六层电梯的PLC控制系统设计

太原科技大学毕业设计 论文 I 目录 摘要 I Abstract II 第 1 章 引言 1 第 2 章 功能需求分析 3 2 1 电梯的集选控制功能 3 2 2 电梯的楼层检测及平层功能 3 2 3 电梯门的控制功能 3 2 4 电梯的调速功能 4 2 5 电梯的安保功能 4 第 3 章 电梯控制系统的硬件设计 5 3 1 可编程控制器 PLC 的选型 5 3 2 其他主要器件的选型 5 3 2 1 电机的选型 5 3 2 2 变频器的选型 6 3 2 3 开关器件的选型 6 3 3 电气原理图的设计及工作原理 7 3 3 1 主电路图的设计及工作原理 7 3 3 2 电梯升降控制部分电路图设计及工作原理 9 3 3 3 电梯门控制部分电路图设计及工作原理 10 太原科技大学毕业设计 论文 II 3 4 输入输出 I O 口分配及 PLC 接线 11 第 4 章 系统软件设计 15 4 1 软件设计思想及主程序流程图 15 4 2 电梯控制系统各环节梯形图设计 16 4 2 1 外部请求响应子程序 16 4 2 2 梯内请求信号响应子程序 18 4 2 3 当前层显示子程序 18 4 2 4 上升控制子程序 19 4 2 5 下降控制子程序 19 太原科技大学毕业设计 论文 III 4 2 6 电梯门控制子程序 20 4 2 7 电梯升降控制子程序 20 第 5 章 系统的仿真 22 第 6 章 结论 24 致谢 26 参考文献 27 太原科技大学毕业设计 论文 I 摘要摘要 本文采用可编程控制器 PLC 代替传统的继电器接触控制 设计了六层电梯的控制系 统 在功能需求分析的基础上 选用 S7 200 系列 PLC CPU226 作为控制器完成了系统 的硬件系统的设计 利用编程软件 Step7 Micro 结合模块化的编程思想设计了电梯系统各 环节的梯形图 并借助 S7 200 仿真软件对六层电梯控制系统进行了模拟仿真 给出了仿 真结果图 仿真结果表明本设计实现了电梯运行的基本功能 本文设计的电梯控制系统提 高了电梯的控制水平 克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素 取得了良好的预期效 果 也为高层电梯及电梯的群控技术提供了理论依据 关键字 电梯 PLC 控制系统 硬件系统 梯形图 仿真 太原科技大学毕业设计 论文 II Abstract In this paper the programmable controller PLC is used to replace the traditional relay contact control and the design of the control system for an elevator of six levels is introduced On the basis of analysis of the functional requirements S7 200 series PLC CPU226 is selected as the controller to complete the system hardware design the use of the programming software Step7 Micro designed the elevator system at all stages of the ladder with modular programming ideas and the use of S7 200 simulation software for a six story elevator control system simulation debugging simulation results are given and the Fig simulation results show that the design of the basic functions of elevator running can be realized In this paper the design of elevator control system improves the control level of the elevator and overcomes some human interference factors in manual operation and has achieved good result meanwhile it provides the theory basis for high level elevator and the control technology of elevator group Key words elevator PLC control system hardware system ladder diagram simulation 太原科技大学毕业设计 论文 III 太原科技大学毕业设计 论文 1 第 1 一章 引言 随着经济的发展 社会的进步 以及人口密度的增加 城市土地资源的紧缺 城市里 高楼大厦越来越多 高层建筑在城市里已然随处可见 甚至一度被作为衡量一个城市发达 与否的标准 而电梯承担着高楼里人和物的主要运输工作 已然成为了高楼不可或缺的设 备 因此 随着高楼的不断涌现 