基于PLC的电梯控制系统设计-自动化毕业论文

佳木斯大学本科毕业论文（设计）毕业论文（设计）论文题目基于PLC的电梯控制系统设计学 院信息电子技术学院年 级2013级专 业自动化学生姓名学 号指导教师佳木斯大学学术诚信承诺本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得佳木斯大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：_ 日期：_关于论文使用授权的说明本人完全了解佳木斯大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名：_ 导师签名：_ 日期：_第I页佳木斯大学本科毕业论文（设计）摘 要近年来，我国发展的速度不断提升，越来越多的中大型宾馆、商场、住宅楼、多层厂房和仓库中的电梯已经是不可或缺的一部分了。随着我国的发展，建筑规模的不断扩大，楼层越来越高，对电梯的安全性和舒适性的要求也越来越高。电梯在现代生活中是不可或缺的运输工具，在人们的日常生活中有举重若轻的作用。电梯控制系统主要由PLC、电梯控制电路等组成。本次设计主要采用西门子公司的PLC作为控制中心，以及交流异步电动机、继电器、接触器、行程开关、按钮、报警器组成的控制系统。在软件上采用的是模块设计，由乘客选层的呼叫请求、开关门、平层检测、轿厢升降、电梯运行状态显示器等控制模块组成。通过PLC来控制对电梯的升降、调速、平层、启动和制动进行控制。它的内部结构不复杂、编程简单、运行效率高。本文采取的是PLC控制系统，在很大程度上克服了以往继电器控制系统的很多缺点，比如说PLC采取了大规模的集成电路，很大部分都是软继电器，控制系统的可靠性明显提升很多。因此，随着电子技术和计算机科技的发展水平，PLC在工业控制领域中的应用也越来越重要，所以研究PLC电梯控制系统有着重大的意义。关键词：电梯；PLC；控制系统AbstractIn recent years, with the development of our countrys speed, more and more large and medium-sized hotels, shopping malls, residential buildings, multi-storey factories and warehouses in the elevator is already an integral part. With the development of our country, the scale of building is expanding constantly, the floor is higher and higher, and the requirement of safety and comfort of elevator is higher and higher.The elevator is an indispensable transportation tool in the modern life, is used in peoples daily life function. Elevator control system mainly by PLC, elevator control circuit and so on. The design of the main use of SIEMENSs PLC as the control center, as well as AC asynchronous motors, relays, contactors, stroke switches, buttons, alarms composed of control systems. The module design is adopted in the software, which is composed of the calling request of passengers, the opening and closing door, the leveling test, the car lift, the elevator operation status and the display module. Through the PLC to control the lift, speed, flat, start and brake control. The internal structure of the utility model is uncomplicated, and the programming is simple and the operation efficiency is high. This paper adopts the PLC control system, to a large