基于PLC的电梯控制系统设计

目录页共=numpages41-338页第一章引言1.1研究电梯的目的中国的现代化水平不断提高，人们的生活水平和精神需求越来越高，高楼大厦不断拔地而起，从几层楼高的楼房到如今几十层的高层建筑。人们出行所依靠的电梯，逐渐走入人们生活的中心；电梯在高楼大厦的里面扮演了大家上下楼的重要角色。而对于随处可见的电梯来说，需要在保障出行效率的同时保证大家的安全，也能够更加的节能环保，从而让这个行业更好的发展，为人们的上下楼做出更舒适更安全的电梯。尤其一个逻辑合理的电梯，更能极大的节省人们上下楼的出行时间。而作为人们通勤生活的主要角色，有一个逻辑合理的电梯是尤为重要的。除此之外电梯还需要可靠性高、运行精确准时、方便维修等诸多特点，因为电梯需要的这些特性，PLC可编程控制器此时走入了人们的视野当中，因为PLC的特点和电梯需要的特性符合，所以在电梯的控制系统方面PLC有着很重要的地位。随着科学技术的不断提高，PLC已经成为一种非常普遍的控制方式，它具备了很多优势，比如：可靠性牢靠而且对于干扰的控制能力也是十分优秀的。并且PLC能够通过自身特有的程序进行工作，所以我们将这种可编程控制器营应用于电题的控制系统中，不仅能够节约大量的资源，而且能够有效的避免安全事故的发生。1.2课题研究的意义由于中国人民的生活越来越好，所以城市的建设如火如荼，繁华的城市必然带来用地问题，所以建造高楼成了必须；带来的是高楼大厦不断拔地而起，而动不动就几十层的层高上下楼成了最大的问题；由此，电梯应运而生。除了这些，电梯的应用范围很广，商场、工厂、仓库、流水线、矿井等地，都是非常需要的。如此广泛的应用，电梯的技术也在不断的成熟与发展，从最初的手动操作到现在的自动化控制，电梯的性能越来越好，功能越来越多。但是由于技术发展水平和城市发展状况的不统一，人们对电梯系统的安全可靠性提出了更高的要求，而这个要求也是电梯技术研究的一个重要问题。我国飞速发展的经济水平促进了电梯这个行业的不断发展革新，电梯这个行业的技术不断发展革新也映衬了我国经济的腾飞，相辅相成水乳交融。电梯这个特殊工具在高楼大厦当中扮演着重要角色，负责垂直运输；以前对于电梯的控制方式，无外乎就是两种传统的方式：一种是用继电器对电梯进行控制，另外一种就是利用微机控制对电梯进行操作；这两种控制方式水平较低，没有办法让电梯稳定高效的运行也没法保证安全问题，常常出现小毛病，由于没法保证安全让人们对电梯有畏惧心理，让电梯失去了发展的土壤。到了现在，因为各种工艺和技术都成熟了，不能保障安全的电梯都已经被淘汰，所以经过市场的检验之后剩下的技术已经十分成熟；在市场的检验和淘汰后可编程控制器PLC大浪淘沙般的作为主要的电梯控制技术留了下来。在可编程控制器实际的使用的时候，需要客户提出需求和控制方式，先在可编程控制当中编好程序和运行逻辑，之后收集运行的信息并存储、传输并能够转换成数字信号，然后依靠预设的程序执行逻辑运算，根据系统的运行状态和判断命令的执行与否，从而实现对整个流程的控制。随着我国经济的腾飞，中国已经成了电梯竞争最激烈的市场，因为需求量很大也产生了更多的竞争，竞争又倒逼产业升级，作为最大的市场吸引着全球的电梯公司。PLC技术应用越来越多，PLC能够从容应对复杂情况进行处理，能够根据实际需求选择不同程序来达到所需效果，而且还以根据具体的使用使用情况，对电梯的控制系统做出来修改，让电梯在工作的时候能够有更高的工作效率和更低的消耗。。1.3电梯的国外发展历史、相关的资料上记载,公元前;两千八百年前的古代埃及,因为法老需要建设金字塔作为他的坟墓而建造出世界上最早的升降机，它是由人力驱动的。