《基于PLC的五层电梯控制系统设计【论文9000字】》

基于PLC的五层电梯控制系统设计目录TOC\o"1-4"\h\u1电梯控制系统概述 11.1电梯的诞生与结构 11.2电梯控制系统的选择 11.2.1继电器控制 11.2.2PLC控制 21.2.3微机控制 21.2.4控制系统选择 21.3电梯控制系统发展趋势 32电梯控制系统的总体设计 42.1电梯控制的工艺设计 42.2控制方案的选择 42.2.1单片机系统方案 42.2.2可编程控制器系统方案 52.2.3电梯的工作原理 62.3控制方案的确定 63电梯控制系统的硬件设计 73.1可编程控制器的选型 73.1.1中央处理单元 73.1.2存储器 73.1.3通信接口 73.1.4电源 83.2变频器的选型 83.3系统的硬件设计思路 93.4变频器电路的接线设计 93.5可编程控制器的接线设计 104电梯控制系统的软件设计 124.1I/O分配设计 124.2程序流程功能图设计 134.3程序的设计 144.4五层电梯控制的上位机设计 155结论 20参考文献 211电梯控制系统概述1.1电梯的诞生与结构电梯有升降的有扶梯的，电梯的原型建于公元前1100年左右。阿基米德很早便研究出了手动的卷扬机，而且在尼罗皇帝的宫殿中也配置了三台。这使得之后对电梯进行改进和创造打下了坚实的基础。威廉·汤姆逊在19世纪初的时候研究了液压为动力的升降平台，由此人力退出历史舞台，蒸汽开启了电梯的进步，蒸汽电梯里面最有名气的是圣彼得堡里面的蒸汽电梯。奥的斯也通过蒸汽作为驱动设计出了安全性高的电梯，并向群众展示了他的成果。它将限速器以及安全钳设置在电梯中借此预防电梯出现坠落的情况。在1831年10月的某天人们迎来了改变的机遇，法拉第研究出了电动机。这是人类存在以来首台以电流为动力的运动装置。德国雅克比基于电动机设计了简单的装置：六臂轮子，每个轮子有两块棒形磁铁，六臂轮子的两侧各有两块u形磁铁。电源连通后，轴通过排斥力驱动。在1888年交流电机出现，在1900年的时候便已经运用到电梯上，由此诞生了交流电梯。动力需求得到实现以后人们开始将目光聚焦到电气控制和速度控制上。所以之后的电梯几乎都是针对控制技术研究，比如：直流有无齿轮等。1.2电梯控制系统的选择电梯的控制系统也因为电梯的不断前进有了很大的改进，当前电梯使用的是继电器控制（因为使用的少面临停产）、可编程控制（PLC，适合在恶劣环境下采用）、微机控制（现代普遍使用）三种方面。1.2.1继电器控制电梯控制系统里面最先产生的后期控制体系也是以继电器控制为基础演化的。它是依靠继电器彼此间进行常开常闭满足最基础的逻辑运算需求，原因是依靠最基础最简单的改变来满足逻辑运算的需求，因此它通常是电气命令的主要部分，另一部分作为逻辑运算需要的电路。它的特色是硬件实现所有的逻辑功能，因此它比较简单直观，常规的技术很快能够被工人熟知；它使用的电气控制部件只用很少的成本便能将所有的元器件采购下来；元器件的维护、装置工作不用专业仪器便能进行；此套系统较为完善而且类型多样。不过它的缺陷也比较多，原因是基本都是硬件构成，如此以来硬件带有的缺陷也会成为控制体系的缺陷，继电器受损、接触不良等现象出现较多，维护的次数便增多；一个电梯需要的逻辑计算电路要求有大量的继电器以及繁杂的连接方式，这样便难以将电梯其余的功能优化；元器件由于机械的动作在逻辑运算的时候会有差异反应和延迟等情况；类型众多的机械共同运行的时候势必会制造很大的响声，对舒适感造成影响。综合上述情况，我们了解到旧式的继电器控制有非常多缺陷，因此经常需要修护。