毕业设计（论文）-基于PLC的四层电梯设计.doc

中 国 矿 业 大 学课 程 设 计 题 目： 基于PLC的四层电梯设计 姓 名： 专业年级： 学 号： 二一三年 月 摘 要目前电梯控制系统主要有三种控制方式：继电器控制系统、PLC控制系统、微机控制系统。PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。本文在阐述电梯的结构和可编程控制器的结构和工作原理的基础上，针对四层电梯，使用西门子S7-200可编程控制器，设计了电梯的控制系统，包括轿内指令和厅外召唤信号的登记与消除、电梯的选层和定向、电梯的开关门运行、电梯上下行控制、电梯的指层控制等部分，实现了轿内与各层呼梯指令的记录、电梯运行方向和选层的控制，电梯上下行和自动开关门、电梯的指层控制等功能。同时也使用了组态王6.53完成上位机对PLC控制电梯的仿真。关键词：四层电梯； 控制系统； 可编程控制器； 组态王目 录1 绪论11.1 引言11.2课题的研究背景及意义21.3 PLC在电梯控制中的应用以及发展前景31.4课题研究的内容52 电梯的综述62.1电梯的结构及组成部件62.2电梯的种类72.3电梯的主要参数及性能指标73 运行方案设计103.1 总体方案的确定103.2 PLC控制系统方案设计103.3 电梯曳引方案114 硬件选型、设计及计算124.1 四层电梯曳引电机及门电机电路图124.2 可编程控制器(PLC)的选择124.2.1 可编程控制器(PLC)的特点124.2.2 轿厢楼层位置检测方法134.2.3 PLC的选型144.3 变频器的选择154.3.1 变频器的原理164.3.2 变频器的选择174.3.3 VS-616G5型变频器的特点174.3.4 VS-616G5型变频器的结构及参数设置184.3.5 变频器自学习功能的应用方法194.3.6 变频器容量及制动电阻参数的计算195 软件设计225.1 电梯控制系统的主流程图225.2 梯形图235.2.1外召唤信号登记及消除235.2.2内指令信号登记及消除245.2.3电梯的平层信号处理255.2.4选层定向及反向截梯255.2.6各楼层停车信号305.2.7自动开关门306 上位机组态监控软件336.1 上位机软件设计概述336.2 设计监控画面356.3定义数据变量366.4 变量动画连接376.5 应用程序命令396.6 动画演示427 结论与展望437.1 结论437.2 展望电梯发展方向43参考文献44致谢45附录1 语句表46中国矿业大学成人教育学院课程设计（论文）1 绪论1.1 引言我国电梯行业已经具备了很强的生产能力。兴旺的电梯市场吸引了全世界所有的知名电梯公司，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、日本三菱、日立、东芝、富士达等13家大型外商投资公司在国内的市场份额达到了74”。先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。苏州江南、山东百斯特、浙江巨人、上海华立、昌华、东莞飞鹏、宁波宏大、苏州申龙和东南液压电梯等一批优秀的电梯品牌看清了自己的定位与出路。目前国内市场需要的电梯产品，我国电梯行业几乎全部可以生产，不但大量替代了进口，而且有一定的出口。国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高。自1985年我国参加了国际标准化组织ISO/TCl78以来，先后等同或等效采用了一批国际标准和先进国家的标准。标准的高起点使我国电梯行业在技术上居于有利地位。许多新技术和新产品，如无机房电梯、无齿轮曳引机、永磁同步拖动技术、远程监控技术等，国际上也是刚刚出现，我国就有许多企业可以生产了。中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置，每年销售量己达l万台左右，约占亚洲市场的1/50，一些合资企业在出口创汇方面也做出了贡献。当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍1。进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。可编程序控制器(PLC)是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。同时，由于电机交流变频调速技术的发展电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行业的一个热点。PLC是一种用于自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。电梯采用了PLC控制，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。控制系统结构简单，外部线路简化.另外可方便地增加或改变控制功能。也可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。变频调速电梯使用了先进的SPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能;调速范围广、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，几乎可与直流电机媲美。同时明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能显著。1.2课题的研究背景及意义电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。然而，只有电梯的制造，安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面保证电梯的最终高质量。