基于PLC的电梯控制器的设计毕业设计.docx

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基于PLC的电梯控制器的设计毕业设计

基于PLC的电梯控制器设计

摘要：

本文介绍了一种基于可编程控制器（PLC）的电梯控制方法。

作者对电梯控制系统的现状作了分析，根据国家有关标准选择系统硬件，利用现代控制技术改进了传统的电梯控制方法。

该方法基于电气集选控制原则，以PLC和变频器为控制器和调速器，以交流异步电动机为控制对象，利用脉冲编码器取代传统的位置检测装置进行位置反馈，通过PLC与变频器之间的通信来实现主电机与门电机的起停与调速控制。

本文所述控制系统用软件代替部分硬件功能，适当的减少了输入和输出点数，降低了系统成本，提高了系统的可靠性和安全性。

采用变频器调速提高了电梯的平稳性和乘客的舒适感，有效的提升了平层准确性，同时提高了电梯的控制精度，实现了对电梯的全数字化控制。

设计了主电路与关键的控制电路原理图，并给出主要软件的流程图和部分程序代码。

关键词：

电梯、变频器、调速、PLC。

DesignofPLC-basedelevatorcontroller

Abstract:

Amethodofelevatorcontrolbasedonprogrammablelogicalcontroller（PLC）isintroducedinthispaper.Thepresentsituationofelevatorcontrolsystemisanalyzedinthefirst,thesystemhardwareischosenaccordingtotherelevantnationalstandards,thetraditionalcontrolmethodsareimprovedbymoderncontroltechnology.Inthemethodbasedontheprinciplesofelectricalcontrolassemblyelection,PLCandvariablefrequencytransducerareusedasmaincontrollerandregulatorrespectivelytocontrolthecontrolledobjectofthealternativecurrentinductionmotors,thepulseencoderisusedtoreplacethetraditionalpositiondetectdevicestoachievethepositionfeedback,thecommunicationbetweenPLCandtransducerisadoptedtostartandstopthemotorsandregulatethespeed.Apartofhardware'sfunctionsareimplementedbysoftwareintheproposedmethod,whichreducesthenumberofinputandoutputpointsandthecostofthewholesystemandimprovesthesecurityandthereliability.Thetransducerisusedtoimprovethesmoothliftandpassengercomfort,thelevelingaccuracyandtheliftcontrolprecision.Thefullydigitalcontroloftheelevatorisrealized.Themaincircuitsandthekeycontrolcircuitsareschematicallypresented.Theflowchartofthemainsoftwareandsomeprogramcodesarealsoproposed.

Keywords:

Elevator;Transducer;Governor;PLC

1引言

在现代复杂的楼宇建筑中，电梯成为不可或缺的运输工具，其使用越来越广泛。

随着楼层的增加，人们对于电梯的安全性、准确性、可靠性、效率等提出了更高的要求。

电梯控制系统目前多采用两种方式：

一是PLC加变频器控制系统，二是微机加变频器控制系统。

微机控制系统虽然在智能控制方面有较强的功能，但抗干扰性差，系统较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，这些限制了微机控制系统应用的广泛性。

