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机电控制综合应用四层电梯控制系统设计姓名：张华班级：机自102班学号：201006024234专业：机械设计制造及其自动化学校：中原工学院信息商务学院 指导教师：吴军 王振成 摘要本课程设计报告主要介绍可编程控制器（plc）在电梯电气控制系统中的应用，采用的是西门子系列，通过对系统结构设计和程序设计的介绍，给出了四层电梯逻辑控制部分的方法。主要涉及四层电梯的plc控制系统的总体设计方案、组成及模块化程序设计。电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。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。在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。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。四层电梯设计采用西门子s7-200控制，利用软件实现对电梯运行自动控制，大大提高了电梯的可靠性、安全性、快捷性，另外节省了大量外部接线，简化了控制系统结构。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。目录一、摘要二、电梯的简介2.1电梯的定义2.2电梯的组成及功能2.3电梯的原理三、plc可编程控制器 3.1 plc的定义 3.2 plc的特点 3.3 plc的结构及工作原理四.电梯的硬件设计 4.1电梯的控制要求 4.2可编程控制器（plc）机型的选择 4.3输入/输出点分配 4.4 plc外部接线图 4.5主电路接线图五. 软件设计 5.1 plc的编程语言 5.2 程序设计常用方法5.3电梯上升下降流程图 5.4梯形图六.设计心得七参考文献八附录8.1梯形图8.2实物图片二电梯的简介2.1 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。 2.2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。2.3电梯的原理2.3.1电梯的结构原理 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2-1 电梯的基本结构 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。 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。 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。 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 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。 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。 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。 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。2.3.2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。三、 plc可编程序控制器3.1 plc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。”3.2 plc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。3.3 plc的结构及工作原理3.3.1 plc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。1cpu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。3.3.2 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。四 电梯硬件设计4.1电梯的控制要求可以实现四层之间直接到达，即：假如电梯在一层，则它可以直接到达二层、三层、四层任何一层停止，而中间不停止。要有行程限制，防止电梯传感器失灵而出现安全事故。要有故障维修和警示灯。电梯到达每层时，该层要显示。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。电梯有四个按钮，分别代表一层、两层、三层、四层；每层有一个传感器和指示灯；上下各有一个行程开关；有一个手动上升按钮和一个手动下降按钮；有一个故障按钮和一个维修完毕复位按钮；有一个故障指示灯；有一个上升指示灯和下降指示灯。共有十四个输入，有七个输出。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21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cpu224输入，输出点数为1410，足以满足要求。4.3 输入/输出点分配该系统占用plc的21个i/o口，14个输入点，7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i0.00电梯上行q0.01二层i0.11电梯下行q0.12三层i0.22故障灯q0.23四层i0.33一层指示灯q0.34一层传感器i0.44二层指示灯q0.45二层传感器i0.55三层指示灯q0.56三层传感器i0.66四层指示灯q0.67四层传感器i0.778故障维修i1.089维修完毕i1.1910上升极限位i1.21011下降极限位i1.31112手动上升i1.41213手动下降i1.5134.4 plc外部接线图本设计的plc外部接线图如图4-1所示.cpu224cn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）图4-1 plc外部接线图4.5主线路电路图五. 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。顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成，在使用时它有一些使用规则，具体如下：步于步之间必须用转移隔开；转移与转移之间必须用步隔开；转移和步之间用有向线段连接，正常画顺序功能图的方向是从上向下或则从左向右。按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。一个顺序功能图中至少有一个出初始步。5.3电梯上升下降流程图5.4梯形图见附录！六.设计心得 设计心得这次课程设计从开始到结束用力三个多月的时间，非常高兴能够圆满完成。通过设计由最初对电梯工作过程一窍不通到自己独立设计，渐渐明白了利用plc就可以实现控制电梯复杂的运行。在本次设计中学到最多的是电梯的控制过程，比如说当有多个呼层指令发出时，电梯会根据自己的位置最先响应距离自己最近的信号，当运行时再有呼梯信号进来，就先完成当前任务，如果这个呼梯信号在运行方向前方，则到达呼叫层停止，然后再继续运行，实现了控制过程的智能化。节省了电能消耗，在一定程度上保护了环境。设计中用到了plc、变频器、压力传感器，通过对plc为中心编程控制电梯整个运行过程，为了使电梯可靠安全运行，加入了多种保护开关，如拽引机超载保护防止电