基于西门子PLC的电梯自动控制系统.doc

继续教育学院毕业设计继续教育学院毕业设计 论文 论文 题目题目 基于西门子基于西门子 plcplc 的电梯自的电梯自 动控制系统动控制系统 院 系院 系 站站 机电工程系机电工程系 学科专业 学科专业 机电一体化机电一体化 学学 生 生 张新民张新民 学学 号 号 指导教师 指导教师 2013 年 9 月 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 院系或教学站点 西安机电信息学院 学生姓名 张新民 专业班级 11 级机电一体化 2 班 批准日期 一 毕业设计 论文 题目 基于西门子 plc 的电梯自动控制系统 二 毕业设计 论文 工作自 年 月 日起至 年 月 止 三 毕业设计 论文 进行地点 四 毕业设计 论文 的内容 负责指导教师 指 导 教 师 接受设计 论文 任务并开始执行日期 学 生 签 名 张新民 基于西门子基于西门子 plcplc 的电梯自动控制系统的电梯自动控制系统 摘要摘要 电梯已经成为了高层建筑不可缺少的运输工具 它用于运送乘客 和货物 传统的电梯控制系统主要采用继电器 接触器进行控制 由 于其触点多 可靠性差 故障率高 维修工作量大等缺点 为生产 生活带来了极大的不便 而 PLC 作为一种工业控制微型计算机 它以 其编程方便 操作简单尤其是它的高可控性的优点不仅在工业生产过 程中得到了广泛的应用 其组成的控制系统可以很好地解决上述这些 问题 本论文通过论述电梯控制系统的组成 阐述 PLC 在电梯控制中的 应用 采用西门子公司的 S7 200 系列 PLC 编程的程序控制方式 提 出了五层电梯 PLC 控制系统的总体设计方案 设计过程和组成 并列 出了主要硬件电路 电梯的控制梯形图以及指令表 同时给出了系统 组成框图和程序流程图 在分析 处理随机信号的逻辑关系的基础上 提出了具体的 PLC 编程方法 设计了一套完善的方案关于电梯控制系 统 采用此案实现电梯的控制 可以解决传统电梯控制系统的缺点 因而使运行更加安全 方便 舒适 关键词关键词 电梯电梯 PLCPLC 梯形图梯形图 电梯控制电梯控制 AbstractAbstract The elevator has become the high rise building indispensable transportation tool it used to transport passengers and cargo the traditional elevator control system mainly adopts relays contact device control because its more contacts poor reliability high failure intendance workload big shortcomings for production and the life brought the great inconvenience And PLC as a miniature industrial control computer with its programming convenient simple operation especially its high nitro of advantages in industrial production process not only in a wide range of applications the components of the control system can well solve the above these problems This paper discussed the composition of elevator control system this paper expounds the application of PLC in the elevator control the Siemens S7 200 PLC program control series programming way puts forward five elevator PLC control system of the overall design scheme design process and composition lists the main hardware circuit the elevator control ladder diagram and instruction form And presents the system composition diagram and program flow chart in the analysis the logic relation of the random signal processing was put forward on the basis of the specific PLC programming method and designed a set of perfect