六层电梯的PLC控制系统设计

原创 2020-08-30 20:48  阅读

  太原科技大学毕业设计(论文) 目录 摘要......................................................................... I Abstract.................................................................... II 第 1 章 引言................................................................. 1 第 2 章 功能需求分析.......................................................... 3 2.1 电梯的集选控制功能 ................................................... 3 2.2 电梯的楼层检测及平层功能 ............................................. 3 2.3 电梯门的控制功能 ..................................................... 3 2.4 电梯的调速功能 ....................................................... 4 2.5 电梯的安保功能........................................................ 4 第 3 章 电梯控制系统的硬件设计................................................ 5 3.1 可编程控制器(PLC)的选型............................................. 5 3.2 其他主要器件的选型.................................................... 5 3.2.1 电机的选型 ...................................................... 5 3.2.2 变频器的选型 .................................................... 6 3.2.3 开关器件的选型 .................................................. 6 3.3 电气原理图的设计及工作原理............................................ 7 3.3.1 主电路图的设计及工作原理 ........................................ 7 3.3.2 电梯升降控制部分电路图设计及工作原理 ............................ 9 3.3.3 电梯门控制部分电路图设计及工作原理 ............................. 10 3.4 输入输出(I/O)口分配及 PLC 接线...................................... 11 第 4 章 系统软件设计......................................................... 15 4.1 软件设计思想及主程序流程图 .......................................... 15 4.2 电梯控制系统各环节梯形图设计 ........................................ 16 4.2.1 外部请求响应子程序............................................. 16 4.2.2 梯内请求信号响应子程序......................................... 18 4.2.3 当前层显示子程序 ............................................... 18 4.2.4 上升控制子程序 ................................................. 19 4.2.5 下降控制子程序 ................................................. 19 I 太原科技大学毕业设计(论文) 4.2.6 电梯门控制子程序 ............................................... 20 4.2.7 电梯升降控制子程序............................................. 20 第 5 章 系统的仿真........................................................... 