电梯行业也得以迅速发展 电梯的逻辑控制由原来的继 电器 接触器控制发展到了现在的可编程控制器控制 PLC 和微机控制 电梯的控制 方式由原来的手柄开关控制 按钮信号控制发展到了现在的集选控制 并联控制 群控等 电梯的传动方式由原来的直流电机传动发展到了现在的交流电机传动 从而使得电梯的可 靠性得到了大大的提高 电梯的速度得到了大幅度提升 电梯的能耗也得到极大的改善 电梯为人们的生活带来了极大的便利 也为我国的现代化建设提供了重要保障 对于高速 发展的电梯产业来说 提供更加安全 高效 环保 稳定的电梯控制系统 使每一部电梯 都能安全高效稳定地运行 将成为电梯行业未来的主要发展方向 近年来 随着生活水平 的进一步提高 人们对乘坐电梯的安全性和舒适性提出了更高的要求 这就要求电梯的研 究者和开发者不断提高电梯控制技术 以满足人们对于乘坐电梯日益增长的要求 十一届三中全会以后 在改革开放的浪潮下 我国经济得以迅速发展 也使得我国的 电梯行业进入了高速发展的时期 如今 在我国大部分城市 电梯都在被广泛地应用着 我国拥有的电梯数量已然居于世界第一 我国的电梯技术也达到了世界领先水平 然而 随着现代化建设的发展 科学与技术的进步 智能化和信息化建筑的出现 以及人们生活 观念的改变 电梯行业将面临新一轮挑战 人们对电梯的要求将不只是完成垂直运输的基 本功能 人们本着以人为本的观念 对电梯的安全性和舒适性提出了更高的要求 这就要 求电梯的研究者和开发者从电梯运行的控制智能化角度考虑 电梯的优质服务不再是单一 的 时间最短 问题 而是采用模糊理论 神经网络 专家系统等方法 以期实现单梯与 群控管理的最佳模式 合理的配置与使用远程监控与故障诊断 节能以及减少环境污染等 本论文中将重点研究电梯的升降控制逻辑以及电梯的整个运行过程 不着重介绍主电动机 的升降速度以及电梯的安全保护措施 本设计主要是用可编程控制器 PLC 代替电梯的传统电气控制系统 由于大部分老式 电梯的电气控制系统可靠性欠佳 用户寻求对电梯的电气控制系统进行技术改造 以便改 善电梯性能 减少电梯成本 因此 对电梯的控制系统进行研究 提出一条适合国产老式 太原科技大学毕业设计 论文 2 传统电梯的改造技术 并进而提高国产电梯的技术水平和质量 将具有十分重要的意义 针对老式传统电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱 故障多 可靠性差和工作寿命 短等缺陷 本论文提出采用功能强 故障率低 可靠性高的可编程控制器 PLC 来控制电 梯系统 本论文对电梯控制系统及可编程控制器 PLC 作了简单的介绍 并对本电梯控制系 统进行了功能需求分析 确定了本系统的总体设计方案 由可编程控制器 PLC 来实现 电梯的逻辑信号控制 由交流电机来实现电梯的调速 然后对本系统硬件开发部分做了相 关介绍 确定了 PLC 的选型 I O 点数分配以及与 PLC 连接的外部设备 在确定了系统 的硬件系统之后 认真分析了电梯控制系统的软件设计方法 根据功能需求设计出了控制 系统的软件流程图 提出了模块化编程思想 并详细介绍了系统的软件开发 对电梯控制 系统的各个环节的梯形图进行了设计与工作原理阐述 最后对本设计过程中遇到的问题及 本设计的不足之处进行了一个总结 电梯及电梯及 PLCPLC 的基本知识的基本知识 本章主要介绍电梯及 PLC 的基本知识 以便于更好的理解该系统 电梯的基本知识介 绍了电梯的定义 分类 组成结构以及现有电梯存在的问题 PLC 的基本知识从 PLC 的定 义和特点 PLC 的组成 PLC 的工作原理及 PLC 控制电梯系统的优点等方面做了相关介绍 2 12 1 电梯的基本知识电梯的基本知识 2 1 12 1 1 电梯的定义及分类电梯的定义及分类 根据国家标准 GB T7024 1997 电梯 自动扶梯 自动人行道术语 电梯的定义 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 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 根据我国的行业习惯 电梯的分类有如下几种形式 1 按用途分类 乘客电梯 载货电梯 客货电梯 病床电梯 杂物电梯 住宅电梯 特种电梯 2 按速度分类 低速电梯 以下 快速电梯 高速电梯 s m1 s m1 s m2 太原科技大学毕业设计 论文 3 超高速电梯 以上 s m2 s m3 s m3 3 按拖动方式分类 交流电梯 直流电梯 液压电梯 齿轮齿条电梯 螺杆式电梯 直线电动机驱动的电梯 4 按控制方式分类 层间控制 简易集选控制 集选控制 有无司机控制 群控 5 按曳引机结构分类 有齿曳引机电梯 无齿曳引机电梯 2 1 22 1 2 电梯的结构组成电梯的结构组成 电梯是机电一体化产品 也是一个典型的自动控制系统 其控制部分是该系统的控制 器 电气部分组成了该系统的执行器及检测元件 机械部分为该系统的控制对象 在控制 器的统筹调度下 各部分协调配合 共同保证了电梯的正常安全运行 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 其机械部分由曳引系统 轿厢和门系统 平衡系统 导向系统以及机械安全保护装置组成 而电气控制部分由电力 拖动系统 运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成 1 