基于PLC的电梯控制系统设计.docx
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基于PLC的电梯控制系统设计
题目
基于PLC的电梯控制系统设计
摘要
当今世界，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。
因此电梯的研究也越来越重要。
国内外对电梯的研究一直没有停滞过。
在中高层建筑中，电梯是必不可缺少的垂直运输设备。
人们对电梯安全性、高效性、舒适度的不断追求推动了电梯技术的进步。
电梯质量的好坏在很大程度上取决于它的控制系统。
目前，电梯控制系统已基本上淘汰了传统继电器控制方式．取而代之的是以PLC积分控制器为核心的数字控制系统。
其中，PLC由于编程简单、使用维护方便、设计和调试周期短、抗干扰能力强、可靠性高等优点，倍受人们重视，被广泛的应用在电梯控制系统中。
本文主要分析了电梯的主要结构以及控制要求，对电梯的硬件进行相应的选择，又对电梯的PLC软件进行设计，以此完成对基于PLC的电梯控制设计。
关键词
电梯；PLC；三相异步交流电机
Abstract
Summaryoftoday'sworld,theelevatornumberofproductionandusehavebecomethemeasureofthedegreeofmodernizationofacountryoneofthesymbols.Withthecontinuousimprovementoftheurbanpopulation,people'smaterialandculturallivingstandards,theconstructionindustrycontinuestodevelop,hasthetallbuildings,elevatorsinpeople'sproductionandlivingandworkingintheincreasinglyimportant.Therefore,theelevatorresearchisincreasinglyimportant.Studyathomeandabroadontheelevatorhasnotbeenstagnant.Inthehigh-risebuildings,elevators,isessentialfortheverticaltransportationequipment.Peopleontheelevatorsafety,efficiency,comforttheconstantpursuitoftechnologicalprogresstopromotetheelevator.Liftthequalityofgoodorbaddependslargelyonitscontrolsystem.Atpresent,theelevatorcontrolsystemhaslargelyeliminatedthetraditionalrelaycontrolmode.IntegralcontrollerbasedonPLCisthecoredigitalcontrolsystem.PLC,whichhasadvantageofsimpleandeasytouseandeasymaintenance,designanddebugcycleisshort,anti-interferenceability,highreliability,iswidelyusedinelevatorcontrolsystem.Thispaperanalyzesthemainstructureoftheelevatorandthecontrolrequirementsoftheelevatorandmaketheappropriatechoiceofhardware,butalsoontheelevatorPLCsoftwaredesign,therebycompletingtheelevatorPLC-basedcontroldesign.
Keywords
Elevator;PLC;Three-phaseAsynchronousElectricMotors
目录
摘要i
Abstractii
前言2
第1章绪论3
1.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题3
1.1.1电梯继电器控制系统的优点3
1.1.2电梯继电器控制的缺点3
1.2PLC及在电梯控制中的应用特点4
1.2.1PLC简介及其特点4
1.2.2PLC控制电梯的逻辑关系6
1.2.3PLC控制电梯的优点6
1.3电梯变频调速控制的特点7
第2章PLC控制系统硬件设计8
2.1四层电梯主电路8
2.1.1四层电梯曳引电机及门电机电路图8
2.1.2plc外部接线图9
2.2I/0点数的分配及机型的选择9
2.2.1I/O点数的估算9
2.2.2输入/输出的分配10
2.2.3机型的选择11
第3章系统软件设计11
3.1四层电梯梯形图11
3.1.1PLC的编程语言12
3.1.2STEP7概述12
3.1.3程序设计常用方法13
3.2.1外召唤信号登记及消除15
3.2.2内指令信号登记及消除16
3.2.3电梯的平层信号处理17
3.2.4选层定向及反向截梯18
3.2.5内指令外召唤信号的保持20
3.2.6各楼层停车信号21
3.2.7自动开关门22
第4章结论23
参考文献24
谢辞25
前 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。
多层厂房和多层仓库需要有货梯;高层住宅需要有住宅梯;百货大楼和宾馆需要有客梯,自动扶梯……在现代社会,电梯已像汽车、轮船一样,成为人类不可缺少的交通运输工具。
据统计,美国每天乘电梯的人次多于乘载其它交通工具的人数。
当今世界,电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。
追溯电梯这种升降设备的历史,据说它起源于公元前236年的古希腊。
当时有个叫阿基米德的人设计出-----人力驱动的卷筒式卷扬机。
1858年以蒸汽机为动力的客梯，在美国出现,继而又在英国出现水压梯。
1889年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力,这才出现名副其实的电梯,并使电梯趋于实用化。
1900年还出现了第一台自动扶梯。
1949年出现了群控电梯,首批4—6台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。
1955年出现了小型计算机（真空管）控制电梯。
1962年美国出现了速度达8米/秒的超高速电梯。
1963年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。
1967年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统筒化，性能提高。
1971年集成电路被应用于电梯。
第二年又出现了数控电梯。
1976年微处理机开始用于电梯，使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期。
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，而呼叫是随机的，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要求的，因此，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集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。
从控制方式和性能上来说，这两种方式并没有太大的区别。
国内厂家大多采用答二种方式，其原因在于用PLC控制有许多优点：
1，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。
而且PLC的环境适应性也很强，它能在工业环境下可靠地工作；2，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，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掌握。
当工作流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活；3，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。
一般PLC都具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能。
可编程控制器不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学、调试和查错都很容易。
用户买到所需要的PLC后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可以灵活而方便地将PLC应用于生产实践，而且用户程序的编制、修改和调试都不需要具有专门的计算机编程语言知识。
