基于西门子PLC电梯控制系统设计.doc

目目 录录 一一 控制目的与要求控制目的与要求 1 1 1 控制目的 3 1 2 控制要求 3 二二 总体方案设计总体方案设计 4 2 1 控制元件选择 4 2 2 I O 变量列表 4 三三 硬件设计硬件设计 6 3 1 硬件的选择 6 3 2 曳引电动机主电路电路图设计 7 3 3 电器柜布线图 8 3 4 门电路控制电路图 8 3 5 PLC 基本结构电路图 9 3 6 PLC 的工作原理 9 四四 软件设计软件设计 11 4 1 设计思路 11 4 2 软件部分说明 12 4 3 INTOUCH 中定义的标记名 13 4 4 INTOUCH 组态界面 14 1 五五 安装调试过程安装调试过程 15 六六 心得体会心得体会 15 西门子西门子 PLC 电梯自动控制系统电梯自动控制系统 一 一 综述综述 随着时代的发展 社会经济环境的整体提升 作为中国支柱产业之一的房 地产业进入了跨越式发展的新阶段 在这个进程当中 作为建筑物附属设备的 电梯也有不可估量的发展空间 电梯是一种起重运输设备 广泛的应用于高层 住宅 大型公共建筑 工厂仓库等场所 节省了人力和时间 提高了工作效率 影响电梯质量好坏的重要因数是它的控制系统 传统的生产机械自动控制装置 多采用继电器 接触器控制 这被称为继电器控制系统 继电器控制系统具有 结构简单 价格低廉 容易操作等优点 其缺点是触点多 接线复杂 故障率 高 可靠性差 维护工作量大 比较适用于工作模式固定 控制逻辑简单的工 业应用场合 对安全性要求较高的电梯不适用 图 1 传统电梯控制系统 采用 PLC 组成的控制系统很好的解决了上述问题 它工作可靠性高 灵活 性好 通用性高 编程简单 使用方便 而且它的抗干扰能力远远强于传统电 梯的 它使电梯的运行更加安全 方便 本文主要通过提出电梯系统的基本功 能要求 为实现这几种功能 我从硬件和软件两个方面入手 硬件方面 主要 2 从 的选型 硬件的设计和选型方面考虑 软件方面 由于整个系统的程 序设计相当复杂 为了便于设计 基于系统不同的功能要求 我将系统划分为 电梯开门控制 电梯到层指示 层呼叫指示灯控制 箱内指令指示控制和电梯 方向选择 启动控制 过载指示 限位保护等基本模块 系统功能划分有利于 简化设计思想 提高设计效率 完成硬件和软件部分的设计 整体工程就完成 了绝大部分 此后还需要程序的反复验证 现场调试 系统安装等等 图 2 PLC 电梯控制系统 1 控制目的 控制目的 利用 PLC 的强大的强大的数据处理功能及其特有的输入输出接口调理功能 对电梯的开关信号的输入输出进行处理 并通过人机界面的监控 获取电梯运 行的信息 实现对电梯上行下行的自动控制 并且能够实时根据电梯运行位置 调节电梯运行速度 确定电梯运行状态 使得电梯能够高效 安全地运行 2 控制要求 控制要求 要求采用 PLC 作为控制中心 采用触摸屏或上位机 组态软件编程 监 控 1 控制系统应有防止误操作的电路联锁和保护功能 3 2 电梯轿厢停止位置要准确 3 根据停靠楼层数量和运行状态自动计算停靠位置 4 启动和停止时应有减速过程 并根据运行距离自动调整运行速度 5 操作界面要求有流程效果 可以显示操作的进度 6 检测 控制信号要准确 安全 可靠 二 总体方案设计二 总体方案设计 1 控制元件选择 控制元件选择 电梯运行过程中 由于其需要更强的网络通信联网功能 更丰富的指令系 统 选用中型 PLC 典型的这种 PLC 主要有西门子的 S7 300 系列 其处理速 度为 0 8 1 2ms 1k 字 存储器为 2k 字 数字量 1024 点 模拟路 128 路 支持 PROFIBUS 工业以太网 MPI 等网络 使用 S7 300 不仅通信网络功能 指令 系统丰富 而且其扫描速度更快 可以对设备进行直接控制 还可以对多个下 一级的可编程序控制器进行监控 比较适合电梯的控制系统 输出采用继电器 隔离 通过继电器控制电机的接触器 控制电机的启动和停止 电机速度调节 采用变频器控制 