曳引系统 电梯曳引系统负责输出动力和传递动力 用于驱动电梯运行 主要由曳引机 曳引钢 丝绳 导向轮和反绳轮等装置组成 曳引机是电梯的动力提供装置 由电动机 曳引轮 联轴器 减速箱 制动器 机座等部分组成 曳引钢丝绳的两端分别连接轿厢和对重 或 者两端固定在机房上 依靠钢丝绳和曳引轮绳槽之间的摩擦来驱动轿厢的升降 导向轮 用于使轿厢和对重间隔开 为增加曳引力 可以采用复绕型 导向轮安装在曳引机架上或 承重梁上 2 导向系统 导向系统由导轨 导靴和导轨架等部分组成 它的作用是限制轿厢和对重的活动自由 度 以保证轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动 导轨固定在导轨架上 导轨架是承重导 轨的组成部件 与井道壁连接 导靴安装在轿厢和对重架上 与导轨配合 以强制轿厢和 对重在导轨的直立方向运动 3 门系统 太原科技大学毕业设计 论文 4 门系统由轿厢门 层门 开门机 联动机构等组成 轿厢门设在轿厢入口处 由门扇 门导轨架 门靴和门刀等组成 层门设在层站入口处 由门扇 门导轨架等部分组成 开 门机设在轿厢上 是轿厢和层门开合的动力装置 4 轿厢 轿厢的功能是运送乘客或者货物 它是由轿厢架和轿厢体两部分组成的 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 轿厢体空间的大小取决于 额定载重的大小和额定客人的数量 5 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 对重可以平 衡轿厢自重和部分的额定载重 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 6 电力拖动系统 电力拖动系统由曳引电动机 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 曳引电动机是为电梯提供动力的装置 根据电梯的配置可采用交 流电动机或者直流电动机 供电系统是电动机的电源提供装置 速度反馈系统用于为调速 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动机相连 调速 装置可对曳引电动机的速度进行调控 7 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 其中控制装置负责控制电梯按一定的逻辑控制要求运行 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等部分组成 乘客可通过按钮箱和召唤箱上的按 钮来操纵电梯的运行 平层装置用于确保电梯在某一楼层停靠时 轿厢可以与厅门处于一 个水平面上 避免事故的发生 在接近停靠站时 平层装置将发出平层信号并将该信号传 递到控制装置 控制装置将对平层信号做出响应 控制电梯平层 位置显示装置 用于显 示电梯当前所在的楼层 表现为轿内的楼层指示灯和厅门的箭头指示灯 8 安全保护系统 太原科技大学毕业设计 论文 5 安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统 可确保电梯安全地使用 机械方 面的有 限速器和安全钳能起到超速保护作用 缓冲器能起到冲顶和撞底的保护作用 还 有切断总电源的极限保护装置等措施 电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节梯形图 中都有所体现 2 1 32 1 3 目前电梯存在的主要问题目前电梯存在的主要问题 随着社会的发展 建筑智能化水平的提高 电梯作为各楼宇的门户 如果依然仅仅具 备其移动运输的功能 将显得功能太过单调 老式传统电梯采用的继电器逻辑控制方式存 在功能弱 故障多 可靠性差和工作寿命短等缺陷 2 22 2 PLCPLC 的基本知识的基本知识 2 2 12 2 1 PLCPLC 的定义和特点的定义和特点 可编程控制器 Programmable Controller 是基于工业环境设计的 具有很强的抗 干扰能力 它是一种数字运算操作的电子系统 专为工业环境而设计 它采用了可编程的 存储器 用来在其内部存储逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作的基于用 户的指令 并通过数字式和模拟式的输入和输出 控制各种类型的机器或过程 PLC 及其 相关的外围设备 都应该按易于与工业控制系统集成 易于实现其预期功能的原则设计 为了与个人计算机 Personal Computer 区别 一般将可编程序控制器简称为 PLC Programmable Logic Controller PLC 的产生是基于工业控制的需要 是面向工 业控制领域的专用设备 具有以下几个显著特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 主要模块采用了集成电路 减少了硬件线路和机械触点的数量 用程序实现逻辑顺序 和时序的控制 大大提高了其可靠性 在抗干扰性能方面 PLC 在结构设计 内部电路设 计 系统程序执行等方面都给予了充分的考虑 结构简单 通用性强 整个 PLC 控制系统采用模块化结构 扩展模块品种繁多 可灵活组合完成各种控制要 求 当控制要求发生改变时 只需简单更改程序或者更换模块即可 因此 其结构十分简 太原科技大学毕业设计 