层电梯控制系统设计开题报告.doc

本科生毕业设计开题报告毕业设计开题报告设计课题：12层电梯控制系统设计 学 院： 械与电子工程学院 姓 名： 指导老师： 日 期： 2013-12-27 毕业设计（论文）开题报告院系：机械与电子工程学院 2013年12月27日课题名称基于PLC的12层电梯控制系统设计学生姓名 专业班级 课题类型软件指导教师 学号 课题来源生产实践1.此课题的来源 此毕业设计课题来源于生产生活实践，电梯目前广泛应用于各行各业，是高层建筑首选交通代步工具。在大学所学全部课程临近结束之际，学院公布关于毕业生的毕业设计课题的通知，从本专业所安排的毕业设计课题中了解到了基于PLC的12层电梯控制系统设计，加之之前就对PLC控制系统十分感兴趣以及对未来的职业生涯、生产实践都会有重大的帮助，因此就选中了此课题。2.选此课题（或研究）的依据与意义 随着人口城市化和社会经济的发展，越来越多的高楼大厦拔地而起。高层建筑特别是智能建筑已从几万平方米，增加到十几万甚至几十万平方米，楼层也由原先的几层、几十层发展到上百层，电梯的交通问题变得越来越复杂，对于高效率的垂直交通工具的需求急剧增长。同时，随着智能建筑的发展和社会的进步，人们对电梯也提出越来越高的要求。对电梯的要求已从简单的响应楼层、轿厢召唤，发展为能耗尽量小，候梯时间尽量短、乘梯时间尽量短、长时间候梯率低、轿厢舒适度等多个要求。所以电梯控制的研究在现代社会特别是当今的楼宇智能化有着很重要的作用。通过使用现代化控制技术，将先进的控制器运用到电梯控制中，能够让电梯更加稳定、更加安全的运行，提高电梯的自动化程度，通过不断采用新的技术和设备来改造电梯控制系统对城市和社会都有着长远的意义和影响。通过与实际设计相结合，锻炼了我综合运用所学专业基础知识来解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他各方面的专业能力水平。通过PLC控制电梯，实现电梯的运行速度、反映时间和停层的准确度达到一定的标准，而对电梯的速度、运行状态、安全、可靠、消防等进行合理设计。综合考虑电梯PLC控制系统，能够达到“稳、准、快”的要求，这就要求我们的设计必须严密、可靠。目前电梯设计使用可编程控制器(PLC)，要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少，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，完成更为复杂的控制任务，已成为电梯控制发展的方向，其许多功能是传统继电器控制系统无法实现的，今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用，因此，PLC的应用也就成为了一个热点问题。 而国内电梯控制系统广泛采用基于PLC控制，而这也正是我们自动化专业所学习主干课程，自己又对此十分感兴趣。另外，为了以后更好的工作能更深入的研究PLC各类控制系统，所以选择了此课题。3.国内外同类设计（或同类研究）的概况综述电梯作为楼宇自动化程度的标志，在楼宇智能自动化中扮演着重要的角色，电梯其本身作为被控制的对象，受到控制器的控制，设计先进的电梯程序就能够在根本上提高电梯自动化程度从而提高楼宇的自动化程度。Programmable Logic Control（PLC）是现在自动控制中必不可少的，因为其可靠性强、控制简单易操作而得到广泛的使用，可提高系统的自动化程度。 PLC已经成为现代工业控制的三大支柱（PLCCAD/CAMROBOT）之一，以其可靠性逻辑功能强体积小可在线修改控制程序，具有远程通信联网功能易于计算机接口能对模拟量进行控制，具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能日益取代由大量中间继电器时间继电器计数继电器等组成的传统的继电接触控制系统，在机械化工石油冶金轻工电子纺织食品交通等行业得到广泛应用。PLC的应用广度和深度已经成为衡量一个国家工业先进水平的重要标志之一。世界上各主要PLC生产厂家几乎都有运动控制功能，它的运动控制功能广泛地应用于各种机械，如金切削机床、金属型机械、电梯等；随着计算机控制的发展，近年来国外工厂自动化通信网络发展很快，各个著名的PLC厂家都推出了自己的网络系统。这有利于电梯向智能化方向发展，而PLC控制系统的开关柜制作、现场施工和梯形图设计可以同时进行，梯形图可以在实验室模拟调试，发现问题后修改起来非常方便。自1889年美国奥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。