机电毕业设计基于plc的电梯控制系统改造设计.docx

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机电毕业设计基于plc的电梯控制系统改造设计

浙江广厦建设职业技术学院

机电一体化技术专业毕业设计说明书

设计题目基于PLC的电梯控制系统

改造设计

学生姓名

学号021*******

指导教师

专业机电一体化技术

年级2013级

摘要

现今世界，电梯的生产情况和使用数量已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。

随着城市人口的不断提高，人们物质文化生活水平的提高，建筑业不断的发展，已是高楼林立，电梯在人们的生产、生活、工作中日益重要。

因此电梯的研究也显得愈来愈重要。

本设计主要分析了电梯的主要结构以及其控制要求，以四层电梯为设计对象，从电梯控制系统的构成及工作原理对电梯控制的硬件进行相应选择，另外通过对电梯的PLC软件进行设计，以此完成了基于PLC的电梯控制系统改造设计。

关键词：

电梯控制；通用变频器；可编程控制器（PLC）；三相异步交流电机

1引言

电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。

追溯电梯这种升降设备的历史,据说最早可追溯到公元前236年的古希腊。

而1858年在美国出现了以蒸汽机为动力的客梯,继而英国又出现了水压梯。

1889年美国奥的斯电梯公司率先使用电动机作为电梯的传动动力,这才出现了世界上第一部名副其实的电梯,并使电梯开始趋于实用化。

1900年，出现了第一台自动扶梯。

1949年又出现了群控电梯,首批4～6台群控电梯在美国纽约的联合国大厦被投入使用。

1955年出现了小型计算机（真空管）控制的电梯。

1962年美国甚至还出现了速度高达8米/秒的超高速电梯。

1963年，世界上一些先进工业国制成了无触点半导体逻辑控制电梯。

1967年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统化，性能也随之提高。

1971年集成电路首次被应用于电梯，次年又出现了数控电梯。

1976年微处理机开始应用到电梯中，这使电梯的电气控制系统进入到了一个新的发展时期[1]。

电梯控制系统应采用随机逻辑控制方式控制。

目前电梯的控制普遍采用两种控制方式：

一种是采用微机作为信号控制单元，完成电梯的信号采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式是用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。

国内厂家大多数采用第二种方式，原因在于用PLC控制有很多优点：

可靠性高，由于采取了一系类的PLC高可靠性的措施，PLC的平均无故障时间（MTBF）一般可达3～5万小时。

另外PLC的环境适应性也很强，它能在工业环境下可靠的工作；编程简单，PLC最常用的编程语言是梯形图语言。

这种编程语言形象直观，简单易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员使用和掌握。

当工作流程需要改变时，又可以现场改变程序，使用方便、灵活；体积小、结构紧凑、安装、维修方便。

PLC的体积小，重量轻，便于安装。

而且一般PLC都具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能[2]。

1.1设计的研究背景及意义

在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了快速发展，不断满足社会经济快速发展和人民生活水平日益提高的需要，电梯作为一种重要的交通运输工具，已成为城市物质文明的一种标志。

电梯在办公大楼、公司、高层住宅、宾馆酒店等场所得到了广泛应用。

尤其是在高层建筑中，电梯更是不可缺少的垂直运输设备。

随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了它新的发展时期，载人电梯控制技术已经发展到了调频调压调速控制阶段，具有乘坐安全、运行可靠、舒适度较高等特点，其主流控制技术采用PLC控制，并拥有许多智能化控制功能。

150多年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新----开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节约了行人的时间；如今，以美国奥的斯电梯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维保服务系统。

现在，电梯已经完全融入我们的生产、生活当中，满足我们的生活、学习及工作的需要。

据统计，我国在用电梯已达100多万台，每年还将以约5万至6万台的速度增长。

电梯的作用越来越大，需求也越来越多。

而我国现阶段使用的先进电梯系统基本上是国外研发设计和制造的，其核心技术并不对外公开。

而中国国内具有自主知识产权的控制方法和技术在实际的应用较少，与国外先进技术相比还有较大的差距。

因此，尽快研究和掌握先进的控制技术，对国内电梯工业的发展将会有很大的促进作用。

本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器（PLC）应用于4层电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时也延长了电梯的使用寿命，缩短了其开发周期，并提高了它的控制水平，改善了电梯运行的舒适度，使电梯达到了较为理想的控制效果。

