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六层电梯的PLC控制系统设计毕业论文 学士学位论文 毕业设计论文 六层电梯的PLC控制系统设计 I 学士学位论文 摘 要 本文介绍一种电梯PLC控制系统。电梯是垂直方向的运输设备，是高层建筑中不可缺少的交通运输设备,在人们生活中起着举足轻重的作用。它靠电力拖动一个可以载人或物的轿厢，在建筑物的井道内导轨上做垂直升降运动，要求达到电梯运行的“稳、准、快”的运行。本系统主要由PLC、变频器、交流异步电动机、继电器、行程开关、按钮和发光指示器组成，采用以西门子公司的可编程控制器S7-200对电梯模型进行全过程控制。 如今电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的工具，而采用 PLC与变频器组成的变频调速电梯具有很好的控制效果，整个系统通过PLC、变频器对电梯的升降、加减速、平层、起动制动进行控制,其结构简单、运行效率高、平层准确。 关键词:PLC控制系统；电梯模型；旋转编码器；变频器 II 学士学位论文 Abstract This text introduces the control system of a kind of elevator PLC.The elevator is perpendicular directional of the conveyance equipments be indispensable in the high building of transportation equipments,there is prominent function in the people's life.It depends electric power, dragging along to move a car that can carry persons or things and lead a track in the building of the well way up do perpendicularity to ascend and descend sport, Request to attain the movement purpose of "steady, quasi-, quick" of elevator movement.This system is mainly composed of PLC, frequency converter ,asynchronous motor,relays,trip switch,button,and a light indicator, It controls the whole process on the elevator by the programmable controller S7-200 of SIEMENS company. Now the elevator has become indispensable tool by which people go in and out the high-rise building，VVVF elevator composed by PLC and the transducer have good control effect,The entire system controls the elevator lift, acceleration and deceleration, leveling, start braking through the PLC and inverter. The system has simple structure, high efficiency, accurate leveling. Key Words:The PLC controls system ;Elevator model;Rotary encoder;Electric circuit transducer III 学士学位论文 目 录 1 绪论 . 1 1.1电梯的概述 . 1 1.1.1电梯的分类 . 1 1.1.2电梯的组成 . 2 1.1.3电梯的工作原理 . 2 1.2 PLC控制电梯的优势 . 3 1.3电梯的发展趋势 . 4 2 总体设计方案 . 5 2.1 THBCDT-2型多层电梯实验模型 . 5 2.1.1 概述 . 5 2.1.2 技术性能 . 6 2.1.3 操作、使用说明 . 6 2.2 控制要求 . 7 2.3 电梯模型控制系统构成 . 7 3 硬件系统的组成 . 9 3.1 可编程控制器简介 . 9 3.1.1 PLC的结构及各部分的作用 . 9 3.1.2 PLC的工作原理 . 11 3.1.3 PLC的程序编制 . 11 3.1.4 PLC的输出方式 . 13 3.2 PLC型号选择 . 14 3.3 变频器的概述 . 15 3.3.1 变频器的选择 . 15 3.3.2 变频器的控制方式 . 17 3.3.3 变频器调速原理 . 17 3.4 旋转编码器的测速原理 . 18 3.5 系统安全设计 . 19 3.6 硬件外部接线图 . 21 4 软件设计 . 23 4.1 流程图 . 23 4.2 输入/输出分配表 . 24 4.3 电梯的运行流程 . 25 4.4电梯的控制要求 . 25 4.5 控制程序设计 . 26 4.5.1 开门、关门控制程序 . 