基于西门子S7200 PLC的八层电梯控制系统设计.docx

1、基于西门子S7200 PLC的八层电梯控制系统设计基于西门子S7-200 PLC的八层电梯控制系统设计1 绪论 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于人们的日常生活密不可分。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，而呼叫时随机的，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。目前电梯的控制普遍采用了两种方式：一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则

2、由变频器来完成；第二种是用可编程控制器(PLC)取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大区别。国内厂家大多是采用第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高，但PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。本设计正是采用西门子S7-200系列PLC控制的。2 电梯的概述2.1 电梯的起源与发展 电梯在汉语词典中的解释为：建筑物中用电作动力的升降机,代替步行上下的楼梯。 电梯的起源要从公元前2600年埃及人在建造金字塔时使用了最原始的提升系统说起，但这一类起重机的能源均为人

3、力。到了1203年，法国的二修道院安装了一台起重机，所不同者只是该机器是利用驴作为动力，载荷由绕在一个大滚筒上的绳子进行起吊。此种方法一直沿用到近代直到瓦特发明了蒸汽机，约在1800年，煤矿主才能利用起重机把矿井中的煤输送上来。 数百年来人们制造过各种类型的升降梯，它们都具有一个共同的缺陷：只要起吊绳突然断裂，升降梯便急速地坠落到底层。 1854年奥的斯设计了一种制动器：在升降梯的平台顶部安装一个货车用的弹簧及一个制动杆与升降梯井道两侧的导轨相连结，起吊绳与货车弹簧连结，这样仅是起重平台的重量就足以拉开弹簧，避免与制动杆接触。如果绳子断裂，货车弹簧会将拉力减弱，两端立该与制动杆咬合，即可将平台

4、牢固地原地固定免继续下坠。“安全的升降梯”发明成功了！一时间，奥的斯成了众人注目的中心。第一台升降机并非奥的斯所发明，但他却是第一台“安全”升降梯的发明者。“安全”这一概念不仅开创了升降梯工业，而且也为那些想建造更高层建筑物以增加更多可利用空间的设计们打开了通途。然而真正能够称为电梯（用电能驱动升降梯）的产品应该是在20世纪初才出现的。 在20世纪初，美国OTIS电梯公司首先使用直流电动机作为动力，生产出以槽轮式驱动的直流电梯。从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异的发展着。目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘坐舒适。当今世界，部分地区人口高度密集，人和土地资源短缺的

5、矛盾日趋激化。这就注定了必须合理地利用土地去解决人与土地的矛盾。而兴建高层建筑是其中的有效措施之一。因此，能使人们快速、便捷地到达目的楼层的电梯便应运而生了。在一些发达国家和地区，人均电梯拥有数量一般在每万人30台以上，某些国家甚至达到每万人120台以上，随着城镇化程度的加大，电梯市场会更加繁华。中国的电梯市场增长也很乐观，目前，每年增长率为15%18%。随着电梯普及率的升温，人们对电梯的要求也会越来越高。如何更安全、更快捷地到达目的楼层，也就成了人们对电梯最为根本的要求。而电梯系统里掌控这方面技术参数的是电梯控制系统。因此，控制系统的设计就成了在电梯设计领域里最为核心的技术。 目前国内电梯电

6、梯市场中，电梯用户不但对产品质量要求高，而且对新技术的接受很快，所以变频变压调速技术、无机房电梯、永磁同步拖动技术、计算机控制技术、远程监控技术等推广迅速；随着我国城市化、城镇化和村镇化建设步伐的加快，尤其是西部大开发战略的实施，住宅建设势头不减，商场、机场和地铁项目明显增多，住宅电梯、自动扶梯和自动人行道的需求量继续看好；电梯是一种售后服务工作量特别大的机电产品，其使用可靠性不但取决于产品的制造与安装，而且更大程度上取决于完善的维修与保养。在用电梯总量的不断增加给维修服务业带来了发展机遇；配套件的专业化生产对提高产品质量、降低生产成本具有十分积极的作用，受到了许多电梯公司和维修保养单位的欢迎

7、，仍然有发展空间。为了更好地适应市场要求，电梯企业目前应该注意进一步遵守市场行为规范，努力培育自主开发能力，组建完善的维修保养和售后服务网络，不断提高国产电梯和民族品牌的市场竞争力。 在电子技术飞速发展的今天，现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，加速了电子设计技术的普及进程及技术革新。电子设计在日常生活和物质产品生产都占到了举足轻重的地位，这尤其体现在其对电子产品的开发和设计上。 面对如此广袤的电梯市场，所谓“科技就是第一生产力”，处于科技前沿的电子设计技术很自然地就与电梯控制设计一拍即合，给设计师们以