extent overcomes many disadvantages of traditional relay control system, for example, PLC has taken the large-scale integrated circuits, most soft relay, the reliability of the control system was much improved. Therefore, with the development of electronic technology and computer technology, the application of PLC in the field of industrial control is becoming more and more important. Therefore, it is of great significance to study the PLC elevator control systemKey words: The elevator; PLC; Control system目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的目的和意义11.1.1 课题的目的11.1.2 课题的意义11.2 课题背景21.3 文献综述31.4 本课题主要研究内容3第2章 电梯控制系统设计方案52.1 PLC控制系统与继电器、计算机控制系统的比较52.2 确定控制方案及硬件的选择6第3章 硬件设计73.1 S7-200 PLC 的概述73.1.1 可编程控制器的工作原理73.1.2 扫描周期83.2 电梯简介93.2.1 电梯的性能指标93.3 变频器简介113.3.1 控制系统框图123.4 电梯机房里的主要部件133.4.1 电梯井道里的主要部件143.4.2 轿厢上的主要部件153.4.3 电梯层门口的主要部件153.4.4 电梯控制系统实现的功能153.4.5 电梯控制系统实现的功能163.5 I/O（输入/输出）端口分配163.6 外部接线图173.7 电气控制图19第4章 软件设计214.1 PLC的编程语言214.2 STEP7 概述及程序设计方法214.3 电梯控制流程图22结 论24致 谢25参考文献26附 录 127附 录 243不要删除行尾的分节符，此行不会被打印第 III 页第1章 绪论1.1 课题的目的和意义1.1.1 课题的目的电梯是一个复杂的系统，涉及了多个领域，比如说机械、电气还有土木工程。还要考虑到电梯的美观性、舒适性和安全性等。但是，对于现阶段的电梯，必须具有较高的安全性。实际上，现代电梯领域中已经设计了多种保护措施。比如，在电梯的设计阶段，电梯的机械零部件和重要的电器部件都采用更保险更安全的零件。但是，只有在保证电梯的设计阶段、制造阶段、售后服务和后期的不断维护，才能够全方位的保证电梯的高质量和更高的安全性。目前，可编程序控制器(PLC)和部分重要的电器元件组成的电梯运行控制系统，正在飞速的发展。由PLC和电气元件组成的控制系统，它的优点在于可靠性高、维修方便、编程简单、可以完成较为特殊的控制任务，它正在成为控制电梯的重要研究方向。为了让乘客乘坐电梯更加舒适，研究PLC对电梯的控制还是很有必要的。传统的继电器控制电梯的方式有很多缺陷，而PLC的编程简单、灵活性高、延展性能好、抗干扰能力强等优点，被广泛的用于电梯控制系统中。本次设计主要设计四层电梯的控制系统，利用PLC的逻辑开关功能，通过PLC来控制电梯的开关门、楼层显示、定向、超载报警、起动加速和制动停车等模块。这些都要对电梯的性能进行分析研究，来确定输入输出口，从而选择PLC的具体型号，再分配I/O口，并编辑对应的程序和对电梯的控制，最后在检验程序并应用，从而实现PLC控制电梯的目的Error! Reference source not found.。1.1.2 课题的意义在我国现阶段的电梯控制领域基础上，由PLC和变频器组成的电梯控制系统，通过PLC的选择和设计，大规模的提高了控制电梯的水平，也在一定程度上提高了乘客的舒适感，使电梯运行中达到合理的要求，并且实现电梯轿厢精准的平层。我国科学技术的发展速度不断提高，使我国电梯的机械化生产技术得到了高速的发展。自动控制理论与微电子技术、电梯的拖动方式与控制发生了重大的革新，交流调速系统是我国电梯控制系统的重点发展目标。现今，有三种电梯控制系统分别为：继电器控制系统、PLC控制系统、计算机控制系统。继电器控制系统，事故率高、性能较差、控制方式不灵活以及能源利用率高等缺点，现阶段被一逐渐淘汰，计算机控制系统在智能控制方面虽然有很丰富的功能，但是抗干扰性较差，设计复杂，技术人员较难掌握其维修技术等缺陷。由于PLC的运行可靠性较强，使用便捷维修方便，抗干扰性高，调试和设计时间短等特点，比较受人们青睐等优点，当今已经在电梯控制系统中使用最多的程序。