自动升降电梯自动控制系统.doc

自动升降电梯自动控制系统自动升降电梯自动控制系统概述随着变频技术和PLC控 制技术的发展，工厂中的自动化生产线也越来越多，由于一些行业的生产工艺的要求或是由于生产车间和场地的特殊情况，要求一些生产线需要配置相应的物件提升 装置。以前在工厂中经常看见一些升降机械，这些升降机械很多由工频电机直接带动运行，电气控制部分一般都很简单，多数采用人工手动控制或采用继电器控制方 式。这些升降机械存在一些明显的问题，如启动停止和运行不平稳，升降运动过程动作不可靠，自动化程度不高，故障率较高，设备能耗高，无法应急运行，存在安 全隐患等等。基于这些问题使得这些升降机械很难在工厂生产中发挥高效率的作用，同时也使得国内这些生产的升降机械无法与进口的自动化生产线配套使用，也无 法根据实际的生产需要转换和调整升降机械的动作方式和工作顺序。应用西门子S7-200 PLC和西门子MM420变频器组成的升降电梯控制和驱动系统，可以完成对升降电梯自动运行的智能化控制和管理，可以根据生产线的实际生产需要和具体工艺要求自动调整升降方向和速度快慢。也可以在变频器发生故障时自动将发生故障的电机切换到工频状态应急工作，系统设有西门子TP170A触摸屏，可以向工作人员提示设备的状态和故障信息。整个系统自动化程度高，应用范围广，可以在多个行业与国内外各型生产线配套使用。自动升降电梯机械系统和自动控制系统概述1 自动升降电梯机械系统的组成：自动升降电梯的机械系统由电梯入口和出口传输机构，轿箱内部吊篮传输机构，轿箱升降机构，电梯厅门安全机构和升降电机安全抱闸机构组成。电梯入口和出口传输机构用于将生产线上的产品向电梯内或电梯外传送。轿箱内部吊篮传送机构用于将产品传入或传出轿箱。轿箱升降机构用于提升电梯轿箱或下降 电梯轿箱。电梯厅门安全机构用于在电梯轿箱升降过程中关闭电梯井厅门入口，防止安全事故发生。升降电机安全抱闸机构用于在电梯轿箱停止运动时抱住升降电机 主轴，防止电梯轿箱在停止运动时发生上下滑动，避免由此而产生的安全事故。 2 自动升降电梯的自动控制系统的组成：自动升降电梯的自动控制系统由程序逻辑控制器PLC，外部光电传感器，触摸屏，变频驱动器，声光报警灯和检修手动盒等元气件组成。程序逻辑控制器PLC采集外部输入点的输入信号，如启动停止信号，各个光电传感器的状态信号，各限位开关的输入信号，人机界面上的输入信号，经过逻辑判断和运算后输出相应输出信号，控制电气系统中的相应交流接触器和变频器动作。来完成将一层楼的产品自动的转移到另外一层楼的生产线上。 3 自动升降电梯的工作原理和控制要求：自动升降电梯的工作状态分为自动运行状态和检修操作状态，两个工作状态相互独立彼此分开。当升降电梯处于自动运行状态下时，要求检修操作盒的所有按钮无效，同样当设备处于检修状态下时要求来自系统外部的控制信号无效，此时系统只能通过检修手动盒点动检修。在自动运行时要求升降机能够将一层楼的产品自动的传送到另外一层楼的生产输送带上，并自动返回到出发点进行下一个工作周期。这个过程当中要求PLC能 根据外部生产线的速度自动调节升降机的运转速度。要求升降机的轿箱能够准确平层，能够判断进出口堵塞情况的发生，能够自动的连续点动正反转，以自动消除进 出口的堵塞现象，减少不必要的停机发生。同时要求升降系统能够多楼层多顺序的传送运行，能根据生产需求调整传送方向。要求系统有可靠的安全保护，能避免设 备安全事故的发生。要求设备具有应急运行功能，减少因设备故障造成的生产线停机。在操作上要求通过人机界面能够方便地修改参数，记录生产情况和报警信息，要求在触摸屏上复位报警和点动功能。能够设置管理人员密码，能够记录生产批次和生产数量，具有历史数据查询功能。自动升降电梯机械系统的结构组成自动升降电梯的传输机构分为入口输送带，出口输送带和电梯轿箱吊篮传送带。