基于PLC的四层电梯控制系统设计毕业设计.docx

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基于PLC的四层电梯控制系统设计毕业设计

新疆机电职业技术学院

电气工程系2012毕业设计

毕业设计题目

英文题目

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；MCGS

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;

MCGS

第一章绪论

1.1电梯的国内外发展情况

在经济的不断发展，科学技术日新月异的今天，楼的高度已和经济发展同样的速度成长起来。

作为建筑的中枢神经，电梯起着不可或缺的作用，电梯作为建筑物内的主要运输工具，像其他的交通工具一样，已经成为我们日常生活中的一个不可或缺的组成部分。

一个国家的电梯需求总量，主要受其经济增长速度、城市化水平、人口密度及数量、国家产业结构等综合因素的影响。

在全球经济持续低迷的情况下，我国国民经济仍然以较高的速度持续增长，城市化水平不断提高。

这从客观上导致了我国电梯行业的空前繁荣景象，我国已经成为全球最大的电梯市场。

上世纪80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大[1]。

我国电梯行业已经具备了很强的生产能力。

兴旺的电梯市场吸引着全世界所有的知名电梯公司，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、日本三菱、日立、东芝、富士达等13家大型外伤投资公司在国内的市场份额到了74%。

先进技术和现金管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。

目前国内市场需要的电梯产品，我国电梯行业几乎全部可以生产，不但大量替代了进口，而且有一定的出口。

国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高。

中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的为主，每年销售量已达1万台左右，约占亚洲市场的1/50，一些盒子企业在出口创汇方面也做出了贡献。

当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。

在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍[1]。

世界上有名的几家电梯公司：

美国奥的斯公司、瑞士迅达公司、日本三菱和日立、芬兰科恩等，其电梯的产量已占世界市场的51%。

其中，奥的斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。

目前，国外除了以交流电梯取代直流电梯以外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。

此外，家用小型电梯将成为电梯家族中的组成部分。

1.2课题研究的意义及内容

PLC采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出控制各种类型的机械设备或生产过程。

当今是个高速发展的时代，电梯已成为人们日常生活和工作中不可或缺的重要交通工具。

目前，由可编程控制器和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。

用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并且具有很大的灵活性。

可以完成更为复杂的控制任务，已成为电梯控制的发展方向，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。

本课题所研究的内容主要是用可编程控制器改造电梯自动控制系统。

由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。

因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。

首先对电梯系统及可编程控制器作了比较全面的总结和介绍。

接着阐述了电梯控制系统的分类及特点，确定了系统的总体结构，由PLC来实现电梯信号控制，然后是系统的硬件开发，完成了PLC的选型、I/O点数分配与PLC连接，用AUTOCAD软件画出PLC外部接口接线图和主线路图，在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出程序梯形图。

用MCGS组态软件实现对四层电梯控制系统的模拟，完成PLC程序与MCGS组态软件的联机调试等内容，并通过指导老师的指导，独立完成方案设计、系统设计、设备选型、等工作。

第二章电梯和PLC的简介

2.1电梯的定义

电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。

也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。

服务于规定楼层的固定式升降设备。

它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。

轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。

习惯上不论其驱动

方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称[1]。

近几年来。

随着国际社会对环保的关注，各大电梯公司现在在其电梯表面基本都采用了粉末涂料喷涂，这是一种新型环保无溶剂的涂料，并且各种性能皆优于油漆。

图1电梯

2.2电梯的结构及组成

电梯是机电一体化产品。

其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，

控制部分相当于人的大脑。

各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。

尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大部分为电力拖动、钢丝绳拽引式结构，其机械部分由拽引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成；而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。

