基于PLC的施工升降机控制系统毕业论文.docx
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基于PLC的施工升降机控制系统毕业论文
毕业设计（论文）
题目：
基于PLC的施工升降机控制系统设计
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5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
摘要
施工升降机是建筑施工中必不可少的机械设备之一。
升降机作为现代高层建筑的垂直交通工具，与人们的生活紧密相关，随着人们对升降机运行安全性、高效性、舒适性等要求的不断提高，升降机得到快速发展。
其拖动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。
升降机采用了PLC控制，用软件实现对升降机运行的自动控制，可靠性大大提高。
控制系统结构简单，外部线路简化，可方便的增加或改变控制功能，也可以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。
而电动机交流变频器调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量、改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频器调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功率因素和节电效果，广泛的适用围与其它许多优点而获国外公认为最有发展前途的调速方式。
因此，PLC控制技术加变频器调速技术已成为现代升降机行业的一个热点。
本设计考虑到施工场地升降机的实际操作功能，所设计的控制系统针对的是四层升降机。
代替传统的继电控制系统，由变频器实现对升降机的拖动调速，使PLC与调速拖动装置相结合，构成PLC集成控制系统，实现了升降机的各种控制功能，提高了升降机运行的可靠性，降低了故障率。
关键词：
升降机；PLC控制；变频调速；变频器
DesignofPLC-basedcontrolsystemforconstruction
elevatorcontrolsystem
Student:
LIANGJianTeacher:
ZHAOHong
Abstract:
TheConstructionhoistisoneoftheessentialmechanicaldevicesintheconstruction.Astheverticaltransportofmodernhigh-risebuildings,theelevatorandthelivesofpeoplecloselyrelatedwiththecontinuousimprovementofthepeopleontheelevatoroperationalsafety,efficiency,comfortrequirements,theelevatorrapiddevelopment.DragtechnologyhasdevelopedtoaFMvariablevoltagecontrol,logiccontrolinsteadoftheoriginalrelaycontrolbyPLC.
TheelevatorusesPLCcontrolsoftwaretoachieveautomaticcontroloftheelevatoroperation,andreliabilityisincreased.Thecontrolsystemstructureissimple,externalcircuitissimplified,andcaneasilyaddorchangeofcontrolfunctionscanalsobeautomaticfaultdetectionandalarmdisplay,improveoperationalsafetyandeasymaintenance.MotorACinverterspeedcontroltechnologyistoday'senergy-saving,andtoimprovetheprocesstimproveproductquality,improvetheenvironment,amajormeansoftechnologicaladvancement.Theinverterisitssuperiorspeedperformanceandfromthebrakingperformance,highefficiency,highpowerfactorandenergy-savingeffect,thebroadscopeofapplicationandmanyotherbenefitsbythedomesticandinternationalpublic.thatthemostpromisingspeed.
Thisdesignconsideringtheactualconstructionsiteliftoperationfunction,designedbyfourlayersofelevatorcontrolsystemisaimedat.Dragthegovernoroftheelevatorinsteadofthetraditionalrelaycontrolsystembytheinverter,sothatthecombinationofPLCandspeeddragdevices,constitutethePLCsetstheelectioncontrolsystems,elevatorcontrol,improvedelevatorofoperation,toreducethefailurerate.