如今电梯已经成为人们进出高层建筑不可缺少的代步工具，而且作为载人工具，人们在运动的平滑性、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。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程序控制器更多的具有计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有数据处理、通信、网络等功能。PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式，它采用了一种可编程运算、顺序控制、定时、计数和算术运算的操作的指令，通过数字式模拟式输入、输出来控制各类型机械设备或生产过程。可编程序控制器的出现，以其无可媲美的优越性，正在以惊人的速度取代继电器接触器系统。在发达的工业国家，可编程序控制器已经广泛地应用在所有的工业部门，随着可编程序控制器的性能价格比不断提高，过去许多使用计算机的场合可以使用可编程序控制器，可编程序控制器的应用范围不断扩大，正在成为工业控制领域的关键设备。当今的电梯控制系统研究在发达国家主要是针对微机主控制板的智能化研究，使控制器在数据采集，群控，权限设置等方面的功能进一步强化，同时大力发展总线技术，使得通信更加稳定，并加大关于电梯的安全和美化设计的研究。我国的技术同发达国家之间还有一些差距，电梯的智能化控制系统技术还需要进口，但是进口的价格比较昂贵，而且有些操作也不符合我国的习惯。所以我国目前采用最多的还是PLC控制的系统，更多的研究在于改善PLC控制的性能。另外，可编程序控制器的广泛应用在我国更是得到了迅猛的发展，大量的应用于引进设备和国产设备中。伴随着现代高科技带动传统产业发展的时代潮流，可编程序控制器在我国产业发展领域中将会有展示自己的强大魅力的崭新舞台。4. 课题设计（或研究）的内容课题所研究的内容主要是用可编程控制器（PLC）设计单台电梯自动控制系统程序。4.1电梯的主要组成部分电梯是由机械系统和电气系统两部分组成。电梯的机械系统部分由曳引系统、轿厢和门机系统、平衡系统、导向系统以及机械安全保护装置等部分组成，如图4-1所示。电气系统又由电力驱动系统、电气控制系统和安全保护系统三部分组成。1-减速箱2-曳引轮3-曳引机底座4-导向轮5-限速器6-机座7-导轨架8-曳引钢丝绳9-开关碰铁10-紧急终端开关11-导靴12-轿架13-轿门14-安全钳15-导轨16-绳头组合17-对重18-补偿链19-补偿链导轮20-张紧装置21-缓冲器22-底坑23-层门24-呼梯盒25-层楼指示灯26-随行电缆27-轿壁28-轿内操纵箱29-开门机30-井道传感器 31-电源开关图4-1电梯控制系统主要构成 32-控制柜33-曳引电机图4-1电梯机械部分结34-制动器 4.2 系统整体方案设计本次设计对象是单台12层并联电梯，电梯轿厢可上下运行，轿厢门具有开关和限位等保护功能。轿厢内可提供上行信号、下行信号、平层检测信号、开关门限位信号、门安全信号等。图4-2 系统整体设计框图 4.3 研究的主要内容如下：1、可行性方案的分析及方案讨论；2、利用PLC控制交流变频调速电梯系统，要求画出梯形图，并转换成语句表；3、将程序输入PLC机，并修改进行模拟运行、调试，发现问题及时解决；4、进行合理的硬件选型、设计及I/O配置；5、设计出控制原理图、控制程序结构图；6、完成毕业设计总结报告。5. 设计（或研究）方法（方案） 5.1 继电器电梯控制系统继电器控制简明易懂，线路直观，易于掌握。系统通过继电-接触器触点的断合进行逻辑判断和运算，进而控制电梯的运行。但从使用观点看，该系统有以下缺点：1）触点易磨损、电接触不好、故障率高；2）触点闭合缓慢、动作速度慢、有时会出现延时，甚至不动作情况；3）设备体积大，控制柜占机房面积大；4）控制系统的能量消耗大；5）维修保养工作量大、费用高；6）控制功能少、接线复杂、通用性与灵活性较差。由于继电-接触器系统有上述诸多弊端，因此该系统仅仅应用于电梯速度不高（小于1.17m/s）和要求不高的场合，目前基本已不使用。5.2 PLC电梯控制系统可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算数操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。