以下为其主要的控制元件选择列表 表 1 元件选择列表 序号名称型号规格数量厂商 1断路器NSC100D30252施耐德 2固态继电器SSR D205W2北京灵通 3接触器LC1 D50112施耐德 4PLC 主机S7 3001西门子 5普通 PC 机方正电脑1方正科技 6组态软件INTOUCH1WONDERWARE 2 I O 变量列表 变量列表 PLC 针对不同的工业现场信号 有相应的 I O 模块与工业现场的器件或设 备直接相连 另外为了提高操作性能 还有多种人机对话的接口模块以及多种 通信联网的接口模块以组成工业局部网络 此次所有 I O 接口电路均采用光电 隔离措施 使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电路上隔离 各输入端均 采用 RC 滤波器 其滤波常数一般为 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筛选 要具备良 好的自诊断功能 一旦电源或其它软硬件发生异常情况 CPU 立即采取有效措 4 施 以防止故障扩大 以下为 I O 控制点的分配情况 表 2 PLC 的 I O 控制点分配 输入按钮 输出输 入 按钮输出 I0 0一楼上I1 0 I0 11二楼上I1 11I0 12二楼下I1 12 I0 21三楼上I1 21I0 22三楼下I1 22 I0 31四楼上I1 31I0 32四楼下I1 32 I0 42五楼下I1 42 其详细解释为 当一楼按下按钮时 开关输入信号为 I0 0 输出信号为 I1 0 PLC 处理器 接受信号并使升降电动机正转 电梯向上运行 当二楼按上行按钮时 开关输入信号为 I0 11 输出信号为 I1 11 PLC 处理器 接受信号并使升降电动机正转 电梯向上运行 当二楼按下行按钮时 开关输入信号为 I0 12 输出信号为 I1 22 PLC 处理 器接受信号并使升降电动机反转 电梯向下运行 当三楼按上行按钮时 开关输入信号为 I0 21 输出信号为 I1 21 PLC 处理器 接受信号并使升降电动机正转 电梯向上运行 当三楼按下行按钮时 开关输入信号为 I0 22 输出信号为 I1 22 PLC 处理 器接受信号并使升降电动机反转 电梯向上运行 当四楼按上行按钮时 开关输入信号为 I0 31 输出信号为 I1 31 PLC 处理器 接受信号并使升降电动机正转 电梯向上运行 5 当四楼按下行按钮时 开关输入信号为 I0 32 输出信号为 I1 32 PLC 处理 器接受信号并使升降电动机反转 电梯向下运行 当五楼按下行按钮时 开关输入信号为 I0 42 输出信号为 I1 42 PLC 处理器 接受信号并使升降电动机反转 电梯向下运行 三 三 硬件设计 硬件设计 1 硬件的选择 硬件的选择 1 曳引电动机 电梯的种类多种多样 按拖动系统来分有交流单速 交流 双速拖动电梯 交流调压调速电梯等等 在此次设计中 将采用交流双速电机 作为曳引电机 它的优点是简单 经济 更重要的是舒适感好 2 备用电机的选择 备用电机只要选择和曳引电机一样的型号即可 3 门电机 只要满足功率要求 门电机选用一般三相异步电动机即可 如图中所示电动机的正反转来实现门的开关 采用星角降压启动 KS 为速度继 电器 用来对开关门到头时制动 防止轿 厅门的损坏 基于以上考虑 部分硬件的选择结果如下 曳引电机型号 YDDL160L 6 8 额定功率 11KW 额定电压 380V 额定电流 23A 功率因数 0 83 备用曳引电机选型通上 门电动机型号 Y100L 2 额定功率 3KW 额定电压 380V 额定电流 7A 功率因数 0 87 主电路部分电器型号的选择结果如下 交流接触器 CJ20 25 熔断器 BLR1 63 3P 6 分断能力 50000A 热继电器 JR16 20 3D 熔断式刀开关 HH4 30 3 25 门电路部分电器型号的选择如下 交流接触器 TYC2 12 9 熔断器 BLR1 63 3P 14 热继电器 JR16 20 3 