六层电梯PLC控制系统设计.docx

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六层电梯PLC控制系统设计

第1章绪论

在现代化城市的高速发展中,一幢幢高楼拔地而起。

电梯是楼房里上下运送乘客或货物的垂直运输设备。

我国电梯行业的发展历程，从改革开放到今天，电梯行业在不知不觉中走过了一个从无到有，从有到多，从多到精的发展历程。

随着住宅市场的巨大变化，中国已经成为全球容量最大、增长最快的电梯市场。

目前，我国电梯保有量已超过100万台，且保持每年20%的递增速度，市场前景乐观。

这些电梯服务于写字间、公寓、商场等各种场所。

自1889美国的奥的斯升降机公司推出了世界第一部以直流电动机为动力诞生名副其实的电梯，从而彻底改写了人类使用升降工具的历史。

上世纪90年代，随的升降机着世界经济快速发展及经济全球化,发达的工业化国家纷纷研制出高速及超高速电梯，电梯不仅是代步的工具,也是人类文明的标志,其技术的发展正体现了社会的进步与文明。

随着电梯技术的发展,绿色化、低能耗、智能化、网络化、蓝牙技术的电梯成为一段时间内的发展趋势。

1绿色化

从减少环境污染的角度讲，“绿色”新概念将成为21世纪的主流色调，一个全球性的绿色市场为企业的世纪谁先推出绿色产品，抢发展提供了广阔的空间，占绿色营销市场，谁就能掌握竞争的主动权。

绿色理念是电梯发展总趋势。

发展趋势主要有如下：

不断改进产品的设计、生产环保型低能耗、低噪声、无漏油、无漏水、无电磁干扰、无井道导轨油渍污染的电梯。

电梯曳引采用尼龙合成纤维曳引绳、钢皮带等无润滑油污染曳引方式。

电梯装璜将采用无（少）环境污染材料、电梯空载上升和满载下行电机再生发电回收技术，安装电梯将无需安装脚手架，电梯零件在生产和使用过程中对环境没有影响（如刹车皮一定不能使用石棉）并且材料是可以回收的。

2降低能耗

减少电梯能耗的措施是多方面的。

主要包括：

选择减小电梯机械系统的惯性和磨擦阻力;合理运用对重和平衡重。

驱动系统使用永磁同步无齿轮曳引机从永磁同步电机工作原理可知其励磁是由永磁铁来实现的,不需要定子额外提供励磁电流因而电机的功率因数,可以达到很高（理论上可以达到1）。

同时永磁同步电机的转子无电流通过，不存在转子耗损问题，一般比异步电机降低45%～60%耗损。

由于没有效率低，高能耗蜗轮蜗杆传动副，能耗进一步降低。

在停站较少的群梯布置中，一个主机驱动两个轿厢分别上下运行是一种节能的方案。

而减少能耗的另一途径是电梯运行过程的能耗控制。

利用电梯空载上行、满载下行时电机处以发电状态的特性，将再生能量反馈给电网，这种节能措施在高速梯上效果显著。

还有一种节能方案将在软件控制中得以实现。

如建立实时控制的交通模式，尽量以较少的运行次数来运载较多的乘客，使电梯的停站次数减至最少。

电梯召唤与轿厢指令合一的楼层入口乘客登记方案是电梯控制方式的一项革命性技术，使原来层站上乘客未知的目的层变得一目了然，从而使控制系统的派梯效率达到最高。

减少运行过程能耗的另一措施是将电梯运行中的加减速度模式设置成变参数，即电梯控制系统中运行的速度、加速度以及加速度变化率曲线既随运行距离变化，也随轿厢负载变化通过仿真软件模拟，确定出不同楼层之间的最佳运行曲线。

利用电梯机房在楼顶的优势，充分利用太阳能作为电梯的补充能源也将是新的研究课题。

3智能化

随着计算机技术，通讯技术与控制技术的发展使大厦的智能化成为现实，而电梯是智能建筑中的重要交通工具，其技术发展及智能化程度也倍受世人关注。

智能化的电梯首先要与智能大厦中所有自动化系统联网，如与楼宇控制系统、消防系统、保安监控系统等交互联系，使电梯成为高效优质、安全舒适的服务工具。

串行通讯以其布线简单，传输信息量大等优点，在电梯控制系统中应用日益增多。

由于去掉了微机接口板上大量输入和输出电路，减少了井道、机房中的布线数量，可靠性大大提高。

随着大楼智能化的提高，现场总线技术现已开始应用于电梯控制系统与大楼的BAS，FAS，SAS中。

从电梯运行的控制智能化角度讲，要求电梯有优质的服务质量,控制程序中应采用先进的调度规则，使群控管理有最佳的派梯模式。

现在的群控算法中已不是单一地依赖“乘客等候时间最短”为目标，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统的方法，将要综合考虑的因素（即专家知识）吸收到群控系统中去，在这些因素中既有影响乘客心理的因素，也有对即将要发生的情况作评价决策，是专家系统和电梯当前运行状态组合在一起的多元目标控制。

