层上升呼叫按钮指示灯
SB42
四层下降呼叫按钮
H42
四层下降呼叫按钮指示灯
SB52
五层下降呼叫按钮
H52
五层上升呼叫按钮指示灯
ST1
电梯一层到位限位开关
KM1
电机正转（上行）
ST2
电梯二层到位限位开关
KM2
电机反转（下行）
ST3
电梯三层到位限位开关
KM3
开门
ST4
电梯四层到位限位开关
KM4
关门
ST5
电梯五层到位限位开关
ST6
电梯开门到位限位开关
ST7
电梯关门到位限位开关
SP
电梯超重超限检测
HA
超载灯
3.2.2PLC的输入输出
PLC的输入输出如表3-2所示。
软元件
功能
1楼
2楼
3楼
4楼
5楼
I输入继电器
上呼按钮
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
下呼按钮
I0.4
I0.5
I0.6
I0.7
内选层按钮
I1.0
I1.1
I1.2
I1.3
I1.4
限位开关
I2.0
I2.1
I2.2
I2.3
I2.4
其他
I1.5
开门
I1.6
关门
I1.7
防门夹
I2.5
开门限位
I2.6
关门限位
I2.7
超载开关
Q
输出
继电器
上呼信号灯
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
下呼信号灯
Q0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7
内选信号灯
Q1.0
Q1.1
Q1.2
Q1.3
Q1.4
电动机控制
Q1.5
正转
Q1.6
反转
Q1.7
上行
Q2.0
下行
Q2.1
超载灯
Q2.2
开门
Q2.3
关门
M辅助
继电器
上呼信号
M0.0
M0.1
M0.2
M0.3
下呼信号
M0.4
M0.5
M0.6
M0.7
内选信号自锁
M1.0
M1.1
M1.2
M1.3
M1.4
上或下或内选信号
M3.1
M3.2
M3.3
M3.4
M3.5
上呼信号记忆
M4.0
M4.1
M4.2
M4.3
下呼信号记忆
M4.4
M4.5
M4.6
M4.7
当前层记忆
M5.1
M5.2
M5.3
M5.4
M5.5
限位开关
M6.0
M6.1
M6.2
M6.3
M6.4
轿厢内选按钮
M7.0
M7.1
M7.2
M7.3
M7.4
其他
M10.0
上行辨别
M10.1
下行辨别
M10.2
停止信号
M10.3超载信号
其他
M1.5开门
M1.6关门
M1.7防门夹
M2.5
开门限位
M2.6
关门限位
M2.7辅助关门限位
T
定时器
其他
T37
延时关门
T38
开门时间
T39
关门时间
表3-2PLC输入输出
3.3模拟电梯布置图
3.4主电路图
3.5控制电路图
第4章硬件选型
4.1可编程控制器PLC
考虑到本次设计的电梯系统有五层，且开关量居多，模拟量较少；对于开关量控制为主的系统而言，一般PLC的响应速度足以满足控制的要求，在小型PLC中整体式比模块式的价格便宜，体积也小，综合考虑后，选择了德国西门子生产的S7-200系统的PLC。
S7-200 系统 PLC 具有以下几方面的优点：
1）S7-200配置灵活，除主机单元外，还可扩展 I/O 模块，A/D 模块，D/A 模块和其它特殊功能模块。
2）S7-200指令功能丰富，有各种指令，且指令执行速度快。
3）S7-200可用内部辅助继电器 M，状态继电器 S，定时器 T，寄存器 D，计数器 C 的功能和数量满足了系统控制要求的需要。
4）S7-200的编程可用编程器，也可以在 PC 机上使用西门子公司的专用编程软件STEP7-Micro/WIN 来进行。
尤其是可用 PC 机对系统实时进行监控。
为调试和维护提供了极大的方便。
由表3-1可知，本五层电梯控制系统中共需23个输入量、20个输出量，考虑到一定的余量，则选择PLC型号为CPU226（24DI，16DO），以及EM223数字量混合扩展模块（16DI，16DO）。
由于采用变频器进行调压调速，需要模拟量的输入输出，所以需要加一个模拟量扩展模块EM235（4AI，1AO）。
4.2曳引电机的选择
因为牵引电梯的动力电机都是短时工作制，其基本上都是工作在起动、恒速、制动、停止四个状态，这样频繁的起动、制动工作就要求所选的电机要有起动和过载能力惯性机械强度大、绝缘材料等级高的特点。
