S7200系列PLC实现电梯模型控制.docx
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S7200系列PLC实现电梯模型控制
摘要
现代都市，电梯是高层住宅用户最亲密的伴侣，是一天也不可缺少的出行工具，与水、电、气等生活必须品具有同等重要的作用。
随着人们生活水平的不断提高，对电梯的期望越来越高，特别是电梯的可靠性、乘坐的舒适性、节能程度和运行速度等受到广泛关注。
传统的继电器电梯控制系统，由于可靠性低、体积庞大、反应速度慢等问题，已基本被淘汰，取而代之的是可编程控制器。
本文将基于可编程控制器的直流电机的电梯模型控制系统中，对此方法进行研究。
PLC在电梯升降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。
在电梯升降过程中，各种逻辑开关控制与PLC的结合，很好的实现了对电梯升降的控制。
本文在介绍了可编程控制器的原理的基础上，以直流电机为拖动设备，结合四层电梯的控制要求，提出了基于S7-200PLC电梯模型控制系统的实现方案。
首先就电梯运行部分选用普通继电器来实现电梯模型的设计，这里电梯轿厢的上下行以及轿厢门的开关都是通过控制电机的正反转来实现的，电梯轿厢运行的保护则是通过两个行程开关来完成的。
当电梯由于某种原因上行到四层而没有停止，而碰触到上升限位的行程开关则可以使电梯停止运行，下行同理。
而厢门的控制保护则是通过运用光电开关来实现的，当电梯轿厢门开到位时，挡住了光电开关使光敏三极管被截止，使门电机停止起到限位保护作用，关门限位的情况与之相同。
最后详细介绍了西门子S7-200PLC对电梯模型的控制要求，以及I/O口的分配和PLC梯形图的设计。
该系统能实现普通电梯的基本功能，并有超重报警，故障检修等功能。
关键词：
西门子S7-200PLC;电梯模型；梯形图；I/O分配
Abstract
Inmoderncities,elevatorisaclosestcompaniontohigh-risecustomersaswellasanindispensabletraveltool,whichisequallyimportantaswater,electricity,gasandothernecessitiesoflife.Withthecontinuousimprovementofpeople'slivingstandard,increasinglyhighexpectationofelevatorarewidespreadconcerned,especiallythereliability,ridecomfort,energyconservationandoperatingspeed.Duetolowreliability,bulkysizeandslowresponse,traditionalrelaysinelevatorcontrolsystemshavebasicallybeeneliminated,andreplacedbyprogrammablelogiccontrollers.Inthispaper,DCmotorbasedonprogrammablelogiccontrollerisappliedtotheelevatormodel,whichisgotdeepreaches.
PLCismainlyappliedinitslogicswitchcontrolintheelevatorcontrol.BecausePLChaslogicoperation,countingandtiming,anddatainputandoutputfunctions,thecombinationofalllogiccontrolswitchingandPLC,whichrealizedthemotioncontrolofelevator.
PrinciplesofprogrammablecontrollerandwithDCmotordrivenequipmentarepresented.Accordingtofour-storyelevatorcontrolrequirements,elevatorcontrolsystemisproposedbasedonS7-200PLC.Firstly,useanordinarypartoftheelevatorrunningrelaystoachievetheelevatormodeldesign,wheretheupperandlowerelevatorcarlineandthecardoorsareReversiblebycontrollingthemotortoachieve,theprotectionoftheelevatorcaroperationtwotripsthroughtheswitchtocomplete.Whentheelevatoruptothefourthfloorforsomereasondidnotstop,andtouchupthetriplimitswitch,youcanmakeelevatorsstoprunning,downthesamereason.Thecardoorcontrolprotectionisachievedthroughtheuseofphotoelectricswitches,andwhenthedooropenedandinplacewhentheelevatorcar,blockingthephotoelectricswitchisclosetophototransistortolimitthedoormotorprotectionfunctiontostopplay,closespacingofwiththesamesituation.FinaldetailsofS7-200PLCmodeloftheelevatorcontrolrequirements,aswellasI/OallocationandPLCladderdiagram.Thesystemcanachievethebasicfunctionsofordinaryelevator,andoverweightalarm,troubleshooting,andotherfunctions.
