基于S7-200PLC的五层电梯的控制系统设计.docx

基于S7-200PLC的五层电梯的控制系统设计摘 要本课题设计的意义在于改变了以往继电器控制的电梯可靠性和稳定性差的缺点，使用变频器调速，完成的主要工作有设定电梯正常运行速度，电梯轿厢加减速控制程序，平层后开关门判断程序以及LED显示部分的电路设计。鉴于继电器控制存在着上述的种种弊端，现将PLC应用于电梯控制,收到了良好效果。可编程控制器应用于电梯控制，用软件编程替代原有继电器硬件布线控制，使控制系统具有了极大的柔性和通用性。随着人们对其要求的提高，电梯得到了快速发展，其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。本设计在已有的变频器的基础上，采用PLC对电梯进行控制，通过合理的选择和设计，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。本设计涉及电梯PLC系统的设计安排以及电梯LED数码显示，电梯平层检测元件和PLC的变频器的使用等问题，用STEP7-Micro/WIN32软件来编写电梯程序,通过PLC的开关量断口发脉冲的方式实现电梯变频器的速度给定，其输出点可形成高速脉冲串输出（PTO）或（PWM），整个设计思路正确，有一定的技术含量，虽然是模型的设计，但可用于实际的应用和操作。关键字：可编程控制器，LED数码显示，变频器，电梯平层Design of a five-floor elevator control systemBased on S7200 PLCAbstractThe significance of the design task was to change the past Relay control of the reliability and stability of the lift poor shortcomings, Use Frequency Control, the main task is set normal operating speed elevator, elevator car speed control procedures, after the switch-layer doors judgment procedures and LED display part of the circuit design.Given Relay control of the existence of the above drawbacks, the programmable logic controller will now apply elevator control, and good results. Programmable controller for elevator control, and software programming to substitute the original wiring Relay hardware control, so that the control system has a tremendous flexibility and versatility. With the improvement of their claims, the lift has been rapid development, Drag its technology has been developed to speed the FM_PM, Logic Control PLC also replace the control relay.The design of the existing converter, which is based on PLC on elevator control, through the rational choice and design, raise the elevator control levels, and to improve the operation of the elevator comfort, the lift reached the ideal control effect. Involved in the design of the lift PLC system design arrangements and lift LED digital display. Elevator-layer components and testing PLC and the use of frequency converter, STEP7-Micro/WIN32 software used to prepare the lift procedures, PLC switching pulse fracture hair