基于 变频器PLC的电梯控制系统的设 计毕业论文.doc

毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目 基于变频器/PLC的电梯控制系统的设计 姓 名 学 号 专 业 班 级 指导老师 _ 完成时间_目录前言.51.毕业设计任务书.62.控制系统设计分析.72.1电梯控制系统构成.73.控制系统总体设计.93.1系统设计的基本步骤.93.2 电梯PLC控制系统的硬件/软件的选择.104.控制系统硬件设计.114.1 PLC系统组成及各部分的功能.114.2 PLC与继电器控制系统、微机区别.134.3 PLC的基本工作原理.144.4 PLC硬件接线图.154.5 PLC I/O地址分配.165.控制系统软件设计.195.1 层楼指示电路.215.2 指令回路.225.3 选向回路.235.4 选层回路.255.5 召唤回路.255.6 电梯的运行线路.27 5.7 电梯门的控制.296. 设计过程中的体会、经验.317. 致谢.318. 参考文献.31前言1.电梯在现代社会当中的重要地位 随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。 传统的电梯控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。在层数和控制功能较少的场合，采用PLC控制较为有利。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。2.基于变频器/PLC的电梯概况 可编程控制系统（Programmable Logic Controller）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，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，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。 可编程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设计。可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。 电梯是现代社会必不可少的垂直运输设备。随着社会的发展，楼层的增加，电梯的作用越来越大，而在相应的控制设备也难以负担。传统的采用继电器-接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，可编程控制器就是用于逻辑控制场合而取代继电器控制系统的。PLC的编程可采用继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电器人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言(Sequential Function Chart),使编程更简单方便。中文关键字：目前电梯的控制系统、传统的电梯控制系统、可编程控制、继电器-接触器The Application of Mitsubishi FX2N PLC in Elevator ControlAbstractThe implement of PLC (Programmable Logic Controller) in elevator electric control system is presented in this paper. The method of logic control part of five-floor elevator is also described by providing system hardware design and program design clues. This paper include of main design method, composition, program design in this elevator control system.Key words: PLC; elevator; logic control; program design1.毕业设计任务书一、设计题目基于变频器/PLC的电梯控制系统的设计二、设计要求及条件要求设计一基于变频器/PLC的电梯控制系统：1、电梯控制系统电控柜的的设计。 2、电梯控制系统电气控制系统设计。3、编写PLC程序，要求具有启动、停止、上行、下行、自动平层、开关门、超重报警等等功能。三、设计内容1设计说明书要求：在认真调研、实习、计算、设计的基础上，写出详细的毕业设计说明书一份（约1万字）。说明书应条理清楚，言简意赅，图文并茂，文字工整。