后来人们谋求新的动力源泉，而这个时候蒸汽机映入眼帘，。他能够将热能转化成机械能。从而带动升降机进行运动的齿轮传动方式。就标志蒸汽机可以作为动力。并开始在生产生活中使用。1871年。英国人约翰·汤姆森发明了蒸汽发电机。这种发电机具有体积小、重量轻、噪音小等特点。并且还可通过控制来调节输出电压和电流。到了1845年，阿姆斯特朗以此为灵感创造了以水压为动力的升降机。在这之后电力被发明出来,电力做动力很大程度的促进的电梯的发展。在早期，电梯都是以人力为动力的机械装置。后来随着技术和材料的进步，人们逐渐发现，利用电可以带动机械运动。而这种机械运动就是电力推动下的机械传动。,有了直流发电机之后,“电梯”就诞生了。电梯最早出现在十九世纪中叶。1873年德国工程师卡尔·本茨制造出世界上第一台电动轿厢。自此拉开了现代电梯行业的序幕。从这开始电梯出现了,作为上下运输的器械。它主要用于各种大型建筑内进行货物装卸、运送等工作。电梯于1889年形成于纽约的基础形态，在电梯中间电梯带纳斯特大厅，这是一组使用现代电梯基础传动结构的电梯。

虽然牵引驱动结构早在1853年就已在英国出现，但滚筒驱动的缺点在当时并没有得到充分认识，所以早期电梯主要是由滚筒力驱动的。随着滚筒驱动被广泛使用之后，人们对滚筒传动这个结构有了新的认识，人们发现这个结构不仅消耗大、行程不长而且最重要的安全问题没有解决。所以因为滚筒传动的落后，1903年的奥的斯电梯公司有了全新的突破，他们利用牵引驱动代替了落后的滚筒驱动，从奥的斯公司推出牵引驱动那一刻起，现代的长行程电梯的地基已经被建好了。从那时起，牵引驱动一直主导着电梯的驱动模式。这个奥的斯公司新推出的驱动结构要比滚筒结构好很多，这种构造不仅大小比滚筒驱动小节省了空间而且让电梯的效率大大提高，而且对电梯最重要的通用性和安全保障也有了很大的提高。从20世纪初之后，交流感应电动机被人们逐步的改良和发展，人们发现电梯的驱动装置需要改良和优化，，非常合适，于是乎开始大规模使用交感电动机作为电梯的驱动系统，交流感应电动机的普及让电梯的驱动系统大大简化，也让电梯更加易用，推广了电梯的知名度。1.3.1国内电梯发展历史我们中国的电梯行业的发展时间相对于发达国家其实是很短的，在建国之前只有几个城市拥有电梯，更多地方连电梯是啥都不知道，仅仅上海、北京、天津有美国奥的斯电梯公司的维修服务站，虽说是个维修服务站可当时技术水平有限，只能进行对简单零件的修理，完全不具备制造电梯的能力和水平。到了建国后，我国痛定思痛为了摆脱这种情况，1952开始到1954年末，陆陆续续在沈阳、上海、天津设立了三家电梯制造工厂，到了1960年以后广州、西安、北京、分别有了自己的电梯制造工厂。十二年后，我国就又了八座指定电梯制造工厂，产量近2000台。。1978年中国发生了一系列的大事，十一届三中全会召开，把工作重心转移到经济建设上来，这个会议意味了经济需要增长，那么经济经济增长了之后会带动各个方面还有基础建设的增长，这意味着对于电梯的需求量是空前的扩大，这些猛涨的需求量也带动了电梯的生产，我国各省份如雨后春笋般出现了大批电梯制造工厂。到了1999年，我国的电梯制造厂家接近四百加，产量能达到每年三万台，这在三十年前是想也不敢想的事。电梯类型已经从普通的货运电梯发展到各种各样的类型，比如一般的载人电梯、载货电梯、更高级的载客电梯、高速电梯、观光电梯等等，多样化的电梯也标志着电梯产业逐渐走向成熟和完善。