【基于S7-200PLC的五层电梯控制系统设计9100字（论文）】

基于S7-200PLC的五层电梯控制系统设计摘要：近年来，电梯在高层建筑中，发挥着举足轻重的作用。随着控制技术的发展，电梯控制技术从开始的继电器发展到了微机，发展到了PLC控制的过程。传统的继电器控制，会因为机械惯性和电磁惯性导致电梯系统的可靠性和关键词：电梯控制；S7-200PLC;模块化设计1绪论 1.1.2PLC的定义 1.1.3PLC的组成 1.2继电器控制与PLC比较 331.2.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题 3 32系统总体设计 2.1电梯控制系统结构 2.1.1电力拖动系统 32.1.2导向系统 2.1.3门系统 2.1.4电气控制系统 2.1.5安全保护系统 2.1.6重量平衡系统 2.3电梯控制系统实现的功能 53硬件系统配置 73.1PLC选型 83.2PLC的I/O资源配置 83.2.1数字量输入部分 83.2.2模拟量输入部分 83.2.3数字量输出部分 93.3其他资源配置 9工3.3.1限位开关 93.3.2按钮 93.3.3传感器 403.3.4接触器 403.3.5指示灯 413.3.6电动机 414软件系统设计 414.1总体流程设计 4.1.1维修状态 414.1.2正常运行状态 424.2各个模块梯形图设计 43 4.2.2楼层指令输入程序 444.2.3电梯上下行运行判断程序 464.2.4最近上行目标楼层确定程序 4.2.5上行运行程序 4.2.6最近下行目标楼层确定程序 4.2.7下行运行程序 4.2.8开关门程序 4.2.9换速程序 4.2.10门定位程序 4.2.11超重报警程序 5总结 参考文献 随着城市的发展和建设，电梯作为垂直运行交通工具，在高层建筑中已是必不可少，电梯的性能好坏可以说直接影响着人们的日常生活，重要性不言而客和货物运输。轿厢运行在倾斜角小于15°或者至少两列垂直的刚性导轨之间②输入输出单元(I/O单元)I/O单元的输入/输出信号是控制对象与PLC之间传输的接口部件。输入接□是接口界面的输入通道，输出接口接收主机的输存储器是一种存储系统程序、逻辑变量和用户程序的半导体集成电路。用户程序是个人用户根据要求编写的，系统程序是由厂家编写的PLC控制多功能编程器是PLC重要的外围设备，程序通过编程器传入PLC存储器，用于修改程序，检查程序，监督PLC状态。存储器、输出和输入部件等工作时，电源单元把当前的交流电压转换为需在上世纪七八十年代，我国所使用的电梯部件几乎都采用了继电器控制技术。这项技术需要大量复杂的布线，易发生故障，不易维修保养。为节省资金，一些老式电梯用户希望在电梯机械部分尽量不变的情况下，对电气控制系统进行改变，以此提高电梯的行驶、舒适性[5]。1.2.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题控制功能和信号处理都由硬件实现是电梯继电器的特点，它的电路一般更直观、简单，技术人员检查系统故障时掌握简单的技术就可以解决问题。主要缺点是接线复杂、接点多、易烧坏、故障率高；难以增加系统控制功能，可扩展性差，技术水平比较低，难以提高控制精度。继电器控制存在的问题有：能耗高、噪声大、结构复杂、不符合环保节能[6]。1.2.2PLC应用于电梯控制系统的优点对于PLC控制的电梯系统有以下四个优点：1、可靠性高PLC内部硬件电路包括：光电滤波和隔离的抗干扰电路，对内部存储单元、控制系统的安全性。2、操作、维护方便PLC控制只需要少量的电子元件即可，设计操作简单，维护方便，布线大幅减少，错误率因此会大大降低。此外，编程器分为简易型编程器和智能型编程器，通过它录入调试PLC程序可以简单易行。3、扩展、灵活性强PLC有多种编程语言。而且编程方法多样，可以让技术人员轻松学习和理解。同时，通过更改程序的内容以扩展功能。