22 第 6 章 结论................................................................. 24 致谢........................................................................ 26 参考文献.................................................................... 27 II 太原科技大学毕业设计(论文) 摘要 本文采用可编程控制器(PLC)代替传统的继电器接触控制,设计了六层电梯的控制系 统。在功能需求分析的基础上,选用 S7-200 系列 PLC(CPU226)作为控制器完成了系统的 硬件系统的设计,利用编程软件 Step7-Micro 结合模块化的编程思想设计了电梯系统各环 节的梯形图,并借助 S7-200 仿真软件对六层电梯控制系统进行了模拟仿真,给出了仿真结 果图。仿真结果表明本设计实现了电梯运行的基本功能。本文设计的电梯控制系统提高了 电梯的控制水平,克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素,取得了良好的预期效果, 也为高层电梯及电梯的群控技术提供了理论依据。 关键字: 电梯,PLC 控制系统,硬件系统,梯形图,仿真 I 太原科技大学毕业设计(论文)this paper, the design of elevator control system improves the control level of the elevator, and overcomes some human interference factors in manual operation, and has achieved good result. meanwhile it provides the theory basis for high-level elevator and the control technology of elevator group. Key words: elevator, PLC control system, hardware system,ladder diagram, simulation II 太原科技大学毕业设计(论文) 第 1 章 引言 随着经济的发展,社会的进步,以及人口密度的增加,城市土地资源的紧缺,城市里 高楼大厦越来越多,高层建筑在城市里已然随处可见,甚至一度被作为衡量一个城市发达 与否的标准,而电梯承担着高楼里人和物的主要运输工作,已然成为了高楼不可或缺的设 备,因此,随着高楼的不断涌现,电梯行业也得以迅速发展,电梯的逻辑控制由原来的继 电器——接触器控制发展到了现在的可编程控制器控制(PLC)和微机控制,电梯的控制 方式由原来的手柄开关控制、按钮信号控制发展到了现在的集选控制、并联控制、群控等, 电梯的传动方式由原来的直流电机传动发展到了现在的交流电机传动,从而使得电梯的可 靠性得到了大大的提高,电梯的速度得到了大幅度提升,电梯的能耗也得到极大的改善。 电梯为人们的生活带来了极大的便利,也为我国的现代化建设提供了重要保障。对于高速 发展的电梯产业来说,提供更加安全、高效、环保、稳定的电梯控制系统,使每一部电梯 都能安全高效稳定地运行,将成为电梯行业未来的主要发展方向。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 1 太原科技大学毕业设计(论文) 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。 2 太原科技大学毕业设计(论文) 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, 3 太原科技大学毕业设计(论文) 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。 4 太原科技大学毕业设计(论文) 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 PLC S7-200 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 5 太原科技大学毕业设计(论文) 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 MICROMASTER 440(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 6 太原科技大学毕业设计(论文) 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 7 太原科技大学毕业设计(论文) 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 太原科技大学毕业设计(论文) 图 3.2 电梯硬件控制系统主电路接线 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。