所以根据电梯这种特殊的运行状态，考虑使用异步电动机，因为其具有结构简单、制造方便、价格便宜、维护次数和费用都低以及运行方便的特点，但考虑到电梯到了制定层要减速运行时需要调速，所以所选电机应具有调速能力。
其次，电梯也对拖动的电机有以下要求：
1、高速或低速运行时要有较大的堵转转矩和较小的堵转电流。
低速制动时产生的制动转矩应使制动效果明显而制动电流又不能过大，以保证电动机的可靠运行。
2、高速运行时电动机有较高的效率和功率因数。
3、为了使电梯平稳、舒适，电机应具有良好的机械特性。
考虑到以上几个方面决定选用交流双速异步电动机。
表4-1电梯的基本参数
额定载重（kg）
额定速度（m/s）
平衡系数Kp
总传动效率
1000kg
1m/s
0.45
0.8
（4-1）
式中：
P代表电机功率，单位kw；Q代表电梯的额定载重，单位kg；V代表电梯的额定运行速度，单位m/s；Kp代表电梯的平衡系数；
代表曳引机的传动总效率。
将表4-1中电梯的基本参数带入式（4-1）中计算，得出计算结果P=6.74kw。
考虑到电机的可靠运行以及轿厢的重量（大约为500kg），电机的功率需要留有一定裕量，因此选用交流双速异步电机。
其具体参数见表4-2。
表4-2交流双速异步电机参数
电机型号
级数
功率（kw）
电压
（V）
转速
（r/min）
电流
（A）
待定
8
7
380
730
19
4
11
1450
21
注释：
考虑到实验设备，故选用40W的交流异步电动机。
具体参数如下：
表4-3交流异步电动机参数
电机型号
功率（w）
电压（V）
转速（r/min）
电流（A）
JW5014
40
380
1400
0.23
4.3开关门电机的选择
直流电机是将直流电能与机械能相互转换的旋转电机，它具有：
1、优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广。
2、过载能力强，能承受频繁的冲击负载。
3、可实现频繁的无极快速起动、制动和反转。
4、能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。
鉴于直流电动机以上特点，我们选择直流电动机为开关门电机，其功率的计算如下：
假设电梯门的质量m=30kg，在开关门时最大加速度为a=1m/s2，开门速度为v=0.5m/s，门对地的摩擦系数
=0.3，电机总的传动效率
=0.8。
根据牛顿第二定律得：
（4-2）
计算得F=88.2N，再根据功率计算公式:
（4-3）
计算得P=55W，由于上述只是估算，实际需要电机的功率可能大于估算结果，为了避免所选电机功率不够，而造成电梯门打不开，烧毁电机的事故发生。
所以选用电梯开门直流电机，其具体参数见表4-4。
表4-4电梯开门电机参数
电机型号
工作电压
（V）
额定功率（W）
工作电流
（A）
标称转速
（r/min）
寿命
（次）
转矩
（N·m）
待定
110DC
80
≤1.1
65±5%
≥3000000
11.461
注释：
考虑到实际设备，故选用40W的交流异步电动机。
其具体参数同曳引电机。
4.4传感器
接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。
接近开关是种开关型传感器（即无无触点开关），它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。
由于选择了西门子PLC，故本系统采用PNP（信号为正）电感式输出接近开关，可以检测电梯的停止、起动以及通过位置。
4.5变频器
目前电梯上使用较多的调速的方法是变压调速，即通过改变定子电压来达到调速的目的。
变压调速的调速范围非常窄（电动机线性调速范围小）。
因此电梯上的变压调速都采用闭环控制，以提高调速范围。
闭环控制能实现零速平层停车，平层精确度高。
闭环控制系统能使电梯速度按预定曲线运行，提高系统的稳定性和乘坐的舒适性。
因而本设计采用此方案。
故选用DanfossFC360,400V型变频器进行交流调压调速。
该变频器本身具有速度检测器，能实现闭环控制。
它具有以下四种技术特性：
（1）可直接控制交流异步电动机的电流，使电动机保持较高的输出转矩。
（2）丹佛斯FC360适用于各种应用场合
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