分别与各楼层的生产线输送带连接。图11为：自动升降电梯入口输送带与吊篮输送带和生产线输送带的组合。                          图11 其中电梯入口输送带采用工业输送带，生产线输送带采用皮带式输送带，加置皮带张紧装置，入口输送带可以根据需要正反转。电梯轿箱吊篮传送带采用链条传动多 个金属输送辊组成的辊道式传送带，机械结构牢靠，抗撞击能力强，正反转动作可靠，其作用是连接电梯入口传送带或出口传送带。图12为：电梯轿箱吊篮内送辊道式输送带示意图。 图12  图13为：自动升降电梯出口输送带与吊篮输送带和生产线输送带的组合。                             图13 其中电梯出口输送带采用工业输送带，生产线输送带采用皮带式输送带，加置皮带张紧装置，出口输送带可以根据需要正反转。而电梯轿箱吊篮内送辊道式输送带则与电梯升降机构组合，在各楼层之间上下运动，输送货物。图14为：升降电梯的机械升降机构。    对重装置未画出图14  升降电梯的机械升降机构由升降电机，电动抱闸，链条和升降部分组成。图15是电梯升降机构与电梯井架的组合。  对重装置未画出  图15 在自动升降电梯吊篮内，吊篮输送机构与电梯升降机构的组合如图16所示。         对重装置未画出 图16 自动电梯吊篮输送机构和1F入口传送带的组合如图17所示。  对重装置未画出                 图17 自动电梯吊篮输送机构和2F出口传送带的组合如图18所示。 对重装置未画出图18自动升降电梯的电机驱动系统的组成可以根据生产线的实际情况，来设计上述各输送带和电梯升降机构驱动电机的功率大小。本设计中采用电梯输入口，电梯输出口和吊篮电机都为0.75KW的三相交流鼠笼式电机，设计电梯升降机构电机为1.5KW三 相交流鼠笼式电机。各个电机功率可以根据实际的情况来设计，但在设计电梯入口，电梯出口和吊篮内输送带电机时，要求将这三处的输送带驱动电机功率设计为一 样大小。这样设计的目的在于，因为升降电梯在一二楼之间来回运动运送产品，但一二楼的入口传送带和出口传送带的工作状态为二选一。即当其中一个输送带的电 机处于工作状态下，另外一台电机则处于停止的状态。这样就可以使用一台变频器来驱动多个楼层电梯入口或出口的输送电机，以达到减少硬件设备的投入。吊篮内 输送带的驱动电机和变频器的功率尽量选择和电梯出入口输送带驱动电机同等功率，这样做的目的在于减少变频器和输送带驱动电机的型号差别，方便设计，同时也 方便安装、调试和以后的设备检修与维护。电梯升降机构的驱动电机和变频器的功率容量根据产品的实际质量、升降机构的机械效率和安全系数来确定。所有升降电 梯上使用的变频器选用西门子MM420系列通用型变频器。升降电梯变频驱动系统的结构示意图如图21所示。  图21图21中1、2和3为西门子MM420系列变频器，、和分别为自动升降电梯1楼入口输送带电机、二楼出口输送带电机、轿箱吊篮输送带电机和升降机构电机。PLC为西门子S7-200 226CPU，112为交流接触器。所有的变频器和交流接触器工作状态都由PLC集中控制完成，同时为了避免工频正反转输出时发生短路事故，在工频正反转输出的交流接触器上实施电气和机械互锁的安全措施。为了避免变频器输出时和工频输出短接，或者为了避免1变频器输出时和电机同时的电，在各个交流接触器之间加设电气互锁和必要得机械互锁。当升降电梯处于自动运行状态下时，当电梯在1楼时由1变频器向电机提供动力驱动，可以是正转也可以是反转。当电梯在二楼时由1变频器向电机提供动力驱动，可以是正转也可以是反转。2变频器向电机提供动力驱动，当电梯在一楼时正转，在二楼时反转。3变频器向电机提供动力驱动，当电梯上升时正转，下降时反转。