基于s7300PLC的五层电梯控制系统设计 论文.docx

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基于s7300PLC的五层电梯控制系统设计论文

摘要

随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在人们的生活中占有着越来越重要的地位。

在高层建筑中，电梯更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,电梯控制技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。

本文针对我国电梯行业的现状，将可编程序控制器PLC应用于五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、可维护性和灵活性，同时大大延长了电梯的使用寿命，缩短了电梯的开发周期，从而改善了电梯的控制水平，提高了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。

本文设计的电梯与传统的电梯相比，在运行过程中具有更为良好的舒适感，在生活中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。

该电梯控制系统具有指层、厅召唤、选层选向、手动和自动等功能，具有集选控制的特点。

在介绍电梯基本结构的基础上，深入分析了电梯的工作原理，阐述了PLC的优点及特点，重点分析了电梯的硬件设计和软件设计，研究并提出了基于PLC电梯控制系统设计的实现方案，最后对本论文的研究内容进行了总结与展望。

关键词：

电梯；PLC；控制

ABSTRACT

Withthecityconstruction'scontinuousdevelopment,theamountofhigh-risebuildingsisincreasingrapidly，whichmakestherolethatelevatorplayedinpeople'sdailylifebecomemoreandmoreimportant.Especiallyinthehigh-risebuilding,theelevatorisnotalackofverticaltransportationequipment.Withtherapiddevelopmentofhigh-risebuildingsoftoday,theliftindustryalsohasenteredanewperiodofdevelopment,elevatorcontroltechnologyhasbeendevelopedtotheFMspeedregulator,thelogiccontrolbythePLCtoreplacetheoriginalrelaycontrol,manyofitsfunctionstraditionalrelaycontrolsystemcannotbeachieved.

ThedesignforthestatusofChina'selevatorindustrywillbeaprogrammablelogiccontroller（PLC）usedforfour-storeyelevatorcontrollogic,throughtherationalselectionanddesign,notonlytoimprovethereliabilityoftheelevator,maintainability,andflexibility,whileextendingtheoflifeandshortenthedevelopmentcycleoftheelevatorandtheelevatorcontroltoraisetheleveloftheelevatoroperationtoimprovethecomfort,sothatthelifttoreachamoresatisfactorycontroleffect.Inthispaper,thedesignoftheelevatorbytheelevatorwhencomparedwiththetraditional,intherunwithgoodcomfort,inlifecansaveenergy,andachievedgoodeconomicandsocialbenefitstoachievethedesiredpurpose.Theelevatorcontrolsystemhasameanlayer,theOfficeofcallstothelayerselected,manualandautomaticfunctionswithasetoffeaturestocontroltheelection.

Inintroducingthebasicstructureoftheliftonthebasisofthedepthanalysisoftheworkingprincipleoftheelevator,onthemeritsandcharacteristicsofPLC,thefocusofananalysisofthelifthardwaredesignandsoftwaredesign,researchandPLCbasedcontrolsystemdesignedtolifttheachievementoftheprogram.Finally,thestudyofthisthesisaresummarizedandprospects.

Keywords：

elevator；PLC；control

1前言

随着不断发展的城市建设和不断增多的高层建筑，电梯在国民经济和生活中有着越来越广泛的应用。

电梯作为高层建筑中垂直运行的运输设备，已经与人们的日常生活密不可分。

实际上电梯是根据外部和内部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式控制系统，单纯运用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用的是随机逻辑方式控制。

目前电梯的控制普遍采用两种方式：

第一种控制方式是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，从而实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制由变频器来完成；第二种控制方式是采用可编程控制器（PLC）取代微机来实现信号集选控制。

从性能和控制方式上来说，这两种控制方式并没有太大的区别。

国内厂家大都选择第二种方式，其原因是国内厂家的生产规模较小、自己设计和制造微机控制装置成本较高；而可编程控制器（PLC）具有可靠性高、程序设计方便灵活、抗干扰能力强、运行稳定等特点，所以在现在的电梯控制系统中广泛采用可编程控制器（PLC）来实现。

