七层载人电梯的PLC控制系统毕业设计.docx

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七层载人电梯的PLC控制系统毕业设计

开封大学

题目：

七层载人电梯的PLC控制系统

专业：

电气自动化技术

班级：

学号：

姓名：

指导教师：

开封大学机电工程学院

二零零九年一月二十号

摘   要

PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可靠性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。

它应用大规模集成电路，微型机技术和通讯技术的发展成果，逐步形成了具有多种优点和微型，中型，大型，超大型等各种规格的系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多控制领域。

随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。

电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。

PLC在电梯升降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。

在电梯升降过程中，各种逻辑开关控制与PLC很好的结合，很好的实现了对升降的控制。

本文介绍了电梯的发展以及PLC在电梯控制中的应用。

具体的阐述了利用西门子公司的PLC技术对电梯进行速度的控制的。

在不增加硬设备的条件下，实现电流、速度、位移三环控制。

关键词：

PLC；电梯；西门子;

前言

可编程控制器简称PLC，它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内存，用在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作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生产或生产过程。

它可靠性高，抗干扰能力强;配套齐全，功能完善，适应性强；系统设计周期短，维护方便改造容易等特点。

电气控制技术在工业生产、科学研究以及其它各个领域的应用十分广泛，以经成为实现生产过程自动化的重要手段之一。

尽管电器控制设备种类繁多、功能各异，但其控制理论、基本线路、设计基础是类似的。

电气控制与可编程控制器技术是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术的一种新兴技术，是实现工业生产、科学研究及其它领域自动化的法宝，电梯的实现，就是两种技术的结合与发展。

电梯作为在高层建筑中运输人员或货物的提升工具，以方便、灵活、安全的特点广泛应用于各个工厂，商场，住宅等高层建筑物，是一种不可缺少的垂直运输设备。

其运行特点是启动、停止、升降变化频率和承载变化大。

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。

本设计在用PLC控制变频调速实现电流、速度双死循环的基础上，在不增加硬设备的条件下，实现电流、速度、位移三环控制。

本设计的特点，首先是强调实践性，但又不失系统性。

设计时在取材方面，对一般文献中反映较多的内容，仅作简要叙述以保持内容的连贯性，而将重点放在工程中的实际问题上，安排了完整的工程设计实例贯穿于本设计，本设计还注重内容的新颖性，按中国自动化学会电气自动化委员会最近在“战略发展建议”中担出的学科范围，力求在某种程度上反映近年来国内外的最新发展，其中包括设计者本人的工程实践和研究结果。

本设计内容具有一定的广泛性，讨论了可靠性设计有关问题等。

根据当前电梯的发展趋势，注重反映新的PLC技术，将其融合到电梯控制中。

使本设计更加接近当今控制技术，力求具有实用性、先进性和系统性。

在本次毕业设计中，存在了不少的困难。

但在老师和同学们的帮助和支持下，特别是本次毕业设计指导教师吴春诚老师的热情辅导，及时更正了设计中出现的错误和不妥之处，深表感谢！

一、概述

1.1PLC的分类

PLC通常可按输入/输出点数多少及结构特征两种方法分类。

按输入/输出点数多少PLC可分为微型、小型、中型及大型机。

微型PLC输入/输出点数小于128点，以上两种机型通常为低档PLC；中型PLC输入/输出点数为128～512点；大型PLC输入/输出点数在512点以上。

按结构特征PLC可人整体式、模块式、整体模块混合式三种类型。

整体PLC一般都是小型或微型机，集中CPU、输入/输出单元、电源、通信接口等部件都集成到一个机壳内。

模块式PLC是将CPU、输入/输出单元、电源、通信接口等分别制成模块，在应用中可以按照需要进行模块组装，大、中型PLC一般都是模块式结构，整体模块混合式PLC将CPU、电源模块、通信模块及一定数量的输入/输出单元集成到一个机壳内，当其中的输入/输出模块不够使用时再进行模块扩展。

