四层电梯PLC设计毕业设计.docx
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四层电梯PLC设计毕业设计
四层电梯PLC设计毕业设计
摘要
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，多层厂房和多层仓库需要有货梯、高层住宅需要有住宅梯、百货大楼和宾馆需要有客梯等等。
电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。
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，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。
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。
本论文在已有的通用变频器的基础上，采用PLC和变频器对电梯进行控制，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。
关键词:
PLC控制、变频调速、适感电梯、舒
前言
本次设计是以电梯控制技术为背景，针对以前的拖曳电梯的一些缺点，采用现在流行的PLC控制技术。
变频器调速技术。
现场总线技术来实现电梯的各种控制。
本次系统采用的是西门子的可编程控制器。
西门子可编程控制器编程方法简单易学、功能强、性价比高、硬件设备齐全、应用范围不断扩大，电梯为四层结构：
一层、二层、三层、四层。
厢的上下运行使用一台西门子变频器。
在牵引钢缆上的导轮中有一个装有两相旋转编码器，用于测量上、下移动的脉冲数，系统通过脉冲数确定楼层位置以及平层数据、电梯的所有按钮、指示灯信号全部送S7-200，在S7-200中编程对其进行控制。
本变频器调速电梯组由曳引系统、导向系统、门系统、轿厢系统、重要平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统等组成。
整个电梯可以通过本身的控制开关控制，还可以通过触摸屏进行远程的监视和控制。
电梯的程序分为手动和自动，通过电梯低部的转换开关进行控制，S7-200完成对变频器的启停控制，变频器的升降速度按照它本身的参数运行，因此通过对变频器的参数进行设置可以改变它的升降速度和频率。
第1章、绪论
1.1PLC简介及其特点
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。
PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道（字）的运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制。
PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。
（1）可靠性:
对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。
A.PLC不需要大量的活动组件和接线电子组件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
B.PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性提高。
C.PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。
D.PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
E.在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。
例如，采用可靠性的组件;采用先进的工艺制造流水线制造;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等;对电源的断电保护;对存储器内容的保护等。
F.PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。
例如，采用软件滤波;软件自诊断;简化编程语言等。
（2）易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面:
A、操作方便对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。
编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。
更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。
更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。
B、编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。
对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和了解。
采用布尔助记符编程语言时，十分有助于编程人员的编程。
C、维修方便PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。
当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。
（3）灵活性，PLC的灵活性表现在以下几个方面:
A.编程的灵活性。
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、菜单图，功能模块和语句描述编程语言。
编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
B.扩展的灵活性。
PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。
它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
C.操作的灵活性。
操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。
1.1.1电梯控制中PLC控制的优点
（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。