本文重点研究电梯的变频调速。以PLC为主的电梯驱动系统、PLC的电梯控制系统，两个方面展开论证。1.2 课题背景 电梯已经具有184年的历史了。1854年，在位于纽约的世界展览会中，美国人第一次展示了他所发明的电梯。他站在装了很多人的电梯上面，让助手启动电梯，之后向电梯发送控制信号，让助手剪断了电梯的绳子。让人震惊的是，电梯并没有直接掉下来，而是牢牢的固定在了地面上，这位科学家所发明的安全防范装置起到了至关重要的作用。非常的安全，先生们。站在电梯上的这位科学家先生向参观展览的人们挥手示意，这就是人类历史上的第一部电梯。奥的斯先生首次发明的电梯改变了人们传统的升降工具。从今以后，不在有人害怕乘坐电梯了，电梯在背景下得到了世界各国大规模的应用。1889年12月，美国奥的斯电梯公司制造有限公司制造出了跨时代的电梯，电梯采用直流电动机为动力，通过蜗轮减速器来控制电梯上面的绳索，来控制电梯的上升或者下降。1892年，美国奥的斯有限公司开始应用了类似按钮的控制工具，逐渐取代了传统靠拉绳索控制电梯的方式，为现代化控制电梯迈出了第一步。科技在不断发展，电梯还在不断改进。150年来，电梯的材料有黑白的变为彩色的，样式由垂直的变为斜式的，在控制电梯方面也在不断地推陈出新，比如拉绳索式控制电梯、传统的按钮式控制方式、信号控制、人机对话方式等等，有多台电梯的地方实行了并联控制，智能化群体控制；双层电梯轿厢为了节省出空间优势，提升运输能力的特点；变速式自动人行道扶梯的发明在一定程度上方便了行人；具有不同的外观，比如说有扇形装、三角形、菱形、椭圆形，半圆形和整圆形的观光电梯则让乘客的视角史无前例的提升了，这体现了电梯的美观性。现在，美国奥的斯有限公司代表了电梯行业中的佼佼者，还在不断地研发和设计电梯推陈出新，并不断完善后期维护和后期保养等售后服务。变频调速、电子式的远程监控装置、电梯主机节能、控制柜的节电降噪、电梯外壳钢化等特点，每一款都汇集了人类在机械、电气、信息电子技术等领域最新科研成果的新一代电梯正在不断出现，人们的生活因此变得更加美好。1.3 文献综述PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器， 定义：是一种以数字为基础的电子控制系统，在工业环境中应运而生。它具有可编程的逻辑控制器，在逻辑控制器里存储程序并负责执行逻辑运算，顺序控制，定时，技术与运算操作等面向用户的指令，并且以数字或模拟信号的控制方式用来控制各类型的机械或者生产程。PLC工作时，计算机会依据被控对象按照一定条件编写控制程序并存储在用户的存储器中，根据序号做周期性的循环扫描，从第一个程序开始执行，按照程序逐步执行用户程序，一直到用户程序执行完毕。然后重新返回第一个用户程序，开始下一次扫描，周而复始。PLC是在工业环境下所设计的微型控制装置，可以完成规模大又复杂的工业控制任务，它以可靠性高、面积小、体积小、成本较低等被广泛应用，是实现工业自动化重要的产品，在工业自动控制中有着举重若轻的作用 。将PLC应用到电梯控制系统之中，本文设计了一套较为完整的电梯程序控制系统设计，在一定程度上提高了电梯的安全性、成本低容易编程、并且使用寿命也得到了增强，同时缩短了电梯的研发时间。这种电梯控制系统比传统电梯控制系统可以更容易的完成更为有挑战性的控制任务，传统的继电器控制系统是无法实现的Error! Reference source not found.。1.4 本课题主要研究内容本文主要的研究内容是用可编程逻辑控制器（PLC）设计电梯控制系统。由于以往的电梯程序控制系统缺点比较多，为了以节约资金。因此，对我国的电梯程序控制系统加以研究，寻找到比较适合传统老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的控制水平和质量，拥有十分重要的意义。针对老式电梯采用的继电器控制系统存在的故障多、安全性能低和工作寿命短等缺陷，所以采用PLC，它的故障率低、安全性高和适应环境能力强，本文的主要内容如下：（1） 简单的介绍了撰写本的的目的、意义、背景和一些主要的研究内容；（2） 对三种电梯控制系统的优缺点展开了论述，最终选取PLC作为电梯的控制系统；（3）通过合理的变频器和PLC型号的选用，以及为了提高乘客在乘坐电梯时的舒适感，本文设计了电梯井道和轿厢的选用，设置了保障电梯运行时安全的保障措施，从此来保证电梯在运行过程中最重要的安全性；（4）PLC程序部分的设计，有PLC编程语言的简介和电梯控制流程图的介绍。第2章 电梯控制系统设计方案2.1 PLC控制系统与继电器、计算机控制系统的比较最早的电梯控制系统是继电器逻辑控制系统。但是，随着改革开放科学水平的不断提高和计算机的普及，人们乘坐电梯对电梯的安全性和可靠性也越来越高，所以传统的继电器控制系统的缺点越来越明显。PLC是专门为工业控制领域而设计的。同时，由于电力电子技术的不断发展，电梯的运行方式从以往的直流调速系统渐渐的变为交流调速系统。