毕业论文-基于PLC的五层电梯控制系统设计.doc

广州大学松田学院毕业论文（设计）题 目 基于PLC的五层电梯控制系统设计 二一三 年 六 月基于PLC的五层电梯控制系统设计摘 要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。而国内的电梯绝大部分是继电器控制，线路复杂，节点接线多，故障率高，系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大，严重地影响电梯运行质量。随着PLC的发展，性能不断完善，它对电梯也有非常大的帮助。本设计利用PLC实现了电梯的指层控制、轿内与各层厅站呼梯指令的记录、电梯运行方向和停靠的层站的控制，自动运行和自动开关门等功能。该系统具有先进、可靠、经济的特色。该电梯控制系统具有手动和自动的功能，并且具有指层、厅召唤、选层、选向等功能。关键词：电梯，PLC，控制Design of Five-storey Elevator Control System Based on PLCAbstractWith the development of modern cities, an increasing number of high-rise building, elevator become an indispensable means of transport of daily life. But,the elevator most controls by the relay domestically and complex wiring，more node in the wiring，the high failure rate，the system structure is large，high energy consumption，mechanical movement noise and seriously affect the quality of elevator running.With the developing of the PLC，it constantly improves the performance，so it has very much help to the elevator.By the PLC,these modules achieve the functions：fingering out the location of the cabin，registering the instructions from the cabin and the station hallchoosing the direction and the station of elevator follow these instructions，operating elevator and door automatically，and other functions.The system has advanced, reliable and economic characteristics. The elevator control system has the drivers to run the operation and no drivers or manual and automatic functions, and has means layer, called the Office of the election story, election to the functions. Key words:Elevator, PLC, Control目 录1 绪 论11.1 课题的背景及意义11.2 电梯的发展现状11.3 电梯继电器控制系统的特点及存在问题11.3.1 电梯继电器控制系统的优势11.3.2 电梯继电器控制系统存在的缺点11.4 PLC控制电梯的优势12 可编程逻辑控制与电梯32.1可编程逻辑控制32.1.1 PLC的定义32.1.2 PLC的发展趋势32.1.3 PLC与继电器控制系统比较32.2 电梯42.2.1 电梯的定义42.2.2 电梯的分类42.2.3 电梯的结构及组成部件42.2.4 电梯技术发展情况43 总体设计53.1 PLC的选择53.2硬件系统53.2.1 硬件开发53.2.2 五层电梯控制的主电路63.2.3门机电路、抱闸电路、门锁及安全运行电路73.2.4 输入输出设计83.2.5 设计流程图93.3系统软件开发113.3.1 电梯的自检状态113.3.2电梯的正常工作状态113.3.3电梯开关门控制113.3.4层楼信号产生与消除133.3.5内选指令的登记与消除143.3.6外呼信号的登记与消除163.3.7电梯的上、下行定向184 电梯模拟调试及安装204.1 电梯模拟调试及安装204.2程序的编写204.3程序的编译及调试214.4电梯模拟调试21参考文献:22致谢231 绪 论1.1 课题的背景及意义电梯是各种高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的各种静态和动态特性的功能提出了更高的要求。