机电毕业设计 基于PLC的电梯控制系统的设计改造.doc

1、浙江广厦建设职业技术学院 机电一体化技术专业毕业设计 说明书 设计题目 基于 PLC 的电梯控制系统 改造设计 学生姓名 学 号 0210110121 指导教师 专 业 机电一体化 技术 年 级 2013 级 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 摘 要 现今世界，电 梯的生产情况和使用数量已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。 随着城市人口的不断提高，人们物质文化生活水平的提高，建筑业 不断的发展，已是高楼林立，电梯在人们的生产、生活、工作中日益重要。因此电梯的研究也 显得愈 来 愈 重要。 本 设计 主要分析了电梯的主要结构以及其控制要求， 以四层电梯为设计对象， 从电梯控制系统的构成

2、及工作原理 对电梯控制的硬件进行相应选择，另外通过对电梯的 PLC 软件进行设计，以此完成了基于 PLC 的电梯控制系统改造设计。 关键词 ： 电梯控制；通用变频器；可编程控制器（ PLC）；三相异步交流电机 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 目 录 1 引言 . 1 1.1 设计的研究背景及意义 . 2 1.2 PLC 及在电梯控制中的应用特点 . 3 1.2.1 PLC 简介、特点及其应用领域 . 3 1.2.2 PLC 控制电梯的优点 . 4 1.3 电梯变频调速控制的特点 . 4 1.4 设计的主要 内容 . 5 2 电梯的概述 . 6 2.1 分析控制对象和确定控制范围 . 6

3、 2.1.1 本电梯控制系统实现的主要功能 . 6 2.1.2 电梯的控制功能 . 7 2.1.3 电梯的控制要求 . 8 2.2 电梯的工作原理 . 8 2.3 电梯的组成 . 9 2.4 电梯硬件分析 . 11 2.4.1 电梯曳引机部分 . 11 2.4.2 限位器和传感器部分 . 11 2.4.3 轿厢和开关门电动机部分 . 12 2.4.4 变频器部分 . 12 2.5 电梯的硬件工作原理 . 13 3 PLC 控制系统硬件设计 . 15 3.1 四层电梯主电路 . 15 3.1.1 四层电梯曳引电机及门电机电路图 . 15 3.1.2 PLC 外部接线图 . 15 3.2 I/O

4、点数的分配及机型的选择 . 17 3.2.1 I/O 点数的估算 . 17 3.2.2 输入 /输出的分配 . 17 3.2.3 机型的选择 . 18 3.2.4 STEP 7 概述 . 19 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 4 系统软件设计 . 21 4.1 四层电梯梯形图设计 . 21 4.1.1 PLC 的编程语言 . 21 4.1.2 电梯各程序的说明 . 21 5 结束语 . 32 6 致 谢 . 33 7 附录 . 34 8 参考文献 . 35 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 1 页 共 35 页 1 引言 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。

5、追溯电梯这种升降 设备 的历史 ,据说 最早 可追溯到公元前 236 年的古希腊。 而 1858 年在美国出现了以蒸汽机为动力的客梯 ,继而英国又出现了水压梯。 1889 年美国 奥的斯电梯公司率先使用电动机作为电梯的 传动动力 ,这才出现了世界上第一部名副其实的电梯 ,并使电梯开始趋于实用化。 1900 年，出现了第一台自动扶梯。 1949 年 又 出现了群控电梯 ,首批 4 6 台群控电梯在 美国 纽约的联合国大厦被投入使用。 1955年出现了小型计算机 (真空管 )控制 的 电梯。 1962 年美国 甚至还 出现了速度 高 达 8米 /秒的超高速电梯。 1963 年 ，世界上 一些先进工

6、业国 制成 了无触点半导体逻辑控制电梯。 1967 年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统 化，性能 也随之 提高。1971年集成电路 首次被应用于电梯，次 年又出现了数控电梯。 1976年微处理机开始 应用到 电梯 中 ，这使电梯的电气控制系统进入到了一个新的发展时期 1 。 电梯控制系统应采用随机逻辑控制方式控制。目前电梯的控制普遍采用两种控制方式：一 种 是采用微机作为信号控制单元，完成电梯的信号采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式 是 用可编程控制器（ PLC）取代微机实现信号集选控制。国内厂家大多数采用第二种方式， 原因在于用

