基于PLC电梯调速控制系统的设计.docx
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基于PLC电梯调速控制系统的设计
基于PLC电梯调速控制系统的设计
摘要
随着我国经济的高速发展，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，电梯也已成为人类现代生活中广泛使用的运输工具。
随着人们对电梯运行的安全性、舒适性等要求的提高，电梯得到了快速发展，其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。
可编程控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。
电梯控制要求接入设备使用简便，对应系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。
通过PLC对程序设计，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯的电梯运行的舒适感。
本文争对以上优点，对电梯运行进行了改进，使其达到了比较理想的控制效果。
关键词：
PLC,电梯,控制系统,CPU
PLC-BASEDFOUR-STORYELEVATORCONTROLSYSTEMDESIGN
ABSTRACT
AsChina'srapideconomicdevelopment,micro-electronicstechnology,computertechnologyandautomationtechnologyhavedevelopedrapidly,elevatorshavebecomewidelyusedinmodernlife,meansoftransport.Aspeopleoftheelevatorsafety,comfortandotherrequiredimprovements,elevatorshasbeenrapiddevelopmentofitsdragtechnologyhasdevelopedtoaFMvoltagespeed,itslogiccontrolistoreplacetheoriginalrelaybyPLCcontrol.
ProgrammableLogicController（PLC）becauseofstableandreliable,simplestructure,lowcost,easytolearn,powerfulandeasytousehasbecomethemostwidelyusedgeneral-purposeindustrialcontroldevices,contemporary,oneofthemainpillarsofindustrialautomation.Elevatorcontrolrequiresaccessdeviceeasytouse,thecorrespondingsystemconfigurationprogrammingsimple,withuser-friendlyman-machineinterface,withtheapplicationdatabase,tospeedupprogramminganddebuggingspeed.ThroughthePLCtotheprogramdesigntoimprovetheelevatorlevelofcontrol,andimprovedelevatorelevatorrunningcomfort.Thiscontentionoftheaboveadvantages,theelevatoroperationhasbeenimprovedsothatitreachedarelativelysatisfactorycontroleffect．
KEYWORDS:
plc,elevator,controlsystem,cpu
引言………………………………………………………………………………1
一系统控制方案的确定………………………………………………………2
1 电梯的概述………………………………………………………………2
2电梯的结构与组成………………………………………………………2
3采用PLC控制电梯的优点………………………………………………5
4系统设计的基本步骤……………………………………………………5
5系统控制方案……………………………………………………………6
二系统硬件设计………………………………………………………………8
1可编程控制器（PLC）的简介……………………………………………8
2变频器的简介……………………………………………………………11
3传感器的简介……………………………………………………………12
4PLC外部接线图…………………………………………………………13
三程序设计……………………………………………………………………15
参考文献…………………………………………………………………………26
致谢………………………………………………………………………………27
引言
随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具。
电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。
我国电梯控制系统主要有三种方式：
继电器控制系统、微机控制系统和PLC控制系统。
其中PLC控制系统以其显著的优点成为电梯控制系统的主流。
PLC控制系统主要有双速电梯系统和变压变频调速系统，后者通过改变电机供电的电压和频率，平滑调节电梯速度，可以获得更好的乘坐舒适感，它平层精度高，并具有显著的节能效果，保障了电梯的可靠性，成功地解决了电梯运行的舒适感问题。
过去，对中、低速电梯主要采用拖动系统来构成其曳引系统，应用变极方式实现电机的调速。
因为这种系统只能实现有级调速，无法对电机的转速和加、减速进行准确的控制，所以此方式的舒适感和平层精度都较差。
后来又采用交流调压调速控制的电梯，进行速度闭环控制，其舒适感和平层精度都有较大提高，但它却很难实现精确控制，并且能耗大，输人功率因数也低，影响了系统的整体性能。
对于高速电梯，过去主要采用晶闸管直流调速系统，存在维护难等问题，并且调速系统的功率因数也不高。
与前述方式相比较，变频调速则是各种调速方法中效率、性能均较好的一种。
本设计内容针对低层楼房客梯控制系统进行认真分析，讨论了电梯控制系统设计的有关问题。