26 4.5.2 呼梯信号的锁定与清除程序 . 30 4.5.3 平层判断控制程序 . 32 4.5.4 电梯上下行指示 . 33 IV 学士学位论文 4.5.5 自动复位控制程序 . 35 4.5.6 调试过程中遇到的问题与解决方案 . 36 结 论 . 37 致 谢 . 38 参考文献 . 39 附录 . 40 附录 A 英文原文 . 40 附录 B 汉语翻译 . 错误！未定义书签。 附录 C 程序清单 . 49 V 学士学位论文 1 绪论 1.1电梯的概述 1.1.1电梯的分类 电梯主要就是利用轿厢在固定轨道中把乘客或者物品竖直的运送到一定位置的固定设备。通常来说无论它的驱动方式怎么样，我们都能把电梯作为建筑物内部垂直运输交通工具的总称。通过对建筑物的各类需要的考虑，从而设计出不同种类的电梯。目前电梯基本分类方法大致如下。 1.按用途分类 乘客电梯 ，载货电梯，客货电梯，病床电梯，住宅电梯，杂物电梯，汽车电梯，特种电梯，观光电梯。 2. 按驱动方式分类 交流电梯，直流电梯，液压电梯，齿轮齿条电梯，螺杆式电梯，直线电动机驱动的电梯。 3. 按速度分类 低速梯， 中速梯， 高速梯， 超高速梯。 4. 按电梯有无司机分类 有司机的电梯，无司机电梯，有/无司机电梯。 5. 按操纵控制方式分类 手柄开关操纵，按钮控制电梯，信号控制电梯，集选控制电梯，并联控制电梯，群控电梯， 1 学士学位论文 1.1.2电梯的组成 1.曳引系统 曳引系统主要的作用是使轿厢进行上下运行，为其提供动力。 2.导向系统 导向系统的主要的作用是为轿厢的运动指引方向，为轿厢的运行提供正确的线路。 3. 轿厢 轿厢主要是运载乘客和货物的箱式设备，是电梯的主题部分。 4. 门系统 门系统的主要功能是作为轿厢的门使用，使轿厢内部封闭更加安全。 5. 重量平衡系统 重量平衡系统的主要功能是对所承载的人或货物进行测量，防止超过固定值。 6. 电力拖动系统 电力拖动系统的功能主要是拖动整个轿厢系统，把电梯的速度控制在一定范围内。 7. 电气控制系统 电气控制系统的功能是对电梯的运行和各方面的步骤进行全面设计和控制。 8. 安全保护系统 安全保护系统保证电梯安全使用，可以防止一切危及人身安全的事故发生。 1.1.3电梯的工作原理 电梯在工作时，电梯的曳引绳两边一头接轿厢的主体另一头接对重部分，把曳引轮和导向轮连接在一起，并缠绕起来，曳引电机运行后通过变频器变速以后再使曳引轮变速运行，然后通过曳引绳与曳引轮之前相互摩擦而产生出的牵引力做功来使轿厢和对重上升下降，以此可以把人或物品运送到指定位置。 把导靴放置在轿厢上沿着位于建筑墙体上的导轨重复的做上升下降运动，以防轿厢在运动的过程中发生偏斜或摆动的问题。在电动机运行时常闭块式制动器一旦出现松2 学士学位论文 闸，可使电梯运行，如果在失电时下制动的情况发生的话，可能会使轿厢停止上升下降运行，并且在指定目标楼层上保持轿厢停止的状态，让里面的人或货物逃出。轿厢的作用就是把乘客或者其他载货物运送到指定位置的一个箱体，对重主要是用来平衡轿厢的载荷、减少电动机的功率。补偿装置的作用是对曳引绳运动时张力和重量的变化进行补偿，能够稳定曳引机的负载能力，也可以将轿厢安全的停止。电气控制系统实现了对电梯各方面的控制。指示呼叫系统可以把轿厢的运动方向和所在楼层的位置显示出来。安全装置的作用是使电梯在运行过程中得到安全的保障。 1.2 PLC控制电梯的优势 自XX年美国奥梯斯升降机公司推出世界第一部以电动机为动力的升降机以来，电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程，逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。如今电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的代步工具；而且作为载人工具，人们在运行的平滑性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能方面对它提出了更高的要求。 早期的自动控制系统是依靠继电-接触器来实现的，其特点是：结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，可以实现集中控制和远距离控制，但是其采用固定接线，通用性和灵活性差；又采用触点的开关动作，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。 在当今时代，人类的高科技技术以飞速的方式发展，我们的微电子技术、计算机技术和自动控制技术也有了非常好的前景，电梯现如今已经成为我们在生活中必不可少的一种运输工具。另外，现如今生活对电梯在运行的安全性、高效性、舒适性等要求不断的提高的同时，其各种技术也随之非常快速的提高，其中电梯的拖动技术已经逐步发展成了调频调压调速，电梯的逻辑控制能力现在已经由PLC逐步取代了过去的一些元件控制。 电梯控制要求介入的设备使用起来比较简单，对应用于系统组态的编程也要简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库后，加快了编程和调试的速度。通过PLC对于程序进行编辑，改善了电梯的控制能力，加强了电梯在运行中的安全性能。因此PLC在电梯的控制系统中的应用就非常广泛，并且非常具有实际价值1。 