电梯是一种升降机，运用在各个领域，不仅要考虑其的性能问题，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而对现代电梯而言，都是比较安全的。事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。在设计电梯的时候，对各种元件的要求都采取了很大的安全系数和保险系数。目前，由PLC和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，发展非常迅速。采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为电梯控制的发展方向。 1.2 电梯的发展现状在最近的十几年来，我国的电梯得到质的变化。许多生产厂家不仅完善了设计的样本和电梯的美观，而且与时俱进用新的技术代替旧的技术。由以前的继电器控制电梯系统到现在的用PLC控制电梯系统，对安全、可靠等的性能要求越来越高。数字化的控制越来越密切。近年来，电机的变频调速的技术从直流到交流的发展，也是带动了电梯的发展，变到现在由PLC控制技术交流变频调速技术的相结合。1.3 电梯继电器控制系统的特点及存在问题1.3.1 电梯继电器控制系统的优势线路简单，各种功能都是由硬件控制，检查比较方便，不需要高科技的设备，组成的元器件比较便宜1.3.2 电梯继电器控制系统存在的缺点接线麻烦复杂，容易出现故障，使用的电气元件较多，造成的噪音比较大，出现故障时检查比较费时，而且发生故障的频率比较高，造成人们的恐惧和不便。1.4 PLC控制电梯的优势采用PLC的软件功能实现对电梯的控制，可靠性高；与以往比较起来，不需要非常多的电器元件，例如继电器的数量；电梯的各种功能的实现只需要PLC的控制，可以通过PLC检查故障发生的地方，不需要人为的频繁控制而产生更高的危险，对于方案的修改，只要修改PLC即可，这个系统抗扰性较强，其智能化控制的功能较强，调试的时间短等等。2 可编程逻辑控制与电梯2.1可编程逻辑控制2.1.1 PLC的定义PLC是一种专门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存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，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或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。2.1.2 PLC的发展趋势PLC向着小型化、专用化、低成本、大容量、高速度、信息化、信息化、编程工具、标准化、与现场总线技术紧密结合等方向发展。2.1.3 PLC与继电器控制系统比较从某种意义上说，PLC是从继电接触控制发展而来的。两者既有相似性又有不同之处。1)继电接触控制全部用硬件控制；PLC内部大部分采用软件控制。2)继电接触控制系统体积大；PLC控制系统结构紧凑，体积小。3)继电接触控制全为机器之间的运行，运行费时；PLC内部全为电线之间的传达，动作快。4)继电接触控制功能改变比较麻烦；PLC控制功能改变，一般仅需修改程序代码即可，极其方便。5)PLC控制系统的设计的整个周期短。6)PLC控制的智能化功能比继电接触控制的强。7)PLC的应用范围比继电接触控制的要广泛。 8)PLC可靠性比继电接触控制的高。2.2 电梯2.2.1 电梯的定义一种以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。也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。2.2.2 电梯的分类电梯的分类有各式各样：(1) 按速度分类： 低速电梯 1m/s以下 高速电梯 2-3m/s 超高速电梯 3-10m/s(2) 按用途分类： 乘客电梯 住宅电梯 观光电梯 载货电梯 客货两用电梯 车辆电梯 其他电梯(3) 按拖动方式分类： 交流电梯 直流电梯 液压电梯 齿轮齿条电梯 螺杆式电梯(4) 按有无司机分类： 有司机电梯 无司机电梯 有/无司机电梯2.2.3 电梯的结构及组成部件电梯是机电一体化产品。其的控制结构相当于人体的各种器官一样，不同的器官控制不同的部分。各部分是单独运行的，但也是相互联系的，密不可分的，互相分工使电梯正常运行。