在国外，已“法规”实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队伍维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验，从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。因此，可以说乘坐电梯更安全。美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算，其结论是：乘电梯比走楼梯安全5倍。掘资料统计，在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次，而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。目前，由可编程序控制器(PLC)和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为电梯控制的发展方向。可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机2。自1969年针对工业自动控制的特点和需要而开发的第一台PLC问世以来，迄今己30多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又不同于顺序控制器和通用的微机控制装置。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。而且用户程序的编制、修改和调试不需要具有专门的计算机编程语言知识。这样就破除了“电脑”的神秘感，推动了计算机技术的普遍应用。可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。PLC现已成为现代工业控制三大支柱(PLC、CAD/CAM、ROBOT)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，易与计算机接口、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，同益取代由大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统的继电一接触控制系统，在机械、化工、石油、冶会、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业德到广泛应用。PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。总之，电梯的控制是比较复杂的，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，将使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强、机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起3。因此，它已经成为电梯运行中的关键技术。1.3 PLC在电梯控制中的应用以及发展前景目前，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。而PlC实际上是一种专用计算机，它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作；又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高4。PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。随着科技的进步，电梯也更加安全、舒适。然而，人们的追求并没有就此停止下来，仍在不断地进行研究改进。绿色是和平，绿色是天然，绿色是和谐。电梯是载人的机电设备，要实现“绿色”，也就是强调电梯更舒适、更安全地为人类的生产和生活服务，强调电梯与环境的协调与和谐。目前意义上的“绿色”，一般是强调“天然”的一面，强调与环境的协调与和谐。电梯属于纯粹的工业产品，其天然性应表现为对环境影响的尽可能小，与环境的协调与平衡，以及电梯本身的人性化。这也应是绿色电梯的发展方向。(1)智能化。我们所说的智能化电梯是传统的人工智能是无法胜任的。传统的智能控制是一种技术的事先安排，说到底是一种程序控制，是一种周期性的系统自动控制，实际上还算不上智能。而真正的智能电梯应更具人性化特点，不仅具有传统的人工智能的所有优点，而且还有传统的人工智能无法比拟的东西，具有随机处理各种问题的能力，诸如能根据轿厢内的情况和各层的候梯信息，自动地制定每次最优的运动速度和停车政策；自动选择运动方面；双向语音交流；到达目的层的语音提示等，让乘客有更多的主动性，使大楼交通运输实现真正的人机对话。智能化要求电梯有自动安全检测功能，让电梯自己能够检测到电梯的故障所在，并及时报警予以排除5。图1-1 电梯门的智能控制(2)安全。运行安全是电梯的根本和关键。可以说，电梯的全部其他工作都是以此为中心展开的，使电梯安全运行更有保障。运行安全不仅要消除电梯启动时较强的电磁辐射，使用安全材料和运行稳定，而且要有一种良好的视觉效果，让每一位乘客在宽敞、明亮轿厢内有安全、舒适的好心情。(3)与环境的协调和平衡，包括以下几个方面：视觉协调。有人曾经做过环境色彩是否对人有影响的研究。该研究发展：视觉不协调的环境色彩对人的情绪、精神影响非常大。色彩宜人，格调高雅，制作精良的电梯，乘客自然会有一种安全的感觉，有一种视觉上的舒适。消除电磁辐射。如前所述，由于电梯是大楼里频繁起制动的大容量电器是电磁干扰的元凶，所以绿色电梯必须是一个达到自身对大楼电磁干扰最小，而又不被其他电磁干扰影响的建筑机电设备。