四层电梯设计.docx
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四层电梯设计
课程设计任务书
２０１３年春季学期
学生姓名
学号
专业方向
班级
题目名称
四层电梯自动控制系统设计
一、设计内容及技术要求：
1.采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。
电梯的上、下行由由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。
2.电梯的开关门由一台电机的正反转控制实现，电机正传表示轿厢开门，电机反转表示轿厢开门控制。
3.楼层呼叫按钮及电梯内按钮按下，电梯未达到相应楼层或未得到相应的响应时，相应指示灯一直接通指示。
4.当电梯在禁止或者运行时，电梯到达某一层是电梯外显示该层信号，直到下一平层到达。
5.电梯运行时，电梯开门与关门按钮不起作用，电梯到达停在各楼层时，电梯开门与关门动作可由电梯开门与关门按钮控制，也可延时自动进行开关控制，并且在有人进入时，重新启动计时关门定时器。
6.电梯拖动电动机控制电路有各种常规电气保护，如短路保护、过载保护、正反转互锁等。
二、课程设计总结报告要求：
1.根据控制要求进行电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。
2.分析电梯所有可能运行的方式，并依此编制电梯运行PLC控制程序。
3.编写设计说明书，内容包括：
（1）设计过程和有关说明。
（2）基于PLC的电梯电气控制系统电路图。
（3）PLC控制程序（梯形图和指令表）。
（4）参考资料、参考书及参考手册。
（5）其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决办法、对课程设计的认识和建议等。
三、设计进度
第一周：
星期一上午讨论设计题目
星期一下午至星期二查资料
星期三至星期五完成对硬件电路的基本设计
第二周：
星期一至星期二完成软件流程图及软件设计
星期三至星期四软硬件系统调试，写说明书，画图
星期五答辩
指导教师签字：
一、设计的目的及意义1
二、设计任务2
三、方案选择3
3.1电梯继电器控制系统的特点3
3.2PLC控制电梯的特点4
四、PLC硬件系统的设计5
4.1四层电梯曳引电机及门电机电路图5
4.2机型的选择5
4.3I/O点数的估算6
4.4输入/输出的分配6
4.5PLC外部接线图7
五、系统软件设计9
5.1PLC的编程语言9
5.2程序流程图10
5.3程序梯形图11
5.4程序仿真19
附录A23
参考文献24
一、设计的目的及意义
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迅速的发展，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。
特别是在高层建筑中，电梯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新的发展时期,电梯控制技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。
本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器（PLC）应用于四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，同时延长了使用寿命，缩短了电梯的开发周期，并提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，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，在运行上具有良好的舒适感，在生活中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。
二、设计任务
（1）初始时没有呼叫信号时，电梯处于任意层，且在没有呼叫信号是电梯禁止不动。
（2）根据电梯最早记忆信号，再判断是上行还是下行。
即就是电梯的定向。
电梯的定向根据初始信号的状态可分为两种。
一种是指令定向，指令定向即是把电梯的指令与初始状态相比较再执行“上行”或“下行”。
第二种是呼梯定向，呼梯定向是根据呼梯信号的来源位置与当前电梯位置比较，得出“上行”或“下行”结论。
（3）一个方向的任务执行完要换向时，依据最远站换向原则。
例如，电梯在一楼根据二楼指令向上，此时三楼、四楼分别在呼梯向下信号。
电梯到达二楼停站，下客后继续向上。
如果到三楼停站换向，则四楼的要求不能兼顾，如果到四楼停站换向，则到三楼可顺向截车。
（4）电梯在运行过程中，轿厢在任何相反方向上升（或下降）的外乎信号都不响应。
如果在相反方向没有外呼信号时，则电梯响应同方向外呼信号。
（5）电梯在关门之后电梯才可运行，且上行或下行指示灯显示。
（6）电梯不在平层或运行时，开门关门按钮开关不起作用。
到达平层后，停止2s之后轿厢门自动打开，轿厢门打开后经6s后电梯门自动关闭，且如果有人进入时重新计时6s后再关闭。
且开关门信号可手动控制。
三、方案选择
3.1电梯继电器控制系统的特点
电梯继电器控制系统的优点
（1）所有控制功能及信号处理均有硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。
（2）系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。
（3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜。
（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已经形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。
电梯继电器控制系统的缺点
（1）系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。
