高层楼电梯PLC自动控制系统的设计.docx

1、高层楼电梯PLC自动控制系统的设计摘要 1abstract 21 绪论 31.1课题研究背景和研究意义 31.2电梯控制系统的发展及其现状 31.3课题研究主要内容 42 电梯结构及工作原理 52.1电梯的结构 52.1.1四大空间 52.1.2八大系统 72.2八层电梯的主要控制功能 92.3电梯控制系统运行流程图 93 电梯电气控制系统的硬件选型 113.1可编程控制器 113.2曳引电机 113.3变频器 113.3.1变频器的基本原理 113.3.2变频器的基本构成 113.3.3变频器型号 123.4触摸屏 133.5光电编码器 144 西门子S7-200PLC硬件结构及编程软件 1

2、54.1PLC的硬件结构 154.1.1PLC的概念 154.1.2PLC的特点及应用领域 154.1.3PLC的基本结构 164.2PLC的工作原理 174.3西门子S7-200编程软件 184.3.1PLC的编程语言 184.3.2 STEP 7编程软件的编程语言 194.3.3 STEP 7编程软件的基本指令 205 控制系统的程序及电路图 215.1 PLC控制系统工作原理图 215.2 I/O分配 215.2.1 PLC控制系统输入输出说明 215.2.2I/O分配表 225.3程序部分 245.3.1内呼信号的登记于消除 245.3.2外呼信号的登记于消除 245.3.3楼层的登记

3、与消除 255.3.4停层信号的登记与消除 255.3.5电梯制动 265.3.6开门环节 275.3.7关门环节 275.3.8电梯运行方向控制 285.4系统外部接线图 296 总结 30参考文献 30致 谢 31 摘要在现代社会及经济活动中，电梯己成为城市物质文明的标志。尤其是在高层建筑中，电梯作为一种垂直运输工具，承载着大量人流、物流的输送。随着今天高层建筑的迅速发展，人们对电梯诸如可靠性、舒适度、低噪音、低能耗等的性能要求也愈来愈高。这一系列的要求促进了如今电梯行业的快速发展，其拖动技术发展到了调频调压调速阶段，逻辑控制也由可编程控制代替了之前的继电器控制。本设计针对目前我国电梯业的

4、现状，采用PLC对电梯进行逻辑控制，考虑了电梯的可靠性、可维护性、灵活性、使用寿命以及电梯的开发周期等方面，设计的控制系统具备楼层指示、呼梯指令登记、确定运行方向等功能。而所设计的电梯电动机交流变频器的调速技术是如今节电、改善工艺流程、提高产品质量、推动技术进步、改善环境的一种重要手段。 本文在介绍了电梯基本结构的基础上还深入分析了电梯的工作原理，阐述了PLC的特点及优点，其中重点研究了电梯的软、硬件设计并提出了基于PLC的八层电梯控制系统的设计方案。关键词：电梯，控制系统，PLCAbstractIn modern social and economic activities, elevato

5、r has become a sign of urban material civilization. Elevator as a vertical transportation, it carries a large number of passenger and cargo especial in the development of high-rise buildings, the high-rise buildings. Along with the rapid higher and higher demands are proposed on the performance of e

6、levator, such as reliability, comfort sensor, low noise and low-energy consumption, etc. This series of requirements to promote the rapid development of the elevator industry, its dragging technology has developed from DC timing to AC variable frequency timing and its logic relay system also has bee

7、n replaced by PLC. Based on the real situation of elevator trade in China, the design use PLC to control logically to the elevator and it considers the reliability of lift, maintainability, flexibility, useful life, development cycle of the lift and so on that the control system designed could inclu

8、de storey story instruction, registration of call instruction, layer options, automatic and overhaul operation, also have the characteristics of selective control. AC variable-frequency control technology is an important method which used to save energy, improve technical process, increase the produ

9、ct quality，promotes the technology and improve the environment.At the same time, on basis of introducing the basic construction of the lift, the operational principle of elevator is analyzed in depth; the paper also describes the advantages and characteristics of PLC, focuses on the elevator hardwar

10、e design and software design, studies and proposes a scheme of elevator control system based on PLC.Keywords: elevator, control system, PLC1 绪论1.1课题研究背景和研究意义电梯是垂直运行的电梯(通常也简称为电梯)、倾斜方向运行的自动扶梯、倾斜或水平方向运行的自动人行道的总称。垂直运行的电梯（该文简称为电梯）是安装在建筑物内的一种交通工具，是为了满足人们对于垂直运输的需要而建立的。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，电梯对于高层宾馆、商店、住