plan about the elevator control system The case of the realization of elevator control it can resolve the disadvantages of traditional elevator control system and therefore makes operation more safe convenient and comfortable Keywords Keywords TheThe elevator elevator PLC PLC LadderLadder diagram diagram hehe elevatorelevator controlcontrol 目录目录 摘要 I ABSTRACT II 目录 III 前言 1 1 绪论绪论 2 1 1 电梯的概述 2 1 1 1 电梯的起源和发展 2 1 1 2 电梯的分类 2 1 1 3 电梯的主要性能指标 4 1 1 4 电梯控制系统 6 1 2 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较 8 1 3 本文研究内容及安排 9 2 PLCPLC 可编程序控制器可编程序控制器 11 2 1 PLC 的定义 11 2 2 PLC 的特点 11 2 3 PLC 的结构及工作原理 12 2 3 1 PLC 结构 12 2 3 2 工作原理 14 2 4 PLC 的选择 14 2 5 本章小结 17 3 基于基于 PLCPLC 电梯自动控制系统的硬件设计电梯自动控制系统的硬件设计 18 3 1 电梯 PLC 控制系统硬件设计思路 18 3 2 电梯结构图 18 3 3 PLC I 0 端子接线图 20 3 4 PLC 楼层显示电路 22 3 5 交流双速电梯主电路以及安全运行电路 22 3 6 本章小结 24 4 基于基于 PLCPLC 电梯自动控制系统的软件设计电梯自动控制系统的软件设计 26 4 1 电梯控制要求 26 4 2 电梯系统原理图 26 4 3 电梯主电路流程图 27 4 4 PLC 梯形图 28 4 5 本章小结 36 结论结论 37 致谢致谢 38 参考文献参考文献 39 附录一附录一 电梯实物模型电梯实物模型 40 前言前言 传统继电器式电梯控制方式发展为计算机控制的形式 是当下电 梯控制和技术改造的热点之一 本次设计的目的在于利用 PLC 代替传统的控制逻辑电路 继电器 接触式 以充分利用 PLC 的优点 本设计通过远程监控使电梯实际 的运行更加可靠 高效 设计内容主要由电梯的控制技术 电梯控制 系统的软件设计 梯形图程序设计 和电梯的监控等部分组成 1854 年 在纽约水晶宫举行的世界博览会上 美国人伊莱沙 格雷 夫斯 奥的斯第一次向全世界展示人类历史上第一部安全升降梯 1889 年 12 月 美国奥的斯电梯公司制造出了名副其实的电梯 它采用直流 电动机为动力 通过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索 悬挂并升降 轿厢 1892 年 美国奥的斯公司开始采用按钮操纵装置 取代传统的 轿厢内拉动绳索的操纵方式 为操纵方式现代化开了先河 生活在继 续 科技在发展 电梯也在进步 150 年来 电梯的材质 样式 在 操纵控制方面发生了变化 中国最早的一部电梯出现在上海 是由美国奥的斯公司于 1901 年 安装的 1951 年 党中央提出要在天安门安装一台由我国自行制造的 电梯 天津从庆生电机厂荣接此任 目前国内 电梯技术己趋成熟 微机控制电梯是电梯技术的方向 一些生产企业与科研单位相结合 相继推出了微机控制的电梯新机型 使控制功能得到增强 电梯的性 能得到改善 明显提高了可靠性 另外 用可编程序控制器取代继电 器控制系统的机型对电梯进行控制还是有前途的 有些生产企业开发 了紧急供电装置 放火厅们 地震控制 自检测以及语言合成等电梯 新功能 对机械系统采用了新结构 新材料 新技术和新工艺 国内 电梯技术迅猛的发展速度使其达到世界先进水平 1 1 绪论绪论 1 11 1 电梯的电梯的概述概述 1 1 1 电梯的起源和发展电梯的起源和发展 电梯是集机械原理应用 电气控制技术 微处理器技术 系统工 程学 人体工程学及空气动力学等多学科和技术分支于一体的机电设 备 它是建筑物中的永久性垂直交通工具 在电梯发明之前 人类就有了用 电梯 运货物或供人上下高层 建筑的设计 早在公元前 1 世纪 罗马建筑师维特罗斯就利用升降台 上下运货或运人了 不过 这种升降台是用人力 畜力或水力通过滑 轮来操纵的 中世纪时期 有许多修道院建在险峻的峭壁上 进出修 道院唯一的通道 就是用篮子做的升降台 乘客站在里面 然后用绳 子通过滑轮吊着篮子上升下降 这就是最原始的 电梯 到了 19 世纪 在世界博览会上首次展示了老式木制电梯 一位勇 敢的男子乘坐这种电梯升到 4 层楼的高处 俯视者参观数秒钟后 又 平安的落到地面 而不是像当时其他类似机器那样剧烈的撞到地上 这就是电梯的初次公开亮相 由于电梯的发明 数百万旅游者可以从帝国大厦的顶层观看梦幻 般的景色 或者进入自由女神像 