8、巨大的设计空间。因此，本设计就是希望在以开发更安全、更快捷的八层电梯控制系统为前提下，结合PLC控制技术，对电梯控制进行设计。2.2 电梯的分类 根据建筑的高度、用途及客流量（或物流量）的不同，而设置不同类型的电梯。目前电梯的基本分类方法大致如下: (1)按用途分类：乘客电梯，载货电梯，医用电梯，杂物电梯，观光电梯，车辆电梯，船舶电梯，建筑施工电梯，建筑施工与维修用的电梯。其它类型的电梯，除上述常用电梯外，还有些特殊用途的电梯，如冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯、消防员用电梯等。(2)按驱动方式分类：交流电梯，根据拖动式又可分为交流单速、交流双速、交流调压调速、交流变压变频调速等。直流电

9、梯，用直流电动机作为驱动力的电梯。这类电梯的额定速度一般在2.00m/s以上。液压电梯，一般利用电动泵驱动液体流动，由柱塞使轿厢升降的电梯。齿轮齿条电梯，将导轨加工成齿条，轿厢装上与齿条啮合的齿轮，电动机带动齿轮旋转使轿厢升降的电梯。螺杆式电梯，将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹，再将带有推力轴承的大螺母安装于油缸顶，然后通过电机经减速机（或皮带）带动螺母旋转，从而使螺杆顶升轿厢上升或下降的电梯。直线电机驱动的电梯，其动力源是直线电机。(3)按速度分类 低速梯，常指低于1.00m/s速度的电梯。 中速梯，常指速度在1.002.00m/s的电梯。 高速梯，常指速度大于2.00m/s的电梯。 超高速

10、梯，速度超过5.00m/s的电梯。(4)按电梯有无司机分类有司机电梯，电梯的运行方式由专职司机操纵来完成。无司机电梯，乘客进入电梯轿厢，按下操纵盘上所需要去的层楼按钮，电梯自动运行到达目的层楼，这类电梯一般具有集选功能。有/无司机电梯，这类电梯可变换控制电路，平时由乘客操纵，如遇客流量大或必要时改由司机操纵。（5）按操纵控制方式分类 手柄开关操纵，电梯司机在轿厢内控制操纵盘手柄开关，实现电梯的起动、上升、下降、平层、停止的运行状态。 按钮控制电梯：是一种简单的自动控制电梯，具有自动平层功能，常见有轿外按钮控制、轿内按钮控制两种控制方式。 信号控制电梯，这是一种自动控制程度较高的有司机电梯。除具

11、有自动平层，自动开门功能外，尚具有轿厢命令登记，层站召唤登记，自动停层，顺向截停和自动换向等功能。 集选控制电梯，是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控制的电梯，与信号控制的主要区别在于能实现无司机操纵。 并联控制电梯，23台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制，共用层站外召唤按钮，电梯本身都具有集选功能。 群控电梯，是用微机控制和统一调度多台集中并列的电梯。群控有梯群的程序控制、梯群智能控制等形式。（6）其它分类方式 按机房位置分类，则有机房在井道顶部的（上机房）电梯、机房在井道底部旁侧的（下机房）电梯，以及有机房在井道内部的（无机房）电梯。 按轿厢尺寸分类，则经常使用“小型”、“超大型”等

12、抽象词汇表示。 此外，还有双层轿厢电梯等。 （7）特殊电梯 斜行电梯，轿厢在倾斜的井道中沿着倾斜的导轨运行，是集观光和运输于一体的输送设备。特别是由于土地紧张而将住宅移至山区后，斜行电梯发展迅速。 立体停车场用电梯，根据不同的停车场可选配不同类型的电梯。 建筑施工电梯，是一种采用齿轮齿条啮合方式（包括销齿传动与链传动，或采用钢丝绳提升），使吊笼作垂直或倾斜运动的机械，用以输送人员或物料，主要应用于建筑施工与维修。它还可以作为仓库、码头、船坞、高塔、高烟囱的长期使用的垂直运输机械。2.3 电梯的结构电梯的结构包括：四大空间、八大系统。四大空间：机房部分、井道及地坑部分、轿厢部分、层站部分。八大系

13、统：曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统。2.4 电梯交流调速方法的发展交流电梯调速方法经经历了由简单到复杂、由低级到高级的发展历程。分析这些方法，可以大致将电梯交流调速的发展历史划分为如下三个阶段。第一个阶段主要在上世纪70年代，其主要标志是交流双速电梯，该方法采用改变牵引电机极对数来实现调速。这种电梯结构简单、价格低廉、使用和维护都很方便，但调速不够平滑、舒适感较差。第二个阶段主要在上世纪80年代，主要使用交流调压调速方法，其性能优越于交流双速电梯。调压调速的方法是通过改变三相异步电机定子端的供电电压实现电机的调速，其制动多采用能耗制动。

