六层电梯的PLC控制系统与设计Word文件下载.docx
《六层电梯的PLC控制系统与设计Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《六层电梯的PLC控制系统与设计Word文件下载.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
近年来，随着生活水平的进一步提高，人们对乘坐电梯的安全性和舒适性提出了更高的要求，这就要求电梯的研究者和开发者不断提高电梯控制技术，以满足人们对于乘坐电梯日益增长的要求。
如今，在我国大部分城市，电梯都在被广泛地应用着。
我国拥有的电梯数量已然居于世界第一，我国的电梯技术也达到了世界领先水平。
然而，随着现代化建设的发展，科学与技术的进步，智能化和信息化建筑的出现，以及人们生活观念的改变，电梯行业将面临新一轮挑战，人们对电梯的要求将不只是完成垂直运输的基本功能，人们本着以人为本的观念，对电梯的安全性和舒适性提出了更高的要求，这就要求电梯的研究者和开发者从电梯运行的控制智能化角度考虑，电梯的优质服务不再是单一的“时间最短”问题，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统等方法，以期实现单梯与群控管理的最佳模式。
合理的配置与使用远程监控与故障诊断、节能以及减少环境污染等。
本论文中将重点研究电梯的升降控制逻辑以及电梯的整个运行过程，不着重介绍主电动机的升降速度以及电梯的安全保护措施。
本设计主要是用可编程控制器（PLC）代替电梯的传统电气控制系统。
由于大部分老式电梯的电气控制系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电气控制系统进行技术改造，以便改善电梯性能，减少电梯成本。
因此，对电梯的控制系统进行研究，提出一条适合国产老式传统电梯的改造技术，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，将具有十分重要的意义。
针对老式传统电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，本论文提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯系统。
本论文对电梯控制系统及可编程控制器（PLC）作了简单的介绍。
并对本电梯控制系统进行了功能需求分析，确定了本系统的总体设计方案，由可编程控制器（PLC）来实现电梯的逻辑信号控制，由交流电机来实现电梯的调速。
然后对本系统硬件开发部分做了相关介绍，确定了PLC的选型、I/O点数分配以及与PLC连接的外部设备。
在确定了系统的硬件系统之后，认真分析了电梯控制系统的软件设计方法，根据功能需求设计出了控制系统的软件流程图，提出了模块化编程思想，并详细介绍了系统的软件开发，对电梯控制系统的各个环节的梯形图进行了设计与工作原理阐述。
最后对本设计过程中遇到的问题及本设计的不足之处进行了一个总结。
第2章功能需求分析
本章将根据本系统所要实现的主要功能，在确保可行的前提下，结合经济性、便利性等原则，选择一种最佳的设计方案，以便更好的实现电梯控制功能。
2.1电梯的集选控制功能
当电梯轿厢内及各楼层厅门外同时有多个请求发出时，要能按照一定顺序逐个响应，这就要求系统能够对各个楼层的优先级进行判断比较，而且要能够记忆各个尚未作出响应的请求信号。
为方便各层发出请求，在各层厅门需要设置上下请求按钮，在轿厢内部需要设置选层按钮，在编程时需要考虑电梯的响应逻辑，对请求信号做出比较，以便电梯能按一定的顺序进行响应，对于尚未响应的请求信号要有专门的寄存器存储，以免信号丢失，当响应时可以将其从寄存器中取出，响应结束后要能自动消除请求信号，用程序实现顺向截停，自动换向反向应答等功能。
2.2电梯的楼层检测及平层功能