里约热内卢的耶稣像内部参观 英 国的白金汉宫 莫斯科的克里姆林宫和梵蒂冈的圣彼得大教堂也是由 于有了电梯才得以对外展示 随着电梯技术的不断发展 节约能源 提高工作效益 制作精良 的设备以最高效和最可靠的方式来提高生产力成为电梯技术发展的一 个重要方向 1 1 2 电梯的分类电梯的分类 根据建筑的高度 用途及客流量 或物流量 的不同 而设置不 同类型的电梯 目前电梯的基本分类方法大致如下 1 按用途分类 1 1 乘客电梯 为运送乘客设计的电梯 要求有完善的安全设施以 及一定的轿内装饰 1 2 载货电梯 主要为运送货物而设计 通常有人伴随的电梯 1 3 医用电梯 为运送病床 担架 医用车而设计的电梯 1 4 杂物电梯 供图书馆 办公楼 饭店运送图书 文件 食品等 设的电梯 1 5 观光电梯 轿厢壁透明 供乘客观光用的电梯 1 6 车辆电梯 用作装运车辆的电梯 1 7 船舶电梯 船舶上使用的电梯 1 8 建筑施工电梯 建筑施工与维修用的电梯等 2 按驱动方式分类 2 1 交流电梯 用交流感应电动机作为驱动力的电梯 根据拖动方 式又可分为交流单速 交流双速 交流调压调速 交流变压变频调速 等 2 2 直流电梯 用直流电动机作为驱动力的电梯 这类电梯的额定 速度一般在 2 00m s 以上 2 3 液压电梯 一般利用电动泵驱动液体流动 由柱塞使轿厢升降 的电梯 2 4 齿轮齿条电梯 将导轨加工成齿条 轿厢装上与齿条啮合的齿 轮 电动机带动齿轮旋转使轿厢升降的电梯 2 5 螺杆式电梯 将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹 再将带有 推力轴承的大螺母安装于油缸顶 然后通过电机经减速机 或皮带 带动螺母旋转 从而使螺杆顶升轿厢上升或下降的电梯 2 6 直线电机驱动的电梯 其动力源是直线电机 电梯问世初期 曾用蒸汽机 内燃机作为动力直接驱动电梯 现已基本绝迹 3 按速度分类 电梯无严格的速度分类 我国习惯上按下述方法分类 3 1 低速梯 常指低于 1 00m s 速度的电梯 3 2 中速梯 常指速度在 1 00 2 00m s 的电梯 3 3 高速梯 常指速度大于 2 00m s 的电梯 3 4 超高速 速度超过 5 00m s 的电梯 随着电梯技术的不断发展 电梯速度越来越高 区别高 中 低 速电梯的速度限值也在相应地提高 4 按电梯有无司机分类 4 1 有司机电梯 电梯的运行方式由专职司机操纵来完成 4 2 无司机电梯 乘客进入电梯轿厢 按下操纵盘上所需要去的层 楼按钮 电梯自动运行到达目的层楼 这类电梯一般具有集选功能 4 3 有 无司机电梯 这类电梯可变换控制电路 平时由乘客操纵 如遇客流量大或必要时改由司机操纵 5 按操纵控制方式分类 5 1 手柄开关操纵 电梯司机在轿厢内控制操纵盘手柄开关 实现 电梯的起动 上升 下降 平层 停止的运行状态 5 2 按钮控制电梯 是一种简单的自动控制电梯 具有自动平层功 能 常见有轿外按钮控制 轿内按钮控制两种控制方式 5 3 信号控制电梯 这是一种自动控制程度较高的有司机电梯 除 具有自动平层 自动开门功能外 尚具有轿厢命令登记 层站召唤登 记 自动停层 顺向截停和自动换向等功能 5 4 集选控制电梯 是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控 制的电梯 与信号控制的主要区别在于能实现无司机操纵 5 5 并联控制电梯 2 3 台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控 制 共用层站外召唤按钮 电梯本身都具有集选功能 5 6 群控电梯 是用微机控制和统一调度多台集中并列的电梯 群控有梯群的程序控制 梯群智能控制等形式 6 其它分类方式 6 1 按机房位置分类 则有机房在井道顶部的 上机房 电梯 机 房在井道底部旁侧的 下机房 电梯 以及有机房在井道内部的 无 机房 电梯 6 2 按轿厢尺寸分类 则经常使用 小型 超大型 等抽象词汇 表示 此外 还有双层轿厢电梯等 1 1 3 电梯的主要性能指标电梯的主要性能指标 电梯作为建筑物的垂直交通工具 其性能好坏直接影响到人们的 生产生活 越来越引起人们的关注 对电梯性能的要求 一般有安全 性 可靠性 舒适感和快速性 停站准确性 振动 噪声及电磁干扰 节能和装潢等几项 1 安全性 电梯是运送乘客的 即使载货电梯通常也有人伴随 因此对电梯 的第一要求便是安全 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 电梯中设置有必要的安全设施 主要包括 1 超速保护装置 2 轿厢超越上下极限工作位置时 应切断控制电路的装置 3 撞底缓冲装置 4 对三项交流电源 应设有断相保护装置和相序保护装置 5 设置厅门 轿门 6 电梯因中途停电或电气系统有故障不能运行时 应有轿厢慢速 移动措施 2 可靠性 电梯的可靠性也很重要 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和生活 给人们造成很大的不便 不可靠是事 故的隐患 常常是不安全的起因 3 舒适感与快速性 