根据当前电梯的发展趋势，注重反映新的PWM技术，利用先进的变频调速技术和强大的PLC功能实现了对电梯变频调速的控制，通过合理的设备选型、硬件电路连接和整体软件设计，完成电梯的各个功能，保证电梯的安全运行与应急状况处理。
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一.系统控制方案的确定
1.电梯的概述
电梯是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的机械设备。
随着城市的发展，高层建筑的增多，电梯的应用也越来越广泛，分类也随之增多。
如按照电梯的用途可分为以下几类：
（1）、乘客电梯，为运送乘客设计的电梯，要求有完善的安全设施以与一定的室内装饰。
（2）、载货电梯，主要为运送货物而设计，通常有人伴随的电梯。
（3）、观光电梯，厢壁透明，供乘客观光用的电梯。
（4）、车辆电梯，用作装运车辆的电梯。
（5）、船舶电梯，船舶上使用的电梯。
（6）、建筑施工电梯，建筑施工与维修用的电梯。
（7）、其它类型的电梯，除上述常用电梯外，还有些特殊用途的电梯，如冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯、消防员用电梯等。
2.电梯的结构与组成
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，导向系统以与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1-1所示。
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图1-1电梯的结构
（1）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。
（2）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。
（3）门系统
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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。
（4）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，轿厢顶以与照明通风装置，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。
（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。
（6）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。
（7）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。
（8）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。
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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。
3.采用PLC控制电梯的优点
（1）、控制方式上看：
电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而plc软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
（2）、工作方式上看：
电器控制并行工作，而plc串行工作，不受制约。
（3）、控制速度上看：
电器控制速度慢，触点易抖动；而plc通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。
（4）、定时、记数看：
电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无
记数功能；plc时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。
（5）、可靠、维护看：
电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差；plc无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
4.系统设计的基本步骤
在电梯控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：
1.深入了解和分析电梯的工艺条件和控制要求。
2.确定I/O设备。
根据机械手控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。
3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。
4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。
5.设计电梯系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个电梯系统设计的核心工作。
6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。
7.电梯整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试种发现的问题要逐一排除，直至调试成功。
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5.系统控制方案
有一四层办公楼，要求装配一个电梯。
其电梯系统的控制要求如下：
（1）开门控制：
由于本设计不构筑电梯模型，只涉与模拟控制，故将开关门控制省略。
当某一楼层的指示灯持续亮时，表示该层正在进行开门、延时、关门。
为了实现电梯的安全运行，电梯的开、关门信号与故障报警信号应该是互锁的，即当故障报警信号有效时，开、关门信号都不能实现，楼层指示灯不会亮。
（2）内外呼叫控制：
在电梯内各层呼叫控制中，设计成当有乘客按下某层的呼叫按键时，使相应的指示灯亮，但不能立即启动电梯。
其呼叫信号一直保持到电梯到达位层后且呼叫信号与电梯运行方向相同时才被撤消。
（3）上下行控制：
1．电梯在一、二、三、四层楼分别设置一个呼叫按钮。
