基于PLC的电梯控制系统的设计及实现过程毕业论文.doc

沈阳理工大学学士学位论文 I 基于基于 PLCPLC 的电梯控制系统的设计及实现过程毕业论文的电梯控制系统的设计及实现过程毕业论文 目 录 1 绪 论 1 1 1 课题背景 1 1 2 课题意义 2 2 电梯系统的组成及简介 3 2 1 电梯系统的总体结构 3 2 2 电梯系统的组成 5 2 3 电梯的分类 11 3 可编程控制器 PLC 简介 13 3 1 PLC 概述 13 3 2 PLC 的特点及功能 16 3 2 1 PLC 的特点 16 3 2 2 PLC 的功能 16 3 3 西门子 S7 200 PLC 17 3 3 1 S7 200 PLC CPU 简介 17 3 3 2 S7 200 PLC 的通讯和网络功能 19 4 电梯控制系统的 PLC 及变频器选择 20 4 1 电梯控制要求分析 20 4 2 基于 PLC 电梯控制系统的优点 20 4 3 PLC 选型 21 4 3 1 PLC 控制系统的 I O 点数计算与分配 21 4 3 2 PLC 的型号确定 23 4 4 变频器的选择 23 4 4 1 变频器工作原理及特点 23 4 4 2 变频器的选择 24 5 基于 PLC 电梯控制系统设计 26 沈阳理工大学学士学位论文 II 5 1 设计软件 26 5 2 电梯控制系统总体设计 28 5 2 1 总体结构及控制信号 28 5 2 2 PLC CPU226 I O 接线图 29 5 2 3 程序设计流程图 31 5 2 4 变频器的参数设置及参数计算 32 5 3 电梯控制系统的功能 33 5 4 梯形图设计 34 5 5 电梯调试 61 结 论 62 致 谢 63 参考文献 64 附录 A 英文原文 65 附录 B 汉语翻译 72 沈阳理工大学学士学位论文 1 1 绪 论 1 1 课题背景 随着生产的发展和城市的崛起 电梯越来越接近我们的工作和生活 电梯作为一 种垂直方向上的运输工具 广泛地进入了宾馆 仓库 住宅等场合 现代电梯在可靠 性 速度 舒适 豪华等方面的要求越来越高 电梯性能的好坏对人们生活的影响越 来越显著 因此必须努力提高电梯系统的性能 保证电梯的运行既高效节能又安全可 靠 随着电梯的速度要求越来越快 高速 超高速电梯的数量愈来愈多 电梯的拖动 技术也有了较大的发展 直流电梯由于能耗大 维修量大等缺点 逐步被交流电梯所 替代 液压电梯由于运行平稳 机房位置灵活等特点 使得在低楼层场合得到愈来愈 广泛的应用 交流拖动电梯更是得到迅速的发展 已由以前的变级调速 AC VP 发 展成为调压调速 AC VV 及调频调压调速 AC VVVF 使得电梯的速度 加速度 控制更加符合人们的生理要求 电梯的舒适感大为改善 电梯的逻辑控制已从过去简 单的继电器 接触器控制发展为可编程序控制器 PLC 和微机控制 控制方式也 从手柄控制 信号控制发展为集选控制 并联控制 群控等 电梯可靠性得到很大的 提高 电梯的管理功能不断加强 电梯广泛采用微机控制技术 不断满足拥护的使用 功能要求 如紧急停车操作 消防员专用 防捣乱系统等 智能群控管理得到广泛应 用 机械传动方面 由于国际上机构加工水平的不断提高 使斜齿传动和行星齿轮传 动在电梯上的应用日益广泛 已使电梯的传动形式多样化 我国电梯控制系统主要有三种方式 继电器控制系统 微机控制系统和 PLC 控制 系统 其中 PLC 控制系统以其显著的优点成为电梯控制系统的主流 80 年代初投入使 用的电梯大部分采用继电器控制 交流调速方式 这类电梯普遍存在起动电流大 调 速性能差 结构复杂 舒适感差 能耗大等问题 加之使用年限较长 电梯零部件残 旧老化 故障频繁 配件缺乏等原因 我们提出了采用 VVVF 变频调速器将该类电梯 改造成 VVVF 型电梯 微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能 但也存在抗扰 性差 系统设计复杂 一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷 从 90 年代开始 利 用可编程控制器 PLC 与 VVVF 变频器结合 PLC 控制系统主要有双速电梯系统和变 压变频调速系统 后者通过改变电机供电的电压和频率 平滑调节电梯速度 可以获 沈阳理工大学学士学位论文 2 得更好的乘坐舒适感 它平层精度高 并具有显著的节能效果 保障了电梯的可靠性 1 2 课题意义 我们的国家经济发展迅速 高楼中智能楼宇比例增加 电梯是随着高层建筑的兴建 而发展起来的一种垂直运输工具 电梯是一种垂直运输工具 它在运行中不但具有动 能 而且具有势能 它经常处在正反转 反复起制动过程中 为满足乘客的舒适感和 平层精度 要求电动机在各种负载下都有良好的调速性能和准确停车性能 为满足这 些要求 采用变频器控制电动机是最合适的 变频器不但可以提供良好的调速性能 并能节约大量电能 变频调速是交流调速的一种重要手段 以其可靠性和很强的抗干 扰能力在生产生活中得到了广泛的应用 用 PLC 组成的控制系统 省掉了接口电路的 制作 系统结构简单 紧凑 可靠性高 直接将电梯的内外呼梯信号 层位检测信号 限位信号 开门关门信号等开关量接到 PLC 的开关量输入端 PLC 提供的 