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 这对于处在现代社会中的乘客是很重要的 快速性主 要通过以下方法得到 1 提高电梯额定速度 2 集中布置多台电梯 通过增加电梯台数来节省乘客候梯时间 3 尽可能的减少电梯起 停过程中加 减速所用时间 4 停站准确性 停站准确性又称平层准确度 平层精度 梯速在 1m s 以上的电梯 减速停车阶段通常都采用速度闭环控制 强制轿厢按预定的速度曲线 运行 因此平层精确度可以大大提高 5 振动 噪声及电磁干扰 6 节能 现代电梯应合理的选择拖动方式 以达到节能的目的 7 装潢 现代电梯除了注重以上个方面性能外 还很注重外表装潢 总之 现代电梯操纵简单 乘坐舒适 快捷 安全可靠 是高新 技术的结晶 电梯技术越来越成为工业技术中的一个重要门类 引起 广大的科技 管理人员的兴趣 1 1 4 电梯控制系统电梯控制系统 1 电梯的结构 电梯是机电合一的大型复杂产品 机械部分相当于人的躯体 电 器部分相当于人的神经 机与电的高度合一 使电梯成了现代科学技 术的综和产品 对于电梯的结构而言 传统的方法是分为机械部分和 电气部分 但以功能系统来描述 则更能反映电梯的特点 1 曳引系统 曳引系统的主要功能是输出与传递动力 使电梯运行 曳引系统主要由曳引钢丝绳 导向轮 反绳轮组成 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 2 电力拖动系统 电梯主拖动类型有直流电动机拖动 交流电动机拖动 直流 G M 即发电机 电动机组供电 拖动 晶闸管供电 SCR M 的 直流拖动和交流双速电动机拖动 交流调压调速 AVCC 拖动 交 流变频调速 VVVF 等 因直流电梯的拖动电动机有电刷和换相器 维护量较大 可靠性低 现已被交流调速电梯所取代 为了得到较好 的舒适感 要求曳引电动机在选定的调速方式下 电动机的输出转矩 总能达到负载转矩的要求 考虑到电压的波动 导轨不够平直造成的 运动阻力增大等因素 电动机转矩还应有一定的裕度 3 电气控制系统 电气控制系统由控制柜 操纵箱 层楼指示 召唤箱及曳引电动 机等几十个分散安装在电梯井道内外和各相关电梯部件中的电器元件 构成 电气控制系统通过电路控制电力拖动系统工作程序 完成各种 电气动作功能 保证电梯安全运行 电梯一般是由电动机来拖动的 其运行过程大多包括启动 正 反 转 停止等 这整个过程是由电气控制系统来完成 具体地说 电梯的控制主要是指对电动机的起动 停止 运行方向 层楼指示 层站召唤 轿厢内指令等进行处理 其操纵是实行各个控制环节的方 式和手段 电梯电气控制系统与电力拖动系统比较 变化范围比较大 当一台电 梯的类别 额定载重量和额定运行速度确定后 电力拖动系统各零部 件就基本确定了 而电气控制系统则有比较大的选择范围 必须根据 电梯安装使用地点 乘载对象进行认真选择 才能最大限度地发挥电 梯的使用效益 电气控制系统决定着电梯的性能 自动化程度和运行可靠性 随 着科学技术的发展和技术引进工作的进一步开展 电气控制系统发展 换代迅速 继电器控制系统的电梯故障率高 大大降低了电梯的运行 可靠性和安全性 所以基本上已经被淘汰 而 PLC 以其体积小 功能 强 故障率低 寿命长 噪声低 维护保养简便 修改逻辑灵活 程 序容易编制 易联成控制网络等诸多优点得到了广泛的应用 4 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 1 2 PLCLC 控制系统与继电器控制系统的比较控制系统与继电器控制系统的比较 PLC 控制系统与电器控制系统相比 有许多相似之处 也有许多 不同 不同之处主要在以下几个方面 1 从控制方法上看 电器控制系统控制逻辑采用硬件接线 利用 继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑 其连线多且复杂 体积大 功耗大 系统构成后 想再改变或增加功能较为困难 另外 继电器的触点数量有限 所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到 很大限制 而 PLC 采用了计算机技术 其控制逻辑是以程序的方式存 放在存储器中 要改变控制逻辑只需改变程序 因而很容易改变或增 加系统功能 系统连线少 体积小 功耗小 而且 PLC 所谓 软继电 器 实质上是存储器单元的状态 所以 软继电器 的触点数量是无限 的 PLC 系统的灵活性和可扩展性好 2 从工作方式上看 在继电器控制电路中 当电源接通时 电路 中所有继电器都处于受制约状态 即该吸合的继电器都同时吸合 不 该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合 这种工作方式称为并行 工作方式 而 PLC 的用户程序是按一定顺序循环执行 所以各软继电 器都处于周期性循环扫描接通中 受同一条件制约的各个继电器的动 作次序决定于程序扫描顺序 这种工作方式称为串行工作方式 3 从控制速度上看 继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现 