利用遗传算法对客流交通模式及派梯规则进行优化、自学习，实现电梯调度规则的进化，以适应环境的变化。

“以人为本”设计的电梯控制系统，将会使电梯的服务质量越来越好。

第2章配重要求设计与控制要求

2.1配重要求设计

电梯的动力系统来自电动机，一般选择11KW或15KW的电动机。

曳引机的作用有3个：

①调速；②驱动曳引钢丝绳；③在电梯停车时实施制动。

为了增大载重能力，钢丝绳的一端是轿厢，另一端加装了配重装置。

配重的质量随电梯载重的大小变化而变化，计算公式如下：

配重的质量=（载重量/2+轿厢自重）×45%

式中的45%是平衡系数，一般要求平衡系数在45%～50%之间，这种驱动机构可使电梯的载重能力大为提高。

如图2-1为电梯驱动机构示意图。

图2-1电梯驱动机构示意图

电梯载重13人（1000KG），在实际设计中轿厢的质量，由上面的公式可确定配重的质量。

2.2控制要求

电梯运行方向由呼梯信号决定，顺向优先执行。

行车途中如遇到外呼信号，顺向截车，反向不截车。

内呼和外呼信号均具有记忆标志，执行后解除；到曾时自动开门，延时关门；停层时可手动控制开门或关门；行车时不能手动开门，门开时电梯不允许运行；电梯有效运行时间应小于14秒，否则发出超时报警。

