【基于PLC的电梯智能控制系统设计与实现8800字（论文）】

第2章基于PLC的电梯智能控制系统设计与实现摘要随着社会发展，建筑物数量激增，人们对电梯的需求也在增加，建筑楼层增加，电梯等科技产品也必须不断地在做出改进和创新才能满足人们日益追求的理想生活。而在电梯系统更新设计中，控制系统是一个产品开发和运行的核心，是电梯正常运行的保障。该系统的设计重点是针对电梯进行设计，从原理分析、动作流程设计等方面进行了设计，实现了对电梯的自动控制。该系统以PLC为控制单元，实现了对电梯的自动控制。根据PLC的设计思想，对电梯的工艺需求进行了设计，并确定了控制方案，并在此基础上进行了设备的选型、硬件I/O的设计。根据外部输入、输出、线路需求，对软件的设计流程进行分析。关键词PLC；电梯；硬件设计；软件设计目录TOC\o"1-3"\h\u10902摘要 i1881第1章绪论 190051.1电梯的诞生与结构 182531.2电梯控制系统发展趋势 118455第2章电梯控制系统的总体设计 33462.1电梯控制的工艺设计 3228642.2控制方案的选择 3173072.2.1单片机系统方案 3301772.2.2可编程控制器系统方案 4298402.2.3电梯的工作原理 4156672.2.4继电器控制 5178292.2.5控制系统选择 5132912.3控制方案的确定 51591第3章电梯控制系统的硬件设计 7236013.1可编程控制器的选型 7182003.1.1中央处理单元 714243.1.2存储器 7152433.1.3通信接口 7144973.1.4电源 7191313.2变频器的选型 812913.3系统的硬件设计思路 977283.4变频器电路的接线设计 9278213.5可编程控制器的接线设计 107396第4章电梯控制系统的软件设计 12155924.1I/O分配设计 12327224.2程序流程功能图设计 13285144.3程序的设计 14215654.4电梯控制的上位机设计 1513753第5章结论 208457参考文献 21第1章绪论1.1电梯的诞生与结构升降机是一种旧的升降机。这是美国伊丽莎白奥特斯于19世纪中期发明的。现代化的升降机主要是用来把人和货物从高楼上运过来。随着工业信息化的快速发展，以及现代化城市的快速发展，随着对电梯的需求不断增加，对其性能的要求也在不断提高。中国于2003年发布了《电梯制造和安装安全标准》《电梯技术标准》，并于2013年出台了《特种设备安全法》等相关法规。一百多年来，电梯控制技术经过了手柄控制、按键控制、信号控制和人机交互控制。在国内，PLC是目前电梯控制的主流。与常规的继电器控制比较，PLC具有较好的安全性和可靠性。可靠性高，电路简单，故障率低，能耗低，维护方便，数字化程度高，是当今电梯发展的必然趋势。中国目前已成为全球第一大升降机生产国和消费国。现在，全球主要的电梯公司都在中国建立了自己的或中外合资的公司。中国生产的升降机占全球总升降机的70%，而中国的升降机销量则占60%-65%。业内人士表示，中国的升降机产业正朝着一个更加集中的方向发展。泰森，康妮，奥的斯，三菱，还有很多其它的升降机工业。我们有许多的升降机和主板。我国目前除了变频调速之外，还有大量的升降机，其技术和产品的品质也在不断地提升。巨大的市场空间造就了升降机技术的发展与革新。1.2电梯控制系统发展趋势这台升降机已经使用了150多年。1854年，世界博览会在纽约的水晶宫举行。首先想到的是格雷夫斯·奥蒂斯。人们也开始利用起重机来运送货物。但是，在这个阶段，却产生了很多问题，尤其是断裂的绳子。随著科技的进步，升降机的材质也是五颜六色，由直线型到斜面式，亦有手柄切换、按键控制、信号控制、集中控制、人机对话等。另外，在控制系统中，也存在着很多的联动、智能控制等。其后，升降机的功能、品种愈来愈多，愈加人性化，人们的生活变得更好了，越来越快乐。1901年，奥的斯公司将中国首台升降机引入上海。中国将于1951年在天安门广场上实现国产升降机的全部安装。我国电梯行业自改革开放后，已在国民经济中快速发展。中国是当今世界上最大的国家，但发展相对滞后。