控制 工作频率低 机械触点还会出现抖动问题 而 PLC 通过程序指 令控制半导体电路来实现控制的 速度快 程序指令执行时间在微秒 级 且不会出现触点抖动问题 4 从定时和计数控制上看 电器控制系统采用时间继电器的延时 动作进行时间控制 时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化 的影响 定时精度不高 而 PLC 采用半导体集成电路作定时器 时钟 脉冲由晶体振荡器产生 精度高 定时范围宽 用户可根据需要在程 序中设定定时值 修改方便 不受环境的影响 且 PLC 具有计数功能 而电器控制系统一般不具备计数功能 5 从可靠性和可维护性上看 由于电器控制系统使用了大量的机 械触点 其存在机械磨损 电弧烧伤等 寿命短 系统的连线多 所 以可靠性和可维护性较差 而 PLC 大量的开关动作由无触点的半导体 电路来完成 其寿命长 可靠性高 PLC 还具有自诊断功能 能查出 自身的故障 随时显示给操作人员 并能动态地监视控制程序的执行 情况 为现场调试和维护提供了方便 本设计通过上述的比较和参照 因而得出 PLC 控制具有显著的优 点 所以在电梯控制中采用了 PLC 来实现对电梯运行的自动控制 可 靠性 和安全性大大提高 实现各种复杂的控制系统 方便地增加或 改变 可进行故障自检与报警显示 提高安全性和可靠性 便于检修 适用于群控调配和管理 并提高电梯运行效率 综上所述 本设计采用 PLC 控制 1 3 本文研究内容及安排本文研究内容及安排 电梯由单纯 垂直升降机 发展成为现在集机 电一体化的生活交 通工具 其安全性能 智能化 自动化程度也越来越高 电梯的使用 性日益显著 成为人们生活中不可缺少的交通工具之一 而本论文基 于现有电梯的设计 制作工艺设计一个基于 PLC 的五层电梯控制系统 包括硬件系统和软件系统 最终实现电梯平稳运行 安全可靠 满足 电梯在实际生活中的控制要求的设计目的 本文设计任务主要通过四章完成设计目的 本章概述电梯的起源 发展 分类 主要性能 控制指标 对于电梯控制系统 简要介绍了 电梯控制系统的结构 电力拖动系统 电气控制系统 控制系统工作 原理 第二章主要是基于 PLC 电梯控制系统 简明介绍西门子 S7 200 PLC 硬件结构 还主要介绍了 PLC 可编程序控制器的定义 特点 结 构和工作原理 第三章为控制系统的硬件设计部分着重对系统进行 PLC 系统配置及 I O 点分配 设计电梯结构图和 PLC I O 接线端子图 数码显示管实现楼层显示任务 交流双速电梯电路以及安全运行电路 第四章软件设计部分作为控制系统的核心 在上一章硬件设计的基础 上 主要对五层电梯运行中启动控制 换速控制 楼层感应控制 轿 内指令控制 门厅召唤控制 选向控制 电梯平层信号控制 楼层显 示控制等进行详细设计 从而实现软 硬件结合 2 2 PLCPLC 可编程序控制器可编程序控制器 2 12 1 PLCPLC 的定义的定义 PLC 即可编程控制器 Programmable logic Controller 是指以计算 机技术为基础的新型工业控制装置 在 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 22 2 PLCPLC 的特点的特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 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 例如西门子生产的 S7 系列 PLC 平均 无障时间高达 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 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 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 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 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 5 体积小 重量轻 能耗低 以超小型 PLC 为例 新近出产的品种底部尺寸小于 100mm 重量 小于 150g 功耗仅数瓦 由于体积小很容易装入机械内部 是实现机 电一体化的理想控制设备 2 32 3 PLCPLC 的结构及工作原理的结构及工作原理 2 3 12 3 1 PLCPLC 结构结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机 其硬件结构基本上 与微型计算机相同 1 CPU 运算和控制中心 起 心脏 作用 纵 当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中 然后 CPU 根据系统所赋予的功能 系统程序存储器的解释编译程序 把用户程 序翻译成 PLC 内部所认可的用户编译程序 横 输入状态和输入信息从输入接口输进 CPU 将之存入工作数 据存储器中或输入映象寄存器 然后由 