PLC现在已经成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代有大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的继电-接触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、轻工、电子、纺织、食品、交通等各行各业都得到广泛的应用。
总之，电梯的控制是比较复杂的，在计算机诞生前的几十年里，继电器控制系统为电梯控制的发展起到了巨大的作用，然而其控制性能与自身的功能已经无法满足与适应电梯控制的要求和发展，与PLC相比较，存在质的差别。
电梯使用继电接触器控制的时代，很难设计出质量优良的电梯控制系统，而现在，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了更广阔的空间。
PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠、抗干扰性能增强、机械与电气部件被机结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。
因此它已成为电梯运行中的关键技术。
第1章绪论
1.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题
1.1.1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。
1.1.2电梯继电器控制的缺点:
（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。
1.2PLC及在电梯控制中的应用特点
1.2.1PLC简介及其特点
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
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。
”
PLC的特点
1.可靠性高，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，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
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。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC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、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，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相当接近，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，容易改造
PLC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，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序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，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
PLC的应用领域
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、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1.开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2.模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3.运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4.过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5.数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；
6.通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
1.2.2PLC控制电梯的逻辑关系
电梯控制逻辑关系如下:
1）行车方向由内选信号决定,顺向优先执行;
2）行车途中如遇呼梯信号时,顺向截车,反向不截车;
3）内选信号、呼梯信号具有记忆功能,执行后解除。
4）内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均由信号灯指示
5）停层时可延时自动开门、手动开门、（关门过程中）本层顺向呼梯开门;
6）有内选信号时延时自动关门,关门后延时自动行车;
7）无内选时延时5s自动关门，但不能自动行车;
8）行车时不能手动开门或本层呼梯开门,开门不能行车。
1.2.3PLC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。
本文主要讨论研究利用西门子公司可编程控制器对四层电梯的控制，形成电梯控制系统。
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。
1.3电梯变频调速控制的特点
MM440是西门子公司生产的通用型矢量变频器，它性能稳定，质量可靠，功能齐全，在电梯行业首次使用。
可编程序控制器PLC和MM440变频器之间的通讯可有两种方式，一种是串行通讯,采用串行通讯只需一根双芯屏蔽电缆西门子专用，它大大减少了布线的数量，无须重新布线即可更改控制功能，可以通过串行接口设置和修改变频器的参数，还可以连续对变频器的特性进行监视和控制另一种是并行通讯,图中所示为端子控制端子1_8101617为输入控制端子19_25为输出控制端子然后定义每个端子的功能并且通过操纵面板设定其参数如P701=2为上行P702=1为下行P1001=48为正常运行频率P1002=2为爬行频率等即PLC通过逻辑分析后发出控制信号如正转反转高速中速点动爬行等信号给变频器变频器接受指令并且按照预先设定好的曲线拖动轿厢正常运行另外变频器还发出信息如零速变频器是否故障抱闸等信号给PLC使其参加PLC的逻辑运算以保证电梯的安全运行
另外变频器上还安装了编码器模板这使得这种通用型MM440可以接成闭环速度反馈控制方式与无传感器矢量控制SLVC和变压/变频V/F相比这种控制方式具有以下优点：
1零速时仍然具有额定转矩的负载能力
2速度控制的精度
3速度控制和转矩控制的动态性能得到改善
通过我们的现场试验这种变频器完全可以用到电梯控制系统中且运行良好而且它还有一个其它变频器所没有的优点就是进行电机参数自学习时电机的轴不转动这样曳引机可在带负载的情况下也能进行自学习而不必像其它变频器那样必须把轿厢吊起使曳引机脱离负载后才能自学习这样给电梯的安装改造带来很大方便。
第2章PLC控制系统硬件设计
2.1四层电梯主电路
2.1.1四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。
2.1.2plc外部接线图
本设计的PLC外部接线图如图所示.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）。
plc外部接线图
2.2工/0点数的分配及机型的选择
2.2.1I/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K1和指示灯H1，二层有上升呼叫按钮K2和指示灯H2以及下降呼叫按钮K4和指示灯H4，三层有上升呼叫按钮K3和指示灯H3以及下降呼叫按钮K5和指示灯H5，四层有下降呼叫按钮K6和指示灯H6。
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K10～K7和指示灯H10～H7；电梯开门和关门按钮SB5和SB6，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ST1检测，开门到位由行程开关ST2检测。
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。
综上所述，输入点共有14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。
2.2.2输入/输出的分配如下：
该系统占用PLC的30个I/O口，14个输入点，16个输出点，具体的I/O分配如下图所示：
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
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