这样不仅可以保证乘客的身心健康，而且也可以保证大楼、大厦中的大楼的办公自动化(OA)、楼宇自动化(BA)、通讯自动化(CA)的正常运转。舒适感。通过采用高载频波矢量静音变频器，可降低噪声变换频率及电压。以CPU控制电压及频率的连续变换方式，按人体生理适应要求，利用计算机优化设计而成的理想运行曲线，实现更稳定、更舒适的运行6。图1-2 电梯运行速度曲线随着时代的发展，对人在与外界隔离封闭的电梯轿厢内，心理上的压抑感和恐惧感也有所考虑。因此，提倡对电梯进行豪华性装修。1.4课题研究的内容课题所研究的内容主要是用可编程控制器（PLC）改造在用电梯自动控制系统。由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。针对老式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等缺陷，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。论文的主要内容如下：首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）及变频器作了比较全面的总结和介绍。接着阐述了电梯控制系统的分类及特点，电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分。确定了系统的总体结构，由 PLC 来实现电梯信号控制，有双速电机实现调速，完成了电机和可编程控制器（PLC）的选择。然后是系统硬件开发，完成了 PLC 的选型、I/O 点数分配与 PLC 的连接。在接下来的章节中，采用国内使用非常普遍的工业控制组态软件组态王6.53，开发出了本电梯的上位机对电梯系统的仿真模拟，使本设计具有了一定的可视化效果。2 电梯的综述2.1电梯的结构及组成部件电梯是机电一体化产品。各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳拽引式结构，其机械部分由拽引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成；而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成7。电梯的基本结构如图2-1所示。1控制柜(屏)2一拽引机3拽引钢丝绳4限速器5限速器钢绳6限速器张紧装置7轿厢8安全钳9轿厢门安全触板10导轨11对重12厅门13缓冲器图2-1 电梯的基本结构2.2电梯的种类 2003年2月19日国务院颁布了特种设备安全监察条例，明确规定电梯是特种设备，并对电梯的含义做了叙述：“电梯是指动力驱动，利用沿刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运行的梯级(踏板)进行升降或者平行运送人、货物的机电设备”。这种对电梯的论述，被称作广义电梯概念，既包括上下运送人、货物的升降式电梯，也包括用于水平或倾斜输送乘客的自动人行道(英语Passenger Conveyor)和自动扶梯(英语Escalator)。现代电梯主要由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等)、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。电梯要求安全可靠、输送效率高、平层准确和乘坐舒适等。电梯的基本参数主要有额定载重量、可乘人数、额定速度、轿厢外廓尺寸和井道型式等8。目前，电梯行业及社会上对电梯的分类大致有以下几种： (1)按用途分： 乘客电梯、载货电梯、客货电梯、病床电梯、住宅电梯、杂物电梯、观光电梯、其他专用电梯。(2)按额定速度分： 低速梯，常指低于1.00m/s速度的电梯；中速梯，常指速度1.002.00m/s的电梯。高速梯，常指速度大于2.00m/s的电梯。超高速梯，速度超过5.00m/s的电梯。(3)按拖动方式分：交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条式电梯、螺旋式电梯。(4)按控制方式分：手柄操纵控制电梯、按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯、向下集选控制电梯、并联控制电梯、群控电梯、智能控制电梯。其他分类方式还有：按电梯有无司机分类等9。2.3电梯的主要参数及性能指标1.性能指标：（1）安全性 电梯时运送乘客的，即使载货电梯通常也有人相伴随，因此对电梯的第一要求就是安全。电梯的安全与设计、制造、安装调试及检修各环节都有密切联系，任何一个环节出了问题，都可能造成不安全的隐患，以致造成事故。（2）可靠性 电梯的可靠性很重要，如果一部电梯工作起来经常出故障，就会影响人们正常的生产与生活，给人们造成很大的不便，不可靠也是事故的隐患，常常是不安全的起因。要想提高可靠性，首先应提高构成电梯的各个零部件的可靠性，只有每个零部件都是可靠的，整个电梯才能使可靠的。（3）停站的准确性 停站准确性又称平层准确度，平层精度。GB/T10058-1997电梯技术条件对轿厢的平层准确度规定如表2-1所示：表2-1电梯轿厢的平层准确度电梯类型额定速度(m/s)平层准确度(mm)交流双速电梯0.25或0.5150.75或1.030交直流快速电梯1.52.015交直流高速电梯2.05电梯轿厢的平层准确度与电梯的额定速度，电梯的负载情况有密切关系。负载重，则惯性大，提速高惯性也大。因此检查平层准确度时，分别以空载，满载，上下运行，到达同一层站停测量平衡误差，取其最大值做平层站的平层准确度。（4）振动、噪声及电磁干扰现代电梯是为乘客创造舒适的生活和工作环境。因而要求电梯运行平稳，安静，无电磁干扰。（5）舒适感和快速感 电梯作为一种交通工具，对于快速性的要求是必不可少的，快速可以节省时间，这对于快节奏的现代生活中的乘客是很重要的。但是加速度和减速度的过分增大的不合理变化又会造成乘客的不适感。