六层电梯控制系统设计

PAGE12毕业设计说明书(论文)设计题目:六层电梯控制系统设计

专业:机电一体化技术

班级:

学号:

姓名:

指导教师:

2021年月日

摘 要本方案所需要的是基于PLC的六层电梯控制系统的设计,采用西门子S7.1200PLC控制核心,外加了组态软件WINCC为上位机,设计了一套以PLC为控制核心的六层电梯控制系统,用来替换或取代较复杂的继电器.接触器控制系统。因为在电梯系统的控制部分所采用的都是PLC梯形图程序,保证在电梯正常工作的前提下,减少外部连接,控制简易,故障发生概率大大降低,使得电梯的故障检测和维修保养便捷,克服了传统的手动操作所带来的各种人为干扰等因素,取得了较好的实际应用效果。通过对控制系统的要求进行分析和控制,进行了整个总体设计,进行了硬件的设计和PLC选型,设计主控制电路和各个控制电路,分配了各种PLC的输入和各种输出,并绘制输入输出接线图,设计了PLC的控制过程和操作流程图,使用编程软件编写了梯形图和各种语句表等控制程序,最后我们利用WINCC组态软件对PLC进行了监视和管理。和模拟仿真进行测试,符合所有设计条件的要求,达到了预期的目的。关键词：六层电梯；WINCC组态；梯形图