11、宅、多层厂房和仓库等高层建筑越来越不可或缺。电梯是集机电于一体的复杂系统，涉及到了机械传动、电气控制和土建等工程领域。随着技术发展，人们对于电梯的舒适性以及安全性提出了更高的要求。对现代电梯而言，高的安全性以及舒适性显得尤为重要。因此，目前的电梯设计都采用了多项安全保护措施。在设计时，对机械零部件和电器元件都采用了很大的安全系数和保险系数，以确保安全性。另外，电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性在不断的提高，以满足乘坐的舒适性和高效性。对该课题的研究将能推动其控制技术的发展，使得电梯能更好地满足人们的生活需求。1.2电梯控制系统的发展及其现状电梯的发展现状和趋势主要体现在以下几个方面:1、

12、电梯控制技术方面智能化、网络化、人性化;采用高位数CPU，增强电梯信号的处理和速度;电梯群控系统中应用模糊逻辑和专家控制，以提高效率和精度;不断增加和扩展电梯的各种选择并与建筑物和谐的融为一体。2、电梯拖动技术方面直流电梯由于能耗大、维修量大等缺点，逐步被交流电梯所替代，液压电梯由于运行平稳，机房位置灵活等特点，使得在低楼层场合得到愈来愈广泛的应用。交流拖动电梯更是得到迅速的发展，已由变极调速发展为调压调速及调频调压调速，使得电梯的速度、加速度更加符合人们的生理要求，电梯的舒适感大为改善。3、曳引机技术方面我国曳引机的发展经历了直流驱动有齿式，交流双速有齿式，交流调压有齿式，交流调频调压有齿式

13、，到今天的永磁同步无齿式。由于永磁同步无齿曳引机具有结构紧凑、体积小、效率高、节能效果显著，无需齿轮润滑油等突出的节能环保特点，因此，在短短的几年时间己占了曳引机总产量的55%左右，并且还有加速发展的趋势。高速曳引机在高层建筑、超高层建筑拉动下己成为行业竞争的焦点和热点。4、速度要求方面多用途、全功能的塔式建筑成为潮流，超高速电梯在2012年继续成为研究方向。曳引式超高速电梯的研究正在向超大容量电动机、高性能的微处理器、减振技术、新式滚轮导靴、安全钳、永磁同步电动机、轿厢气压缓解和噪声抑制系统等方面推进。5、节能高效方面电梯作为高层建筑最大能耗设备之一，节能将成为行业发展方向。要求电梯功耗小、

14、磁兼容性强、噪声低、寿命长、采用绿色装潢材料、与建筑物协调等。1.3课题研究主要内容第一章主要介绍了课题研究的背景，当前电梯发展现状。第二章、三章详细介绍了电梯的结构和工作原理以及硬件结构的选型。涉及到硬件PLC的选型，输入输出接口模块、变频器、触摸屏等的选择。第四章详细介绍了西门子S7-200系列PLC的基本结构及工作原理，编程软件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6的编程特点。第五章介绍了控制系统的流程图，并分模块对电梯控制系统的程序进行设计，绘出梯形图以及外部接线图。2 电梯结构及工作原理2.1电梯的结构电梯是机电合一的大型复杂产品，机械部分相当于人的躯体，电器部分相当于人的

15、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。电梯的结构包括四大空间和八大系统，下面简单介绍电梯机械部分的结构，如图2-1所示。2.1.1四大空间1、机房部分电梯控制间，一般设置在电梯井道的顶部。包括曳引机、电源控制盒等设备。2、井道部分包括导轨、导轨支架、对重、缓冲器、限速器张紧装置、导向轮、控制柜、限速器、总补偿链、随行电缆、底坑、井道照明等设备。3、层站部分 位于电梯的各层厅外，该部分包括电梯层门(厅门)、呼梯装置（召唤盒）、门锁装置、楼层显示装置、层站开关门装置及消防按钮等。4、轿厢部分该部分主要由轿厢、轿厢门、平层装置、安全钳装置、开门机、轿内操纵箱、指示灯以及通讯报警装

16、置等组成。图2-1电梯的结构图2.1.2八大系统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、反绳轮等组成。其作用是电梯轿厢升降的主拖动机械，是电梯中的核心部分之一。曳引机分为有齿轮曳引机和无齿轮曳引机。有齿轮曳引机用于低速电梯(小于2.Om/s )，有减速箱、常用蜗轮蜗杆传动、传动比大、运行平稳、噪音较低、体积小。无齿轮曳引机用于高速和超高速电梯(大于2.Om/s )，传动效率高、噪音小、传动平稳、但能耗大、造价高、维修不便。2、导向系统导向系统的主要功能是限制轿厢和对重活动的自由度，使轿厢和对重只能沿导轨作升降运动。导向系统主要由导轨