24V 直流电 源可作为指示灯的电源 用 PLC 的输出点直接控制变频器实现电机的正转 反转 停 和多段速控制等 本文主要介绍一类小型电梯的 PLC 智能控制方法 所谓小型电梯是指在居民楼和 小型办公楼中使用的电梯 这类电梯载重量相对较小 但是使用频繁 传统电梯控制 系统主要有三种控制方式即继电气控制 PLC 控制和微机控制 其中继电气控制系统 具有故障高 可靠性差 接线复杂 通用性差等缺点 而将可编程序控制器 PLC 应用于电梯进行逻辑控制 通过合理的选择和设计 不但提高了电梯可靠性 可维护 性以及灵活性 同时延长使用寿命 缩短了电梯的卡法周期 并提高了电梯的控制水 平 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 本文介绍的基于 PLC 的电梯控制系统与传统的电梯控制系统相比 在运行上具有良好的舒适感 可以 节约电能 取得良好的经济效益与社会效益 达到较好的应用效果 沈阳理工大学学士学位论文 3 2 电梯系统的组成及简介 2 1 电梯系统的总体结构 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 电梯的结构包括 四大空间 八大系统 四大空间 机房部分 井道及地坑部分 轿厢部分 层站部分 八大系统 曳引系统 导向系统 轿厢 门系统 重量平衡系统 电力拖动系统 电气控制 系统 安全保护系统 八大应用技术 1 全数字识别乘客技术 所有乘客进入电梯前进行识别 其中包括眼球识别 指 纹识别 2 数字智能型安全控制技术 通过乘客识别系统或者 IC 卡以及数码监控设备 拒绝外来人员进入 3 第四代无机房电梯技术 主机必须与导轨和轿厢分离 完全没有共振共鸣 速 度可以达到 2 0M S 以上 最高可以使用在 30 层以上 4 双向安全保护技术 双向安全钳 双向限速器 在欧洲必须使用 中国正在被 普遍使用 5 快速安装技术 改变过去的电梯安装方法 能够快速组装 6 节能技术 采用节能技术 使电梯更节约能源 7 数字监控技术 完全采用计算机进行电梯监控与控制 8 无线远程控制及报警装置 当电梯产生故障时 电梯可以通过无线装置给手机 发送故障信息 并通过手机发送信号对电梯进行简单控制 沈阳理工大学学士学位论文 4 电梯的基本结构剖视图如图 2 1 所示 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 导轨支架 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 32 控制柜 33 曳引电机 34 制动器 图 2 1 电梯的整体构造图 沈阳理工大学学士学位论文 5 2 2 电梯系统的组成 1 电梯曳引系统 电梯曳引系统如图 2 2 所示 图 2 2 电梯曳引系统 功能 输出与传递动力 使电梯运行 组成 主要由供电系统 曳引机 曳引钢丝绳 导向轮 速度反馈装置 调速装置 反绳轮等组成 供电系统 为电梯的电机提供电源的装置 曳引机 电动机 制动器 减速箱等组成 为电梯的运行提供动力 如无齿轮 则没 有减速箱 曳引钢丝绳 连接轿厢和对重 靠与曳引轮间的摩擦力来传递动力 驱动轿厢升降 导向轮 安装在曳引机机架上或承重梁上 将曳引绳引向对重或轿厢的钢丝绳轮 速度反馈装置 为调速装置提供电梯实际速度信号的反馈装置 如测速发电机 速度 编码器等 一般安装在曳引电动机尾部 调速装置 对曳引电动机实行速度调节和控制的装置 反绳轮 设置在轿厢顶和对重架顶部的动滑轮及设置在机房的定滑轮 根据需要曳引 沈阳理工大学学士学位论文 6 绳绕过反绳轮可构成不同的曳引比 2 导向系统 电梯导向系统如图 2 3 所示 图 2 3 电梯导向系统 功能 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上下作升降运动 组成 由导轨 导靴 导轨支架组成 导轨 在井道中确定轿厢与对重的相互位置 并对它们的运动起导向作用的组件 一 般由钢轨与连接板构成 导靴 安装在轿厢和对重架上 与导轨配合 强制轿厢和对重的运动服从于导轨的部 件 导轨架 是支承导轨的组件 固定在井道壁上 3 轿厢 功能 用以运送乘客或货物的电梯组件 组成 由轿厢架与轿厢体 轿壁 轿顶 轿底及操纵箱等 构成 对于客梯 轿底一 般安装有负载称重装置 轿厢架 固定轿厢体的承重构架 由上梁 立柱 底梁以及斜拉杆等组成 轿厢体 由轿厢底 轿厢壁 轿厢顶及照明 通风装置 轿厢装饰件和轿内操作按钮 板等组成 轿厢体空间的大小由额定载重量和额定载客量决定 轿厢如图 2 4 所示 4 门系统 功能 封住层站入口和轿厢入口 组成 由轿厢门 层门 开门机 门锁装置等组成 轿厢门 设在轿厢入口的门 由轿门板 门导轨 轿厢地坎等组成 沈阳理工大学学士学位论文 7 层门 又称厅门 设置在每个层站入口的门 由门 门导轨 层门地坎 层门联动机 构及自复门机构等组成 开门机 使轿厢门及层门开启或关闭的装置 门锁装置 设置在层门内侧 门关闭后将层门锁紧 同时接通安全回路 使电梯方能 运行的机电连锁安全装置 图 2 4 轿厢 门系统如图 2 5 所示 沈阳理工大学学士学位论文 8 图 2 5 门系统 5 重量平衡系统 重量平衡系统如图 2 