目录摘 要 II第1章概述 11.1课题背景 11.2课题研究的内容 11.3课题目的和意义 21.3总体设计 2第2章控制系统的组成 32.1硬件的组成 32.2软件的组成 5第3章硬件系统设计 73.1PLC选型 73.2主电路设计 73.3控制电路设计 83.4PLC的I/O分配 93.5电动机控制电路图 103.6PLC外部接线图 11第4章程序设计 134.1程序流程设计 134.2编程元件明细表 144.3梯形图程序 164.3.1IO映射 164.3.2轿内控制 164.3.3轿外控制 174.3.4定向控制 174.3.5平层开关门控制 194.3.6模拟 214.3.7监控系统 21第5章组态设计 215.1通讯设定 215.2定时实时数据库 225.3组态画面 23总结 24附录 25致谢 40第12页第1章概述1.1课题背景随着信息科技的进步与腾飞,计算机技术也正随之日新月异地发生变化,带动了自动控制技术和电力与微波工程等技术的飞迅发展。当今的城市里,电梯已经作为人们生活方式的一种重要标志而被广泛采用。特别是在许多高层建筑中,电梯更是必须配备的垂直搬运装置。在我国城市中心地区高层建筑工程飞速发展的今天,电梯工程行业的广泛应用范围也是越来越多地被推广,电梯控制技术也已经进入了调频、调压和电梯调速相结合的阶段。而且对于电梯的逻辑控制还是由现在所使用的PLC来取代以往对于继电器的控制。传统的继电器控制是远不及PLC电梯控制方便快捷的。1.2课题研究的内容课题所研究的内容主要是用可编程控制器（PLC）自动控制电梯系统。由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。针对老式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，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。论文的主要内容如下：首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的总结和介绍。接着根据电梯的控制要求，设计模拟控制模板，确定PLC所需的输入/输出口的数量，确定PLC的型号，选定主机机型，并进行扩展。然后设计PLC的外部接线图、流程图等，编写控制程序，最后对编写的电梯控制程序进行仿真和调试。1.3课题目的和意义随着全球科技的高速发展。中国的经济也正处于高速增长期,而且微电子技术以及计算机技术和工业自动化控制技术也是一个与时俱进的。自动化技术应用越来越广。电梯作为一种交通运输装置,其运行时都是在竖向或水平方面运行。随这个时代的发展和进步人们的生活物质文化水平也在逐渐得到提高,慢慢地巩固了电梯类产品在现代人们生产物质和生活中占据的地位,将会变得和汽车一样重要,成为人们重要的运输设备之一。因此,研究以PLC为核心的电梯自动化控制系统,是当下电梯行业的重中之重。1.3总体设计PLC实时电梯监控信号，包括来自于任一层轿厢外的电梯上行呼叫信号,监控电梯轿厢内的任一层电梯呼叫信号,监控位于电梯高层轿厢连接到位于高层和各楼层的任一选层电梯呼叫信号,监控位于电梯高层轿厢内的电梯开门按钮和监控电梯轿厢关门按钮的呼叫信号,开门按钮同时到位和监控电梯轿厢关门按钮同时到位的呼叫信号等,以及夹人保护,过载保护,超重保护等。通过PLC软件进行编写程序,输出的制动指示灯信号可以直接用来准确显示一个电动轿厢的实际工作运行状态,驱动一个进入轿厢的一台电动机，按照设定的程序后就可以轻松实现高速升降、顺向制动、逆向制动,平层故障检查、开关门等多种工作功能。同时利用WINCC的组态对电梯进行了监控与仿真,模拟演示了六层电梯自动控制。轿厢可以在四层或者三层停车,或者二层的话,按SB1按钮进行呼梯,轿厢就会下降至SQ1停止。轿厢停于一层,若按SB2按钮呼梯,轿厢上升到SQ2停止,若按SB3按钮呼梯,轿厢上升到SQ3停止。轿厢停于四层,若按SB3的按钮,轿厢一般会下降到SQ3停止,若按SB2的按钮呼梯,轿厢一般会下降到SQ2停止。轿厢在一层不能停车,而通过一层SB2,SB3,SB4的呼梯按钮都必须是由轿厢所有人共同进行呼梯,轿厢的呼梯上升至一层SQ2暂停后,继续从上向下进行提升楼梯至二层SQ3,再次向下进行呼梯直到暂停后,继续向下提升至二层SQ4停止。第2章控制系统的组成PLC控制系统像一般的计算机控制系统一样，也是由硬件和软件两个部分组成的，硬件是指PLC本身及其外围设备，软件是指管理PLC的系统软件，PLC的应用程序，编程语言和编程支持工具软件。图2.1典型PLC控制系统的硬件组成图2.1硬件的组成图2.1为典型PLC控制系统的硬件组成图。