我国在发展过程中，由于受到多种原因的制约，我国的发展机遇错失，科学技术发展水平也相对滞后。所以，必须在经济体制改革和政治体制改革的大背景下，大力改革现有的科学技术体制。我们要抓住这次机遇，进一步深化科技体制改革。在改革全面深化的前提下，要在一些重大领域率先突破、走在全国前列：一是科技体制改革要有新突破。当前，我国的科技创新制度仍存在诸多问题，特别是以企业为主体的应用创新，尚有较大的发展空间。我国高质量的创新资源还很匮乏，创新平台的建设还很落后，需要提升自己的创新能力，需要更多的科技投资，更需要完善的制度和机制。我国的科技创新已经迈入21世纪，但是我国的科技成果转化体系并未与之同步，这就更加增强了我国科技创新的紧迫性和使命感。要加强科技创新的动力，要主动适应经济发展对科技发展的新需求，使之真正落实。同时，我国的升降机产业也在不断地进行着变革和革新，采用灵活的升降机技术也得到了快速的发展。中国在解放前引入了电梯，上个世纪七十年代，中国已经研制出了具有自主知识产权的电梯组和升降机。朱伯良介绍了将PMSM用于电梯技术的研究。针对电梯控制系统的设计需求，提出了一种新型的升降机转向系统。在确定电梯的控制方式和方向时，必须综合考虑其使用环境、运行要求和投入。设计要求必须具备良好的管理水平，能够适应现场的工业生产，并且能够进行后续的升级。系统的选取直接关系到系统的稳定性、操作的完备性、管理的便利性，从而影响系统的升级与调整的空间。第2章电梯控制系统的总体设计2.1电梯控制的工艺设计根据电梯的基本技术要求进行设计，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、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，可以控制电梯上下。2.如果电梯正在上升或者下降，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.电梯各个楼层都设置有平层检测传感器，当抵达目标层的时候，此平层传感器便会工作，电梯不再运行，而且能够停止在目标楼层，还能自行开门，并且有等待时候之后会自行关门。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电梯的方案，并且对软硬件进行设计，依靠上位机对控制电梯的功能进行模拟。2.2控制方案的选择根据电梯控制系统的设计需求，选用与设计控制系统。当控制系统被选定时，应分析使用环境、系统性能要求和经济成本。系统设计稳定可控，现场工作环境良好，升级后仍有改进空间。控制系统的选择将极大地影响系统的稳定性、功能完善性和控制方便性，为以后的系统改造与升级留出了余地，同时也为系统的进一步完善与更新打下了基础。最重要的是，成本控制系统的设计与项目的设计和研究时间密切相关，接着对几种常见的控制方法进行了分析对比，并对其进行了优劣对比，最终确定了一种适用于此的控制方案。2.2.1单片机系统方案PLC工作方式分为工作模式和停机模式。若在终止状态，则只有两种处理流程：内部和通讯；在工作的时候，它的工作模式是重复的。一旦收到第一条命令，就会按照一定的顺序进行相应的处理，直到整个过程结束。然后再进行一次，如此反复。PLC在运行时，除内部和通讯信息外，还包括输入、输出、执行。执行程序一般由三个阶段组成：取样、执行和更新。另外，PLC在运行中也能自动进行故障诊断，并能完成对终端设备的数据传递。另外，PLC的程序在运行时，该系统采用了集中控制方式，即使有异常信号，也不会对内存产生影响。首先，本文详细地介绍了单片机的硬件电路和软件设计。尤其是在R&D电路板的设计上要慎重。如果您的疏忽，可能导致线路板的品质出现问题，因此，如果MCU在研发中，如果现场测试流程出现了很大的改变，那么MCU厂商很可能会放弃电路板的设计。在软件设计的时候，如果有一个固定的记忆体，那么更改是非常困难的。另外，MCU系统必须具备很好的抗干扰性，但扩展性差，不适应恶劣的工作环境，后期难以改善。所以，要按照系统的设计需求，对其进行改造，留出一定的发展空间，这使得它无法适应系统的技术要求，也就无法满足软件的要求。2.2.2可编程控制器系统方案可编程序控制器是针对当前工业控制环境，尤其是计算机、通讯等技术发展的需要而研制的。