电梯的控制方式也是经理翻天覆地的变化，一开始电梯只能手动操作，利用人按按钮的方式对让电梯进行运行，这样的方式无疑是落后且不方便按的，后来电梯的控制方式不断更新换代从手动控制到按钮控制，现在已经发展成了以PLC为核心的自动化控制系统，从最初的手动控制到可以自动运行的自动扶梯和全自动垂直运输系统，再到现在的全数字控制，是飞速发展的。电梯的运行速度也越来越快，一开始电梯只能够达到零点二米每秒，虽然用如今的眼光来看这个速度是非常慢的，后来人们不断改良技术和寻求进步，电梯的运行速度不断的提高，而且提高到三米每秒以上，速度能够不断提高完全依靠交流调速拖动这个新技术的崛起，新技术的崛起淘汰了老旧的直流调速拖动。因为电梯的技术不断革新，各个厂商也在不断谋求发展更新的技术，在1979年以前，就有电梯厂商联合研究机构进行了半导体非接触式电梯控制系统和更先进的电梯制造工艺、制造技术。不过由于当时生产力的水平限制，各种配套设施还有上下游产业还并不具备足够的能力，当时发展新技术的效果并不尽如人意。到了1979年之后，国内的几家电梯制造大厂开始和国家的厂家联手生产和销售电梯，这一时期涌现了许多优秀的联合企业，因为合作将技术力量都集中了起来，对于技术上攻坚难题也能够花费更少的时间，对于资源和金钱的配置也更加的合理，这一时期的市场竞争非常强烈，新产品、新技术如火如荼。也正因这这些市场竞争，产品的质量和工艺都在飞速提高，电梯的各种控制技术，也有了非常多的提高。目前，货运电梯、微机控制客梯、交流电梯的技术水平也在迅速提高。也正是因为这些企业不断的创新、不断的竞争使得1999年的，我国就有三十多万台电梯在生活中被使用。第二章基于PLC的电梯系统总体结构2.1电梯的主要构成电梯一般来说由四大空间和八大系统构成，四大空间分别是轿厢、层站、机房、井底和坑道；八大系统就是曳引、牵引、导向、轿厢、门、重量平衡、电传动、安全保护系统。2.2电梯的工作原理钢丝绳连接电梯的轿厢和配重。既然钢丝绳连接着轿厢那么钢丝绳会不会断呢，我国对电梯使用的钢丝绳有明确的规定，一根钢丝绳就能够承受轿厢的重量，而这样的钢丝绳需要最低使用三根。那么钢丝绳是怎么平衡轿厢和配重的呢，依靠驱动装置也就是牵引机来牵引驱动，平衡系统让轿厢和配重都能够处于需要的位置。那么电梯在实际运行的过程当中会和产生许多不稳定的因素，这个时候就需要一个装置来使整个系统稳定，这个时候就需要导向轮。导向轮是固定在井道的墙壁上的固定导轨，这些导轨就是为了保持轿厢在上下运行的过程当中能够不发生晃动。当需要调节钢丝绳的长度时，可以根据具体情况调节到合适的位置进行安装固定从而实现对不同尺寸大小的货物和其他物品的运送。在实际工作当中，由于各种因素，往往会出现不平衡的现象，导致整个系统无法正常运行，因此，必须要采取一定的措施来保证该系统能够安全稳定的工作。导向轮的作用就是拉开曳引钢丝绳的距离，使电梯的钢丝绳能够垂直作用轿厢和对重且不发生碰撞，这个导向轮是一个辅助的轮子并没有动力，就是一个轴承加上一个轮子。能够把钢丝绳拉开就可以了。电梯需要有速度检测和处理；呼叫应答与紧急疏散；轿厢运行状态监控；故障报警与保护功能等等。这些功能是通过PLC来实现的。在整个系统中,PLC负责接收来自于外部传感器发送过来的数据并根据其信息做出相应反应，将结果发送给相关人员或者设备，例如语音提示器以及按钮开关。从而发出各种指示信号给操作人员。而这些信号也会传递到PLC内部的CPU模块上。经过计算之后再传输到各个继电器当中去，然后由它们完成动作，最终使得电梯工作起来。2.3电梯的工作方案每一个楼层的电梯门口都设置上下的呼叫按钮，每个楼层都有一个叫号系统。在呼叫按钮前增加了灯光提示器，当乘客按下呼叫按钮后就会按钮变红提示乘客已经呼叫电梯。