电梯在控制过程中，需要判断当前电梯的位置，依据当前电梯的位置及请求信号做出判断处理，要判断电梯的位置也就是需要对电梯进行楼层检测，对楼层检测可以用位置开关，当电梯到达位置开关处时，相应的位置开关会做出响应，反馈给PLC当前的位置信号。
当电梯接近停靠站时需要准备平层，使电梯轿厢地面和厅门地面可以停靠在同一水平面上，以免出现事故，为保证准确平层需要进行平层检测，平层检测可以使用接近开关，接近开关是一种非接触式的开关，无机械损耗和机械误差，定位精度高，当电梯达到平层位置时接近开关做出响应，反馈给PLC平层信号，PLC接收信号并进行下一步响应操作。
2.3电梯门的控制功能
当电梯到达停靠站停机后，电梯门程序要判断当前情况是否满足开门条件，当满足时要能实现自动开门，为实现准确判断要收集当前楼层信号、平层信号、电机运行信号等。
当开门程序启动后要判断何时停止开门，当轿厢内有手动关门信号发出时将跳过开门程序直接关门，当无手动开门信号时就需要在开门末端设置限位开关，当开门到达限位开关位置时停止开门。
开门程序结束后经过一定时间后要能自动关门，这段时间的长短可以通过定时器设置，当关门程序启动后需要判断何时停止关门，当关门过程中轿厢内有手动开门信号或者检测开关检测到两扇门之间有物体存在时需要结束关门程序，跳转到开门程序，当无手动开门信号和关门检测信号时就需要在关门终端设置关门限位信号，当关门到达该限位开关时停止关门，在电梯运行过程中，电梯门必须保证处于关闭状态。
为保证电梯的运行安全，当轿厢承载超重时，电梯门将无法关闭，为实现轿厢载重的检测，在轿厢内部安装超重检测装置，当载重超过设定值时，发出超重信号给PLC，PLC做出响应。
2.4电梯的调速功能
为提高电梯的舒适度，当电梯启动时，应以低速启动，为保证电梯的运行效率，电梯运行过程中应以适当高速运行，当电梯停车时为保证准确靠站，应先降到较低速度运行，停站时抱闸停车。
为实现电梯的双速运行，可以用变频器来实现电梯的调速。
2.5电梯的安保功能
本设计在电梯上升过程的呼叫程序中加入了一个呼叫确认开关，当按动上升请求按钮时，上升呼叫信号将传送到该层户主家，户主确认呼叫才可发送上升请求到电梯控制器，户主出行可佩带IC卡以乘坐电梯，确认呼叫，该功能可防止陌生人随意进出该楼各楼层。
在本设计中只是提供这一延伸功能，但与该功能相关的外围设备及设计不做探讨。
本章针对系统的部分主要控制要求进行了功能需求分析，给出了设计方案，为后续的硬件系统设计甚至软件系统设计提供了一定的理论支持。
第3章电梯控制系统的硬件设计
本章主要介绍电梯的硬件部分。
在对电梯系统进行了功能需求分析之后，本章将首先根据具体要求选择适当的硬件设备，并对一些主要的硬件设备进行分析选型，在确定了硬件设备之后，将着重介绍该系统的电气原理图的分析与设计，并对电气系统的工作原理做出说明。
3.1可编程控制器（PLC）的选型
PLC作为整个控制系统的核心，在选择时要结合实际功能进行考虑，电梯控制系统需要PLC完成的是一些很常规的功能，市场上的大部分PLC都能实现，故在此主要考虑其容量和成本。
本系统是一个六层的电梯控制系统，属于中小型控制系统，考虑到本人对德国西门子公司生产的一种小型PLCS7-200比较熟悉，而且其某些功能达到中型PLC的水平，但价格却是小型PLC价格，性价比较高，故此首先考虑采用S7-200系列PLC。
经分析，该系统需要34个输入，23个输出，输入输出信号类型均为数字量，S7-200系列PLC中CPU226型PLC拥有24个数字量输入，16个数字量输出，最多可以接7个扩展模块，价格相对较低，而且功能强大。
CPU226型PLC外接一个16点输入，8点输出的输入/输出混合扩展模块EM223即可满足要求，使用方便，功能强大，而且价格便宜，故此，本系统采用CPU226型S7-200系列PLC。
3.2其他主要器件的选型
3.2.1电机的选型
六层电梯控制系统为一中小型控制系统，所需功率较小，因其商用性、民用性的特点，要求价格便宜，运行稳定。