17、、导靴和导轨架组成。导轨不允许采用焊接和螺栓连接，需要用专门的连接板连接。导轨的材料、表面粗糙度、安装精度都有专门的要求。导靴一般分为固定式滑动导靴和弹性滑动导靴。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。轿厢山轿厢架、轿厢壁、轿厢底、轿厢顶、轿厢门组成。轿厢高度不小于2m，宽度和深度由实际载重量而定。国家规定，梯轿厢额定载重量约为350kg/m2(其他电梯有不同规定)。轿厢载客人数按每人75kg计算。4、门系统门系统对于电梯特别是客梯来讲，是不可或缺的安全保护设施，它可有效地防止候梯人员和物品坠入井道或是轿厢内人员和物品与井道相碰撞而发生危险。 门系统可分为两种，分别是装在

18、井道入口层站处的层门以及装在轿厢入口处的轿厢门。无论轿厢门还是层门都由门、导靴、门框、滑轮、滑块、地坎等部分构成。5、重量平衡系统重量平衡系统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。图2-2为对重装置示意图。对重:减小电梯曳引机的输出功率。其计算公式为:P=G+KQ ( P为对重侧总重量;G为轿厢自重;Q为电梯额定载重;K一般取0.45-0.55之间。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。它由曳引电动机、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

19、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、控制柜、平层装置、选层器等组成。控制系统的功能及性能直接决定了电梯的自动化程度及运行性能。图2-2对重装置图2-3电梯故障处理8、安全保护系统电梯的安全保护系统包括了机械的和电子的各类保护系统，例如缓冲装置、机械限速装置、终端保护装置，以确保电梯的安全使用，防止危险事故的发生。缓冲装置起冲顶和撞底保护的作用，限速装置起到超速保护的作用，而安全保护则在电梯运行的各个方面都有体现。当电梯运行过程中，最重要的问题就是安全问题，因此让电梯无故障的运行是电梯的根本要求。图2-3中列出了电梯常见故障的事故处理方法。2.

20、2八层电梯的主要控制功能1、开始时，电梯处于任意一层。2、当有外呼梯信号时，电梯响应该外呼信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时10秒后自动关门;当有内呼梯信号时，电梯响应该内呼信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时10秒后自动关门。行车方向主要由内呼信号决定，同一顺序优先行车。3、在电梯运行过程，即电梯上升或下降的途中，对任何反方向的下降或上升的外呼信号都不响应。但是如果收到反向外呼信号前没有其它内、外呼梯信号时，则电梯响应该外呼信;行车途中如果遇到的呼梯信号是与行车方向相同的，则响应该信号并截车，反之不截车。4、具有最远反向外呼信号响应功能。例如:电梯在一楼，四层向

21、下外呼信号、五层向下外呼信号、六层向下外呼信号、七层向下外呼信号、八层向下外呼信号同时发出，则电梯先去八楼响应八层向下外呼信号。5、内呼信号和外呼信号都具有记忆功能，在任务执行后该记忆自动消除。6、内呼信号、外呼信号、行车方向、行车所达楼层位置均由信号灯指示。7、停层时可以对自动开门和手动开门进行延时，在关门过程中，如果有外呼信号，则该外呼信号和本层同向时电梯开门，反之不开;关门动作执行完毕，遇到任何外呼信号都不开。8、有内呼信号时自动关门延时，关门后延时自动行车。9、无内呼信号时延时10秒自动关门，但不能自动行车，只有内呼信号响应时才可行车。10、电梯未平层或运行时，不能手动开门或本层呼梯开

22、门，开门按钮和关门按钮也都不起作用。只有电梯平层且停止运行后，开关门按钮才起作用。2.3电梯控制系统运行流程图图2.4电梯控制系统流程图3 电梯电气控制系统的硬件选型3.1可编程控制器八层电梯控制单元采用西门子S7-200CPU226型可编程控制器。它的本机数字量I/O口：24入/16出。另外加上1个EM233扩展模块（16入/16出）和1个EM222（八出）扩展模块。3.2曳引电机系统采用的是交流永磁低速同步电动机作为曳引系统的动力源。交流永磁式同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点。和直流电动机相比，它没有换向器和电刷。相对异步电动机而言，同步电动机比较简单，定子电流

23、和定子电阻损耗减小，且转子参数可测，控制性能好。交流永磁同步电动机通过调节电源频率来改变转速。3.3变频器3.3.1变频器的基本原理在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。采用通用变频器对交流异步电动机进行调速控制，由于使用方便，可靠性高，并且经济效益显著，所以这种方案逐步得到推广。由电动机的基本知识可知，异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为 该部分的性能对电梯运行时乘客的舒适感有着重要影响。变频器通过改变电机的电源频率来实现速度的调节。原理公式: n=60 f(1-s)/p (3-1) 式中 n异步电动机的转速; F异步电动机的频率;

