基于三菱PLC的四层电梯毕业论文.doc

天津职业技术师范大学2009级专科生毕业论文1 绪 论1.1 课题的研究背景及意义电梯进入人们的生活已经160年一个半世纪的风风雨雨，翻天覆地是历史的变迁，永恒的是电梯提升人类生活质量的承诺。电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的工作和生活日益紧密联系。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。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。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。 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。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。用户买到所需PLC后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可灵活而方便地将PLC应用于生产实践。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、CADCAM、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。因此，它已经成为电梯运行中的关键技术。1.2 电梯的国内外发展状况在经济不断发展的今天，楼的高度已和经济发展同样的速度成长起来。作为建筑的中枢神经，电梯起着不可或缺的作用，电梯作为建筑物内的主要运输工具，像其他的交通工具一样，已经成为我们日常生活的一个不可缺少的组成部分。一个国家的电梯需求总量，主要受其经济增长速度、城市化水平、人口密度及数量、国家产业结构等综合因素的影响。据统计，我国在用电梯34.6多万台，每年还以约5万6万台的速度增长。电梯服务中国已有100 多年历史，而我国在用电梯数量的快速增长却发生在改革开放以后，目前我国电梯技术水平已与世界同步。 100多年来，中国电梯行业的发展经历了以下几个阶段 ：对进口电梯的销售、安装、维保阶段(19001949年)，这一阶段我国电梯拥有量仅约1 100多台；独立自主，艰苦研制、生产阶段（19501979年），这一阶段我国共生产、安装电梯约1万台；建立三资企业，行业快速发展阶段（自1980年至今），这一阶段我国共生产、安装电梯约40万台。目前，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。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。1.3 PLC在电梯控制中的应用以及发展前景PLC实际上是一种专用计算机，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，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，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，属无触点运行，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。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。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）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。在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出了软件流程图，提出了模块化编程思想，介绍了系统的软件开发。2 PLC的介绍及在电梯中的应用2.1 可编程控制器(PLC)的产生及定义2.1.1 可编程控制器(PLC)的产生20世纪60年代末期，在技术浪潮的冲击下，为使汽车结构及外型不断改进，品种不断增加，需要经常变更生产工艺。这就希望在控制成本的前提下，尽可能缩短产品的更新换代周期，以满足生产的需求，使企业在激烈的市场竞争中取胜。美国通用汽车公司(GM)1986年提出了汽车装配生产线改造项目控制器的十项指标，即新一代控制器应具备的10项指标：（1）编程简单，可在现场修改和调试程序；（2）维护方便，采用插入式模块结构；（3）可靠性高于继电器控制系统；（4）体积小于继电器控制柜；（5）能与管理中心计算机系统进行通信；（6）成本可与继电器控制系统相竞争；（7）输入量是115V交流电压（美国电网电压110）；（8）输出量是115V，输出电流在2A，能直接驱动电磁阀；（9）系统扩展时，原系统只需作很小改动；（10）用户程序存储器容量至少4KB。1969年，美国数字设备公司(DEC)首先研制出第一台符合要求的控制器，及可编程逻辑控制器，并在美国GM公司的汽车自动装置上试用成功。此后，这项研究技术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到全世界。我国从1976年开始研制，1977年应用于工业控制。目前世界上已有数百家厂商生产可编程控制器，型号多达数百种。2.1.2 可编程控制器(PLC)的定义可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。 1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义： “PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”2.2 PLC的分类及特点2.2.1 PLC的分类目前，可编程控制器(PLC)产品种类很多，型号和规格也不统一。通常只能按照其用途、功能、结构、点数等进行大致分类。（1） 按点数和功能分类小型PLC ：小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。