4、通讯功能强、运行效率高随着互联网技术与现场总线技术的结合，电梯的通信功能也变强了。PROFIBUS、TCP/IPMODBUS等现场总线的标准应用，让电梯能够实现很多以前不能实现的功能，比如说多层站控制、远程监控等功能就使我们运营效率大大提升。设计电梯控制系统主要分为有两个部分：机械结构部分与电气控制部分。机械结设计和电气控制的设计如图2-1、2-2。电气线路的位置图2-1机械结构设计图2-2电气控制设计随着科研人员的努力探索，电梯已经从手柄开关操纵发展到现在的群控电梯了。电梯的结构包括门系统、导向系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统、重量平衡系统等[6]。2.1.1电力拖动系统拖动电机、供电系统等部分组合成拖动系统，拖动系统起到的功能是对电梯的速度进行调节。电动机是电梯运行的动力来源，电机的转向控制电梯向上或者向下运动同时电机又分为直流和交流两种电机[7]。为电机提供电源的是供电系统，对电机速度进行调节的则是调速装置。导轨架、导靴和导轨等部分组合而成导向系统导向系统起到限制厢内重物的作用，让其运动方向只能沿着导轨的方向。导轨被固定到电梯的导轨架上，导轨架是起到对导轨的支撑作用，导靴是可以滑动的尼龙块，让电梯只能上下运动，同时也起到减少摩擦力的作用。[8]厢门、门锁和开门系统等重要的部分构成我们电梯的门系统。电梯中的门导轨架和门扇等部分构成厢门，厢门则是设计在电梯进入口，方便乘坐，电梯门的开关则是由开门系统进行控制的。[9]。操作系统、控制电气柜、楼层选择器等部分组成我们的电气控制系统。楼层数按钮、升降按钮、门开关按钮等部分组成我们的操作系统。在我们的控制机房里面则是安装着控制电气柜，里面很多控制元件起到非常重要的作用。选层器则用于楼层的定位与位置的反馈作用。[10]。通常来说机械和电气两部分的安全系统组成我们电梯的完整安全防护系统，每个部分发挥不同的作用。机械部分的缓冲器起到防止速度过快的作用，限速器是起到防止电梯碰撞等作用。而我们的电气安全防护一般由软件部分来体现。重量补偿装置和对重组成我们的重量平衡系统，保证电梯的工作平稳有序。重块和重架构成对重，重量补偿装置对电梯的平衡起到作用的装置[11]。电梯当前未使用时，人们在电梯门口按下呼叫按钮，等待电梯门打开后就可以进入了。电梯门经延时一段时间，在PLC控制下就会关闭，然后电机会根据目标楼层控制电梯的运转方向，楼层的传感器会控制速度和平稳情况。当收到其他楼层的召唤信号后，若满足情况电梯则会自动运行到信号楼层停止，再打开电梯门。当满足相同方向上的所有呼叫信号时，电梯自动向相反方向移动，停止并打开相应楼层的门。当没有任何召唤信号后，电梯则停止在最后一次运电梯控制系统的主布线图如图2-3调速控制线路图所示。电梯起动时，首先连接上、下运行接触器(SK或XK),连接快速接触器KK,则高速绕组通路电梯就进入高速运行状态。若想电梯运行平稳舒服，则要降低电梯的加速度，当电机转速达到一定值时，闭合K2使电抗短路，电机则加速至额定转数，让电梯就可以平稳运转。减速时，快速接触器KK断开，慢速接触器MK闭合，慢速绕组接通，则电梯减速。减速过程的加速度要降低时，k1则会断开，电抗则被接入。电机转速降到阈值时，K1关闭，电抗器短路，电动机减速停止[13]。电梯门控制系统的主接线图如图2-3门控制线路所示，控制门的打开和关交流双速电梯调速控制线路图，本电梯控制系统设计主要实现以下功能：①一楼门外只有上呼按钮，五楼的门外只有下呼按钮。其余各层的门口设置有上行和下行的两个呼叫按钮。当分别或同时按下上行和下行按钮时，这个信号就会被记住，灯亮。②电梯上行的过程中，如果有上行呼叫信号(信号必须在电梯到达楼之前，如果电梯运行通过楼层，则下次上行响应),会停止，同时消除信号，灯灭门开。另外，在电梯上升过程中，下行呼叫信号不会工作，但下行信号依然记忆。电梯的下行过程是一样的。③在电梯上升过程中，当出现上下行呼叫信号同时出现时，先满足上行信号，若是只有下行信号呼叫，则满足下行信号。