1.1综述电梯的发展史

在现代社会和经济活动中，电梯已经是城市物质文明的一种标志。

在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。

每幢大型高楼都可以说是一座垂直的城市。

电梯不仅是代步的工具，也是人类物质文明的标志。

电梯问世不过100多年，但其发展神速。

作为升降设备，据说它起源于公元前236年古希腊阿基米德设计的一种人力驱动的卷筒卷扬机。

事实上，早在公元前1115年至1079年之间我国劳动人民就已经开始使用“桔棒”、“辘护”等人力升降机。

18世纪末瓦特发明了蒸汽机后，人们尝试用蒸汽机来驱动。

1852年，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯（ElishaGraviesOtis）发明了世界上第一部以蒸汽机为动力、配有安全装置的载人升降机。

这是世界上第一台具有安全装置的电梯，在电梯历史上具有划时代的意义。

1889年，奥的斯公司推出了第一台电力驱动齿轮直接传动电梯。

1903年，奥的斯公司设计出了槽轮式驱动电梯。

槽轮式驱动也称为曳引式驱动，是在曳引绳的一端提升重物，另一端为平衡重，依靠曳引绳与开有绳槽的曳引轮之间的磨擦来驱动重物作垂直运动。

其设计思想为长行程并具有高度安全性的现代电梯奠定了基础。

电梯曳引传动控制技术也经历了由简单到复杂的发展阶段。

从19世纪末电梯问世开始，对于调速性能要求较高的电梯，都是采用直流电机控制。

直流电机控制系统具有调速范围宽、可连续平衡地调速以及控制方便、灵活、快捷、准确等优点。

然而，早期的直流电机控制系统往往是直流发电机一电动机组调速系统，其体积、重量、能耗和噪声都很大。

由于交流单速控制和交流双速控制电梯的结构简单、价格较低、使用维护方便，所以从电梯问世至今，交流单速控制和交流双速控制一直广泛地应用于调速性能要求不高的场合。

交流双速电梯是靠改变定子绕组接线以变换电动机极对数P的方法进行调速。

变极调速转速是成倍地变化，因此调速的平滑性差，但它在每个转速等级运转时，都具有较硬的机械特性，稳定性好，但乘坐舒适感差，普遍应用于货梯。

1967年，由于电子技术及半导体器件的发展，出现了交流调压调速（ACVV）控制。

交流调压调速是通过控制电动机定子绕组电压来改变转差率s的方法实现调速。

交流调压调速系统采用调节器调节晶闸管交流调压电路中晶闸管的触发脉冲相位，即调节电动机的端电压，达到改变转速的目的。

交流调压调速控制电梯在起动、稳速及制动的全过程中实现了闭环控制，将速度给定曲线以模拟量或数字量的形式送入电梯传动系统，在反馈控制的作用下，使电机转速跟踪给曲线变化。