PLC控制系统的硬件是由PLC，输入/输出（I/O）电路及外围设备等组成的。系统规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。下面对构成控制系统的主要部分简要介绍。主控模块除了早期生产的整体式PLC（PLC的各个部件都在同一机壳内）外，目前市场多数的PLC都已采用模块化的结构（PLC的各个部件独立封装，称之为模块）。在PLC中各个模块均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。在这个系统中最核心的模块是主控模块（也称CPU），它包括：CPU，存储器，通信接口等部分。输入/输出模块PLC的控制对象是工业生产过程，PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。生产过程有许多控制变量，如温度，压力，液位，速度，电压，开关量，继电器状态等，因此，需要有相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场的桥梁。且这些模块应具有较好的抗干扰能力。目前，生产厂家已开发出各种型号的模块供用户选择。对于输入/输出模块有：数字量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，模拟量输入/输出模块，交流信号输入/输出模块，220V交流输入/输出模块。还有智能模块，它本身带CPU，存储器和监控系统，可独立完成各种运算。智能模块的种类很多，如高速计数模块，PID调节的模拟量控制模块，阀门控制模块，智能存储模块和智能I/O模块。电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠的电源，系统是无法正常工作的。因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。I/O电路PLC的基本功能就是控制，它采集被控对象的各种信号。经过PLC处理后，通过执行装置实现控制。输入电路就是被控对象（需要进行控制的机器，设备和生产过程）进行检测，采集，转换和输入。另外，安装在控制台上的按钮，开关等也可以向PLC送控制指令。输出电路的功能就是接受PLC输出的控制信号，对被控对象执行控制任务。PLC的外围设备很多，但基本功能不外乎对信息和数据的处理。常用的有编程器，可编程终端，打印机，条码读入机等等。编程器是PLC的重要外围设备之一，它可以将用户编写的程序送到PLC的用户程序存储器。因此，它的主要任务是输入程序，调试程序和监控程序的执行过程。可编程终端是具有I/O功能的PLC人机界面产品。人可以通过触摸屏幕将信息输入PLC中同样可编程终端也可以将PLC的输入数据和信息显示在屏幕上。2.2软件的组成PLC控制系统的软件主要是系统软件，应用软件，编程语言及编程支持工具软件几个部分组成。PLC系统软件与工作过程PLC系统软件是PLC工作所必须的软件。在系统软件的支持下PLC对用户程序进行逐条的解释，并加以执行，直到用户程序结束，然后返回到程序的起始又开始新的一轮扫描。PLC的这种工作方式就称之为循环扫描。应用软件PLC控制系统的应用软件是指为完成PLC实际控制任务而编制的各种软件。随着PLC应用领域范围的不断扩大，应用水平的提高，PLC应用软件也大大丰富起来了。PLC应用软件与一般计算机信息处理软件相比，有很大不同，PLC应用软件有以下几个特点：(1)应用软件设计必须与生产工艺紧密结合。生产工艺要求不同，控制的功能也就要求不同，即使是相同的生产过程，由于各种设备的工艺参数不一样，控制实现的方式也不一样。所以程序设计人员必须深入现场，严格遵守生产工艺的具体要求来设计应用程序。(2)应用软件与硬件紧密相关。软件设计人员不能抛开硬件配置和系统孤立地考虑软件设计。设计必须根据硬件系统，接口的实际情况进行相应的程序设计。(3)PLC应用软件的设计需要计算机，自动控制技术甚至网络通信技术等多种知识。特别是PLC网络的出现，PLC控制系统不再是一个单独的装置。在控制系统中，可能包括有多台不同型号的PLC，计算机，外围设备等。因此在进行软件设计时，实现和处理某种控制功能都离不开计算机，自动控制和通信技术。因此，应用程序中不仅有PLC程序，还有计算机程序和通信网络程序等。编程语言及编程支持工具软件PLC有多种编程语言：梯形图语言，助记符语言，逻辑功能图语言，布尔代数语言和某些高级语言（Basic，C语言等）。但使用广泛的还是梯形图语言和助记符语言。现在世界上各个PLC生产厂家都研制了自己的PLC编程支持工具软件和监控组态软件。用户可以根据自己的需要利用这些软件来改善软件的开发环境，提高编程效率。