在轿厢内部也需要设置操作按钮，用来给乘客进行选择楼层和自主开关门，而且电梯需要对多个呼叫信号指令进行优先级排序，这就需要电梯有一个合理的逻辑用来进行呼叫信号的排序，这样能够使电梯的效率最大化。而且需要有门锁的保持，这样可以让乘客在进出电梯时更加安全。，电梯门关闭后自动保持。到了乘客需要的楼层之后，可以停止，然后开门；还有需要延迟关门，等候乘客按钮呼唤，延迟关门具体几秒需要根据实际情况而定；运行时只响应同方向的呼唤；电梯运行到一楼或者顶楼的时候，能够自动进行换向；电梯内的指令和电梯外的呼唤指令能够自行记录并记忆，在完成后能够自行消号；在电梯内外有楼层显示和电梯行进的方向显示。综合日常使用，电梯的系统设计就需要有以下环节，电梯能够进行初始化的设置、控制电梯进行升降、电梯能够开门和关门、能够对楼层的呼叫做出回应、还有所处的楼层位置显示等功能。电梯在很多请情况下需要回到初始化状态，比如电梯在某个楼层，该楼层的外面或者里面出现呼叫请求时，动作完成后需要电梯返回初始状态；另外一种就是在本层里面或者外面有里外呼叫，本层无反应，能够返回初始态。在电梯执行上升命令时，如果收到下降呼叫，则电梯继续上升不回应，在电梯执行上升的命令的时候假若路过的楼层有呼叫命令，电梯到达呼叫的路过楼层延时2S开门，如果没到时间，能够手动开门，开门的时候会发出提醒声音并开门，电梯关门后继续执行上升命令。在电梯执行下降命令时，如果收到上升信号，则电梯继续下降不回应，在电梯下降的过程当中假若路过的楼层有呼叫指令，则开门，关门后继续执行下降命令。电梯工作的时候肯定不是一个呼叫指令，在电梯面对多个指令的时候能够把指令排序，排序的依据就是让电梯的效率最大化，能够对命令回应并执行该命令，电梯在往一个方向工作时，不回应相反方向的呼叫命令。第三章PLC概述3.1PLC的用途PLC的用途有很多，不论是国内还是国外各行各业各方各面都有很多的应用。比如炼钢铁业、环保、化学工业、建筑材料、轻工业的纺织等等开关量的逻辑控制：这个就是PLC的应用最基础和最普遍的应用范围，可编程逻辑控制器PLC能够完成普通的继电器电路做的工作，替代它完成逻辑和顺序的控制而且能够同时控制多台设备工作。就像一些生产流水线、印刷机、生产机床、车床等等。模拟量控制：在工业化的现场作业当中，经常遇到许多复杂和不可预测的情况。例如，当温度或压力发生变化时，系统会自动改变运行状态。因此，对数据信息的采集要求非常高。同时还必须保证实时性。大多数的量都是不稳定且在一直变化的量，这使得我们需要一种可以把它们转换成可被执行的数字值并将其传输到计算机中去进行处理的方法来实现这种需求。那么这个不断变化的量如何让PLC可编程控制器能够处置这些模拟量呢，这个时候就需要Analog和Digital之间的转化。意思就是把模拟量转换成PLC能够处理的量，就是转换成数字量。运动控制：一种能够直观感受到的控制方法，它是利用机械装置来实现对物体进行移动或转动等动作。目前常用于机器人、数控机床等领域。本文将介绍一种简单实用的运动控制系统设计与实现。在控制机构的结构方面，开关I/O模块的连接位置原先采用的传感器和执行器已经得到了广泛的应用。这就像驱动多轴和单轴位置控制模块，而不仅仅是电梯或伺服电机。过程控制：在工业领域中应用非常广泛的一个技术。过程控制主要是针对生产现场的数据采集和分析，并通过这些数据分析来实现优化操作或管理的目的。它也包括了很多其他类型的控制系统功用。3.2PLC的组成和特点可编程控制器主要由哪几个部分构成的呢。PLC硬件结构如下图信息和别的东西有着本质的区别，也有着自己的特点，这些特点比如方便处理，方便传达，方便保存；还能够重复利用。