电梯有很大几率发生故障、排障艰难等，使得人们的舒适感受到影响。1.2.2PLC控制PLC控制事实上也算是微机控制的范畴，其安全性高而且抗干扰能力也强。以及PLC的生产工艺便能研制抗干扰技术，文章使用的三菱FX-2N的PLC能够连续30小时正常的运行。并且PLC具备的故障显示和警示的功能于之后的维修节省了时间和降低了难度，而且通过软件GXDeveloper还能清楚的了解到故障位置。跟继电器相比PLC在软件中集中运算逻辑使得元件数量下降，有助于电器元件和线路的减少。PLC在速度、液位、温度等测量方面大量的使用，而且和其它设备创建人机界面促使系统操作性更强。使用PLC控制有助于节省能源、时间、电量，而且因为体积不但占用空间不多。1.2.3微机控制微机控制是以单片机为基础来运用，一部电梯能够分类成很多个部分，每个部分单独的单片机也能实现其功能。在将它们的数据连接起来组建健全的电梯控制体系中心，这便是微机控制的机理。在这样的情况下微机还具备群控的性能，其主旨是在统一管理数部电梯中保持良好的信息沟通。例如，如果有人在五楼要求向上，a从四楼向上，b从2楼向上，这样a便接受到指令在五楼停止并通知其余的电梯这个任务我接受了。如此能够极大的发挥电梯资源的作用和节省人们等待的时间。1.2.4控制系统选择我们对三种方式的优点和缺点做出分析之后，现在和课题以及学校的学情况结合起来做出选择。在学校学习接触最多的便是PLC，并且最先获取PLC可编程二级资质，还在老师的引导下获取了PLC可编程三级资质。因此选择PLC的方式，是此次课题的主要方式。1.3电梯控制系统发展趋势自埃莉莎·格雷夫斯·奥蒂斯在1854年的水晶宫世界博览会上首次在纽约展示了她的电梯发明伊始，电梯的研发历程已经有了150年历史。人们使用机械运输货物的历史已经逐渐演变。然而，在这一时期出现了许多问题。最常见的是断绳问题。随着技术的发展，升降机中的材料变得丰富多彩。样式从直式到弯曲式不等，有多种操作和控制类型，如杠杆控制、按钮控制、信号控制、集体控制、智能电梯控制等。随后，电梯的功能和类型也趋于完善和人性化，使人们的生活更加美好和幸福。中国最早的电梯出现在上海，1901年由美国奥的斯公司安装。而回溯最早的电梯应用历程，需要追溯到，1951年，中国在天安门广场安装的第一步国产电梯，那是由中国完全独立生产的第一部电梯。改革开放以来，经济得到了改善，中国电梯行业也进入了快速发展时期。今天，中国是一个使用电梯的大国，但起步较晚，而不断的改革和创新以及进口技术的灵活使用使中国电梯行业得以快速发展。解放前，我国升降机是进口的，但到了20世纪70年代，我国已成功开发出快速直流集体控制升降机和群控升降机。周普良建议在发动机技术中使用永磁同步升降机。该类型电梯采用永磁同步结构，通过向锚定线圈提供直流电来执行带负载的零速停车，因此不必通过机械制动使用制动器，从而显著提高了电梯的安全性。根据五层电梯控制系统在设计上的需求，对转向系统进行构思和选择。在选择控制引导方案上重点考虑电梯的使用环境、操作要求和投入成本。设计要求应具有较强的可管理性，适应现场工业环境，并允许后续更新。选择的控制系统能够极大的影响到系统的平稳性、操作的完善性和便捷的管理，为后期系统的更新和修改留出空间，有利于系统的变更和更新。