2图纸要求： PLC控制系统电气原理图、电气元件布置图和电气接线图、控制系统的PLC的I/O图和PLC程序（A4打印）。图纸可根据实际情况选用A4A1图纸。四、时间安排1、设计时间：2010年01月2010年04月（第1周第7周）；2、小组答辩：2010年 04 月 24日(初定)；3、公开答辩：2010年04月25日（初定）。五、指导教师：黄晓红教研室主任（签字）：教学系主任（签字）：2.控制系统设计分析2.1 电梯控制系统构成由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用随机逻辑控制。即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。另外，轿厢的位置是由脉冲编码器的脉冲数确定，并送PLC的计数器来进行控制。同时，每层楼设置一个接近开关用于检测系统的楼层信号。为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在的楼层进行显示，采用LED和发光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示(开关上带有指示灯)。 为了提高电梯的运行效率和平层的精度，系统要求PLC能对轿厢的加、减速以及制动进行有效的控制。根据轿厢的实际位置以及交流调速系统的控制算法来实现。为了电梯的运行安全，系统应设置可*的故障保护和相应的显示。采用PLC实现的电梯控制系统由以下几个主要部分构成。 一 PLC控制电路；PLC接收来自操纵盘和每层呼梯的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和制动停梯等信号。电流、速度双闭环电路；变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环；通过和电机同轴联接的旋转编码器，产生a、b两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时，利用脉冲计数构成速度闭环。 二 位移控制电路；电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停层准确。采用变频调速双环控制可基本满足要求，利用现有旋转编码器构成速度环的同时，通过变频器的PG卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入PLC的高速计数输入端口，通过累计脉冲数，计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。 三 端站保护；当电梯定向上行时，上行方向继电器、快车辅助接触器、快车运行接触器、门锁继电器、上行接触器均得电吸合，抱闸打开，电梯上行。当轿厢碰到上强迫换速开关时，PLC内部锁存继电器得电吸合，定时器Tim10、Tim11开始定时，其定时的时间长短可视端站层距和梯速设定。上强迫换速开关动作后，电梯由快车运行转为慢车运行，正常情况下，上行平层时电梯应停车。如果轿厢未停而继续上行，当Tim10设定值减到零时，其常闭点断开，慢车接触器和上行接触器失电，电梯停止运行。在骄厢碰到上强迫换速开关后，由于某些原因电梯未能转为慢车运行，及快车运行接触器未能释放，当Tim11设定值减到零时，其常闭点断开，快车运行接触器和上行接触器均失电，电梯停止运行。因此，不管是慢车运行还是快车运行，只要上强迫换速开关发出信号，不论端站其他保护开关是否动作，借助Tim10和Tim11均能使电梯停止运行，从而使电梯端站保护更加可靠。PLC 当电梯需要下行，只要有了选梯指令，下行方向继电器得电其常开点闭合，锁存继电器被复位，Tim10和Tim11均失电，其常闭点闭合为电梯正常下行做好了准备。3.控制系统总体设计3.1系统设计的基本步骤电梯在控制系统中的设计过程中要考虑以下几点：1、 深入了解和分析电梯的工艺条件和控制要求。2、 确定I/O设备。3、 确定I/O点数选择合适的PLC类型。4、 分配I/O点，分配PLC的输入输出点。5、 设计电梯系统的梯形图程序。6、 将程序输入到PLC进行测试，查找错误，使系统程序更加完善。7、 电梯整体测试。3.2 电梯PLC控制系统的硬件/软件的选择可编程序控制器为了适应在工业环境中使用，有如下的特点：A、可靠性高，抗干扰能力强；B、控制程序可变，具有很好的柔性；C、编程简单，使用方便；D、功能完善；E、扩充方便，组合灵活；F、减少控制系统设计及施工的工作量；G、体积小，重量轻，是“机电一体化”特有的产品。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。S7-200可编程控制器是德国西门子公司研制的一种新型可编程控制器。