【基于PLC的电梯自动化控制装置设计7500字（论文）】

第一章引言1.1研究背景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。PLC是一种工业控制微型计算机，它具有的优点是操作简单、编程方便，特别是它具有非常高可靠性等，覆盖的领域广。我们生活中的电梯、工厂里面的半自动化机器，自动化机器都有plc作为控制系统。目前电梯有三种主要的控制方式，其中就有以plc为控制系统的电梯，它比其余两种控制方式成本更低，维修方便等特点。现代的电梯主要的硬件结构，如下图1.1。图1.1电梯结构图由上图可以清晰的观察到电梯的结构图，这是一个现代的电梯结构图。（1）动力装置它的动力是由拽引机提供的，那么它的供电形式主要分为直流拽引机和交流永磁同步拽引，通常情况下直流和交流的拽引机都会选择无齿轮的结构。电机：用来提供动力是最终的执行单元。制动器：在停电和停止时间电梯抱死不动以防出现意外安全事故，一般采用电磁制动。减速箱：主要是用蜗轮蜗杆进行对电梯速度的控制。拽引轮：它是连接轿厢和对重中间重要的部件，它通过钢丝绳使电动机的动力能够传递到轿厢金额对重上从而使电梯运动。导向轮：这个部件非常的重要它是保障电梯平稳运行不晃动的一个硬件措施。因为轿厢和对重之间中心点的实际距离是大于设计值的，这种情况可能导致电梯运行时失去中心平衡点左右摇摆甚至造成安全事故。这个导向轮是拥戴保障连接两者之间的钢丝绳中点距离。限速器：主要的功能是电梯运行时对速度进行一个检测和限制，当电梯达到了额定的限速时限速器就会发出信号并动作的装置。控制柜：是整个电梯的大脑中枢，主要用于存放电气元件并进行逻辑的运算得出结果，给出电梯运行指令同样他也可以实现手动操作。底盘：便是动力装置的固定底座是由钢或者铁制造的，它也有对应型号的承载底座。（2）电梯井道部件电梯动力安全方面得的到了解决，在电梯的实际运行的环境有哪些部分组成（井道）。如下：导轨：它是电梯在井道里运行的重要，它是限定电梯运动方向是路线的重要器件。对重：它是用钢丝与轿厢相连接的，它最主要的功用是在电梯的运行当中能够保证电梯的平衡。上下限位开关：它是用于电梯定位的作用，到点是会自动发出信号切断电源。缓冲器：它是装配在井道的最底层，是对重和轿厢到达最底层的时候产生的冲击力进行一个缓冲，使运行感受平稳。安全钳：它是一个安全装置是用于电梯坠落和失重情况下的紧急制动装置，触发时它会将电梯夹在导轨上保障人们安全。（3）电梯井道外部部件井道和人们上轿厢之间隔了一道门那它们之间存在这些部件：呼叫按钮：每一层都有两个上和下的呼叫按钮（除了最底层和最高层各只有一个按钮部分设计会在按钮上面显示电梯目前在的楼层）。厅门：主要用于保障人们平时的安全，它只有在轿厢到达时把门刀收紧把门轮夹起厅门上的钩子就会打开了从而打开门，防止人们有坠入的危险。（4）轿厢电梯主要结构轿厢组成：轿门：是在电梯运行时关闭保护乘客安全的。开门机：在电梯停止上下乘客的时候提供电力打开轿门。轿厢地坎：它是用于做门的支撑点，保证电梯正常运行。1.2电梯控制系统的选择电梯的控制系统在电梯的进化史上也进行了不断的进化，目前电梯主要采用三种控制方法：（1）继电器控制（目前很少有电梯使用停止生产）；（2）plc（可编程控制器）控制（抗环境干扰较强适合环境恶劣使用）；3.微机控制（现代市场最受欢迎的）。（1）继电器控制电梯控制系统中最早的出现后期的控制系统也是基于继电器控制演变的。它通过继电器相互之间的常开和常闭来完成最基本的逻辑运算，因为是通过最基本最单一的变化来实现逻辑的运算，所以它一般为电气执行的主电路，另一部分是运算逻辑的电路。它的特点便是逻辑功能都是由硬件来完成，所以它是非常直观明了，一般的技术工人都能很快掌握这种方法；它所采用的的电气控制元件非常普遍很低的成本便能购买全其元器件；元器件的维修、保养、装配简单无需专业仪器维护；这套系统非常成熟种类繁多。但是它还是有很多弊端，因为全部逻辑是硬件组成那么硬件自生的缺点将全部转化为控制系统的缺点。继电器是比较容易出现损坏、接触不良需要经常维护；组成一个电梯的逻辑计算电路需要庞大的继电器和复杂的连接方式那么在这样的条件下很难提高电梯的其它功能；元器件进行逻辑运算时因为是机械的动作可能会出现反应不一致、延迟等现象；种类繁多的机械在一起运转的时候不可避免的会出现很大的声响，影响舒适感。综合以上，我们发现老式的继电器控制是存在很多问题的，问题会带来经常性的维修。电梯容易出现出现停梯异响、维修工程量大、排障困难等，给人们带来不适的感受。（2）plc控制Plc控制实际上也能算做微机控制，它具有非常高的可靠性和抗干扰能力。从plc的生产工艺上就进行了抗干扰技术制作，本文采样的三菱FX-2N的plc就能达到30万小时无故障的操作。而且plc是自带故障报警和显示功能的对后期的维修节约了很多时间和难度，同时在软件GXDeveloper中也可以看见故障点在哪清晰的看到。相对于继电器控制plc将逻辑运算都集中在了软件中减少了元件的数量，节约了电气元件和线路。Plc在工业当中的应用以及很多温度测量、液位测量、速度测量、流量测量等这些领域当中，并且能与其它设备通讯创立人机界面使系统更好操作。用plc控制会很大的节约能源、节约工程时间、电量，而且体积很小节约空间。（3）微机控制微机控制是基于单片机的使用，一台电梯可以分为几个部分每个部分可以用一个单片机去完成它的功能。在将它们相互之间建立数据连接，构成一个完整的电梯控制系统中心，这是微机控制的基本原理。在这种基础下微机还可以实现群控的策略，主要是为了多梯统一管控相互之间建立信息的交流。例如一人在五楼呼叫向上，a在四楼向上、b在2楼向上，那么这会a就会接下任务在五楼停下并告诉其它的电梯我去接你们不用停。这样就很大程度的提高了电梯资源的利用和人们等待时间的缩短。（4）控制系统选择在我们分析了三种方式的优缺点，现在结合课题和在校学习情况做一个选择。在学校时平时学习最多的和实训做到的项目比较多的便属于plc，而且也是先考了plc可编程控制二级，又在老师的指导下考了plc可编程控制三级的证书。所以选择第二种方式plc控制，做为本次课题的实现方式。第二章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四层电梯，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、四层是下层以外，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四层电梯的方案，并且对软硬件进行设计，依靠上位机对控制四层电梯的功能进行模拟。2.2控制方案的选择本设计使用了PLC去设计四层电梯，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系统控制方案框图第三章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1kg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1hz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四层电梯的控制系统，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四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扩展模块的接线图第四章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四层电梯上下行程序。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4.2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4.3四层电梯控制的上位机设计此设计在以四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动画设计对话框总结本文主要以四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.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。2.在设计硬件的时候需要参照系统的整体方案去分析硬件，最重要的是设计电路图和其他图表。根据设计要求，考虑到原理图安全性，设计了相应的保护功能。3.在系统的软件设计方面，具体分析此系统所需的工艺并且设计出程序流