1.2电梯的结构

曳引式电梯是垂直交通运输工具中使用最普遍的一种电梯，现将其基本结构介绍如下。

1 曳引系统

　　曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮及反绳轮等组成。

　　曳引机由电动机、联轴器、制动器、减速箱、机座、曳引轮等组成，它是电梯的动力源。

　　曳引钢丝绳的两端分别连接轿厢和对重（或者两端固定在机房上），依靠钢丝绳与曳引轮绳槽之间的摩擦力来驱动轿厢升降。

　　导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型时还可增加曳引能力。

导向轮安装在曳引机架上或承重梁上。

　　当钢丝绳的绕绳比大于1时，在轿厢顶和对重架上应增设反绳轮。

反绳轮的个数可以是1个、2个甚至3个，这与曳引比有关。

2  导向系统

　　导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。

它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

　　导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组件，与井道壁联接。

　　导靴装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。

3  门系统

　　门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。

　　轿厢门设在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成。

　　层门设在层站入口，由门扇、门导轨架、门靴、门锁装置及应急开锁装置组成。

开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。

4  轿厢

　　轿厢用以运送乘客或货物的电梯组件。

它是由轿厢架和轿厢体组成。

轿厢架是轿厢体的承重构架，由横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成。

轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮板等组成。

轿厢体空间的大小由额定载重量或额定载客人数决定。

5  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的额定载重。

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

6  电力拖动系统

　　电力拖动系统由曳引电机、供电系统、速度回馈装置、调速装置等组成，对电梯实行速度控制。

　　曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或直流电机。

　　供电系统是为电机提供电源的装置。

　　速度回馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号。

一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电机相联。

　　调速装置对曳引电机实行调速控制。

7 电气控制系统

　　电气控制系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成,它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。

操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。

控制屏安装在机房中，由各类电气控制组件组成，是电梯实行电气控制的集中组件。

位置显示是指轿内和层站的指层灯。

层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站。

选层器能起到指示和回馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。

8  安全保护系统

　　安全保护系统包括机械和电气的各类保护系统，可保护电梯安全使用。

　　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保护等。

　　电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节都有。

1-减速箱；　　　　　2-曳引轮；

3-曳引机底座；　　　4-导向轮；

5-限速器；　　　　　6-机座；

7-导轨支架；　　　　8-曳引钢丝绳；

9-开关碰铁；　　　　10-紧急终端开关；

11-导靴；　　　　　　12-轿架；

13-轿门；　　　　　　14-安全钳；

15-导轨；　　　　　16-绳头组合；

17-对重，　　　　　　18-补偿链；

19-补偿链导轮；　　20-张紧装置；

21-缓冲器；　　　　22-底坑；

23-层门；　　　　　　24-呼梯盒；

25-层楼指示灯；　　26-随行电缆；

27-轿壁；　　　　　　28-轿内操纵箱；

29-开门机；　　　　30-井道传感器；

31-电源开关；　　　32-控制柜；

33-曳引电机；　　　　34-制动器

图1电梯的基本结构剖视图

二、系统总体方案设计

2.1电梯的主电路设计

2．1．1主电路

电梯的拖动系统有许多种，性能好的有直流发电机——电动机可控硅励磁拖动系统、变频调压调速系统，价格较为昂贵。

简单有交流调压调速系统，单/双速交流电机拖动系统，在速度1.5m/s以下的中低速电梯中经常采用后者，因为它结构简单，经济实用。

现以双速交流电机拖动系统电机。

交流双速电梯的主电路图。

图中M1为YTD系列电梯专用双速笼型异步电动机（6/24极）；KM1、KM2为电机正节反转接触器，用以实现电梯上、下行控制；KM3、KM4为电梯的高低速运行接触器，用以实现电梯的高速或低速运行；KM5为起动加速接触器；KM6、KM7、KM8为减速制动接触器，用以调整电梯制动时的加速度；L1、L2与R1、R2为串入电动机定子电路中的电抗与电阻，与KM5—KM8配合实现对电机的加减速控制。

当KM1或KM2与KM3通电吸合时，电梯将进行上行或下行起动，延时后KM5通电吸合，切除R1、L1，电梯将转为上行或下行的稳速运行；当电梯接收到停层指令全，KM3断电释放，KM4通电吸合，电机转为低带接法，串入阴抗制动，实现上升与下降的低速运行，且KM6—KM8依次通电吸合，用来控制制动过程的强度，提高停车制动时的舒适感。

至平层位置时，接触器全部断电释放，抱闸抱死，电梯停止运行。

在检修状态时，电梯只能在低速接法下点动运行。

图2交流双速电梯主电路

2.1.2PLC控制程序的编制方法

PLC梯形图软件的设计采用模块化设计，模块化程序结构清晰，便于调试，分为开关门，内选，外召唤，层楼数指示，定向等模块。

模块间不完全独立，它们之间存在着有机联系。

且在编程时要注意的各条指令间的逻辑关系。

梯形图中的内部辅助继电器和定时器统一分配编号，除了列出I/O分配表外，还应列出内辅助功能分配表，充分利用PLC提供的指令。

2.1.3程序设计思路

所设计的电梯模型共有七层。

电梯的每一层面均有升降及轿厢所在楼层的指示灯显示；1~7所对应的指示灯表示层楼号，每层的楼厅均有输入（分上行和下行）按钮召唤电梯。

工作中的电梯主要对各种呼梯信号和当时的运行状态进行综合分析，再确定下一个工作状态，为此它要求具有自动定向，顺向截梯、反向保号，外呼记忆，自动开/关门，停梯消号，自动达层等功能。