（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。
（3）电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。
（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
（5）由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大。
费用高；而且检查故障困难，费时费工。
总之，电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘客人员带来不便和惊扰。
且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。
所以目前电梯的继电器控制已经很少使用了。
3.2PLC控制电梯的特点
PLC控制电梯的优点
随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。
电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。
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很好的结合，很好的实现了对电梯的控制。
电梯的电气系统由拖动系统和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、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。
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。
通过以上对比，最终选择利用西门子公司可编程控制器（PLC）对四层电梯进行控制，形成电梯控制系统。
四、PLC硬件系统的设计
4.1四层电梯曳引电机及门电机电路图
根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如4.1图所示。
图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1～KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。
FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。
FU1为熔断器，起过电流保护作用。
图4.1电气控制系统主回路原理图
4.2机型的选择
控制器使用了德国西门子的PLC，其型号为S7-200可编程控制器S7—200的CPU226输入，输出点数为24／16。
足以满足要求。
S7-200系列是一类可编程控制器。
这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以满足小规模的控制要求。
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是具有很强的适应性。
SIMATIC小型S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及
控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
S7-200系列出色表现在以下几个方面：
极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块等。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
4.3I/O点数的估算
采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。
电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。
一层有上升呼叫按钮SB5和指示灯L5，二层有上升呼叫按钮SB6和指示灯L6以及下降呼叫按钮SB8和指示灯L8，三层有上升呼叫按钮SB7和指示灯L7以及下降呼叫按钮SB9和指示灯L9，四层有下降呼叫按钮SB10和指示灯L10。
一至四层有到位行程开关SQ1～SQ4。
电梯内有一至四层呼叫按钮SB1～SB4和指示灯H1～H4；电梯开门和关门按钮SB11和SB12，电梯开门和关门分别通过电磁铁KM3和KM4控制，关门到位由行程开关SQ6检测，开门到位由行程开关SQ5检测。
电梯上升、下降极限限位开关SQ7、SQ8轿厢上行和下行由接触器KM1和KM2控制，并有上行记忆和下行记忆两路指示灯L11和L12。
综上所述，输入点共20个，输出点共有16个。
可编程控制器S7—200的CPU226输入，输出点数为24／16。
足以满足要求。
4.4输入/输出的分配
该系统占用PLC的36个I/O口，20个输入点，16个输出点，具体的I/O分配如表
（1）所示：
表
（1）I/O分配
序号
名称
输入点
序号
名称
输出点
0
一层平层
I0.0
0
电梯上行记忆
Q0.0
1
二层平层
I0.1
1
电梯下行记忆
Q0.1
2
三层平层
I0.2
2
电机正转
Q0.2
3
四层平层
I0.3
3
电机反转
Q0.3
4
内呼一楼
I0.4
4
内呼一楼指示
Q0.4
5
内呼二楼
I0.5
5
内呼二楼指示
Q0.5
6
内呼三楼
I0.6
6
内呼三楼指示
Q0.6
7
内呼四楼
I0.7
7
内呼四楼指示
Q0.7
8
一层外呼上行
I1.0
8
一层外呼上行指示
Q1.0
9
二层外呼上行
I1.1
9
二层外呼上行指示
Q1.1
10
三楼外呼上行
I1.2
10
三楼外呼上行指示
Q1.2
11
二楼外呼下行
I1.3
11
二楼外呼下行指示
Q1.3
12
三楼外呼下行
I1.4
12
三楼外呼下行指示
Q1.4
13
四楼外呼下行
I1.5
13
四楼外呼下行指示
Q1.5
14
手动开门
I2.0
14
门电机正转
Q1.6
15
手动关门
I2.1
15
门电机反转
Q1.7
16
开门限位
I2.2
17
关门限位