6 所示 图 2 6 重量平衡系统 功能 相对平衡轿厢重量 使轿厢与对重间的重量差保持在某一个限额之内 减少电 梯曳引电动机功率的损耗 减少钢丝绳与曳引轮之间的曳引力 摩擦力 从而延长钢 丝绳的使用寿命 保证电梯的曳引传动正常 组成 对重和对重块及重量补偿装置 对重 由对重架和对重块组成 其重量与轿厢满载时的重量成一定比例 与轿厢间的 重量差具有一个恒定的最大值 又称平衡重 对重重量 轿厢重量 K 额定载重量 K 0 4 0 5 重量平衡装置 补偿轿厢与对重侧曳引绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置 一般 有平衡链和平衡钢丝绳 6 电梯安全系统 安全系统 电梯在狭小的轿厢内乘载着乘客 在井道内以相当的速度进行升降运 行 所以要具有各种安全装置 除国标规定的安全装置外 也要有各种的安全装置或 安全上必要的装备 所以电梯成为一种安全的交通工具 功能 保证电梯安全使用 防止一切危及人身安全的事故发生 沈阳理工大学学士学位论文 9 组成 主要由限速器 安全钳 缓冲器 端站保护装置等 若大致区分这些安全装置和安全上必要的装备 可以分为机械的和电气两种安全装置 表 2 2 和表 2 3 表示机械的安全装置类和电气的安全装置类的概要 表 2 1 电梯安全装置一览表 NO 规定内容安全装置名称 1 轿厢门及全部厅门任何一扇没有关闭就不能使轿厢 升降的装置 1 轿厢门连锁开关 2 厅门连锁开关 2 交响不是停在厅门的位置时 若不用专门锁匙就不 能从外面打开厅门的装置 机械门锁装置 3 曳引机驱动电梯启动时 电梯驱动主机不旋转 轿 厢或对重受障碍物阻挡停止上行 并导致曳引绳在 曳引轮上打滑 这时设有一种装置使电梯停止运行 保持停止状态 防止点击空转保护装置 4在轿厢 机房 底坑或轿顶上可以切断动力的装置急停开关 5 轿厢速度在异常加大了的时候 下方向每分钟的速 度还没有超过详单与额定速度的 1 3 倍时 就自动 断动力的装置 限速器电气保护开关 6 紧急停止或正常制止由惯性产生的曳引机旋转的装 置 磁制动器 7 交响速度在异常加大的时候 下方向每分钟速度还 没有超过相当于额定速度的 1 4 倍时候就自动制止 下降的装置 限速器安全钳 8 轿厢运行至接近上下端站不能正常减速时 强行减 速及制止轿厢升降的装置 1 强迫换速开关 2 终端限位开关 9 轿厢或对重 由于上述 7 8 记载的装置失效而冲击 井道底部时为了轿内人员的安全 而设置缓和冲击 的装置 缓冲器及电气保护开关 10在电梯等非常状况下 轿内可以与轿外联络的装置对讲机 沈阳理工大学学士学位论文 10 11 在客梯或病床梯方面 列举如下安全装置 1 在显著超过了载重量的情况下发出警报 并自 动的制止入口门门锁的装置 2 即使停电梯的时候 能提供至少 1W 灯泡用 1h 1 铃 蜂鸣器 2 称重装置 3 应急灯 表 2 2 机械安全装置类的概要 装置名称作用设置场所 1磁制动器 停电或电梯停止时 为了不让轿厢下降 以弹力来 制动液印记的驱动轴 曳引机 2限速器 用机械检测轿厢过对重的异常速度 当异常速度增 大到一额定值时带动安全钳动作 机房 3安全钳在限速器动作时 锲块加紧导轨从而使轿厢停止轿底 4缓冲器轿厢或对重进井道底部时 缓和冲击 使其停止井道底部 5门锁装置安装在各听门外侧可用钥匙打开门厅门上端 6轿厢上部安全窗 因停电或故障 乘客被困在轿内时 为了把乘客救 出轿外 而在天花板上设置安全窗 轿顶 7 手动紧急操作装 置 轿厢在楼层中间时 则放松磁制动器 然后人力转 动曳引机 使交响移动到楼层地面的盘车手轮 机房 表 2 3 电气的安全装置类的概要 装置名称作用设置场所 1主接触器因各部分的故障及停电或低电压时 切断主回路控制屏 2保险丝对于超负载或线路故障等引起过电流的保护控制屏 3门联锁开关厅门在不完全闭锁时 电梯则不能运行厅门上端 4轿门开关轿门在不完全闭锁时 电梯则不能运行轿门上端 5急停开关应及时 使交响停止轿顶 底坑 机房 6轿门安全触板 当人体或货物接触到正在关闭的轿门时 使门重新 打开 轿门 沈阳理工大学学士学位论文 11 7强迫换速开关超出规定以上的速度靠近了井道终端层时使之减速井道 8终端限位开关靠近井道末端时切断工作电源井道上 下 9终端机极限开关 限位开关不动作 而更靠近终端部时 则切断工作 电源 井道上 下 10安全窗开关打开安全窗时 切断电源轿顶上或侧边 11内部对讲机 由轿内用蜂鸣器呼叫外部管理人员 可以联络情况 的装置 轿内 12称重装置 超过额定载重时 则发出警报 停止门关闭 使电 梯不能运行 轿底或轿顶 13应急灯停电时提供应急照明轿顶 2 3 电梯的分类 1 按用途分 乘客电梯 有完善的安全设计 只用于乘载乘客 住宅电梯 电梯功能 轿厢装潢较简单 观光电梯 轿厢壁透明 便于乘客观光电梯外景的客梯 病床电梯 轿厢长且窄 主要用于搭载病床和病人 乘客梯 观光梯 病床梯如图 2 7 所示 图2 7 乘客梯 观光梯 病床梯 沈阳理工大学学士学位论文 12 2 按用途分 客货电梯 服务梯 轿厢装潢有别于客梯 可分别用来乘客和载物 货梯 有必备的安全装置 主要用于载货 杂物电梯 无乘人必备的安全装置 决不允许载人的小型货梯 按运行速度分 低速梯 V 1 0m s 