具有编程能力的PLC从起初的用于并行式I/O处理开始已经有了长足的进步，它能与新技术很快地结合，如分布式I/O处理，网络连接和灵活编程等技术，并且集成多种功能的控制模块，提供了一个经测试的高稳定性的良好控制环境。因此，它曾风行一时，被电梯行业广泛接受。5.3微机电梯控制系统随着电梯行业的发展，电梯控制系统和通用工业控制系统的发展方向一致，在确保可靠性和实时响应性的前提下进一步向智能化发展，即从PLC向PAC方向迈进。其中最主要的部件就是大家熟悉的单片机。单片机也被称为微控制器，常用英文字母的缩写MUC表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。可编程自动化控制器(PAC)包括PLC的主要功能和微机控制器的强大扩展功能，一方面结合了PLC的最好特性，具有高度的可靠性和实时响应性，另一方面又具有更强的系统功能，应用灵活性和网络通信功能等。另外，开放性和标准化也正在进一步加强，PLC OPEN等国际PLC协会和IEC61131-3等国际PLC标准正在得到愈来愈多的厂商认可。集成厂商和用户将有更多的选择余地，现在应用软件可灵活地在不同厂家的控制器上移植，其控制功能更强大，性价比更高，效果更加完善，已成为如今市场的主流。电梯的控制系统属于分布式系统，各个子控制点分布在整个电梯井道中，包括安装在各个楼层的楼层呼唤器，安装在轿厢的选层装置及楼层显示装置，井道里的平层装置，还有机房的曳引装置等等。这些分布在各处的子控制点，怎么和安装在机房的主控制器连接呢？各个控制点之间又是通过什么协议来进行通信呢？5.3.1 在早期的分立继电器控制时代，每个功能都由单独的继电器来实现，而每个控制点都由单独的线缆连接到控制机柜。因此整个控制系统的布线非常复杂，而且可靠性不高，只要其中一根线缆出现故障，整个系统就会陷入瘫痪。由于采用分立继电器控制，不存在所谓的主从控制，各个控制点之间也没有相互通信的需求，所以也不需要复杂的通信协议。5.3.2 在后来的PLC集中控制时代，多数采用主从控制，由一个PLC在主控制器来协调各个子控制器。呼叫和主控制器之间通信采用点对点的通信方式，即I/O直接控制方式，主控制器通过多根信号线与各个楼层的控制点直接连接。通常采用RS-485接口标准。虽然与传统继电器控制相比，用PLC内部的软触点代替继电器的硬触点，提高了控制的可靠性，但是其物理布线的数量仍然很多，维护安装依然费时费力。5.3.3 如今市场上使用最为广泛的是基于现场总线的分布式微机控制系统。现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信数据总线，也称为“通用现场通信系统”。由于它在减少系统线缆、简化系统安装、维护和管理，降低系统投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，其发展和应用日渐成熟。目前在国际上应用的总线类型有40多种，而CAN总线被公认为最有前途的现场总线之一。在电梯控制系统中采用CAN总线技术，将电梯系统进行集成化，模块化设计了，顺应了现代工控系统的发展趋势。一方面，通过和变频器厂商的合作，将主控制器集成到变频器内，在避免资源的浪费。另一方面，将控制功能合理地分配到各个子控制点模块中，由各控制器完成基本的数据处理和控制功能，再通过实时的CAN总线技术实现系统的串行通讯，减轻了主控制器的负担，提高了整个电梯控制系统的安全性、实时性。5.4 对比三种方案，本电梯控制系统选择采用目前市场主流的PLC控制器5.4.1 由于本次设计的电梯系统有12层，且开关量居多，模拟量较少；对于开关量控制为主的系统而言，一般PLC的响应速度足以满足控制的要求，在小型PLC中整体式比模块式的价格便宜，体积也小，再加上S7-200的配置灵活，指令功能丰富等优点。本次设计的电梯控制系统有12层，大概估算了下，需要52个基本输入I/O口，需要38个基本输出I/O口,甚至更多。综合考虑后选择了德国西门子公司生产的 S7-200系列 PLC，CPU型号：CPU226XM，外加两个EM223模块。研究措施就是用STEP7-Micro/WIN V4.0软件编程，并用PLCSIM仿真软件进行程序仿真。在系统仿真过程中，运用到的一些参数可能会有所偏差，所以要通过多次仿真调试才能更接近实际，做到更完善。5.4.2 PLC实验方法有两种一种是用PLC实验装置进行实验和应用程序的开发；另一种是用普通PLC外加若干导线进行简易的开发和实验。PLC实验装置具有直观，使用方便的优点，通常配有各种工业控制模板，可以形象地模拟工业现场控制，尤其是导线的插拔连接形式，适用于教学的重复使用。