论文 6 单 通用性很强 编程简单 易于使用 PLC 采用梯形图语言进行编程 该语言中的电路符号和表达方式与电气原理图相似 形象直观且简单易学 4 控制系统易于设计 开发周期短 PLC 面向底层用户 设计时只需按照其性能和容量等选用合适的型号和模块进行组装 根据功能要求进行程序设计即可 而其软件编程和模块化结构更是大大减少了繁琐的安装 接线工作 故其易于设计 开发周期短 5 维护方便 PLC 可通过输入输出端子处的指示灯直观的反映现场的信号变化 易于诊断故障 并 且采用模块化结构 方便排除故障 6 功能强 性价比高 PLC 的高集成 编程控制 模块化的结构等特点使得由 PLC 构成的系统易于扩展 亦 可满足各种需求 抗干扰性强 可降低系统成本 2 2 22 2 2 PLCPLC 的基本组成的基本组成 市场上的可编程控制器 PLC 种类繁多 而且外观也不尽相同 但是其硬件结构和组 成原理大体相同 主要由中央处理单元 CPU 存储器 RAM ROM 输入输出器件 I O 接口 电源及编程设备等几大部分构成 其基本结构框图如图下所示 图 PLC 的硬件结构框图 1 中央处理单元 CPU 中央处理器是可编程控制器的核心 是 PLC 进行运算和协调控制的地方 它的性能直 接影响了 PLC 的整体性能 太原科技大学毕业设计 论文 7 2 存储器 PLC 存储器可分为系统存储器和用户存储器两部分 用于存储 PLC 运行需要的程序以 及其运行过程中产生的数据 一般有 ROM EEPROM RAM 三种类型 3 输入输出接口 I O 接口 I O 接口是 PLC 与现场 I O 设备或其他外部设备之间的连接部件 PLC 输入输出信 号有数字量和模拟量两种 输入输出接口一般包括与被控设备相连接的接口电路和输入 输出映像寄存器两部分 4 电源 PLC 可使用 220V 的交流电或 24V 的直流电 内部的开关电源由 PLC 的中央处理器等电 路提供 部分 PLC 外接 24V 直流电源 用于对外部传感器等供电 5 编程设备 过去的编程设备是由厂家提供的编程器 仅能对用户程序进行读写和调试 现在 PLC 厂家不再提供编程器 PLC 的编程依靠运行于 PC 上的编程软件 该编程软件既能完成程 序的编辑 修改 转换 打印 保存 还能进行实时调试 对 PLC 运行过程中的各个参数 进行监控 2 2 32 2 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 可编程控制器 PLC 有两种基本工作状态 即运行 RUN 状态和停止 STOP 状态 当 PLC 工作在 STOP 状态下时 扫描过程只包括内部处理和通信处理两个阶段 当 PLC 在进入 RUN 状态之后 采用循环扫描方式工作 从第一条指令开始 在无中断或跳转控 制的情况下 按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序 即按顺序逐条执行程序 直 到程序结束 然后再从头开始扫描 并周而复始地重复进行 可编程序控制器工作时的扫 描过程如图 3 2 所示 包括五个阶段 内部处理 通信处理 输入扫描 程序执行 输 出处理 图 PLC 工作时的扫描过程 太原科技大学毕业设计 论文 8 PLC 的工作过程一般可分为输入采样 程序执行和输出刷新三个主要阶段 在 PLC 的实际工作过程中 还要进行自诊断 与外设 如编程器 上位计算机 进行通信等处理 2 2 42 2 4 PLCPLC 控制电梯系统的优点控制电梯系统的优点 PLC 控制电梯系统有很多优点 主要表现在以下几个方面 1 在电梯控制中采用可编程控制器 用软件实现对电梯的逻辑控制 可使电梯自动 运行的可靠性显著改善 2 PLC 的运用取缔了大部分继电接触器 使得控制系统结构简化 安装线路减少 3 PLC 的模块化结构使得它不但功能强大 而且易于增加和改变控制功能 4 PLC 可进行故障自动检测 这将大大提高电梯运行的安全性 并便于后期维护和检 修 太原科技大学毕业设计 论文 9 第 2 章 功能需求分析 本章将根据本系统所要实现的主要功能 在确保可行的前提下 结合经济性 便利性 等原则 选择一种最佳的设计方案 以便更好的实现电梯控制功能 23 1 电梯的集选控制功能 当电梯轿厢内及各楼层厅门外同时有多个请求发出时 要能按照一定顺序逐个响应 这就要求系统能够对各个楼层的优先级进行判断比较 而且要能够记忆各个尚未作出响应 的请求信号 为方便各层发出请求 在各层厅门需要设置上下请求按钮 在轿厢内部需要 设置选层按钮 在编程时需要考虑电梯的响应逻辑 对请求信号做出比较 以便电梯能按 一定的顺序进行响应 对于尚未响应的请求信号要有专门的寄存器存储 以免信号丢失 当响应时可以将其从寄存器中取出 响应结束后要能自动消除请求信号 用程序实现顺向 截停 自动换向反向应答等功能 23 2 电梯的楼层检测及平层功能 电梯在控制过程中 需要判断当前电梯的位置 依据当前电梯的位置及请求信号做出 判断处理 要判断电梯的位置也就是需要对电梯进行楼层检测 对楼层检测可以用位置开 关 当电梯到达位置开关处时 相应的位置开关会做出响应 反馈给 PLC 当前的位置信号 当电梯接近停靠站时需要准备平层 使电梯轿厢地面和厅门地面可以停靠在同一水平面上 以免出现事故 为保证准确平层需要进行平层检测 平层检测可以使用接近开关 接近开 关是一种非接触式的开关 无机械损耗和机械误差 定位精度高 