14、第三个阶段开始于上世纪90年代，变压变频调速电梯（VVVF电梯）开始占据了世界电梯的市场。VVVF电梯通过调节电机定子绕组供电电压的幅值和频率来实现转速的调节。由于变压变频调速（VVVF）的良好特点，目前新制造的电梯都实现了调压调频调速控制。VVVF电梯以其独特的先进技术和性能，实现了节能、快速、舒适、平层准确、低噪音、安全等目标。由于其优越的调速性能、显著的节能效果，在很多应用场合已取代交流调压调速电梯而成为现在电梯市场的主流。3 PLC的概述.3.1 PLC的定义及特点（1）PLC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

15、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。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 为了避免与个人计算机PC（Personal Computer）相混淆，所以改为PLC（Programmable Logic Controller）即可编程逻辑控制器，但从功能上讲，现在的PLC早已不是原来意义上的“PLC”了。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并

16、不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。（二）PLC特点（1）可靠性高，抗干扰能力强 （2）编程简单，使用方便（3）控制程序可变，具有很好的柔性 （4）功能完善 （5）扩充方便，组合灵活 （6）减少了控制系统设计及施工的工作量 （7）体积小、重量轻，是“机电一体化”特有的产品3.2 PLC的结构和工作原理1、PLC的结构 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示： 二、PLC的工作原理: （一）扫描技术 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三

17、个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 （1） 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (2) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条

18、梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能

19、到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 (3) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。3.3 PLC控制电梯的优点 1、在电梯控制中采用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。

20、 6、更改控制方案时不需改动硬件接线。4 变频器概述4.1 变频器的选择随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存在，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究。20世纪60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在

21、最节能的转速下运行，且具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点。电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。实现变频调速的装置称为变频器。所以本设计采用变频器进行调速。目前，交流变频调速在电梯行业中得到广泛的应用，而且为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强，使用灵活，但其价格较贵。因此本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器（安川616G5），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。 4.2 VS-616G5型通用变频器电梯调速系统通用变频VS-616G5可直接控制交流异步电动机的电流，使电动机保持

22、较高的输出转矩；它适合用于各种应用场合，可以低速下实现平稳起动并且极其精确地运行，其自动调整功能可使各种电动机达到高性能的控制。VS-616G5将U/F控制、矢量控制、闭环U/F控制、闭环矢量控制四种控制方式融为一体，其中闭环矢量控制是最适合电梯控制要求的。变频器的配置及容量选择：VS-616G5变频器用在电梯调速系统中时，必须配PG卡及旋转编码器，以供电动机测速及反馈。旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B、两相脉冲，当 A相脉冲超前B相脉冲90时，可认为电动机处于正转状态。当A相脉冲滞后于B相脉冲90时可认为电动机处于反转状态，旋转编码器根据AB相脉冲的相序，可

23、判断电动机旋转方向，并根据AB脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反馈信号送给616G5内部，以便进行运算调节。AB两相脉冲波形图如图4.1所示。VS-616G5用在电梯调速系统中时，还必须配置制动电阻。当电梯减速运行时，电动机处于发电状态，向变频器回馈电能。这时同步转速下降，交-直-交变频器的直流部分电压升高，制动电阻的作用就是消耗回馈电能。抑制直流电压升高。 4.3变频器的结构及参数设置变频器的硬件结构一般由以下几个部分组成：整流单元、逆变单元、滤波单元、计算机控制单元、主电路接线单元、控制电源接线端子、控制端子、冷却风扇、功能单元、旁路接触器。VS-6

24、16G5变频器共有9组参数。每一组参数的设计都具有特定的含义。参数如表4.1所示。表4.1 变频器参数参数功能A组确定控制模式B组应用C组学习D组指令关系E组电机参数F组选择H组外部端子功能L组保护功能O组操作器VS-616G5 在设计中参数设置如表4.2所示： 表4.2 VS-616G5参数设置A1-0 1=4存取级别为ADVANCEDA1-0 2=3带PG的矢量控制B1-0 1=0主速来自D1-01C1-0 1=3s加速时间3sC1-0 2=3s减速时间3sC2-0 1=0.8s加速开始时的S曲线特性时间C2-0 2=0.8s加速完成时的S曲线特性时间C2-0 3=0.8s减速开始时的S曲