因此，变频调速技术跟PLC控制技术相结合已成为发展的热点。传统的继电器电梯控制的优点：所有的电梯控制功能都由继电器的硬件来实现，它的线路直观清晰，便于理解，适合技术性人员和经验丰富的工人使用，继电器控制系统大部分为常见电器件容易维修，更换方便，较为廉价的价格，所以很多年来我国多生产此类产品，已经形成了一定的规模。但是，继电器控制系统在实际应用中故障比较多：系统的触点太多、接线的线路比较复杂、而且接触的触点比较容易烧坏，容易造成接触不良而导致的事故较多；而且普通的电器元件还不能实现复杂的控制要求，使控制功能不容易实现，技术提高比较难；继电器触点接触较慢，控制电梯的精度难以实现；系统的结构复杂，不节能，运行时噪音较大。在工业控制领域中计算机控制系统其主机一般采用能适应恶劣环境下的特殊主机。在总线方面它的结构特殊，兼容性较强，软件资源多，有较多的资源供操作系统使用，所以要求速度快，实时性强，对模型复杂的控制系统有优势。但是，计算机控制系统的使用和维护对技术人员和维修人员的要求较高，而且计算机控制系统整体不太适应工业环境中的特殊要求。所以PLC对整体做了特殊的改进，可以降低使用成本、体积较小、提高可靠性等特性，更适应过程控制的要求Error! Reference source not found.。PLC是适应工业自动化而产生的，它的本质仍属于计算机控制系统。PLC跟普通的计算机是一样的，通过PLC为字节处理器实现运算，还有布尔处理器，进行点的运算控制，PLC控制一般具有安全性高，编程简单、容易维修，灵活性强和可靠性高等特点。PLC控制电梯具有以下优点：（1）用PLC控制电梯，大幅度的提高了电梯运行的可靠性；（2）舍弃掉了大部分的继电器，电梯控制系统简单化；（3）PLC还可以控制更复杂的系统；（4）PLC会自动检测故障并且报警，提高运行安全性；（6）如果需要更改控制要求不需要更改接线。2.2 确定控制方案及硬件的选择有三种控制电梯运行的方式，一是继电器控制二是计算机控制模式，三是可编程序控制器（PLC）控制方法，继电器控制的功能比较差，较高的失误率，使用时间较短的缺点已被淘汰，计算机控制故障率高、误差多的问题已经不在使用，而PLC有巡回扫面的工作方式可以在扫面过程中分别处理多项任务，在电梯的运行过程中依赖于控制程序的准确性，如果电梯控制程序有错误，那么电梯会停止工作或不工作。内部辅助继电器和保持继电器是PLC中的内部系统中内存工作单元，即无线和非接触式，可以无限制的使用，因此，它比继电器控制拥有非常明显的可靠性，比计算机控制的可靠性和自动化水平更高，所以本文采用PLC为电梯程序控制系统。目前市面上有丰富的可编程序控制的品牌，比如说德国的西门子、三菱还有欧姆龙。相同品牌的可编程序控制器旗下还有多种的品牌类型，比如西门子的s7-200、s7-300和s7-400等Error! Reference source not found.。结合自身的学习经历，在校学习期间较多的学习了西门子的可编程序逻辑控制器，比较掌握s7-200的各种程序指令、功能和特点，可以熟练应用s7-200的多种程序编程。结合PLC s7-200具备的多种功能：模块结构、可靠性、多功能性、易编程性等特点，本本需要输入端口26个，输出端口11个。所以本文选用西门子PLC S7-200 CPU224及EM233扩展模块。第3章 硬件设计3.1 S7-200 PLC 的概述S7-200系列是一类可编程逻辑控制器。S7-200可以满足多元化自动化的控制需求，（如图3-1）是一台S7-200 PLC。S7-200具有体积小的设计、很好的延展性、售价便宜以及繁多强大的功能，使得S7-200可以满足规模不是很大的控制需求。另外，多样化CPU种类和电压等级使它在满足用户的规模化生产问题时，它的适应环境能力非常强。 图3-1 西门子PLC S7-200的外部结构3.1.1 可编程控制器的工作原理PLC的核心是微处理器，跟计算机有很多相似的特征，但它是的工作方式与计算机不完全相同。PLC具有顺序扫描的工作方式，也称为循环扫描，它的工作方式特点是在计算机程序的控制下循环工作。PLC工作时，计算机会依据被控对象按照一定条件编写控制程序并存储在用户的存储器中，根据序号做周期性的循环扫描，从第一个程序开始执行，按照程序逐步执行用户程序，一直到用户程序执行完毕。然后重新返回第一个用户程序，开始下一次扫描，周而复始。实际上PLC扫描工作中执行用户程序只是其中之一，还有其他工作，全部工作分为五大阶段，自我诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行。3.1.1.1 五大阶段（1）自我诊断执行扫描用户程序执行前，都会执行故障诊断程序。自我诊断程序为I/O、内存、CPU、等等，并通过CPU的定时器来判断程序是否超过限定的时间，。如果判断为超出限定时间，那么CPU将会自动停机并显示哪里出现问题，如果判断没有超出限定时间，则继续开始扫描。