2电梯控制系统的总体设计2.1电梯控制的工艺设计依据电梯的基本技艺需求去设计五层电梯，使其能够实现自行操控，上下行和开关门命令。详细的工艺解析为：1.电梯有内外呼两种按钮，外呼按钮一层是上行、五层是下层以外，剩下的都设置有上下性按钮；内部按钮的作用是选择楼层，当乘客乘坐电梯的时候，依靠内部按钮对需要楼层做出选择，控制电梯上行亦或是下行。2.若是电梯正处于上行亦或是下行的状态，会不接收反向的指令。当有反向外呼指令，没有内呼指令的时候，便能够回应反向的指令。而且设计电梯一定要具备最远反向外呼相应的性能。3.电梯的每一层都配有平层检测传感器。一旦到达目标层，调平传感器将工作，电梯将不再工作，它可以在目标层停止，并可以自己开门，等待时间一段时间后，电梯会自己关上门。4.依靠限位开关去检测是不是正常的开关门。当正常开门，电梯便能上下行，若是关门的时候有人员步入电梯，防夹传感器会回应，再次打开电梯门，避免乘客受伤。根据上述电梯设计的相关要求去选择控制五层电梯的方案，并且对软硬件进行设计，依靠上位机对控制五层电梯的功能进行模拟。2.2控制方案的选择根据五层电梯控制规划要求选择和设计控制方案。控制方案的选择应分析操作环境、系统性能要求和成本经济考虑因素。电梯控制系统应实现稳定控制，适应现场环境，并为后续更新和改进提供空间。控制模型的选择对系统的稳定性、功能的完整性和控制的舒适性具有重大影响，为后续系统改进和更新留出空间，并促进系统改进和更新。最重要的是系统控制规划与项目设计成本和研究时间之间的密切关系，然后分析和比较常用控制方法的优缺点，并选择兼容的控制模型。2.2.1单片机系统方案PLC有两种主要操作模式：启动和停止。如果处于静止模式，扫描应仅包括两个处理过程，即内部和通信；如果正在运行，其操作模式为重复扫描。收到第一条指令后，按顺序执行相关活动，直到程序完成。然后它再次循环扫描。除了两个内部和通信信息处理步骤外，PLC还包括操作期间的输入和输出处理以及性能处理。性能程序一般分为三个阶段，即采样、性能和更新。此外，PLC还具有在PLC特定操作期间的自动调试功能，还可以使用外部设备进行数据传输。此外，PLC使用集中输入输出更新方法来执行程序，即使输入信号异常，也不会影响内存。首先，对单片机里面的硬件电路进行研发设计，其次研发和设计软件程序。尤其是研发设计硬件电路板时一定要细致认真，稍有不慎，此电路板的质量便有缺陷，所以单片机需要很大的研发时间，现场测试过程中若是工艺有很大的变化，已经制造出的单片机电路板硬件有很大的几率废弃，要再次对电路板做出设计。有关软件设计流程，若是固定到存储器里面，想要改变难度极大。而单片机系统解决方案需要强大的现场预防、较差的扩展能力以及无法在恶劣环境中工作，这使得后续的系统改进非常困难。因此，根据本系统的设计要求，应预留升级更新方式，使单片机系统不符合本系统的工艺要求，因此不适用。2.2.2可编程控制器系统方案可编程控制器的产品开发和设计是针对工业控制环境的特定要求而开发的。可编程控制器与当前先进研发成果的结合，特别是信息技术和电信技术的进步，都可以基于可编程控制器进行开发。因为工业环境的复杂因素，在设计可编程控制器的时候就对抗干扰、平稳性等需求所有考虑，因此可编程控制器能够得到普遍使用。可编程控制器基于模块化方向设计，模块根据现场要求和功能选择。参考现场控制要求。例如，现场有许多I/O点，扩展模块基于I/O点。选择示例：位置需要模拟控制，参见模拟模块的模拟控制编号选择。一定要和现场通信约定的路线相符选择适合的通信模块。软件设计能够以及PLC品牌和型号为基础选择适合的编程软件。研发和设计经常使用的数学计算等。完成程序设计之后从编程电缆上面下载程序。若是现场流程有改变，要调整程序，添加功能。二次研发较为简单，设备规划应要求保留多余的外部投入和产出，为以后的变化和更新提供更好的舒适度。