因此在电梯设计时就要兼顾快速性和舒适感这两个互相矛盾的因素。（6）节能 现代电梯应该合理的选择拖动方式，以达到节能的目的2.主要参数：1）额定载重量（kg）：制造和设计规定的电梯载重量。2）轿厢尺寸（mm）：宽深高。3）轿厢形式：有单或双面开门及其它特殊要求等，以及对轿顶、轿底、轿壁的处理，颜色的选择，对电风扇、电话的要求等。4）轿门形式：有栅栏门、封闭式中分门、封闭式双拆门、封闭式双拆中分门等。5）开门宽度（mm）：轿厢门和厅门完全开启的净宽度。6）开门方向：人在厅外面对厅门，门向左方向的为左开门，门向右方向开启的为右开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称为中分门。7）曳引方式：常用的有半绕1：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度。半绕2：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝运行速度的一半。全绕1：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度。8）额定速度（m/s）：制造和设计所规定的电梯运行速度。9）电气控制系统：包括控制方式、拖动系统的形式等。如交流电机拖动或直流电机拖动，轿内按钮控制或集选控制等。10）停层站数（站）：凡在建筑物内各层楼用于出入轿厢的地点均称为站。11）提升高度（mm）：由底层端站楼面至层顶端站楼面之间的垂直距离。12）顶层高度（mm）:由顶层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之的垂直距离。电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。13）底坑深度（mm）：由层底端站楼面至井道底面之间的垂直距离。电梯的运行速度越快，底坑一般越深。14）井道深度（mm）：由井道底面至机房楼房或隔音层楼房板下最突出构件之间的垂直距离。15）井道尺寸（mm）：宽深10。3 运行方案设计3.1 总体方案的确定电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图3-1电梯系统结构框图，主要硬件由轿厢、开门机构、曳引机构、控制系统等组成。图3-1电梯系统结构框图3.2 PLC控制系统方案设计1.信号控制系统电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图3-2为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等11。系统控制核心为PLC主机，操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号12。轿厢操纵盘厅外呼梯输入接口PC主机CPU 存储器输出接口调整器拖动控制井道装置安全装置指层器门机控制图3-2 电梯PLC控制系统的基本结构图2.电梯控制系统实现的功能电梯的控制系统实现如下功能：1)行车方向由内选信号决定,顺向优先执行; 2)行车途中如遇呼梯信号时,顺向截车,反向不截车; 3)内选信号、呼梯信号具有记忆功能,执行后解除。 4)内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均由信号灯指示5)停层时可延时自动开门、手动开门、(关门过程中)本层顺向呼梯开门; 6)延时自动关门,关门后延时等待内选，自动行车; 7)行车时不能手动开门或本层呼梯开门,开门不能行车。3.3 电梯曳引方案曳引电梯是当今世界应用最为广泛的梯型，具有安全可靠、提升高度大、结构紧凑等优点。曳引电梯最常用的曳引比有1：1和2；1两种，其工作原理如图3-3所示。本设计出于降低对电机的要求的考虑，采用了2：1的曳引方案13。图3-3 电梯曳引系统工作原理示意图4 硬件选型、设计及计算4.1 四层电梯曳引电机及门电机电路图根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图4-1所示。图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。FU1为熔断器，起过电流保护作用。图4-1 电气控制系统主回路原理图4.2 可编程控制器(PLC)的选择4.2.1 可编程控制器(PLC)的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强PLC是为工业控制而设计的，除了对器件的严格筛选外，在硬件和软件两个方面还采用可屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间达到(35)104h以上。（2）编程直观、简单考虑到大多数电气技术人员熟悉电气控制线路的特点，PLC没有采用微机控制中常用的汇编语言，而是采用了一种面向控制过程的梯形图语言。梯形图语言与继电器原理图相类似，形象直观，易学易懂，电气工程师和具有一定知识的电气技术人员都可在短时间内学会，计算机技术和传统的继电器控制技术间的隔阂在PLC上完全不存在。因此，许多国家生产的PLC都把梯形图语言作为第一用户语言，此外，还可采用指令表进行编程控制。（3）适应性好PLC是通过程序实现控制的。当控制要求发生改变时，只要修改程序即可。由于PLC产品已标准化，系列化，模块化，因此能灵活方便地进行系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系统。其适应能力非常强，既可控制一台机器，一条生产线，也可控制一个复杂的群控系统；既可以现场控制，又可以远距离控制。