交流接触器的的互锁状态如下：交流接触器1、2机械电气互锁，交流接触器3、4机械电气互锁，交流接触器5、6机械电气互锁，交流接触器8、9机械电气互锁，交流接触器11、12机械电气互锁。同时交流接触器组1、2和交流接触器组3、6电气互锁，交流接触器3、6电气互锁，交流接触器4、5电气互锁，交流接触器7和交流接触器组8、9电气互锁，交流接触器10和交流接触器组11、12电气互锁。详细的互锁组合和互锁意义如表21所示。 第一组交流接触器第二组交流接触器互锁状态注释含义12机械电气互锁防止工频正反转短路二选一34机械电气互锁防止工频变频同时接通二选一56机械电气互锁防止工频变频同时接通二选一89机械电气互锁防止工频正反转短路二选一1112机械电气互锁防止工频正反转短路二选一1、23、6电气互锁防止工频变频同时接通四选一78、9电气互锁防止工频变频同时接通三选一1011、12电气互锁防止工频变频同时接通三选一36电气互锁防止变频同时接通二选一45电气互锁防止工频同时接通二选一 表21 图21中交流接触器1、2、4的组合目的为了当1变频器发生故障时或者设备处于检修状态时，可以通过工频驱动的方式应急运行电动机，而且保留了电机的正反转功能。同理交流接触器1、2、6的组合，交流接触器8、9的组合，交流接触器11、12的组合目的是为了能够实现工频驱动电机、和正反转。自动升降电梯自动化控制系统的组成自动升降电梯的工作状态分为自动状态和维修工作状态，这两种工作状态互相独立、彼此分开，目的在于确保控制回路的输出的唯一性，避免发生类似双线圈输出的情况，杜绝事故的发生。整个升降电梯自动化控制系统的组成由核心控制元件PLC、 空气开关、电机马达开关、交流接触器、触摸屏、开关、按钮、指示灯、报警器和外部光电传感器等元部件组成。其中由面板旋钮开关或带锁的钥匙旋钮开关选择整 个系统的工作状态，通过状态安全继电器的得电或失电来区分自动运行和手动运行的输出电源的通和断。这样就使得系统只有在自动运行状态下时PLC的输出端子才有输出电压，当系统在手动运行状态下时，PLC输 出端子上无输出电压。马达开关作用为当系统指令电机以工频方式工作时，起到保护电机的作用。人机界面能够方便操作人员对设备进行操作和监控，同时实时显示 设备工作状态，记录生产产量和班产批次等历史数据。报警灯由多级柱装灯塔组成，不同颜色代表不同意义。设备外部设有多个光电传感器，向PLC传 输外部状态信号，指示自动电梯的工作状态。自动化控制系统中的安全部分的紧急停止按钮拥有最高的设备输出中止权，即无论在手动还是自动状态下，只要紧停按 钮被按下，设备都会立即停止任何动作。电梯井除了在高处和低处安装了感应电梯吊篮位置的光电传感器，还在井架极限高位和极限低位安装了机械式的行程限位开 关，确保电梯轿箱不发生冲顶和撞底的事故。在1楼电梯进口输送带和2楼电梯出口输送带上分别安装有1个光电传感器，用来检测运输的产品。在轿箱吊篮内输送带上安装有2个光电传感器，用来检测运输产品的进出情况。由于生产线的情况决定了在自动升降电梯的自动化控制系统中需要设立主控制柜，和现场分控制箱。在主控制柜内安装所有空开，马达开关，PLC，触摸屏，塔式报警灯等元气件，在现场分控制箱上安装自动状态系统停止旋钮开关。手动检修操作盒采用移动式手持盒，所有手动按钮相互连锁，并且都为点动按钮。图31为主控制柜面板布置。  图32为现场控制箱面板布置。图33为检修点动盒外观图。图34为主控制柜外观图。图35为2楼现场分控制箱外观自动升降电梯自动运行工艺流程的设计1 自动升降电梯的外部传感器设置：如图11和13所示，在电梯1楼入口传送带和电梯2楼出口传送带上，分别安装有检测产品的光电传感器PS1、PS4。如图12所示，在电梯轿箱内吊篮输送带上安装有两个光电传感器SP2、SP3。如图17所示。在电梯井架机构内安装有高位和低位光电传感器SP5、SP6。 