若没有内外呼梯信号，电梯自动返回第一层待命。

开始运行时，若轿厢不再第一层，会自动返回第一层。

电梯控制的工艺要求示意图如图2-2所示。

6层平层_\_

5层平层_\_

4层平层_\_

3层平层_\_

2层平层_\_

1层平层_\_

开门

运行开关_\_

6内呼

5内呼

4内呼

3内呼

2内呼

1内呼

——

6层外呼▽

△5层外呼▽

△4层外呼△

△3层外呼▽

△2层外呼▽

△1层外呼

关门

_\_报警开关

上行

↑

↓

下行

⊙

报警

图2-2电梯控制的工艺要求

第3章硬件设计

3.1机型选择与I/O分配

设计一个6层电梯控制系统，需要输入点数至少28点，输出点数32点，输入输出共60点。

其28点输入点中，启动/停止信号1个或2个，外呼信号10个，内呼信号6个，开门和关门信号2个，开门和关门到位信号2个，轿厢到位信号6个。

32点输出点中，电梯上行和下行输出至少2个，轿厢开门和关门输出2个，轿厢所在层号显示器驱动输出16个，电梯上行和下行显示输出2个。

可以选择S7-200的CPU或CPU226,也可以选择S7-300的CPU314或CPU315等。

本设计选择S7-300的CPU315-2DP机型。

根据STEP7的硬件组态方法，可以对CPU315进行组态。

电源模块选择PS-5A,直流输入模块DI32×24V的地址分配为IB0、IB5和QB4、QB5。

直流输入/输出模块DI/O16×24V备用。

根据硬件要求选择如图3-1所示的组态。

CPU-315-2DP

DI32

×24V

DI/O16

×24V

DI/O16

×24V

（备用）

图3-1电梯控制的硬件组态

3.2建立内存变量分配表

根据电梯控制的工艺要求和电梯控制的硬件组态，可以绘制出电梯控制系统的内存变量分配表，如电梯控制系统的内存变量分配表3-1，表3-2所示。

表3-1

模块号

输入

变量

输出

变量

内存

变量

信号名称

有效状态

说明

DI32×24V

I0.0

I0.1

I0.2

I0.3

I0.4

I0.5

I0.6

I0.7

I1.0

I1.1

I1.2

I1.3

I1.4

I1.5

…

I2.2

I2.3

I2.4

I2.5

I2.6

…

I3.1

I3.2

I3.3

I3.4

I3.5

I3.6

…

运行开关

1层平层行程开关

2层平层行程开关

3层平层行程开关

4层平层行程开关

5层平层行程开关

6层平层行程开关

电梯报警输入开关

1层上行呼梯按钮

2层上行呼梯按钮

3层上行呼梯按钮

4层上行呼梯按钮

5层上行呼梯按钮

…

2层下行呼梯按钮

3层下行呼梯按钮

4层下行呼梯按钮

5层下行呼梯按钮

6层下行呼梯按钮

…

轿厢内呼1层按钮

轿厢内呼2层按钮

轿厢内呼3层按钮

轿厢内呼4层按钮

轿厢内呼5层按钮

轿厢内呼6层按钮

…

1有效

上升沿有效

…

上升沿有效

…

上升沿有效

…

开关

行程开关

按钮

DI/O16

×24V

I4.0

I4.1

I4.2

I4.3

…

Q4.0

Q4.1

Q4.2

Q4.3

Q4.4

轿厢开门按钮

轿厢关门按钮

开门到位行程开关

关门到位行程开关

…

电梯上行输出线圈

电梯下行输出线圈

电梯开门电磁阀

电梯关门电磁阀

电梯上行显示

1有效

…

1有效

按钮

行程开关

…

输出触点

表3-2

模

块

号

输

入

变

量

输出

变量

内存

变量

信号名称

有效状态

说明

DI/O

24V

Q4.5

Q4.6

Q4.7

QB5

电梯下行显示

电梯报警输出

电梯超时输出

轿厢所在层显示

1有效

十进制数据

输出触点

CPU

315

M0.0

M0.1

M0.2

M0.3

M0.4

M0.5

M0.6

M0.7

M1.0

M1.1

M1.2

M1.3

M1.4

M1.5

M1.6

…

M2.0

M2.1

M2.2

M2.3

M2.4

M2.5

M2.6

DB1.DBW0

DB1.DBW2

DB1.DBW4

DB1.DBW6

上行标志

下行标志

开门标志

开门完成标志

上行/下行停止标志

开门/关门停止标志

无呼梯标志

运行超时标志

电梯上升允许标志

呼1层上行记忆

呼2层上行记忆

呼3层上行记忆

呼4层上行记忆

呼5层上行记忆

呼6层上行记忆

…

电梯下降允许标志

呼1层下行记忆

呼2层下行记忆

呼3层下行记忆

呼4层下行记忆

呼5层下行记忆

呼6层下行记忆

延时开门计时

开门等待计时

延时关门计时

运行计时

电梯平层的层号

上行最近层号

下行最近层号

上行终点层号

1有效

…

1有效

时间

十进制数据

寄存器

…

寄存器

计时器

数据

第4章程序设计

本系统采用了S7-300系列PLC为控制器，根据S7-300的程序结构，其程序可以由主程序组织块OB100、功能FC1、功能FC2、功能FC3、功能FC4和数据块DB1构成。

OB1的功能是调用具有数据传送、数据处理和设备运行标志功能的FC1，调用具有控制电梯的轿厢上行和下行功能的FC2，调用具有控制电梯的轿厢开门和关门功能的FC3，调用具有停止运行处理功能的FC4。

4.1电梯控制数据块DB1

DB1是通用数据块。

DB1数据块的长度设为5个字长，其中，DB1.BW0为电梯当前位置的数据，它反映了电梯所在的楼层号，是一个随着电梯运行而变化的量；DB1.DBW2为电梯上行最近位置的数据，它反映了电梯所在楼层上行的最近楼层号，是一个随着电梯上行过程而不断增加的变量；DB1.DBW4为电梯下行最近位置的数据，它反映了电梯所在的楼层下行的最近楼层号，是一个随着电梯下行过程而不断减少的变量；DB1.DBW6为电梯上行终点位置的数据，它是一个在一段时间内呼梯的最高楼层号数据，可以认为，它是该段时间电梯的“顶层”楼号；DB1.DBW8为电梯下行终点位置的数据，它是一个在一段时间内呼梯的最低楼层号的数据，可以认为，它是该段时间电梯的“底层”楼号（DB1.DBW8为备用），如图4-1所示