PLC电梯控制系统由于运行可靠、容易实现、使用维修方便、抗干扰性强等优点，正日益成为电梯控制系统中使用最多的控制系统方式[]。

PLC是以微处理器为核心，融合了自动化技术、计算机技术、通信技术的工业自动控制装置，它能改造传统的继电器—接触器控制系统，又适用于现代过程控制。

凭借其卓越的可靠性、抗干扰性和可编程性，目前已被广泛应用于各种工业过程的自动控制中。

本次设计选用西门子公司的S7-200系列PLC，它可靠性高，指令功能强，易于掌握，有较好的通信功能和性价比，在中小型控制系统中能充分发挥作用。

2电梯

2.1概述

2.1.1电梯的发展

电梯发展的历史，可以追溯到公元前236年的古希腊。

当时希腊有个叫阿基米德的人设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬机，安装在尼罗宫殿里。

这种卷筒式卷扬机被认为是现代电梯的鼻祖。

据有关资料记载，在古代埃及，当时为了修建金字塔，曾经使用过由人力驱动的升降机械[]。

1852年，德国制造出人类历史上最早的用电动机拖动提升绳索来使轿厢上下运行的电梯，但结构简单、无导轨、无安全装置，仅供货物运送。

1857年，美国人奥的斯研究升降梯的安全装置成功后，世界上第一台载人电梯问世。

1858年美国研制出以蒸汽为动力，并通过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯。

1878年英国的阿姆斯特朗发明了水压电梯，随后水压电梯的使用淘汰了蒸汽电梯。

后来又出现了采用液压泵和控制阀的电梯，并采用至今。

1889年，美国奥的斯公司将卷筒式驱动的电梯改进为曳引轮驱动，为开发行程长、速度高的电梯奠定了基础。

当时的电动机是直流电机，使用时具有控制困难、平层不准确等问题，为了消除这些缺点，人们采用发电机—电动机组的直流变压方式，从而实现了电梯的高速化。

由于交流感应电动机的出现，1915年起人们开始使用交流式电梯。

到了20世纪50年代，电梯广泛采用了电子技术，设计制造出了群控电梯，提高了电梯自动化程度。

到了20世纪70年代，电梯控制系统应用了集成电路、微处理机，使电梯的电气控制进入了以个新的发展时期。

电梯发展到了90年代，随着计算机技术和现场总线技术的发展，电梯控制系统由并行信号传输向以串行传输为主的方式过渡。

我国从1908年在上海汇中饭店等一些高层建筑安装了第一批进口电梯起，到新中国成立以前的1949年，全国各大城市中安装的电梯已有数百台。

上海和天津等地也先后建立了几家电梯修配厂，从事电梯的安装与维修业务。

新中国成立以后，先后在上海、天津、沈阳、西安、北京、广州等地建立了电梯制造厂，使我国的电梯工业从无到有，从安装维修到制造，从小到大地发展起来。

我国从20世纪50年达开始生产电梯，用我国生产的电梯产品先后装备了人民大会堂、北京饭店等政府机关和国家宾馆。

60年代开始生产自动扶梯和自动人行道，生产的自动扶梯装备了北京地铁车站，生产的自动人行道装备了北京首都机场。

随着我国对外开放，80年代开始引进技术，我国的电梯工业得到飞速发展。

进入21世纪以来，随着人口的增加，经济的发展，我国城市化水平迅速提高，大批的高楼大厦拔地而起，电梯在人们生活中的地位逐步增强，成为重要的运输设备之一。

2.1.2电梯的应用

电梯应用范围很广，一般安装在高层楼内较多，特别是大城市的居民住宅、政府机关、商场、饭店、医院、仓库、机场、矿井、船舶、车站、电厂、工地等地方。

我国的中小城市和大学企业在20世纪90年代前后也安装了很多电梯。

飞机场的地下车库，使用运机梯垂直将飞机提升到机场跑道上；矿井下使用矿井梯供井内运送人员和货物；船舶上使用电梯运送人员和货物；工地使用施工电梯来运送建筑施工人员和材料；汽车场装运汽车的电梯；消防用电梯是在发生火警时，用来运送消防人员、消防器材及乘客；还有防爆、耐热、防腐蚀等特殊用途电梯及自动扶梯、自动人行道等都是现代建筑中必备的交通设备。