3 学士学位论文 1.3电梯的发展趋势 XX年，出现了可编程逻辑控制器PLC，其特点是：具备逻辑控制、定时、计数等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。 可编程控制器既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质性能。因此，PLC在电梯控制领域得到了广泛而深入的应用。 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC在工业控制领域内得到十分广泛地应用。PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出口，完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。 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。当今世界,电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一1。 4 学士学位论文 2 总体设计方案 依据实验室中的六层电梯装置模型，设计一个六层交流调速电梯控制系统，按照电梯的一般控制原则编制相应的软件程序，绘制出相关图纸。利用实验室的现有设备进行系统的模拟实验。对毕业设计进行总结，并撰写毕业设计报告。 2.1 THBCDT-2型多层电梯实验模型 2.1.1 概述 THBCDT-2型群控多层电梯实训装置是依据国家数控及机电一体化教学要求而开发的，适合机械制造及自动化、机电一体化、自动化、电气工程等专业的相关课程开设实验课。可编程控制器可采用目前市面上比较流行的西门子PLC。该装置涵盖了PLC技术、变频调速技术、传感器应用技术、位置控制、复杂的开关量控制、时序逻辑控制有机结合成一体的教学仪器。适合用于大、中专院校、高职高专学校的学生PLC实验实训、毕业设计、课程设计、实习实验等。 1 组成与特点 (1)多层电梯层数为六层，楼层号标为“-1、15”，高度188cm，实验装置结构和电气线路布线合理，做工精致，美观大方。 (2)电梯模型的电气部分由永磁低速同步电动机、变频器、PLC、欧姆龙旋转编码器、语音到站钟等组成 (3)机械部分有框架、导轨、轿厢、配重及电梯呼盒组成。 (4)本实验装置提供实现现代化电梯控制各种功能的检测信号、控制执行机构和显示器件。检测信号分为外呼信号、内选信号、平层信号、位置检测信号、轿厢门开闭位置信号、轿厢门防夹人保护信号、上、下极限位保护信号等。电梯轿厢可上下运行，轿厢门具有开关和限位等保护功能。显示实现每个楼层的当前轿厢所处位置楼层显示、运行方向显示、外呼/内选信号的回应显示。 (5)电梯的主拖动由变频器驱动同步电机实现，能够仿真实际电梯的运行速度。带5 学士学位论文 有检测电梯位置的编码器能精确检测轿厢位置，从而控制电梯的加速、减速过程。 (6)检修、消防站，在电梯出现故障/测试电梯运行时，可在检修站操作电梯，控制电梯的运行方向，在安全时刻打开电梯门。消防：模拟练习在出现火灾等情况下，电梯的运行情况。 2 通过编程和操作，可实现如下实验功能 (1).变频调速控制 (2).传感器检测和调整 (3).电机传动 (4).旋转编码器定位 (5).电梯控制系统的程序设计 (6).变频调速、PLC编程、传感器调整等方面的综合训练 (7).电梯检修训练 (8).电梯消防直驶 通过编程，使上述功能按一定顺序排列即可完成同实现生活中电梯同样的控制功能。 2.1.2 技术性能 1输入电源：单相三线220V±10% 50Hz 2工作环境：温度-10+40 相对湿度85%(25) 海拔4000m 3绝缘电阻：大于3M 4外形尺寸：80 cm×50 cm×188cm 2.1.3 操作、使用说明 1使用时先将后下方电源线插在单相电源插座上，打开检修站内部的电源总开关。正常显示，各楼层显示00，变频器得电。 2本实验装置上带有开关电源提供DC24V、DC5V，如显示不正常，请上电检查电源输出是否正常。 6 学士学位论文 3.用PC/PPI编程电缆连接PLC与计算机，打开PLC电源开关，PLC工作正常，方可对PLC进行下载程序等操作。 4实验始终，装置上要保持整洁，不可随意放置杂物，以免影响电梯运行。 5实验完毕，应及时关闭电源开关，并及时清理实验装置。 6若发生不能上电，请检查空气开关边上保险丝是否完好。 7. 若不能排除故障请联系售后服务，在无把握时请勿随意改动模型。 8电梯上下运行极限需通过PLC编程控制，不可盲目编程让轿厢一直上行或一直下行，以免损坏硬件。在编程了解电梯运行情况时，应时刻注意轿厢的运行情况，禁止将电梯运行出限位开关以外的位置。 9.群控实验时，将其中一台电梯估为主站，下载主站程序，另一台做为从站，下载从站程序。用DP网线连接二台PLC的0号通讯口，进行PPI通讯。 2.2 控制要求 A.设计应符合国家的相关标准 B.设计控制系统应符合故障安全准则 C.电梯具有维修控制功能 D.应有楼层和方向数码显示 E.电梯的运行应符合方向优先等原则 F.应具有自动调整功能 2.3 电梯模型控制系统构成 六层电梯实际模型控制系统的硬件是由三相异步电动机、变频器、传感器、旋转编码器等组成，其中PLC和变频器的型号分别是S7-200、MM420，其控制系统结构如图2.1所示。 7 学士学位论文 图2.1 电梯模型PLC控制系统框图 8 学士学位论文 3 硬件系统的组成 3.1 可编程控制器简介 可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易和个人计算机混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。 