Keywords:
SiemensS7-200PLC;Ladderdiagram;Elevatormodel;I/Oallocation
第1章绪论
1.1电梯的的发展形势
1.1.1电梯的定义
电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，利用沿刚性导轨运行的箱体或者固定线路运行的梯级，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15度的刚性导轨之间，进行升降或者平行运送人、货物的机电设备。
例如：
载人（货）电梯、自动扶梯、自动人行道等。
我国对电梯制造与安全规范方面也颁布了其相应的标准，其中GB7588-2003就对电梯中的各个细节做出了明确要求和硬性指标[1][17]。
1.1.2电梯的发展史
作为升降设备，据说它起源于公元前236年的古希腊。
由阿基米德设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬机，之后该设计被认为是现代电梯的鼻祖。
1852年美国人伊莱沙.格雷夫斯.奥的斯发明了世界上第一部以蒸汽机为动力，配有安全装置的载人升降机。
这便是世界上第一部备有安全装置的客梯。
1889年，美国奥的斯升降机公司推出了世界上第一部以电动机为动力的升降机，把原有卷筒式改为槽轮式，采用直流调速系统，为长行程并具有高度安全性的现代电梯奠定了基础。
1967年国外将固体品闹管用于电梯拖动系统，利用晶间管取代直流发电-电动机组的同时，研制出了交流调压调速系统。
同年又将微处理器应用于电梯。
进入80年代出现的交流变频调速（VVVF）系统被认为是电梯行业的当代技术。
当前应用微机全面取代继电器控制逻辑实现闭环控制，进一步提高电梯的性能。
电梯的群控系统是现代电梯技术的又一重要组成部分。
为适应摩天大楼对电梯的特殊要求，目前正在研制无绳直线驱动电梯[1][14]。
1.1.3国内电梯发展概述
解放前我国只有2000多台电梯，几乎没有任何电梯生产企业，由60年代幵始起步，到70年代己初具规模。
1951年冬，天津（私营）从庆生电机厂生产出第一台由我国工程技术人员自己设计制造的电梯。
该电梯载重为1000KG,时速0.7m/s,交流单速，手动控制。
1976年，上海电梯厂为澳门葡京大酒店制造出直流快速群控电梯，时速1.7m/s，成为上海电梯厂最早生产的群控电梯。
1988年12月，上海三菱电梯生产了中国第一台变压变频控制电梯。
2002年，中国电梯行业电梯年产量首次突破6万台。
中国电梯行业自改革开放以来第三次发展浪潮正在掀起。
1.1.4电梯的发展状况与趋势
电梯的发展现状和趋势主要体现在以下几个方面：
1.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[1]。
2.电梯拖动技术方面
电梯的拖动技术有了较大的发展，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來愈广泛的应用。
交流拖动电梯更是得到迅速的发展，已由变极调速发展成为调压调速及调频调压调速（AC-VVVF），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，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，在短短的几年时间已占了曳引机总产量的55%左右，并且还有加速发展的趋势。
但有齿式曳引机来驱动主机目前在扶梯、自动人行道、旧梯改造和大功率电梯中仍有稳定的市场需求。
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。
同时，采用直线电机驱动的电梯也有较大研究空间，超高速电梯的舒适感也会明显提高。
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、电磁兼容性强、噪声低、寿命长、采用绿色装潢材料、与建筑物协调等[3]。
1.2设计方案比较
电梯控制方式主要分为三种，分别是继电器控制方式、微机控制方式和可编程控制器（PLC）控制方式，由于继电器控制存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短的缺陷现在已逐渐被淘汰，微机控制可靠性差故也不多采用，而PLC控制采用一种巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作。
又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等是它本身系统内存工作单元，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，因此，它比继电器控制有明显的优越性，比微机控制有明显的可靠性，自动化水平更高。
综上所述PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、优越性和实用性的控制方式，它更适合用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术，所以本次毕业设计采用可编程控制器（PLC）作为控制方式。
1.3题目研究的的意义与内容
1.3.1PLC电梯控制的优点
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。
③PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。
④PLC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。
由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。
因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。
1.3.2课题研究内容
本课题所研究的内容主要是用可编程控制器改造电梯自动控制系统。
首先对电梯系统及可编程控制器作了比较全面的总结和介绍。
接着阐述了电梯控制系统的分类及特点，确定了系统的总体结构，由PLC来实现电梯信号控制，然后是系统的硬件设计，完成了PLC的选型、I/O点数分配与PLC连接，用AUTOCAD软件画出PLC外部接口接线图和主电路图，在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出程序梯形图。
通过指导老师的指导，独立完成方案设计、系统设计、设备选型等工作。
第2章电梯及PLC系统的概述
2.1电梯设备
2.1.1电梯的分类
电梯的分类有各式各样:
（1）按用途分类客梯、货梯、医用梯等
（2）按速度分类低速电梯1m/s以下
中速电梯l-2m/s
高速电梯2lm/s以上
超高速电梯4m/s以上
（3）按驱动电源分类交流电梯速度一般小于2m/s
直流电梯速度一般大于2m/s
（4）按控制方式分类层间控制、简易集选控制、集选控制、无司机控制、群控等。
2.1.2电梯的重要组成部分
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[15]，如图2-1所示。
图2-1电梯结构图
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。
图2-2是典型的曳引机系统。
图2-2曳引控制系统
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2.0m/s），有减速箱、常用祸轮顿杆传动、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2.0m/s）,传动效率高、噪音小、传动平稳、但能耗大、造价高、维修不便[1]。
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着导轨作升降运动[5]。
导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。
3.轿厢和厅门
轿厢由轿架、轿底、轿壁和轿门组成;厅门一般有封闭式、中分式、双折式、双折中分式和直分式等。
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。
门系统由轿厢门、层门、开门机和门锁装置组成[3]。
4.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[12]。
系统主要由对重和重量补偿装置组成。
图2-3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--般収0.45-0.55之间）[6]。
图3
图2-3对重装置
5.电力拖动系统
电力拖动系统为电梯提供动力，由曳引电动机、供电系统、速度反馈装置、动调速装置组成。
曳引电动机是电梯上升、下降的动力源，供电系统保障电机及其他设备的提供电力，速度反馈装置反应电梯的运行速度，电动调速装置调节曳引机的转速，调速方法很多，目前比较成熟的是采用调频技术[3]。
6.电气控制系统
电气控制系统操纵、控制电梯的运行，由内外部按钮、显示装置、控制屏、平层装置等组成。
人们通过内外部按钮，选择需要达到的楼层，控制电梯的运行，显示装置用以显示电梯所在的楼层以及电梯运行的方向，控制屏根据使用者确定的逻辑要求，完成对电梯的运行控制，平层装置是发出平层控制信号，使得电梯到达目的楼层后，能够准备平稳的平层。
7.安全保护系统
安全保护系统是为了保护乘客的人身安全以及货物运输的安全。
在机械方面，有减速器、安全钳、缓冲器等保护装置。
当电梯运行速度超过一定速度，减速器和安全钳会起作用，停止轿厢运动，缓冲器起电梯撞底或者冲顶的缓冲作用。
在电气方面，每一个环节都有考虑电梯的安全问题。
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2-4中列出了电梯常见故障的事故处理方法[15][17]。
图2-4电梯常见故障的事故处理方案
2.1.3电梯总体控制功能
电梯的安全运行有以下一些主要控制要求:
1.检修状态
检修/自动运行：
ON时为自动状态，检修状态下设置手动慢上、手动慢下两种功能：
手动慢上：
在检修运行模式下的上行点动运行，在自动运行下的最高层的内召唤钮；手动慢下：
在检修运行模式下的下行点动运行，在自动运行下的最低层的内召唤钮。
2.消防状态
当消防开关闭合后电梯会立即消除所有的内外召指令，自动（超载，安全触板都无效）返回消防基站保持长开门（如电梯正在运行时会就近平层，不开门立即返回基站）并处于停用状态。
3.锁梯状态
当锁梯信号进入：
若此时电梯正在运行且已有数层内外选登记，此时电梯不响应任何外呼梯，只将所登记的内选层站输送完毕再自动返回锁梯基站（若无内选登记，则电梯直接返回锁梯基站）。