可编程控制器在PLC（PLC）的设计中得到了广泛的应用。在此基础上，PLC可编程控制器可根据具体的应用条件和功能来进行选择。例如，在实践中，需要进行模拟和仿真控制的选择。确保按照预定的通讯线路选择合适的通讯设备。根据PLC的品牌及型号，进行软件的设计及选用。研究、开发和设计一般都是用来进行数学运算的。在编程之后，您可以从编程的线缆中下载该软件。如果没有改变“过程”域，那么就修改这个过程，然后增加一个功能。二次开采的研究比较简单，要求设备布置以保证外部剩余的投入和产出，从而更方便地进行后续的改造和现代化。由于PLC在工程上的广泛使用，因此，本文以PLC为控制单元，并将其用于实际系统的设计。为了进行控制系统的设计，对已有的系统参数进行监测、记录、查询和修改，必须将其显示在上位计算机的人机接口中，通过人机接口来了解目前的运行状况，查询有关的资料。PC机和PLC通过通讯协议进行通讯。PLC对外界的抗干扰能力较强。本论文所采用的三菱fx-2n型可编程控制器，能够在30个小时内不间断地工作。同时，该PLC还具备故障显示、报警等功能，节约了运行周期，减少了后期维修工作的困难。与传统的继电器比较，PLC采用集中式运算逻辑，可减少元件数目，减少电路及电路。PLC在速度、液位、温度等方面有着广泛的应用。与其它装置的人机接口，使得整个系统具有较强的可操作性。由于PLC具有体积小、占地少等优点，所以可以节省能源、时间和电能。2.2.3电梯的工作原理升降机由钢丝绳、导轮、减速器、刹车等组成。电梯依靠许多安全设备来确保电梯正常工作，比如导轨就是为了确保电梯的安全运转不会发生偏移和抖动。电梯对复用是为了减少电机的动力，平衡升降机的负荷，及时出现故障和停电故障也能保障旅客的人身安全。以上对升降机的工作原理作了简要的介绍，本课题所涉及的升降机系统与一般升降机的要求是一致的。随着电梯的不断进步，电梯控制系统也得到了极大的改善，目前采用的是继电器控制（由于少面临停产）、可编程控制（PLC，适用于严酷的环境）和微机控制（现代广泛应用）。2.2.4继电器控制在升降机的控制中，采用了继电器。为了实现最基础的逻辑运算，保护继电器的正常开启和关闭。由于其依靠最简单的变化。所以，在电路的逻辑运算中，它比电子指令更为重要。它的特征是由硬件来完成所有的逻辑函数，所以操作起来比较简单和直观。他们采用了电子控制部件，可以很便宜地买到全部部件。不需要专门的工具就可以进行零件的维修和安装。系统越来越健全，越来越多元化。但是，由于继电器及控制系统的不完善，会造成继电器、控制系统等诸多问题。有时候，需要更多的时间来维持。由于在逻辑电路的运算中，采用的继电器数量较多，通讯手段也比较复杂，因此很难进行其它功能的优化。在逻辑处理中，由于器件的机械移动，会产生相应的反应和滞后。不同的机器同时工作，必然会发出很大的噪声，从而影响到使用者的舒适。总而言之，我们了解到，老的继电器有许多缺陷，必须经常进行维修。电梯的故障率很高，很难清理，使人感到舒适。2.2.5控制系统选择我们在分析了各种方法的利弊后，再根据主题和学校的实际情况，作出了一个选择。根据实际需求本文选择基于PLC进行合理因此选择PLC的方式，这是这次研究的重点。2.3控制方案的确定本设计将PLC应用于电梯的设计中，采用变频控制主电机和电梯门，达到节能调速的目的，压控输入0~10V模拟信号，通过变频控制控制一定的速度，缩短时间，使电梯满足舒适性要求。根据设计过程，检测系统的输入模块为平层，内部输入为外部输入，输出系统包括电梯升降、门开关和内部呼叫命令；此外，通过计算机对升降机的工作状况进行监测，本设计的控制系统通过仿真测试完成。参照控制图，本次设计的控制图如下：图2-1系统控制方案框图第3章第3章电梯控制系统的硬件设计3.1可编程控制器的选型PLC普遍的使用到市场上，PLC能够处理工业现场出现的数据处理、逻辑控制等问题。PLC采用的是专门的编译器，根据该软件的流程设计方法，帮助完成各种复杂的工业生产过程。满足工业场地的所有通讯需求，并且连接到互联网，满足客户的要求。PLC可靠性强、平稳性优、扩展性强优良等特点，是目前工业发展的主要产品。