中型PLC ：中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。大型PLC ：一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。（2） 按结构形式分类根据结构形式不同，可编程逻辑控制器可分为整体式和模块式结构两大类。小型PLC一般采用整体式结构，即将所有电路安装于1个箱内为基本单元，另外可以通过并行接口电路连接I/O扩展单元。中型以上PLC多采用模块式，不同功能的模块，可以组成不同用途的PLC，适用于不同要求的控制系统。（3） 按用途分类根据可编程控制器的用途，PLC可分为通用性和专用型两大类。通用型PLC作为标准装置，可供各类工业控制系统选用。专用型PLC是专门为某类控制系统设计的，由于其专用，结构设计更为合理，控制性能更完善。随着可编程控制器应用的逐步普及，专为家庭自动化设计的超小型PLC也正在形成家用微型系列。2.2.2 PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 （2）硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 （3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 （4）容易改造系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造 PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。2.3 PLC的工作原理(一) 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(二) 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(三) 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。2.4 PLC的编程语言标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点 （1）它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。 （2） 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。 （3） 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。 （4） 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。 （5） PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。 语句表语言，类似于汇编语言。 逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。在编程语言的选择上，具体是用梯形图编程还是语句表编程或使用功能图编程，这主要取决于以下几点： （1） 有些PLC使用梯形图编程不是很方便，则可用语句表编程，但梯形图比语句表直观。（2） 经验丰富的人员可用语句表直接编程，就像使用汇编语言一样。本设计中，选择用梯形图作为编程语言。2.5 PLC在电梯中的应用随着科技的发展，工业控制的自动化程度不断提高，以微处理器为核心组成的可编程序控制器（PLC）得到了广泛的应用。很多工厂的生产流水线、加工设备、船舶上货物的装卸装置、电梯的运行等都由PLC控制。 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输及文化娱乐等各个行业,在电梯行业中也迅速发展。FX2N是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。因此，能够满足电梯对电气控制系统的要求。紧凑的结构,低廉的成本及功能强大的指令集使得FX2N PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。利用三菱FX2N可编程序控制器编写一个四层电梯的控制系统。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。PLC在电梯中的应用也已很成熟。PLC作为主控制器，一方面要采集电梯的各种输入信号，包括电梯的位置、状态、内外指令的按钮信号、门锁信号、门区信号、井道内的强迫减速信号、防冲信号以及消防信号等。另一方面要把采集到的信号进行计算和处理给出电梯的楼层信号和速度信号，并驱动相应的开关门信号、方向继电器和抱闸继电器，以控制电梯的运行。我们利用PLC内的条件跳转和主控指令，把对电梯的控制程序划分为几个程序段：检修控制、正常加速和稳速段、减速爬行段、以及开关门阶段。当给电梯送电时，PLC就开始扫描电梯的所有输入、输出信号，检测电梯的安全回路是否接通、厅门轿门是否关闭、电梯处在何种状态。正常自动状态时，PLC检测门锁是否接通，若门锁不通则给出关门信号，控制电梯关门；当门锁接通时，进入待机状态，此时收到指令信号电梯即起动。3 电梯的具体介绍3.1 电梯的定义及组成3.1.1 电梯的定义一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。按额定速度又可分为低速电梯（1米秒以下）、快速电梯(12米秒)和高速电梯(2米秒以上)3种。19世纪中期开始采用液压电梯，至今仍在低层建筑物上应用。1852年，美国的E.G.奥蒂斯研制出钢丝绳提升的安全升降机。80年代，驱动装置有进一步改进，如电动机通过蜗杆传动带动缠绕卷筒、采用平衡重等。19世纪末，采用了摩擦轮传动，大大增加了电梯的提升高度。 3.1.2 电梯的组成及功能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。曳引系统 : 曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成,曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。 