电梯的基本结构如图2所示[2]。

图2电梯的结构

一、拽引系统

电梯的拽引系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。

主要由拽引机，拽引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。

拽引机为电梯的运行提供动力，由电动机，拽引轮，连轴器，减速箱和电磁制动器组成，拽引钢丝的两端分别连轿厢和对重，依靠钢丝绳和拽引轮之间的摩擦来驱动轿厢升降。

导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型还可以增加拽引力。

二、导向系统

导向系统由导轨，导靴和导轨架组成。

它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，

使得轿厢和对重只能沿着导轨座升降运动。

三、门系统

门系统由轿厢门，层门，开门，联动机构等组成。

轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门导轨架等组成，层门设在层站入口处。

开门机设在轿厢上，是轿厢和层门的动力源。

四、轿厢

轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件。

它是有轿厢架和轿厢体组成的。

轿厢架是轿厢体的承重机构，由横梁，立柱，底梁和斜杆组成。

轿厢体由厢底，轿厢壁，轿厢顶以及照明通风装置，轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。

轿厢体空间的大小由额定载重量和额定客人数决定。

五、重量平衡系统

重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。

对重由对重架和对重块组成。

对重将平衡轿厢自重和部分额定载重。

重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧拽引钢丝绳长度变化对电梯的平衡设计影响的装置。

六、电力拖动系统

电力拖动系统由拽引机电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成，它的作用是对电梯进行速度控制。

拽引电机是电梯的动力源，根据电梯配置采用交流电机或者直流电机。

供电系统是为电机提供电源的装置。

速度反馈系统是为调速系统提供电梯速度信号。

一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。

调速装置对拽引电机进行速度控制。

七、电气控制系统

电梯的电气控制系统由控制装置、操纵装置、平层装置和位置显示装置等部分组成。

其中控制装置是由轿箱内的按钮箱和厅门的召唤箱按钮来操纵电梯的运行的。

平层装置是发出平层控制信号，使电梯轿厢准确平层的控制装置。

八、安全保护系统

安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全的使用。

机械方面的有：

限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断总电源的极限装置。

电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节中都有体现[2]。

2.3PLC的定义及特点

现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程序控制器（ProgrammableLogicController,PLC）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域中，例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。

PLC仍然处于不断的发展之中，其功能不断增强，更为开放，它不但是单机自动化中应用最广的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位。

PLC应用面广、普及程度之高，是其他计算机控制设备无法比拟的[3]。

国际电工委员会（LEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：

“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”上述定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能[3]。

PLC的特点：

1.编程方法简单易学；

2.功能强，性能价格比高；

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；

4.可靠性高，抗干扰能力强；

5.系统的设计、安装、调试工作量少；

6.维修工作量小，维修方便；

7.体积小，能耗低。

第三章电梯控制系统的硬件设计

3.1电梯的控制要求

一、信号控制系统

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。

主要硬件包括PLC主机、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼楼盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。

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、开关门呢及限位信号、门区和平层信号等。

图3电梯PLC信号控制系统框图

二、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.行车时不能手动开门或本层呼梯开门，开门不能行车。

三、四层电梯的控制要求

电梯原始层在一层。

1.电梯停留在一层：

⑴当二层下呼或二层上呼（内呼二层）或二层下呼，二层上呼（内呼二层）时，电梯上升，碰到行程开关SQ2，电梯停止；

⑵当三楼下呼或三楼上呼（内呼三层）或三楼下呼，三楼上呼（内呼三层）时，电梯上升，碰到行程开关SQ2，电梯继续上升，碰到行程开关SQ3，电梯停止；

⑶当四楼下呼（内呼四层）时，电梯上升，碰到行程开关SQ2，电梯继续上升，碰到行程开关SQ3，电梯继续上升，碰到行程开关SQ4，电梯停止；

⑷当二楼下呼，三楼下呼或二楼下呼，三楼下呼，内呼三层或二楼下呼，内呼三层时，电梯上升，碰到行程开关SQ2，电梯继续上升，碰到行程开关SQ3，电梯停止2秒后下降，碰到行程开关SQ2，电梯停止；