2 自动升降电梯的停止状态位： 两层式自动升降电梯的工作停止状态位有两个，分别为一楼停止位和二楼停止位。如图17和图18所示。下面图41为自动电梯一楼停止位的局部放大图。图42为自动电梯2楼停止位的局部放大图。 3 自动升降电梯自动运行步骤设计： 自动升降电梯将产品从一楼箱二楼输送，在返回一楼。整个控制程序采用步进控制编写。具体步骤如下。1                 第一步：1楼生产线使能，系统判断吊篮位置（PS5/PS6），传送第一件货物进入吊篮。同时传送第二件货物到1楼进口输送带上等待下一传送周期(PS1被第二件货物挡住后停止前行)。（吊篮电机正转）2                 第二步：判断升降机构是否可以升降（吊篮入口光电传感器PS2是否由货物挡住），向上举升货物至二楼。（升降电机正转）3                 第三步：判断二楼出口输送带是否堵塞（PS4是否被挡住）,向电梯外输送货物。（吊篮电机反转）4                 第四步：判断升降机构是否可以升降（吊篮入口光电传感器PS2是否由货物挡住），向下返回1楼。（升降电机反转）5                 下一周期开始！  根据以上四步步进控制顺序设计PLC主要输入输出点如表31和表32所示。 输入点编号注释I1.0自动运行I1.1检修运行I1.2系统启动I1.3系统停止I0.3紧急停止I0.41#变频器故障I0.52#变频器故障I0.63#变频器故障I2.01楼入口光电传感器PS1I2.1轿箱内吊篮入口传感器PS2I2.2轿箱内吊篮内部传感器PS3I2.32楼出口光电传感器PS4I2.4电梯井高位传感器PS5I2.5电梯井低位传感器PS6I0.7外部生产线使能PS0 表31注：表中主要输入点元气件在图11、图13和图21中查找对应。       输出点编号注释Q0.01变频器正转输出Q0.11变频器反转输出Q0.32变频器正转输出Q0.42变频器反转输出Q0.63变频器正转输出Q0.73变频器反转输出Q1.1交流接触器3工作Q1.2交流接触器6工作Q1.3交流接触器7工作Q1.4交流接触器10工作Q1.5抱闸电磁铁机构松闸 表32注：表中主要输出点元气件在图21中查找对应。 1、2、3变频器输出方式与交流接触器3、6、7、10的组合对应电机、的运动状态如表33所示。 输出点组合注释Q0.0、Q1.11楼输送带电机正转（电机）Q0.3 、Q1.3吊篮电机正转（电机）Q0.6 、Q1.4升降电机正转（电机）Q0.1、Q1.22楼输送带电机反转（电机）Q0.4 、Q1.3吊篮电机反转（电机）Q0.7、Q1.4升降电机反转（电机） 表33  在步进顺序的设计上，为了避免因为误挡光电传感器而发生设备误动作，应该选择西门子S7-200 PLC中专门的顺控继电器S来编写升降电梯的步进程序。步进程序主要步骤如下图43所示。步进程序主要步骤程序编写如下图44所示。图44 注：这里为了能使表达更为清楚，步进顺序间的转换没有加时间延时。在实际程序编写中为了使设备在转换动作时更加平稳，应该注意步进转换之间的时间延时。在第一步步进程序里，一楼入口输送带电机正转输出由于第一步的结束而停止，这时入口输送带上的产品不一定正好挡住入口传送带光电传感器PS1。这样会造成在升降机吊篮上升后，一楼入口输送带上的产品不一定能够排成队列等待输送。为了解决这个问题，需要在上述步进程序外编写一条关于一楼入口输送带输出的语句，这里是关于输出点Q0.0和Q0.1的双线圈输出。在步进程序中，可以考虑使用双线圈，但要慎重使用。