（2）通讯服务PLC检查是否有与编程器、计算机等的通信请求。如果有与计算机等的通信请求，那么系统会做出相应处理。（3）输入处理PLC在输入阶段，首先以扫描方式按顺序从输入存储器中写入端子的状态或程序，并将其存入存储器的程序中为其专门设置的暂存区输入状态映像区中，此过程叫作输入采样，然后输关入端口将关闭，进入程序执行阶段时，输入图像区域的计划不会改变，改变的状态信号输入端口是只会成为下一个扫描周期的输入采样阶段被读写。（4）输出处理输出处理与输入状态映像区类似，PLC存储器中也有叫作输出状态映像区的区域，当程序执行完毕所有的用户程序时，CPU将控制输出状态映像区里的输出继电器状态送到锁存器中，通过特定的程序输出，从而控制外部设备工作的执行，这是PLC的输出刷新阶段。（5） 程序执行PLC在程序执行阶段，将按照顺序扫面用户程序中的每条程序。做出相应的计算，并将结果写入输出状态映像区中。一般情况下将自我诊断和通信统一称为监视服务。输入刷新和输出刷新称为I/0刷新。可以看到，PLC在扫描周期中，输入采样阶段只在输入状态的扫中进行，输出的赋值只能在输出刷新阶段送出，但是执行用户程序的阶段的输入和输出会被封闭Error! Reference source not found.。3.1.2 扫描周期扫描周期只完成一次扫描工作（I/O刷新、程序执行和监视服务），有PLC的工作过程可知，扫面周期的公式为：T=（输入一点时间*输入点数）+（运算速度*程序步数）+（输出一点时间*输出点数）+监视服务时间。扫描的三个要素主要取决于扫描周期的长短:一是CPU执行指令的速度;二是每条指令所占用的时间;三是所执行用户程序的数量。如果系统响应速度过慢，将会影响扫描周期时间。现在PLC的制造出厂设置的是10毫秒左右的扫面周期，这在一定程度上满足了工业控制的要求，它不但不会影响生产制造，它还可以提高工业自动化领域的抗干扰能力，这是因为输入采样只会在输入刷新阶段开始。PLC的循环工作任务大多数的时间是与外部相隔离的，而工业自动化领域是往往是脉冲式的干预，在较短的时间内，系统的响应时间比较长，常常只有一次扫描周期，多次扫描误操作引起的瞬态干扰将会大幅度减少，来提高工业自动化控制领域中的抗干扰能力。但是，控制系统的时间要求比较严格，系统的响应时间依赖于较快的计算机，这就需要精心设计的程序，在必要的时候，还需要采取一些特殊的功能，以减少扫描周期造成的影响Error! Reference source not found.。3.2 电梯简介电梯是一种主要由电动机牵引的上升或下降的多层建筑内的运输工具，装有箱状吊舱，多用于装载乘客和货物。还有台阶式的电梯，踏步板装在履带上连续运行，此类型的电梯多用于商场内方便乘客上下。 电梯内具有一个轿厢，安装在两列垂直的或者倾斜角小于15的导轨之间。轿厢尺寸按照国际标准制定。 随着城市规模的不断扩大，高楼建设的越来越多，城市高层建筑内需求的电梯也越来越大，不同种类的电梯也应运而生。如按照电梯的用途可分为以下几类： （1）乘客电梯，主要的用途为运输乘客，要求有较为严格的安全措施； （2）载货电梯，主要的用途为运货物； （3）观光电梯，此类电梯设计为透明状，方便乘客观光； （4）车辆电梯，主要用途为运输大型车辆； （5）船舶电梯，主要用途为船舶上的运输； （6）建筑施工电梯，工地建筑工人运输货物使用； （7）其它类型的电梯，除上述常用电梯外，还有些其他类型的电梯，比如冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯、消防员用电梯等Error! Reference source not found.。3.2.1 电梯的性能指标 （1）安全性：乘客在乘坐电梯时对电梯的第一要求就是安全性。在设计电梯阶段、机械制造阶段、安装电梯与调试电梯以及检修电梯故障等各各阶段都要有紧密的联系，它们的关系是互相分工、紧密配合，互相监督，任何一个阶段出现了错误都会使电梯的安全性能大大降低甚至是出现事故，由此可见，保证每个阶段不出现错误是非常有必要的。 （2）可靠性：可靠性也是电梯的重要部分，一部正在工作的电梯经常出现事故，势必会影响乘客的时间，给乘客带来相当大的不便，电梯的事故常常是不可靠性引起因。使电梯运行时可靠性提高，首先要保证电梯电器元件的可靠性，只有每个电梯的电器元件都是可靠地，才能使整部电梯的可靠性提升。 （3）停站的准确性：又称为电梯平层精准度。电梯的平层精准度和电梯运行时的额定速度，电梯运行时的负载有着非常大的关系。负载太重，它的重力会大大增加，电梯的提速会不稳定。因此检查运行时的电梯平层精准度，以空载指数、满载指数、上下运行，取其最大值做平层站的平层精准度。 （4）振动、噪声及电磁干扰：现代的电梯低噪、高效是现代电梯的出厂标准。因此要求电梯平稳的运行。 （5）舒适感和高速感：电梯作为高层内的运输工具，必然要求电梯在运行时要保持高速，高速运行节约时间，这对于节奏快的现代生活中的乘客是非常有必要的。