⑸当二楼下呼，三楼下呼，内呼二层或二楼下呼，三楼下呼，内呼二层，内呼三层或二楼下呼，内呼二层，内呼三层时，电梯上升，碰到行程开关SQ2，电梯停止2秒后上升，碰到行程开关SQ3，电梯停止2秒后下降，碰到行程开关SQ2，电梯停止；

⑹当二楼下呼，三楼上呼或二楼下呼，三楼上呼，内呼三层时，电梯上升，碰到行程开关SQ2，电梯继续上升，碰到行程开关SQ3，电梯停止2秒后上升，碰到行程开关SQ4，电梯停止2秒后下降，碰到行程开关SQ2，电梯停止；

⑺当二楼上呼（内呼二层），三楼下呼或二楼上呼（内呼二层），三楼下呼，三楼上呼（内呼三层）或二楼上呼（内呼二层），三楼上呼（内呼三层）时，电梯上升，碰到行程开关SQ2，电梯停止2秒后上升，碰到行程开关SQ3，电梯停止；

⑻当二楼下呼，四楼下呼（内呼四层）时，电梯上升，碰到行程开关SQ2，电梯继续上升，碰到行程开关SQ3，电梯继续上升，碰到行程开关SQ4，电梯停止2秒后下降，碰到行程开关SQ3，电梯继续下降，碰到行程开关SQ2，电梯停止；

⑼当二楼下呼，三楼下呼，四楼下呼（内呼四层）时，电梯上升，碰到行程开关SQ2，电梯继续上升，碰到行程开关SQ3，电梯继续上升，碰到行程开关SQ4，电梯停止2秒后下降，碰到行程开关SQ3，电梯停止2秒后下降，碰到行程开关SQ2，电梯停止；

⑽当二楼上呼（内呼二层），三楼上呼（内呼三层），四楼下呼（内呼四层）时，电梯上升，碰到行程开关SQ3，电梯停止2秒后上升，碰到行程开关SQ4，电梯停止；

⑾当二楼下呼，二楼上呼（内呼二层），三楼上呼（内呼三层），四楼下呼（内呼四层）时，电梯上升，碰到行程开关SQ2，电梯停止2秒后上升，碰到行程开关SQ3，电梯停止2秒后上升，碰到行程开关SQ4，电梯停止2秒后下降，碰到行程开关SQ3，电梯继续下降，碰到行程开关SQ2，电梯停止；

⑿当三楼上呼（内呼三层），四楼下呼（内呼四层）时，电梯上升，碰到行程开关SQ2，电梯继续上升，碰到行程开关SQ3，电梯停止2秒后上升，碰到行程开关SQ4，电梯停止；

⒀当三楼下呼，三楼上呼（内呼三层），四楼下呼（内呼四层）时，电梯上升，碰到行程开关SQ2，电梯继续上升，碰到行程开关SQ3，电梯停止2秒后上升，碰到行程开关SQ4，电梯停止2秒后下降，碰到行程开关SQ3，电梯停止。

2.电梯停留在二层:

⑴当三楼下呼或三楼上呼（内呼三层）或三楼下呼，三楼上呼（内呼三层）时，电梯上升，碰到行程开关SQ3，电梯停止；

⑵当四楼下呼（内呼四层）时，电梯上升，反方向呼叫无效，，碰到行程开关SQ3，电梯继续上升，碰到行程开关SQ4，电梯停止；

⑶当一楼上呼（内呼一层）时，电梯下降，反方向呼叫无效，碰到行程开关SQ1，电梯停止；

⑷当三楼下呼，四楼下呼（内呼四层）时，电梯上升，反方向呼叫无效，碰到行程开关SQ3，电梯继续上升，碰到行程开关SQ4，电梯停止2秒后下降，碰到行程开关SQ3，电梯停止；