当电梯达到平层位置时 接近开关做出响应 反馈给 PLC 平层信号 PLC 接收信号并进行下一步响应操作 23 3 电梯门的控制功能 当电梯到达停靠站停机后 电梯门程序要判断当前情况是否满足开门条件 当满足时 要能实现自动开门 为实现准确判断要收集当前楼层信号 平层信号 电机运行信号等 当开门程序启动后要判断何时停止开门 当轿厢内有手动关门信号发出时将跳过开门程序 直接关门 当无手动开门信号时就需要在开门末端设置限位开关 当开门到达限位开关位 置时停止开门 开门程序结束后经过一定时间后要能自动关门 这段时间的长短可以通过 定时器设置 当关门程序启动后需要判断何时停止关门 当关门过程中轿厢内有手动开门 太原科技大学毕业设计 论文 10 信号或者检测开关检测到两扇门之间有物体存在时需要结束关门程序 跳转到开门程序 当无手动开门信号和关门检测信号时就需要在关门终端设置关门限位信号 当关门到达该 限位开关时停止关门 在电梯运行过程中 电梯门必须保证处于关闭状态 为保证电梯的 运行安全 当轿厢承载超重时 电梯门将无法关闭 为实现轿厢载重的检测 在轿厢内部 安装超重检测装置 当载重超过设定值时 发出超重信号给 PLC PLC 做出响应 23 4 电梯的调速功能 为提高电梯的舒适度 当电梯启动时 应以低速启动 为保证电梯的运行效率 电梯 运行过程中应以适当高速运行 当电梯停车时为保证准确靠站 应先降到较低速度运行 停站时抱闸停车 为实现电梯的双速运行 可以用变频器来实现电梯的调速 23 5 电梯的安保功能 本设计在电梯上升过程的呼叫程序中加入了一个呼叫确认开关 当按动上升请求按钮 时 上升呼叫信号将传送到该层户主家 户主确认呼叫才可发送上升请求到电梯控制器 户主出行可佩带 IC 卡以乘坐电梯 确认呼叫 该功能可防止陌生人随意进出该楼各楼层 在本设计中只是提供这一延伸功能 但与该功能相关的外围设备及设计不做探讨 本章针对系统的部分主要控制要求进行了功能需求分析 给出了设计方案 为后续的 硬件系统设计甚至软件系统设计提供了一定的理论支持 太原科技大学毕业设计 论文 11 第 3 章 电梯控制系统的硬件设计 本章主要介绍电梯的硬件部分 在对电梯系统进行了功能需求分析之后 本章将首先 根据具体要求选择适当的硬件设备 并对一些主要的硬件设备进行分析选型 在确定了硬 件设备之后 将着重介绍该系统的电气原理图的分析与设计 并对电气系统的工作原理做 出说明 34 1 可编程控制器 PLC 的选型 PLC 作为整个控制系统的核心 在选择时要结合实际功能进行考虑 电梯控制系统需 要 PLC 完成的是一些很常规的功能 市场上的大部分 PLC 都能实现 故在此主要考虑其容 量和成本 本系统是一个六层的电梯控制系统 属于中小型控制系统 考虑到本人对德国西门子 公司生产的一种小型 PLC S7 200 比较熟悉 而且其某些功能达到中型 PLC 的水平 但价 格却是小型 PLC 价格 性价比较高 故此首先考虑采用 S7 200 系列 PLC 经分析 该系 统需要 34 个输入 23 个输出 输入输出信号类型均为数字量 S7 200 系列 PLC 中 CPU226 型 PLC 拥有 24 个数字量输入 16 个数字量输出 最多可以接 7 个扩展模块 价格 相对较低 而且功能强大 CPU226 型 PLC 外接一个 16 点输入 8 点输出的输入 输出混合 扩展模块 EM223 即可满足要求 使用方便 功能强大 而且价格便宜 故此 本系统采用 CPU226 型 S7 200 系列 PLC 34 2 其他主要器件的选型 34 2 1 电机的选型 六层电梯控制系统为一中小型控制系统 所需功率较小 因其商用性 民用性的特点 要求价格便宜 运行稳定 电机分为直流电机和交流电机 直流电机较交流电机来说 调 速范围广 易于平滑调速 启动 制动和过载转矩大 易于控制 可靠性较高 但换向问 题严重 交流电机结构简单 制造方便 比较牢固 容易做成高转速 高电压 大电流的 电机 最主要的是交流电机没有换向问题 本系统换向频繁 外部电源为交流电源 故采 用交流电机 交流电机分为异步电机和同步电机 异步电动机结构简单 容易制造 价格低廉 性 太原科技大学毕业设计 论文 12 能良好 运行可靠 坚固耐用 运行效率较高且适用性强 缺点是功率因数较差 同步电 动机功率因数较高 对大功率低转速的电动机 其体积要比异步电动机小 但其结构和性 能较异步电动机较差 故此采用异步电动机 异步电动机又分为鼠笼式和绕线式两种 鼠笼式电机结构简单 成本低 运行可靠 维护工作量小 控制电机运行也相对简单 但是启动力矩较小 不易调速 绕线式电机可 以通过集电环和电刷 在转子回路中串入外加电阻 从而实现平稳的启动或改变外加电阻 在一定范围内调节转速 而且其启动及运行的力矩较大 一般用在重载和频繁启动的生产 机械上 但其也因此结构复杂 成本增加 运行可靠性降低 维护费用增加 鼠笼式异步 电机的维护及运行成本都比绕线式电机低 而且可靠性更高 故此采用鼠笼式电机 综上所述 本电梯控制系统采用三相交流鼠笼式异步电动机 3 34 4 2 2 2 2 变频器的选型变频器的选型 为实现电机的平稳运行 在此选用变频器控制电机的运行 生产扁平去的商家很多 市场上变频器的种类更是不胜枚举 由于功能不同 在使用时会稍有差别 但大部分使用 方法一样 在此选用本人比较熟悉的一种通用变频器西门子 MICROMASTER 440 简称 MM440 MM440 