电机分为直流电机和交流电机，直流电机较交流电机来说，调速范围广，易于平滑调速，启动、制动和过载转矩大，易于控制，可靠性较高，但换向问题严重；
交流电机结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流的电机，最主要的是交流电机没有换向问题。
本系统换向频繁，外部电源为交流电源，故采用交流电机。
交流电机分为异步电机和同步电机。
异步电动机结构简单、容易制造、价格低廉、性能良好、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高且适用性强，缺点是功率因数较差；
同步电动机功率因数较高，对大功率低转速的电动机，其体积要比异步电动机小，但其结构和性能较异步电动机较差，故此采用异步电动机。
异步电动机又分为鼠笼式和绕线式两种。
鼠笼式电机结构简单，成本低，运行可靠，维护工作量小，控制电机运行也相对简单，但是启动力矩较小，不易调速；
绕线式电机可以通过集电环和电刷，在转子回路中串入外加电阻，从而实现平稳的启动或改变外加电阻在一定范围内调节转速，而且其启动及运行的力矩较大，一般用在重载和频繁启动的生产机械上，但其也因此结构复杂，成本增加，运行可靠性降低，维护费用增加。
鼠笼式异步电机的维护及运行成本都比绕线式电机低，而且可靠性更高，故此采用鼠笼式电机。
综上所述，本电梯控制系统采用三相交流鼠笼式异步电动机。
3.2.2变频器的选型
为实现电机的平稳运行，在此选用变频器控制电机的运行。
生产扁平去的商家很多，市场上变频器的种类更是不胜枚举。
由于功能不同，在使用时会稍有差别，但大部分使用方法一样。
在此选用本人比较熟悉的一种通用变频器西门子MICROMASTER440（简称MM440）。
MM440变频器集多种功能于一体，该系列有8种型号可供实际制作时根据具体参数选用，其内置多种运行控制方式，可根据控制要求进行选择，能进行快速电流限制，实现无跳闸运行，内置式制动斩波器，可实现直流注入制动，具有PID控制功能的闭环控制，控制器参数可实现自动整定，具有多种参数设定且可相互切换，变频器可用于控制多个交替工作的生产过程，其多功能数字、模拟输入/输出口，可任意定义其功能和具有完善的保护功能。
该变频器的保护功能也比较完善，可进行过电压及欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护和PTC/KTY电动机过载保护等。
使用变频器进行控制，可提高控制质量，减少维护费用。
故此本系统采用MM440系列变频器进行控制。
3.2.3开关器件的选型
本系统用到很多的开关器件，主要有各楼层的位置感应开关，平层感应开关，电梯门开门关门终端位置开关、各楼层的上下请求按钮开关、轿厢内的选层按钮开关、电梯运行上下极限位置开关、关门过程检测开关，超重检测开关。
以下将根据各开关的功能选用合适的开关器件。
楼层位置感应开关需要能实现当电梯到达任意楼层时，该层位置感应开关能做出响应，给出位置信号，再次选用位置开关，当电梯到达该楼层时，该楼层对应的位置开关会闭合同时将该信号传送到控制器。
平层感应开关用来控制电梯的平层动作，作为平层的参考点，当电梯到达该位置时能确保平层，故此需要该检测开关定位要准确，可靠性高，在此选用接近开关，接近开关是一种非接触式的行程开关，当某种物体与它接近到一定距离时就发出动作信号，无需施加机械力以及物理接触，而是通过其感辨头与被测物体间介质能量的变化来获取信号，故其定位精度高、操作频率高、使用寿命长，对恶劣环境的适应能力强。
接近开关又可分为高频振荡型、电容型、霍尔型。
在此根据系统要求选用霍尔型，霍尔型接近开关由霍尔元件组成，是将磁信号转换为电信号输出，内部的磁敏元件仅对垂直于传感器端面磁场敏感，当磁极S正对接近开关时，接近开关的输出产生正跳变，输出为高电平，若磁极N正对接近开关，输出产生负跳变，输出为低电平。
霍尔型接近开关的垂直信号获取方式可确保电梯平层，定位精度高、使用寿命长，故此选用霍尔型接近开关。