导向系统:导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。轿厢:轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。轿厢由轿厢架和轿厢体组成。门系统：门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成.重量平衡系统：系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。系统主要由对重和重量补偿装置组成。 电力拖动系统：电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。电气控制系统：电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜)，平层装置，选层器等组成。安全保护系统：保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。由限速器，安全钳，缓冲器，端站保护装置组成。3.2 电梯的原理电梯是机、电一体化产品。其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。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、钢丝绳曳引式结构，图3.1所示是电梯的基本结构剖视直观图。从电梯空间位置使用看，由四个部分组成：依附建筑物的机房、井道；运载乘客或货物的空间轿厢；乘客或货物出入轿厢的地点层站。即机房、井道、轿厢、层站。电梯的基本结构如图3-1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3-1 电梯的基本结构（1）拽引系统电梯拽系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。主要由拽引机，拽引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。拽引机为电梯的运行提供动力，由电动机，拽引轮，连轴器，减速箱，和电磁制动器组成。拽引钢丝的两端分别连轿厢和对重，依靠钢丝绳和拽引轮之间的摩擦来驱动轿厢升降。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型还可以增加拽引力。（2）导向系统导向系统由导轨，导靴和导轨架组成。它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。（3）门系统门系统有轿厢门，层门，开门，连动机构等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门导轨架，等组成，层门设在层站入口处。开门机设在轿厢上，是轿厢和层门的动力源。（4）轿厢轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件。它是有轿厢架和轿厢体组成的。轿厢架是轿厢体的承重机构，由横梁，立柱，底梁，和斜拉杆等组成。轿厢体由厢底，轿厢壁，轿厢顶以及照明通风装置，轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量和额定客人数决定（5）重量平衡系统重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。对重由对重架和对重块组成。对重将平衡轿厢自重和部分额定载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧拽引钢丝绳长度变化对电梯的平衡设计影响的装置。（6）电力拖动系统电力拖动系统由拽引电机，供电系统，速度反馈装置，调速装置等组成，它的作用是对电梯进行速度控制。拽引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或者直流电机。供电系统是为电机提供电源的装置。速度反馈系统是为调速系统提供电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。调速装置对拽引电机进行速度控制。（7）电气控制系统电梯的电气控制系统由控制装置，操纵装置，平层装置，和位置显示装置等部分组成。其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求，控制电梯的运行，设置在机房中的控制柜上。操纵装置是由轿厢内的按钮箱和厅门的召唤箱按钮来操纵电梯的运行的。平层装置是发出平层控制信号，使电梯轿厢准确平层的控制装置。所谓平层，是指轿厢在接近某一楼层的停靠站时，欲使轿厢地坎与厅门地坎达到同一平面的操作。位置显示装置是用来显示电梯所在楼层位置的轿内和厅门的指示灯，厅门指示灯还用尖头指示电梯的运行方向。 （8）安全保护系统安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全的使用。机械方面的有：限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断总电源的极限保护装置。电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节中都有体现。3.3 电梯的工作原理曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。安全装置保证电梯运行安全。3.4 电梯的PLC控制系统的功能分析 整个升降电梯控制系统的组成由核心控制元件PLC、电机马达开关、开关、按钮、指示灯、和外部光电传感器等元部件组成。其中由面板旋钮开关或带锁的钥匙旋钮开关选择整个系统的工作状态，通过状态安全继电器的得电或失电来区分自动运行和手动运行的输出电源的通和断。这样就使得系统只有在自动运行状态下时PLC的输出端子才有输出电压，当系统在手动运行状态下时，PLC输出端子上无输出电压。马达开关作用为当系统指令电机以工频方式工作时，起到保护电机的作用。