因为PLC的普遍使用，本设计采用PLC作为系统工艺设计的适用控制单元。对于这次设计的控制系统而言，要对目前系统的情况进行监控、记载查询、修改参数等，这就要求显示到上位机人机界面上，从业人员应该借助人机界面掌握目前系统的工作情况，并且查询相关数据。上位机和PLC彼此间以通讯协议为纽带。2.2.3电梯的工作原理电梯由钢丝绳、导轮、减速器、制动器等构成，电梯通过摩擦上下运动。电梯依靠很多安全设施保证电梯的照常运行，如导轨是保证电梯安全运行以免在运行的时候有偏转和抖动出现。电梯的对重用来降低电动机的功率和平衡电梯的负载，及时电梯有运行和失电的问题也能保证乘客安全。上述简单的介绍了电梯运行原理，此次课题中电梯的控制体系和普通电梯的需求是相符的。2.3控制方案的确定本设计使用了PLC去设计五层电梯，和依靠变频器控制电梯主机和门电机，实现节能控制和调速目标，通过变频器电位器控制输入的0到10v模拟量信号，控制速度给定，减速时间由变频器控制，使电梯满足舒适性需求。根据工艺设计，系统输入单元有平层检测、内外呼俺就输入等；系统输出涉及到电梯上下行和开关门、内呼指令、下呼指令等输出。而且依靠上位机去监控电梯目前的情况，依靠模拟测试，完成此设计的方案控制。参照此控制计划，此设计的控制方案结构图见下图：图2-1系统控制方案框图

3电梯控制系统的硬件设计3.1可编程控制器的选型PLC在市场上应用广泛，PLC能够处理数据处理、逻辑等工业问题。PLC使用的专业翻译软件基于该软件的工艺设计和其他方法，有助于管理工业区的所有复杂工艺，满足所有工业通信需求，并连接到互联网。满足客户需求。PLC具有可靠性强、稳定性好、可扩展性强等特点，是当前工业发展的主要产品。3.1.1中央处理单元PLC的“大脑”是中央处理单元其负责PLC的所有运行功能。系统储存器、输出运算结果、系统电源自检等都是中央处理单元具备的功能。当PLC是工作的状态，CPU会对设备组的情况进行检测，若是外部设置和内部设计组态不一致，会做出警示；当外部组态顺利自检之后，CPU可以会使用输入映像寄存器，并且不断对用户程序进行扫描，信任用户进程的逻辑计算将结果传输到基线注册表并指导性能单元。CPU根据用户程序处理过程对用户程序执行和组装周期扫描，以实现现场用户控制。中断计划允许用户使用相关条件来安排中断计划和解决特定条件。有效CPU是衡量PLC控制器质量的关键指标。3.1.2存储器存储器在PLC控制器中起着关键作用，它可以存储系统和用户信息，保证PLC的正常运行。系统存储器是PLC内部数据的一部分，可用于PLC周期的自检、报警设备和重大用户程序错误，工程师禁止访问和修改。用户存储器用于记录程序和用户生成的数据。PLC可以使用程序在运行时扫描用户。在现场特殊情况下，可通过中断控制进行逆转，中断事件可称为条件或超时，在本地处理独特事件很方便。3.1.3通信接口如果PLC想要与外界通信，它必须使用通信接口。通信接口用于将PLC和外部设备以及使用特定数据传输协议作为仪器的计算机之间的信息连接起来。通讯接口根据程序内部的状态来明确属于哪种通讯协议。PLC里面有扩展功能的功能，MODBUS功能模块、以太网功能模块等都是经常使用的通讯功能模块，能够实现所有工况状态下的通讯功能。3.1.4电源PLC是电子控制电源，要有外部供电才能运行，电源供电品质的优劣能够影响到PLC是不是能平稳的工作。经常使用的PLC有AC220V工作交流电源和DC24V工作直流电源两种电源。PLC要求有平稳的电压，不多的谐波。于DC24V工作直流电源而言，要有外部开关电源才能实现。