虽然有各种各样的电梯，但是就现在的使用情况而言大部分的电梯是电力拖动、钢丝绳拽引的方式，它的机械组成部分有拽引、平衡、导向、门等系统和安全设备装置以及轿厢，而电气部分的组成有电力拖动、逻辑控制和电气保护等系统。2.2.4 电梯技术发展情况(1) 电梯的速度要求越来越快，高速、超高速电梯的数量愈来愈多。(2) 电梯的拖动技术有了较大的发展，直流电梯逐步被交流电梯所替代。交流拖动电梯更是得到迅速的发展，已由调速器的发展，从变级到调压、调频的变化，使得电梯的速度、加速度控制更加符合人们的要求，电梯的舒适感大为改善。(3) 电梯的逻辑控制已从接触器控制的继电器发展为可编程序控制器（PLC）和微机控制，控制方式也是向着多方面的发展，电梯可靠性得到很大的提高。(4) 电梯的管理功能不断加强，电梯广泛采用微机控制技术，不断满足拥护的使用功能要求。如紧急停车，消防、防捣乱系统等。管理起来更加智能化。3 总体设计3.1 PLC的选择方案一：采用三菱F1系列的PLC，它的体型比较合适，不会太重，结构紧凑，性价比好，抗干扰能力强。它比较常用梯形图，逻辑功能图等语言；而F2X系列有128个I/O点，扩展单元有256个。F2系列的可以兼容F1的一些指令，还有其他95种强大的功能指令。它的计数频率可达10KHz。方案二：采用西门子SIMATICs7-200系列。s7-200可以通过位逻辑、计数器、定时器、数学运算等指令内容进行输入状态的监视，可以改变其中的参数达到预期的效果。结构紧凑、指令多、配置灵活使它更有效的解决方案。它有10个I/O点，但是没有扩展单元。拥有4个30KHz独立而且高速的计数器，有比较大的数据和程序的存储空间，20KHz的独立高速脉冲输出有2个，有多种协议能力。对于微型的控制器非常合适。S7-200PLC在自动化系统中有强大的功能。例如在机床、印刷机械、电梯控制、传输系统等等。而且它的编程软件也是非常强大，具有几种程序的转换，程序编写比较方便。所以，根据了解到s7-200的各种强大的功能、性价比好等优点，选择s7-200PLC控制五层的电梯。3.2硬件系统3.2.1 硬件开发根据论文设计的要求和依据论文要求选择的电气元件，如图3-1所示：电梯模型交流电机变频器S7-200PLC楼层显示通讯电缆PLC编程软件图3-1电梯系统硬件框图所涉及的电梯模型共有五层，每一层的电梯都能通过轿厢的指示灯的数字显示楼层数，通过输入上下行来实现升降的功能。运行中的电梯能够结合当时的状态和传输的信号进行分析，而进一步确定下一步的运行，因此它要求具有自动选向、记忆信号、门系统的自动开关、对已到达的信号的消除、自动停留到达的层数等功能。分析以上控制要求，将电梯控制要实现的功能罗列如下：开始时，电梯处于任意一层。当电梯外有呼叫信号输入时，并运行至目的层时，电梯终止运行，自动打开门，经过三秒的延时后再自动关闭门。当电梯轿厢有呼叫信号输入时，并运行至目的层时，电梯终止运行，自动打开门，经过三秒的延时后再自动关闭门。在电梯运行过程中电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的呼梯信号均不响应，但如果反向呼梯信号前方无其它内、外呼梯信号时，则电梯相应该外呼信号，但不响应三层向下外呼梯信号。同时，如果电梯达到四层，五层没有任何呼梯信号，测电梯可以响应四层向下外呼梯信号。电梯应具有最远反向外呼梯响应功能。例如，电梯运行至一楼待命，而同时一至四层都有向下呼叫的信号，则电梯应该首先运行至四楼响应其的向下呼叫信号。电梯具有同向截车功能。电梯在运动的状态或者没有到达平层的时候，开关门输入按钮都不能进行输入信号。只有在电梯停止运行并且稳定停下来，才能通过开关按钮实行开关门功能。3.2.2 五层电梯控制的主电路交流双速电梯的主电路图如下所示。图中3-2 M1为YTD系列专用双速笼型异步电动机（6/24极）；KM1、KM2为电动机正反转接触器，用以实现电梯上、下行控制；KM3、KM4为电梯高低速运行接触器，用以实现电梯的高速与低速运行接触器；L1、L2与R1、R2为串入电动机定子电路中的电抗与电阻，与KM5KM8配合实现对电机的加减速控制。当KM1、KM2与KM3通电吸合时，电梯将进行上行或下行起动。延时后KM5、KM8依次通电吸合，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后，KM3断电释放，KM4通电吸合，电机 转为低速接法，串入阻抗制动，实现上升与下降的低速运行，且KM6KM8依次通电吸合，用来控制制动过程的强度，提高停车制动的舒适度。至平层位置时，接触器全部释放，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3-2 交流双速电梯的主电路图3.2.3门机电路、抱闸电路、门锁及安全运行电路图3-3为电梯的门机、抱闸、门锁及安全运行电路。