人机界面能够方便操作人员对设备进行操作和监控，实时显示设备工作状态。指示灯向PLC传输外部状态信号，指示电梯的工作状态。自动化控制系统中的安全部分的紧急停止按钮拥有最高的设备输出中止权，即无论在手动还是自动状态下，只要紧停按钮被按下，设备都会立即停止任何动作。电梯井除了在高处和低处安装了感应电梯吊篮位置的光电传感器，还在井架极限高位和极限低位安装了机械式的行程限位开关，确保电梯轿厢不发生冲顶和撞底事故。3.5 电梯PLC控制系统的解决思路电梯系统电气部分的主要组成就是电机拖动，信号元件以及轿内和外部的控制按扭。如何合理的设置和使用这些资源，对于解决这类问题至关重要。设计中首先要了解控制对象的特点，从而确定有关的PLC输入、输出点的选择。对于一个四层电梯的控制，要解决的主要问题包括以下几个方面：（1）轿内按扭以及各层门厅按扭的设置；（2）电梯运行位置的监测；（3）电梯和各层门厅开关门状态的监测；（4）确定控制的逻辑。通过上述问题的分析，可以完成对所需PLC的控制点数的选择，同样作为一个逻辑控制为主的系统，需要将被控电机作为唯一的控制目标，所有的逻辑实现都是针对这一目标进行的，而对此目标的控制又分成了正向/反向。当电梯轿内或门厅呼叫按钮按下时，根据监测到的上行或下行指令给出 相应的信号，从而控制电梯的驱动电机进行相应的动作。当有多个呼叫信号到达时，执行方式为优先响应电梯运行方向上的信号，再响应另一方向信号。对未及时响应的信号要进行保留。4 电梯硬件设计4.1电梯的控制要求上行要求：1.当电梯停于1层或2层、或3层时，按S4按钮呼梯则电梯上升至LS4停。2.当电梯停于1层，若按S2按钮呼梯，则电梯上升LS2停，若按S3按钮呼梯，则电梯轿箱上升至LS3停。3.当电梯停于2层，若按S3按钮呼梯，则电梯上升到LS3停，4.当电梯停于1层而S2、S3按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS2暂停5秒后继续上升到LS3停。5.当电梯停于2层，而S3、S4按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS3暂停5秒后继续上升到LS4暂停。6.当电梯、停于1层，而S2、S4按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS2暂停5秒后，继续上升到LS4停。7.当电梯停于1层，而S3、S4按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS3暂停5秒后继续上升到LS4停。8.当电梯停于1层，而S2、S3、S4按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS2暂停5秒后继续上升到LS3暂停5秒后继续上升到LS4停。下行要求：9.当电梯在4层或3层或2层时，按S1呼梯，则电梯下降到LS1停。10.当电梯停于4层，若按S3呼梯，则电梯下降到LS3停，若按S2呼梯，则电梯下降到LS2停。11.当电梯停于3层，若按S2按钮呼梯，则电梯下降到LS2停止。12.当电梯停于4层，而S2、S3按钮均有人呼梯时，电梯下降到LS3暂停5秒后继续下降至LS2停。13.当电梯停于4层，而S3、S1均有人呼梯时，电梯下降到LS3暂停5秒，继续下降到LS1停止。14.当电梯停于4层，而S3、S2、S1按钮均有人呼梯，则电梯下降到LS3暂停5秒继续下降到LS2暂停5秒后，继续下降到LS1停止。15.当电梯停于3层，而S2、S1按钮均有人呼梯，则电梯下降到LS2暂停5秒后继续下降到LS1停止。16.当电梯停于2层，而S1、S3、S4按钮均有人呼梯，则电梯先下降至LS1暂停5秒后，再上升。17.当电梯停于3层，而S1、S2、S4按钮均有人呼梯，则电梯先下降至LS2暂停5秒后，继续下降到LS1暂停5秒，再上升至LS4停止。注：选择方向与运行方向不一致时，呼叫无效，内选同上。4.2 可编程控制器机型的选择为了完成设定的控制任务,主要根据电梯控制方式与输入/输出点数和占用内存的多少来确定PLC的机型。本系统为四层楼的电梯,采用集选控制方式。所需输入/输出点数与内存容量估算如下:1输入/输出点的估算：采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。一层有上升呼叫按钮K1和指示灯H1，二层有上升呼叫按钮K2和指示灯H2以及下降呼叫按钮K4和指示灯H4，三层有上升呼叫按钮K3和指示灯H3以及下降呼叫按钮K5和指示灯H5，四层有下降呼叫按钮K6和指示灯H6。一至四层有到位行程开关SQ1SQ4。电梯内有一至四层呼叫按钮K10K7和指示灯H10H7；电梯开门和关门按钮SB5和SB6，电梯开门和关门分别通过电磁铁KM3和KM4控制，关门到位由行程开关ST1检测，开门到位由行程开关ST2检测。轿厢上行和下行由接触器KM1和KM2控制，并有上行记忆和下行记忆两路指示灯。输入点共有14个，输出点共有16个,总共30个。2. 内存容量的估算用户控制程序所需内存容量与内存利用率、输入/输出点数、用户的程序编写水平等因素有关。因此,在用户程序编写前只能根据输入/输出点数、控制系统的复杂程度进行估算。本系统有开关量I/O总点数有30个，模拟量I/O数为0个。利用估算PLC内存总容量的计算公式: 存字数=开关量I/O总点数(1015)+模拟量I/O总点数(150250)再按30%左右预留余量。估算本系统需要约1K字节的内存容量。综合I/O点数以及内存容量，S7200的CPU226输入，输出点数为2416，足以满足要求。4.3 输入/输出点分配该系统占用PLC的30个I/O口，14个输入点，16个输出点，具体的I/O分配如表4-1所示。