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12b功能强大的指令集使得S7-200 PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。利用西门子S7-200可编程序控制器编写一个三层电梯的控制系统。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。STEP 7-MicroWIN 32是S7-200系列的PLC的编程软件可以对S7-200的所有功能进行编程。该软件在WindOW8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。4.控制系统硬件设计4.1 PLC系统组成及各部分的功能1.CPU运算和控制中心 起“心脏”作用。 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35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。4.2 PLC与继电器控制系统、微机区别1.PLC与继电器控制系统区别前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“软件”，后者用“硬件”。2.PLC与微机区别前者工作方式是“循环扫描”。后者工作方式是“待命或中断”PLC 编程方式。PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。梯形图语言特点：A.每个梯形图由多个梯级组成。B.梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。C.继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。D.每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。E.输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。4.3 PLC的基本工作原理一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。4.4 PLC硬件接线图PLC硬件接线图4.5 PLC I/O地址分配根据电梯操作的工艺过程及对控制系统的要求，首先归纳本系统中所有输入信号和输出信号；然后根据PLC的输入点和输出点进行I/O地址分配，使每个输入信号对应PLC内部的输入继电器，每个输出信号对应PLC内部的输出继电器。输入点的编号分配如下：X0： 编码器X1： 减速感应器(PU)X2： 楼层感应器(1PU)X3： 上强返减速(GU)X4： 下强返减速(GD)X5： 安全电压继电器(DYJ)X6： 门联锁继电器(MSJ)X7： 检修开关(MK)X10： 上极限保护(SWX11： 下极限保护(XW)X12： 变频器运行监视X13： 开门继电器(KMJ)X14： 开门按钮、 安全触板开关X15： 关门按钮X16： 超载开关X20： 1内指令按钮(含向下按钮)X21： 2内指令按钮X22： 3内指令按钮X23： 4内指令按钮(含向上按钮) X24： 1上召按钮X25： 2上召按钮X26： 3上召按钮X27： 2下召按钮X30： 3下召按钮X31： 4下召按钮X37： 开关量- 数字量转换开关输出点的编号分配如下：Y0： 曳引电机控制接触器（QC）Y1： 4内指令继电器（4R）Y2： 3上召继电器（3G）Y3： 4下召继电器（4C）Y4： 变频器低速端（J4）Y5： 变频器高速端（J5）Y6： 变频器正转端（上行）Y7： 变频器反转端（下行）Y10： 1内指令继电器（1R）Y11： 2内指令继电器（2R）Y12： 3内指令继电器（3R） Y13： 1上召继电器（1G）Y14： 2上召继电器（2G）Y15： 2下召继电器（2C）Y16： 3下召继电器（3C）Y17： 1层楼输出继电器（A）Y20： 2层楼输出继电器（B）Y21： 3层楼输出继电器（C）Y22： 4层楼输出继电器（D） Y23： 上行指示灯（KDS）Y24： 下行指示灯（KDX）Y25： 超载蜂鸣器（CHD）Y26： 开门继电器（KMJ）Y27： 关门继电器（GMJ） 5.控制系统软件设计 5.1 层楼指示电路层楼指示电路反映电梯轿厢实际所在的位置， 其梯形图如图所示。 本模拟电梯PLC内存有两种控制方式， 即开关量控制与数字量控制。 这两种控制方式通过转换开关HK进行转换， HK转换开关对应PLC的X037输入继电器。 在开关量控制下，由层楼感应器1PU提供层楼信号。 层楼感应器X002在楼层发生变化时， 接通开关量层楼继电器M90， 由M90根据轿厢上/下行情况分别接通左移脉冲继电器M13和右移脉冲继电器M14，由M13和M14来控制M500至M507的0、 1变化， 反映出轿厢的实际位置。