其制动减速可采用能耗制动、反接制动等方式，乘坐舒适感、平层精度均优于变极调速双速电梯，其缺点是电动机转子的发热较大、能量消耗较大。

1976年，微处理器应用于电梯控制。

在1980年，出现了将微机用于速度控制和运行管理控制的全电子化交流反馈控制的电梯，其精确的控制使电梯的舒适感和群控性能得到进一步提高。

应用微机取代继电器控制逻辑实现闭环控制，进一步提高电梯的性能和可靠性，并减少现场调试要求，是电梯控制技术的方向。

1984年，由于固态功率器件的不断发展及微机技术的应用，出现了交流变频调速（VVVF）电梯控制系统。

交流变频调速是通过调节电机定子绕组供电电压的幅值及频率来调速的。

它通过电压、电流和速度的信号反馈，由计算机对交流电动机进行精确调节控制，使电梯运行效率大大提高，运行性能更加完善。

VVVF电梯以其独特的先进技术和性能，实现了节能、快速、舒适、平层、准确、低噪音、安全等目标。

由于其具有优越的调速性能、显著的节能效果，已取代交流调压调速电梯成为电梯控制方式的主流。

在电梯控制系统方面，目前国外发达国家的电梯正在推广32位微机控制系统。

并已经开始淘汰16位以下微机控制系统。

利用微机对电梯的控制不仅能使系统的动态品质的提高，也将大大提高电梯运行效率。

它们都采用闭环反馈单微处理机控制系统或多微处理机协调控制系统。

在电梯传动系统方面，采用交流变压变频（VVVF）调速技术，使电梯从超低速到高速无级调速高精度运行，具有节能、对电网污染小、乘坐舒适感佳等优点。

在交流电机变频调速控制系统中通常采用矢量控制技术，这种控制方式能使得电机在各种速度运行时具有良好的机械特性，特别是在低速控制性能尤为突出。

在电梯反馈系统方面，采用绝对值位置编码器从电梯轿厢上反馈轿厢绝对位置信号，对曳引电机进行以距离为原则的控制，以实现直接平层技术，来达到优越的电梯运行效果。

1.2电梯的硬件分析

1.2.1电梯的组成

电梯是机与电合一的大型复杂产品，机械部分相当于人的躯体，电器部分相当于人的神经。

机与电的高度合一，使电梯成了现代科学技术的综合产品.对于电梯的结构而言，传统的方法是分为机械部分和电器部分，但以功能系统来描述，则更能反映电梯的特点。

下面简单介绍一下电梯机械部分的结构，而我们主要目的是怎样去控制它。

（1）曳引系统

　　曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。

主要由曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮等组成。

（2）导向系统

导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

主要由导轨，导靴和导轨架等组成。

（3）轿厢

　　轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作重要部分之一。

轿厢由轿厢架和轿厢体组成。

（4）门系统

　　门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。

由轿厢门、层门、开门机、门锁等装置组成。

（5）重量平衡系统

重量平衡系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。

系统主要由对重和重量补偿装置组成。

（6）电力拖动系统

　　电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度的控制。

电力拖动系统由曳引电动机、供电系统、速度反馈装置、电动机调速装置等组成。

（7）电气控制系统

　　电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。

电气控制系统主要由操纵装置、位置显示装置、控制屏（柜）、平层装置、选层器等装置组成。

（8）安全保护系统

保证电梯安全使用,防止一切危及人身安全的事故发生。

由电梯限速器、安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关等装置组成。

图1.1电梯机械部分结构示意图

1.2.2电梯的主要电气设备

（1）曳引电动机：

齿轮曳引系统作为电梯的提升机构，主要由驱动电动机、电磁制动器（也称电磁抱闸）、减速器及曳引轮等组成。

（2）自动门机

用来完成电梯的开门与关门：

电梯的门由厅门（每层站一个）和轿门（只有一个）。

只有当电梯停靠在某层站时，此层厅门才允许开启（由门机拖动轿门，轿门带动厅门完成）；也只有当厅门、轿门全部关闭后才允许启动运行（检修状态时，可以在不关门的状态下运行）。

（3）层楼指示

层楼指示也叫层显，过去常由低压灯泡构成，安装在每层站厅门的上方和轿厢内轿门的上方；现多由七段数码管组成，与呼梯盒、运行方向指示做成一体结构。

（4）呼梯盒

呼梯盒也叫召唤按钮或外呼盒，用以在每层站召唤电梯。

常安装在厅门外，离地1m左右的墙壁上。

基站与顶站只有一个按钮，中间层站由上呼和下呼两个按钮组成。

按钮带有呼梯记忆灯，灯亮时表示呼梯信号已经被接收并记忆；当电梯满足呼梯要求并停层开门时，呼梯记忆灯熄灭。

基站的呼梯盒上，常带有钥匙开关，供电梯管理员开关电梯。

（5）操纵箱

操纵箱安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发布动作指令。

操纵箱上设有与电梯层数相同的内层选按钮（带指示记），上、下行启动按钮（带上、下行指示记忆灯，检修时用），开、关门按钮，急停按钮，电梯运行状态选择钥匙开关（选择电梯是自动运行还是检修状态）以及风扇、照明等的控制开关。

（6）平层及开门装置

该装置由磁铁板和上、下平层感应器1KR、2KR组成。

上行时，1KR首先插入隔铁磁板，发出减速信号，电梯开始减速，至2KR插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号，电机停转，机械抱闸；下行时，2KR首先插入隔磁铁板，发出减速信号至1KR插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号。

（7）停层装置

在电梯的井道内每层站装有一只磁铁板，当轿厢运动到相应层站时，磁铁板插入平层感应器内，以此检测电磁所处位置和产生平层信号。

（8）安全窗及其开关，安全钳及其开关，限速器及其开关，上、下行限位开关，上、下行强迫停止开关，极限开关。

1.2.3电梯的主要安全保护装置

（1）电磁制动器:

装于曳引机轴上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层后断电制动。

（2）强迫减速开关:

起分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上撞块就触动此开关，通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速。

（3）限位开关:

当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，此限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。

（4）行程极限保护开关:

当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关动作。

（5）急停按钮:

装于轿厢司机操纵盘上，发生异常情况时，按此按钮切断电源，电磁制动器制动，电梯紧急停车。

（6）厅门开关:

每个厅门都装有门锁开关。

仅当厅门关上才允许电梯启动;在运行中如出现厅门开关断开，电梯立即停车。

（7）关门安全开关:

常见的是装于轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安全触板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门，此外还有红外线开关等。

（8）超载开关:

当超载时轿底下降开关动作，电梯不能关门和运行。

（9）其它的开关:

安全窗开关，钢带轮的断带开关等。

1.2.4电梯的工作原理

曳引绳两端分别连着轿厢与配重（又称对重），缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮的摩擦产生牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。

固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中产生偏斜或摆动。

常闭式制动器在电动机工作时间松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。

轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少发动机功率。

补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。

电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。

指示呼叫系统随时显示轿厢的于东方向和所在楼层位置。

安全装置保证电梯运行安全。

2可编程逻辑控制器（PLC）简介

2.1PLC的简介

2.1.1PLC的定义

1982年，国际电工委员会（InternationalElectricalCommitteeIEC）颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版对PLC作了如下的定义：

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人和输出，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按照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。

上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，它有与其他顺序控制装置不同的特点。

2.1.2PLC的主要功能和应用

PLC的主要功能和应用如下：

（1）开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。

它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。

（2）模拟控制在工业生产过程中，由许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。

为了实现工业领域对模拟量

控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。

特别是在系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。

另外某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实现对系统的PID等反馈或其他模拟量的控制运算。

（3）定时控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时与计数器。

其定时时间间隔可以由用户加以设定。

对于计数器，如果需要对于频率较高的信号进行计数，可以选择高速计数器。

（4）数据处理新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算，数据传送，而还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有些PLC还可以进行浮点运算、函数运算。

（5）信号连锁系统信号连锁是安全生产所需的。

在信号连锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。

对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和连锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。

2.1.3SIMATICS7-300系列PLC系统基本构成

SIMATICS7-300系列PLC是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用，模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。

SIMATICS7-300有着广泛的应用领域，主要包括：

纺织机械、各种机床、通用机械工程应用、电器制造工业及相关产业。

多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。

当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用接口模块对PLC进行扩展。

S7-300是模块化的组合结构，根据应用对象的不同，可选用不同型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架（导轨）或多个机架上。

除了电源模块、CPU模块和接口模块外，一个机架上最多只能再安装8个信号模块或功能模块。

CPU314/315/315-2DP最多可扩展4个机架，IM360/IM361接口模块将S7-300背板总线从一个机架连接到下一个机架，SIMATICS7-300系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展。

其系统构成如图2.1所示。

它的主要组成部分有导轨（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元模块（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）等。

它通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7PLC相连。

SM

322

SM

321

IM

365

···

CPU模块

处理器部件

通信部件

IM

365

PS307电源模块

SM

332

SM

331

FM

351

背板总线

MPI

OP

PG

其他PLC

图2.1S7-300系列PLC系统构成框图

2.2S7-300系列PLC模块性能简介

（1）CPU模块

S7-300有CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU314IFM、CPU315/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等8种不同的中央处理单元可供选择。

CPU315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有现场总线扩展功能。

CPU以梯形图LAD、功能块FBD或语句表STL进行编程。

（2）信号模块

①数字量输入模块

数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。

数字量输入模块有直流输入方式和交流输入方式。

对现场输入元件，仅要求提供开关触点即可。

输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器等待CPU采样。

采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。

数字量输入模块SM321有四种型号模块可供选择，即直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入模块。

②数字量输出模块

数字量输出模块SM322将S7-300内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。

晶体管输出模块只能带直流负载，属于直流输出模块；

可控硅输出方式属于交流输出模块；

继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块。

从响应速度上看，晶体管响应最快，继电器响应最慢；从安全隔离效果及应用灵活性角度来看，以继电器触点输出型最佳。

③模拟量输入模块

SM331主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。

A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数，也即积分时间越长，被测值的精度越高。

SM