in a way that lifts converter to set the pace, can export their high-speed formation output pulse train (PTO)or (PWM), the whole design concept is correct, a certain level of skills, although the model is the design, but can be used for practical application and operation.Keywords： Programmable logic Controllers, LED digital display, inverter, floor elevator目 录引 言 . 7概 述 . 8第1章 电梯系统的控制简介 . 91.1 电梯的简介 . 91.1.1 中国电梯设计与制造新特点 . 91.1.2 PLC与其他电梯控制系统的比较： . 91.2 电梯拖动系统及电梯的架构 . 101.2.1 电梯的构造 . 101.2.2 重要安全部件的介绍. 101.2.3 电梯控制系统设计思想 . 11第2章 可编程序控制器的选用. 122.1 S7-200系列可编程序控制器简介 . 122.1.1 S7-200可编程控制器的系统配置 . 122.1.2 S7-200系列PLC软件. 122.1.3 电梯PLC控制系统 . 142.2 PLC控制的流程图及硬件结构图 . 152.3 PLC控制硬件连接图 . 18第3章 变频器、霍尔传感器的选用 . 193.1 变频器原理 . 193.2 变频器的选型 . 193.2.1 变频器选型时要确定以下几点 . 193.2.2 变频器与PLC的硬件连接 . 193.3 霍尔传感器的应用 . 21第4章 控制梯形图的设计 . 224.1电梯控制系统实现的功能 . 224.1.1手动控制开关门程序. 234.1.2自动控制开关门程序. 254.2 内指令外召唤信号的登记消除及显示. 274.2.1 内选信号锁存 . 274.2.2 外呼信号锁存 . 284.3 换速、平层、停车 . 324.3.1 设定电梯正常运行速度 . 324.3.2 电梯轿厢加速控制程序 . 354.3.3 电梯轿厢减速控制程序 . 374.3.4 平层后开关门判断程序 . 394.4 楼层位置指示 . 424.4.1 轿厢楼层位置检测方法 . 424.4.2 显示楼层控制 . 42结论与展望 . 44致 谢 . 45参考文献 . 46 附录A 外文文献及其译文 . 47附录B 主要参考文献及摘要 . 51附录C 主要源程序 . 52插图清单图2-1 Step7-Micro/Win 4.0的控制界面 . 13图2-2 电梯控制系统硬件结构框 . 15图2-3 PLC控制的流程图 . 17图2-4 硬件连接图 . 18图3-1 变频器硬件连接图 . 20图3-2 霍尔开关元件工作电路 . 21图4-1 手动控制开关门程序 . 24图4-2 开门信号复位控制 . 25图4-3 自动控制开关门程序 . 25图4-4 关门信号复位控制 . 26图4-5 内选信号锁存程序 . 27图4-6 一层上呼信号锁存程序 . 28图4-7 二层下呼信号锁存程序 . 29图4-8 二层上呼信号锁存程序 . 29图4-9 三层下呼信号锁存程序 . 30图4-10 三层上呼信号锁存程序 . 30图4-11 四层下呼信号锁存程序. 31图4-12 四层上呼信号锁存程序 . 31图4-13 五层下呼信号锁存 . 32图4-14 选择PWM方式调速 . 33图4-15 设定手动运行频率 . 34图4-16 电梯轿厢加速控制程序 . 36图4-18 加速控制程序 . 36图4-19 减速控制程序 . 37图4-20 减速禁止程序 . 38图4-21 减速控制程序 . 39图4-22 平层开关门判断程序. 41图4-23 平层信号送达程序 . 41图4-24 霍尔开关元件和PLC连接图 . 42图4-25 楼层显示电路硬件图. 43图4-26 楼层高度显示程序 . 43表格清单表2-1 保持定时器地址 . 13表3-1 变频器接线端子的功能 . 20表4-1 PLC的输入部分. 22表4-2 PLC的输出部分. 23表4-3 PLC辅助继电器触点 . 23表4-4 PTO/PWM控制寄存器的SM标志 . 35引 言电梯是高层建筑中作垂直运输的交通工具，在过去，对于中、低速电梯主要采用交流拖动系统来构成其曳引系统。最早是用多速鼠笼式异步电动机，并采用变极方式实现电机的调速。但由于这种系统只能实现有级调速，无法对电机的转速和加、减速时间进行准确地控制，致使其舒适感和平层精度都较差。后主要采用晶闸管直流调速系统。这种系统具有调速精度高，速度响应快、舒适感好，平层精度高等优点。