但是过快的速度和减速度的增大变化又会造成乘客的不适感。因此在电梯设计阶段就要有舒适感和高速感。 （6）节能：现代电梯应该具有环保标准，节能环保是电梯发展的目标Error! Reference source not found.。电梯的主要参数为下列13种：（1）电梯载重额定量(kg):设计和制造时的电梯规定额定量；（2）电梯轿厢内尺寸(mm):宽深高；（3）轿厢形式：有单双面开门和其他电梯的特殊要求，和对轿厢顶部、轿厢底部、轿厢壁的处理和轿厢颜色选择，对电风扇、电话的要求等；（4）轿厢门的形式:有栅栏门、封闭式中分门、封闭式双拆门、封闭式双拆中分门等；（5）轿厢开门宽度(mm):轿厢门和厅门完全开启的宽度；（6）开门方向:人在厅外面对厅门，门向左方向的为左开门，门向右方向开启的为右开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称为中分门；（8）额定速度(m/s):设计和制造时的电梯规定的额定速度；（9）电气控制系统：包括控制方式、拖动系统的形式等。如交流电机拖动或直流电机拖动，轿内按钮控制或集选控制等；（10）提升高度(mm):由底层端站楼面至层顶端站楼面之间的垂直距离；（11）顶层高度(mm):由顶层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之的垂直距离。电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高；（12）底坑深度(mm):由层底端站楼面至井道底面之间的垂直距离。电梯的运行速度越快，底坑一般越深Error! Reference source not found.。3.3 变频器简介是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，达到调速的目的。图3-2 西门子MM440变频器示意图变频器的工作原理：主电路是提供异步电动机调频调压电源功率变换变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是直流电压源转换为交流变频器、直流回路滤波器电容。当前模式是当前源直流转换为交流变频器，直流回路滤波器电感Error! Reference source not found.。它由三部分构成，将工频电源变化为直流功率的“整流器”，直流功率变换为交流功率的“逆变器”，变频器面板，如图3-3所示。 图3-3 变频器控制面板示意图3.3.1 控制系统框图控制系统框图如图3-4所示，由PLC S7-200所组成的电气系统，它的输入端口有6个，输出端口有6个。 图3-4 控制系统框图 PLC利用变频器来控制曳引机的正转和反转，同时对门机、显示屏、和现场信号进行控制，系统结构图由3-5所示。图3-5 系统结构图3.4 电梯机房里的主要部件电梯时机电一体化技术的产品。它的机械部分相当于人的身体，电气设计部分相当于人的神经，人的大脑相当于控制部分。他们密切合作、分工配合，使电梯安全的运行。电梯的产品类型很多，但是现阶段的电梯还是采用电力拖动、电机曳引式的结构，它的机械部分设计由曳引机，电梯轿厢门，电梯平衡系统，导向系统和机械安全保护装置组成，电梯的基本结构如图3-6所示。 1控制柜（屏） 2曳引机 3曳引钢丝绳 4限速器 5限速器钢绳 6限速器 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3-6 电梯构架图（1）曳引机:驱动电动机，本文主要选择交流发动机；（2）制动器:双瓦常闭电磁制动器安装在电梯上。在电梯停止运行时或突然断电时，确保电梯不动；（3）减速箱:涡轮蜗杆减速箱；（4）曳引轮:拽引机上的轮子称为拽引轮。两端通过借助拖拽钢丝绳悬挂轿厢和两的对重，并依靠钢丝绳和拉绳槽之间的静摩擦力来实现电梯的升降；（5）导向轮或复绕轮（导向轮又称抗绳轮):轿厢在电梯里的尺寸通常情况下比较大所以电梯的轿厢悬挂中心和对重间的距离要远高于设计时所设计的距离。对于普通电梯，一般情况下都要有导向轮，这是为了确保拽引钢丝绳两条绳之间的距离或接近电梯轿厢悬挂中心和重悬架中心之间的距离。复绕的无齿轮电梯，通过改变复绕轮的位置来达到以上目的；（6）限速器:如果电梯的运行速度过快达到一定限定值时，可以发出信号来控制电梯速度的安全装置；（7）控制柜:多种电子元件和电子元件共同安装在防护舱结构内部，依照设定的PLC程序进行控制电梯轿厢的升降；（8）电源开关、照明开关；（9）选层器、极限开关。电梯楼层显示器、备用发电机Error! Reference source not found.。3.4.1 电梯井道里的主要部件（1）轿厢:它是电梯中必不可少的部分，装载乘客的重要组成部分。（2）导轨:引导电梯轿厢和对重在电梯升降中的作用。（3）对重装置:主要安装在电梯的井道里，它由拽引钢丝绳和拽引轮与电梯连接，在电梯升降过程中起到平衡的重要设备。