（4）功能完善，接口功能强目前的PLC具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使设备控制水平大大提高；其接口功率驱动范围较大，不象普通的计算机输出信号需放大才能驱动负载，极大地方便了用户。其常用的数字量输入输出接口，就电源而言有110 V、220 V交流和5V、48 V直流等多种，负载能力可在0.55 A的范围内变化，模拟量的输入输出有50 mV、10 V和010 mA、420 mA等多种规格，可以很方便地将PLC与各种不同的现场控制设备顺序连接，组成应用系统。由于PLC具有以上特点，因此，与传统的继电器接触器控制和现在流行的电脑控制相比较，在电梯这样的大型电气设备的控制系统中采用PLC实现控制应是最佳选择。近年来，PLC在处理速度、控制功能、通信能力及控制领域等方面都不断有新的突破，正向着电气控制、仪表控制、计算机控制一体化(EIC)方向发展，PLC装置已成为自动化系统的基本装置，是构成FMS、COMC、FA的主控单元14。4.2.2 轿厢楼层位置检测方法主要方法有如下几种:(1) 用干簧管磁感应器或其它位置开关:这种方法直观、简单，但由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。(2) 利用稳态磁保开关:这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，但它是无权代码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大9。(3) 利用旋转编码器:目前，PLC一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元，计数准确，使用方便，因而在电梯PLC控制系统中，可用编码器测取电梯运行过程中的准确位置，编码器可直接与PLC高速脉冲输入端相连，电源也可利用PLC内置24V直流电源，硬件连接可谓简单方便。由以上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其他方法，故本设计采用此法。4.2.3 PLC的选型根据以上选择的轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数计数器。又因为电梯是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器15。本设计再考虑到以下几个方面，因此选用西门子PLC来实现四层楼电梯的电气控制:(1)配置简单。各种机型均可采用相同配置，简化设备采购和仓库库存管理。(2)编程方便。用户可根据不同机型的流程要求编制程序，程序调试和修改都非常简便，能根据客户需求进行变化；程序可采用密码保护，保护自己的劳动成果。而且PLC采用的梯形图语言简单易学，容易上手，不像单片机控制系统那样复杂而且一旦定型不易修改，不能根据客户需求变化。(3)系统能非常方便地连接到PC机监控系统或其他系统如楼宇自控系统中，根据应用情况，有时可无须增加额外硬件就能实现；增加适当硬件可连接到互联网上。(4)系统外观高档，控制灵活，精确度高；故障率极低，节省维护成本。综上所述，在本次设计中选用西门子PLC进行过程控制。S7-200CNCPU型号包括CPU222CN，CPU224CN,CPU226CN等。 S7-200CN针对低性能要求的小型PLC，它能够控制各种设备以满足自动化控制需求，紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。根据电梯控制的要求，需要22个输入21个输出点，可选用CPU226CN作为主控制器。它集成24输入/16输出，共40个数字量I/O点；可连接7个扩展模块，最大扩展168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点；具有12K字节程序和8K字节数据存储空间和6个独立的30KHz高速计数器，两路独立的20KHz高速脉冲输出，1个RS485通讯/编程口。是具有较强控制力的控制器，用于控制电梯的运行16。输入输出I/O分配如表4-1所示。表4-1 电梯PLC控制I/O分配表序号名 称输入点序号名 称输出点0一层平层I1.60电梯上行记忆Q0.01二层平层I1.71电梯下行记忆Q0.12三层平层I0.22电机正转Q0.23四层平层I0.33电机反转Q0.34内呼一楼I0.44内呼一楼指示Q0.45内呼二楼I0.55内呼二楼指示Q0.56内呼三楼I0.66内呼三楼指示Q0.67内呼四楼I0.77内呼四楼指示Q0.78一层外呼上行I1.08一层外呼上行指示Q1.09二层外呼上行I1.19二层外呼上行指示Q1.110三楼外呼上行I1.210三楼外呼上行指示Q1.211二楼外呼下行I1.311二楼外呼下行指示Q1.312三楼外呼下行I1.412三楼外呼下行指示Q1.413四楼外呼下行I1.513四楼外呼下行指示Q1.514手动开门I2.014门电机正转Q1.615手动关门I2.115门电机反转Q1.716开门限位I2.216高速运行Q2.017关门限位I2.317 爬行 Q2.118电梯上升极限位I2.418变频器异常复位Q2.219电梯下降极限位I2.520编码器A脉冲I0.021编码器B脉冲I0.14.3 变频器的选择随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速已应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。目前，有为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。这是本设计的特点之一。目前，市场流行的通用变频器的种类繁多，而电梯行业中使用的变频器的品牌也不少，其控制系统的结构也不尽相同，但其总的控制思想却是大同小异。