因为信息的特殊性，也造就了PLC的各种特点。首先可编程控制器的第一个特点就是功能丰富，可编程控制器的功能是很多的，这是因为硬件决定的，PLC具备大量的信息的处理能力和指令体系和。保存信息的核心元器件相关。其次第二个特点就是使用方便，使用可编程控制器对电梯的控制系统是有很多优点的，最主要的就是特别方便。这个方便就体现在在你想更改功能的时候，你不需要去换器件换接线，你只需要改变程序就可以实现功能的改变。还有第三个特点就是维修方便之后第四个特点就是可编程控制器在老旧或者换代之后，它可以在另外的设备上发光发热，即便型号过于老旧，它的很多核心部件也是可以用的。3.3PLC的编程语言在PLC的控制系统设计当中，不同型号的PLC的编程软件对编程语言的支持是不一样的，除了对PLC的硬件性能了解外，也要了解PLC对编程语言支持的种类可编程控制器的编程语言主要是：梯形图、指令表、顺序功能图、状态转移图、逻辑功能图、高级语言。一般来说梯形图还是PLC使用最多的编程语言，梯形图更加的生动直观，能够让人更好的理解。其他的语言相对于梯形图来说并没有那么直观也不容易上手，这就需要我们在有一定的能力之后去探索。第四章控制系统的硬件设计4.1电梯控制的要求对于电梯箱体的运动控制：（1）选择的方向，电梯上升还是下降需要根据呼叫指令的先后顺序还有当前轿厢所处的位置来决定到底上升还是下降。(2)电梯此时处于哪一个楼层需有一个显示电梯所处楼层的东西：这个显示方法采用LED数码管显示的方式。对于电梯门的控制要求：电梯的轿厢们需要在电梯停靠的时候开门，等待5s之后轿厢们自动关上。电梯门的中间有传感器，这个传感器能感应到门的中间有人或者物品能够自动开门，也能够乘客自己操作开门或者关门。4.2电梯的结构乘坐电梯的时候电梯门是为了保障乘客的安全，也是为了在各个楼层停靠的时候，通向电梯井道的入口处，能够供乘客和货物进出的门。下图是体格电梯轿厢门的图，轿厢门的旁边需要设置呼叫按钮，一个上升呼叫，一个下降呼叫。而且按下按钮之后按钮会亮，用来提示你已经呼叫。假如你按下按钮之后突然有事，或者不想坐电梯了，那么这个时候就需要你再按一个按钮，再按一次按钮的原因是取消呼叫电梯这个指令。此外还需要知道电梯当前的所在楼层和运行方向。一般来说都是放在轿厢门的上方，更加直观的体现所表达的信息。轿厢门上的数码管和指示灯都能很好的表达需要的信息。楼层召唤按钮按下时，召唤按钮的提示灯会亮起，用来提示乘客已经呼叫。电梯的位置显示一般在轿厢的上方，放在轿厢的上方可以给人一个更加直观的感受。那么电梯的运行方向就依靠红色指示灯来辨别，就是上升状态。4.3电梯梯箱内部的控制电梯的梯箱内部控制如图所示。这个控制面板能够很直观的反应人们所需要知道信息，比如电梯的运行方向还有电梯现在在几楼，距离我要到达的楼层还有多远等等。还有层站召唤盒供乘客来选择需要到达的楼层，和开关电梯门。4.4主电路设计电梯的控制需要一个三相异步电动机，用来当做电梯的牵引电梯，而且需要电机采用星-▲启动方式，此三相异步电动机的启动过程：从静止的状态启动到稳定运行状态。假如在额定电压下直接启动，开始启动的时候主磁通大概减少到额定值的一半，这个时候转自的功率因数又低，会造成开始启动时的电流非常大的同时堵转转矩却不大的结果。因为这个原因，需要采用星-三角降压启动方式。这样就可以减少起动电流对转子绕组产生较大的冲击作用。如果电机是单相电源驱动时，则可直接用单相交流电来实现这种控制方法，如图所示。