2.1.4电梯对控制信号的响应要求

1.在轿厢里按下关门按钮，门自动关闭并进行锁保护，门锁上后电梯自动启动。

2.到达指定楼层自动停层，并自动开门。

电梯延时自动关门，等候厅外召唤。

3.响应顺电梯进行方向的厅外召唤。

4.电梯到达底层或顶层时，自动停止并改换方向。

5.接受轿厢内部和厅外召唤的每个呼叫按钮的呼叫命令，自动登记并记忆。

完成任务后自动消除记忆。

6.楼层门厅和轿厢内都有电梯运行情况的显示。

7.电梯接受多个信号时，采用首个信号定向，优先响应不改变现在电梯运行方向的呼叫，一个方向任务全部执行完成后再换向。

8.具有同向截车功能。

9.一个方向的任务要换向时，依据最远站换向原则。

10.保护：

各楼层间运行时间必须小于20秒，否则自动停车。

11.电梯大修时，应全部关闭所有楼层电梯门以免行人误入，造成事故

2.1.5PLC电梯控制系统的组成

PLC电梯控制系统的组成如图3所示。

图3

2.1.6可编程序逻辑控制器（PLC）

PLC采用8为或16位微处理器为核心，配置有可编程序内存对指令存储，具备逻辑、顺序、计数、计时、算术运算、数据比较、数据传送等功能。

工作原理是：

采用循环扫描方式，对输入信号（来自按钮、传感器和行程开关等输入部件）不断地进行采样，根据检测到的信号状态，通过根据控制系统的要求设计和存储的程序随即作出反应，并将这些反应以输出信号的形式，由输出部件输出，输出信号控制系统的外部负载，如继电器、电动机、指示灯和报警器等，产生相应的动作。

通过以上过程完成对电梯的控制。

2.1.7输入、输出部分

输入、输出部分涵盖了控制系统与电梯各个部位及与部件有联系的所有信号，将电梯中发出指令或检测信号的按钮、开关、传感器（如基站总电源钥匙开关、轿内指令选层按钮、厅门呼梯按钮、超速开关、安全触板开关、限位开关、厅轿门连锁开关、换速感应器、平层感应器、门区感应器等）作为PLC的输入，同时在系统中设有有/无司机操作的转换开关。

这些信号通过PLC的输入端子进入PLC内部，作为控制、系统分析判断的第一手数据。

将控制系统经过分析判断后产生的输出信号（控制命令）送到相应的执行部件，如拖动控制部分（包括速度、方向和电磁制动器）、轿内和厅外层楼指示灯、指令和召唤指示、运行方向指示、门机的开关门、开关门减速控制、报警器等。