第3章硬件系统设计3.1PLC选型系统共使用了24路数字量输入，24路数字量输出，系统为小规模自动化应用。西门子公司的S7.1200是高性能小型PLC,可以满足大多数中小规模的应用。因为性价比高,使用简单,编程容易,接线方便,另外有多种规格和扩展模块可以选择,采用的供电方式主要是采用交流电源电路进行稳压供电,直流和普通数字数的量分别为插出输入,继电器的插入输出,含24路交流数字量输入,16路直流数字量的插入输出,可以满足本系统的使用需求。3.2主电路设计其主要的集成电路基本结构如波形图3.1所示。外部三相380V交流电,经L1,L2,L3,N分别直接提供给各个供电设备和各种变压器设备使用,其中的L1,L2,L3为三相电源线,N则为零线。QF1是一个总的断路器,可以直接自动接通或者手动切断一个整台机的电源,FU1是总的电源熔断器,起到了电源短路和过载电流的安全保护。M1是一种带有拉杆式轿厢的拖拽发动机,驱动轿厢的升降。QF2是一种拖曳式电机断路器,VF1是一种拖曳式电机的变频器,用来驱动一台拖曳式电动机在变频系统中运行。KA1为上升正转启动继电器,PLC通过控制KA1线圈来得电,KA1常开触点闭合,接通一个变频器端子5和9,启动一个变频器进行正转,执行上升。KA2是一种通过下降式上升反转直流启动的变频继电器,PLC通过直接控制KA2线圈来启动得到直流供电,KA2常常对开触点进行闭合,接通了整个变频继电器启动端子5和9,同时也分别接通了整个变频继电器启动端子6和9,启动了整个变频器的下降反转,执行下降。R1是变频器速度调节电阻器,通过调节R1可以调节变频器速度。M2是开关门电机,驱动电梯开关轿厢门。FR2是为了对开门和关门驱动电机的电压过载进行保护和采用热继承断电器,起到了过载保护防止开关门驱动电机的过载作用,防止开关电动机的电压过载而受到烧毁。KM1为自动开门控制启动接触器,KM2为自动关门控制启动接触器。图3.1主电路图3.3控制电路设计该控制电路结构如图3.1所示。220V的交流电通过L1,N给予一个控制电路,QF4是一个控制电路的断路器,FU3是一个控制电路的熔断器。G1是直流开关的电源,把220V的交流电转换成24V的直流电,供PLC的两个输入及其输出。220V的交流电通过断路器QF4,熔断器FU3,给PLC系统提供220V的交流工作电源。KM1为门打开电动机的正反反转继电接触器,KA3为门打开线圈启动的正转继电器,PLC通过自动操作程序来自动控制KA3线圈启动进行正转启动,KA3常开触点进行闭合,接触器通过KM1线圈启动进行正转启动,门由发电机的正转启动正常运转,执行开门。同样的,KM2为逆向得电启动接触器,KA4为逆向启动接触器,PLC通过接触控制KA4线圈可以进行自动得电,KA4为常关触点自动闭合,接触继电器KM2线圈可以进行自动得电,开关门是将电机的自动得电逆向启动反转,执行自动的开关门。图3.2控制电路图3.4PLC的I/O分配 PLC的输入和输出分配见如表3.1所示。表3.1PLC数字量输入分配表名称地址名称地址一层内呼%I0.0一层内呼%I0.0二层内呼%I0.1二层内呼%I0.1三层内呼%I0.2三层内呼%I0.2四层内呼%I0.3四层内呼%I0.3五层内呼%I0.4五层内呼%I0.4六层内呼%I0.5六层内呼%I0.5开门开关%I0.6开门开关%I0.6关门开关%I0.7关门开关%I0.7一层外呼上%I1.0一层外呼上%I1.0二层外呼下%I1.1二层外呼下%I1.1二层外呼上%I1.2二层外呼上%I1.2三层外呼下%I1.3三层外呼下%I1.3三层外呼上%I1.4三层外呼上%I1.4四层外呼下%I1.5四层外呼下%I1.5SPare_1%I1.6SPare_1%I1.6SPare%I1.7SPare%I1.73.5电动机控制电路图根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图3.3所示。图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1~KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。FU1为熔断器，起过电流保护作用。图3.3电动机控制电路图3.6PLC外部接线图PLC外部接线图见下图3.4，其中包含主控制器CPU224CN及扩展模块EM223。接线图分为DC输入端和DC输出端。输入端DC24V的负极接公共端1M和2M。输入开关的一端接到DC24V的正极，输入开关的另一端连接到CPU224或ME223各输入端。输出端DC24V的正极接L+端。输出负载的一端接到DC24V的负极，输入开关的另一端连接到CPU224或EM223各输出端。图3.4PLC外部接线图第4章程序设计4.1程序流程设计电梯上下行流程图。假设电梯停在N（N=1，2，3，4，5，6）楼,M楼有信号,M＞N时，电梯上行；M＜N时，电梯下行。在电梯运行过程中，电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方向无其它内、外呼梯信号时，则电梯响应该外呼。电梯应具有最远反向外梯响应功能。例如：电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。电梯响应流程图见图4.1。图4.1电梯响应流程图电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵，其操纵内容为电梯运行方向。电梯轿箱内设有楼层内选按钮S1～S4，用以选择需停靠的楼层。L1为一层指示、L2为二层指示、L3为三层指示、L4为四层指示，SQ1～SQ4为到位行程开关。具体如下：1、开始时，电梯处于任意一层。2、当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，梯门打开，延时5S后自动关门。3、当有内呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时5S后自动关门。4、在电梯运行过程中，电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方向无其它内、外呼梯信号时，则电梯响应该外号。5、电梯应具有最远反向外梯响应功能。例如：电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。6、电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯停止运行后，按开门按钮电梯门打开，按关门电梯门关闭。4.2编程元件明细表根据电梯控制的要求，为能实现电梯各种功能，构思PLC控制的程序，粗略估算肯能用到的编程元件。编程元件见下表4.2。PLC编程元件明细表输入继电器II0.0