电梯门开门关门终端位置开关、电梯运行上下极限位置开关用于当电梯门和电梯到达预设定的极限位置时，电梯门和电梯停止动作并发出到达信号到控制器，控制器据此发出下部控制指令。
故在此选用限位开关，又称作行程开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制命令的主令电器。
当电梯门或电梯的机械部分到达限位开关时，限位开关动作，发出限位信号，可满足该系统的控制要求，故此选用限位开关。
各楼层的上下请求按钮开关、轿厢内的选层按钮开关用于当乘客按动各楼层上下请求按钮或轿厢内的选层按钮时，发出控制信号到控制器。
功能简单，故此选用普通的按钮开关即可。
关门过程检测开关用于关门过程中检测两门之间是否存在物体，以便控制电梯门的动作。
其要求检测范围为两门之间，检测方式为非接触检测，检测结果只是有或者无，检测速度要迅速，在此选用光电开关。
光电开关体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远、抗电磁干扰能力强，还可非接触、无损伤的检测。
当两门之间存在物体时，光电开关能迅速检测，并迅速响应发出控制信号到控制器，满足系统要求，故此选用光电开关。
超重检测开关用于防止电梯超载运行造成的不安全隐患，检测开关应具备检测当前电梯载重是否超过预设限定值的功能，当超过限定值时能迅速将响应信号发送到控制器，以便控制器做出下部动作。
超重检测开关选用压力控制开关，当压力大于设定值时动作，发出响应信号到控制器，可将设定值设置为载重上限，满足系统要求，故此选用压力控制开关。
3.3电气原理图的设计及工作原理
3.3.1主电路图的设计及工作原理
由3.2可知本采用三相鼠笼式异步电动机，故此系统外接三相电源，系统的主要组成部分为控制电梯升降的电机MA1和控制电梯门开合的电机MA2，故系统的主电气原理图如图3.1所示。
系统主电路由三相交流电源、电动机MA1、电动机MA2、接触器QA1/QA2/QA3/QA4的主触点、热继电器BB1/BB2的热元件组成。
当控制线路部分控制接触器QA1线圈通电，其常开主触点闭合，电动机MA1接通电源，全电压启动，开始正转，电梯上行；
当接触器QA2线圈通电，其常开主触点闭合，电动机MA1反转，电梯下行；
当控制线路部分控制接触器QA3线圈通电，其常开主触点闭合，电动机MA2接通电源，全压启动正转，电梯门开；
当接触器QA4线圈通电，其常开主触电闭合，电动机MA2反转电梯门闭合。
当过载时间较长，热继电器热元件BB1/BB2检测到温度过高时，将信号传递到热继电器，热继电器动作，控制电机部分失电停止。
图3.1电梯硬件控制系统主电路原理图
实际接线时可将变频器接入电路，用变频器来控制电机的启停及调速，主电路部分接线图见图3.2。
图3.2电梯硬件控制系统主电路接线图
3.3.2电梯升降控制部分电路图设计及工作原理
电梯升降控制是系统的核心部分，用来控制电梯的升降操作，是电梯逻辑关系的执行部分。
电梯升降控制部分电路图主要包括各楼层的位置开关，各楼层门厅外的上升/下降请求按钮及按钮指示灯，轿厢内各楼层的选层按钮及选层记忆指示灯，呼叫确认开关按钮，电梯门关闭限位按钮，接触器线圈QA1/QA2/QA3/QA4，热继电器BB1/BB2。
当电梯呼叫请求信号出现的楼层位于当前楼层上方时，电梯将上行，电梯上行控制线路如
图3.3。
图3.3电梯升降电机上升控制线路
现以电梯位于一层时说明电梯上行的工作原理。
当电梯位于一层时，位置开关BG0闭合，出现以下任意呼叫请求信号：
一层以上的二至五层门厅出现上升或下降呼叫请求信号、六层门厅出现下降请求信号、轿厢内出现二-六层选层记忆信号，对应的请求信号按钮SB2-SB6/SB11-SB20按钮将出现闭合，相应的按钮指示灯点亮，此时，上升呼叫信号确定，需检测QA2/QA3/BG9状态，确保当前电梯升降电机MA1没有进行下降动作，电梯门电机MA2没有进行开门动作，电梯门处于关闭状态，即电梯门关门限位开关BG9闭合，电机正转，电梯进行上升动作，当电梯位于其他楼层时执行相似操作，当呼叫信号楼层位于当前楼层上方时，电梯将准备启动上升程序。