⑸当三楼上呼（内呼三层），四楼下呼（内呼四层）时，电梯上升，反方向呼叫无效，碰到行程开关SQ3，电梯停止2秒后上升，碰到行程开关SQ4，电梯停止；

⑹当三楼下呼，三楼上呼（内呼三层），四楼下呼（内呼四层）时，电梯上升，反方向呼叫无效，碰到行程开关SQ3，电梯停止2秒后上升，碰到行程开关SQ4，电梯停止2秒后下降，碰到行程开关SQ3，电梯停止。

3.电梯停留在三层：

⑴当四楼下呼（内呼四层）时，电梯上升，反方向呼叫无效，碰到行程开关SQ4，电梯停止；

⑵当二楼下呼或二楼上呼（内呼二层）或二楼下呼，二楼上呼（内呼二层）时，电梯下降，反方向呼叫无效，碰到行程开关SQ2，电梯停止；

⑶当一楼上呼（内呼一层）时，电梯下降，反方向呼叫无效，碰到行程开关SQ2，电梯继续下降，碰到行程开关SQ1，电梯停止；

⑷当二楼上呼，一楼上呼（内呼一层）时，电梯下降，反方向呼叫无效，碰到行程开关SQ2，电梯继续下降，碰到行程开关SQ1，电梯停止2秒后上升，碰到行程开关SQ2，电梯停止；

⑸当二楼下呼（内呼二层），一楼上呼（内呼一层）时，电梯下降，反方向呼叫无效，碰到行程开关SQ2电梯停止2秒后下降，碰到行程开关SQ1，电梯停止；

⑹当二楼上呼，二楼下呼（内呼二层），一楼上呼（内呼一层）时，电梯下降，反方向呼叫无效，碰到行程开关SQ2，电梯停止2秒后下降，碰到行程开关SQ1，电梯停止2秒后上升，碰到行程开关SQ2，电梯停止。

4.电梯停留在四层的情况跟停留在一层的情况类似。

3.2四层电梯曳引电机及门电机电路图

根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图4所示。

图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1～KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。

FR1、FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。

FU1为熔断器，起过电流保护作用。

图4电气控制系统主回路原理图

3.3硬件的选型

3.3.1SIEMENSS7-200PLC简介

PLC的构成，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

S7-200由德国西门子公司生产制造，S7-200系列微型可编程序控制器发展至今，大致经历了两代第一代产品其CPU模块命名为CPU21X主机可以扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：

CPU212，CPU214，CPU215和CPU216。

第二代产品其CPU模块为CPU22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。

它具有四种不同结构配置的CPU单元：

CPU221,CPU222，CPU224和CPU226，除CPU221之外，其他都可加扩展模块。

表1为S7-200主要技术指标。

3.2.2CPU的选型

为了完成设定的控制任务，主要根据电梯控制方式与输入/输出点数和占用内存的多少来确定PLC的机型。

本系统为四层楼的电梯，采用集选控制方式。

所需输入/输出点数估算如下:

1.输入/输出点的估算：

采用PLC构成四层电梯控制系统。

电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯下降，反转为上升。

一层有上升呼叫按钮SB5和指示灯HL5，二层有下降呼叫按钮SB6和指示灯HL6以及上升按钮SB7和指示灯HL7，三层有下降按钮SB8和指示灯HL8以及上升按钮SB9和下降按钮HL9，四层有下降按钮SB10和指示灯HL10。

一到四层有行程开关SQ1～SQ4，电梯内有一至四层呼叫按钮SB1～SB4和指示灯HL1～HL4；电梯开关门按钮SB11～SB12，电梯开门和关门分别通过交流接触器KM3和KM4控制，关门限位由行程开关SQ5检测，开门限位由行程开关SQ6检测。

轿厢下行和上行由交流接触器KM1和KM2控制。

表1S7-200主要技术指标

特性

CPU221

CPU222

CPU224

CPU226

外形尺寸mm

90×80×62

90×80×62

120.5×80×62

190×80×62

存储器

程序

2048字

2048字