2.1.3电梯的发展方向

目前，电梯技术不断发展，新型电梯不断出现，但总的来说，电梯的未来在于四个方面。

1更加智能：

电梯智能群控技术不断出现，如基于专家系统的群控、基于模糊

逻辑的群控、基于计算机图像监控的群控、基于神经网络控制的群控、基于遗传基因法则的群控等。

这些群控系统能适应电梯交通的不确定性、控制目标的多样化、非线性表现等动态特性。

随着智能建筑的发展，电梯的智能群控系统将与大楼所有的自动化服务设备结合成整体智能系统。

2更加高速：

21世纪以来，世界各地城市化水平不断提升，为了在有限的空间

内满足人们的居住与工作需求，超高层建筑不断出现，电梯的高速化成为电梯技术发展的重要方向。

曳引式超高速电梯的研究继续在采用超大容量电动机、高性能的微处理器、减振技术、新式滚轮导靴和安全钳、永磁同步电动机、轿厢气压缓解和噪声抑制系统等方面推进。

采用直线电机驱动的电梯也有较大研究空间。

未来超高速电梯舒适感会有明显提高。

3网络化与信息化：

电梯控制系统将与网络技术相结合，用网络把各地的电梯

监管起来进行维保；通过电梯网站进行网上交易，包括电梯配置、招投标等，也可以在网上申请电梯定期检验。

4更加绿色环保：

世界资源与能源问题的不断突出，要求电梯在环保方面做出

改变。

能耗更低、减少油污染、电磁兼容性强、噪声低、长寿命、采用绿色装潢材料、与建筑物协调等等。

2.1.4电梯的分类

1、按用途分：

1乘客电梯（TK）：

为运送乘客而设计的电梯；

2住宅电梯（TZ）：

为运送居民而设计的电梯；

3载货电梯（TH）：

为运送通常有人伴随的货物而设计的电梯；

4客货电梯（TL）：

主要为运送乘客、同时也可运送货物而设计的电梯；

5病床电梯（TB）：

为运送病床、病人及医疗设备而设计的电梯；

6杂物电梯（TW）：

服务于规定楼层站的固定式而设计的提升装置；

7观光电梯（TG）：

为乘客观光而设计的电梯；

8船用电梯（TC）：

为船舶上使用而设计的电梯；

9车用电梯（TQ）：

为运送车辆而设计的电梯；

10建筑施工电梯：

为建筑施工与维修而设计的电梯。

此外还有一些特殊用途电梯，如：

运机梯、矿井梯、消防梯等。

2、按速度分：

1低速电梯；

2快速电梯；

3高速电梯；

4超高速电梯；

5特高速电梯。

3、按拖动方式分：

1交流电梯：

曳引电动机是交流电动机；

2直流电梯：

曳引电动机是直流电动机；

3液压电梯：

靠液压传动的电梯，分为柱塞直顶式和柱塞侧置式；

4齿轮齿条式电梯：

靠齿轮在齿条上的爬行来驱动轿厢的电梯。

此外，除了以上三种分类方式外，还可以按控制方式分、按有无司机分、按动力电源分、按机房位置分、按传动结构形式分等，这里就不作叙述。

2.2电梯的基本结构

电梯的结构，按传统方法可以分为机械部分和电气部分。

机械部分由曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、机械安全保护系统等组成。

电气部分主要由电气控制系统、操纵箱等部件以及分别安装在各有关电梯部件上的电气元件等。

1-减速箱；2-曳引轮；

3-曳引机底座；4-导向轮；

5-限速器；　　6-机座；

7-导轨支架；8-曳引钢丝绳；

9-开关碰铁；　10-紧急开关；

11-导靴；　12-轿架；

13-轿门；　　14-安全钳；

15-导轨；　　16-绳头组合；

17-对重，　　18-补偿链；

19-补偿链导轮；20-张紧装置；

21-缓冲器；　22-底坑；

23-层门；　　　24-呼梯盒；

25-层楼指示灯；26-随行电缆

27-轿壁；　　　28-轿内操纵箱；

29-开门机；　30-井道传感器；

31-电源开关；32-控制柜；

33-曳引电机；　34-制动器。

图1.1电梯的基本结构[]