根据系统设计要求，采用西门子S7-200CPU226控制器作为控制单元完成系统设计。系统使用CPU226型，带有24个外部输入接头和16个外部输出接头。选择EM221扩展模块成为数字源模块。本系统使用的是AC220V电源，详见下图：图3-1可编程控制器3.2变频器的选型逆变器是一种工业操作装置，通常基于频谱控制和现代微电子技术，能够操作现场发动机的频率和扭矩。变频器有高压大功率以及低压的区分，经常使用的是工频交流电源作为工作电源。依据查阅的资料，电梯的电梯主机，依据1000kg的承重、每秒1.75m的运行速度运算，电梯主机的功率计算公式为：以上计算表明，电梯主机功率为20.580KW，逆变器功率为22KW。在分析变频器的工作原理和用途的基础上，根据本设计的要求，采用外分段控制变频器，模拟电流信号控制变频器转速。组成为AC380V电压，系统现场运行环境良好。根据这个使用需求和范围，MM440变频器根据此设计的工作需求，选择的是AC400V额定电压和43A额定电流的变频器，其频率能够在0到1000hz的范围内调节，选用风扇冷却，选择壁挂安装方式，使用V/F控制，依靠外部端子控制变频器，依靠模拟量控制变频器的频率。图3-2MM440变频器示意图3.3系统的硬件设计思路在设计硬件图纸时，应研究和管理PLC电气图纸的设计规范，并了解相关电气部件的符号和动作，以合理的进行图画。1.设计PLC的硬件接线，统计和配置输入和输出部分，在这个前提下，考虑到之后升级和改进五层电梯的控制系统，因此需要有一定的预留空间。2.外部正反转接线等都属于是变频器的硬件接线。变频器采用的是外部端子驱动；变频器使用外部模拟量作为速度给定的办法。若是输入0V模拟量，对应的是0hz的频率，若是输入10V模拟量，对应的是50hz的频率。变频器使用的是V/F控制。依靠参数设置满足V/F控制方式的需求。3.4变频器电路的接线设计根据电梯控制体系的工艺分析需求和控制方案，和整体设计规划结合起来，在设计主电路的时候选择MM440变频器，输入AC380V的额定电压，其频率能够在0到50hz的范围内调节，采用v/F进行控制，依靠外部端子去操纵变频器，转换器的速度由外部模拟量给出，给定的信号为0到10v的模拟量。若是输入0V模拟量，对应的是0hz的频率，若是输入10V模拟量，对应的是50hz的频率。断路器和变频器等都属于是变频器的主要电路，断路器用来切断电动机的主电路，主电路出现过流情况时，断路器会马上运行，将异常线路断开。有关变频器操控的工艺需求，要细致的对变频器相关的硬件接线进行掌握，能够设计出接线图。参见图3-3所示：图3-3变频器的接线图3.5可编程控制器的接线设计在设计五层电梯的控制体系时比较关键的构成部分是PLC布线。PLC布线在硬件设计中占据关键位置。市场上全部PLC的指导原则基本统一。电源、DO输出和DI输入接线一起组成接线原则。根据CRS控制策略和总体设计方案，确定了控制器的输入输出比例。全部是AC220V。参照设备设计解析和PLC电路设计要求，为之后的系统改进准备充分的输入和输出备件。下图给出的是此次系统里面的硬件接线情况。图3-4可编程控制器的接线图图3-5扩展模块的接线图