4.3.1 变频器的原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现代使用的变频器主要采用交-直-交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源提供给电动机，变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形16。中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。如图4-2所示。图4-2 变频器的基本构成变频器是利用输出功率可改变的交流电力拖动设备。变频器调速的主要工作原理是将供给电机定子的三相交流工频电经大功率整流元件整流变成直流，再将直流电用正弦波脉宽调节技术逆变为频率可调、幅度也随之改变的三相交流电。以此为电源再供给电机使用。如图4-3所示。图4-3 变频器的电路连接示意图4.3.2 变频器的选择电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，它的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容。本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行，以改善电梯运行的舒适感；另外，由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。考虑以上各种因素，本设计选用安川VS-616G5型全数字变频器，它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能8，可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别适合电梯类负载频繁变化的场合17。4.3.3 VS-616G5型变频器的特点VS-616G5型变频器是安川电机公司面向世界推出的21世纪通用型变频器。这种变频器不仅考虑了V/F控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。VS-616G5变频器的特点如下:(1) 包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。(2) 有丰富的内藏与选择功能。(3) 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。(4) 保护功能完善、维修性能好。(5) 通过LCD操作装置，可提高操作性能4.3.4 VS-616G5型变频器的结构及参数设置由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。由于616G5是通用型变频器，因而用在电梯控制上为了满足运行效率、舒适感、平层精度和安全性的要求，其参数设置比专用型变频器要复杂得多。616G5变频器共有9组参数，每一组参数的设定都具有特定的含义。常用参数如表4-2 10。表4-2变频器参数参数功用A组确定控制模式B组选择运行功能C组确定加减速时间及转矩补偿时间D组选择频率E组确定运行压频曲线F组保护设置H组确定偏差标准参数设置的原则:(1) 为减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环的比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些；(2) 为了提高运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车冲击；(3) 零速一般设置为0Hz，速抱闸功能将影响舒适感；(4) 变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌据直接输入，具体的设置见表4-3。表4-3安川616G5变频器主要参数设置表参数名称设定值说明A1-02控制方式选择2不带PG矢量控制方式B1-01频率指令选择1B1-02运行指令选择1B1-03停止方法选择0B1-04反转禁止选择0B2-01零速电平选择0.1HzB2-04停止时直流制动时间1.0sC1-03加速时间22.0sC1-04减速时间22.0sC2-01加速开始时S型曲线时间0.6sC2-02加速完了时S型曲线时间0.6sC2-03减速开始时S型曲线时间0.6sC2-04减速完了时S型曲线时间0.6sC5-01ASR比例增益15C5-02ASR积分时间13sD1-09检修速度200rpmE1-01输入电压设置380VE1-04最高输出频率50HzE1-05最大电压380VE1-06额定电压频率50HzE1-09最低输出频率电压0VE2-01电机额定电流按电机铭牌设置E2-02电机额定滑差按电机铭牌设置E2-03电机空载电流按电机铭牌设置E2-04电机极数按电机铭牌设置F1-01PG常数按电机铭牌设置F1-02PG断线检测时的动作选择0F1-03超速时的动作选择0F1-04超度偏差过大时的动作选择0F1-05PG分频比根据电机极数设置4.3.5 变频器自学习功能的应用方法为了使变频器工作在最佳状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动的电动机进行自学习，而616G5就具有曳引机参数自学习的功能，其方法是:将曳引机制动轮与电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后启动电动机，让变频器自动识别并存储电动机有关参数，变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。显然，这一组自学习到的参数，是和变频器匹配的最佳参数，使变频器能对该电动机进行最佳控制。4.3.6 变频器容量及制动电阻参数的计算(1) 变频器容量的计算变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行计算。