变频器集多种功能于一体 该系列有 8 种型号可供实际制作时根据具体参数选用 其内置多种运行控制方式 可根据控制要求进行选择 能进行快速电流限制 实现无跳闸 运行 内置式制动斩波器 可实现直流注入制动 具有 PID 控制功能的闭环控制 控制器 参数可实现自动整定 具有多种参数设定且可相互切换 变频器可用于控制多个交替工作 的生产过程 其多功能数字 模拟输入 输出口 可任意定义其功能和具有完善的保护功 能 该变频器的保护功能也比较完善 可进行过电压及欠电压保护 变频器过热保护 接 地故障保护 短路保护和 PTC KTY 电动机过载保护等 使用变频器进行控制 可提高控制 质量 减少维护费用 故此本系统采用 MM440 系列变频器进行控制 3 34 4 2 3 2 3 开关器件的选型开关器件的选型 本系统用到很多的开关器件 主要有各楼层的位置感应开关 平层感应开关 电梯门 开门关门终端位置开关 各楼层的上下请求按钮开关 轿厢内的选层按钮开关 电梯运行 上下极限位置开关 关门过程检测开关 超重检测开关 以下将根据各开关的功能选用合 适的开关器件 楼层位置感应开关需要能实现当电梯到达任意楼层时 该层位置感应开关能做出响应 太原科技大学毕业设计 论文 13 给出位置信号 再次选用位置开关 当电梯到达该楼层时 该楼层对应的位置开关会闭合 同时将该信号传送到控制器 平层感应开关用来控制电梯的平层动作 作为平层的参考点 当电梯到达该位置时能 确保平层 故此需要该检测开关定位要准确 可靠性高 在此选用接近开关 接近开关是 一种非接触式的行程开关 当某种物体与它接近到一定距离时就发出动作信号 无需施加 机械力以及物理接触 而是通过其感辨头与被测物体间介质能量的变化来获取信号 故其 定位精度高 操作频率高 使用寿命长 对恶劣环境的适应能力强 接近开关又可分为高 频振荡型 电容型 霍尔型 在此根据系统要求选用霍尔型 霍尔型接近开关由霍尔元件 组成 是将磁信号转换为电信号输出 内部的磁敏元件仅对垂直于传感器端面磁场敏感 当磁极 S 正对接近开关时 接近开关的输出产生正跳变 输出为高电平 若磁极 N 正对接 近开关 输出产生负跳变 输出为低电平 霍尔型接近开关的垂直信号获取方式可确保电 梯平层 定位精度高 使用寿命长 故此选用霍尔型接近开关 电梯门开门关门终端位置开关 电梯运行上下极限位置开关用于当电梯门和电梯到达 预设定的极限位置时 电梯门和电梯停止动作并发出到达信号到控制器 控制器据此发出 下部控制指令 故在此选用限位开关 又称作行程开关 是一种利用生产机械某些运动部 件的碰撞来发出控制命令的主令电器 当电梯门或电梯的机械部分到达限位开关时 限位 开关动作 发出限位信号 可满足该系统的控制要求 故此选用限位开关 各楼层的上下请求按钮开关 轿厢内的选层按钮开关用于当乘客按动各楼层上下请求 按钮或轿厢内的选层按钮时 发出控制信号到控制器 功能简单 故此选用普通的按钮开 关即可 关门过程检测开关用于关门过程中检测两门之间是否存在物体 以便控制电梯门的动 作 其要求检测范围为两门之间 检测方式为非接触检测 检测结果只是有或者无 检测 速度要迅速 在此选用光电开关 光电开关体积小 功能多 寿命长 精度高 响应速度 快 检测距离远 抗电磁干扰能力强 还可非接触 无损伤的检测 当两门之间存在物体 时 光电开关能迅速检测 并迅速响应发出控制信号到控制器 满足系统要求 故此选用 光电开关 超重检测开关用于防止电梯超载运行造成的不安全隐患 检测开关应具备检测当前电 梯载重是否超过预设限定值的功能 当超过限定值时能迅速将响应信号发送到控制器 以 太原科技大学毕业设计 论文 14 便控制器做出下部动作 超重检测开关选用压力控制开关 当压力大于设定值时动作 发 出响应信号到控制器 可将设定值设置为载重上限 满足系统要求 故此选用压力控制开 关 34 3 电气原理图的设计分析及工作原理 34 3 1 主电路图的设计及工作原理 由 3 2 可知本采用三相鼠笼式异步电动机 故此系统外接三相电源 系统的主要组成 部分为控制电梯升降的电机 MA1 和控制电梯门开合的电机 MA2 故系统的主电气原理图如 图 3 1 所示 系统主电路由三相交流电源 电动机 MA1 电动机 MA2 接触器 QA1 QA2 QA3 QA4 的主触点 热继电器 BB1 BB2 的热元件组成 当控制线路部分控制接触 器 QA1 线圈通电 其常开主触点闭合 电动机 MA1 接通电源 全电压启动 开始正转 电 梯上行 当接触器 QA2 线圈通电 其常开主触点闭合 电动机 MA1 反转 电梯下行 当控 制线路部分控制接触器 QA3 线圈通电 其常开主触点闭合 电动机 MA2 接通电源 全压启 动正转 电梯门开 当接触器 QA4 线圈通电 其常开主触电闭合 电动机 MA2 反转电梯门 闭合 当过载时间较长 热继电器热元件 BB1 BB2 检测到温度过高时 将信号传递到热继 电器 热继电器动作 控制电机部分失电停止 太原科技大学毕业设计 论文 15 图 3 1 电梯硬件控制系统主电路原理图 实际接线时可将变频器接入电路 用变频器来控制电机的启停及调速 主电路部分接 线图见图 3 2 太原科技大学毕业设计 论文 16 图 3 2 电梯硬件控制系统主电路接线图分析分析 34 3 2 电梯升降控制部分电路图设计及工作原理 电梯升降控制是系统的核心部分 用来控制电梯的升降操作 是电梯逻辑关系的执行 部分 电梯升降控制部分电路图主要包括各楼层的位置开关 