（4）缓冲器:电梯运行过程中超过预设，主要用来对重装置和轿厢运动所产生是机械能的电梯安全装置，一般安装在电梯井洞的最底部。（5）限位开关:此设备一般情况下安装电梯的轿厢上部，当电梯运行过程中超过端站时会立即切断电梯电源的设备。（6）接线盒:安装在电梯井道的墙上，包括各楼层中的接线盒中。（7）控制电缆:安装在接线盒和轿厢内部的操作箱的两端。（8）补偿链或补偿绳:由于拽引钢丝绳在拽引轮两边的重量变化较大，可以更好的减轻在电梯升降时的重量变化。（9）平层感应器或井道传感器:在平层区内，轿厢门槛可以自动的和楼层准确对接。3.4.2 轿厢上的主要部件 （1）操作箱:安装在电梯的轿厢内侧。用电气开关、按钮来控制电梯上升或下降的电气控制元件；（2）轿内指层灯:设置于轿厢内，载客电梯通常安装在轿厢上部，货运电梯通常安装在轿厢内侧，显示电梯的运行方向和楼层的检测装置；（3）自动门机:通常安装在电梯前部，具有小巧的特点，主要有的交流、直流、变频电动机为动力为电梯自动开关厅门，本文选择直流电动机；（4）安全触板（光电装置）:安装在厅门和层门之间，在层门、厅门关闭过程中，当有乘客或障碍物触及时，门立刻停止并返回开启的安全装置；（5）轿门:设置在轿厢入口的门；（6）称重装置：可以检测电梯内的重量变化，并用电梯控制系统判断有无超重，可以用于载客电梯或载货电梯；（7）安全钳:电梯运行中在限速器的作用变化而导致机械动作，迫使轿厢或对重装置制停在井道中，同时切断电梯电源的安全保护装置；（8）导靴:安装在轿厢架和对重上，使电梯沿着固定的轨迹上升或下降的装置； （9）其他部件:轿顶安全窗、光电保护、超载装置、邻梯指示等部件，要视电梯规格、型号、种类及客户要求而设置Error! Reference source not found.。3.4.3 电梯层门口的主要部件（1）层门:设置在层站入口的封闭门；（2）层门门锁:安装在层门的内侧，当轿厢关闭后随之紧锁层门，然后电梯控制回路被激活，轿厢可运行的机电联锁安全装置；（3）楼层指示灯:安装在层门的内侧或上方，可以显示电梯运行的方向和楼层层数；（4）层门方向指示灯:安装在层门的内侧或上方，用以显示电梯即将运行的楼层，并用语音提示电梯到站；（5）呼梯盒:安装在电梯外部和轿厢内侧，乘客按下电梯按钮时，电梯的程序可以记忆，并且控制电梯运行到呼唤电梯的楼层；（6）压力传感器:轿厢层门关闭时施加一定压力可以使层门重新打开Error! Reference source not found.。3.4.4 电梯控制系统实现的功能（1）当乘客按下电梯按钮是，牵引机引机启动牵引电梯到达呼叫楼层，此时电梯响铃，电梯层门和厅门同时打开；（2）此时乘客或货物进入电梯，超重保护没有报警，电梯正常运行；（3）这是在电梯开门的同时计时器开始计时5秒钟，电梯层门和厅门将在5秒钟后关闭；（4）按动选层键，牵引机启动将电梯运行到所选层后停止运行、然后响铃后层门和厅门同时打开；（5）电梯门打开的同时计时器开始计时5秒钟，5秒钟后电梯门和轿厢门同时自动关闭；（6）当电梯运行中收到正向行驶的呼叫信号时，达到呼楼层时停止运行，当收到相反的呼叫，电梯继续使用当前的信号，在正向信号执行完毕时在执行反向信号；（7）电梯的层门和厅门并没有安装压力传感器，当受到一定阻力时，电梯控制系统会启动计数器基数5秒钟，5秒钟后门重新关闭Error! Reference source not found.。3.4.5 电梯控制系统实现的功能（1）电梯内外当前楼层显示；（2）各层厅外召唤按钮；（3）电梯里侧的选择楼层按钮 ；（4）牵引电梯上升或下降的一台交流电动机；（5）待客召唤自动开门，当电梯在某层时，按下召唤信号自动开门；（6）当电梯门收到外力作用时会自动开关门；（7）当电梯到达指定楼层时会自动响铃并启动计数器计数5秒后自动关闭门；（8）具有指令记忆功能，当控制系统接受多项指令时，控制系统可以让电梯按照顺序进行停靠，会自动的选择最佳路径；（9）自动定向功能，当控制系统接受多项指令时，按照先入为主原则，自动确定运行的最佳路径；（10）呼梯记忆和顺向截梯功能，当电梯运行时，遇到顺向召唤信号能停靠应答；（11）自动换向功能，当电梯运行到顶层或最底层时，能自动换向运行；（12）自动关门待客功能，当控制系统完成全部的指令时，并且没有外部呼叫信号，电梯控制系统会控制电梯随时待命Error! Reference source not found.。3.5 I/O（输入/输出）端口分配根据电梯的基本控制要求计算出PLC的输入/输出端口分别为：轿厢里面和轿厢外面的楼层选择4个按钮，各楼层门厅外 呼按钮除一楼只有上行呼叫，四楼只有下行呼叫外，其余两层均有上升、下降两个按钮；位置信号共4个，位置信号由各楼层的四个传感器产生。平时为常开，当电梯运行到平层时关闭；电梯的输入输出分配表如表3-2所示。