设电梯曳引机电机功率为P1，电梯运行速度为v，电梯自重为W1，电梯载重为W2，配重为W3，重力加速度为g，变频器功率为P。在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为P2,P2=(W1 +W2-W3)g+F1v (4-1)其中F1=K(W1+W2-W3)g+f为摩擦力，f可忽略不计。K是传动系统中随牵引力变化的摩擦力的摩擦系数。电机功率P1，变频器功率P应接近于电机功率P1，相对于P2留有安全裕量，可取P1.5 P2。因为：K=0.02，W1=1600Kg，W2=800Kg，W3=2000 Kg，g=9.8m/s2，v=1.5m/s代入以上各参数，得P2=7.2 KW。电机功率P1=11 KW，变频器的功率P应接近于电机功率P1，相对于P2留有较大裕量，可取P=1.5 P2=10.8KW。(2) 变频器制动电阻参数的计算由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能。带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高。采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果。能耗制动电阻Rz的大小应使制动电流Iz的值不超过变频器额定电流的一半，即 IZ=UD/RZIN/2 (4-2) 其中UD为额定情况下变频器的直流母线电压。由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。根据这个原则，日本三菱公司为各种型号的变频器配备了制动电阻，查阅变频器的使用说明书可得，电机额定功率为11 KW时，选用的制动电阻型号为R01.1400W60。本文采用24V增量式旋转编码器，它与主电动机同轴相连，编码器产生的脉冲直接输入PLC的高速脉冲计数输入端I0.0和I0.1，使用HSC0的模式9对此脉冲的计数，可以用程序计算出电梯走过的距离及当前的速度18，从而完成调速系统的位置和速度反馈。接口示意图如图4-4。图4-4 调速系统接口示意图PLC的Q2.0端为变频器故障复位的信号输入端，使得变频器停止工作。Q0.2、Q0.3分别为曳引机的正反转输入信号，I2.6是变频器故障输入到PLC，I0.0是旋转编码器的A相脉冲输入计数端，I0.1是旋转编码器的B相脉冲输入计数端。这些端口通过PLC的8I/8O扩展模块EM223实现。5 软件设计5.1 电梯控制系统的主流程图根据电梯控制要求,电梯在逻辑控制程序操控下往复运行,其循环过程为: 指令登记, 判断电梯的运行方向;起动运行,在运行途中实现顺向截梯、 厅呼梯信号和轿内选择指令的记忆等操作. 到达选层层站后,换速平层并消号,并完成开、关门操作等。PLC 程序采用模块化设计实现上述功能,其结构清晰、便于调试, 如轿厢内外指令的登记与消号自动定向、 选层换速、 顺向截梯及层楼数指示等模块.模块间不完全独立,它们之间存在着有机联系通过修改 PLC 控制程序可实现多种电梯运行方式19。图5-1 电梯控制系统主流程图5.2 梯形图5.2.1外召唤信号登记及消除5.2.2内指令信号登记及消除点动内呼按钮，信号登记显示。到层信号取消。本系统设一楼为基站，两分钟内无任何操作，电梯自动返回一楼。5.2.3电梯的平层信号处理5.2.4选层定向及反向截梯1.轿厢上行2.轿厢下行5.2.5内指令外召唤信号的保持轿厢的内呼指令与外召唤指令保持信号，用于在有乘坐需要的楼层停车，并自动或手动执行开关门操作。开关门执行一次之后，信号取消。使电梯能够继续响应其他乘坐信号。5.2.6各楼层停车信号5.2.7自动开关门如梯形图所示，电梯到层停车后，延时2s开门，5s后自动关门。并设有手动开门按扭和关门按钮。可实现即时开关门。6 上位机组态监控软件6.1 上位机软件设计概述组态软件是数据采集监控系统SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。组态王软件是国内第一家较有影响的组态软件开发公司北京亚控科技发展有限公司开发的在国内使用较广泛的软件品牌(更早的品牌多数已经湮灭)。相对于其它组态软件，组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，也提供多种硬件驱动程序。本文使用的组态王软件的较新版本组态王kingview6.5320。1)组态王kingview6.53的主要性能特点。组念王是亚控科技公司自主开发的组态技术软件，其技术在不断的创新中，组态王kingview6.53主要的性能特点简要列举如下：a画面制作系统：支持无限色和过渡色， 使用户轻松构造面无限逼真、美观的画面。并且提供图库、按钮、位图、可视化动画连接向导等功能，使画面设计过程变得简单易行。b报警和事件系统：分布式报警管理提供多种报警管理功能，还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。c报表系统：提供一套全新的、集成的内嵌式报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可创建多样的报表，提供报表工具条，操作简单明了。d控件：支持Windows标准的Active X控件(主要为可视控件)，包括Microsoft提供的标准Active X控件和用户自制的Active X控件；新增三个功能强大的控件，即数据表格控件、历史曲线控件、PID调节控件eOPT：开发人员可以从任何一个OPC服务器直接获取动态数据，并集成到组态王中；同时组态王作为OPC服务器，可向其他符合OPC规范的厂商的控制系统提供数据。f通讯系统：支持远程拨号、支持开发中进行硬件测试、支持网络DDE，实现组态王与excel和vb程序