基于西门子PLC电梯群控系统设计.docx

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基于西门子PLC电梯群控系统设计

西门子PLC在电梯群控系统中的应用

摘要

本文介绍了PLC控制的四层电梯模型的构成、主要功能、PLC的I/O接口分配、PLC的编程方法及对电梯系统的程序设计等。

通过对电梯控制系统的程序设计，实现了电梯的开关门控制以及在电梯运行方式下电梯的呼叫显示、上下行、起动、延时关门、平层、停靠开门、信号排队、顺向截梯和报警等控制功能。

通过对软件程序的编译、硬件的连接以及电梯模型与PLC控制系统的联调，使得控制系统在电梯模型运行过程中直观的体现出来，实现了对电梯功能的控制。

本次设计主要将可编程序控制器（PLC）和计算机应用到电梯的控制系统中去，以两台四层电梯为例来完成电梯PLC群控制系统的总体设计方案、组成及模块化程序设计。

本课题的主要实现的功能：

全集选控制、保持开门时间的自动控制、本层厅外开门、全自动状态下门开到位后会立即关门、开门按钮开门、换站停靠、错误指令取消、接停靠、待梯时轿内照明和风扇自动断电、层楼显示字符设置、显示器、火灾紧急返回运行、超载保护、门缝防夹保护、双刹车保护。

关键词：

PLC功能群控组态王

ApplicationofSiemensPLCintheElevatorGroupControlsystem

abstract

ThispaperintroducesthePLC-controlledmodelofafive-storyelevator，includeit’scomposition,mainfunction,theI/OinterfacedistributionofthePLC,thePLC’sprogrammingmethodsandproceduresdesignoftheelevatorsystem.Withproceduresdesignoftheelevatorcontrolsystemcanachievetheelevatordoor’sopeningandclosingcontrol,andtheelevater’sindicationunderthecall,movingfromtoptobottom,starting-up,delayclosed,Pinglayer,openingthedoor,makingsignalsinthequeue,closetotheescalatorandalarmingcontrolunderthemodeoftheelevator’soperationmode.Throughtheprocessofcompilingsoftware,hardwareconnectionandtheconjunctionofelevatormodelandthePLCcontrolsystem,whichmakestheelevatorcontrolsystemmodelintuitivereflectedinthecourseofoperationandrealizedtheelevater’sfunctionalcontrol.

ThedesignmainlyPLC（PLC）andcomputerapplicationtotheelevatorcontrolsystem,andtofour-storyelevatorasanexampletocompleteasingleliftPLCprogramcontrolsystemdesign,compositionandmodularprogramdesign.

Themaintaskofthetransformationofthesubjectdesign:

TheCompleteWorksofselectcontrol,automaticcontroltomaintaintheopeninghoursofthehallfloortoopenthedoor,theautomaticstateunderthedooropenedplaceimmediatelyclosedthedooropenbuttontoopenthedoor,theotherstopshere,thefaultinginstructiontocancel,thenstop,whenthecarinquestionstaircaselightingandfanautomaticpower-off,thefloorscharactersets,monitors,fireemergencyreturntooperation,overloadprotection,dooranti-pinchprotection,Dualbrakeprotection.

Keywords:

PLCFunctionGroupcontrolKingView

3.3.2.6门缝防夹保护...........................................31

3.3.2.7换站停靠和故障报警....................................32

3.3.2.8错误指令取消..........................................33

3.3.2.9待梯时桥箱内照明、风扇自动断电和得电...................36

3.3.2.10火灾紧急返回运行....................................37

3.3.2.11超载保护............................................38

3.3.2.12顺序截梯.............................................39

4.3组态王数据词典建立...............................................46

4.4系统组态画面设计..................................................47

4.4.1系统工作原理................................................47

4.4.2主画面......................................................48

4.4.3监控画面....................................................50

4.4.4控制画面....................................................53

4.4.5报警系统画面................................................53

第一章绪论

1.1论文的背景

据统计，我国在用电梯34.6多万台，每年还以约5万～6万台的速度增长。

电梯服务中国已有100多年历史，而我国在用电梯数量的快速增长却发生在改革开放以后，目前我国电梯技术水平已与世界同步。

　　100多年来，中国电梯行业的发展经历了以下几个阶段：

　　①对进口电梯的销售、安装、维保阶段（1900～1949年），这一阶段我国电梯拥有量仅约1100多台；

　　②独立自主，艰苦研制、生产阶段（1950～1979年），这一阶段我国共生产、安装电梯约1万台；

　　③建立三资企业，行业快速发展阶段（自1980年至今），这一阶段我国共生产、安装电梯约40万台。

目前，我国已成为世界最大的新装电梯市场和最大的电梯生产国。

　　2002年，中国电梯行业电梯年产量首次突破6万台。

中国电梯行业自改革开放以来第3次发展浪潮正在掀起。

第1次出现在1986～1988年，第2次出现在1995～1997年。

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着广泛的应用。

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。

在许多交通设备中，电梯是自动化程度最高的先进设备的一种。

以前的电梯主要采用单片机控制，其性能等各方面都不太完善，现在电梯控制系统多采用PLC，从电梯的性能、器件的灵活性及安全保障方面都有了很大的提高。

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。

PLC已经成为现代工业控制的三大支柱之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序，具有远程通讯功能、易于计算机接口。

能对模拟量进行控制，具备高速计数与控制等高性能模块等优异功能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数器继电器等组成的传统的继电接触器控制系统，在机械、化工、石油、冶金、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用。

PLC的应用广度和深度已经成为衡量一个国家工业先进水平的重要标志之一。

现代社会中，电梯已经成为不可缺少的运输设备。

电梯的存在使得每幢高层建筑的交通更为便利。

电梯控制技术的发展主要经历了三个阶段：

继电器控制阶段，微机控制阶段，现场总线控制阶段。

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。

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，交流变频调速技术已经进入一个崭新的时代，其应用越来越广。

电梯是现代高层建筑的垂直交通工具，其设计要求稳定性、安全性及高。

随着人们生活水平的不断提高,对电梯的要求的也相应提高，电梯得到了快速发展。

1.2系统的设计方案步骤

本课题采用以下的设计方案：

1：

首先需要用通信电缆连接两台PLC，并且写入指令使其能够进行通信。

2：

把两台电梯模块分别连接到PLC，并且对两台PLC进行主从编号。

3：

为两台PLC写程序，并且输入到对应的PLC当中。

4：

实际的调试程序，使程序能够达到控制要求。

5：

用组态王为电梯群控系统做监控系统，并且能够控制。

1.3本设计的主要要求与内容

1.3.1系统的设计主要要求——下位机PLC部分

1、控制程序主要有以下的部分：

发生什么应急情况时（如火灾）实现直接置底、电梯发生超载时不关门并且发出警告声音、电梯的呼叫登记和复位按错的呼叫、电梯的上下运行、电梯的开门、电梯的关门、箱内电灯的开关、箱内风扇的开关、防夹人保护、刹车保护。

2、步进电机实现电梯是上升和下降。

1.3.2系统的设计主要要求——上位机HMI部分

1、设置主画面：

在主画面中设置一个密码和帐号，实现输入帐号和密码只能查看监视画面，并且可以直接退出监控程序。

2、设置监控画面：

只能看到电梯的运行状态，并且可以输入帐号和密码可以进入电梯的控制界面。

3、设置控制界面：

能够对电梯群控系统进行完全的控制，并且可以进入报警窗口，从而对整个系统的运行情况进行监控。

4：

每个界面当中都有时钟的显示。

1.3.3设计内容

1、进行门限位、平层限位、防门夹、防冲顶限位等传感器的选择、防停电保护制动刹车电机和电梯吊机的选择；

2、进行PLC选型及I/O分配；

3、编写下位机PLC控制程序；

4、编写上位机组态王程序，并且进行调试。

1.4本章小结

本章主要介绍了本次设计的主要结构，从群控电梯系统的历史背景出发，讲述了本课题的主要设计思路，整个系统的主要设计方案，系统的主要组成部分以及各部分的设计内容及控制要求，最后简单描述了一下本课题的设计内容及实施步骤。

第二章变频器的原理与应用

变频调速技术近年来发展很快，变频器在节约电能的同时可以减少排放、降低能耗，理解并掌握变频器的控制具有十分重要的现实意义，而且现在越来越多的工业控制场合

选用PLC和变频器用于电机的调速控制。

2.1变频器

2.1.1变频器的基本结构

变频器是把工频电源（50Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。

变频器的基本构成如图2-1所示，其主电路主要由整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成。

图2-1变频器的基本结构框图

2.1.2变频器的原理

变频器可分为间接变频器和直接变频器两大类。

间接变频器先将工频交流电源整流成电压大小可控的直流，再经过逆变器变换成可变频率交流，由此也称交—直—交变频器；直接变频器则将工频交流一次性变换成可变频率交流，故可称交—交变频器。