3.1.1中央处理单元PLC“大脑”是控制PLC各项功能的一个核心处理器。CPU具有系统存储，计算结果输出，系统自检的作用。CPU在运行时能够对装置进行状态的检测。如果外部结构与内部结构的设计不符合，则会有警报。在完成了外部结构的检测之后，CPU可以通过用户流程，控制和现场执行单元，不断地对用户程序进行扫描。CPU会定期地扫描用户的程序，并根据使用者的程序编写代码，从而达到对用户程序的实时控制。用户可以根据中断的设计和用途，对某些特定的情形进行调度。CPU的性能是决定PLC控制系统性能的重要指标。3.1.2存储器对于PLC的控制器来说，存储器起到了至关重要的作用，它可以存储系统和用户的信息，确保PLC的工作。该系统内存是PLC的内部资料，可以用来防止PLC循环自检，报警硬件和使用者程式发生严重的故障，阻止工程师进入和修改他们的资料。用户存储器是用来存储用户编写的程序和数据的，PLC可以在运行的过程中使用扫描用户的程序，如果遇到一些特殊的情况，可以通过中断控制进行编译，或者是条件或者是时间限制来调用，这样可以更好的处理特定的事件。3.1.3通信接口PLC要跟外面的世界保持联络，必须要有一个通讯器。通信界面是利用PLC与外部装置、电脑之间的通信协议作为介质来实现数据的传输。通信界面会依据程序的内部状况来确定它是什么类型的通信协议。PLC内部具有扩充功能，如MODBUS模块、以太网模块等，这些模块都是常用的通信功能模块，可以在各种工作条件下进行通信。3.1.4电源PLC是一种电子控制的电力，必须要有外部的电力供应，电力供应质量的好坏直接关系到PLC是否能正常工作。目前最常用的PLC是交流电源AC220V和直流电源DC24V。PLC要求稳压、低谐波。DC24V直流电源必须采用外部的电源。该控制器由西门子S7-200CPU226组成，实现了整个系统的设计。本系统采用CPU226型，24个外部输入，16个外部输出。DSP芯片采用EM221作为DSP芯片。电源使用以下的AC220V：图3-1可编程控制器3.2变频器的选型变频器是一种广泛应用于工业领域的传动装置，它利用变频调速技术和现代微电子应用技术，实现对电动机的调速、扭矩进行控制。变频调速有高压、大功率、低电压之分，通常采用工频AC供电。根据查询的信息，升降机的主控系统，是根据承重1000公斤，每秒1.75米每秒的运行速度来计算的，其动力公式如下：经以上计算，升降机的主功率为20.580kW，所选用的变频器为22KW。MM440变频器根据其工作原理和用途，根据该设计要求，采用外接输入来控制变频，并利用模拟电流信号来控制变频调速器的转速，选择了AC380V的电压，系统的工作环境非常好，MM440变频器根据需要，选择了AC400V和43A的额定电流，频率可以在0-1000hz之间调整，选择风扇制冷，采用壁挂式安装，采用V/F控制，依靠外部终端控制变频，依靠模拟值来实现变频调速。图3-2MM440变频器示意图3.3系统的硬件设计思路在电气电梯控制系统的设计中，需要学习和掌握PLC控制系统的电气设计标准图纸，熟悉相关的图纸，电气元件的连接方法和符号，硬件设计，PLC的接口，统计和输入/输出的结构。在此背景下，对电梯控制系统进行改造，要有充足的空间。外部正负转换线属于变频器的连接装置。变频器是一个外部驱动器。转换器采用外部模拟作为速度确定方法。若输入0V模拟量，则对应0Hz频率；如果输入10V模拟信号，则对应50Hz频率。变压器采用V/F控制。根据参数设置满足V/F控制模式的要求。3.4变频器电路的接线设计在设计主回路时，选用MM440型变频调速，其频率可在0~50hz之间调整，利用V/F控制，利用外部的模拟量，通过外部模拟值来确定变换器的转速。如果是0V，那就是0Hz，如果是10V，那就是50Hz。断路器、变频调速装置等是变频调速系统的重要组成部分，断路器用于切断主电路，一旦主电路发生过流，断路器就会立即启动，断开故障。关于变频器控制的工艺要求，要对变频调速系统的硬件电路有较好的理解，能设计出相应的线路。如图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电梯控制系统的设计中，PLC配线是最重要的环节。PLC的配线是整个系统的核心部分。