但由于采用了直流电机，存在着维护电机换向器和电刷的麻烦，且调速系统在低速运行时的功率因数也较低。在为期三个月的毕业设计中我使用的是变频调速，它是交流电机各种调速方法中效率最高、性能最好的调速方法。近年来，随着电力电子技术的发展，各种半导体功率开关器件的问世和交流电机控制技术的发展，使交流系统的性能有较大的提高，这些都为变频器应用于电梯曳引系统，改善以上各种系统存在的不足，提高电梯的整体性能奠定了基础。此设计完成了电梯运行、平层、楼层显示等设计， 此系统既克服了继电接触器控制电梯系统工作可靠性差,事故率高的缺点；又克服了单片机控制电梯系统抗干扰能力差的缺点。在课题设计的过程遇到了诸多问题，在老师的指导一一解决。本设计虽然只是个模型，但它模拟了真实电梯，尤其是把变频调速技术该系统，使得系统性能有了很大的改善，在实际的电梯应用中具有广阔的应用前景。概 述随着经济建设事业的发展和人民物质文化生活水平的迅速提高，近年来我国的建筑事业有了飞速的发展。随着建筑业的发展，为高层建筑物提供上、下交通运输设备的电梯工业特飞速发展起来。电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。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。本次设计内容背景源与实际应用，是用一个可编程序控制器（S7-200PLC）控制一个五层乘客电梯，主体部分是其电气控制部分。目的是解决目前电梯控制中存在的一些问题，合理地利用PLC的硬件资源和软件资源，提高电梯的安全可靠性和操作的灵活性，充分利用各种指令简化控制程序，做到控制程序应尽量简单，便于理解，并有一定的规律性以便能适合于不同控制楼层的要求。对于外部控制电路尽可能可靠简单，控制性能好。由于PLC功能齐全、应用灵活，能够满足电梯控制的要求，而且具有抗干扰性能强、操作方便、维护简单等特点，使得系统可靠性大大提高，当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭并运行。主要完成下列功能：根据轿厢所处位置及乘员所处层数判定轿厢运行方向并保证轿厢平层时减速，将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门；在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。由于PLC功能齐全、应用灵活，能够满足电梯控制的要求而且具有抗干扰性能强、操作方便、维护简单等特点，使得系统可靠性大大提高。第1章 电梯系统的控制简介1.1 电梯的简介自1852年世界上第一台电梯诞生在德国柏林之后，世界电梯工业已经走过了150多年的发展历程。而中国电梯工业真正的发展，是在1978年改革开放后。随着现代化城市建设的突飞猛进，电梯已经与人们日常生活建立了十分密切的关系。根据中国电梯协会统计，2004年底，全国注册在用电梯突破50万台。尤其是在最近10年中国电梯发展呈现许多新特点。具体表现在几个方面：一是数量飞速增长，进口、出口发生逆转，但含金量不高。10年间，我国电梯产量从1996年以前的2.8万台猛增到2004年的11万台，目前年产量占全球总量的三分之一。进口产品虽然总量不多，但多为高端产品，出口多为普通产品。二是安全性能越来越好，有关资料显示，有人员伤亡的电梯事故，2003年53起，2004年26起。三是与国际水平相比，我国在产品研发投入和技术力量方面仍存在差距。四是我国电梯行业不是很大，在政策方面给予的限制和引导相对较少，行业发展完全以市场作为调节手段。无庸讳言，我国已成为世界最大的新装电梯市场和最大的电梯生产国。尽管从整个行业自主开发能力的角度来讲，我国的技术储备底蕴和持续开发的潜力与国外一些著名电梯企业相比，尚存在一定的差距，但也有抗衡的力量1。1.1.1 中国电梯设计与制造新特点随着计算机技术和电子工业的发展，电梯控制系统普遍应用计算机控制，具有代表性的是通过PLC实现信息传输和交换的控制系统。电梯主控制系统应用了多个输入输出点的PLC来分别负责电梯的信号管理控制、驱动控制和层站。使各部件之间的连接线大量减少，系统可靠性更高，功能处理更灵活。同时，外部逻辑通过组态软件来实现。缩小了印板的面积，而且提高了电子线路的可靠性。但是，国内整机厂商能够掌握这类核心技术并实现国产化和产业化的屈指可数。应用矢量控制的变压变频电机驱动技术在电梯主机及门机控制上都采用了VVVF（交流变频）PWM制式的矢量变换变压变频技术，比传统的调压调速电梯节能至少40%。特别是在曳引驱动回路中通过交-直-交变频环节中的直流可控，极大地提高了电梯系统负载的功率因数，减少了对电网的污染。由于国内相当部分厂商快速应对需求较广的小于1000kg、小于1.75m/s的低速乘客电梯或实现功能较简单的载货电梯，所以采用通用变频器作为曳引驱动回路为数不多。