I2.3
18
电梯上升极限位
I2.4
19
电梯下降极限位
I2.5
4.5PLC外部接线图
本设计的PLC外部接线图如图4.2所示。
CPU226CN的传感器电源24V（DC）可以输出600mA电流，通过核算在本设计中PLC容量完全满足要求，CPU226CN的输出继电器触点容量为2A，电压范围为5～30V（DC）或5～250V（AC）。
图4.2PLC外部接线图
五、系统软件设计
5.1PLC的编程语言
程序（梯形图）在PLC中并非同时执行，而是按照网络的顺序依次执行的。
运行完最后一个网络后，重新回到网络1开始下一轮循环，所以任务在PLC中是扫描循环执行的。
PLC程序是PLC指令的有序集合，PLC运行程序就是按一定的顺序，执行这集合中的一条条指令。
指令是指示PLC动作的文字代码或图形符号。
使用的编程语言不同，这些文字代码和图形符号就不相同。
但从本质上来讲，指令的实质都是二进制机器码。
同普通的计算机一样，PLC的编程软件通过编译系统把PLC程序编译成机器代码。
PLC提供了功能较为完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。
利用PLC的编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器控制的硬件接线，也就是所谓的“可编程序”。
PLC的编程语言一般有五种：
顺序功能图、梯形图、功能块图、指令表和结构文本。
其中，顺序功能图、梯形图、功能块图是图形编程语言，指令表和结构文本是文字语言。
梯形图是目前使用最广泛的PLC图形编程语言，梯形图与继电器控制系统的电路图相似，比较易于掌握、程序表达清楚。
本系统PLC程序的编制采用梯形图语言，编程软件为STEP7。
该软件能够完成制作程序、对可编程控制器CPU的写入/读出、监控程序运行、调试程序、PLC错误诊断等一系列功能。
5.2程序流程图
图5.1流程图
5.3程序梯型图：
1．外召唤信号登记及消除
如图5.2所示，厅外召唤指令具有登记指示，到层取消。
以网络3三楼下呼为例，当外召唤下呼I1.4信号输入，且电梯不在三层（即M4.2不动作）时，Q1.4形成自己锁，保持并显示外信号登记状态，而当电梯到达到三层时，M4.2的触点动作，并且当电机在反转下行时（电梯上行经三层不消除下行信号）Q0.2和Q1.4都将断开，消除信号。
图5.2外召唤信号登记及消除程序段
2.内指令信号登记及消除
如图5.3所示，点动内呼按钮以内呼一楼为例，形成I0.4输入信号自锁并登记显示。
当轿厢到达一楼，一层平层信号I0.0将断Q0.4使内呼信号取消。
如此就达到了内呼信号登记显示，以及电梯平层后内呼信号取消。
另外，本系统设一楼为基站，两分钟内无任何操作，电梯自动返回一楼。
如图5.3中网络11所示，当电机无正反转120秒即2分钟网络7中T40触点闭合，自动内呼一楼，随即电梯返回一楼。
图5.3内指令信号登记及消除程序
3.电梯的平层信号处理
如图5.4所示，当电梯平层时，由辅助继电器来给辅助例如停车信号，登记消除，开始接收上、下行信号记忆等平层需要处理的动作。
图5.4电梯的平层信号处理程序段
4.选层定向及忽略反向截梯
如图5.5所示，电梯的上行主程序和下行主程序类似，以上行来说，上行要进行确定电梯上行目标层程序的调用，在上行状态接通，但电梯同时不处于下行状态，保证电梯处于上行状态时电梯才执行这一段程序段，在PLC的每一个扫描周期其上行程序都要调用确定上行最近目标层的程序，以便更改电梯的目标层。
轿厢上行如图5.5a所示，网络16-19共同组成电梯内、外呼所接收的上行信号。
而网络21所示，上行记忆信号即电机在正转，上行形成自锁记忆，当电机反转或轿厢到达四层时断开。
上行记忆信号是辅助电梯进行反向不能截梯动作的信号，我们可以看到网络20中，有上行信号M2.0和上行记忆信号Q0.0电梯就会上行，无视反向信号截梯。
而当电梯没有上行信号时，电机不动作，此时网络26中M2.0的常闭开关
不动作，这时只要有下行信号，M2.1的常开触点动作使电机反转下行，而此时上行记忆解除，下行记忆信号形成自锁开始记忆下行信号，完成轿厢上、下行的交替。
图5.5a轿厢上行程序段
轿厢下行如图5.5b所示，上、下行环环相扣，下行的原理和上行几乎是一样的。
图5.5b轿厢下行程序段
5.内指令外召唤信号的保持
如图5.6所示，轿厢的内呼指令与外召唤指令保持信号，用于在有乘坐需要的楼层停车，开关门执行一次之后，该层呼叫信号取消，使电梯能够继续响应其他乘坐信号。
图5.6内指令外召唤信号的保持程序段
6.各楼层停车信号
如图5.7所示，当到达楼层有内、外呼需要停车时，轿厢会在该层停车。
图5.7各楼层停车信号程序段
7.自动开关门
如梯形图5.8所示，电梯到层停车后，延时2s开门，5s后自动关门，并设有手动开门按扭和关门按钮，可实现即时开关门。
图5.8自动开关门程序段
辅助继电器功能见附录A
5.4程序仿真
一、电梯在1楼，内呼3楼。
电梯上行，到达3楼后，延时2S电梯自动开门
2、
轿厢在3楼，内呼1楼。
电梯下行，到达1楼后，电梯延时2S自动开门
三、轿厢在1楼，4楼外呼上。
电梯上行，到达四楼后，电梯延时2S自动开门
4、轿厢在4楼，1楼外呼上。
电梯下行，到达1楼后，电梯延时2S自动开门
经仿真测试程序满足设计要求。
附录A
为方便阅读程序图，在此加上辅助继电器功能，如下：
M0.1运行状态
M0.4内呼一层
M0.5内呼二层
M0.6内呼三层
M0.7内呼四层
M1.0外呼一层上行信号
M1.1外呼二层上行信号
M1.2外呼三层上行信号
M1.3外呼二层下行信号
M1.4外呼三层下行信号
M1.5外呼四层下行信号
M1.6保持信号取消
M2.0轿厢上行信号
M2.1轿厢下行信号
M2.2一层上行信号
M2.3二层上行信号
M2.4三层上行信号
M2.5四层下行信号
M2.6三层下行信号
M2.7二层下行信号
M3.0一层停车信号
M3.1二层停车信号
M3.2三层停车信号
M3.3四层停车信号
M4.0一层平层
M4.1二层平层
M4.2三层平层
M4.3四层平层
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