到基站后电梯不再响应任何内选；等待关门时间到达后电梯自动关好门，切断轿内的其他辅助设备和变频器的输入电源的输出，并关闭厅外及轿内楼层显示。
若此时有人员还留在轿厢内只需按下任一内选或开/关门按钮轿内照明立即恢复；按动开按钮开门后等待被动开门时间到后又自动执行关门，关好门后再切断以上所述的设备。
锁梯状态下的其检修，消防状态优先执行。
4.自动状态[16]
（1）开关门
①本层呼梯开门：
如电梯未起动且门已关上或正在关闭，按本层呼梯，轿门自动打开。
②自动关门时间延长（开门延长时间）设置：
电梯须配有关门延时按钮。
在无司机状态下，开门后按下此按钮，则本次电梯自动开门保持时间延长为设置的开门延长时间。
③催关门信号：
当电梯正常运行时，有人为遮挡光幕或长按开门钮时，在一定时间内末有关门信号，系统会发出警报，借用超载载蜂鸣器报警。
（2）电梯位置的确定与显示
轿厢中的乘客及门厅中等待电梯的人都需要知道电梯的位置，因而轿厢及门厅中都设有以楼层标志的电梯位置。
但这还不够，电梯的运行还需要更加准确的电梯位置信号，以满足制动停车等控制的需要。
传统电梯的位置信号一般由设在井道中的位置开关，如磁感应器提供，当轿厢上设置的隔磁板插入感应器时，发出位置信号，并启动楼层指示。
（3）轿厢内的运行命令及门厅的召唤信号
司机及乘客可按下轿厢内操控盘上的选层按钮选定电梯运行的目的楼层，此为内选信号。
按钮按下后，该信号应被记忆并使相应的指示灯点亮。
等候电梯的乘客可以按门厅的上行或下行召唤信号，此为外唤信号。
该信号也需记忆并点亮门厅的上行或下行指示灯，这些保持信号在要求得到满足时自动消除。
（4）信号响应
电梯自动运行时应根据内选及外唤信号，决定电梯的运行方向及在哪些站点停站。
一般情况下电梯在运行方向确定之后，不响应中途的反向呼唤要求，直到到达本方向的最远站点才开始返程。
（5）轿厢的启动与运行
轿厢在运行方向确定，轿厢门已关好时启动运行，运行的初始阶段是加速运行阶段，其后是稳定运行阶段。
（6）轿厢的平层与停车
轿厢运行后需确定在哪一层站停车，平层即是指停车时，轿厢的底与门厅“地平面”应相平齐。
平层停车过程需在轿厢底面与停车楼面相平之前开始，先是减速，再是制动，以满足平层的准确性及乘客的舒适感。
传统电梯的平层开始信号由平层感应器发出。
上平层感应器及下平层感应器装在轿厢顶部，隔磁板安装在井道壁上。
上行时，上平层感应器首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至下平层感应器插入隔磁铁板时，发出开门及停车信号，电动机停转，抱闸抱死:
下行时下平层感应器首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至上平层感应器插入隔磁铁板时，发出开门及停车信号。
（7）满载直驶
满载状态时电梯只响应内召召唤，但会登记外召的召唤，不执行派车外召，满载消除后才会执行派车。
5.电梯保护
（1）光幕（安全触板）保护
关门过途中安全触板或光幕动作时，应立即停止关门指令输出，执行开门指令，门开到位后再重新关门；如安全触板或光幕动作不消除则不执行关门输出指令。
检修状态下光幕无效。
（2）超载保护
电梯超载时不会执行关门指令也不再接受外部的关门信号，并输出超载报警提示，等超载排除后自动恢复正常。
（3）门联锁保护
全部门联锁都闭合，电梯方能运行。
如运行中门联锁断开电梯将停止运行。
（4）上下限位保护
检测到上或下限位开关动作时，系统将立刻停止同方向的运行，但可以执行反方向的检修运行。
（5）热保护
当电梯在运行过程中如遇马达温度报警时，电梯应立即就近平层开门放人。
不再执行关门指令，同时内外召唤都不能响应，如在故障发生前有登记内外召唤时，应立即消号。
2.2可编程控制器的概述
2.2.1可编程控制器的定义
PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义：
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境中而设计的。
它采用一类可编程的控制器，用于其内部存储程序执行逻辑运算，顺序控制，定时，技术与运算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。
2.2.2可编程控制器（PLC）的基本结构
1.PLC的硬件结构
可编程控制器作为工业计算机，其组成也与计算机的组成基本相同，由微处理器CPU、存储器、输入/输出单元、电源部件、编程器等组成，如图2-5所示[3]。
图2-5PLC基本结构
（1）微处理器
微处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。
与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作。
用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。
CPU主要完成运算和控制功能。
PLC在CPU的控制下，使得控制器有条不紊的工作，实现对现场信号的采集和现场设备的控制。
CPU的主要任务有：
控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据；并存人输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根
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