7、PLC 控制有很 多优点：可靠性高，由于采取了一系类的 PLC 高可靠性的措施， PLC 的平均无故障时间（ MTBF）一般可达 3 5 万小时。另外 PLC 的环 境适应性也很强，它能在工业环境下可靠的 工作；编程简单，PLC 最常用的编程语言是梯形图语言。这种编程语言形象直观， 简单易懂， 容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员 使用和 掌握。当工作流程需要改变时， 又 可以现场改变程序，使用方便、灵活；体积小、结构紧凑、安装、维修方便。 PLC的体积小，重量轻，便于安装。 而且 一般 PLC都具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能 2 。 浙江广厦建设职业技术学院毕

8、业设计说明书 第 2 页 共 35 页 1.1 设计 的研究背景及意义 在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了 快速 发展， 不断满足社会经济快速发展和人民生活水平 日益 提高的需要，电梯作为一种重要的交通运输工具，已 成为城市物质文明的一种标志。电梯在 办公 大楼、公司、高层住宅、宾馆 酒店 等场所得到了广泛应用。 尤其 是在高层建筑中，电梯 更 是不可缺少的垂直运输设备。随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了 它 新的发展时期，载人电梯控制技术已经发展到了调频调压调速控制阶段，具有乘坐安全、运行可靠、舒适度较高等特点，其主流控制技术采用 PLC控制，

9、 并拥 有许多智能化控制功能。 150 多 年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方 面更是步步出新 -开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台 电梯 还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节 约 了行人的时间；如今，以美国奥的斯 电梯 公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善 维保 服务系统。 现在，电梯已 经 完全融入我 们的生产、生活 当 中，满足我 们的生活、学习及工作的需要。据统计，我国在用电梯已达 100 多万台，每年还 将 以约 5

10、 万至 6 万台的速度增长。电梯的作用越来越大，需求也越来越多。而我国现阶段 使用的先进电梯系统基本上是国外 研发 设计 和制造的，其核心技术并不 对外 公 开。 而中国 国内具有自主知识产权的控制方法和技术在实际的应用较少，与国外先进技术相比还有较大的差距。因此，尽快研究和掌握先进的控制技术，对国内电梯工业的发展 将 会有很大的促进作用。 本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器 (PLC)应用于 4 层电梯进行逻辑控制，通过合理 的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时 也 延长了 电梯的 使用寿命，缩短了 其 开发周期，并提高了 它 的控制水平，改善了电梯运行的舒

11、适 度 ，使电梯达到了较为理想的控制效果。本文所设计的电梯与传统的电梯相比， 由于在核心控制部分采用软件程序控制，从而在保证电梯正常运行的情况下，大大 提高了电梯故障检查与维修的方便性和容易性，同时还克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素， 在运行上具有良好的舒适感，在 实际 使用 中 还 可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了 预期 的 效果 。 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 3 页 共 35 页 1.2 PLC 及在电梯控制中的应 用特点 1.2.1 PLC 简介、特点及其应用领域 PLC 即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。 它 是一种

12、基于 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，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程 。 PLC 是一种专门为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该按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。其特点如下： （ 1） 使用 可靠

13、性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性 5。 （ 2）配套齐全，功能完善，适用性强。 PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模 的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能 外，现 代 PLC 系统 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、 速度控制、 温 湿 度控制、 CNC 等各种工业控制中。 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，

14、具有很强的适应性。 再 加上 PLC 通信能力的增强 ，以 及人机 交互 界面技术的 不断 发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 （ 3）易学易用，深受工程技术人员 的 欢迎。 PLC 作为通用工业控制计算机，是面向 广大 工矿企业的工控设备。它 的 接口 简单 容易，编程语言易于为工 程技术人员接受。梯形图语 言的图形符号与表达方式和继电器电路图非常 接近，只用 PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 （ 4）系统的设计、建造工作量小，维护方便， 易于 改造。 PLC

15、用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时 系统 维护也变得容易起来。更重要的是 这 使 得 同一设备经过改变程序 从而 改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 （ 5）体积小，重量轻 ，能 耗低。以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗只 有 数瓦。由于体积小 ，因此 很容易装入 到浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 4 页 共 35 页 机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 目前， PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺

16、、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业 和领域 ，使用情况大致可归纳为如下几类 6： （ 1）开关量的逻辑控制。 （ 2）模拟量控制。 （ 3）运动控制。 （ 4）过程控制。 （ 5）数据处理。 （ 6）通信及联网。 1.2.2 PLC 控制电梯的优点 PLC 在电梯控制上的应用主要体现在它的逻 辑开关控制功能。由于 PLC 具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。在电梯控制过程中，各种逻辑开关控制与 PLC 能够 很好的结合，很好的实现了对电梯的控制。本文主要讨论 和 研究利用 西门子 公司 的 可编程控制器对 一 部 四 层电梯的控制，形成电梯控制系统7。 电梯的电气系统由拖动系统和