快速梯 1 0m s V 2 0m s 10层以上 高速梯 2 0m s 5 0m s 3 按驱动方式分 交流电梯 用交流电动机作为驱动力的电梯 交流单速电动机 速度一般不高于0 5M S 交流双速电动机 速度一般不高于1 0M S 交流调压调速电梯 速度一般不高于1 75M S 交流调频调压调速电梯 广泛应用于各速度段 直流电梯 用直流电动机作为驱动力的电梯 电梯的额定速度都在2m s以上 已 停止生产 目前已被交流调频调压调速电梯所取代 4 按控制方式分 并联电梯 两 三台电梯共用厅外召唤信号 由控制系统自动调度电梯运行 当电 梯无任务时 一台电梯自动返回基站 另一台电梯则停在其它层楼或停在设定的区域 中心 群控电梯 三台以上的电梯共用厅外召唤信号 由控制系统自动控制和集中调度电 梯的运行 停车及返回基站或区域中心 主要用于高层建筑中 群控智能控制电梯 具 有数据采集 交换 存贮 分析 筛选以及报告功能 由电脑控制系统根据召唤信号 轿厢位置 轿厢负载等情况 自动选择最佳运行控制程序 沈阳理工大学学士学位论文 13 3 可编程控制器 PLC 简介 3 1 PLC 概述 可编程控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 或 PC 在现代工业控制中 占有重要地位 本文对其基础知识进行简要介绍 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 PLC 的应用广 功能强大 使用方便 是现代工业自动化的主要设备之一 PLC 已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中 PLC 在其他领域 例 如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展 1 PLC 的组成 PLC 各组成部件及作用 1 CPU 是 PLC 的核心部分 与通用微机 CPU 一样 CPU 在 PC 系统中的作用类似于人体的神经中枢 其功能 a 用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据 并存入输入映象寄存器或数据 寄存器 b 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据 c 诊断电源和 PC 内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误 2 存储器 系统程序存储器 存放系统工作程序 监控程序 模块化应用功能子程序 命 令 解释 功能子程序的调用管理程序和系统参数 不能由用户直接存取 用户程序存储器 存放用户程序 即用户通过编程器输入的用户程序 可以由 用户直接存取 沈阳理工大学学士学位论文 14 功能存储器 数据区 存放用户数据 注意 PC 的用户存储器通常以字 16 位 字 为单位来表示存储容量 系统程序直接 关系到 PC 的性能 不能由用户直接存取 所以 通常 PC 产品资料中所指的存储器形 式或存储方式及容量 是指用户程序存储器而言 3 I O 输入 输出部件 I O 模块 接口电路 I O 映像存储器 I O 输入 输出部件 CPU 与现场 I O 装置或其他外部设备之间的连接部件 PLC 提供了各种操作电平与驱动能力的 I O 模块 以及各种用途的 I O 组件供用户选用 输入 输出 电平转换 电气隔离 串 并行转换 数据传送 A D D A 转换 误码校 验 其他功能模块 I O 模块可与 CPU 放在一起 也可远程放置 通常 I O 模块上还 具有状态显示和 I O 接线端子排 4 编程器等外部设备 编程器 PLC 开发应用 监测运行 检查维护不可缺少的工具 作用 用于用户程序的编制 编辑 调试 检查和监视 通过键盘和显示器去检测 PLC 内部状态和参数 通过通讯端口与 CPU 联系 实现与 PLC 的人机对话 分类 简单型 只能联机编程 只能用指令清单编程 智能型 既可联机 Online 也可脱机 Offline 编程 可以采用指令清单 语句表 梯形图等语言编程 常可直接以电脑作为编程器 安装相关的编程软件编 程 注意 编程器不直接加入现场控制运行 一台编程器可开发 监护许多台 PLC 的工作 其他外设 磁盘 光盘 EPROM 写入器 用于固化用户程序 打印机 图形监视系 统或上位计算机等等 5 电源 内部电源 开关稳压电源 供内部电路使用 大多数机型还可以向外提供 DC24V 稳压电源 为现场的开关信号 外部传感器供电 外部电源 可用一般工业电源 并备有锂电池 备用电池 使外部电源故障时 内部重要数据不致丢失 2 PLC 的工作原理 最初研制生产的 PLC 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置 但这 沈阳理工大学学士学位论文 15 两者的运行方式是不相同的 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式 即如果这 个继电器的线圈通电或断电 该继电器所有的触点 包括其常开或常闭触点 在继电 器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作 