电梯下行运行的规律和上行运行是④当进入电梯厢里时，按下关门，电梯门即进行关闭。当门关闭到位时，电梯即可升降。电梯在升降过程中，在没有召唤信号的情况下，通过楼层时不会停也不会开门。⑤电梯停止的情况下，厢内可以通过按钮直接控制门的开关。当开门时间到了，如果没有人关门，电梯自动关门。当电梯停在某一楼层时，按下大厅的上、下运行呼叫按钮，电梯门也可以打开。⑥电梯在开门状态下是绝对不能进行电梯上下运行的，同理电梯在上下运行的时候电梯的门也无法打开。⑦当电梯处于一个上行状态时，首先满足上行的楼层选择按钮，当电梯下行时同理。而电梯处于停止状态停留在最后一次楼层时，楼层选择信号则消失。⑧电梯搭载乘客、货物的重量超过标准时应报警。3硬件系统配置本节介绍系统需要的硬件设备，电梯的控制系统硬件框图如图3-1,PLC是系统最主要的控制器，根据功能要求还需要模拟量模块、数字量模块等其他图3-1控制面板是需要两部分组成，电梯里和电梯外。首先电梯内是需要一个，让人们可以选择到达的楼层。然后电梯外面的等待地点也需要一个，让人们需要呼叫电梯时使用。控制面板的设计图如下图3-2,每层楼只有两个控制按钮，上、下行按钮和相应的显示单元。一楼只有上呼按钮，顶楼只有下呼按钮。厢内设有楼层、开门、关门等按钮及相关显示单元。面板6根据电梯控制系统的功能要求，从性价比出发，我们选择编程器程序为西门子S7-200PLC,CPU226作为主机，控制系统包括29个数字输入，15个数字输出和1个模拟输入[15]。CPU226在S7-200PLC可以有七个模块进行扩展，我们选择EM221扩展为数字量输入模块，EM235扩展为模拟量输入模块。主机和扩展模块的插槽直接插入排线，主机和EM221,EM235的连接就算完成了。I/O和模拟量输入/输出的名称不需要特别的设定，根据编址规则即可[16]。根据电梯需要的功能设计和满足的要求，详细I/O分配见下面几个部分。3.2.1数字量输入部分我们这次用29个输入点表示数字输入部分，详细的输入地址分配如表3-1表3-11楼上行呼叫按钮5楼下层限位器1层选择按钮3楼上行呼叫按钮3层选择按钮3楼下行呼叫按钮5层选择按钮5楼下行呼叫按钮关门按钮1楼上层限位器2楼上层限位器门区限位器3楼上层限位器下平层限位器2楼下层限位器关门到位限位器3楼下层限位器输入点主要按照按钮置于厢内外和楼层位置的不同进行分类。其中该控制系统，采用的是一个模拟量I/O模块，作用是对物体的重量进行采集。电梯运行的前提是，让物体的重量不能超过设定的阈值重量，模拟量输入地址分配如表3-2。表3-2我们这次用15个输出点表示数字输出部分，详细的输出地址分配如表3-3输出地址输出设备输出地址输出设备上行接触器5楼指示灯下行接触器上行指示灯快速运行接触器下行指示灯慢速运行接触器厢体开门1楼指示灯厢体关门2楼指示灯3楼指示灯4楼指示灯电梯的速度切换，电机正反转还有处于超重报警等情况都需要由输出设备来控制。若又向下运行时，接触到刚才目标楼层的下行限位器后，电梯从低速变为控制系统中PLC虽然是最重要的设备组成部分，但是也需要各种限制开关、按钮、指示灯、继电器等设备进行控制。[17]。厢体的定位、运行以及控制厢门的开与关都是由限位开关来进行控制的。①楼层上/下层限位开关由八个限位器组合而成，对电梯的运行速度进行控制。限位器用来控制电梯的运行速度。当电梯下行想停在某目标楼层时，当厢体接触到目标楼层的上层限位器后，速度从高速变为低速，即可做到平稳停止。若又向下运行时，接触到刚才目标楼层的下行限位器后，电梯从低速变为高速，上行同理运行。②门层限位开关，包括：上平层、门区和下层三种限位器，分别置于不同位置。当电梯停止时，若三个限位器若是同时被接通了，则代表门的位置完成了定位，厢门现在所停的位置没有问题，这时电梯可以就能进行关门和开门③开门关门限位器的作用是为了准确检验厢门状态，厢门处于完全打开的状态时开门限位器才会被接通，厢门处于完全关闭的状态时关门限位器才会被接通，,电梯才可以进行下一步的上下运行。