17、控制系统两部分组成。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等 众多 缺点，正在 逐渐被淘汰。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 率 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 所要去的 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。 1.3 电梯变频调速控制的特点 随着电力电子技术、

18、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 8。 变频调速电梯的优点 : (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。 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 5 页 共 35 页 (2)变频调速电源使用了先进的 SPWM 技术 SVPWM 技

19、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，已逐渐取代直流电机调速 9。 (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， 大大 提高了 运行 效率和功率因数，节能明显。 1.4 设计 的主要内容 本 设计 的 主要任务是 在电梯机械模型和 PLC控制装置基础上， 完成 4层电梯控制器的电路设计、元器件选型、 PLC外部接口电路设计、控制器装配图与接线图设计、列出元器件清单、完成 PLC程序设计等内容。 电梯控制系统可分为电力拖动电路和电气控制电路两个主要部分。电力拖动电路主要包括电梯垂直方

20、向主拖动电路和 轿厢 开关电路。二者均采用易于控制的三相交流异步电动机作为拖动动力源。电气控制系统 则由众多呼叫按钮、传感器、控制用继电器、指示灯和控制部分的核心器件（ PLC）等组成。 PLC集信号采集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。电梯控制系统的硬件组成控制电路主要包括按钮编码输入电路、楼层传感器检测电路、发光二极管记忆灯电路、轿箱开关电路、楼层显示电路及一些其他辅助电路等。 系统控制软件设计由初始化、指令接收处理、电梯位置检测与处理、同行截车和 反向不 截车处理、 开关门控制处理、 电梯升降控制等模块组成 ，利用西门子（ SIEMENS）公司生

21、产的 S7-200 型 PLC 及其 扩展模块，使用丰富和功能强大的指令设计梯形图，调试并最终完成电梯控制。 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 6 页 共 35 页 2 电梯的概述 2.1 分析控制对象和确定控制范围 现代电梯主要 是 由 曳引机 （绞车）、导轨、 对重 装置、安全装置 (如限速器、安全钳和 缓冲器 等 )、信号操纵系统、轿厢与厅门等 部分 组成。这些部分分别安装于 建筑物的 专用 井道和机房中。 它 通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。电梯要求安全可靠、输送效率高、平层准确 及 乘坐舒适等。电梯的基本参数主

22、要有额定载重量、 轿厢外廓尺寸 、 可乘人数、额定速度 和井道型式等。 2.1.1本电梯控制系统实现的主要功能 1.电梯的基本功能 首要工作是确定 电梯本身所具有的功能和电梯在乘客进行某种操作后应具有的状态。 2.电梯内部功能简介 在电梯内部，应该有四个楼层（ 1 4 层）按钮、开门和关门按钮以及楼层显示器、上升和下行显示器。当进入电梯后，电梯里应该有能让乘客按下的代表其要去目的地的楼层按钮，称为内呼叫按钮。 电梯停下时，应具有开门、关门的功能，即电梯门可以自动打开，经过一定的延时后有可自动关闭。而且，在电梯内部也应有控制电梯开门、关门的按钮，是乘客可以在电梯停下时随时的控制电梯的开门与关门。

23、 电梯内部还应配有指示灯，用来显示电梯现在所处的状态，即电梯是上 升还是下降以及电梯所处在楼层的第几层，这样可以使电梯里的乘客清楚的知道自己所处的位置，离自己要到的楼层还有多远，电梯是上升还是下降等。 3.电梯外部功能简介 电梯的外部共分四层，每层都应该有呼叫按钮、呼叫指示灯、上升和下降指示灯，以及楼层显示器呼叫按钮是乘客用来发出呼叫的工具，呼叫指示灯在完成相应的呼叫请求之前应一直保持为亮，直到电梯响应为止。另外上升指示灯、下降指示灯、楼层显示器一样，都是用来显示电梯所处的状态的。 四层楼电梯中，一层只有上呼叫按钮，四层只有下呼叫按钮，其余两层都同时具有上呼叫和下呼叫按钮 。而上升、下降指示灯以及楼层显示器应相同。 4.电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析 电梯的初始状态，设电梯位于一层待命，各层显示器都被初始化，电梯处于