各楼层门厅外的上升 下降 请求按钮及按钮指示灯 轿厢内各楼层的选层按钮及选层记忆指示灯 呼叫确认开关按钮 电梯门关闭限位按钮 接触器线圈 QA1 QA2 QA3 QA4 热继电器 BB1 BB2 当电梯呼叫请 求信号出现的楼层位于当前楼层上方时 电梯将上行 电梯上行控制线路如 图 3 3 太原科技大学毕业设计 论文 17 图 3 3 电梯升降电机上升控制线路 现以电梯位于一层时说明电梯上行的工作原理 当电梯位于一层时 位置开关 BG0 闭 合 出现以下任意呼叫请求信号 一层以上的二至五层门厅出现上升或下降呼叫请求信号 六层门厅出现下降请求信号 轿厢内出现二 六层选层记忆信号 对应的请求信号按钮 SB2 SB6 SB11 SB20 按钮将出现闭合 相应的按钮指示灯点亮 此时 上升呼叫信号确定 需检测 QA2 QA3 BG9 状态 确保当前电梯升降电机 MA1 没有进行下降动作 电梯门电机 MA2 没有进行开门动作 电梯门处于关闭状态 即电梯门关门限位开关 BG9 闭合 电机正 转 电梯进行上升动作 当电梯位于其他楼层时执行相似操作 当呼叫信号楼层位于当前 楼层上方时 电梯将准备启动上升程序 当电梯呼叫信号出现的楼层位于电梯当前所在楼层下方时 电梯将下降 电梯下降控 制线路图如图 3 4 图 3 4 电梯升降电机下降控制线路 现以电梯位于六层时说明电梯下行的工作原理 当电梯位于六层时 位置开关 BG5 闭 合 出现以下任意呼叫请求信号 六层以下的二至五层门厅出现上升或下降呼叫请求信号 一层门厅出现上升请求信号 轿厢内出现一 五层选层记忆信号 对应的请求信号按钮 SB1 SB5 SB10 SB18 按钮将出现闭合 相应的按钮指示灯点亮 此时 下降呼叫信号确定 需检测 QA1 QA3 BG9 状态 确保当前电梯升降电机 MA1 没有进行下降动作 电梯门电机 MA2 没有进行开门动作 电梯门处于关闭状态 即电梯门关门限位开关 BG9 闭合 电机反 转 电梯进行下降动作 当电梯位于其他楼层时执行相似操作 当呼叫信号楼层位于当前 楼层下方时 电梯将准备启动下降程序 太原科技大学毕业设计 论文 18 分析分析 34 3 3 电梯门控制部分电路图设计及工作原理 电梯门的控制关系到电梯乘客的安全 因此 电梯门的控制需要考虑多方面因素 电 梯门的控制分为电梯开门控制和电梯关门控制 电梯的开门及关门控制线路如图 3 5 图 3 5 电梯门电机控制线路图 电梯开门工作原理 当前电机运行正常 热继电器 BB2 处于接通状态 当电梯停靠于 某一楼层时 对应的楼层位置检测开关 BG0 BG5 之一接通 同时电梯的升降电机停止运转 接触器 QA1 QA2 处于闭合状态 抱闸装置 YB 启动 电梯位置锁死 检测电梯是否平层 当电梯平层后 平层检测开关 BG10 BG11 闭合 电梯准备开门 电梯经过一定延时 KF0 自 动开门 或者按下轿厢内开门开关 BG8 将跳过延时 直接启动开门程序 电梯门关门工作原理 当电梯门已开完全 电梯开门终端限位开关 BG8 闭合 关门检 测光电开关检测当前状态下两门之间是否存在物体 当两门之间不存在物体时 关门检测 开关 SP 闭合 反之 SP 保持打开状态 电梯门无法闭合 超重检测开关检测当前状态下 是否超重 当轿厢承载未超重时 超重检测开关 BP 保持闭合状态 反之 BP 打开 电梯 门无法关闭 与此同时 电梯必须处于停止状态 即 QA1 QA2 处于闭合 当以上条件均满 足时 电梯经过一定延时 KF1 后自动关门 或者当按动轿厢内关门按钮时将跳过延时 直 接启动关门程序 分析分析 太原科技大学毕业设计 论文 19 34 4 输入输出 I O 口分配及 PLC 接线 本系统用到的输入输出口较多 主要有 34 个输入端 主要包括有 6 个轿厢内选层按 钮 用于轿厢内选层 除一层和六层外每层厅门外一个上升请求按钮及一个下降请求按钮 一层有一个上升请求按钮 六层一个下降请求按钮 共计 10 个厅门请求按钮 轿厢内一 个开门按钮和一个关门按钮 每层一个位置开关 共计 6 个位置开关 用于检测当前电梯 所在的位置 为保证电梯的安全 在一层和六层分别设置一个电梯上极限限位开关和一个 电梯下极限限位开关 在电梯门上设置开门和关门终端限位开关 用于判断开关门的结束 位置 一个用于控制电源的总电源开关 两个平层检测开关 用于检测电梯是否平层 一 个关门检测光电开关 用于关门时检测两门之间是否存在物体 一个超重检测开关 用于 检测当前轿厢载重是否超过设定值 有 23 个输出端 包括 6 个内选记忆指示灯 用于显 示当前已选层 除一层和六层外每层厅门外一个上升请求按钮指示灯及一个下降请求按钮 指示灯 一层有一个上升请求按钮指示灯 六层一个下降请求按钮指示灯 共计 10 个厅 门请求按钮指示灯 一个开门动作及一个关门动作控制端 电梯升降电机正反转控制端 两个速度设定端 一个抱闸装置控制端 输入输出 I O 口分配见表 3 1 表 3 1 输入输出口 I O 分配表 序号 地址注解电气符号 序号地址注解电气符号 1I0 0 一楼楼层位置 BG01Q0 0 一楼上升灯 PG0 2I0 1 二楼楼层位置 BG12Q0 1 二楼上升灯 PG1 3I0 2 三楼楼层位置 BG23Q0 2 二楼下降灯 PG2 4I0 3 四楼楼层位置 BG34Q0 3 三楼上升灯 PG3 5I0 4 五楼楼层位置 BG45Q0 4 三楼下降灯 PG4 6I0 5 六楼楼层位置 BG56Q0 