1.1.2 PLC与其他电梯控制系统的比较：以往我们都是用继电器控制电梯的运行，现在我们分析一下它的优点和缺点；优点：所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。缺点：系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。早期的国产电梯控制系统中，电梯信号的逻辑控制一般是由继电器电路来实现的。继电器控制系统故障率高，降低了电梯的运行可靠性与安全性。传统的继电器控制方式已经被计算机控制方式所代替，其控制方式有：单片机控制、单板机控制、单微机控制、多微机控制以及可编程序控制器( PLC) 控制等多种方式。其中单片机控制具有成本低，通用性强等优点，但它不适于较复杂的控制算法和故障诊断等要求；微机控制的配件使系统设计和调试更加复杂，它必须具有相应的大型开发系统，无疑会增加电梯的成本，因此对于一个小型的智能电梯控制系统利用PLC 进行控制将是一个最佳的选择。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。PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道(字)的运算和数据存储，PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。1.2 电梯拖动系统及电梯的架构交流电梯PLC 拖动系统主电路及调速装置与继电器控制系统的不同,主要是拖动系统的工作状态及部分反映信号送入PLC ,由PLC 向拖动系统发出速度指令切换、起动、运行、换速、平层等控制信号。1.2.1 电梯的构造机房部分：包括曳引机、限速器、极限开关、控制柜与信号柜、机械选层器以及电源接线板等设备。井道部分：包括导轨、对重装置、缓冲器、限速器钢丝绳张紧装置、随行电缆等。 厅门部分：包括厅门、召唤按钮厢、楼层显示装置等。轿厢部分：包括轿厢、安全钳、导靴、自动开门机、平层装置、操纵厢、轿厢内指层灯、轿厢照明等1.2.2 重要安全部件的介绍电梯轿厢位置检测和电气选层信号由安装在轿厢顶上和各层站的双稳态磁性开关得到，从而摆脱了以往靠继电器和接触开关等有触点器件控制的庞杂线路系统，优化了线路，大大地提高了系统运行的可靠性，同时也便于检修。限速器与安全钳保护系统：当发生意外事故时，轿厢超速或高速下滑（如钢丝绳折断，轿顶滑轮脱离，曳引机蜗轮啮合失灵，电机下降转速过高等原因）。这时，限速器就会紧急制动，通过安全钢索及连杆机构，带动安全钳动作，使轿厢卡在导轨上而不会下落。轿厢弹簧缓冲装置：缓冲器是电梯极限位置的安全装置，当电梯因故障，造成轿厢对底层或冲顶时（极限开关保护失效），轿厢或对重撞击弹簧缓冲器，由缓冲器吸收电梯的能量，从而使轿厢或对重安全减速直至停止。终端极限开关安全保护系统：在电梯井道的顶层及底层装有终端极限开关。当电梯因故障失控，轿厢发生冲顶或蹲底时，终端极限开关切断控制电路，使轿厢停止运行。门安全触板保护装置：在轿厢门的边沿上，装有活动的安全触板。当门在关闭过程中，安全触板与乘客或障碍物相接触时，通过与安全触板相连的联杆，触及装在轿厢门上的微动开关动作，使门重新打开，避免事故发生。厅门自动闭合装置：电梯层门的开与关，是通过安装在轿门上的开门刀片来实现的。每个层门都装有一把门锁。层门关闭后，门锁的机械锁钩啮合，同时轿门电气连锁触头闭合，电梯控制回路接通，此时电梯才能启动运行。1.2.3 电梯控制系统设计思想电梯控制是PLC 控制的一个典型应用。下面以五层楼电梯为例,说明利用PLC设计电梯的思想。首先，要开发一个模拟电梯作为被控对象,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，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，四楼上呼叫，四楼下呼叫，五楼下呼叫；电梯内部的：一楼呼叫, 二楼呼叫, 三楼呼叫,四楼呼叫,五楼呼叫,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“电梯下行显示信号”后电梯下行显示灯亮；接到某“呼叫保持信号”后相应的呼叫保持灯亮。(3)模拟电梯能够直观地反映PLC 程序运行的结果：模拟电梯显示电梯的物理位置，以比较PLC发出的楼层指示信号是否正确；模拟电梯显示电梯的运行方向，以比较PLC发出的电梯运行方向指示信号是否正确；模拟电梯显示电梯开关门的动作, 以配合PLC 发出的开关门信号。(4)模拟电梯是以运行的形式反映PLC 程序执行结果的，故模拟应尽可能的逼真,给人身临其境的感觉。(5)该模拟电梯可实现真实电梯所要求的功能,对PLC编程没有任何的附加限制,用户所编写的程序不同,可实现的电梯运行方式亦不同,即电梯的运行方式只受用户的程序控制,而不受模拟电梯的限制。该模拟电梯的控制分两部分,一部分是电梯的内部控制,另一部分是电梯的外部控制。