若无PLC实验装置，也可直接使用PLC配以外部连接导线，给出必要的输入信号进行实验，并且可以利用PLC自身的输出指示观察PLC运行结果。本设计课题以PLC实验装置的应用为主，研究PLC的实验方法。5.5 PLC电梯控制系统的软件设计5.5.1电梯运行流程图 图5-1 电梯运行流程图5.5.2 电梯的启、停控制5.5.3 电梯的开、关门控制5.5.4 电梯开、关门流程图 图5-2 电梯开、关门流程图5.5.5 电梯的楼层呼叫的响应5.5.6 电梯的轿厢呼叫的响应5.5.7 电梯的正常显示功能程序5.5.8 电梯的正常平层功能程序5.5.9 电梯的最高和最低的保护功能5.5.10 电梯的运行的调速功能5.5.11召梯信号的登记和响应5.5.12 电梯运行的方向5.5.13 故障报警控制5.6 PLC电梯控制系统的软件设计性能指标能够准确响应呼叫，能够准确平层，并具备各种保护功能，电梯运行能够调速等6.课题中可能存在的困难和解决办法 6.1课题中可能存在的困难和问题 （1）了解电梯的全部运作方式，以及充分理解并且能运用PLC基本及功能的指令。（2）通过PLC设计电梯的厅呼叫控制、电梯的到站指示控制以为电梯的自动平层控制、停留时间等功能，并实现。（3）12层电梯机械系统设计？（4）12层电梯传动系统设计？（5）12层电梯PLC控制系统及程序设计？（6）PLC控制系统接线图设计(如硬件设计)？（7）利用PLC输出模拟量来控制变频器的调速？（8）利用单片机静态显示控制七段数码管LED楼层显示指示？ （9）本次的设计电梯是通过系统仿真，虽然基本结构与实际的电梯能做到完全一样，但是设计中运用到的参数总会与现实稍有偏差，导致最终仿真的结果会有些不符合实际。 6.2 拟采取的解决措施 在进行设计之前，必须先将所学的可编程控制器（PLC）的基本知识、功能指令熟悉掌握，再通过图书馆、上网等方式认真查阅有关技术资料、并且分析此类资料的内容，和所学PLC知识相结合。对电梯运行过程更进一步的了解和掌握，通过自己的研究以及老师给出的资料进行设计，减少误差，成功完成最后电梯控制系统的仿真。7.参考文献1. 廖常初.PLC编程与应用（第3版）北京：机械工业出版社，2008.12. 吴志敏、阳胜峰.西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程北京：中国电力出版社，2009.73. 王阿根.西门子S7-200PLC编程实例精解北京：电子工业出版社，2011.104. 郑凤翼、金沙.图解西门子S7-200系列 PLC应用88例北京：电子工业出版社，2009.45. 朱兆优，陈坚，王海涛，邓文娟.单片机原理与应用北京：电子工业出版社，2010.9 6. 常键生等.检测与转换技术技术（第3版）机械工业出版社，2004.67. 陈伯时.自动控制系统北京：机械工业出版社，20058. 胡寿松.自动控制原理科学出版社，20079.丁镔.PLC控制四层电梯教学模型的设计J.现代制造技术与装备,2010,(4):33-35.10. Siemens AG.Hardware and Installation:CPU 312 IFM-318-2DP,2003.11. Siemens AG.Configuring Hardware and Communication Connections STEP 7V5.2 Manual,2002.8.课题工作的实验条件及技术路线 通过之前PLC课程的学习及相关PLC控制实验和课程设计对实验室的PLC硬件实验箱了解到有关于电梯的三层仿真硬件设备，为课程后期实验测试提供了条件，另外技术的路线是先建立总体的基本思路就是把设计划分为模块，通过模块功能的实现来实现对整个功能的控制。这样不仅提高了程序的可读性也提高了它的可调试性。为此首先，要开发一个模拟电梯作为被控对象,这里先以三层模拟电梯说明，该模拟电梯应能满足如下要求： (1)能够发出PLC 所需要的输入信号 各楼层电梯到位行程开关模拟信号 电梯门开到最大的行程开关模拟信号及电梯门完全关闭的行程开关模拟信号； 电梯的外部呼叫信号：一楼上呼叫，二楼上呼叫，二楼下呼叫，三楼上呼叫，三楼下呼叫； 电梯内部的：一楼呼叫, 二楼呼叫, 三楼呼叫,电梯开门按钮模拟信号，电梯关门按钮模拟信号。 (2)能够接受PLC 发出的控制信号并完成相应的动作 电梯的上行,电梯的下行,接到“停信号”后停止； 接到“开门信号”后开门,接到“关门信号”后关门； 接到某“楼层显示信号”后相应的楼层显示灯亮； 接到“电梯上行显示信号”后电梯上行显示灯亮,接到“电梯下行显示