I0.1

I0.2

I0.3

I0.4

I0.5

I0.6

I0.7

I1.0

I1.1

I1.2I1.3

I1.4

I1.5

I1.6

I1.7

I2.0

I2.1

I2.2

I2.3

I2.4

I2.5

I2.6输出继电器QQ0.0

Q0.1

Q0.2

Q0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

Q0.7

Q1.0

Q1.1Q1.2

Q1.3

Q1.4

Q1.5

Q1.6

Q1.7

Q2.0Q2.1Q2.2Q2.3Q2.4Q2.5存存储器MM0.0

M0.1

M0.2

M0.3

M0.4

M0.5

M0.6

M0.7计时器TT33

T37特殊位存储器SM0.1表4.2PLC编程元件明细表

4.3梯形图程序4.3.1IO映射图4.2程序段1当用户按下上行或下行呼梯按钮，即对相对应楼层下行或上行指示灯进行置位操作。可以保持按下时的信号，等待轿厢响应。我们使用wincc组态软件，使用按钮功能，直接对内呼信号灯进行“位取反”，实现了：可以保持呼叫信号，等待轿厢响应。4.3.2轿内控制图4.3程序段24.3.3轿外控制图4.4程序段34.3.4定向控制图4.5程序段4图4.6程序段5停车状态下，电梯采集所有呼叫信号，按先来后到远测自动定向。电梯一旦按确定方向运行，只响应同向呼梯信号停车，记忆反向呼梯信号等待换向后响应。电梯如果向上运行时，对于向下方向的呼梯信号，电梯先响应最远的，换向后再按顺向截车原则响应向下方向的其他信号。4.3.5平层开关门控制图4.7程序段6图4.8程序段7当电梯到达指定楼层，并且电梯静止时，需要打开电梯门。电梯运行到的楼层如果有呼叫信号，且电梯静止状态时，本层开门。4.3.6模拟图4.9程序段8模拟出电梯运行位置。4.3.7监控系统图4.10程序段9给出各楼层呼叫信号，方便监控系统的运行。第5章组态设计5.1通讯设定在一个WINCC组态的软件里,打开一个设备窗体,添加一个通用的设备,添加一个设备HMI触摸屏。图5.1添加设备5.2定时实时数据库建立实时变量库，与PLC进行通讯或者用做内部数据，进行动画脚本等使用。图5.2实时变量库5.3组态画面根据生产工艺及其高度控制的技术要求，自我设计并建立了电梯监控画面,设计并建立了一个六层自动电梯模型。轿厢内部的楼层选择按钮，开关门按钮。轿厢外部的上下行指示灯，楼层显示器，上下行外呼按钮。各楼层呼叫信号，平层信号，上下行信号，开关门信号的监控系统，方便更好的观察电梯运行情况。外部呼叫的楼层显示器以及上下行指示灯，可以明显的看到轿厢所处楼层和运行方向，轿厢门的开启和关闭，开门信号要优先于关门信号，即有开门信号时关门信号无法使用，保障了用户们的安全。平层信号的使用，使电梯运行更加平稳，停层更加准确，提高了电梯使用的舒适性，监控系统的使用，可以更好的监控电梯运行方向和轿厢门的状态，可以及时对应急突发事件做出反应。图5.3监控画面

总结在老师及各位同学们的帮忙下,完成了基于PLC的六层电梯控制系统。通过这次的设计,我终于能够充分运用自己所学的知识,解决了我在毕业设计中可能遇到的困难,使自己的实践动手能力和独立思考问题得到了改善。在我每天做毕业设计工作的过程中,我已经查阅了许多的文献和资料,并认真地仔细阅读了这些毕业设计工作密切相关的文献和资料,从而使我的毕业设计专业涵养也得到了进一步的提高,知识储备也随之增加。在我刚开始做毕业设计的时候,我就复习了许多专业课的知识,这也就使我的毕业设计专业知识有限度的巩固。整体的设计经过了各种软件及其他硬件的调试和仿真。我觉得它对自己以后的生活学习和事业都将会是具有极大的好处和意义。在这次的设计中碰到了许多实践性的问题,在实际的设计中才突然地发现,书本上那些理论化的东西与实际应用中的东西还是存在着一定差别和出入的,所以有些设计中的问题不仅需要深刻地去理解,而且还需