（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。
（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。
（4）PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。
（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。
（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。
1.2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。
变频调速电梯的特点:
（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，己逐渐取代直流电机调速。
（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，提高了效率和功率因数，节能明显。
1.3电梯发展趋势
如今，电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的交通工具，随着时代的发展，科技的进步，人们对电梯在运行时的平稳性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能提出了更高的要求。
电梯今后的发展将主要呈现以下趋势。
（1）超高速电梯
随着人们生活节奏的加快，高层建筑的增加，全功能的塔式建筑将会促使超高速电梯继续成为研究方向，5m/s以上运行速度的超高速电梯，成为人们关注的重点和市场发展的新趋向。
（2）大型超载重电梯用导轨
随着大型公共场所、购物场所等公用建筑的增加，大型超载重电梯的运用日益广泛，对于垂直电梯、自动扶梯的载重量和运行平稳性提出了新的要求。
（3）新型自动扶梯导轨
随着社会进步、城府对人文关怀日益重视，促使城市公共设施对自动扶梯和自动人行市化水平的提高以及越来越多的国家逐渐步入老龄化社会，各国政道的需求加速增长。
为实现公共场所的无障碍通行，大量的体育场馆、地铁、机场、商场、写字楼、宾馆等需要加装自动扶梯和自动人行道。
（4）无机房电梯导轨
对于高度在20层以下的民用建筑，可以通过改变曳引机的安装方式去除电梯机房的设计，从而降低建筑总高度、保持整体造型、节省建筑成本。
此外，人们要求电梯节能、电磁兼容性强、噪声低、长寿命、采用绿色装潢材料、与建筑物协调等，甚至有人设想在大楼顶部的机房利用太阳能作为电梯驱动补充能源等等，而这些都会对电梯导轨的运行技术不断提出新的要求。
第2章变频器及PLC的选择
本设计通过多种方案的比较和对照，完成了电梯控制系统中变频器和可编程控制器的选择。
2.1PLC的选型
根据以上选择的轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数计数器。
又因为电梯是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器。
综合考虑后，本设计选择了德国西门子公司生产的S7-200系列P型机。
2.1.1S7-200PLC的特点
S7-200PLC是SMIATICS7家族中的小型可编程控制器，适用于各行各业、各种应用场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200的使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制，到极复杂的自动化控制，应用领域极为广泛。
S7-200将高性能与小体积集成一体，运行快速，并且提供了丰富的通信选项，具有极高的性能/价格比。
S7-200的系统的硬件、软件都易于使用。
S7-200系统坚持一贯的模块化设计，不但能够经济地满足目前的项目要求，也为将来扩展提供了开放的接口。
S7-200易于编程，引入了编程工具箱（ToolBox）概念，设计了许多编程向导（Wizard）以方便用户完成一些比较复杂的程序设计工作。
所有的S7-200CPU都有一个为CPU、扩展模块和其他24VDC用户电源要求提供电源的内部电源。
S7-200CPU提供系统中任何扩展所需的5VDC逻辑电源。
选用扩展模块时，必须确保CPU可提供所选扩展模块要求的5V电源；如果配置设备要求的电源超出CPU提供的电源范围，则必须拆卸一个模块，或选择一个功能更大的CPU。
所有的S7-200CPU还提供一个24VDC传感器电源，可为输入点、扩展模块上的继电器线圈电源或其他要求提供24VDC。
如果外接设备电源要求超过传感器电源的预算，就必须在系统中增加一个外接24VDC电源。
安装一个外接24VDC电源，必须核实外接电源不得与S7-200CPU传感器电源并连。
要想进一步减小电气噪声，则应将不同电源的公共导线（M）连接在一起。
2.1.2CPU型号的选择
S7-200系列PLC的常见CPU型号及性能见表2-1。
表2-1SIMATICS7-200CPU主要性能表
项目
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
程序存储器
4KB
4KB
8KB
8KB
用户存储器类型
EEPROM
EEPROM
EEPROM
EEPROM
本机I／0
6入／4出
8入／6出
14入／10出
24入／16出
护展模块数量
无
2个模块
7个模块
7个模块
数字量I／0
128入／128出
128入／128出
128入／128出
128入／128出
模拟量I／0
无
16入／16出
32入／32出
32入／32出
33MHz下布尔指令执行速度
0．37μs／指令
0．37μs／指令
0．37μs／指令
0．37μs／指令
内部继电器
256
256
256
256
计数器／定时器
256／256
256／256
256／256
256／256
顺序控制继电器
256
256
256
256
内置高速计数器
4个（20kHz）
4个（20kHz）
6个（20kHz）
6个（20kHz）
模拟量调节电位器
1
1
2
2
脉冲输出
2（20kHz，DC）
2（20kHz，DC）
2（20kHz，DC）
2（20kHz，DC）
通信中断
1发送器／
2接收器；
1发送器／
2接收器；
1发送器／
2接收器；
1发送器／
2接收器；
定时中断
2（1～255ms）
2（1～255ms）
2（1～255ms）