当轿厢在1楼时， M500为1； 当轿厢在2楼时， M501为1；当轿厢在3楼时， M502为1； 当轿厢在4楼时，M503为1。 M500M503分别控制层楼输出继电器Y017Y022，通过译码器显示相应的楼层。 在数字量控制下， X037 ON。 这时层楼信号由高速计数器C235提供。 在电梯上/下行过程中， C235中的数值分别进行加计数和减计数， 高速计数脉冲由编码器X0提供。 当层楼发生变化时通过区间比较指令接通数字量层楼继电器M91， 由M91根据轿厢上/下行情况分别接通左移脉冲继电器和右移脉冲继电器， 余下控制同上。 5.2 指令回路 指令回路的作用是将轿内指令信号记忆并指示， 当电梯响应后自动将其消除。 SX- 702模拟电梯指令回路梯形图如图7-7所示。 在安全电压继电器接通的情况下执行如下子程序：按下相应楼层指令按钮， 相应楼层记忆继电器接通并自锁， 同时点亮楼层记忆灯。 一旦轿厢经过该楼层，相应楼层继电器接通， 断开该楼层记忆继电器并使记忆指示灯灭掉。 指令回路梯形图 5.3 选向回路 选向电路的作用是根据目前电梯的位置和指令、召唤情况， 决定电梯的运行方向是向上还是向下。 电梯方向的选择， 实际就是将指令和召唤的位置与电梯实际位置相比较， 若前者在上(位置的上下)，电梯则选择向上，相反则选择向下。 方向的实现， 首先由层楼继电器形成选向链，然后将每层的指令和召唤相应接入。SX- 702模拟电梯选向电路如图7-8所示。由M500M503层楼继电器形成选向链，将每层指令(M100M103)和上召唤(M110M112)、下召唤(M121M123)对应接入。 另外，若电梯工作在检修方式，则M30接通， 使用向上或向下按钮(或4层指令按钮和1层指令按钮)可以使电梯以检修的速度向上或向下运行。 选向回路梯形图5.4 选层回路 电梯运行中，为什么会在有些楼层停，在有些楼层不停呢? 这是由选层电路决定的。选层意味着要减速准备平层停车。电梯的选层分指令选层和召唤选层，即因某层有召唤指令或有该层的指令使电梯在该层停车。其中指令选层是绝对的：电梯正常运行中，指令选层一定能够使电梯在该层减速停车。召唤选层是有条件的：召唤选层必须满足同向，即与电梯的运行方向一致， 这就是所谓的“顺向截车”。SX- 702模拟电梯选层电路梯形图如图7-9所示， 通过M70、 M71实现“顺向截车”。 在检修状态下， 选层继电器M31被断开。 选层回路梯形图5.5 召唤回路 召唤回路的作用是将厅外召唤信号记忆并指示，当电梯响应后自动将其消除。由于除两个端站外，其他各层均有两个召唤(上召、下召)按钮， 而且召唤的响应是顺向响应。为此在召唤回路中加入了方向监视的继电器M33和M34。 SX-702模拟电梯的召唤回路梯形图如图7-10所示。 与指令回路一样， 召唤回路也只有在安全电压继电器接通的情况下才执行。 按下上召或下召按钮， 接通相应楼层的上召或下召继电器并自锁， 相应楼层的上召或下召记忆指示灯点亮。 电梯通过M33与M34实现顺向响应， 逆向保留。 召唤回路梯形图5.6 电梯的运行线路 运行线路是电梯控制系统的核心。 电梯由曳引电动机拖动（主回路）， 主回路的工作受运行线路的控制， 以形成图7-11所示的速度曲线， 决定电梯何时启动加速， 何时运行， 何时减速， 何时平层停车。 因此， 电梯的主要性能指标（额定速度、 舒适度、 平层精度等）由运行线路决定。 在SX-702模拟电梯中电动机驱动采用变频调速器。 通过预先设定变频器的参数，决定了曳引电动机的正常运行速度、 检修速度及爬引速度。 所以在实际应用中只要控制变频器RH、RL、STF、STR端的通和断，就可以实现曳引电动机加速、 运行、 减速和平层停车的控制。 具体输入端信号与曳引电动机速度的关系可参考图。 曳引电动机运行速度曲线 电梯运行线路的梯形图如下图所示。 在正常运行时， 由运行启动继电器M17提供启动信号，一旦运行启动继电器M17 ON， RH信号(Y004)ON、 RL信号(Y005)ON、 STF信号(Y006)或STR信号(Y007)ON(由选向继电器M70或M71决定)， 则当选层继电器M31动作(由楼层感应器1PU动作得到信号， 通过选层电路判断使其动作)， 即电梯得到减速信号时， M17断电使RL信号OFF， 曳引电动机迅速减速至爬引速度，电梯轿厢低速爬引， 轿厢继续运行至平层区域， 门驱双稳态继电器PU动作，输入继电器X1接通， 延时1 s(T0的延时时间)， RH信号OFF，曳引电动机迅速减速至零，STF信号(Y006)或STR信号(Y007)OFF，电梯平层停车，同时Y000 OFF， 主电路接触器QC线圈失电， 抱闸线圈DZ失电， 对电梯进行抱闸制动， 保持轿厢位置不变。 电梯运行回路梯形图5.7 电梯门的控制门电路是电梯控制系统中较为独立的单元，其作用是实现电梯门的开和关。 电梯的门有两