4电梯控制系统的软件设计4.1程序流程功能图设计设计控制五层电梯上下行程序。设定电梯在N（N=1,2,3,4,5）楼停留，M楼接收信号，M比N大时，电梯处于上行状态；M比N小时，电梯处于下行状态。具体见下图。图4-1电梯上下行控制流程图关于电梯上下功能的控制，当电梯运行时，它不会收到反向命令，但如果没有内部呼叫信号，它会在只有相反顺序时作出响应。此流程图显示电梯以第一个反向方向响应。如果电梯保持在给定楼层，如果上层接收到向下信号，则电梯响应最远的向外向下方向信号。同样的原理：“当电梯在特定楼层时，如果下层有向上的指令，它会响应第一个向上的信号。有关此响应的最远程反转功能，请参见下图。图4-2电梯最远反向响应流程图对于电梯门的打开和关闭控制，当电梯到达特定目标层时，系统发送打开信号，电梯门打开。当达到开启极限时，电梯门停止，时间延迟。最后，如果没有人进入电梯，电梯会自动关闭。门关闭时，电梯门暂时关闭。当电梯门关闭时，如果乘客在场，电梯门立即打开并再次延迟。当达到延迟时，如果电梯内无人，电梯将自动关闭。图4-3电梯开关门流程图4.3程序的设计使用STEP7Micro/win进行编程，并根据电梯控制设计和PLC控制配置要求键入程序。根据要求，设计必须具有清晰易写的纠正程序和规定。下图给出了一些梯形图和解释：图4-4部分程序梯形图4.4五层电梯控制的上位机设计此设计在以五层电梯为目标对组态王实施设计，根据组态王设计的流程和需求开启工程管理器，构建项目，详情见下图：图4-5工程管理器构建项目时，必须命名项目并设置项目的存储地址。系统设计包括开发和使用，开发是项目的显示、变量等。计划。关于运行方面，重点是对系统实施仿真，依靠运行软件能够对目前系统的工作情况进行仿真。便能够将新项目构建出来，具体见下图显示。图4-6项目建立对话框设定好项目称谓和储存地址以后，便能设计项目中的驱动组态，主要是设计项目的串口，依靠设定串口去设定通讯波频率、地址等。下图显示了此次设计使用的是9600波特率，采用的是RS232通信方式。图4-7串口设置对话框设定好通讯驱动以后，便要增设驱动，该结构基于西门子S7-200型驱动器。设置驾驶员地址和相应的数据传输参数，详见下图。图4-8驱动程序建立对话框一旦驱动步骤完成，下一步就是规划项目。首先，有关设计新变量的信息，请参见系统过程需求和设计可视化任务。在设计变量时，它包括I/O整数、I/O离散值等。设计参数根据工程实际情况设置初始参数和边界参数。如果没有其他要求，则默认值就足够了。有关更多信息，请参见下图。图4-9变量设置对话框根据增设变量的流程，和系统设计的需求综合起来，设计新增的各个变量，详细增设的结果见下图。图4-10变量列表图变量添加完成后，以下是设计系统的视觉显示，其中应尽可能显示当前系统条件和参数设置。信任工具箱添加和更改所有对象，并根据其位置进行规划。信号灯、数据显示等。都是画面设计的内容。有关更多信息，请参见下图。图4-11画面设计图向系统添加动画，特别是信号灯和一些需要通过动画显示的对象。系统相信添加对象将能够根据流程要求显示动画。有关更多信息，请参见下图。图4-12动画设计对话框

5结论本文主要以五层电梯的相关内容为基础，对电梯主机和门机进行变频指令，必须满足设计中的升降和开关门要求。根据电梯的技术要求和变频终端与系统的集成，对系统的PLC电路进行了设计，在满足电梯控制需求的基础上进行了程序功能分析。（1）设计系统应首先分析五层电梯控制机制和功能，并根据其原理和工艺要求选择合适的控制方法。控制类型包括几种控制方法，这些控制方法分析和比较各种控制方法的优缺点，并为PLC设计选择合适的方法。（2）在选择硬件设施型号的时候，着重细致的介绍可编程控制器，依靠I/O运算和对比筛选，选择和本系统相符的可编程控制器，介绍和选定变频器和传感器，在这个前提下，将系统整体的方案设计出来，确定输出和输入，对硬件操控思路和相关要求进行分析