3.1电气组件

为了方便对该电梯工作原理及PLC控制系统进行分析，列出电气组件表。

辅助继电器

M0.0

红外线中间继电器

M3.0

二楼上行召唤中间继电器

M0.1

运行继电器

M3.1

三楼上行召唤中间继电器

M0.2

上平层中间继电器

M3.2

四楼上行召唤中间继电器

M0.3

下平层中间继电器

M3.3

五楼上行召唤中间继电器

M0.4

开门允许中间继电器

M3.4

六楼上行召唤中间继电器

M0.5

一楼楼层感应中间继电器

M3.5

二楼下行召唤中间继电器

M0.6

二楼楼层感应中间继电器

M3.6

三楼下行召唤中间继电器

M0.7

三楼楼层感应中间继电器

M3.7

四楼下行召唤中间继电器

M0.8

四楼楼层感应中间继电器

M3.8

五楼下行召唤中间继电器

M0.9

五楼楼层感应中间继电器

M3.9

六楼下行召唤中间继电器

M1.0

六楼楼层感应中间继电器

M4.0

七楼下行召唤中间继电器

M1.1

七楼楼层感应中间继电器

M4.1

轿厢内一楼指令中间继电器

M1.9

上行中间继电器

M4.2

轿厢内二楼指令中间继电器

M2.0

下行中间继电器

M4.3

轿厢内三楼指令中间继电器

M2.1

一楼楼层指示中间继电器

M4.4

轿厢内四楼指令中间继电器

M2.2

二楼楼层指示中间继电器

M4.5

轿厢内五楼指令中间继电器

M2.3

三楼楼层指示中间继电器

M4.6

轿厢内六楼指令中间继电器

M2.4

四楼楼层指示中间继电器

M4.7

轿厢内七楼指令中间继电器

M2.5

五楼楼层指示中间继电器

M4.8

司机上行中间继电器

M2.6

六楼楼层指示中间继电器

M4.9

司机下行中间继电器

M2.7

七楼楼层指示中间继电器

T37

开门时间继电器

M2.8

换速中间继电器

T38

关门时间继电器

M2.9

一楼上行召唤中间继电器

T33

加速时间继电器

T34

减速时间继电器1

T35

减速时间继电器2

T36

减速时间继电器3

PLC的选型及输入、输出的安排

由于楼层数量不同，所配电梯的规模就有差别，I/O数量相差很大，这里以七层电梯为例。

3.1.1输入设备的确定

先考察电梯轿厢内的操作。

操作厢上应有各层的选层按钮，7层共有7个，开关门操作厢需2点输入。

考虑到乘客的安全，电梯在门未关好的情况下禁止启动，对轿厢门及厅门的开关极限应设极限开关，需2点输入，为防止关门夹住乘客，再设一个红外感应输入。

为防止轿箱冲顶或蹲底，应设上行、下行限位，需2点输入，共需14开关输入点。

再考虑井道与轿厢的关系。

井道内每层都应设置感应器，以便感知轿厢当前所在层。

由于上行和下行时节，桥厢进入该层的顺序不同，所以每层设上行、下行两个楼层感应器，需12个感应器。

为保证轿厢停靠偏时对层准确，在轿厢上设置了上平层感应器、下行层感应器，用以感知停靠偏上还是偏下。

当停层准确时，2个感应器均接通。

共需用14点输入。

各门厅乘客召唤时，除底层和顶层只有一个召唤按钮外，其它各层均设上下两个召唤按钮，7层共需12个按钮。

轿厢无指令运行中停靠的层站，应设置一个基站输入点，其它还需要有门锁，自动，以及检修等输入点，共需3点。

经以上分析，可知共需用43点开关输入端点。

3.1.2输出设备的确定

控制电梯的上行、下行（即电机正、反转）需2点输出。

控制电梯快行、慢行需2点输出。

快速起动限流切除、慢速运行限流电阻（电抗）一级和二级切除3点输出。

开关门接触器2点输出。

楼层指示灯7点输出。

上、下行指示灯2点输出。

上下呼记忆灯七层共12个

楼层内选记忆指示共7个

输出部分共需37点输出。

输入输出分配表

输入

代号

输出

代号

I0.0

KA2安全运行

Q0.0

KM1上行

I0.1

KA1门锁

Q0.1

KM2下行

I0.2

SA1-1自动

Q0.2

KM3高速

I0.3

SA1-2检修

Q0.3

KM4低速

I0.4

SB1开门

Q0.4

KM5启动加速

I0.5

SB2关门

Q0.5

KM6制动减速

I0.6

8KR上平层感应器

Q0.6

KM7制动减速

I0.7

9KR下平层感应器

Q0.7

KM8制动减速

I0.8

SQ5基站

Q0.8

KM9开门

I0.9

SQ6开门到位

Q0.9

KM10关门

I1.0

SQ7关门到位

Q1.0

1HL一层层楼指示

I1.1

SQ17上行限位

Q1.1

2HL二层层楼指示

I1.2

SQ18下行限位

Q1.2

3HL三层层楼指示

I1.3

SB5一楼内选

Q1.3

4HL四层层楼指示