3.1.1 PLC的结构及各部分的作用 PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。PLC的硬件系统结构如下图所示： 按 钮可编程序控制器 输输 选择开关入出CPU 模模模块限位开关 块块 电 源 编程装置 图3.1 PLC控制示意图 接触器电磁阀指示灯电 源9 学士学位论文 1.主机 主机部分包括中央处理器、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。 2输入/输出接口 I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。 3电源 图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。 4编程 编程是PLC利用外部设备，用户用来输入、检查、修改、调试程序或监视PLC的工作情况。通过专用的PC/PPI电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的软件进行电脑编程和监控。 5输入/输出扩展单元 I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元连接在一起。 6.0 外部设备接口 此接口可将打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。 该设计选用的主机型号有西门子S7-200系列的CPU226(AC/DC/PL)。输入点数为24，输出点数为162。 10 学士学位论文 3.1.2 PLC的工作原理 PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。 PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。 PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。 PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。 刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式输出，驱动相应输出设备工作输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出作2。 3.1.3 PLC的程序编制 1.编程元件 PLC是采用软件编制程序来实现控制要求。编程时要使用到各种编程元件，它们可提供无数个动合和动断触点。编程元件是指输入寄存器、输出寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能存储器等。 PLC内部这些存储器的作用和继电接触控制系统中使用的继电器十分相似，也有“线圈”与“触点”，但它们不是“硬”继电器，而是PLC存储器的存储单元。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器线圈得电，其动合触点闭合，动断触点断开。所以，内部的这些继电器称之为“软”继电器。 S7-200系列CPU224、CPU226部分编程元件的编号范围与功能说明如下表所示 11 学士学位论文 表3.1 S7-200系列部分编程元件的编号范围与功能 元件名称 输入寄存器 输出寄存器 位存储器 定时器 符号 I Q M 256(T0t255) 编号范围 I0.1I2.7共24点 Q0.0Q1.7共16点 M0.0M31.7 T0,T64 T1T4,T65T68 T5T31,T69T95 T32,T96 T33T36,T97T100 T37T63,T101T255 C0C255 HC0HC5 S0.0S31.7 VB0.0VB5119.7 LB0.0LB63.7 SM0.0SM549.7 SM0.0SM29.7 AC0AC3 功 能 说 明 接受外部输入设备的信号 输出程序执行结果并驱动外部设备 在程序内部使用，不能提供外部输出 保持型通电延时1ms 保持型通电延时10ms 保持型通电延时100ms ON/OFF延时,1ms ON/OFF延时,10ms ON/OFF延时,100ms 加法计数器，触点在程序内部使用 用来累计比CPU扫描速率更快的事件 提供控制程序的逻辑分段 数据处理用的数值存储元件 使用临时的寄存器，作为暂时存储器 CPU与用户之间交换信息 接受外部信号 用来存放计算的中间值 计数器 高速计数器 顺控继电器 变量存储器 局部存储器 特殊存储器 特殊存储器 累加寄存器 C HC S V L SM SM AC 2.编程语言 所谓程序编制，就是用户根据控制对象的要求，利用PLC厂家提供的程序编制语言，将一个控制要求描述出来的过程。PLC最常用的编程语言是梯形图语言和指令语句表语言，且两者常常联合使用。 (1).梯形图 梯形图是一种从继电接触控制电路图演变而来的图形语言。它是借助类似于继电器的动合、动断触点、线圈以及串、并联等术语和符号，根据控制要求联接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形，直观易懂。 梯形图中常用 和 图形符号分别表示P