PLC 的 CPU 则采用顺序逻辑扫描用户 程序的运行方式 即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开 该线圈的所有触点 包括其常开或常闭触点 不会立即动作 必须等扫描到该触点时才会动作 为了消 除二者之间由于运行方式不同而造成的差异 考虑到继电器控制装置各类触点的动作 时间一般在 100ms 以上 而 PLC 扫描用户程序的时间一般均小于 100ms 因此 PLC 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式 扫描技术 这样在对于 I O 响应要求 不高的场合 PLC 与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了 当 PLC 投入运行后 其工作过程一般分为三个阶段 即输入采样 用户程序执行 和输出刷新三个阶段 完成上述三个阶段称作一个扫描周期 在整个运行期间 PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 1 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 2 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 3 输出刷新阶段 沈阳理工大学学士学位论文 16 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 3 2 PLC 的特点及功能 3 2 1 PLC 的特点 1 高可靠性 所有的 I O 接口电路均采用光电隔离 使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间 电气上隔离 各输入端均采用 R C 滤波器 其滤波时间常数一般为 10 20ms 各模块 均采用屏蔽措施 以防止辐射干扰 采用性能优良的开关电源 对采用的器件进行严 格的筛选 良好的自诊断功能 一旦电源或其他软 硬件发生异常情况 CPU 立即采 用有效措施 以防止故障扩大 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统 使可靠性更进一步提高 2 丰富的 I O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号 如 交流或直流 开关量或模拟量 电压或电流 脉冲或电位 强电或弱电等有相应的 I O 模块与工业现场的器件或设备 如 按钮 行程开关 接近开关 传感器及变送器 电磁线圈 控制阀 直接连接 另外为了提高 操作性能 它还有多种人 机对话的接口模块 为了组成工业局部网络 它还有多种通 讯联网的接口模块 等等 1 采用模块化结构 2 编程简单易学 3 安装简单维修方便 PLC 不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行使用时只需将现场的各种 设备与 PLC 相应的 I O 端相连接即可投入运行各种模块上均有运行和故障指示装置便 于用户了解运行情况和查找故障 由于采用模块化结构因此一旦某模块发生故障用户 可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行 3 2 2 PLC 的功能 PLC 的功能 沈阳理工大学学士学位论文 17 1 数据采集与输出 2 控制功能 包括顺序控制 逻辑控制 定时 计数等 3 数据处理功能 包括基本数学运算 比较 对字节的运算 PID 运算 滤波等 4 输入 输出接口调理功能 具有 A D D A 转换功能 通过 I O 模块完成对模 拟量的控制和调节 具有温度 运动等测量接口 5 通信 联网功能 现代 PLC 大多数都采用了通信 网络技术 有 RS232 或 RS485 接口 可进行远程 I O 控制 多台 PLC 可彼此间联网 通信 外部器件与一台 或多台可编程控制器的信号处理单元之间 实现程序和数据交换 如程序转移 数据 文档转移 监视和诊断 在系统构成时 可由一台计算机与多台 PLC 构成 集中管理 分散控制 的分布式控制网络 以便完成较大规模的复杂控制 通常所说的 SCADA 系 统 现场端和远程端也可以采用 PLC 作现场机 6 支持人机界面功能 提供操作者以监视机器 过程工作必需的信息 允许操作者 和 PC 系统与其应用程序相互作用 以便作决策和调整 实现工业计算机的分散和集中 操作与监视系统 7 编程 调试等 并且大部分支持在线编程 3 3 西门子 S7 200 PLC S7 200 的用户程序中包括了位逻辑 计数器 定时器 复杂数学运算以及与其它 智能模块通讯等指令内容 从而使它能够监视输入状态 改变输出状态以达到控制目 的 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 它集成 6 输入 4 输出共 10 个数字量 I O 点 无 I O 扩展能力 拥有 6K 字节 程序和数据存储空间 4 个独立的 30kHz 高速计数器 2 路独立的 20kHz 高速脉冲 