1、毕业设计基于PLC的电梯控制系统设计 毕 业 设 计（ 论 文 ）题目基于PLC的电梯控制系统设计作者 学院信息与电气工程学院专业电气工程及其自动化学号 指导教师xxx二一一 年 月 日摘 要当今世界，电梯的生产情况和使用数量已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。随着城市人口的不断提高，人们物质文化生活水平的提高，建筑业不断的发展，已是高楼林立，电梯在人们的生产、生活、工作中日益重要。因此电梯的研究也越来越重要。电梯在高层建筑中被广泛运用作垂直运输工具。人们对电梯安全性、高效性、舒适度的不断追求推动了电梯技术的进步。电梯质量的好坏在很大程度上取决于它的控制系统。目前，电梯控制系统已基本上淘汰
2、了传统继电器控制方式。取而代之的是以PLC积分控制器为核心的数字控制系统。其中，PLC由于编程简单、使用维护方便、设计和调试周期短、抗干扰能力强、可靠性高等优点，倍受人们重视，被广泛应用在电梯控制系统中。本文主要分析了电梯的主要结构以及控制要求，对电梯控制的硬件进行相应的选择，又对电梯的PLC软件进行设计，以此完成基于PLC的电梯控制设计。关键词：电梯控制；PLC；三相异步交流电机ABSTRACTToday, the number of elevator production and use has become the measure of the degree of modernizati
3、on of a country one of the symbols. With the continuous improvement of the urban population, peoples material and cultural living standards, the construction industry continues to develop, has the tall buildings, elevators in peoples production and living and working in the increasingly important. T
4、herefore, the elevator research is increasingly important. Elevator is widely applied as vertical survey application in the high-rise building. People on the elevator safety, efficiency, comfort the constant pursuit of technological progress to promote the elevator. Lift the quality of good or bad d
5、epends largely on its control system. At present, the elevator control system has largely eliminated the traditional relay control mode. Integral controller based on PLC is the core digital control system. PLC, which has advantage of simple and easy to use and easy maintenance, design and debug cycl
6、e is short, anti-interference ability, high reliability, is widely used in elevator control system. This paper analyzes the main structure of the elevator and the control requirements of the elevator and makes the appropriate choice of elevator control hardware, but also on the elevator PLC software
7、 design, thereby completing the elevator PLC-based control design.Keywords：Elevator Control; PLC; Three-phase Asynchronous Electric Motors第一章 绪论 11.1 论文的研究背景及意义 11.2 电梯继电器控制系统的特点及存在问题 21.2.1电梯继电器控制系统的优点 21.2.2电梯继电器控制的缺点 21.3 PLC及在电梯控制中的应用特点 31.3.1 PLC简介、特点及其应用领域 31.3.2 PLC控制电梯的优点 51.4 电梯变频调速控制的特点 51
8、.5 论文的主要内容 6第二章 电梯的概述 72.1 分析控制对象和确定控制范围 72.1.1 电梯的基本结构 72.1.2 电梯的控制功能 82.1.3 电梯的控制要求 82.2 电梯的工作原理 92.3 电梯的组成 102.4电梯硬件分析 122.4.1 电梯曳引机部分 122.4.2 限位器和传感器部分 122.4.3 轿厢和开关们电动机部分 122.4.4 变频器部分 132.5 电梯的硬件工作原理 14第三章PLC控制系统硬件设计 153.1 四层电梯主电路 153.1.1 四层电梯曳引电机及门电机电路图 153.1.2 PLC外部接线图 153.2 I/O点数的分配及机型的选择 1
9、53.2.1 I/O点数的估算 153.2.2 输入/输出的分配 173.2.3 机型的选择 173.2.4 STEP 7概述 19第四章 系统软件设计 204.1 四层电梯梯形图 204.1.1 PLC的编程语言 204.1.2 程序设计常用方法 204.1.3 电梯各程序的说明 21附录A 34第一章 绪论电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。追溯电梯这种升降设备的历史,据说它起源于公元前236年的古希腊。1858年以蒸汽机为动力的客梯，在美国出现,继而又在英国出现水压梯。1889年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力,这才出现名副其实的电梯,并使电梯趋于实用化。