Address

Name

Type

Initialvalue

Comment

0.0

STRUCT

+0.0

INT

电梯所在层号

+2.0

INT

电梯上行最近层号

+4.0

INT

电梯下行最近层号

+6.0

INT

当前上行终点

+8.0

INT

当前下行终点

=10.0

END_STRUCT

图4-1电梯控制数据块DB1

4.2电梯控制程序OB100及其说明

电梯控制程序是一个初始化程序，其功能是对数据复位和禁止输出。

其中,0送MD0表示对标志位MB0、MB1、MB2和MB3复位；0送DB1表示对各种电梯运行数据的复位；0送QW4表示禁止QB到QB3的输出，如图4-2所示。

图4-2电梯控制初始化程序1（OB100）图4-3电梯控制初始化程序2（0B1）

4.3电梯控制程序OB1及其说明

OB1是循环组织块，当PLC运行时，如果系统已经启动（I0.0=1）,则循环调用FC1（传送数据）、FC2（开门控制）和FC3（升降控制）；当系统停止运行时（I0.0=0）,循环调用FC4（停止处理），如图4-3所示。

4.4电梯控制程序FC1及其说明

图4-4中的“Network1”的功能是在系统运行的条件下，把电梯（轿厢）当前所在位置的数据传送给DB1.DBW0，DB1.DBB1送QB5的原因是为了显示层号（1～6）。

图4-4电梯控制程序3（FC1-1）

图4-5中的“Network2”的功能是设置上行楼层标志。

如I1.1为1层上行外呼信号，I3.1为电梯上行时轿厢内呼1层信号。

当这些条件具备时，标志位M1.1（上行呼1层）被置位；当上行到该层时标志位M1.1被复位，其他各层可照此分析。

需注意，第6层无上行外乎信号。

图4-5电梯控制程序4（FC1-2）图4-6电梯控制程序5（FC1-3）

图4-6中的“Network3”的功能是设置下行楼层标志。

如I2.2为2层上行外呼信号，I3.2为电梯上行时轿厢内呼2层信号。

当这些条件具备时，标志位M2.1（下行呼2层）被置位；当下行到该层时标志位M2.1被复位，其他各层可照此分析。

需注意，第1

层无下行外呼信号。

图4-7中的“Network4”的功能是上行最近（最低）楼层的确认。

该网络是把上行最近楼层号送到DB1.DBW2中，如果没有上行楼层，则把数值0送到DB1.DBW2中。

图4-7中的“Netwok5”的功能是习性最近（最高）楼层的确认。

该网络是把下行最近楼层号送到DB1.DBW2中。

图4-8中的“Network6”的功能是上行终点楼层的确认。

该网络是把上行和下行最高楼层号送到DB1.DBW6中。

图4-8中的“Network7”的功能是设置电梯上行标志M0.0和电梯下行标志M0.1。

如果电梯在1层且该不是上行终点时，M0.0置位，M0.1复位；如果DB1DBW6是下行顶点且电梯所在层高DB1.DNW6是，M0.1置位，M0.0复位。

图4-9中的“Network8”的功能是设置电梯升降停止标志M0.4、开关门停止标志M0.5、无呼梯标志M0.6和运行超时输出Q4.7。

图4-9中的“Network9”的功能是设置电梯轿厢开关门标志M0.2。

上行到层信号由M0.0分支输出，下行到层信号由M0.1分支输出。

4.5电梯控制程序FC2及其说明

FC2为电梯轿厢的开门和关门控制，M0.2为自动控制启动位，M2.7为手动控制启动位，如图4-10所示。

从图-11中可以看出，T0为开门延迟时间，T1为预计开门时间，T2为开门等待时间，Q4.2和Q4.3为输出。

其中，M0.2为门自动控制标志，M2.7为门手动控制标志。

从图4-10中的“Network2”可以看出，电梯平层停止时，门手动控制有效。

4.6电梯控制程序FC3及其说明

FC3的功能是执行电梯的上行和下行控制，如图4-11所示。

从图4-11中的“Network1”可以看出，电梯上升的条件有两个，一是电梯戴胜的楼层（DB1.DBW2）高于电梯所在的楼层（DB1.DBW0）;二是电梯已高于待升的楼层（DB1.DBW2）或没有上行呼梯，但是电梯所在的楼层（DB1.DBW0）低于电梯上行终点的楼层（DB1.DBW6）,换句话说就是电梯任务完成了，但是下行呼梯的层号大于电梯所在的楼层号。