CPU 把数据和程序有机地结合 在一起 把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中 然后输出 到输出接口 控制外部驱动器 组成 CPU 由控制器 运算器和寄存器组成 这些电路集成在一 个芯片上 CPU 通过地址总线 数据总线与 I O 接口电路相连接 2 存储器 具有记忆功能的半导体电路 分为系统程序存储器和用户存储器 系统程序存储器用以存放系 统程序 包括管理程序 监控程序以及对用户程序做编译处理的解释 编译程序 由只读存储器 ROM 组成 厂家使用的 内容不可更改 断电不消失 用户存储器 分为用户程序存储区和工作数据存储区 由随机存 取存储器 RAM 组成 用户使用的 断电内容消失 常用高效的锂 电池作为后备电源 寿命一般为 3 5 年 3 输入 输出接口 1 输入接口 光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成 发光二级管 在光电耦合器的输入端加上变化的电信号 发光二 极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号 光电三级管 在光信号的照射下导通 导通程度与光信号的强弱 有关 在光电耦合器的线性工作区内 输出信号与输入信号有线性关 系 输入接口电路工作过程 当开关合上 二极管发光 然后三极管 在光的照射下导通 向内部电路输入信号 当开关断开 二极管不发 光 三极管不导通 向内部电路输入信号 也就是通过输入接口电路 把外部的开关信号转化成 PLC 内部所能接受的数字信号 2 输出接口 PLC 的继电器输出接口电路 工作过程 当内部电路输出数字信号 1 有电流流过 继电器线 圈有电流 然后常开触点闭合 提供负载导通的电流和电压 当内部 电路输出数字信号 0 则没有电流流过 继电器线圈没有电流 然后 常开触点断开 断开负载的电流或电压 也就是通过输出接口电路把 内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作 三种类型 继电器输出 有触点 寿命短 频率低 交直流负载 晶体管输出 无触点 寿命长 直流负载 晶闸管输出 无触点 寿命长 交流负载 4 编程器 编程器分为两种 一种是手持编程器 方便 我们实验室使用的 就是手持编程器 二种是通过 PLC 的 RS232 口 与计算机相连 然后 敲击键盘 通过 NSTP GR 软件 或 WINDOWS 下软件 向 PLC 内部 输入程序 2 3 22 3 2 工作原理工作原理 PLC 采用 顺序扫描 不断循环 的工作方式 1 每次扫描过程 集中对输入信号进行采样 集中对输出信号进 行刷新 2 输入刷新过程 当输入端口关闭时 程序在进行执行阶段时 输入端有新状态 新状态不能被读入 只有程序进行下一次扫描时 新状态才被读入 3 一个扫描周期分为输入采样 程序执行 输出刷新 4 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的 5 扫描周期的长短由三条决定 1 CPU 执行指令的速度 2 指令本身占有的时间 3 指令条数 6 由于采用集中采样 集中输出的方式 存在输入 输出滞后的 现象 即输入 输出响应延迟 2 42 4 PLCPLC 的选择的选择 根据五层电梯设计需求需要 I O 信号表如下 表 2 1 电梯控制输入输出点表 输入输出点名称及作用输入输出点名称及作用 X400 X404上行楼层感应干簧管 触点 M123 M1261 4 层向上召唤中间 继电器 X405 X411下行楼层感应干簧管 触点 M130上行中间继电器 X500 X504轿内指令按钮M131下行中间继电器 X505 X5101 4 层上召唤按钮M132司机上行中间继电器 X000 X0032 5 层下召唤按钮M133司机下行中间继电器 X004有 无司机操作方式转 换 M134换速中间继电器 X005下平层感应器触点M135门锁中间继电器 X412上平层感应触点M140上平层感应中间继电 器 X413门区感应器触点M141门区感应中间继电器 X511司机上行选择按钮M142下平层感应中间继电 器 X512司机下行选择按钮M143运行中间继电器 X513上强迫换速开关M144换速消除中间继电器 X411下强迫换速开关Y430KM1 上行接触器 M100 M104楼层感应中间继电器Y431KM2 下行接触器 M112 M116轿内指令中间继电器Y432KF 快速接触器 M119 M1222 5 层向下召唤中间 继电器 Y433KS 慢速接触器 M105 M111指层中间继电器 表 2 2 七段数码显示管与管脚关系图 七段数码输出 ABCDEFG 楼层 Q4 0Q4 1Q4 2Q4 3Q4 4Q4 5Q4 6 1M1 00110000 2M1 11101101 3M1 21111001 4M1 30110011 5M1 41011011 出于对本设计的要求 以及对 PLC 不同产品的熟悉程度 根据点 表本次设计选用德国西门子公司 PLC 的 S7 200 系列 PLC CPU226 6ES 7216 2AD23 0XB8 数字 