S7300PLC五层电梯控制系统设计方案文档格式.docx
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2005年安装验收电梯124465台，截至2010年底，我国的在用电梯总数已达651794台.。
如此庞大的市场需求为我国电梯行业的发展创造了广阔的舞台！
我国电梯行业已经具备了很强的生产能力。
兴旺的电梯市场吸引了全世界所有的知名电梯公司，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、同本三菱、、东芝、富士达等13家大型外商投资公司在国内的市场份额达到了74％”。
先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。
苏州江南、山东百斯特、浙江巨人、上海华立、东莞飞鹏、宁波宏大、苏州申龙和东南液压电梯等一批优秀的电梯品牌看清了自己的定位与出路。
目前国内市场需要的电梯产品，我国电梯行业几乎全部可以生产，不但大量替代了进口，而且有一定的出口。
国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高。
自1985年我国参加了国际标准化组织ISO／TCl78以来，先后等同或等效采用了一批国际标准和先进国家的标准。
标准的高起点使我国电梯行业在技术上居于有利地位。
许多新技术和新产品，如无机房电梯、无齿轮曳引机、永磁同步拖动技术、远程监控技术等，国际上也是刚刚出现，我国就有多企业可以生产了。
国产电梯以其高质量，低成本的优势赢得了越来越多的国内外客户，为逐步进入国际市场创造了有利条件。
随着计算机技术的发展，微型计算机在工业控制系统中得到了广泛的应用，在电梯控制上采用微型计算机，取代传统的继电器控制方式越来越受到人们的重视。
使用微型计算机控制，它成本低，体积小，可靠性高，使用寿命长，简化了安装调试工作，使得电梯控制系统体积减小，节省能源、可靠性提高。
可编程使灵活性增大。
更突出的优点是微型计算机具有算术运算功能和灵活的逻辑运算功能，因此可以实现更完善的自动控制，例如对于电梯平层可以实现自适应控制，便平层情况达到最佳状态。
目前，交流调压调速电梯技术已趋成熟，一些企业都有成功的产品。
微机控制电梯是电梯技术的方向，～些生产企业与科研单位相结合，相继推出了微机控制的电梯新机型，使控制功能得到增强，电梯的性能得到改善，明显提高了可靠性。
除了合资企业外，也有其他厂家开发出了变频调速电梯新产品。
另外，用可编程序控制器取代继电器控制系统的机型对单梯进行控制还是有前途的。
有些生产企业开发了紧急供电装置、防火厅门、地震控制、自检测以及语言合成等电梯新功能；
对机械系统采用了新结构、新材料、新技术和新工艺”。
总之，与国外先进技术水平相比，虽然还存在一定差距，但国内电梯技术正以迅猛的发展速度赶超世界先进水平。
中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置，每年销售量己达l万台左右，约占亚洲市场的1／50，一些合资企业在出口创汇方面也做出了贡献“。
。
当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。
随着时代的发展，对人在与外界隔离封闭的电梯轿厢内，心理上的压抑感和恐惧感也有所考虑。
因此，提倡对电梯进行豪华性装修，比如：
轿厢内用镜面不锈钢装潢、在观光电梯井道设置宇宙空间或深海景象：
进而主张电梯、扶梯应与大自然相协调，在扶梯的周围种植花草；
在轿厢壁和顶棚装饰某些图案甚至是有变化的图案，并且在色彩调配上要令人赏心悦目；
在轿厢内播放优美的音乐，用以减少烦躁；
在轿厢内播放电视节目，乘客可收看天气预报、新闻等，同时绿色电梯也是将来发展的一个放心方向，要求电梯的智能化、安全水平、视觉协调、消除电磁辐射、舒适感等都要达到一定的要求。
2.选题的目的及意义：
电梯是垂直运行的电梯，通常简称电梯；
倾斜方向运行的自动扶梯；
倾斜或水平方向运行的自动人行道德总称。
电梯已成为现代生活中广泛使用的运输工具，对电梯的安全性，舒适性，高效性等的不断追求推动了电梯技术的进步。
目前，有可编程序控制器和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。
采用PLC控制的电梯可靠性高，维护方便，开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并且有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，已成为电梯控制的发展方向，，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。
可编程控制（ProgremmableController）系统是专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，它采用一种可编程的存储器，在其内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。
通过数字式或模拟式的输入输出控制各种类型的机械设备或生产过程，通过可编程控制器可以实现由继电器实现的逻辑控制功能，而且最主要的是可编程控制器“可编程”功能，使得当改变电梯的控制功能时，只要更改程序即可，而不需要像继电器一样需要更改硬件和接线。
通过本课题的研究，使学生了解电梯控制系统的工作原理,掌握PLC的硬件及软件的设计，达到用PLC控制电梯按要求工作的目的。
锻炼学生综合运用基本理论知识解决工程设计问题的能力，使实际动手能力得到进一步的提高;
培养学生从事科学研究所具有的勇于探索刻苦钻研精神。
二、设计内容
（1）熟悉基于s7-300的电梯控制系统的基本内容和基本原理。
（2）熟悉STEP7编程环境，并掌握编写梯形图的方法。
（3）熟悉该控制系统中所应用到的器件，如：
可编程控制器PLC、变频器、拽引机等。
（4）掌握现场总线技术系统设计和面向对象设计的一般方法。
（5）利用现有旋转编码器构成速度环的同时，通过变频器的PG卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，由此确定电梯位置。
（6）利用PLC扩展功能模块D／A模块实现的，事先将数字化的理想速度曲线存入PLC寄存器，程序运行时，通过查表方式写入D／A，由D／A转换成模拟量后将理想曲线输出。
（7）通过位置信号检测，软件实时计算以下位置信号：
电梯所在楼层位置、快速换速点、中速换速点、门区信号和平层位置信号等。
主要指标及技术参数：
电梯控制系统的位移控制，速度控制，楼层计数，快速换速，脉冲信号故障检测。
采用s7—300PLC系统来处理接近开关信号、按钮信号以及电梯的控制开关和楼层显示等。
具体要求：
（1）学习并掌握西门子S7-300PLC的使用及STEP7开发环境编制程序。
（2）掌握人机界面组态软件WinCC的使用。
（3）通过对现场总线技术的学习，以及对微机控制系统知识的了解。
（4）掌握现场总线技术在控制系统中的应用方法。
三、设计方案
不断的关注近期国内外PLC电梯控制系统的研究状况，多阅读和PLC电梯控制系统有关的书籍和网页，结合本科阶段所学的专业知识进行实际可行、安全可靠的设计，在PLC对控制系统现状、要求等很了解的基础上制定出自己所需要设计的高层电梯设计方案。
多结合实际、做到理论和实物浑然一体，多收集和PLC电梯有关的数据。
3.1变频器的选择
随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。
目前有为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强，使用灵活，但价格相对较贵。
因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。
这是本设计的特点之一。
目前，市场流行的通用变频器的种类繁多，而电梯行业中使用的变频器的品牌也不少，其控制系统的结构也不尽相同，但其总的控制思想却是大同小异。