输出以及 1 个 RS485 通讯 编程口 具有 PPI 通讯协议 MPI 通讯协议和自由方式通 讯能力 非常适合于小点数控制的微型控制器 S7 200 系列在集散自动化系统中充分 发挥其强大功能 使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制 应用领域极为广泛 覆盖所有与自动检测 自动化控制有关的工业及民用领域 包括 各种机床 机械 电力设施 民用设施 环境保护设备等等 如 冲压机床 磨床 印刷机械 橡胶化工机械 中央空调 电梯控制 运动系统等 3 3 1 S7 200 PLC CPU 简介 沈阳理工大学学士学位论文 18 图 3 1 S7 200 CPU 外型 S7 200 CPU 将一个微处理器 一个集成的电源和若干数字量 I O 点集成在一个紧 凑的封装中 组成一个功能强大的 PLC S 7200 如图 3 1 所示 西门子提供多种类型 的 CPU 以适应各种应用的要求 不同类型的 CPU 具有不同的数字量 I O 点数和内存 容量等规格参数 S7 200 PLC 系列是一种紧凑型可编程序控制器 系统的硬件构架由构成系统的 CPU 模块和丰富的扩展模块组成 它能够控制各种设备以满足自动化控制需求 S7 200 除具有 PLC 基本的控制功能外 更在以下方面具有独到之处 这些也是 S7 200 PLC 普遍受欢迎的原因 1 功能强大的指令集 2 丰富强大的通讯功能 3 编程软件的易用性 4 不断地创新 目前 提供的 S7 200 CPU 有 CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226 和 CPU 226XM S7 200 CPU 规格如表 3 1 所列 表 3 1 S7 200 CPU 规格 特性CPU 221CPU 222CPU 224CPU 226CPU 226XM 外形尺寸 mm 90 80 6290 80 62120 5 80 62190 80 62190 80 62 程序存储区2048 字2048 字4096 字4096 字8192 字 沈阳理工大学学士学位论文 19 数据存储区1024 字1024 字2560 字2560 字5120 字 掉电保护时间50 小时50 小时190 小时190 小时190 小时 本机 I O6 入 4 出8 入 6 出14 入 10 出24 入 16 出24 入 16 出 扩展模块数量02777 高速计数器 单相4 路 30 KHz 4 路 30 KHz 6 路 30 KHz6 路 30 KHz 6 路 30 KHz 双相2 路 20 KHz 2 路 20 KHz 4 路 20 KHz4 路 20 KHz 4 路 20 KHz 脉冲输出 DC 2 路 20 KHz 2 路 20 KHz 2 路 20 KHz2 路 20 KHz 2 路 20 KHz 模拟电位器11222 实时时钟配时钟卡配时钟卡内置内置内置 通讯口1 RS 4851 RS 4851 RS 4852 RS 4852 RS 485 浮点数运算有 I O 映象区256 128 入 128 布尔指令执行速 度 0 37 s 指令 对于每个型号 西门子提供直流 24V 和交流 120 220V 两种电源供电的 CPU 类型 如 CPU 224 DC DC DC 和 CPU 224 AC DC Relay 每个类型都有各自的定 货号 DC DC DC 说明 CPU 是直流供电 直流数字量输入 数字量输出点是晶体管直 流电路的类型 AC DC Relay 说明CPU是交流供电 直流数字量输入 数字量输出点是继电器触电 的类型 3 3 2 S7 200 PLC 的通讯和网络功能 S7 200 提供了多种通讯和网络功能 包括 PPI 网络通讯功能 Profibus DP 网络通 讯功能 自由口通讯功能 以太网通讯功能和 Modem 远程通讯功能 S7 200 编程软件 STEP7 Micro WIN32 V3 2 以上版本提供了 USS 和 Modbus RTU 从站指令库 USS 和 Modbus RTU 从站指令库都使用 S7 200 CPU 的自由口通讯模式编程实现 沈阳理工大学学士学位论文 20 S7 200 支持的 PPI Profibus DP 自由口通讯模式都是建立在 RS 485 硬件的基础 上 4 电梯控制系统的 PLC 及变频器选择 4 1 电梯控制要求分析 所涉及的电梯模型共有五层 电梯的每一层面均有升降及轿厢所在楼层的指示灯 显示 负 1 5 所对应的指示灯表示楼层号 每层的楼厅均有输入 分上行和下行 按 钮召唤电梯 工作中的电梯主要对各种呼梯信号和当时的运行状态进行综合分析 再 确定下一个工作状态 为此它要求具有自动选向 顺向截梯 反向保号 外呼记忆 自动开 关门状态 停梯消号 自动达层等功能 分析以上控制要求 将电梯控制要实现的功能罗列如下 1 开始时 电梯处于任意一层 2 当有外呼梯信号到来时电梯响应该呼梯信号 到达该楼层时 电梯停止运 行 电梯门打开 延时三秒后自动关门 3 当有内呼梯信号到来时 电梯应该响应该呼梯信号 到达该楼层时 电梯 停止运行 电梯门打开 延时三秒后自动关门 4 在电梯运行过程中电梯上升 或下降 途中 任何反方向下降 