这两个条件具备其一电梯就会上行（M1.0=1）。

图4-7电梯控制程序6（FC1-4）

图4-8电梯控制程序7（FC1-5）

图4-9电梯控制程序8（FC1-6）

图4-10电梯控制程序9（FC2）

图4-11电梯控制程序10（FC3）

图4-11中的“Network2”的功能是在满足上行条件和必要的连锁条件时控制上行的输出（Q4.0）

同理可以分析出图4-11中的“Network3”和“Network4”的功能是控制下行的输出。

4.7电梯控制程序FC4及其说明

FC4的功能为停止处理。

在系统停止时，要自动地使电梯回到1层，同时要使轿厢的门关到位，如图4-12所示。

图4-12电梯控制程序11（FC4）

总结

电梯控制系统是一个复杂的系统，它包含了控制、诊断报警和安全保障等一系列功能。

本设计中只考虑了控制功能中的一部分，这部分也是不全面的。

例如，在安全方面，仅考虑了报警问题，而没有考虑到限位和急停等问题。

诊断报警功能和安全保障功能几乎没有考虑。

参考文献

1．王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京：

北京航天航空大学出版社，2008.2

2．胡建.西门子S7-300PLC应用教程.北京：

机械工业出版社，2007.2

3．郑凤翼.图解西门子S7-200系列PLC应用88例.北京：

电子工业出版社，2009.4

4．殷洪义.PLC原理与实践.北京:

清华大学出版社，2008.10

5．常晓玲.电气控制系统与可编程控制器.北京：

机械工业出版社，2004.1

附录1程序清单

语句表1：

图4-2电梯控制初始化程序1（OB100）

LDSM0.0

MOVE0,MD0

MOVE0,DB1.DBW0

MOVE0.DB1.DBW2

MOVE0.DB1.DBW4

MOVE0.DB1.DBW6

MOVE0.QW

语句表2：

图4-3电梯控制初始化程序2（OB1）

LDI0.0

AFC1

LDI0.0

AFC2

LDI0.0

AFC3

语句表3：

图4-4电梯控制程序3（FC1-1）

LDI0.0

LPS

AI0.1

MOVE1,DB1.DBW0

LRD

LDI0.2

MOVE2,DB1.DBW0

LRD

LDI0.3

MOVE3,DB1.DBW0

LRD

LDI0.4

MOVE4,DB1.DBW0

LRD

LDI0.5

MOVE5,DB1.DBW0

LRD

LDI0.6

MOVE6,DB1.DBW0

LPP

MOVEDB1.DBW1,QB5

语句表4:

图4-5电梯控制程序4（FC1-2）

LDI0.0LRD

LPSAM0.0

LDI1.1AI3.6

LDM0.0PM4.6

AI3.1SM1.6

OLDLPP

ALDAM0.0

PM4.1AQ4.3

SM1.1LPS

LRDAI0.1

LDI1.2RM1.1

LDM0.0LRD

AI3.2AI0.2

OLDRM1.2

ALDLRD

PM4.2AI0.3

SM1.2RM1.3

LRDLRD

LDI1.3AI0.4

LDM0.0RM1.4

AI3.3LRD

OLDAI0.5

ALDRM1.5

PM4.3LPP

SM1.3AI0.6

LRDRM1.6

LDI1.4

LDM0.0

AI3.4

OLD

ALD

PM4.4

SM1.4

LRD

LDI1.5

LDM0.0

AI3.5

OLD

PM4.4

SM1.5

语句表5：

图4-6电梯控制程序5（FC1-3）

LDI0.0LDM0.1

LPSAI3.5

AM0.1OLD

AI3.1ALD

RM4.1PM4.5

SM2.1SM2.5

LRDLRD

LDI2.2LDI2.6

LDM0.1LDM0.1

AI3.2AI3.6

OLDOLD

ALDALD

PM4.2PM4.6

SM2.2SM2.6

LRDLPP

LDI2.3AM0.1

LDM0.1AQ4.3

AI3.3LPS

OLDAI0.1

ALDRM2.1

PM4.3LRD

SM2.3AI0.2

LRDRM2.2

LDI2.4LRD

LDIM0.1AI0.3

AI3.4RM2.3

OLDLRD

ALDAI0.4

PM4.4RM2.4

SM2.4LRD

LRDAI0.5

LD2.5M2.5

LRD

AI0.6

RM2.6

语句表6：

图4-7电梯控制程序6（FC1-4）

LDI0.0LRD

LPSAM2.3

AM1.6LRD

MOVE6,DB1.DBW2AM2.4

LRDMOVE4,DB1.DBW4

AM1.5LRD

MOVE5,DB1.DBW2AM2.5

LRDMOVE5,DB1.DBW4

AM1.4LRD

MOVE4,DB1.DBW2AM2.6

LRDMOVE6,

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