熔断式刀开关 HH3 15 2 10 2 曳引电动机主电路电路图设计 曳引电动机主电路电路图设计 设计思路 曳引电机正转时 KM3 闭合 当 KM7 KM5 触点闭合 电机 加速运行 此时串联电阻和电抗的支路电流逐渐增大 当速度达到要求后 KM7 触点断开 电梯快速运行 当电梯压下层接近开关时 KM6 触点闭合 电 路电流突然增大 根据电抗的反抗特性 电路电流反相流通 电机反制 速度 降低 降到一定时由速度继电器起作用 电机停转 达到电梯停车的要求 图 3 曳引电机主电路电路图 7 3 电器柜布线图如下 电器柜布线图如下 继电器 接触器 FX2 128MR PLC 主机 熔断器组 电梯控制柜 轿箱内控制屏 图 4 电器柜布线图 4 门电路控制电路图如下 门电路控制电路图如下 LED 显示电 路 8 图 5 门电路电路图 5 PLC 基本结构电路图 基本结构电路图 PLC 实质上是一种工业计算机 只不过比一般的计算机具有更强的与工业 过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言 从硬件结构看 PLC 由中央处理器 存储器 RAM 输入输出单元 I O 单元 编程器 电 源等部件组成 其结构框图如下 9 设备通信接口中央处理单元 CPU 电源适配器 输 入 单 元 系统程序存储器 电池 输 出 单 元 I O 扩展接口 RAM 图 6 PLC 基本结构电路图 6 PLC 的工作原理的工作原理 1 上电处理 PLC 上电后对 PLC 系统进行一次初始化工作 包括硬件初 始化 I O 模块配置运行方式检查 停电保持范围设定及其它初始化处理 2 PLC 的扫描过程 首先完成输入处理 其次完成与其他外设的通信处 理 再进行时钟 特殊寄存器的更新 当 PLC 处于正常运行模式时 它将不断 的重复扫描过程 扫描过程包括输入采样 程序执行 输出刷新三个阶段 3 出错处理 在 PLC 的每一个扫描周期都要执行一次自诊断检查 以确定 PLC 自身的动作是否正常 若有异常 CPU 面板上的 LED 及异常继电器会接 通 在特殊存储器中存入出错代码 出现致命错误时 CPU 被强制停止 所有 扫描停止 以下为 PLC 的运行框图 10 N Y 电源 ON 内部处理 输入处理 输入传送 远程 I O 通信服务 外设 CPU 总线服 务 更新时钟 特殊寄存器 方式 执行程序 处理程序 执行自诊断 正常 存放错误结果 致命 CPU 强制停止 N Y 图 7 PLC 运行框图 11 四 四 软件设计 软件设计 1 程序设计思路 程序设计思路 所设计的电梯模型共 5 层 电梯的每一层均有电梯升降指示灯 每层的搂 厅均设有按钮召唤电梯 电梯内部设有按钮以便乘客选择要到达的楼层 还设 有开关门按钮 方便乘客进出电梯 工作中的电梯控制系统的主要任务是对各 种呼梯信号和当前电梯运行状态进行综合分析 再确定下一个工作状态 为实 现电梯自动控制 要求控制系统具有自动定向 顺向截梯 反向保号 外呼指 令记忆 停梯销号 自动开关门 自动报警 手动开关门 到层指示功能等 Y 电梯上电 一楼 二楼 三楼 四楼 向上 上行 向上 门关 向上 门关 向上 上行 下行 N N Y Y Y 关 Y Y 图 8 主程序控制电路图 当停层信号到达时 电梯停层 门电机正转 轿箱门打开 系统等待开门 到位信号到达 接受到信号后 箱门保持打开延时状态 开门延时完毕后电梯 开始关门 首先判断有无红外信号 若有 电梯延时 2 秒 没有信号则继续关 门 直到关门到位 然后响应接下来的信号 主程序流程图简要介绍 电梯系统上电后 系统首先判断 电梯处于哪个楼层 若电梯处于一楼 12 然后判断电梯是否有向上召唤信号 若有响应信号 若没有 则保持电梯门关 闭状态 当电梯处于二楼时 首先判断电梯处于上升状态还是下降状态 若处于上 升状态时 记忆向下呼叫信号 响应上升信号 若电梯处于下降状态时 它将 记忆向上呼叫的信号 响应向下呼叫的信号 若无呼叫信号存在 电梯则将保 持门闭状态 当电梯处于三楼时 