其语句为：LD M1.0          A  M2.0          A  0.7         AN  2.0         OUT   Q0.0         OUT   Q0.1  4 升降电梯精确平层的电气控制设计： 如图41和图42所示，升降电梯吊篮和一楼传送带和二楼传送带的平层控制上，采用了电梯井高位传感器PS5和低位传感器PS6来控制轿箱的停止（参见图44升降电机正转/升降电机反转）。这里存在一个问题，如果电梯井高位传感器PS5和电梯井低位传感器PS6在升降电机运行时发生误动作。或者由于光电传感器的老化、输出滞后或是由于PLC输入响应滞后等问题会造成电梯轿箱吊篮停止位置的偏差积累。即吊篮在电梯运行一段时间后其停止位置会越来越高或者越来越低，甚至有可能发生电梯轿箱冲顶或者撞底事故的发生。为了解决这个问题应当在程序中加入高速脉冲计数，使用计数器来准确判断电梯轿箱的停止位。在硬件配置上需要在升降电机的转子轴上加配旋转编码器，如图45和图46所示。在PLC输入点的设计上，注意预留输入点I0.0I0.7或者I1.1I1.5作为编码器高速计数输入，具体用法参见西门子S7-200编 程手册。旋转编码器的选择可以是双相脉冲编码器，也可以是单相脉冲编码器，在程序中可以选择带有增减计数脉冲的双相计数器，也可以选择带有内部方向或带 有外部方向控制的单相计数器。旋转编码器可以是增量型编码器也可以是绝对值编码器，选择上面很灵活，具体的编码器选择应和程序中高速计数器、运行模式和系 统控制字相结合，具体方法参见西门子S7-200编程手册。下面表34给出旋转编码器和高速计数器及系统控制字的一种可能组合。 内容说明特征旋转编码器增量型单相高速计数器HSC0外部方向控制单相计数/运行模式4I0.0脉冲计数/I0.1方向/I0.2复位控制字SM37B11111000或16F8初始值SMD380预制值SMD42根据一二楼之间距离定 表34 在程序中通过调用中断号为12的 中断子程序来使升降电机停止正转或反转，以达到轿箱精确平层的目的。在高速计数器和旋转编码器的选择和配置上可以灵活掌握，在外部输入点数量紧张的情况 下，可以采用高速计数器内部方向控制来完成增减计数。也可以不用增减计数，直接在程序中步进转换时复位高速计数器来完成. 5 对升降机构电磁机械安全抱闸的控制设计： 升降机构的电磁安全抱闸机构如图45所示，其工作原理为当升降电机开始正转或者反转时电磁抱闸电磁铁得电松开抱闸，使得电梯轿箱可以上下运动。当升降电梯轿箱停止升降时，抱闸电磁铁失电抱住升降机构的转轴，固定轿箱防止轿箱向下滑落。电磁铁设计为失电抱住转轴，防止因为停电或急停按下时轿箱向下滑落。在抱闸机构的设计上应注意足够的机械强度和较大的安全系数。自动升降电梯安全运行的设计为了使电梯安全运行，在设计上必须注意，紧急停止按钮具有最高级别的中止功能，通过安全继电器的失电态来强制断开PLC的所有输出电源和手动检修盒的控制电源。图51通过图51可以了解到使用安全继电器ZJ1的失电态常开触点，可以使得PLC及所有控制输出电源失去电能。在程序编写上，通过紧停按钮输入I0.3调用该点的中断事件6，快速断开程序中的所有输出。这样的双重保护确保万无一失。在安全设计上要增加电梯厅门保护，即如果厅门未关好，升降机构不动作，如果厅门未打开，吊篮输送装置不动作。这些保护在程序中添加到每个步骤中即可，在硬件上可以增加行程限位开关，包括升降机构的上下限位行程开关。在自动和检修状态中只可以二选一，即两者的控制电源互相独立分开。手动检修按钮间互相互锁，以保证检修运行时设备动作的唯一性。如图52所示为手动检修按钮间的互锁。自动升降电梯的设计特点在自动升降电梯的设计中充分考虑了与自动化生产线配套的特点，确保安全的设计前提，配置了变频/工频可选的驱动系统，当变频器发生故障时可以由PLC将故障处电机转换为工频运行。在向电梯轿箱吊篮内输送产品物件和向外输出产品物件时，可以通过PLC智能化判断进出口拥堵情况，可以在步进主程序中添加自动正反转进出口电机程序，这样可以在生产过程中减少不必要的停机次数，也减少认为干预的次数，整个系统的智能化程度很高。