本文所设计的电梯与传统的电梯相比，由于在核心控制部分采用软件程序控制，从而在保证电梯正常运行的情况下，大大提高了电梯故障检查与维修的方便性和容易性，同时还克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素，在运行上具有良好的舒适感，在实际使用中还可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了预期的效果。

1.2PLC及在电梯控制中的应用特点

1.2.1PLC简介、特点及其应用领域

PLC即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

它是一种基于数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

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、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，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及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

其特点如下：

（1）使用可靠性高，抗干扰能力强。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性[5]。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强。

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能外，现代PLC系统大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、速度控制、温湿度控制、CNC等各种工业控制中。

此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。

再加上PLC通信能力的增强，以及人机交互界面技术的不断发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（3）易学易用，深受工程技术人员的欢迎。

PLC作为通用工业控制计算机，是面向广大工矿企业的工控设备。

它的接口简单容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图非常接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，易于改造。

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时系统维护也变得容易起来。

更重要的是这使得同一设备经过改变程序从而改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

（5）体积小，重量轻，能耗低。

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗只有数瓦。

由于体积小，因此很容易装入到机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业和领域，使用情况大致可归纳为如下几类[6]：

（1）开关量的逻辑控制。

（2）模拟量控制。

（3）运动控制。

（4）过程控制。

（5）数据处理。

（6）通信及联网。

1.2.2PLC控制电梯的优点

PLC在电梯控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。

由于PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。

在电梯控制过程中，各种逻辑开关控制与PLC能够很好的结合，很好的实现了对电梯的控制。

本文主要讨论和研究利用西门子公司的可编程控制器对一部四层电梯的控制，形成电梯控制系统[7]。

电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。

传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等众多缺点，正在逐渐被淘汰。

目前电梯设计使用可编程控制器（PLC），要求功能变化灵活，编程简单，故障率少，噪音低。

维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。

当乘员进入电梯，按下所要去的楼层按钮，电梯门自动关闭后．控制系统进行下列运作：

根据轿厢所处位置及乘员所处层数．判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。

将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。

另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。

1.3电梯变频调速控制的特点

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。

电动机交流变频调速技术是当今节电、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主要手段。

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为最有发展前途的调速方式[8]。

变频调速电梯的优点:

（1）变频调速电梯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[9]。

（3）变频调速电梯使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，大大提高了运行效率和功率因数，节能明显。

1.4设计的主要内容

本设计的主要任务是在电梯机械模型和PLC控制装置基础上，完成4层电梯控制器的电路设计、元器件选型、PLC外部接口电路设计、控制器装配图与接线图设计、列出元器件清单、完成PLC程序设计等内容。

电梯控制系统可分为电力拖动电路和电气控制电路两个主要部分。

电力拖动电路主要包括电梯垂直方向主拖动电路和轿厢开关电路。

二者均采用易于控制的三相交流异步电动机作为拖动动力源。

电气控制系统则由众多呼叫按钮、传感器、控制用继电器、指示灯和控制部分的核心器件（PLC）等组成。

PLC集信号采集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。

电梯控制系统的硬件组成控制电路主要包括按钮编码输入电路、楼层传感器检测电路、发光二极管记忆灯电路、轿箱开关电路、楼层显示电路及一些其他辅助电路等。

系统控制软件设计由初始化、指令接收处理、电梯位置检测与处理、同行截车和反向不截车处理、开关门控制处理、电梯升降控制等模块组成，利用西门子（SIEMENS）公司生产的S7-200型PLC及其扩展模块，使用丰富和功能强大的指令设计梯形图，调试并最终完成电梯控制。

2电梯的概述

2.1分析控制对象和确定控制范围

现代电梯主要是由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置（如限速器、安全钳和缓冲器等）、信号操纵系统、轿厢与厅门等部分组成。

这些部分分别安装于建筑