首先判断电梯处于上升状态还是下降状态 若处于上 升状态时 记忆向下呼叫信号 响应上升信号 若电梯处于下降状态时 它将 记忆向上呼叫的信号 响应向下呼叫的信号 若无呼叫信号存在 电梯则将保 持门闭状态 当电梯处于四楼时 首先判断电梯处于上升状态还是下降状态 若处于上 升状态时 记忆向下呼叫信号 响应上升信号 若电梯处于下降状态时 它将 记忆向上呼叫的信号 响应向下呼叫的信号 若无呼叫信号存在 电梯则将保 持门闭状态 当电梯处于五楼时 首先判断有无向下呼叫信号 有向下呼叫信号 向下 运行灯亮 没有电梯将保持门闭状态 2 软件部分说明 软件部分说明 要实现对变频器的控制 必须对 PLC 进行编程 通过程序实现 PLC 与变 频器信息交换的控制 编程的重要依据是系统的工作过程 电梯的一次完整的 运行过程 就是曳引电动机从起动 匀速运行到减速停车的过程 电梯运行方 向确定后 在关门信号和门锁信号符合要求的情况下 电梯开始起动运行 PLC 正转 或反转 及高速信号输出有效 电动机从 0Hz 到 50Hz 开始起动 起动时间 为 1 5S 然后维持高速 一直运行 完成起动及运行段的工作 在接近目标楼层 时 相应的接近开关动作 给 PLC 输入换速信号 PLC 撤消高速信号输出 同 时输出爬行信号 爬行的输出频率由变频器参数设置 从高速的频率到爬行速 度的频率的减速时间也是 1 5S 当达到 6Hz 的速度后 电梯就以此速度爬行 电梯到达目标楼层时 给 PLC 输入平层信号 PLC 撤消正转 或反转 及爬行信 号 电动机从爬行频率减速到 0Hz 减至 0Hz 后 零速输出点断开 通过 PLC 抱闸自动开门 13 3 INTOUCH 中定义的标记名 中定义的标记名 表 3 标记名定义 标记名访问名项目名注释 Q0plc000001一楼上 Q1plc000002二楼上 Q2plc000003二楼下 Q3plc000004三楼上 Q4plc000005三楼下 Q5plc000006四楼上 Q6plc000007四楼下 Q7plc000008五楼下 Q8plc000009升降电机正转 Q9plc000010升降电机反转 Q10plc000011开关门电机正转 Q11plc000012开关门电机反转 14 4 INTOUCH 控制界面如下 控制界面如下 图 9 组态界面 15 图 10 电梯停靠在三层时的组态界面 五 安装与调试五 安装与调试 PLC 电梯控制系统时强电与弱电的混合系统 因此在控制柜的元件布置和 走线上应有相应的考虑 PLC 主机应尽量远离发热设备即变频器 尽量将发热 设备安置在 PLC 的上方 动力线与 PLC 的输入 输出线分开 接触器和 PLC 相 隔一定的距离 以减少电磁干扰 并联阻容吸收装置或放电二极管 以消除电 磁噪声 调试主要包括一下方面 1 电动机转向调整 轿箱放置于中间层站 在检修状态下 点动验证电动 机转向是否正确 2 检修运行 利用上行 下行开关 试验电梯上 下电气限位是否起作用 试 验超载开关 检查其他机械部分安装是否合适 3 快车运行 包括单层运行 多层运行 箱内召唤指令 厅外召唤指令 舒 适感等 同时应注意调试时 在 PC 机上使用 Intouch 软件画好监控界面 监控界面 画好后 进行检查 确定没有错误后 将 PLC 控制系统通电 PLC 置于 Run 的 工作模式 上位机通过 MODBUS 通信协议与 PLC 进行通信 检查 PLC 控制系 16 统的状态信息 是否能在 PC 机的监控界面上显示 PLC 控制系统的状态信息 变化时 是否能在 PC 机的监控界面上有所反映 实时性是否良好 如果不能 正常显示 检查通信是否正常 Intouch 里定义的标记名所对应的地址是否正确 等 根据检查所发现的问题 反复修改调试 直到满足要求 六 个人体会六 个人体会 经过几周的紧张 忙碌的努力 终于完成了本次设计活动 通过这次开放 性设计锻炼 使我了解了电梯系统的工作原理和基本功能模块 以及实现这些 功能的具体方法 了解到如何做监控界面 同时也认识到自己的 PL