表4-1 I/O分配表序号名 称输入点序号名 称输出点0一层平层X0000电梯上行记忆Y0001二层平层X0011电梯下行记忆Y0012三层平层X0022电机正转Y0023四层平层X0033电机反转Y0034内呼一楼X0044内呼一楼指示Y0045内呼二楼X0055内呼二楼指示Y0056内呼三楼X0066内呼三楼指示Y0067内呼四楼X0077内呼四楼指示Y0078一层外呼上行X0088一层外呼上行指示Y0109二层外呼上行X0099二层外呼上行指示Y01110三楼外呼上行X01010三楼外呼上行指示Y01211二楼外呼下行X01111二楼外呼下行指示Y01312三楼外呼下行X01212三楼外呼下行指示Y01413四楼外呼下行X01313四楼外呼下行指示Y01514手动开门X01414门电机正转Y01615手动关门X01515门电机反转Y01716开门限位X01617关门限位X01718电梯上升极限位X01819电梯下降极限位X0194.4 PLC外部接线图图4-1 PLC外部接线图本设计的PLC外部接线图如图4-1所示.CPU226CN的传感器电源24V(DC)可以输出600mA电流，通过核算在本设计中PLC容量完全满足要求，CPU226CN的输出继电器触点容量为2A，电压范围为530V（DC）或5250V（AC）4.5 变频器参数设置及计算4.5.1 变频器参数设置由于采用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。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；(4) 变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入 参数 名称 设定值A1-02 控制方式选择3B1-01频率指令选择1B1-02运行指令选择1B1-03停止方式选择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23.0SC1-04减速时间23.0SC2-01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O.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11sE1-01输入电压设置380E1-04最高输出频率50E1-05最大电压380E1-06额定电压频率50E1-09最低输出频率电压0E2-01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电机极数按电机名牌设置F1-01PG常数根据旋转编码器铭牌置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表4-2 安川616G5变频器主要参数设置表4.5.2 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。4.5.3 变频器容量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选取。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+F1 v （4-1）其中F1=K (W1+W2-W3) g+为摩擦力，可忽略不计。电机功率P1，变频器功率P应接近于电机功率P1，相对于P2留有较大裕量，可取Pl.5P24.5.4 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R1的大小应使制动电流I1的值不超过变频器额定电流的一半，即I1=U0 /R1I/2 （4-2）其中U0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.5 电梯软件设计5.1 PLC的编程语言PLC程序是PLC指令的有序集合，PLC运行程序就是按一定的顺序，执行这集合中的一条条指令。指令是指示PLC动作的文字代码或图形符号。使用的编程语言不同，这些文字代码和图形符号就不相同。但从本质上来讲，指令的实质都是二进制机器码。同普通的计算机一样，PLC的编程软件通过编译系统把PLC程序编译成机器代码。PLC提供了功能较为完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。利用PLC的编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器控制的硬件接线，也就是所谓的“可编程序”。PLC的编程语言一般有五种：顺序功能图(Sequential Function Chart)、梯形图(Ladder Diagram)、功能块图(Function Block Diagram)、指令表(Instruction List)和结构文本(Structured Text)。其中，顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能块图(FBD)是图形编程语言，指令表(IL)和结构文本(ST)是文字语言。梯形图(LD)是目前使用最广泛的PLC图形编程语言，梯形图与继电器控制系统的电路图相似，比较易于掌握、程序表达清楚，本系统PLC程序的编制采用梯形图语言。5.2程序设计常用方法在工程中，对PLC应用程序的设计有多种方法，这些方法的使用，也因各个设计人员的技术水平和喜好有较大的差异。现将常用的几种应用程序的设计方法简要介绍如下。1. 经验设计法经验设计法也叫凑试法。在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。经验设计法的具体步骤如下：（1） 确定输入/输出电器；（2） 确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配；（3） 做出系统动作工程流程图；（4） 选择PLC指令并编写程序； （5） 编写其它控制控制要求的程序；（6） 将各个环节编写的程序合理地联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。2. 逻辑设计法工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器元件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。该方法法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。3. 顺序控制法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。