同时由于驱动系统的变频和工频正反转冗余设计，可以使得系统可以根据生产需要将产品从一楼运向二楼，也可以把产品从二楼运向一楼。在PLC选型上采用西门子S7-200 CPU226，其强大的功能和良好的扩展性能，使得自动升降电梯可以实现两层以上的楼层扩展。在硬件上只需要扩展PLC模块和增加交流接触器的数量，外部安全元气件，和外部感应元件等即可，不需要增加变频器数量。步进程序的扩展也很方便。工艺流程和楼层增减可以在西门子PLC中完成生产配方，极为方便地完成与多楼层，多种生产工艺配套。强大的通讯功能，设计中选用了西门子S7-200 226 PLC，其强大的通讯功能，能使得自动电梯设备可以与生产线设备很容易地成为一个整体，成为自动化生产线地有机的一部分。包括变频器地速度给定，自动运行，故障时请求生产线减速或停机等等功能。人性化地设计，设备采用了TP170A西门子彩色触摸屏,全中文显示，方便操作和设备维护。强大的后台管理功能，可以记录生产情况和故障情况。自动升降电梯的设计注意事项1  安全事项，设计始终要把安全放在第一位，这是对每一个客户、每一位有可能接近或接触到设备人员的不可推卸的终身责任。在程序中要注意使用相应的中断处理和 相应的电器连锁，在硬件上要采取机械互锁、机械限位、电气联动、外部传感器、安全继电器等措施和元件来完成安全设计。安全始终贯穿整个设计，如果一个设备 设计的再精巧，却存在安全隐患，那设计人员难辞其咎。 2  智能化的设计，自动化设备的设计要求具有相应的智能化设计，当设备发生故障或是动作不协调时，设备能够自动地切换至应急工作态，或是设备能自动的自我调 整。减少因为设备故障或动作失调造成整个生产线停机事故地发生。智能化太低或是使得配套生产线频繁停机的自动化设备等于一堆废铁。 3  如果升降电机的功率较大，那升降电机的工频应急运行可能会存在一定问题，在大功率升降电梯的设计上应考虑由变频器低速点动来完成检修运行，这就要求变频器的质量和品质一定要高。同时变频器应该注意选用制动电阻，输出电抗器等附件。 4  外部传感器的使用要充分考虑到外部传感器误动的发生，在程序上考虑互锁，在硬件上注意选型。光电传感器和电磁感应式接近开关在使用上存在一定差别，应当注意。 5  在PLC的配置上应充分考虑设备的扩展和功能的增加。 6  在低压元气件的选择上建议使用正品原装进口（带序列号）知名品牌，自动化程度越高的设备不使用低档次低压元气件。这与爱不爱国无关，也与成不成本无关。 7  机械结构的设计要有足够的强度，充分考虑安全性能。加工要求需要高品质，只要严格按照国家GB标准生产，一般问题不大。 8  人性化设计，电气控制柜设计要符合日常习惯，凡是涉及安全的按钮、旋转开关应放在左手侧，必要时加锁。急停按钮应放在右手侧，位置应该易于按压，但不易被 人误碰。电气柜内设计照明灯、散热风扇、电脑插座等附件。机械部件的设计应该首先满足安全的要求，在此基础上方便操作人员工作，减小体力劳动强度。 9  变频器和PLC的安装位置要有一定的距离空间，防止因为变频器的高频干扰使得PLC误动。注意屏蔽线的正确使用。严格按照国家GB标准进行电气设计和安装，严格按照西门子产品硬件手册进行设计和安装。自动化电梯的设计因设计角度和设计理念的不同和偏差，可能造成设计上的一些差异。本论文 中较为详细地介绍了自动升降电梯设计的方法和过程，论述了自动升降电梯的结构设计和工作流程与工艺设计。但因为，自动化设计的内容量过大，涉及的专业较 多，牵扯面也很宽。仅仅一片专业论文实在无法全盘托出，有些的方的表述可能会存在不够准确，或者描述上存在未能描述到的地方。愿意和广大工程技术人员交流 和切磋，共同推动国内制造业的发展。