3.1.1变频器的分类
变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类:
（1）按变换频率的方法分：
（1）交─直─交变频器
（2）交─交变频器
（2）按主电路工作方式分：
（1）电压型变频器
（2）电流型变频器
（3）按变频器调压方法的不同分：
（1）PAM变频器
（2）PWM变频器
（4）按工作原理分类：
（1）U/f控制变频器
（2）VC控制变频器
（3）SF控制变频器
（5）按照用途分类：
（1）通用变频器
（2）高性能专用变频器
（3）高频变频器
3.1.2简述通用变频器概况
通用变频器的发展
上个世纪80年代初，通用变频器实现了商品化。
在近20年的时间内，经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程：
（1）容量不断扩大
80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。
到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了600KVA,400KVA以下的已经系列化。
前几年主开关器件开始采用IGBT，仅二、四年的时一间，IGBT变频器的单机容量已达1800KVA,随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。
（2）结构的小型化
变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。
另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜棍合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“能电力模块”（IntelligentModule）这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速可靠，传感信号也十分迅速。
（3）多功能和智能化
电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。
特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。
人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能。
日益丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种。
（4）应用领域不断扩大
通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。
最初通用变频器仅用十风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。
如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器;
金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都已应用通用变频器;
在其它方面，如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、各类家用电器甚至街心公园喷水池，可以说其应用范围相当广阔，并巨还将继续扩大。
3.1.3VS-616G5型通用变频器
电梯的调度要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，他的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容。
本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行，以改善电梯运行的舒适感；
另外，由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。
考虑以上各种因素，本设计选用安川VS-616G5型全数字变频器。
它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别适合电梯类负载频繁变化的场合。
另外，VS-616G5变频器的启动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达0.01～0.02%使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。
无须配专用电机，可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。
采用高性能IGBT，载波频率20KHZ，从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形，使电机始终运行于静噪音状态。
VS-616G5型变频器是安川电机公司面向世界推出的21世纪通用型变频器。
这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速围。
VS-616G5变频器的特点如下:
（1）包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。
（2）有丰富的内藏与选择功能。
（3）由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。
（4）保护功能完善、维修性能好。
（5）通过LCD操作装置，可提高操作性能。
3.1.4变频器的参数设置
由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。
（1）VS-616G5变频器的参数
616G5变频器共有9组参数，每一组参数的设定都具有特定的含义。
常用参数如表1所示。
表1VS-616G5变频器的参数
参数
功用
A组
B组
C组
D组
E组
F组
G组
确定控制模式
选择运行功能
确定加减速时间及转矩补偿时间
选择频率
确定运行压频曲线
保护设置
确定偏差标准
（2）参数设计的原则：
①减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些。
②提高了运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车击。
③零速一般设计为0Hz，速抱闸功能将影响舒适感。
④变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入即可。
3.2PLC的选择
3.2.1PLC的定义
1982年，国际电工委员会（InternationalElectricalCommitteeIEC）颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版对PLC作了如下的定义：
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人和输出，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按照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。
上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，它有与其他顺序控制装置不同的特点。
3.2.2PLC的主要功能和应用
PLC的主要功能和应用如下：
（1）开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。
它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。
（2）模拟控制在工业生产过程中，由许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。