当电梯呼叫信号出现的楼层位于电梯当前所在楼层下方时，电梯将下降，电梯下降控制线路图如图3.4。
图3.4电梯升降电机下降控制线路
现以电梯位于六层时说明电梯下行的工作原理。
当电梯位于六层时，位置开关BG5闭合，出现以下任意呼叫请求信号：
六层以下的二至五层门厅出现上升或下降呼叫请求信号、一层门厅出现上升请求信号、轿厢内出现一-五层选层记忆信号，对应的请求信号按钮SB1-SB5/SB10-SB18按钮将出现闭合，相应的按钮指示灯点亮，此时，下降呼叫信号确定，需检测QA1/QA3/BG9状态，确保当前电梯升降电机MA1没有进行下降动作，电梯门电机MA2没有进行开门动作，电梯门处于关闭状态，即电梯门关门限位开关BG9闭合，电机反转，电梯进行下降动作，当电梯位于其他楼层时执行相似操作，当呼叫信号楼层位于当前楼层下方时，电梯将准备启动下降程序。
3.3.3电梯门控制部分电路图设计及工作原理
电梯门的控制关系到电梯乘客的安全，因此，电梯门的控制需要考虑多方面因素。
电梯门的控制分为电梯开门控制和电梯关门控制。
电梯的开门及关门控制线路如图3.5。
图3.5电梯门电机控制线路图
电梯开门工作原理：
当前电机运行正常，热继电器BB2处于接通状态，当电梯停靠于某一楼层时，对应的楼层位置检测开关BG0-BG5之一接通，同时电梯的升降电机停止运转，接触器QA1/QA2处于闭合状态，抱闸装置YB启动，电梯位置锁死，检测电梯是否平层，当电梯平层后，平层检测开关BG10/BG11闭合，电梯准备开门，电梯经过一定延时KF0自动开门，或者按下轿厢内开门开关BG8将跳过延时，直接启动开门程序。
电梯门关门工作原理：
当电梯门已开完全，电梯开门终端限位开关BG8闭合，关门检测光电开关检测当前状态下两门之间是否存在物体，当两门之间不存在物体时，关门检测开关SP闭合，反之，SP保持打开状态，电梯门无法闭合。
超重检测开关检测当前状态下是否超重，当轿厢承载未超重时，超重检测开关BP保持闭合状态，反之，BP打开，电梯门无法关闭。
与此同时，电梯必须处于停止状态，即QA1/QA2处于闭合，当以上条件均满足时，电梯经过一定延时KF1后自动关门，或者当按动轿厢内关门按钮时将跳过延时，直接启动关门程序。
3.4输入输出（I/O）口分配及PLC接线
本系统用到的输入输出口较多，主要有34个输入端，包括6个轿厢内选层按钮，用于轿厢内选层；
除一层和六层外每层厅门外一个上升请求按钮及一个下降请求按钮，一层有一个上升请求按钮，六层一个下降请求按钮，共计10个厅门请求按钮；
轿厢内一个开门按钮和一个关门按钮；
每层一个位置开关，共计6个位置开关，用于检测当前电梯所在的位置；
为保证电梯的安全，在一层和六层分别设置一个电梯上极限限位开关和一个电梯下极限限位开关；
在电梯门上设置开门和关门终端限位开关，用于判断开关门的结束位置；
一个用于控制电源的总电源开关；
两个平层检测开关，用于检测电梯是否平层；
一个关门检测光电开关，用于关门时检测两门之间是否存在物体；
一个超重检测开关，用于检测当前轿厢载重是否超过设定值。
有23个输出端，包括6个内选记忆指示灯，用于显示当前已选层；
除一层和六层外每层厅门外一个上升请求按钮指示灯及一个下降请求按钮指示灯，一层有一个上升请求按钮指示灯，六层一个下降请求按钮指示灯，共计10个厅门请求按钮指示灯；
一个开门动作及一个关门动作控制端；
电梯升降电机正反转控制端；
两个速度设定端；
一个抱闸装置控制端。
输入输出（I/O）口分配见表3.1。
表3-1输入输出口（I/O）分配表
序号
地址
注解
电气符号
1
I0.0
一楼楼层位置
BG0
Q0.0
一楼上升灯
PG0
2
I0.1
二楼楼层位置
BG1
Q0.1
二楼上升灯
PG1
3
I0.2
三楼楼层位置
BG2
Q0.2
二楼下降灯
PG2
4
升级会员 