目前以间接变频器应用较为广泛。

本文所述变频器也属于这一类。

按照电压、频率的控制方式，交—直—交变频器有三种结构形式：

（1）可控整流器调压、逆变器调频方式。

如图2-2（a）所示：

其调压与调频功能分别在两个环节上实现，由控制电路协调配合，故结构简单、控制方便。

由于装置输入环节采用可控整流，当低频低压运行时，移相触发角U很大，致使输入功率因数低下，此外逆变器多用晶闸管型，每周换流2次的逆变器，器件开关频率低输出谐波成分大，当然，可控器件如IGBT的出现使得PWM控制成为可能，可以大大的改善其工作性能，但成本较高。

（2）不控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频方式。

如图2-2（b）所示：

由于采用二极管整流，使输入功率因数提高。

由于输出逆变环节功率器件采用晶闸管，仍有输出谐波成分大的弊病。

（3）不控整流器整流、脉宽调制型（PWM）逆变器同时实现调压调频方式。

如图2-2（c）所示。

此时除装置输入功率因数高，又因采用高开关频率的逆变器，输出谐波很小，性能优良。

（a）

（b）

（c）

图2-2　交-直-交变频器结构图

2.1.3变频器的选型

在交流调速系统设计中，在保证系统指标的前提下，应以系统结构简单、成本低、技术成熟、维护工作量小为目标来选择最佳的系统配置，应克服追求高新技术的系统配置，减少造成投资高、维护工作量大、复杂的技术储备型设计。

在工程扩建和技术改造

选用变频装置的原则是，根据负载及工艺条件确定变频装置的控制算法，在保证系统的技术指标前提下尽可能减少工程投资。

根据实际运行经验可按照以下原则设计以保证高的性能价格比：

（1）按负载类型选择调速装置。

负载变化时通常希望速度变化越小，系统工作越稳定越好，所以大多数负载希望静态速度误差越小，机械特性越硬越好。

但也存在某些负载要求较软的机械特性如电车、电梯等负载，当负载超重时为安全起见要求其速度自动地慢下来。

（2）考虑调速经济性，优先考虑设备投资，从两方面考虑。

一方面在符合系统调速要求条件下选择合适类型的调速装置，如风机、水泵等的一般性节能调速尚可考虑选用一般的V/F型SPMW（正弦脉宽调制）通用型变频器，毋需选择矢量控制或直接转矩控制变频器。

在要求启动转矩大或调速特性要求高的场合，应选用矢量或直接转矩控制型变频器。

在某些要求测量运转设备扭力矩的场合，选直接转矩控制的变频器就非常合适，因为该类型变频器可以直接测出其输出的转矩作为测量参数输出。

另一方面应考虑设备性能价格比，在价格相近时应选择性能更优异的变频器。

还应考虑调速系统的故障率，包括电动机本身、生产机械因调速系统故障而停工、修理，由此引起的损失往往超过调速装置本身价格的若干倍。

在选择变频器型号时，应充分考虑变频器的性能和可靠性，单纯考虑变频器价格是片面的。

根据系统综合考虑因素和学校的实际因素，本课题选择西门子MM440型变频器。

2.2变频调速技术

2.2.1变频调速的定义

由于异步电动机的转速表达式为：

n=n0（1-s）=60f0（1-s）／p（2-1）

其中f0为定子电压频率，P为电动机极对数，s为转差率，n0为异步电动机的同步转速。

根据上式，即异步电动机的转速n=60fl/p（1-s），当极对数P不变时，电动机转子转速n与定子电源频率fl成正比，因此连续地改变供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电动机的转速，这种调速方法称为变频调速。

它具有较好的调速性能，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。

可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法。

2.2.2变频调速的节能原理

在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量φ为不变额定值。

磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；磁通太大，又会使铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。

对于直流电阻，励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持中不变是容易做到的。

对于交流异步电机，磁通是由定子和转子磁势合成产生的，怎样才能保证磁通恒定呢?