Keywords：
Elevator；PLCcontrol；VVVF；Inverter
目次
1绪论
伴随着工厂自动化程度的提高，可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController简称PLC）在工厂中的应用也越来越广泛，而且几乎涉与到工厂的各个方面，包括供电，生产，物料管理，运输等等。
本文旨在通过实现施工升降机控制系统这样一个典型的实例，来展现PLC在现代化建设中的应用，同时利用这个典型的应用只要稍加变化就可以扩展为其他控制系统。
采用可编程控制器来实现升降机的控制对于提高升降机运行的稳定性、降低升降机控制系统的成本以与缩短升降机系统的开发周期都具有实际意义。
通过本课题的研究，可以在一定程度上推动升降机即升降机相关行业的发展，拓展PLC在自动化行业的应用领域，具有一定的经济和理论意义。
1.1本课题设计的背景
1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，将汽车的生产方式由大批量、少品种转变为小批量、多品种。
为此要解决因汽车不断改型而重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题，要寻求一种比继电器更可靠，响应速度更快，功能更强大的通用工业控制器。
于是可编程控制器应运而生，1969年，美国数字设备公司研制出世界上第一台可编程控制器，从此，PLC开始活跃于控制领域。
而且其影响也越来越大，应用也越来越广泛[1]。
70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController简称PLC）从开关量的逻辑控制扩展到数字控制与生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器（programmablecontroller简称PC）.但由于PC容易与个人计算机（programmablecomputer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。
1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：
可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。
继电器在控制系统中主要起两种作用：
1）逻辑运算；2）弱电控制强电。
PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。
它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一中新型工业控制设备。
具有：
1）可靠性高、抗干扰能力强；2）设计、安装容易，维护工作量少；3）功能强、通用性好；4）开发周期短，成功率高；5）体积小，重量轻、功耗底等特点。
具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以与体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。
与继电——接触器系统相比系统更加可靠；占空比继电——接触器控制系统小；价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等[2]。
因此，进行升降机的PLC控制系统的设计，可以推动升降机行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。
1.2本课题设计的容
施工升降机是建筑施工中必不可少的机械设备之一。
我国建筑业的蓬勃发展，对施工升降机的性能提出了更高的要求[6]，各类新型施工升降机的研制成为当前建筑机械行业的热点之一。
本课题对施工升降机的总体方案、选型、结构、驱动装置、安全装置分别进行了设计研究，具体包括：
1）升降机类型的选择。
综合升降机的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究四层升降机上下行控制，开、关门控制、外呼叫控制。
2）硬件系统的设计。
本课题设计的升降机要求运行迅速准确度高，在升降机的各层检测系统中选用用在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现PLC对升降机的控制。
由于本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑了升降机的经济实用、稳定的需要。
3）升降机控制系统软件的设计。
在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计出机械手控制的要求。
1.3本课题设计的目的和意义
随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展升降机也已成为人类现代生活广泛使用的人员运输工具。
随着人们对升降机运行安全性、高效性、舒适性等要求的提高，升降机得到了快速发展，其拖动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。
PLC因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。
升降机控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。
通过PLC对程序设计，提高了升降机的控制水平，并改善了升降机运行的舒适感。
因此PLC在升降机控制系统中的应用非常广泛，非常有实际价值[1]。
2系统设计方案的确定
升降机是电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物的机械设备。
随着城市的发展，高层建筑的增多，升降机的应用也越来越广泛，分类也随之增多。
如按照升降机的用途可分为以下几类[1]：
1）乘客，为运送乘客设计的升降机，要求有完善的安全设施以与一定的室装饰。
2）载货升降机，主要为运送货物而设计，通常有人伴随的升降机。
3）观光升降机，厢壁透明，供乘客观光用的升降机。
4）车辆升降机，用作装运车辆的升降机。
5）船舶升降机，船舶上使用的升降机。
6）建筑施工升降机，建筑施工与维修用的升降机。
7）其它类型的升降机，除上述常用升降机外，还有些特殊用途的升降机，如冷库升降机、防爆升降机、矿井升降机、电站升降机、消防员用升降机等。
本设计课题为施工场地的升降机控制系统设计。
以四层建筑场地升降机为模型，主要用于建筑施工与维修。
2.1升降机继电器控制系统
升降机继电器控制系统的故障率高，大大降低了升降机的安全性和可靠性，十分容易造成停梯，会给乘客带来诸多不便和惊扰，并且如果升降机冲顶或撞底，不仅仅会造成升降机机械部件的损坏，甚至可能发生人身事故。
2.1.1升降机继电器控制系统的优点
1）所有控制功能与信号处理均由硬件实现，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、维修与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升降机，技术成熟，己形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。
2.1.2升降机继电器控制系统存在的问题
升降机继电器控制系统故障率高，大大降低了升降机的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊忧。
且升降机一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成升降机机械部件损坏，还可能出现人身事故[3]。
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）普通控制电器与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）电磁机构与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，如今已经很少使用升降机继电器控制系统了。
2.2PLC控制系统
PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在升降机控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造。
PLC是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统。
由于PLC具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。
因此在工业控制方面得到了广泛应用。
自80年代后期PLC引入我国升降机行业以来，由PLC组成的升降机控制系统被许多升降机制造厂家普遍采用。
并形成了一系列的定型产品。
在传统继电器系统的改造工程中，PLC系统一直是主流控制系统。
升降机控制系统分为调速部分和逻辑控制部分。
调速部分的性能对升降机运行是乘客的舒适感有着重要影响，而逻辑控制部分则是升降机安全可靠运行的关键。
为了改善升降机的舒适感和运行的可靠性，现在都改为用PLC来控制升降机的运行，这样大大提高了升降机的性能。
PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。
它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的三大支柱之一。
升降机控制系统由调速部分和逻辑控制部分两部分组成。
调速部分影响着升降机运行时乘客的舒适感，逻辑控制部分则是对升降机运行时的安全可靠性起到了关键作用。
PLC在升降机控制方面的应用主要体现为其逻辑开关控制功能，由于PLC具备逻辑运算，计数、定时和数据输入输出等功能，在升降机的控制过程中，PLC能够与各种逻辑开关控制很好地结合，并很好地实现对升降机的控制。
具体体现了以下几个方面的优点：
1）控制方式上看：
电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
2）工作方式上看：
电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约。
3）控制速度上看：
电器控制速度慢，触点易抖动；而PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。
4）定时、记数看：
电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时围宽；有记数功能。
5）可靠、维护看：
电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差；PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
2.3变频调速控制升降机的特点
随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。
电动机交流变频技术是当今节电，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手段。
变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用围与其它许多优点而被国外公认为最有发展前途的调速方式[7]。
1）变频调速升降机使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。
2）变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术，明显改善了升降机运行质量和性能;调速围宽、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速。
3）变频调速升降机使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显
2.4系统设计的基本步骤
在升降机控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：
1）深入了解和分析升降机的工艺条件和控制要求。
2）确定I/O设备。
根据机械手控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。
3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。
4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。
5）设计升降机系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个升降机系统设计的核心工作。
6）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。
3系统硬件设计
升降机系统硬件系统的设计是本设计的基础，包括PLC的选型和I/O口的确定与分配，变频器的选择与参数设置。
3.1PLC的选型
在工程应用中可选用的PLC机型很多，比如三菱公司的FX系列、OMRON公司的C系列、西门子等，它们功能都差不多，在工程应用中各有千秋，至于要选择哪种机型，就要根据自己的设计需要与应用水平。
因为根据轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数计数器。
又因为升降机是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器。
就本次四层升降机的设计而言，上述三种机型都行，但根据市场的实际情况，本次设计采用西门子SIMATICS7-300系列PLC机型[9]。
SIMATICS7系列PLC是德国西门子公司在S5系列PLC基础上于1995年陆续推出的性能价格比较高的PLC系统。
其中，小型的有SIMATICS7-200系列，最小配置为8DI/6DO，可扩展2～7个模块，最大I/O点数为64DI/DO、12AI/4AO；中小型的有SIMATICS7-300系列；中高档性能的有S7-400系列。
SIMATICS7系列PLC都采用了模块化、无排风扇结构且具有易于用户掌握等特点，使得S7系列PLC成为各种从小规模到中等性能要求以与大规模应用的首选产品[8]。
SIMATICS7-300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能如下：
1）高速的指令处理
0.1～0.6的指令处理时间在中等到较低的性能要求围开辟了全新的应用领域。
2）人机界面
方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统，因此人机对话的编程要求大大减少。
3）诊断功能
CPU的智能化的诊断系统可连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事件。
4）口令保护
多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术，防止未经允许的复制和修改。
5）操作方式选择开关
操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。
这样就能防止非法删除或改写用户程序。
6）方便用户的参数赋值
一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。
7）浮点数运算
用此功能可以有效的实现更为复杂的算术运算。
SIMATICS7-300系列PLC是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用，模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。
SIMATICS7-300有着广泛的应用领域，主要包括：
纺织机械、各种机床、通用机械工程应用、电器制造工业与相关产业。
多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。
当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使
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