或上升 的呼梯信号均不响应 但如果反向呼梯信号前方无其它内 外呼梯信号时 则电梯相 应该外呼信号 但不响应三层向下外呼梯信号 同时 如果电梯达到四层 五层没有 任何呼梯信号 测电梯可以响应四层向下外呼梯信号 5 电梯应具有最远反向外呼梯响应功能 例如电梯在一楼 而同时有二层向 沈阳理工大学学士学位论文 21 下外呼梯 三层向下外呼梯 四层向下外呼梯 则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯 信号 6 电梯具有同向截车功能 7 电梯未平层或运行时 开门按钮和关门按钮均不起作用 平层且电梯停止 运行后 按开门按钮可使门打开 按关门按钮可使门关闭 4 2 基于 PLC 电梯控制系统的优点 基于 PLC 电梯控制控制系统的优点有 1 在电梯控制中采用了 PLC 用软件实现对电梯运行的控制 可靠性大大提高 2 去掉了选层器及大部分继电器 控制系统结构简单 外部线路简化 3 PLC 可实现各种复杂的控制系统 方便地增加或改变控制功能 4 PLC 可进行故障自动检测报警显示 提高运行安全性 并便于检修 5 用于群控调配和管理 并提高电梯运行效率 6 更改控制方案时不需改动硬件接线 此外 微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能 但也存在抗扰性差 系统 设计复杂 一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷而没被广泛采用 PLC 控制系统 由于运行可靠性高 使用维修方便 抗干扰性强 设计和调试周期短等优点 倍受人 们重视等优点 已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式 4 3 PLC 选型 4 3 1 PLC 控制系统的 I O 点数计算与分配 根据电梯控制的特点 输入信号应该包括以下几个部分 1 轿厢内及各层门厅外呼按钮 轿厢内的楼层选择按钮共有数字键 1 5 各层门厅的外呼按钮除负一层只有上升按钮 第五层只有下降按钮外 其余四层均设有上升 下降两个按钮 故一共需要 16 个输入 2 位置信号 一对上下极限限位开关 还有一个下基准限位开关 平时为常开 当电梯运行到平层 时关闭 另外还有一组开关门限位 故位置信号一共需要 5 个输入 3 电梯门控制信号 沈阳理工大学学士学位论文 22 大部分电梯都具有开门按钮以及关门按钮 以方便手动开门 故电梯门控制信号一共 需要 2 个输入 一个轿厢安全开关 一对轿厢开关门按钮 4 其他信号 编码器高速计数输入 A B 相 检修开关 急停按钮 消防按钮 综上所述 共需要输入点 33 个 输出信号应该包括 1 内呼指示信号 内呼指示信号有 6 个 分别表示负 1 5 层的内呼被接受 并在内呼指令完成后 信号 消失 2 外呼指示信号 外呼信号共有 10 个 分别表示负 1 5 层的外呼被接受 并在外呼指令完成后 信号消 失 3 电梯轿厢上下行 电梯上下行指示信号 共 4 个 4 门电机开关指示 共需要输出点 2 个 5 变频器输入点 4 个 NC 显示驱动 4 个 电子报站 电子报告电梯上下行 综上所述 共需输出点 32 个 PLC 五层电梯控制系统的输入 输出点分配表如表 4 1 所示 装置共有 33 点输入指令信号 32 点输出控制信号 输入信号包括 楼层内 外 选择信号 轿厢运行时楼层检测信号 检修控制系统信号 消防模拟信号 极限限位 保护信号等 输出信号包括 变频驱动信号 楼层显示控制系统信号 楼层内外呼指 示信号 上下行指示信号 到站钟信号 电梯开门 关门信号以及安全保护信号等 表 4 1 PLC 输入 输出点分配表 PLC 输入 点 电梯实物内部接口 I O PLC 输出 点 电梯实物内部接口 I O I0 0编码器高速计数输入 A 相Q0 0DIN1 变频器输入点 5 I0 1编码器高速计数输入 B 相Q0 1DIN2 变频器输入点 6 I0 2轿厢安全开关Q0 2DIN3 变频器输入点 7 沈阳理工大学学士学位论文 23 I0 3五层外呼下按钮Q0 3DIN4 变频器输入点 3 I0 4四层外呼上按钮Q0 4NC I0 5四层外呼下按钮Q0 5关门驱动 I0 6三层外呼上按钮Q0 6开门驱动 I0 7三层外呼下按钮Q0 7五层外呼下指示 I1 0二层外呼上按钮Q1 0四层外呼上指示 I1 1二层外呼下按钮Q1 1四层外呼下指示 I1 2一层外呼上按钮Q1 2三层外呼上指示 I1 3一层外呼下按钮Q1 3三层外呼下指示 I1 4底层外呼上按钮Q1 4二层外呼上指示 I1 5下基准限位开关Q1 5二层外呼下指示 I1 6下极限限位开关Q1 6一层外呼上指示 I1 7检修开关Q1 7一层外呼下指示 I2 0手动开门按钮Q2 0底层外呼上指示 I2 1手动关门按钮Q2 1显示驱动 A I2 2手动上行按钮Q2 2显示驱动 B I2 3手动下行按钮Q2 3显示驱动 C I2 4急停按钮Q2 4显示驱动 D I2 5消防按钮Q2 5电梯上行指示 I2 6关门限位开关Q2 6电梯下行指示 I2 7开门限位开关Q2 7底层内呼指示 I3 0底层内呼按钮Q3 0一层内呼指示 I3 1一层内呼按钮Q3 1二层内呼指示 I3 