目前，市面上所有PLC产品的指导方针基本一致。电源、输入、输出端同构成了线路的设计原理。在此基础上，结合CRS系统的控制策略，给出了系统的输入和输出比例。所有的电源都是AC220V。参考装置设计分析及PLC电路的设计需求，为后续系统的改善做好准备。下面的图片显示了这一次的系统的连接。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4章第4章电梯控制系统的软件设计4.1I/O分配设计下面的表格中显示了升降机系统内部的I/O结构设计：表4-1I/O分配设计表4.2程序流程功能图设计设计控制电梯上下行程序。设置电梯在N(N=1、2、3、4、5）楼层，M层接受信号，当M大于N时，电梯上升；M小于N时，电梯在下降。下面是详细的图表。图4-1电梯上下行控制流程图至于上下楼的控制，在正常工作的情况下，是不会收到逆向的命令的，如果没有内呼，那么只有逆向的命令才会被触发。从这张流程图可以看出，电梯的反应是第一个倒退的，当电梯停在某一层的时候，如果上面的人接收到了下行信号，那么就会对外面的下一个信号做出反应。同样的，如果电梯在某一层，如果有上行命令，那么第一个上行信号就会响应。下面的图片显示了最远距离的反向响应。图4-2电梯最远反向响应流程图在电梯打开和关机的控制上，当电梯到达一定的楼层，系统会发出信号，让电梯门打开，当电梯到达一定程度的时候，电梯就会自动关闭，如果没有人进入，电梯就会自动关闭。在触碰到门的开关时，电梯门将会暂时关闭。在电梯门关闭的时候，如果有乘客进入，电梯就会自动打开，然后等待，如果没有人乘坐，电梯就会自动关闭。图4-3电梯开关门流程图4.3程序的设计采用STEP7-Micro/Win编程，根据电梯控制系统的设计要求及PLC对I/O的配置进行编程。在进行设计时，按照要求，程序规定必须清晰，易于编制和调试。一些梯形图以及解释见下图：图4-4部分程序梯形图4.4电梯控制的上位机设计此设计在以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工程管理器在建造项目时，要为项目命名，确定项目的存放地点。系统的设计包括开发与操作，而开发即是项目的画面、变量等。在操作上，着重于对系统的实现，通过运行软件可以实现当前的系统工作状况。具体如下图所示。图4-6项目建立对话框设置好了名称和地址之后，就可以开始进行驱动配置了，主要是通过串行接口来设置通讯频率、地址等。下面的图片展示了该设计采用RS232通讯模式9600波特率。图4-7串口设置对话框设置好了通讯设备以后，就需要增加一个驱动程序，这个程序是根据西门子S7-200的驱动程序来设置的，并设置了相应的通讯参数。图4-8驱动程序建立对话框完成了驱动程序，下一步就是进行设计，根据工艺要求和可视化的任务，设计变量，包括I/O整数、I/O离散等。在设计变量方面，应根据实际工程实际，设置初始和约束条件。如果没有别的条件，那就默认。具体看下面的图表。图4-9变量设置对话框将增加的变量过程与系统的设计要求相结合，对每个变量进行了设计，并给出了具体的附加结果。图4-10变量列表图添加了一个新的变量，接下来就是一个可视化的界面，这个界面的设计，就是尽可能的将当前的系统状态和参数设置都展示出来。依托于工具包的添加和变化，根据地点的不同而进行设计。指示灯、数据显示等都是属于屏幕设计的内容，请看下面的图表。图4-11画面设计图添加动画到系统，尤其是指示灯和一些要通过动画展示的目标，系统依靠添加对象能够参照工艺需求去显示动画。具体参见下图。图4-12动画设计对话框第5章第5章结论本论文的目的是根据电梯的有关内容，对电梯的主、门、电动机进行变频控制，在设计中要满足上下、上下两种要求，以了解电梯的技术要求，通过编程分析，实现对电梯的控制。（1）电梯控制系统的设计主要是对其工作原理与作用进行分析，根据其工作原理及工艺要求，选取合适的控制模式。本设计对各种不同的控制方法进行了比较，并对其优点与不足进行了比较，选择了最合适的方案进行了设计。（2）在硬件设备和模型的选取上，重点是可编程控制器，通过I/O计算和比较，选择符合系统的可编程控制器，并对变频器和传感器进行了介绍和选择