为了实现工业领域对模拟量
控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。
特别是在系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。
另外某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实现对系统的PID等反馈或其他模拟量的控制运算。
（3）定时控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时与计数器。
其定时时间间隔可以由用户加以设定。
对于计数器，如果需要对于频率较高的信号进行计数，可以选择高速计数器。
（4）数据处理新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算，数据传送，而还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有些PLC还可以进行浮点运算、函数运算。
（5）信号连锁系统信号连锁是安全生产所需的。
在信号连锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。
对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和连锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。
（6）通信把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。
3.2.3PLC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及应用水平。
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。
又因为电梯是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器。
就本次四层电梯的设计而言，上述三种机型都行，但根据课本学习和熟悉程度，本次设计采用西门子SIMATICS7-300系列PLC机型。
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及大规模应用的首选产品。
S7-300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
0.1～0.6us的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。
（2）人机界面（HMI）
方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，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、有效地保护其技术机密，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。
3.2.4SIMATICS7-300系列PLC系统基本构成
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、电器制造工业及相关产业。
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，可随时使用接口模块对PLC进行扩展。
S7-300是模块化的组合结构，根据应用对象的不同，可选用不同型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架（导轨）或多个机架上。
除了电源模块、CPU模块和接口模块外，一个机架上最多只能再安装8个信号模块或功能模块。
CPU314/315/315-2DP最多可扩展4个机架，IM360/IM361接口模块将S7-300背板总线从一个机架连接到下一个机架，SIMATICS7-300系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展。
其系统构成如图2.1所示。
它的主要组成部分有导轨（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元模块（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）等。
它通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7PLC相连。
图1S7-300系列PLC系统构成框图
3.2.5S7-300系列PLC模块性能简介
（1）CPU模块
S7-300有CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU314IFM、CPU315/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等8种不同的中央处理单元可供选择。
CPU315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有现场总线扩展功能。
CPU以梯形图LAD、功能块FBD或语句表STL进行编程。
（2）信号模块
①数字量输入模块
数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。
数字量输入模块有直流输入方式和交流输入方式。
对现场输入元件，仅要求提供开关触点即可。
输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器等待CPU采样。
采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。
数字量输入模块SM321有四种型号模块可供选择，即直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入模块。
②数字量输出模块
数字量输出模块SM322将S7-300内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。
晶体管输出模块只能带直流负载，属于直流输出模块；
可控硅输出方式属于交流输出模块；
继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块。
从响应速度上看，晶体管响应最快，继电器响应最慢；
从安全隔离效果及应用灵活性角度来看，以继电器触点输出型最佳。
③模拟量输入模块
SM331主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。
A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数，也即积分时间越长，被测值的精度越高。
SM331可选四档积分时间：
2.5ms、16.7ms、20ms和l00ms，相对应的以位表示的精度为8、12和14。
④模拟量输出模块
模拟量输出模块SM332目前有三种规格型号，即4AO×
l2位模块、2AO×
12位模块和4AO×
l6位模块，分别为4通道的12位模拟量输出模块、2通道的12位模拟量输出模块、4通道的16位模拟量输出模块。
SM332可以输出电压，也可以输出电流。
在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。
采用4线回路能获得比较高的输出精度。
（3）PS307电源模块
PS307是西门子公司为S7-300专配的24VDC电源。
PS307系列模块除输出额定电流不同外（有2A、5A、10A三种），其工作原理和各种参数都相同。
PS307可安装在S7-3
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