2二层内呼按钮Q3 2三层内呼指示 I3 3三层内呼按钮Q3 3四层内呼指示 I3 4四层内呼按钮Q3 4五层内呼指示 I3 5五层内呼按钮Q3 5电子报站 I3 6轿厢开门按钮Q3 6电子报告电梯上行 沈阳理工大学学士学位论文 24 I3 7轿厢关门按钮Q3 7电子报告电梯下行 I4 0上极限位开关 4 3 2 PLC 的型号确定 综合输入输出点的计算以及要实现的电梯控制功能 使用西门子 S7 200PLC CPU226 加一个扩展模块 这样就能完全能够满足设计要求 S7 200PLC 是 一种小型可编程逻辑控制器 Micro PLC 可应用于各种小型自动化控制系统 高集 成度的设计 低廉的成本使得 S7 200 成为各种小型控制任务理想的解决方案 适用于 各行各业 各种场合中的检测 监测及控制的自动化 并且 西门子 S7 200PLC 具有 极高的可靠性 丰富的指令集 极快的浮点运算速度 丰富的扩展模块 强大的内部 集成功能等几个方面的出色表现 4 4 变频器的选择 4 4 1 变频器工作原理及特点 1 变频器工作原理 1 VVVF 改变电压 改变频率 Variable Voltage and Variable Frequency 的缩写 2 CVCF 恒电压 恒频率 Constant Voltage and Constant Frequency 的缩写 各国使用的交流供电电源 无论是用于家庭还是用于工厂 其电压和频率均 200V 60Hz 50Hz 或100V 60Hz 50Hz 通常 把电压和频率固定不变的交流电变 换为电压或频率可变的交流电的装置称作 变频器 为了产生可变的电压和频率 该 设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电 DC 然后再把直流电 DC 变换为 三相或单相交流电 AC 我们把实现这种转换的装置称为 变频器 inverter 2 变频器的特点 通用变频器的发展 上个世纪80年代初 通用变频器实现了商品化 在近20年的 时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程 1 容量不断扩大 2 结构的小型化 3 多功能和智能化 4 应用领域不断扩大 沈阳理工大学学士学位论文 25 4 4 2 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 其功能较强 使用灵活 但其价格昂贵 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 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 电梯的调速要求除了一般工业控制的静态 动态性能外 他的舒适度指标往往是 选择的一项重要内容 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 选用西门子MM420通用变频器 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 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 西门子变频器进入中国市场较晚 但是其增长速度最快 西门子变频器主要分为 通用型 工程型和专用型三类 西门子通用型变频器快速增长的原因主要有以下几个 方面 1 不断推出新产品 满足不同用户的特定要求 西门子产品一般的更新周期不超过5 年 其产品能够满足不同用户的特殊要求 2 强大的通讯功能和全面的配套软件 是西门子自动化产品的一大特点 这在我国造 纸 化工 钢铁 机械制造等诸多产业从技术改造向自动化控制全面推进的飞速发展 过程中 尤显其竞争优势 3 近两年推出的MM4新一代变频器不仅具有西门子工程型变频器MasterDrive的良好 架构 还具有较高的性能价格比 虽然价格不高却有着比同类产品更强大的功能 利 用BiCo功能可以为更为复杂的功能进行编程 它可以在输入 数字的 模拟的 串行通 讯的等等 和输出 变频器的电流 频率 模拟输出 继电器节点输出等等 之间建立布 尔代数式和数学关系式 4 MM4新一代变频器不同于其他变频器的另一个显著特点是 他给用户提供的是一个 完全开放的编程平台 使用户可以根据自己的需要最大限度的合理利用有限的资源实 沈阳理工大学学士学位论文 26 现尽可能复杂的控制特性 它的几十个自由功能块可以代替PLC实现一些简单的编程 操作 5 由于价格低廉 变频器在制造时不得已选用了一些底端的原器件 或者说在选用原 器件时考虑的富裕量太小 比如 耐压 耐温 耐电压 电流冲击等 因此 在我国 使用的实践中出现问题相对较多 这是令我们感到非常遗憾的地方 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MM420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 5 基于 PLC 电梯控制系统设计 5 1 设计软件 1 STEP 7 Micro WIN 32 简介 STEP 7 Micro WIN 32 是西门子公司专门为 S7 200 系列 PLC