当电梯处于运行时一般使用旋钮，而我们这次设计中有维修、运行两种运行状态。其他按钮均采用触电式触发按钮：按下接通、释放复位。为了防止超重，因此装设有传感器。需要经过不断的调试，将其设置在适当的位置，让其准确的重量出物品的重量，若是在设定阈值重量内就可以安全运行，若是超过了设定阈值重量，电梯就不会关闭厢门，更无法上下运行。在此控制系统中，通过控制各接触器的通断，实现电梯的升降、两速运行控①上行接触器的线圈通电后，线圈通电让开关闭合，则电机正转电梯向上方运②下行接触器的线圈通电后，线圈通电让开关闭合，则电机反转电梯向下方运③快速运行接触器线圈通电后，线圈通电让开关闭合，使电机旋转从而带动电梯快速运行。④慢速运行接触器线圈通电后，线圈通电让开关闭合，使电动机低转速运转，使电梯缓慢运转。指示灯可以采用二极管，也可以采用数码管。在显示的单元多的情况下，使用数码管显示，可以减少输出点数。如果显示不是很多，也可以采用二极管显示。该控制系统，采用二极管作为显示单元，显示楼层和电梯的运行状态(上超限警报可以做到声光报警，蜂鸣器的指示灯和闪烁信号都可以发出。电机主要是做到拖动和控制电梯厢门开关作用，也是我们此次电梯设计系统最重要的被控设备。根据我们所选用的阈值重量，按所对应的容量功率来选择适合的电机。根据电梯控制系统的要求，软件编程进行了PLC控制系统的硬件设计和输入/输出单元I/O点的分配。对于软件设计，我们按照先画出流程图，再进行程序编写的顺序进行。首先我们把电梯分为维修和正常两种状态进行设计。。当处于维修状态时，旋钮则是断开的，电梯就会直接运行到最底层。处于维修状态时，其他的指令这个时候全部失效，流程图如图4-1。YN图4-14.1.2正常运行状态当旋钮闭合时，电梯正常运行。此时，根据用户的呼叫指令，对现在所处位置进行比较，按下一步的运行呼叫方向移动。在运行到目标楼层的过程中，电梯会自动对速度进行切换达到一个平稳的运行状态。流程图如图4-2所示。NNYYNYYNYNN根据图4-2的流程图，我们采用了模块化编程方法。建立了元件设置表(如表4-1所示),以便于程序设计和程序的修改及完善。表4-1元件意义意义内容备注楼1厢内寄存器楼2厢内寄存器楼3厢内寄存器楼4厢内寄存器楼5厢内寄存器楼1上行寄存器楼2上行寄存器楼3上行寄存器楼4上行寄存器楼2下行寄存器楼3下行寄存器楼4下行寄存器楼5下行寄存器目标楼层寄存器关门延时定时器4.2.1电梯运行/维修状态选择程序维修状态时的梯形图程序如图4-3所示。运行/维修切换旋钮I0.0闭合时，电梯正常运行启动；电梯处于故障状态时，中间继电器M0.0闭合，电梯直接下到一楼。如果电梯在一楼，设定在厢上的限位器向PLC发送信号，经过一段时间延时，厢门打开，进行维修。网络主释程序执行过程如下：电梯现所在楼层寄存器VB0与1层的比较，判断当前楼层是否为1层。到达指定楼层后，楼层到达标志M0.6闭合，下行状态标志M0.3复位，同时抱闸停车标志M1.1闭合，电梯制动停车，开门延时定时器T38启动，延时1秒后，开门启动标志M1.2闭合，电梯开门。4.2.2楼层指令输入程序程序如图4-4所示，将收到的不同楼层指令，依次存储在对应寄存器，电梯以此目的在楼层之间行驶。在操作中按下其他楼层的按钮，PLC进行计算，根据输入命令在指定楼层停止。网络1网络标题网络注释按下电梯轿厢内各楼层的按钮后，其相应的数字就会存放在对应的寄存器4.2.3电梯上下行运行判断程序电梯在一楼只能上行，五楼只能下行。中间楼层则与目标楼层进行比较，再输出指令，程序如图4-5。如图所示，当电梯闲置时，所按按钮对应的楼层寄存器大于现在则上升，否则它就会下降。用于判断电梯在升、降过程中的工作状态。网络1网络标题网络注释网络1:电梯处于底层(1楼)时，上行，M0.2为上行运行标志；电梯处于顶层(5楼)时，下行，M0.3为下行运行标志。网络2:目标楼层与当前楼层电梯相比，大于，上行；将目标楼层与当前电梯楼层进行比较，小于，下行。