输入端口输出端口一层呼叫I0.0上下方向限位及终端保护I1.5电梯上行Q0.0二层呼叫I0.1拽引机过载保护I2.0电梯下行Q0.1三层呼叫I0.2电动机运转时间限制保护I2.1电梯开门Q0.2四层呼叫I0.3紧急停止保护I2.2电梯关门Q0.3去二层I0.5开门限位开关I2.4一层显示Q0.5去三层I0.6关门限位开关I2.5二层显示Q0.6去四层I0.7一层限位开关I2.6三层显示Q1.0断绳超速保护I1.0二层限位开关I2.7四层显示Q1.0轿门与层门锁保护I1.1三层限位开关I3.0故障报警Q1.1安全电路保护I1.2四层限位开关I3.1超载报警Q1.2梯门入口安全保护I1.3缺相、错相保护I3.2上下端站强迫保护I1.4电梯电气控制系统短路保护I3.3表3-2 I/O（输入/输出）端口分配 3.6 外部接线图所谓外部接线图就是根据程序的设定通过PLC自身的控制点接到被控制电气上的电气接线图本设计的PLC。本次设计所采用西门子PLC S7-200 CPU224，电源电压DC 24V，AC100-230V，电源电压波动DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）和PLC S7-200 CPU 244的可扩展模块EM233，通过核算和实验测试，本次设计所采用的的PLC完全满足需求，外部接线图如图3-8所示。图3-8 外部接线图 3.7 电气控制图由变频器控制曳引电机的正转反转，达到控制电梯上行下行的目的。QF闭合变频器通电，当KM1闭合曳引电动机正转电梯上行，当KM1断开，KM2闭合时曳引电机反转，电梯下行，曳引电机的电气控制图由3-9所示。图3-9 曳引电机电气控制图 电梯开关门的电气控制图由图3-10所示。整个的操作流程是这样的，当QF闭合电路通电，当按下按钮KM3时电动机M2通电，电动机正转电梯开门，当KM3断开，KM4闭合时，电动机M2反转电梯门关闭。图3-10 电梯开关门的电气控制图第4章 软件设计4.1 PLC的编程语言PLC的指令是PLC程序的扩展，PLC在运行时就是按照一定的逻辑顺序，执行这些指令中的一条，PLC的指令时指PLC的梯形图和语句表。不同的PLC编程语言在使用中会有所不同，一些PLC的编程语言和梯形图会有有些差异。但是从大体上来讲，PLC的编程语言实质就是二进制编码。就跟计算机程序一样，PLC的编程软件通过编译系统把PLC程序编译成机器代码。PLC在为使用者提供了编程易懂的程序，为了PLC在工业环境中有更好的发挥。为了充分发挥PLC编程语言的作用，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这也就等于改变了以往继电器控制的硬件接线。PLC的可编程语言有五大类分别为：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。目前使用最广泛最便捷的就是PLC的梯形图，PLC的梯形图大体上跟以往继电器控制系统的电路图较为相似，梯形图适合初学者，它编程简单易懂。这次设计所采用的软件是西门子公司的，编程软件为STEP 7。本次的软件能够完成并制作程序、对PLC CPU的写入/输出、运行监控程序、测试程序、PLC错误诊断等一系列功能Error! Reference source not found.。4.2 STEP7 概述及程序设计方法STEP 7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的组成部分。有下列版本的STEP 7标准软件包：（1）用于SIMATIC S7-200上简单单站应用的STEP 7 Micro/DOS和STEP 7 Micro/WIN。（2） 用于使用带有各种功能的SIMATIC S7-300/ST-400、SIMATIC M7-300/M7-400和SIMATIC C 7的STEP 7：（3）可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展（4）为功能模板和通讯处理器赋值参数（5）强制和多处理器模式（6）全局数据通讯（6）使用通讯功能块的事件驱动数据传送（7）组态连接用户程序可以被STEP7的编程软件简单化，STEP7编程软件可以将大体的程序块拆分成个体的程序从而使用户更为方便的理解程序控制内容，可以单独分析程序结构可以使程序组织简单化，此类软件在编写的过程中为了方便用户特别制定了4个程序编程功能Error! Reference source not found.。在工业控制领域中，设计PLC应用成的方法有很多，那么使用这些方法，也跟编程编写人员的喜好有关。凑试法也叫经验设计方法。在掌握了一些简单电路的基础上，根据被控对象的控制要求，凭着以往的经验进行编译。此类方法对一些比较简单的控制是有效的，有着简单方便的效果，经验设计法的具体步骤如下：（1）确定输入和输出的电器；（2）确认电器输入和输出点的个数、根据需求选择PLC；（3）做出工程流程图；（4）选择PLC指令并编写程序； （5）按照控制系统的要求改进程序；（6）将