16 输入 24 输出 作为核心 扩充模板 EM223 6ES 7223 1PM22 0XA8 数字组合 32 输入 32 继电器输出 来实现五 层电梯的控制 图 2 1 CPU226 实物图 图 2 2 EM223 实物图 S7 200 系列机还具有以下优点 1 体积极小 2 先进美观的外部结构 3 提供多种子系列供用户选用 4 灵活多变的系统配置 5 功能强 使用方便 2 52 5 本章小结本章小结 本章主要介绍了关于 PLC 控制器的定义 特点 结构以及工作原 理 通过 PLC 和传统继电器的对比有以下优势 在控制方法上 系统 连线少 体积小 功耗小 而且 PLC 所谓 软继电器 实质上是存储器 单元的状态 所以 软继电器 的触点数量是无限的 PLC 系统的灵活 性和可扩展性好 在工作方式上 PLC 各软继电器都处于周期性循环 扫描接通中 受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫 描顺序 此外 PLC 速度快 不会出现触点抖动问题 从从定时和计数 控制上看 PLC 用户可根据需要在程序中设定定时值 修改方便 不 受环境的影响 且 PLC 具有计数功能 而电器控制系统一般不具备计 数功能 从可靠性和可维护性上看 PLC 还具有自诊断功能 能查出 自身的故障 随时显示给操作人员 并能动态地监视控制程序的执行 情况 为现场调试和维护提供了方便 综上所述 我们选用 PLC 作为电梯设计方案的核心控制器 考虑 到设计的可实现性和美观以及功能等因素 次设计选用德国西门子公 司 PLC 的 S7 200 系列 PLC226 作为核心 扩充模板 EN223 来实现五 层电梯的控制 3 3 基于基于 PLCPLC 电梯自动控制系统的硬件设计电梯自动控制系统的硬件设计 3 13 1 电梯电梯 PLCPLC 控制系统硬件设计控制系统硬件设计思路思路 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 电梯 PLC 控制系统的基本结构 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 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 输入接口送人 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 1 根据电梯组成部分和控制要求以及可实现性等因素 构建出电 梯结构图 2 根据电梯控制需要 确定 I O 点数 画出 S7 200 CPU226 和扩 展模块 EM223 的端子接线图 3 使用七段显示数码管作为电梯楼层显示 通过 7 个数字信号来 控制七段数码显示 并画出硬件图 4 使用星型 三角形启动方式控制电梯交流双速电机拖动 并设 计交流双速电机控制电气图 考虑到电梯运行过程中的安全问题 应 设计出相应的安全运行电路 3 23 2 电梯结构图电梯结构图 电机 减速器 4 5 3 1 2 继电器 接锁器 西门子PLC主机及扩展单元 熔断器组 开关电源 LED显示 电路 电梯电控柜 H 485 1 2 3 2 4 轿箱内控制屏 楼层显示 上升下降显示 上升下降显示 上升下降显示 上升下降显示 上升下降显示 楼层显示 楼层显示 楼层显示 楼层显示 楼层显示 上升下降显示 下降 下降 上升 上升 下降 上升 下降 上升 TCP IP RS485 RS232 串口服务器 图 3 1 电梯结构图 3 33 3 PLCPLC I 0I 0 端子接线图端子接线图 1M0 0 24V DC电源 24V DC电 源输出 1M1L 0 00 1 0 2 0 3 0 4 0 50 70 62M2L 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 71 1 1 2 1 3 1 4 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 ML 2M 1 5 1 6 1 7 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 M DC L 1 0 X400 X404 上行楼层 感应弹簧 触点 X405 X411 下行楼层 感应弹簧 触点 X004操作方式 转换 X005下平层感 应器触点 X412上平层感 应触点 X413门区感 应器触点 M100 M104 楼层感应 中间继电 器 M105 M111 指层中间 继电器 M119 M122 2 5层向下 召唤中间 继电器 M130上行 中间继电 器 M123 M126 1 4层向上召 唤中间继电 器 图 3 2 S7 200 CPU226 端子接线图 0 6 0 7 1 0 1 1 1 2 1 31 51 41 6 1 7 0 4 0 5 0 6 0 7 1 0 1 1 1 21 4 1 5 1 61 3 X500 X504 轿内指令按 钮 M1 0 M1 4 1 5楼层感 应器 X505 510 1 4层上召 唤按钮 X000 X003 2 5层下召 唤按钮 X511司机上 行选择按钮 