网络3网络3:1层按钮(楼1选择按钮或楼1上呼按钮)被按下后，电梯下行；处于中间楼层的2、3、4楼的按钮(上呼、下叫按钮)被按下后，与电梯现所按钮(楼层5选择按钮或楼5下行呼叫按钮)被按下后，电梯上行。网络4、5:电梯上行、下行互锁若电梯从1楼往上运行，此时二楼的向上按钮被按下，则电梯向上的目标楼层变为2。但是，按下一楼的上行按钮的话，对电梯的上行没有影响。确定最新的上线目标人群的程序如图4-6所示。网网络1网络标题网络注释□VB2-OUT-VB20VB8-检测楼层2、3、4的上行按钮以及楼层5的下行按钮是否被按下。网络2:若按下厢内楼层按钮或上行呼叫按钮，按下按钮的楼层在目标楼层和现在楼层之间时，将按钮所在楼层设置为最近的目标楼层。oUT--VB20OUT-VB20每个扫描周期PLC都要检测厢内和按钮情况。按下按钮，若现在楼层高于目标楼层，就会改变目标层数。确定目标楼层后，通过PLC输出命令电梯向上移动。快到达目的层后，用目的层的下层限值器向PLC输入信号，调用速度开关程序。如图4-7所示。I1.5I2.0分别为楼层2～5的下层限位器，采用上升沿触发，每经过一个下层限位器，电梯所在楼层就加1。到达目标楼层后，启动速度开关程序。网络标题网络标题网络主释电梯收到指令启动后，当电梯从五楼下来后，马上按下四楼的下行按钮，电梯中最近的下行目标楼层会变为四楼。此时，按下5楼的下行按钮的话，对电梯的运行状态没影响。程序如图4-8所示。PLC在每个扫描周期检查每层楼的电梯楼层按钮，按下任何一个按钮，并且楼层低于上一个目标楼层，则目标网网络1网络标题网络注释VB2-VB4-检测楼层2、3、4的下行按钮以及楼层1的上行按钮是否被按下。网络2:若按下厢内楼层按钮或下行呼叫按钮，按下按钮的楼层在目标楼层和现在楼层之间时，将按钮所在楼层设置为最近的目标楼层。层和现在楼层之间时，将按钮所在楼层设置为最近的目标楼层。每个扫描周期PLC都要检测厢内和按钮情况。按下按钮，若现在楼层低于目标楼层，就会改变目标层数。4.2.7下行运行程序确定目标楼层后，通过PLC输出命令电梯向下移动。快到达目的层后，用目的层的上层限值器向PLC输入信号，调用速度开关程序。如图4-9所示。I1.1~I1.4分别为1~4层的上限器件，由上升沿触发。通过上限位装置后，电梯所在楼层减少1。当到达目标楼层时，切换到速度开关程序。网络注释4.2.8开关门程序电梯运行时无法开门，电梯门打开时电梯不能上下移动，程序如图4-10。开门子程序如图4-10(a)所示。电梯定位完成后，开门定时器进行计时，延时1秒。计时结束，门自动打开。开门到位之后，自锁断开。手动开门按钮I2.6也要在延时结束后操作。关门子程序如图4-10(b)所示。电梯门打开后，可以根据实际情况决定关门的延迟时间。在这个步骤中，设定为5秒。时间一到，关闭继电器启动，自动关闭门。也可以任何时候选择手动按关门键。关门后，关闭继电器断开。网络注释网络注释图4-10当厢门完全打开才能进行关门，当开门到位限位器闭合后，才能使用手动关门。但是关门时可以通过手动按钮变为开门状态。4.2.9换速程序为了在电梯内有舒适的体验，我们采用低速和高速两种速度。刚开始电梯运行采用低速运行，适应之后，电梯以较高的速度运行。快速到达目的楼层，而不会产生强烈震动。程序如图4-11所示。电梯向上运行时，通过2、3、4、5层的下层限位时，会减速至慢速。通过1、2、3、4层上限制器时，加速至快速运行。当电梯下行时，通过1、2、3、4层的上限装置时，其运行速度会降到低速。通过2楼、3楼、4楼和5楼的下限制器时，加速至高速。网络注释M0.1M0.3M1.4网络4网络4图4-114.2.10门定位程序利用三个限位器实现电梯门的定位，同时要复位楼层寄存器，如图4-12。网络1:上平层限位器，门区限位器，下平层限制器3限制器全部对准时，门定位完成，电梯抱闸停止。网络2:电梯上行运行时，一楼的上层限位器通过一楼，复位一楼全部的上行寄存器，2、3、4楼同理。电梯到达顶层时，复位楼层所有的上行寄存器。网络注释