门电动机为他励直流电动机，可由KM9、KM10控制其正反转。KM9接通时，电阻R2与电动机电枢并联，电流由电枢左端流向右端，电动机正转实现开门，压下SQ8时，R2部分被短接，实现开门调速。KM10接通时，电动机将反转，实现关门，并由SQ9、SQ10与R3一起实现关门调速。当电梯上下运行时，抱闸应打开，其线圈应通电。电梯停止运行时，抱闸应抱死，其线圈应断电。将所有厅、轿门开关串联在一起，控制门锁继电器KA1，实现全部门关闭后电梯才能运行的控制。将安全窗开关、安全钳开关、限速器开关、轿内急停开关、上下强迫停止开关、基站开关梯开关以及热继电器触点FR1、FR2串联在一起，构成安全回路，控制安全运行继电器KA2，用KA2的触点控制PLC的RUN口，只有当该KA2吸合时，才允许PLC处于运行状态。这样可以节省PLC的输入口，又可以实现在多种紧急情况下的立即停车。如图3-3所示：图3-3 门机、抱闸、门锁及安全运行电路3.2.4 输入输出设计为了便于对电梯的工作原理及PLC系统进行分析，现列出电梯所用电器元件表，电梯的电器元件表如表1所示：表1 五层电梯电器元件表元件符号名称及作用元件符号名称及作用KM1上行接触器SQ5基站开关KM2下行接触器SQ6开门到位开关KM3高速接触器SQ7关门到位开关KM4低速接触器SQ8开门调整开关KM5启动接触器SQ9、SQ10关门调整开关KM6-KM8制动接触器SQ11-SQ151-5楼厅门锁开关KM9开门接触器SQ16轿门关闭到位开关KM10关门接触器SQ17上限位开关SQ18下限位开关HL134楼上呼记忆灯SQ19上行强迫停止开关HL144楼下呼记忆灯SQ20下行强迫停止开关HL155楼下呼记忆灯SB1开门按钮SA1运行状态选择钥匙开关SB2关门按钮SA2基站开关梯钥匙开关SB3上行启动按钮SQ1安全窗开关SB4下行启动按钮SQ2安全钳开关SB5-SB91-5楼轿厢内选按钮SQ3限速器开关1SB1-4SB11-4楼上行外呼按钮SQ4轿内急停开关2SB2-5SB22-5楼下行外呼按钮1KR1楼感应器1HL-5HL1-5层层楼指示灯2KR2楼感应器6HL-7HL上行、下行指示灯3KR3楼感应器HL6、HL7操纵箱上下行指示记忆灯4KR4楼感应器HL81楼上呼记忆灯5KR5楼感应器HL92楼上呼记忆灯6KR上平层感应器HL102楼下呼记忆灯7KR下平层感应器HL113楼上呼记忆灯SQ电源开关HL123楼下呼记忆灯SB0极限开关3.2.5 设计流程图程序的基本控制流程如图3-4所示（其中不包括检修及司机开关电梯环节，只是电梯运行的基本流程图）：上电初始化是否厅外呼叫是否轿厢呼叫确定本层与目标层是否同层电梯选向电梯启动电梯运行楼层信号是否目标层平层信号电梯制动开门延时关门是否停止停止等待YYNYNNY图3-4 PLC系统总体设计流程图3.3系统软件开发3.3.1 电梯的自检状态在电梯控制中，有大量的逻辑信号需要处理，这部分工作是由PLC来完成的，系统软件根据运行要求及保护要求由PLC来实现逻辑控制。PLC上电后，PLC中的程序已开始运行，但因为电梯尚未读入任何数据，也就无法在收到请求信号进行响应。使电梯响应必须同时达到两个条件：一、电梯必须在已知的楼层为平层状态，二、电梯必须在关门状态。电梯自检过程的目标为:先按下启动按钮，在PLC的第一个扫描周期，检查电梯是否平层，若电梯为平层，则保持，若电梯未平层，则通过置位使中间继电器置，进而使电梯下行直至平层是中间继电器复位为止。3.3.2电梯的正常工作状态电梯完成一个呼叫响应的步骤如下:（1）电梯通过对传输进来的呼叫信号和正在在的楼层进行比较，自动选择一个方向进行下一步的运行。（2）电梯通过改变直流电动机的电流来改变轿厢的运动速度。运行的速度顺序为低速到中速到高速，再运行到减速点。（3）电梯通过目的楼层的减速信号时，它开始进行减速至低速，并在平层点停止运行。（4）到达目的层后，电梯自动开门，检测到开门位行程开关后停留几秒再关门，检测到达关门行程开关停止自动开关门，除了有开关门信号输入。没有其他的信号输入进来，则停留在该楼层。3.3.3电梯开关门控制1）电梯的开门控制（1）投入运行前的开门：将开关梯钥匙插入SA2内，如图3-3所示，旋至开梯位置，则中间继电器KA2得电吸合，其动合触点KA2(1-2)闭合，接通PLC电源，使PLC处于运行状态。（2）检修开门：必须使用手动操作，并由开关按钮实现功能。（3）运行中开门：必须到达楼层的平层才能开门。（4）同一楼层多次开门：必须通过开门按钮实现。（5）呼梯开门：在同一楼层优先开门，否则先进行自动选向，在运行到目的层在开门。当电梯自动运行时，KM9不能得电，禁止开门。具体开门程序如图3-5所示：图3-5开门程序2）电梯的关门控制（1）电梯停止使用后的关门：此时电梯处于最低层，检查全部人员离开电梯后，电梯再关门。