模拟电梯可以满足PLC对控制对象(五层电梯)的所有要求,“用户”可以用手点电梯上的按钮,表示“呼叫”,同时,此呼叫信号发向PLC ,PLC 接到该信号后,经过控制程序发出控制指令,模拟电梯上的指示灯及楼层指示信号代替真正电梯的机械、显示等动作。PLC 控制电梯系统既克服了继电接触器控制电梯系统工作可靠性差,事故率高的缺点；又克服了单片机控制电梯系统抗干扰能力差的缺点,所以具有广阔的发展前景。第2章 可编程序控制器的选用2.1 S7-200系列可编程序控制器简介 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器,用来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,并通过数字式模拟式的输入和输出, 控制各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备都按易于工业控制系统连成一个整体、 易于扩充其功能的3原则设计。经过对本次设计的内容以及世界众多厂家生产的各型号PLC的对比，决定选用德国西门子生产的S7-200系列的PLC产品。 SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。它工作可靠，功能强，存储容量大，编程方便，输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈，抗干扰能力强。因此，能够满足电梯对电气控制系统的要求。S7-200系列小型PLC(Micro PLC)可应用于各种自动化系统。紧凑的结构。低廉的成本和功能强大的指令集使得S7200 PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。利用西门子S7200可编程序控制器编写一个五层电梯的控制系统。分别完成轿内指令、厅外召唤指令、楼层位置指示、平层换速控制、开门控制等控制任务。2.1.1 S7-200可编程控制器的系统配置S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC， 在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。S7-200既可以安装在控制柜背板上，也可以安装在标准导轨上。I/O接线端子排，输出 LED指示；前盖：模式选择开关（RUN/STOP）；模拟电位器；扩展端口（适用大部分CPU）状态LED：系统错误/诊断（SF/DIAG）；RUN（运行）；STOP（停止）可选卡插槽：存储卡；时钟卡；电池卡通讯口，输入 LED指示，扩展电缆等2.1.2 S7-200系列PLC软件STEP 7-MicroWin 4.0是S7-200系列的PLC的编程软件可以对S7200的所有功能进行编程。该软件在Windows平台上运行。基本操作与omce等标准Windows软件相类似，简单、易学。其基本功能是协助用户完成应用软件任务。例如创建用户程序、修改和编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。还可以直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控。相比STEP7 V5.3软件来说，Step7-Micro/Win 4.0要简单得多，没有硬件态功能，所有的硬件I/O地址都由模块物理位置确定的，从CPU模块开始，依次往后面排列。以下是Step7-Micro/Win 4.0的控制界面，整个界面简单明了，操作简单；开关量输入/输出地址，分别表示为I和Q，从I0.0或Q0.0开始一直往下排，I、Q使用的是不同的地址空间，可以相同，如I3.2和Q3.2同时出现是允许的;模拟量输入/输出地址，分别表示为AIW和AQW，从AIW0或AQW0开始一直往后排，模拟量输入/输出的地址都是16位的字，所以对于AI来说，排列的顺序应该是AIW0、AIW2、AIW4，模拟量输出也是如此。图2-1 Step7-Micro/Win 4.0的控制界面内存地址(M)：这些地址都存放在CPU的内存中，一般情况下，断电后保存在M中的数据会丢失，但在CPU的系统参数中可以将部分M设置成保存，这样在重新上电后，数据可以恢复M地址支持位操作（如M3.2）、字节操作（如MB4）、字操作（如MW6）、双字操作（如MD0）。S7-200 PLC中的M地址用法与S7-300/400PLC中的一样。另外，系统中还有一些特殊的M地址，用在中断、通讯等专用功能上，如后面程序中用到的SM0.0、SM0.1、SMB47等。存储数据区（V）：V数据是可以断电保存，相当于S7-300/400PLC的DB，但比DB的用法要简单，在200PLC的CPU中只有一个连续的V地址空间，使用前也不必要定义。同M地址