10、1900年还出现了第一台自动扶梯。1949年出现了群控电梯,首批46台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。1955年出现了小型计算机(真空管)控制电梯。1962年美国出现了速度达8米/秒的超高速电梯。1963年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。1967年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统筒化，性能提高。1971年集成电路被应用于电梯。第二年又出现了数控电梯。1976年微处理机开始用于电梯，使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期 1 。电梯控制系统应采用随机逻辑控制方式控制。目前电梯的控制普遍采用两种控制方式：一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯的信号采集、运行状态和功能的设定，实现
11、电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。国内厂家大多采用答二种方式，其原因在于用PLC控制有许多优点：可靠性高，由于采取了一系类的PLC高可靠性的措施，PLC的平均无故障时间（MTBF）一般可达35万小时。而且PLC的环境适应性也很强，它能在工业环境下可靠地工作；编程简单，PLC最常用的编程语言是梯形图语言。这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。当工作流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活；体积小、结构紧凑、安装、维修方便。PLC的体积小，重量轻，便于安装。
12、一般PLC都具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能 2 。1.1 论文的研究背景及意义在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，不断满足社会经济快速发展和人民生活水平不断提高的需要，电梯作为一种重要的交通运输工具，已经成为城市物质文明的一种标志。电梯在公办大楼、公司、高层住宅、宾馆等场所得到了广泛应用。特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期，载人电梯控制技术已经发展到了调频调压调速控制阶段，具有乘坐安全、运行可靠、舒适度较高等特点，其主流控制技术采用PLC控制，具有许多智能化控制功能
13、。生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭 3 。如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音、复合钢带环保耐用，款款集纳
14、了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好。现在，电梯已完全融入我们的生产、生活之中，满足人们的生活、学习及工作的需要。据统计，我国在用电梯已达100多万台，每年还以约5万至6万台的速度增长。电梯的作用越来越大，需求也越来越多。而我国的现阶段的使用的先进电梯系统基本上是国外设计制造的，其核心技术并不分开。国内具有自主知识产权的控制方法和技术在实际的应用较少，与国外先进技术相比还有较大的差距。因此，尽快研究和掌握先进的控制技术，对国内电梯工业的发展会有很大的促进作用。本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器(PL
15、C)应用于4层电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，缩短了电梯的开发周期，并提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。本文所设计的电梯与传统的电梯相比，在运行上具有良好的舒适感，在使用中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。1.2 电梯继电器控制系统的特点及存在问题1.2.1电梯继电器控制系统的优点:(1) 所有控制功能及信号处理均有硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。 (2) 系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪
16、器。 (3) 大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜。 (4) 多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已经形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。 1.2.2电梯继电器控制的缺点:(1) 系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。 (2) 普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。 (3)电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。 (4) 系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。 (5) 由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大。费用高；而且检查
17、故障困难，费时费工。 总之，电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘客带来不便和惊扰。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。所以目前电梯的继电器控制已经很少使用了4。 1.3 PLC及在电梯控制中的应用特点1.3.1 PLC简介、特点及其应用领域PLC即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller
18、,中文全称为可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。其特点如下：（1）可
19、靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性5。（2）配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。P
20、LC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低。以超小
21、型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类6：（1）开关量的逻辑控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）模拟量控制。在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力