工作人员将钥匙插入SA2，旋至关梯的状态，令KA2没有电流通过，因而使PLC停止运行，电梯也被关闭。（2）工作中的关门：在开门后，待达到时间继电器T37的时间后，电梯自动关门；停留时间过长可以通过关门按钮提前结束关门。遇到超载时，电梯将不关门并且不会运行。具体电梯关门程序如图3-6所示：图3-6 关门程序3.3.4层楼信号产生与消除当电梯位于某一层时，指层感应器1KR-5KR,产生该楼层信号，以控制指层灯的状态，离开该层时，该楼层信号应被新的楼层信号（上一层或下一层）所取代。当层的层楼继电器是用上层或下层的层楼信号关断的。例如当电梯由4层下降到3层，3楼感应器3KR闭合，使输入继电器I2.3得电，Q1.6得电，3HL得电，指示3层层楼，同时4HL失电，4层层楼指示关断，如图3-7所示：图3-7 楼信号的产生与消除3.3.5内选指令的登记与消除内选辅助继电器梯形图支路中串接层楼辅助继电器的动断触点。乘客或司机可以在轿厢里面自选1到5层的按钮SB5-SB9到达目的层。被选的层信号被记录后，对应的指示灯亮。当电梯运行到达目的层后，该层楼的层楼辅助继电器得电，其动断触点断开，使该层内选辅助继电器失电，指示灯也熄灭，即内选信号被清除；另外，停靠在某层后，该层的内选信号不能被登记。如图3-8所示：图3-8 内选指令的登记与消除3.3.6外呼信号的登记与消除乘客或司机在电梯外呼叫电梯时，呼叫信号被收取和登记起来。当电梯运行至目的层，而且运行的方向与目的层的方向同向时，呼叫电梯信号已达到要求，呼叫信号被清除，如图3-9所示:图3-9 外呼信号的登记与消除3.3.7电梯的上、下行定向在工作运行时，电梯开始应该判断运行的方向，而且只有上行和下行。电梯不在运行的时候，当接收到各种信号时，应该自动进行比较，得到运行的方向，而定向运行后，对于其他的呼叫信号与定向运行的方向不同，这个时候定向信号将不能清除，如图3-10所示：图3-10 电梯的上、下行定向4 电梯模拟调试及安装4.1 电梯模拟调试及安装对于已经编写好的PLC程序，不能进行带负载模拟调试，等到输出的各种数据没有错误后，再带上负载运行，所有模拟调试正确完成后，再进行现场设备的安装，并进行进一步的调试和完善参数和程序的缺陷，最后才能正常的运行使用。4.2程序的编写单击左侧树中的程序块，打开程序块中的分支，单击树枝中的主程序，在主程序窗口中输入编写的电梯程序，如图4-1所示：图4-1 程序的输入4.3程序的编译及调试当程序编写完成后，要进行验证编写的程序是否有错误，当然最好是分开进行，减少错误量，例如先编写LED显示模块，进行调试，再编写开关门程序，再调试等。所有的程序编写完成后再统一调试。如图4-2所示：图4-2 程序的编译及调试4.4电梯模拟调试 由于做一个五层电梯的实物工程大，客观要求的各种因素不足，我们只能电梯的程序进行模拟调试。对于各种输入反馈信号，我们只能用按钮进行模拟，对于输出的负载用PLC的输出点显示其状态。进行模拟调试的时候，按要求输入电梯的输入信号，并监察输出信号是否与预期的一致，同时可通过编程器监控内部各点状态，在输入端接上手动按钮而在 PLC 的输出指示灯上看输出，输入信号完全靠手动来控制。参考文献:1 邓则名，程良伦，谢光汉.电器与可编程控制器应用技术.广东工业大学.机械工业出版社，2008.10.2 陈志新. 电气与PLC控制技术M.北京：中国林业出版社，2002 ，P36.3 常小玲. 电梯控制系统与可编程控制器M.北京：机械工业出版社， 1998.4 黄敏、王成福. 基于PLC的电梯控制系统.金华职业技术学院学报J.2001年.第三期.2021.5 陈家胜电梯实用技术教程M北京：中国电力出版社，2006.6 李惠昇主编. 电梯控制技术M.北京：机械工业出版社，2003. 7 陈家胜电梯实用技术教程M北京：中国电力出版社，2006.8 汪晓平可编程控制器系统开发实例导航M.北京：人民邮电出版社.2004.9 熊印国. 基于PLC的教学用电梯模型控制系统设计.期刊科技信息.200810 林瑾.基于PLC的交流变频调速电梯控制系统.江南大学.200911 欧阳华明.基于PLC技术电梯控制系统的新思维.湘潭师范学院学报（自然科学版）.200812 John sons,D.G.编著Programmable controllers for factory automation N.Y.Marcel Dekker 1987.13 Berger,Hans 编著Programmable controllers Berlin Siemens Aktiengesellschaft，1993.致谢四年的学习生活即将结束，四年的每一个日日夜夜，老师的教诲与指导，师兄师姐和同学的帮助历历在目，父母的支持与鼓励总使我的步伐不断向前迈进。我是幸运的，能结识这么多的两市益友，顺利、愉快地完成学业。24