2（1～255ms）
硬件输入中断
4，输入滤波器
4，输入滤波器
4，输入滤波器
4，输入滤波器
通信口数量（RS-485）
1
1
1
2
支持协议
0号口：
1号口：
PPI，DP／T，
由口N／A
PPI，DP／T，
由口N／A
PPI，DP／T，
由口N／A
PPI，DP／T，
由口N／A
PROFIBUS点到点
（NETR／NETW）
（NETR／NETW）
（NETR／NETW）
（NETR／NETW）
根据输入/输出量的要求，我们选择CPU226CN、集成的数字量输入/输出为24入/16出、还不能满足需要，我们可以借助扩展模块来达到需求。
2.2变频器合理选择
随着变频器性能价格比的提高，交直变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。
目前，有为电梯控制而设计的专用变频器早己问世，其功能较强，使用灵活，而且与PLC是一个生产厂家，维修方便等特点。
因此，本设计采用德国西门子公司的MICROMASTER440型变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。
这是本设计的特点之一。
目前，市场流行的通用变频器的种类繁多，而电梯行业中使用的变频器的品牌也不少，其控制系统的结构也不尽相同，但其总的控制思想却是大同小异。
变频器的基本作用就是将工频电源变为适当频率的交流电源。
早期的变频器性能差，效率低，进入20世纪80年代后，由于电力电子器件和微电子技术及计算机技术的发展，变频调速技术得到了高速的发展。
目前的交流调速系统已经可以与直流调速系统相媲美。
2.2.1变频器工作原理
变频器分为交－交和交－直－交两种形式。
交－交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流电，又称直接变频器。
而交－直－交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电通过逆变器变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接变频器。
目前通用变频器都是交一直一交变频器。
交一直一交变频器的基本构成如图2-1所示，由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成，各部分作用分述如下：
（1）MICROMASTER440型变频器的特点
MICROMASTER440型变频器简称MM440变频器，是德国西门子公司一种三项电动机速度控制和转矩控制的变频器系列其应用广泛。
这种变频器在恒定转矩（CT）控制方式下功率范围为120W—200KW，在可变转矩（VT）控制方式下功率可达250KW，有很多型号可供用户选用。
不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。
MICROMASTER440型变频器的特点如下:
（1）易于安装、调试。
（2）具有牢固的EMC设计
（3）可由IT中性点不接地电源供电。
（4）对控制信号的响应是快速和可重复的。
（5）参数设置功能强大，参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置。
（6）具有多个继电器输出，多个模拟量输出
（7）6个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP接线。
（8）2个模拟输入：
AIN1（0—10V，0-20mA、-10—+10）和AIN2（0-10V，
0-20mA）；2个模拟输入也可作为第7和第8个数字输入。
（9）具有V/f控制性能，有两种V/f控制方式：
1）磁通电流控制（FCC）能改善动态响应和电动机的控制特性。
2）多点V/f特性控制
第3章电梯系统硬件设计
3.1电梯的结构分析
3.1.1电梯的组成
系统由轿厢、开关门机构、曳引机构、控制系统等组成，如图3-1所示。
大型复杂产品，机械部分相当于人的躯体，电器部分相当于人的神经。
机与电的高度合一，使电梯成了现代科学技术的综合产品.对于电梯的结构而言，传统的方法是分为机械部分和电气部分，但以功能系统来描述，则更能反映电梯的特点。
下面简单介绍电梯机械部分的结构，而我们的主要目的是怎样来控制它。
（1）曳引系统
曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。
曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮、反绳轮组成。
（2）导向系统
导向系统的主要功能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。
导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。
（3）轿厢
轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。
轿厢由轿厢架和轿厢体组成。
（4）门系统
门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。
门系统由轿厢门,层门,开门机,门锁装置组成。
（5）重量平衡系统
系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。
系统主要由对重和重量补偿装置组成。
（6）电力拖动系统
电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。
电力拖动系统由曳引电动机，供电系统,速度反馈装置，电动机调速装置等组成。
（7）电气控制系统
电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。
电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏（柜），平层装置，选层器等组成。
（8）安全保护系统
保证电梯安全使用,防止一切危及人身安全的事故发生。
由电梯限速器、安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。
3.1.2电梯的主要电气设备
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。
图3-2为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。