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 电梯升降电机上升控制线。 太原科技大学毕业设计(论文) 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 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 太原科技大学毕业设计(论文) 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 11 太原科技大学毕业设计(论文) 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 序号 地址 注解 电气符号 1 I0.0 一楼楼层位置 BG0 1 Q0.0 一楼上升灯 PG0 2 I0.1 二楼楼层位置 BG1 2 Q0.1 二楼上升灯 PG1 3 I0.2 三楼楼层位置 BG2 3 Q0.2 二楼下降灯 PG2 4 I0.3 四楼楼层位置 BG3 4 Q0.3 三楼上升灯 PG3 5 I0.4 五楼楼层位置 BG4 5 Q0.4 三楼下降灯 PG4 6 I0.5 六楼楼层位置 BG5 6 Q0.5 四楼上升灯 PG5 7 I0.6 轿厢内一楼按钮 SB1 7 Q0.6 四楼下降灯 PG6 8 I0.7 轿厢内二楼按钮 SB2 8 Q0.7 五楼上升灯 PG7 9 I1.0 轿厢内三楼按钮 SB3 9 Q1.0 五楼下降灯 PG8 10 I1.1 轿厢内四楼按钮 SB4 10 Q1.2 六楼下降灯 PG9 11 I1.2 轿厢内五楼按钮 SB5 11 Q1.3 一层内选记忆指示灯 PG10 12 I1.3 轿厢内六楼按钮 SB6 12 Q1.4 二层内选记忆指示灯 PG11 13 I1.4 呼叫确认按钮 SB7 13 Q1.5 三层内选记忆指示灯 PG12 14 I1.5 轿厢内开门按钮 SB8 14 Q1.6 四层内选记忆指示灯 PG13 15 I1.6 轿厢内关门按钮 SB9 15 Q1.7 五层内选记忆指示灯 PG14 16 I1.7 一楼请求上升按钮 SB10 16 Q2.0 六层内选记忆指示灯 PG15 17 I2.0 二楼请求上升按钮 SB11 17 Q2.1 开门动作 QA3 18 I2.1 二楼请求下降按钮 SB12 18 Q2.2 关门动作 QA4 19 I2.2 三楼请求上升按钮 SB13 19 Q2.3 电梯启停 20 I2.3 三楼请求下降按钮 SB14 20 Q2.4 电梯正反转 QA1/QA2 21 I2.4 四楼请求上升按钮 SB15 21 Q2.5 速度设定 1--低速 12 太原科技大学毕业设计(论文) 22 I2.5 四楼请求下降按钮 SB16 22 Q2.6 速度设定 2--高速 23 I2.6 五楼请求上升按钮 SB17 23 Q2.7 抱闸装置 YB 24 I2.7 五楼请求下降按钮 SB18 25 I3.0 六楼请求下降按钮 SB20 26 I3.1 电梯上极限 BG6 27 I3.2 电梯下极限 BG7 28 I3.3 开门终端限位 BG8 29 I3.4 关门终端限位 BG9 30 I3.5 总电源开关 SB0 31 I3.6 上平层检测开关 BG10 32 I3.7 下平层检测开关 BG11 33 I4.0 关门检测光电开关 SP 34 I4.1 超重控制开关 BP 对应于输入输出口分配表可得 PLC 的接线 PLC 接线 太原科技大学毕业设计(论文) 本章对硬件系统的控制器和主要器件进行了选型,通过分析系统的工作原理给出了电 气原理图,并确定了控制器的 I/O 口分配,为第 4 章的软件设计提供了硬件支持。 14 太原科技大学毕业设计(论文) 第 4 章 系统软件设计 本章主要对电梯控制系统的软件部分进行设计。在对电梯控制系统的硬件部分进行分 析设计之后,本章将在第三章搭建的硬件平台上,根据控制系统的需要,分析系统运行的 逻辑关系,确定软件设计的思想,并给出主程序流程图,在主程序的基础上运用模块化的 编程思想,分块对该系统的各个环节进行了详细设计。 4.1 软件设计思想及主程序流程图 在电梯控制系统中,有大量的逻辑信号需要处理,这部分工作是由 PLC 来完成的,系 统中的软件能根据电梯的运行要求及保护要求由 PLC 来实现逻辑信号的控制。PLC 上电 后,PLC 中的梯形图程序已经开始运行,但因为电梯尚未读入任何输入信号的数据,也就 无法在收到请求信号后通过固化在 PLC 中的程序作出响应。此时电梯将处于等待状态, 电梯在检测到厅门或轿厢的呼叫信号后将此呼叫信号所在楼层信号与轿厢所在的楼层信号 进行比较,再通过定向模块进行选向。选定方向后电梯将通过拖动调速模块驱动电动机拖 动轿厢运动。