5 四楼上升灯 PG5 7I0 6 轿厢内一楼按钮 SB17Q0 6 四楼下降灯 PG6 8I0 7 轿厢内二楼按钮 SB28Q0 7 五楼上升灯 PG7 9I1 0 轿厢内三楼按钮 SB39Q1 0 五楼下降灯 PG8 太原科技大学毕业设计 论文 20 10I1 1 轿厢内四楼按钮 SB410Q1 2 六楼下降灯 PG9 11I1 2 轿厢内五楼按钮 SB511Q1 3 一层内选记忆指示灯 PG10 12I1 3 轿厢内六楼按钮 SB612Q1 4 二层内选记忆指示灯 PG11 13I1 4 呼叫确认按钮 SB713Q1 5 三层内选记忆指示灯 PG12 14I1 5 轿厢内开门按钮 SB814Q1 6 四层内选记忆指示灯 PG13 15I1 6 轿厢内关门按钮 SB915Q1 7 五层内选记忆指示灯 PG14 16I1 7 一楼请求上升按钮 SB1016Q2 0 六层内选记忆指示灯 PG15 17I2 0 二楼请求上升按钮 SB1117Q2 1 开门动作 QA3 18I2 1 二楼请求下降按钮 SB1218Q2 2 关门动作 QA4 19I2 2 三楼请求上升按钮 SB1319Q2 3 电梯启停 20I2 3 三楼请求下降按钮 SB1420Q2 4 电梯正反转 QA1 QA2 21I2 4 四楼请求上升按钮 SB1521Q2 5 速度设定 1 低速 22I2 5 四楼请求下降按钮 SB1622Q2 6 速度设定 2 高速 23I2 6 五楼请求上升按钮 SB1723Q2 7 抱闸装置 YB 24I2 7 五楼请求下降按钮 SB18 25I3 0 六楼请求下降按钮 SB20 26I3 1 电梯上极限 BG6 27I3 2 电梯下极限 BG7 28I3 3 开门终端限位 BG8 29I3 4 关门终端限位 BG9 30I3 5 总电源开关 SB0 31I3 6 上平层检测开关 BG10 太原科技大学毕业设计 论文 21 32I3 7 下平层检测开关 BG11 33I4 0 关门检测光电开关 SP 34I4 1 超重控制开关 BP 对应于输入输出口分配表可得 PLC 的接线图见图 3 6 图 3 6 PLC 接线图 本章对硬件系统的控制器和主要器件进行了选型 通过分析系统的工作原理给出了电 气原理图 并确定了控制器的 I O 口分配 为第 4 章的软件设计提供了硬件支持 太原科技大学毕业设计 论文 22 第 4 章 系统软件设计 本章主要对电梯控制系统的软件部分进行设计 在对电梯控制系统的硬件部分进行分 析设计之后 本章将在第三章搭建的硬件平台上 根据控制系统的需要 分析系统运行的 逻辑关系 确定软件设计的思想 并给出主程序流程图 在主程序的基础上运用模块化的 编程思想 分块对该系统的各个环节进行了详细设计 45 1 软件设计思想及主程序流程图 在电梯控制系统中 有大量的逻辑信号需要处理 这部分工作是由 PLC 来完成的 系统中的软件能根据电梯的运行要求及保护要求由 PLC 来实现逻辑信号的控制 PLC 上电 后 PLC 中的梯形图程序已经开始运行 但因为电梯尚未读入任何输入信号的数据 也就 无法在收到请求信号后通过固化在 PLC 中的程序作出响应 此时电梯将处于等待状态 电梯在检测到厅门或轿厢的呼叫信号后将此呼叫信号所在楼层信号与轿厢所在的楼层信号 进行比较 再通过定向模块进行选向 选定方向后电梯将通过拖动调速模块驱动电动机拖 动轿厢运动 轿厢运动速度要经过先低速运行再转变为高速 并以高速运行至减速点 当 电梯检测到目标层楼层检测点产生的减速点信号时 电梯进入减速制动状态 又由高速变 为低速 并以低速运行到平层点停止 平层后 电梯再经过一定延时后开门 达到开门限 位开关后 经过一定延时后关门 直到碰到关门到位行程开关 在电梯运行过程中必须保 证电梯门处于关闭状态 至此电梯完成了一个正常呼叫响应的过程 电梯的运行过程就是 在反复执行这一呼叫响应过程 此系统的软件编程设计可以采用模块化的编程思想 将整 个设计过程分成外部请求响应模块 梯内请求信号响应模块 当前层显示模块 上升控制 模块 下降控制模块 电梯门控制模块 电梯升降控制模块等几个相互联系的模块分别进 行编程 简化编程过程 理清编程思路 根据以上分析可得主程序流程图见图 4 1 太原科技大学毕业设计 论文 23 图 4 1 电梯软件控制系统主程序流程图 由流程图可知电梯运行过程如下 PLC 上电初始化 等待请求信号 当门厅或轿厢发 来呼叫信号后 确认电梯当前层与目标层 比较当前层与目标层是否是同一层 当目标层 与当前层不是同一层时 电梯进行选向 确定方向之后 电梯便开始运行 在运行过程中 不断检测当前电梯所在楼层 并判断是否是目标层 当判断没到达目标层时电梯继续运行 直到到达目标楼层 检测平层信号 当检测到下平层信号时 开始进行电梯制动 将电梯 从高速运行状态降低到低速运行 直至逐渐制动停车 此时抱闸装置将抱死 之后电梯开 门 开门直至达到开门限位开关时 开门结束 经过一定延迟后 电梯自动开始关门操作 当按动轿厢内关门按钮时将跳过延时 直接进行关门动作 当关门到达关门限位信号时 系统将返回初始化状态 继续检测是否有呼叫请求信号 循环操作以上步骤 45 2 电梯控制系统各环节梯形图设计 太原科技大学毕业设计 论文 24 45 2 1 外部请求响应子程序 外部请求是指各门厅外的上升和下降请求按钮按下状态 外部请求信号的发出和响应 最直观的标识是上升和下降请求指示灯的亮和灭 当某一楼层出现