2．由于没有真实的电梯来控制，所以假设电梯在收到呼叫信号后以5S/层的速度运动，用楼层灯的闪烁表示电梯在运动中。
3．上、下行指示灯不能同时亮，一、二、三、四、楼指示灯不能同时亮，在一个呼叫请求完成以前，不接收新的呼叫请求。
当故障报警信号有效时，任何动作都无效，指示灯灭。
4.在上下行的同时在电梯的运行中由变频器速度给定。
（图1－2为电梯速度运行曲线）
图1－2速度运行曲线
（5）电梯控制系统的原理图
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电梯控制系统的原理图如图1－3所示
图1-3电梯控制系统原理图
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二.系统硬件设计
1.可编程控制器
（1）可编程控制器的定义
PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义：
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境中而设计的。
它采用一类可编程的控制器，用于其内部存储程序执行逻辑运算，顺序控制，定时，技术与运算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。
目前，国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱、无所适从。
通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O响应时间的选择以与输出负载的特点选型的分许。
我们决定使用我们学校已经有的西门子PLCS7-200型号的可编程控制作为电梯的控制器。
S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。
这一系列产品可以满足多种多样自动化控制需要，（如图2.1）展示一台S7-200MicroPLC。
由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以与强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
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。
图2.1西门子PLCS7-200外部结构
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（2）可编程控制器的工作原理
（一）PLC的工作方式
PLC虽然以微处理器为核心，具有微型计算机的许多特点，但它的工作方式却与微型计算机有很大的不同，微型计算机一般采用等待命令或中断的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有按键按下或I/O动作，则转入相应的子程序或中断服务程序，无按键按下，则继续扫描等待。
PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行对。
当PLC运行时，CPU根据用具按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按
序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。
然后重新返回第一条指令，在开始下一次扫描；如此周而复始。
实际上PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断。
通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。
（1）自诊断
每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。
自诊断内容包括I/O部分、存储器、CPU等，并通过CPU设置定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，如果发现异常，则停机并显示出错，若自诊断正常，则继续向下扫描。
（2）通讯服务
PLC检查是否有与编程器、计算机等的通讯要求，若有则惊醒相应处理。
（3）输入处理
PLC在输入刷新阶段，首先以扫描方式按顺序从输入缩存器中写入所有输入端子的状态或数据，并将其存入内存中为其专门开辟的暂存区—输入状态映像区中，这一过程称为输入采样，或是如刷新，随后关闭输入端口，进入程序执行阶段，即使输入端有变化，输入映像区的内容也不会改变，变化的输入信号的状态只能在下一个扫描周期的输入刷新阶段被读入。
（4）输出处理
同输入状态映像区一样，PLC内存中也有一块专门的区域称为输出状态映像区，当程序的所有指令执行完毕，输出状态映像区中所有输出继电器的状态就在CPU的控制下被一次集中送至输出锁存器中，并通过一定的输出方式输出，推动外部的相应执行器件工作，这就是PLC输出刷新阶段。
（5）程序执行
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PLC在程序执行阶段，按用户程序顺序扫描执行每条指令。
从输入状态映像区独处输入信号的状态，经过相应的运算处理等，将结果写入输出状态映像区。
通常将自诊断和通讯服务合称为监视服务。
输入刷新和输出刷新称为I/O刷新。
可以看出，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的扫描只是在输入采样阶段进行，对输出赋的值也只有在输出刷新阶段才能被送出，而在程序执行阶段输入、输出会被封锁。
这种方式称做集中采样、集中输出。
（二）扫描周期
扫描周期即完成一次扫描（I/O刷新、程序执行和监视服务）所需要的时间，有PLC的工作过程可知，一个完整的扫描周期T应为：
T=（输入一点时间*输入点数）+（运算速度*程序步数）+（输出一点时间*输出点数）+监视服务时间
扫描周期的长短主要取决于三个要素：
一时CPU执行指令的速度；二是每条指令占用的时间；三是执行指令条数的多少，即用户程序的长度。
扫描周期越长，系统的响应速度越慢。
现在厂家生产的基型PLC的一个扫描周期大约为10ms，这对于一般的控制系统来说完全是允许的，不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力，这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行。
PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲式的，短期的，由于系统响应慢，往往要几个扫描周期才相应一次，多次扫描因瞬时干
扰而引起的误动作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。
但是对控制时
间要求较严格、相应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时还需要采取一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的影响带来的不良影响。
（3）编程控制器与其它工业比较
基于PLC控制的电梯自动控制管理系统，PLC就物理结构来说有丰富的输入输出端，而从PLC的逻辑结构来看，内部有许多软元件，如输入输出继电器、辅助继电器、状态器、计数器、计时器和数据寄存器与器件所对应的常开常闭接点，方便对电梯上下、召唤信号自动定位、召唤信号自动排序、楼层显示、欠压保护、短路保护、过载保护等；
大所数PLC的编程方式都用梯形图编程、指令表编程和顺序功能图（SFC）编程，特别是梯形图编程方式，方便编写，直观易懂，容易修改。
除了运用基本指令可以完成大量工作，功能指令的扩展更为系统开发、调试和维护带来许多便
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利，本文以梯形图编程方式设计四层电梯自动控制系统，无论从设计到功能分析都是极为方便的。
可编程控制器的原理是在确立了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作管理与应用程序执行都是按循环扫描方式完成的。
一次循环可分五个阶段，分别为内部处理阶段、通信服务阶段、输入处理阶段、程序执行阶段、输出处理阶段。
2.变频器简介
（1）变频器的定义：
变频器（如图2.2）是利用电力半导体期间的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电动机的启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。
图2.2西门子MM440变频器示意图
（2）变频器的工作原理：
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成，将工频电源变化为直流功率的“整流器”，吸收在变流
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其和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以与将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
（3）变频器面板按钮功能（如图2.3）:
图2.3变频器控制面板示意图
1:
改变电动机的转动方向；
2:
启动变频器；
3:
停止变频器；
4:
电动机点动；
5:
访问参数；
6:
减小数值：
减小面板上显示的参数数值；
7:
增加数值：
增加面板上显示的参数数值；
8:
功能:
变频器运行过程中,在显示任何一个参数时按下此键并保持2秒钟,将显示直流回路电压、输出电流、输出频率、输出电压、由P0005选定的数值。
3.传感器简介
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（1）传感器的定义：
传感器（如图2.4）是能感受规定的被测量并按照一定规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。
图2.4压力传感器
（2）传感器的分类：
1.按被测量原理分类：
可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。
2.按测量原理分类：
可分为电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激
光、红外、光导纤维等传感器。
3.按传感器转换能量供给形式分类：
可分为能量变换型（发电型）和能量控
制型（参量型）两种。
4．PLC外部接线图
本设计的PLC外部接线图如图5所示。
CPU226CN的传感器电源24V（DC）可以输出600mA电流，通过核算在本设计中PLC容量完全满足要求，CPU226CN的输出继电器触点容量为2A，电压范围为5～30V（DC）或5～250V（AC）。
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图2.5PLC外部接线图
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三．程序设计
1.内指令信号的登记与消除
内呼一楼：
I0.1：
内呼一楼；Q1.4：
电机反转（上行）；Q0.1：
一层平层指示，M0.1:
辅助继电器，内呼一楼；轿厢在一层或上行时，内呼一层呼叫无效。
内呼二层：
I0.2：
内呼二楼；Q0.2：
二层平层指示灯；Q0.3：
三层平层指示灯；Q0.4：
四层平层指示灯；Q1.0：
三楼下行指示灯；Q0.6二楼下行指示灯；M1.2：
四楼下呼；M0.4：
内呼四层；M1.1：
三楼上呼；Q1.4：
电梯上行；
轿厢在上行至四楼的过程中，经过三层时，M11.4中间继电器变为1状态，并保持1状态，此时内呼二楼有效；轿厢到达三层或四层时，M11.4中间继电器变为0状态，并保持0状态，此时，内呼二楼呼叫无效。
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2.外召唤信号的登记与消除
一楼上呼：
I0.5:
一楼上呼；Q1.4:
上行；Q0.1：
一层平层指示灯；M10.0：
一层平层；M12.4:
内呼二层，内呼四层呼叫或内呼二层，四楼下行或二楼上行，内呼四楼呼叫或二楼上行，四楼下行时，轿厢上升至二层，停止2秒后，上升至四层。
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M13.4:
内呼三楼，内呼四楼呼叫或三楼上行，内呼四楼或内呼三楼，四楼下行或三楼上行，四楼下行时，轿厢上升至三层，停止2秒后，上升至四楼，；轿厢在一楼时或上行时，一楼上行呼叫无效；
一楼上呼:
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