I1.4

SB6二楼内选

Q1.4

5HL五层层楼指示

I1.5

SB7三楼内选

Q1.5

6HL六层层楼指示

I1.6

SB8四楼内选

Q1.6

7HL七层层楼指示

I1.7

SB9五楼内选

Q1.7

8HLHL8上行指示

I1.8

SB10六楼内选

Q1.8

9HLHL9下行指示

I1.9

SB11七楼内选

Q1.9

HL1一层内选记忆指示

I2.0

1KR一楼上行感应器

Q2.0

HL2二层内选记忆指示

I2.1

2KR二楼上行感应器

Q2.1

HL3三层内选记忆指示

I2.2

3KR三楼上行感应器

Q2.2

HL4四层内选记忆指示

I2.3

4KR四楼上行感应器

Q2.3

HL5五层内选记忆指示

I2.4

5KR五楼上行感应器

Q2.4

HL6六层内选记忆指示

I2.5

6KR六楼上行感应器

Q2.5

HL7七层内选记忆指示

I2.6

KR2二楼下行感应器

Q2.6

HL10一楼上呼记忆

I2.7

KR3三楼下行感应器

Q2.7

HL11二楼上呼记忆

I2.8

KR4四楼下行感应器

Q2.8

HL12三楼上呼记忆

I2.9

KR5五楼下行感应器

Q2.9

HL13四楼上呼记忆

I3.0

KR6六楼下行感应器

Q3.0

HL14五楼上呼记忆

I3.1

KR7七楼下行感应器

Q3.1

HL15六楼上呼记忆

I3.2

1SB1一楼上行召唤

Q3.2

HL16二楼下呼记忆

I3.3

2SB1二楼上行召唤

Q3.3

HL17三楼下呼记忆

I3.4

3SB1三楼上行召唤

Q3.4

HL18四楼下呼记忆

I3.5

4SB1四楼上行召唤

Q3.5

HL19五楼下呼记忆

I3.6

5SB1五楼上行召唤

Q3.6

HL20六楼下呼记忆

I3.7

6SB1六楼上行召唤

Q3.7

HL21七楼下呼记忆

I3.8

2SB2二楼下行召唤

Q3.8

超重指示警报

I3.9

3SB2三楼下行召唤

Q3.9

全速运行接触器

I4.0

4SB2四楼下行召唤

I4.1

5SB2五楼下行召唤

I4.2

6SB2六楼下行召唤

I4.3

7SB2七楼下行召唤

I4.4

有/无司机选择开关

I4.5

司机上行选择开关

I4.6

司机下行选择开关

I4.7

超重输入

I4.8

红外线感应输入

3.1.3PLC的机型和I/O点的点数选择

系统采用西门子S7-200系列PLC，根据七层七站交流双速电梯的控制要求，选用S7-200类型，其中CPU226,输入映象寄存器为I0.0~I15.7,输出映象寄存器为Q0.0~Q15.724点输入，16点输出，为了满足系统I/O点要求，我们需对其进行扩展，选用EM223,EM223输入输出模块有4点输入4点输出、8点输入8点输出、16点输入16点输出模块。

在此，我们可以选用两块EM223,输入输出分别为8点输入8点输出，16点输入16点输出，经过扩展后，共有48个输入点，40个输出点。

满足以上要求。

经过分析，系统主接线图如图4所示：

系统主连接图2

系统主连接图3

图4主接线图

4.1系统软部分的设计

梯形图的设计可以分成几个环节进行，然后再将这些环节组合在一起，形成完整的梯形图。

4.1.1开关门环节

开关门控制电路如图5：

图6电梯开关门电路梯形图

工作原理：

只有在平层后不运行状态才允许开门，M0.4为允许开门中间继电器。

开门分手动和自动两种：

自动开门在允许开门一段时间后（例如5S）由于时间继电器T1动作，接通开门继电器Q1.0。

如果手动，则按下开门按钮I3.0立即动作。

关门也分自动和手动两种。

手动时按下关门按钮I4.0立即关门，自动时，当开门到位之后触动极限开关I1.0，接通关门定时器T2,一段时间后（例如10S）后，由T2动作关门。

为防止关门过程中夹住乘客，设置红外探测器I4.4，当它探测到门间有障碍物时会自动停止关门并重新接通开门继电器，另外，为防止超重，设置了超重传感器Q3.8，当超载时，电梯会报警并拒绝关门。

4.1.2电梯起动、换速电路

电梯的起动、换速电路如图7、8所示，其中M0.1为电梯运行中间继电器，Q0.2.、Q0.3为快速、慢速运行输出，对应与前面讲的主电路的接触器KM3、KM4，Q3.9为全速运行输出，对应与主电路中的KM5，用与切断快速绕组中的限流电抗（电阻），Q0.5、Q0.6、Q0.7对应与KM6、KM7、KM8，用以切换慢速绕组中的限流电阻（电抗）。

图7电梯启动梯形图

图8电梯换速梯形图

工作原理：

当电梯关好门后M0.1接通，电梯高速绕组接通，快速起动，起动完成之后（例如5S）Q3.9接触，切除限流电抗，电梯全