Q4 0 Q4 6 楼层显示 中间继电 器 1M1L 0 0 0 1 0 20 50 40 3 2M2L 2 0 2 1 2 2 2 32 4 2 52 6 2 7 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 1 7 2M 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 Y431 KM2下 行接触器 2 7 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 70 30 20 10 01M X512司机下 行选择按钮 X513上强迫 换速开关 X411下强迫 换速开关 M131下行中间 继电器 M132司机上行 中间继电器 M133司机下行 中间继电器 M134换速中间继 电器 M135门锁中间 继电器 M141门区感应 中间继电器 M140上平层感 应中间继电器 M143运行中间 继电器 M142下平层感 应中间继电器 M144换速消除 中间继电器 Y430 KM1上 行接触器 Y432 KF快 速接触器 2 6 Y433 KS慢 速接触器 M112 116轿 内指令中间 继电器 图 3 3 S7 200 EM223 端子接线图 3 43 4 PLCPLC 楼层显示电路楼层显示电路 图 3 4 为七段数码显示管硬件电路 1 当 Q4 0 Q4 2 为高电平时 数码管 bc 段得电 七段数码显示 管楼层数为 1 2 当 Q4 0 Q4 1 Q4 3 Q4 4 Q4 6 为高电平时 数码管 abgcd 段得电 七段数码显示管楼层数为 2 3 当 Q4 0 Q4 1 Q4 2 Q4 3 Q4 6 为高电平时 数码管 abgcd 段得电 七段数码显示管楼层数为 3 4 当 Q4 1 Q4 2 Q4 5 Q4 6 为高电平时 数码管 fgbc 段得电 七段数码显示管楼层数为 4 5 当 Q4 0 Q4 2 Q4 3 Q4 5 Q4 6 为高电平时 数码管 afgcd 段得电 七段数码显示管楼层数为 5 VCC a b c d e f g dp dp Q4 0 Q4 1 Q4 2 Q4 3 Q4 4 Q4 5 Q4 6 1 2 3 4 5 6 7 8 a b c d e f g 图 3 4 楼层显示电路 3 53 5 交流双速电梯主电路以及安全运行电路交流双速电梯主电路以及安全运行电路 图 3 5 是交流双速电梯的主电路图 图中 M1 为电梯专用型双速笼 型异步电动机 KM1 KM2 为电动机正反转接触器 用以实现电梯上 下行控制 KM3 KM4 为电梯高低速运行接触器 用以实现电梯的高 速或者低速运行 KM5 为启动加速接触器 KM6 KM7 KM8 为减 速制动接触器 用以调整电梯制动时的加速度 L1 L2 与 R1 R2 为 串入电动机定子电路中的电抗和电阻 当 KM1 或者 KM2 与 KM3 通 电吸合时 电梯将进行上行或下行启动 延时后 KM5 通电吸合 切除 R1 L1 电梯将转为上行或下行的稳速运行 当电梯接收到停层指令 后 KM3 断电释放 KM4 通电吸合 电机转为低速接法 接入阻抗 制动 实现上升与下降的低速运行 且 KM6 KM8 依次通电吸合 用 来控制制动过程的强度 提高停车制动时的舒适感 至平层位置时 接触全部断电释放 抱闸抱死 电梯停止运行 L1 L2 L3 SQ FU1 SQ0 KM1 KM5 KM3 FR1 M1 3 FR2 KM4 R2 L2L1 KM8 KM6KM7 R1 KM2 图 3 5 交流双速电梯主电路 图 3 6 为电梯的门机 抱闸 门锁及安全运行电路 M2 门电动机 为他励直流电动机 可由 KM9 KM10 控制其正反转 KM9 接通时 电阻 R2 与电动机电枢并联 电流由电枢左端流向右端 电动机正转实 现开门 压下 SQ8 时 R2 部分被短接 实现开门调速 KM10 接通时 电动机将反转 实现关门 并由 SQ9 SQ10 与 R3 一起实现关门调速 当电梯上下运行时 抱闸应打开 其线圈应通电 电梯停止运行 时 抱闸应抱死 其线圈应断电 将所有厅 轿门开关串联在一起 控制门锁继电器 KA1 实现全部门关闭后电梯才能运行的控制 将安 全窗开关 安全钳开关 限速器开关 轿内急停开关 上下强迫停止 开关 基站开关梯开关以及热继电器触点 FR1 FR2 串联在一起 构 成安全回路 控制安全运行继电器 KA2 用 KA2 的触点控制 PLC 的 RUN 口 只有当该 KA2 吸合时 才允许 PLC 处于运行状态 这样可 以节省 PLC 的输入口 又可以实现在多种紧急情况下的立即停车 SQ19 SQ20 FR1 110V M2 R1 KM9 SQ8 KM10 M2 R3 KM9 SQ10 SQ9 KM10 KM9 KM1KM2 YB R4 SQ11 SQ12 SQ13 SQ14 SQ15 SQ16 KA1 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ17 SQ18 SA2 FR2 KA2 R2 图 3 6 电梯的门机 抱闸 门锁和安全运行电路 3 63 6 本章小结本章小结