25、线特性时间C2-0 4=0.8s减速完成时的S曲线特性时间C5-0 1=5速度环比例，舒适感不好时在540间调整C5-0 2=1s速度环积分，舒适感不好时在0.55s间调整D1-0 2=50Hz快车速度D1-0 3=6Hz爬行速度D1-0 9=10Hz慢车速度E1-0 1=380V输入电压E1-0 4=50Hz最高输出频率E1-0 5=380V最大电压输出E2-0 1=24.4A电动机的额定电流（按电动机铭牌输入）E2-0 4=6电极极数（按电动机铭牌输入）H2-0 1=37变频器输出端子9-10为运转中2H3-0 5=1F选D1-02不选端子16输入L3-0 4=0失速防止无效L6-0 1=

26、4过转矩检出动作选择L6-0 3=10s过转矩检出时间1L6-0 4=4过转矩检出动作选择2L6-0 5=200过转矩检出标准2L6-0 6=2s过转矩检出时间2L8-0 1=1制动电阻过热L8-0 5=1输入缺相L8-0 7=1输出缺相F1-0 1=600PG脉冲数F1-0 5=1/0编码器方向出错时更改其他参数按变频器出厂时的设定值4.4变频器自学习功能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，VS616G5就具有曳引机参数自学习功能，其方法是将曳引机制动轮与电动机轴脱离，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，

27、变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。这样就可以使变频器对电机进行最佳控制。4.5变频器容量及制动电阻参数的计算（一）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，电梯运行速度为V，电梯自重为，电梯载重为，配重为，重力加速度为g，变频器功率为P。在最大载重下，电梯上升所需要曳引功率为： 其中为摩擦力，可忽略电动机功率，变频器功率P 应接近电机功率 ，相对于留有安全裕量，可取。（二）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，所以变频器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

28、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的值不超过变频器额定电流的一半，即： 式中为额定情况下变频器的直流母线电压制动电阻的功率： 5 电梯控制系统的设计5.1 信号控制系统电梯信号控制基本由PLC软件来实现，电梯信号控制系统如图5.1所示，输入到PLC的控制信号有运行方式选择、运行控制、轿内指令、层站外呼召唤、安全保护信息、旋转编码器、开关门、门区和平层信号等。5.2 电梯控制系统实现的功能（1）开始时，电梯处于任意一层。（2）当有外呼电梯信号到来时，轿厢响应该呼梯信号，达到该楼

29、层时，轿厢停止运行，轿厢门打开，当没有人员进出时，延时5秒后自动关门，或者按关门按钮关门。（3）当有内呼电梯信号到来是，轿厢响应该呼梯信号，达到该楼层时，轿厢停止运行，轿厢门打开，当没有人员进出时，延时5秒后自动关门，或者按关门按钮关门。（4）在电梯轿厢运行过程中，即轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼信号均不响应，但如果反方向外呼梯信号前方再无其他内、外呼梯信号时，则电梯响应该外呼梯信号。（5）电梯具有最远反向外呼梯功能。（6）电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯轿厢停止运行后，按开门按钮轿厢开门，按关门按钮轿厢关门。5.3 速度控制及平层控制电梯作

30、为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停靠准确，电梯的运行曲线如图 5.2所示。但在现场调试时，应使爬行段尽可能短，并要求在各种负载下都大于零为标准来调整减速起始点。随着科技的发展，人们对电梯的要求不断提高：不仅速度更快、提升高度更高，还要占地少和运营成本低。同时还不能丝毫损失乘客舒适性。乘坐舒适必然要求平稳启动和连续加速已经柔和制动和准确抵达目的位置，要做到这些的关键是准确发出减速信号和平层信号，在接近层楼面时按距离精确自动矫正速度给定曲线。采用变频器调速双闭环控制可基本满足要求。利用旋转编码器在构成速度闭环的同时，也可构成位置闭环控制。 旋转编码器的

31、输出一般为A和A、B和B两对差动信号，可用于位置和速度测量，A和A、B和B四个方波被引入PG卡，经辨向和乘以倍率后，变成代表位移的测量脉冲，将其引入PLC高速计数端，进行位置控制。本系统采用相对计数方式进行位置测量。运行前通过编程方式将各信号，如换速点位置、平层点位置等所对应的脉冲数，分别存入相应的内存单元，在电梯运行过程中，通过旋转编码器检测、软件实时计算以下信号:电梯所在层楼位置、换速点位置、平层点位置，从而进行楼层计数、发出换速信号和平层信号。 电梯运行中位移的计算如下:式中S: 脉冲当量 I: 累计脉冲数 H: 电梯位移 式中D:曳引轮直径 : PG卡的分频比:减速器的减速比 P:旋转编码器每转对应的脉冲数本系统中=1/32 D=580mm =1450r/min P=1024 =1/18 代入得S=1.00 mm/脉冲 设楼层的高度为4