轿厢运动速度要经过先低速运行再转变为高速,并以高速运行至减速点。当 电梯检测到目标层楼层检测点产生的减速点信号时,电梯进入减速制动状态,又由高速变 为低速,并以低速运行到平层点停止。平层后,电梯再经过一定延时后开门,凯发游戏娱乐官网,达到开门限 位开关后,经过一定延时后关门,直到碰到关门到位行程开关。在电梯运行过程中必须保 证电梯门处于关闭状态。至此电梯完成了一个正常呼叫响应的过程。电梯的运行过程就是 在反复执行这一呼叫响应过程。此系统的软件编程设计可以采用模块化的编程思想,将整 个设计过程分成外部请求响应模块、梯内请求信号响应模块、当前层显示模块、上升控制 模块、下降控制模块、电梯门控制模块、电梯升降控制模块等几个相互联系的模块分别进 行编程,简化编程过程,理清编程思路。根据以上分析可得主程序流程图见图 4.1。 15 太原科技大学毕业设计(论文) 图 4.1 电梯软件控制系统主程序流程图 由流程图可知电梯运行过程如下:PLC 上电初始化,等待请求信号,当门厅或轿厢发 来呼叫信号后,确认电梯当前层与目标层,比较当前层与目标层是否是同一层,当目标层 与当前层不是同一层时,电梯进行选向,确定方向之后,电梯便开始运行,在运行过程中 不断检测当前电梯所在楼层,并判断是否是目标层,当判断没到达目标层时电梯继续运行, 直到到达目标楼层,检测平层信号,当检测到下平层信号时,开始进行电梯制动,将电梯 从高速运行状态降低到低速运行,直至逐渐制动停车,此时抱闸装置将抱死,之后电梯开 门,开门直至达到开门限位开关时,开门结束,经过一定延迟后,电梯自动开始关门操作, 当按动轿厢内关门按钮时将跳过延时,直接进行关门动作,当关门到达关门限位信号时, 系统将返回初始化状态,继续检测是否有呼叫请求信号,循环操作以上步骤。 4.2 电梯控制系统各环节梯形图设计 4.2.1 外部请求响应子程序 外部请求是指各门厅外的上升和下降请求按钮按下状态,外部请求信号的发出和响应 16 太原科技大学毕业设计(论文) 最直观的标识是上升和下降请求指示灯的亮和灭。当某一楼层出现上升/下降请求信号,而 电梯并不在这一楼层时,该层上升/下降请求信号指示灯点亮。以请求信号出现在二层为例, 点亮程序如图 4.2、图 4.3 所示。 图 4.2 二楼上升请求程序图 图 4.3 二楼下降请求程序图 电梯外部请求信号为上升请求信号,需符合以下两种情况之一,电梯才能做出响应: (1)信号发出楼层与电梯当前楼层及运行状态满足上升逻辑关系,电梯到达信号发出楼层, 响应上升请求信号,上升信号指示灯熄灭,响应程序见图 4.4;(2)信号发出楼层与电梯 当前楼层及运行状态满足下降逻辑关系,电梯到达信号发出楼层,并且该楼层是最终目标 楼层时,响应上升请求信号,上升信号指示灯熄灭,响应程序见图 4.5。 图 4.4 上升逻辑关系时上升请求信号响应 图 4.5 下降逻辑关系时上升请求信号响应 电梯外部请求信号为下降请求信号,需符合以下两种情况之一,电梯才能做出响应: (1)信号发出楼层与电梯当前楼层及运行状态满足下降逻辑关系,电梯到达信号发出楼层, 响应下降请求信号,下降信号指示灯熄灭,响应程序见图 4.6;(2)信号发出楼层与电梯 当前楼层及运行状态满足上升逻辑关系,电梯到达信号发出楼层,并且该楼层是最终目标 楼层时,响应下降请求信号,下降信号指示灯熄灭,响应程序见图 4.7。 17 太原科技大学毕业设计(论文) 图 4.6 下降逻辑关系时下降请求信号响应 4.2.2 梯内请求信号响应子程序 图 4.7 上升逻辑关系时下降请求信号响应 当轿厢内选层按钮被按下,而电梯不在该层时,发出梯内请求信号,同时对于与选层 按钮的选层记忆指示灯点亮,当电梯运行到目标楼层并停止运行时,梯内请求信号复位, 选层记忆指示灯熄灭。以一层梯内请求信号响应过程为例,程序见图 4.8。 图 4.8 一层梯内请求信号响应程序图 4.2.3 当前层显示子程序 当前层显示模块程序用于检测并显示当前楼层,当电梯到达任意楼层时,该楼层位置 开关接通,发出位置信号到控制器,控制器将该位置信号存储到变量存储器 VB27 中,以 便调用。以电梯位于一层时的位置显示为例,程序见图 4.9。 18 太原科技大学毕业设计(论文) 4.2.4 上升控制子程序 图 4.9 当前层为一层时显示程序图 在当前层显示模块中已经确定过电梯当前层,在本模块对电梯进行上升控制时,首先 应确定目标层,根据各楼层门厅外的呼叫信号和轿厢内的选层信号可以确定目标层,并将 目标层存储于变量寄存器 VB28 中,确定目标层程序以存储一层为目标层为例,程序见图 4.10,在确定目标层以及当前层后,需比较两者大小,当目标层大于当前层时确定上升逻 辑。在确定上升逻辑后,为确保当同时有多个满足上升逻辑的请求信号时,电梯能够逐层 响应,在此设置一下一楼层变量寄存器 VB29 用于存储电梯的下一个停靠站,之后逐层对 电梯满足条件的情况进行编程,以六层为下一停靠站为例编程见图 4.11。 