系统控制核心为PLC主机，操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。
（1）曳引电动机：
齿轮曳引系统作为电梯的提升机构，主要由驱动电动机、电磁制动器（也称电磁抱闸）、减速器及曳引轮组成。
（2）自动门机
用来完成电梯的开门与关门：
电梯的门由厅门（每层站一个）和轿门（只有一个）。
只有当电梯停靠在某层站时，此层厅门才允许开启（由门机拖动轿门，轿门带动厅门完成）；也只有当厅门、轿门全部关闭后才允许启动运行（检修状态时，可以在不关门的状态下运行）。
（3）层楼指示
层楼指示也叫层显，过去常由低压灯泡构成，安装在每层站厅门的上方和轿厢内轿门的上方；现多由数码管或LED点阵结构组成，与呼梯盒、运行方向指示做成一体结构。
（4）呼梯盒
呼梯盒也叫呼唤按钮或外呼盒，用以在每层站召唤电梯。
常安装在厅门外，离地1m左右的墙壁上。
基站与顶站只有一个按钮，中间层站由上呼和下呼两个按钮组成。
按钮带有呼梯记忆灯，灯亮时表示呼梯信号已经被接收并记忆；当电梯满足呼梯要求并停层开门时，呼梯记忆灯熄灭。
基站的呼梯盒上，常带有钥匙开关，供电梯管理员开关电梯。
（5）操纵箱
操纵箱安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发布动作指令。
操纵箱上设有与电梯层数相同的内层选按钮（带指示记），上、下行启动按钮（带上、下行指示记忆灯，检修时用），开、关门按钮，急停按钮，电梯运行状态选择钥匙开关（选择电梯是自动运行还是检修状态）以及风扇、照明等的控制开关。
（6）平层及开门装置
该装置由磁铁板和上、下平层感应器1KR、2KR组成。
上行时，1KR首先插入隔铁磁板，发出减速信号，电梯开始减速，至2KR插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号，电机停转，机械抱闸；下行时，2KR首先插入隔磁铁板，发出减速信号至1KR插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号。
（7）停层装置
在电梯的井道内每层站装有一只磁铁板，当轿厢运动到相应层站时，磁铁板插入平层感应器内，以此检测电磁所处位置和产生平层信号。
（8）安全窗及其开关，安全钳及其开关，限速器及其开关，上、下行限位开关，上、下行强迫停止开关，极限开关。
电梯的轿厢顶部开有安全窗，供紧急情况下疏散乘客，当安全窗打开时，电梯不允许运行。
安全钳是为防止电梯曳引钢绳断裂及超速运行的机械装置，用以在上述情况下将轿厢挟持在导轨上。
限速器时用以检查电梯运行速度的机械装置，当电梯超速运行时，限速器动作，带动安全钳使电梯停止运行。
以上三种装置的动作通过其相应开关来检测。
当电梯运行至上、下极限位置时仍不停车，上、下限位开关SQ1、SQ2动作，发出停车信号，若仍不能停车，将压下上、下强迫停止开关，强制电梯停止运行；若还不能停车，将通过机械装置带动极限开关SQ0动作切断电梯曳引电动机的电源，以达到停车目的，避免电梯出现冲顶与礅底事故。
3.1.3电梯工作原理
曳引绳两端分别连着轿厢与对重（又称配重），缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。
固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中产生偏斜或摆动。
常闭式制动器在电动机工作时间松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。
轿厢是运载乘客或其它载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少发动机功率。
补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。
电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。
指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。
从而，保证了电梯正常工作运行的安全。
3.2控制方案选择
控制系统采用PLC为信号处理装置，采用变频器提供变频信号驱动电动机。
PLC对控制系统各种输入及反馈信号进行分析后，向变频器发出速度给定信号和正转、反转及启动和停车命令信号。
控制系统的硬件结构如图3-3所示。
为了保证速度控制的精度及低速运行时变频器输出电流不减小，使得电动机输出的电磁转矩仍能满足负载机械的要求，变频器和电动机之间通过轴编码器引入了速度闭环，从而使得变频器工作于闭环编码器反馈矢量控制方式，该控制方式的优点是电动机零速时仍然具有额定转矩的负载能力；速度控制的精度更高；速度控制和转矩控制的动态性能得到改善。
3.3电梯的硬件设计
本设计按四层电梯为例有22个输入信号，20个输出信号，选择S7-200可编程控制器不能满足需要。
还需要加扩展模块1。
CPU模块的I/O配置及地址分配见表3-1，电梯PLC硬件接线如图3-4所示，I/O点分配见表3-2。
表3-1CPU模块的I/O配置及地址分配
主机
模块0
模块1
模块2
模块3
CPU226
8IN
4IN/4OUT
4AI/1AQ
4AI/1AQ
I0.0Q0.0
I3.0
I4.0Q2.0
AIWOAQWO
AIW8
I0.1Q0.1
I3.1
I4.1Q2.1
AIW2
AIW10
I0.2-I2.7
I3.2
I4.2Q2.2
AIW4
AIW12
Q0.2-Q1.7
I3.3-I3.7
I4.3Q2.3
AIW6
AIW14
图3-4电梯PLC控制系统硬件接线图
（1）
表3-2PLC控制系统I/O分配表
输入元件
输出元件
K
门锁输入行
I0.0
KM1
开门继电器
Q0.0
SB1
开门按钮
I0.1
KM2
关门继电器
Q0.1
SQ1
开门限位
I0.2
KM3
上行继电器
Q0.2
SB2
关门按钮
I0.3
KM4
下行继电器
Q0.3
SQ2
关门限位
I0.4
E1
上行指示灯
Q0.4
SQ3
上行限位
I0.5
E2
下行指示灯
Q0.5
SQ4
下行限位
I0.6
E3
1层指示灯
Q0.6
SB3
1楼内选
I0.7
E4
2层指示灯
Q0.7
SB4
2楼内选
I1.0
E5
3层指示灯
Q1.0
SB5
3楼内选
I1.1
E6
4层指示灯
Q1.1
SB6
4楼内选
I1.2
E7
升级会员 