24、S电动机转差率; P电动机极对数;由式(3-1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0-50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。3.3.2变频器的基本构成变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中曾出现过多种类型的变频器。变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式可以分为电压型变频器和电流型变频器，按照开关方式可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高频PWM变频器。按照工作原理可以分为V/F控制变频器、砖茶频率控制变频器和矢量控制变频器等，按照用途可以分为通用变频器、单相变频器和三相变频器等。目前，市场上主流的通用变频器主要由主电路

25、（包括驱动电路）、控制电路、信号处理与故障保护电路、外围接口电路与电源电路组成。变频器采用了矢量控制方式，由于进行矢量控制时需要进行大量的运算，故其运算电路中有一个一DSP（数字信号处理器）为主的用于转矩计算的CPU，以及相应的检测和控制电路。1、主电路1）整流电路。一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用 是对工频的外部电源进行整流，给逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。2）直流中间电路。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。3）逆变电路。逆变电路是变频器最主要的部分之一，他的主要作用是在控制电路的控制下将平滑

26、电路输出的直流电源转换为频率和电压任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，被用来实现对异步电动机的调速控制。2、控制电路变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。此外，控制电路还通过A/D、D/A等外部接口电路接收/发送多种形式的外部信号以及给出系统的内部工作状态，以便使变频器能够与外部设备配合，进行各种高性能的控制。3、其他电路在变频器中除了主电路和控

27、制电路外，还包括其他电路。1）信号采样电路。主要用于采集变频器的输入电压和输入电流，中间直流电压、直流电流，逆变器输出电压、输出电流，温升以及电动机转速等信号。2）信号处理和故障保护电路。3）外部接口电路。主要是指从外部电路输入控制信号，或将变频器的正常运转信号、故障信号输出，供外部电路使用。经采样电路取得的电压、电流和温度等信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大处理，然后进行A/D转换，转换值作为控制的反馈信号输入CPU，作为控制算法计算的依据或进行显示。3.3.3变频器型号随着变频器性价比的逐渐提高，许多领域都应用到交流变频器，而日益丰富的软件功能使变频器的多功能化和高性能化为用

28、户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种。有的厂家称，以RISC(精简指令集计算机)为核心的数字控制，可以支持无速度传感器矢量控制变频器的矢量控制算法、转速估计运算、PID调节器在线实时运算。变频调速以其优异的调速和起制动性能，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。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，但价格相对较贵。本实验电梯控制系统采用安川L1000电梯专用变频器，其对高性能电流矢量控制和绝对值编码器的应用发挥的淋漓尽致

29、，实现高性能无传感器的起动转矩补偿功能，能使电梯乘坐更加舒适。驱动感应电机或同步电机都能进行停止型自学习，内置电梯专用时序，可拆卸式端子盘，使得调试、维护更加简单方便。同时具有自动转矩提升功能，满足电梯各种过负载试验，多种安全功能及长寿命的设计，使产品更具安全、高可靠性。3.4触摸屏轿厢内选控制器设在电梯模型侧面的框架上，由具有远程I/O通信功能的触摸屏构成，故又称为远程I/O智能模块，负责收集轿厢内选信号及内选指示。并通过串口将数据传送给PLC。触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它富裕了多媒体咱新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏在我

30、国的应用非常广阔。随着计算机的广泛普及，触摸屏一易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，使得系统设计师们越来越多地感到使用触摸屏具有相当大的优越性。触摸屏配备有COM端口和TOOL端口。COM端口用于与PLC、上位机、单片机等进行连接的RS-232端口；TOOL端口用于与安装有画面制作工具软件GTWIN的计算机，是通过专用电缆（AFC8503）连接的端口。触摸屏采用松下GT10型单色触摸屏，如图3-1所示。由液晶显示器和触摸面板组成，在屏幕上可以显示各种画面和图案，通过RS-232通信接口与PC/PPI电缆实现与PLC的连接。当需要改变楼层时，只需用软件重置触摸屏的开关部件就可以实现內

31、选键盘硬件的替换。图3-1松下GT10型单色触摸屏3.5光电编码器通过编码器与变频器连接可以准确的获得电梯实际运动的速度以提高控制精度。旋转编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出。编码器可分为:增量脉冲编码器(SPC)，绝对脉冲编码器(APC)。本系统采用增量脉冲编码器和PG矢量控制方式，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达0. 01-0. 02，使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。4 西门子S7-200PLC硬件结构及编程软件4.1PLC的硬件结构4.1.1PLC的概念可编程控制器简称PC（英文全称：

32、Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987 年2 月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种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