图 4.10 目标层确定程序图 4.2.5 下降控制子程序 图 4.11 下一楼层确定程序图 在当前层显示模块中已经确定过电梯当前层,在本模块对电梯进行上升控制时,首先 应确定目标层,根据各楼层门厅外的呼叫信号和轿厢内的选层信号可以确定目标层,并将 目标层存储于变量寄存器 VB28 中。在确定目标层以及当前层后,需比较两者大小,当目 标层小于当前层时确定下降逻辑,确定程序见图 4.12。在确定下降逻辑后,为确保当同时有 多个满足上升逻辑的请求信号时,电梯能够逐层响应,需根据请求信号将下一个停靠站存 19 太原科技大学毕业设计(论文) 储在下一楼层变量寄存器 VB29 中,之后逐层对电梯满足条件的情况进行编程,以二层为 下一停靠站为例编程见图 4.13。 图 4.12 下降逻辑确定程序图 4.2.6 电梯门控制子程序 图 4.13 下一楼层确定程序图 电梯门控制包括电梯的开门和关门控制。当电梯目标层与当前层一致,平层开关检测 已平层时,电梯将启动开门程序,电梯停止运动后,开门动作启动直到开门终端限位开关, 停止开门。经过一定延时,电梯检测两门之间没有物体,轿厢未超重,电梯可自动进行关 门动作,当提前按动轿厢内关门按钮时,电梯检测符合关门条件,将跳过延时,直接进行 关门动作。当电梯停靠在某层时,只需检测符合开门条件,通过按动该楼层的上下请求按 钮,电梯也可手动开门。开门程序及手动开门部分程序见图 4.14 和图 4.15。 图 4.14 开门程序图 4.2.7 电梯升降控制子程序 图 4.15 手动开门部分程序图 本模块将设计电梯的电机控制程序,当电梯门已关,电梯目标层与当前层不在同一层, 同时电梯满足上升逻辑或者下降逻辑,电梯电机将正转或者反转。电梯的升降控制程序图 如图 4.16 所示。 20 太原科技大学毕业设计(论文) 图 4.16 电梯的升降控制程序图 本章结合程序设计思想及主程序流程图,将软件系统分成了七个模块分别进行了详细 设计,设计过程中也对该系统的工作原理进行了进一步的分析,为整个系统的自动化运行 提供了思想。 21 太原科技大学毕业设计(论文) 第 5 章 系统的仿线 章分别对系统进行硬件设计和软件设计,系统设计基本完成。本章将对 系统进行仿真,对仿真结果进行分析,从而检验该该系统是否能实现设计要求功能。出于 对实验条件及试验成本的考虑,本系统采用模拟仿真的方式对系统进行仿线 仿真软件,该软件不是西门子官方发布的软件,但在没有西门子 S7-200 PLC 的情况下,我们可以利用此软件进行相关程序的仿线 仿真软件进 行仿线 编程软件将程序编写好,然后将程序导出为.awl 文件,之后打开 S7-200 仿真软件,点击“配置-CPU 型号”,选择编写程序时的 PLC 型号 CPU226,配置好仿 真软件的 PLC 型号后,点击“程序-载入程序”,会弹出“载入 CPU”对话框,选择所有,“导 入的文件版本”选择相应的 S7-200 的编程软件版本。点击“确定”按钮,找到刚刚导出的.awl 文件,将该文件导入仿真软件即可,此时屏幕上将出现语句表和梯形图两个窗口,仿真时 可根据这两个窗口随时观察程序的运行状态。在将程序导入仿真软件之后便可开始仿真, 点击开始运行按钮,PLC 程序处于运行状态,仿真开始,通过观察输入输出指示灯的点亮 模拟实际的电梯运行系统。 当按动一楼请求上升按钮 I0.7 时,PLC 系统一层请求上升指示灯输出端 Q0.0 指示灯点 亮,即当有请求上升信号出现时,电梯对应的上升指示灯响应点亮。其仿线 外部请求信号响应仿线 太原科技大学毕业设计(论文) 在外部出现多个呼叫信号的情况下,呼叫信号 I1.7/I2.0/I2.1/I2.2 表示,按动某一位置开 关,模拟电梯到达某一呼叫楼层,在此用按动位置开关 I0.0 表示,平层检测开关检测电梯 已平层,电梯将作出响应,该呼叫信号复位,电梯门将开始开门动作,该响应过程仿线 呼叫信号复位仿真图 本系统仿真主要针对该系统的逻辑功能进行仿真,对于电梯较负责的实际运行问题将 不予重点仿真运行。仿真结果发现,该系统可实现电梯的基本功能,满足电梯的运行要求。 23 太原科技大学毕业设计(论文) 第 6 章 结论 经过近半年的研究工作,我通过在所学知识的基础上设计了西门子 S7-200 PLC 控制的 六层电梯控制系统。通过软硬件的设计和调试,对电梯的梯形图程序进行了反复的仿真运 行,其仿真结果显示窗口的输入输出(I/O)完全符合电梯的正常呼叫规律,基本达到了预 定的设计目的,实现了电梯的基本功能。本文中利用 PLC 控制的交流双速电梯具有接线简 单、编程直观、易扩展等特点。当建筑物的层数增加时,硬件接线上只需要增加相对应的 输入信号,原来的接线不需要改变;软件上只需要增加相对应的楼层功能,需要改动的地 方比较少,为以后电梯的扩展功能打下了基础。 在研究的过程中主要完成了以下几个方面的工作: (1)了解了电梯的起源和发展的各个阶段,并且加深了对电梯的运行过程、控制系统的 认识,掌握了可编程序控制器(PLC)在电梯控制系统中的运用原理。 (2)介绍了电梯 PLC 控制系统的硬件设计,设计了交流双速电梯的主电路图、电梯的门 机回路并且阐述了每个电路图的工作原理及过程。 (3)重点研究了控制系统的软件设计,依据主程序流程图以及电梯要实现的基本功能用 西门子 S7-200 系列 PLC 对输入输出(I/O)进行了定义和分配。并详细地用模块化编程思 想设计了电梯运行的梯形图程序。 (4)利用西门子 S7-200 PLC 的仿真调试软件对电梯运行时基本逻辑关系进行了仿真。仿 真结果表明:所设计的梯形图程序正确,符合电梯实际的运行规律。 本论文中仅设计了六层电梯的控制系统,通过软件的调试和电梯的仿真运行基本实现 了电梯的功能。但还存在一些不足之处,例如:设计时未考虑楼层之间电梯运行的众多复 杂细节,电梯的调速系统没有采用变压变频调速技术(VVVF),由于实际条件的限制, 本设计只进行了电梯的仿真运行,没有进行外围硬件的连接和安装调试。当然,设计中肯 定还有其他不足之处,恳请各位专家和老师批评指正。 目前电梯市场日趋激烈,要想在竞争中取得优势,技术领先具有显著的效果。在今后 一段时期内电梯技术与市场发展趋势主要表现为以下几个方面: (1)电梯群控系统将更加智能化。 (2)超高速电梯将继续成为研究方向,并且速度越来越高。 (3)蓝牙技术将在电梯上广泛应用。 (4)绿色电梯将普及。 24 太原科技大学毕业设计(论文) (5)电梯产业将网络化、信息化、安全化。 总之,电梯行业是一个不断发展的事业,电梯控制系统将随着科技的发展而日趋完善, 电梯的性能也将进一步提高。未来的电梯控制系统将具有智能化、小型化、安全化、信息 化等特点,更加符合人体运动的生理特性,将为人们的生活与工作提供安全可靠、高效舒 适的人性化服务。 25 太原科技大学毕业设计(论文) 致谢 光阴荏苒、时光如梭。四年的本科学习生活即将结束,回首四年来学习、生活的点点 滴滴,有许多感动和记忆让我至今受益匪浅、记忆犹新、终生难忘。值此论文完成之际, 首先向尊敬的导师金坤善老师表示衷心的感谢和诚挚的敬意。在毕业论文的选题过程中, 感谢导师对我的严格要求和精心指导,从论文主题的确立,到论文内容、整体结构的分析 都给予了细致、有效的指导;在论文的撰写写作过程中,感谢导师牺牲自己大量的休息时 间,细致、耐心的提出宝贵的修改意见,使我的毕业论文得以顺利完成。导师敏锐的思维, 严谨的治学态度,渊博的学识,高屋建瓴的学术眼光,果断干练、兢兢业业的工作作风和 工作精神、诚挚谦虚的品格、宽厚善良的处世方式,为我树立了榜样。借此机会,再次向 尊敬的金坤善导师表达我最诚挚的谢意! 在专业课程学习和论文工作的开展期间,感谢电子信息工程学院各位老师的精心指导 和大力帮助,使我的专业知识和专业能力有了进一步的提高,在此,对各位老师表示衷心 的感谢! 我还要感谢我的家人,他们默默的支持和鼓励是我前进路上的一座灯塔,让我无惧无 畏、一路向前! 我将在今后的工作、学习中加倍努力,争取能够取得更多成果回报他们、回报社会。 再次感谢他们,祝他们一生幸福、安康! 26 太原科技大学毕业设计(论文) 参考文献 [1] 中国电梯信息港的[EB/OL], 周亚军,张卫.电气控制与 PLC 原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008:77-78 [3] 陈建明.电气控制与 PLC 应用[M].北京:电子工业出版社,2006:79-80 [4] 于棒兰.PLC 构成电梯控制系统特性分析[J].洪都科技.2006,(1):35—39 [5] 胡学林.可编程控制器原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2007:11-12 [6] 程子华,刘小明.PLC 原理与编程实例分析[M].北京:国防工业出版社,2010:15-17 [7] 史国生.电气控制与可编程控制器技术(第二版)[M].北京:化学工业出版社,2005:105-109 [8] 赵洪恕.PLC 控制交流变频调速控制系统在电梯中的应用[J].基础自动化,2000,7(1):49—51 [9] 吴何畏,付启胜,刘海生.基于 PLC 的电梯控制系统的设计[J].机电产品开发与创新,2006,19(3):131-133 [10] 叶安丽.电梯技术基础[M].北京:中国电力出版社,2004:11-28 [11] 唐勇奇.电梯变频调速 PLC 控制的设计与实现[J].电机电器技术,2000,(1):42-44 [12] 王泽欣.基于 PLC 的电梯控制系统设计[D].大连:大连理工大学,2007 [13] 张汉杰,王锡仲.现代电梯控制技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2001 [14] 王兆义,杨新志.小型可编程控制器实用技术(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2006 [15] 王阿根.电气可编程控制原理原理与应用(第二版)[M].北京:清华大学出版社,2010 27

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