在启动的时候，接触器的KM5、KM4触点闭合，定子绕组结成星型连接，等转速升高到需要的状态的时候，接触器的KM5断开，接触的KM6闭合，定子绕组此时换为三角形的连接，三相异步电动机能够正常运行。电机在制动的时候采用能耗直动，KM3触点分开，KM7合并，电动机在切断交流电的时候，直流电源会接入钉子的两相绕组，产生直流磁场和制动力，因此电动机转速迅速下降，从而达到制动的目的。电梯的轿厢箱门的开启和关闭也是需要电动机来控制的，那么控制箱门的电动机也需要选择三相异步电动机，但是启动的时候直接启动，那么为什么和上面的启动方式不一样呢，原因在于小动力的电机也是能够驱动轿厢门开启和关闭的，小动力就意味功率小直接启动对电源几乎没什么伤害。具体的电路可以看下面的图，此时当触点KM１闭合的时候，那么此时电机会怎样转呢，电机会正传，也就是电梯梯箱箱门打开。当出点KM２闭合的时候，电机往相反的方向运动也就是反转，电梯梯箱箱门关闭。第五章控制系统的软件设计5.1电梯控制系统的工作流程下图为PLC控制单台电梯控制系统的工作流程图，那么从图能够知道，想要控制一台电机合理的运行，需要很多个信号协同工作，比如召唤信号、控制信号、层楼信号、指令信号。这些系统工作的各个信号来自于电梯的每个工作环节，这些信号相互配合写作，让电梯的运行更加安全高效。在发生火灾时，火灾报警信号发出的时候，马上消除所有召唤指令直接让电梯下降到一楼并开门。5.2PLCI/O地址根据电梯的使用情况，操作面板的各个指令、各个按钮开关的指令都算作一个输入信号。电梯内部的一楼到五楼的按钮一共五个，开门关门按钮也是两个。每一层楼都又上升下降两个控制按钮（除了一楼和五楼只有一个按钮）五层楼一共要求8个按钮。由于是五层电梯所以需要五个行程开关来控制到达了哪一层，所以需要五个输入信号。所有的输入信号加在一起一共二十个输入信号。如下图所示。那么相应的输出信号就需要十六个，如下图所示。PLCI/O硬件连接图5.3电梯的各个工作环节（1）电梯的初始化电梯在响应呼叫信号之后，完成一系列动作后需要返回初始态。在电梯出入本层的同时外部召唤无动作之后也会初始化。程序如下图所示。（2）电梯开关门控制电梯在开关门控制时非常重要的，因为电梯如果在运行时开门了，这是非常危险的情况，所以电梯的开门需要在满足一定的条件下才能开门，确保乘客的安全问题。1、电梯运行到指令要求到达的楼层时，电梯到预定的关门开门时间。电梯在自动运行停层时开门。2、在电梯关门还没有完全关上的时候，需要开门。3、手动开门。这个情况是电梯外面还有乘客没进来，电梯的五秒倒计时到了，这个时候能够手动开门。4、呼叫开门。电梯在没有召唤指令的时候，会停在某层等待召唤指令，这个时候如果有人在这层楼按下呼叫按钮，电梯首先开门。这个时候其他楼层有召唤呼叫时，电梯到达该楼层开门。程序如下图所示。（3）电梯当前所处楼层显示电梯在工作的时候，电梯内的乘客和电梯外面等待电梯的乘客需要了解到电梯此时所处的楼层位置和电梯的运行状态，所以电梯需要显示此时所处的楼层位置和运行方向。如何确定电梯当前所处的楼层是几楼呢，这个时候就需要井道里的行程开关了，当电梯经过每一层楼设置的行程开关的时候，层楼信号会收到电梯经过的信号，从而显示电梯当前所处的位置。所以楼层指示灯也会变化。上面说了想要知道电梯当前所处的位置需要层楼信号，如果更直观的直接显示所处楼层呢，就需要七段LED数码管来显示（本次采用共阴极的LED显示灯），因为本次设计的是五层电梯的控制系统，一共有五个楼层，所以需要显示的字形码如下图所示。（４）电梯的定向环节电梯在运行状态下，有时候会收到两个方向的呼叫。这个时候就需要电梯做出上升还是下降的选择，