我们知道，异步电动机定子绕组每相感应电势为：

El=4.44flNkW1φ1（2-2）

Ul=IlZl+El（2-3）

式中：

El——气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V；

f1——定子电源的频率，单位为Hz；

N——定子每相绕组的串联匝数；

kW1——绕组因数；

φ1——每极气隙中的磁通量；

U1——电机外加电压；

I1——电机定子电流；

Z1——电机定子阻抗。

如果略去定子阻抗电压降，则感应电动势近似等于定子外加电压为：

Ul≈El=4.44flNkWlφ1（2-4）

从上式可以看出，若定子端电压Ul不变，则随着fl的升高，气隙磁通φ1将减小。

电机转矩为：

T=Ctφ1I2COSψ2（2-5）

式中：

I2——转子电流；

COSψ2—转子电路功率因数：

Ct——转矩常数。

从电机转矩公式可看出φ1的减小势必会导致电机允许输出转矩下降，使电机的利用率降低，同时，电机的最大转矩也将降低，严重时会使电机堵转。

若维持定子端电压Ul不变，而减小fl，则φ1增加，将造成磁路过饱和，励磁电流增加，铁心过热，这是不允许的。

为此在调频的同时需改变定子电压Ul，以维持气隙磁通φ1不变。

根据Ul和fl的不同比例关系，将有不同的变频调速方式。

2.2.3参数设计：

1.参数设计的原则：

⑴减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些；

⑵提高了运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车冲击；

⑶零速一般设计为0Hz，速抱闸功能将影响舒适感；变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入。

2.变频器自学习功能的应用方法

为了使变频器工作在最佳状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动的电动机进行自学习，而616G5就具有曳引机参数自学习的功能，其方法是：

将曳引机制动轮与电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后启动电动机，让变频器自动识别并存储电动机有关参数，变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。

显然，这一组自学习到的参数，是和变频器匹配的最佳参数，使变频器能对该电动机进行最佳控制。

3.变频器容量计算

变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行计算。

设电梯曳引机电机功率为P1，电梯运行速度为V，电梯自重为W1电梯载重为W2，配重为W3，重力加速度为g，变频器功率为P。

在最大载重下，电梯上升所需曳引功率P2由式（3-1）计算：

（3-1）

式中，

为摩擦力；

电机功率

，变频器功率P应接近电机功率

，相对于

留有安全裕量，可取

P=1.5

（3-2）

其中，k=0.02，

=2000Kg，

=1000Kg，

=2400Kg，g=9.8m/s，V=1.5m/s由式（3-1）得P2=（600×9.8＋108×9.8）×1.5≈10.4kW；又有式（3-2）得P=1.5

=15.6KW。

由于采用变频调速，效率高。

依照计算结果选1.5倍裕量，取变频器容量为15kW。

4.变频器制动电阻参数的计算

由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能。

带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高，采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果，能耗制动电阻

的大小应使制动电流Iz的值不超过变频器额定电流的一半，即：

（3-3）

=2×513/35.5≈28.9（Ω）（3-4）

其中

为额定情况下变频器的直流母线电压，取

≥30Ω。

由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。

即：

=0.4×5132/30≈3.5kw（3-5）

最后，选用的制动电阻为R=30Ω，功率为P=3.5kW的电阻。

2.3变频调速系统控制

本课题采用的变频调速系统框图如图2-3所示。

图2-3本课题变频调速系统框图

2.4本章小结

本章主要介绍了变频调速技术的相关知识，以及文中所需变频器的选择，还包括变频调速控制系统的总体结构，为下一步的设计打下了坚实的理论基础。

第三章系统控制方案的设计及概述（下位机部分）

3.1PLC原理及其应用

3.1.1PLC简介和基本工作原理

可编程控制器（PLC）是一种数字操作的电子系统，以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术，专为在工业环境下应用而设计的工业自动控制装置。

PLC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、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，面向控制过程和用户，并通过数字式或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，实时性好，信号处理时间短，速度快，可靠性高，编程方便，系统配置简单灵活，控制系统采用模块化结构，安装简单，维修方便，性价比高。

可编程控制器主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、通信接口以及电源等部分组成，可编程控制器的基本组成如图3-1所示。

图3-1PLC的基本组成

（1）中央处理器：

PLC的核心部分，包括微处理器和控制接口电路。

微处理器是PLC的运算和控制中心，实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分工作。

控制接口电路是微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件，主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配以及中断管理等功能。

（2）存储器用来存储系统程序和用户程序，包括系统程序存储器和用户程序存储器。

（3）输入/输出单元是可编程控制器的CPU和现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。

PLC通过I/O模块与工业现场相联系，通过I/O接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参数。

I/O单元主要类型有：

数字量输入、数字量输出、模拟量输入以及模拟量输出等。

（4）通信接口用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入以太网或用于点对点通信等。

（5）电源单元为P