22、、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。（3）运动控制。PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作
23、为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。（5）数据处理。现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性
24、制造系统； （6）通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。1.3.2 PLC控制电梯的优点随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。PLC在电梯控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。由于PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。在电梯控制过程中，各种逻辑开关控制与PLC很好的结
25、合，很好的实现了对电梯的控制。本文主要讨论研究利用西门子公司可编程控制器对四层电梯的控制，形成电梯控制系统7。 电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。目前电梯设计使用可编程控制器(PLC)，要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后控制系统进行下列运作：根据轿厢所处位置及乘员所处层数判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。
26、另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。1.4 电梯变频调速控制的特点随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式8。变频调速电梯的优点:(1)变频调速电梯使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小，结构简单，维护方便、可靠性高、价格低等优点。(2)变频调速电源使用了先进的SPWM技
27、术SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能；调速范围宽、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速9。(3)变频调速电梯使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。1.5 论文的主要内容本论文主要任务是在电梯机械模型和PLC控制装置基础上，完成4层电梯控制器的电路设计、元器件选型、PLC外部接口电路设计、控制器装配图与接线图设计、列出元器件清单、完成PLC程序设计等内容。电梯控制系统可分为电力拖动电路和电气控制电路两个主要部分。电力拖动电路主要包括电梯垂直方向主拖动电路和轿箱开关电路。二者均采用易于控
28、制的三相交流异步电动机作为拖动动力源。电气控制系统则由众多呼叫按钮、传感器、控制用继电器、指示灯和控制部分的核心器件（PLC）等组成。PLC集信号采集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。电梯控制系统的硬件组成控制电路主要包括按钮编码输入电路、楼层传感器检测电路、发光二极管记忆灯电路、轿箱开关电路、楼层显示电路及一些其他辅助电路等。系统控制软件设计由初始化、指令接收处理、电梯位置检测与处理、同行截车和反向不截车处理、开关门控制处理、电梯升降控制等模块组成，利用西门子（SEMENS）公司生产的S7-200型PLC及其扩展模块，使用丰富和功能强大的指令设计梯形
29、图，调试并最终完成电梯控制。第二章 电梯的概述2.1 分析控制对象和确定控制范围现代电梯主要由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等)、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。电梯要求安全可靠、输送效率高、平层准确和乘坐舒适等。电梯的基本参数主要有额定载重量、可乘人数、额定速度、轿厢外廓尺寸和井道型式等。 2.1.1本电梯控制系统实现的主要功能1.电梯的基本功能首要工作是确定电梯本身所具有的功能和电梯在乘客进行某种操作后应具有的状态10。
30、2.电梯内部功能简介在电梯内部，应该有四个楼层（14层）按钮、开门和关门按钮以及楼层显示器、上升和下行显示器。当进入电梯后，电梯里应该有能让乘客按下的代表其要去目的地的楼层按钮，称为内呼叫按钮。电梯停下时，应具有开门、关门的功能，即电梯门可以自动打开，经过一定的延时后有可自动关闭。而且，在电梯内部也应有控制电梯开门、关门的按钮，是乘客可以在电梯停下时随时的控制电梯的开门与关门。电梯内部还应配有指示灯，用来显示电梯现在所处的状态，即电梯是上升还是下降以及电梯所处在楼层的第几层，这样可以使电梯里的乘客清楚的知道自己所处的位置，离自己要到的楼层还有多远，电梯是上升还是下降等。3.电梯外部功能简介电梯
31、的外部共分四层，每层都应该有呼叫按钮、呼叫指示灯、上升和下降指示灯，以及楼层显示器呼叫按钮是乘客用来发出呼叫的工具，呼叫指示灯在完成相应的呼叫请求之前应一直保持为亮，直到电梯响应为止。另外上升指示灯、下降指示灯、楼层显示器一样，都是用来显示电梯所处的状态的。四层楼电梯中，一层只有上呼叫按钮，四层只有下呼叫按钮，其余两层都同时具有上呼叫和下呼叫按钮。而上升、下降指示灯以及楼层显示器应相同。4.电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析电梯的初始状态，设电梯位于一层待命，各层显示器都被初始化，电梯处于以下状态：（1）各层呼叫灯均不亮；（2）电梯内部及外部各楼层显示器显示均为“1”；（3）电梯内部及
32、外部各层电梯门均关。电梯在运行过程中，按下某层呼叫按钮（14层）后，该层呼叫灯亮，电梯响应该层呼叫：（1）电梯上升或下降至该层；（2）各楼层显示随电梯移动而改变，各层指示灯也随之而变；（3）运行中电梯门始终关闭，到达指定门时，门才打开；（4）在电梯运行过程中，支持其它呼叫；电梯在运行后状态： （1）电梯在到达指定楼层后,电梯会自动打开,经过一段延时自动关闭,在此过程中,支持手动开门或关门；（2）各楼层显示值为该层所在位置,且上升与下降指示灯均灭；（3）到达指定楼层后,电梯会继续待命（2分钟后返回1层）,直至新命令产生。2.1.2 电梯的控制功能电梯可实现的功能如下所示，这些功能是根据生产厂家或用户的要求制定的安全和功能的事项而制定的。这里只根据本电梯主要的操作进行说明，其他例如故障检测、自救功能、火灾提示、语音提示、满载控制