1、曳引系统

曳引系统主要由曳引电机、钢丝绳、导向轮、反绳轮等组成。

曳引电机是驱动电梯轿厢和对重装置作上、下运动的装置，可分为无齿轮曳引机和有齿轮曳引机两种。

无齿轮曳引机用在运行速度v>2m/s的高速电梯上，这种曳引机的曳引轮紧固在曳引电机轴上，没有机械减速机构，整机结构比较简单。

有齿轮曳引机广泛用于运行速度

的各种货梯、客梯、杂物电梯上。

电梯的载荷、运行速度等主要参数取决于曳引机的电动机功率和转速、蜗杆与蜗轮的模数与减速比、曳引轮的直径和绳槽数，以及曳引比等。

在电梯的曳引机上一般装有电磁式直流制动器。

2、导向系统

导向系统的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、导靴和导轨架构成。

3、轿厢

轿厢的功能是运送乘客或货物，是电梯的工作部分，主要由轿厢架和轿厢体组成。

4、重量平衡系统

重量平衡系统的功能是为了相对地平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢和对重的重量差保持在某一限额之内，保证电梯的曳引传动正常，由对重和重量补偿装置组成。

5、电力拖动系统

电力拖动系统的功能是提高动力，实现电梯的速度控制，主要由曳引电动机、供电系统、速度反馈装置、电动机调速装置等构成。

供电系统为电梯的电动机提供电源，电动机调速装置对曳引机和门机实行调速。

6、电力控制系统

电力控制系统的功能是对电梯的运行实行操纵和控制，主要由操纵装置、位置显示装置、控制柜、平层装置、选层装置等组成。

7、安全保护系统

安全保护系统主要由限速器、安全钳、缓冲器、端站保护装置等组成，其功能是保证电梯的安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。

3总体设计

3.1设计要求

3.1.1标准功能

基于PLC的电梯控制系统必须具备以下标准功能：

（1）开关门：

到达指定楼层平层后自动开门，并有一定的开门保持时间，以保证所有乘客进出轿厢后再自动关门，门有格挡时重复开门，直到门关闭为止。

长时间开门时判定门有物体阻碍并报警，当电梯处于停站状态且有手动开关门信号时不管开门保持时间响应手动开关动作。

为保证电梯安全运行，必须设置门锁装置，只有关门后且有门锁信号时电梯才能升降；

（2）层选控制：

登记外部召唤与内指令信号，根据轿厢所处位置，生成层选信

号，判定轿厢运行方向，电梯运行时如有顺路厅外呼叫，则顺路停车载客并继续运行，对于反向呼叫电梯予以登记，并在响应完所有正向呼叫后响应反向呼叫信号；

（3）电机起停与速度控制：

在关门后且有门联锁信号时，由PLC发出起停信号，控制电机的起停，根据已知的速度曲线，发出加速或减速信号，控制电机在起动后加速和平层时减速，为保证速度控制精度须设置速度反馈；

（4）平层控制：

保证电梯在到达指定楼层平层区时减速爬行，将轿厢停在选定

的楼层上；

（5）显示功能：

在轿厢内外利用信号灯显示电梯运行方向、楼层位置及选定呼

叫，在电梯响应完登记的外部呼叫后消除所登记的外部呼叫，在电梯响应完登记的内指令后自动消除所有已登记的内指令信号；

（6）称重功能：

过载时报警并持续开门，空载无人时快速运行；

（7）换站停靠[7]：

通常电梯运行时，可能会出现一种情况，即在电梯停靠时，

由于所停层站出现故障或垃圾卡入地坎，电梯开门不到位，而门锁开关脱开。

如果对此没有相应保护措施，势必会造成电梯在该层站呈僵持状态，即不能开足门，也不能再运行，使乘客无法进入轿厢，其他层站的乘客也无法得到电梯服务。

而且持续的过载运行会使开关门电机有被烧坏的危险。

因此必须具有换站停靠的功能：

如果电梯停站，自动开关门动作持续一段时间后，门尚未开足，就作关门动作，待门关闭后，根据轿厢内指令或外部召唤运行到其他层站开门放客。

（8）检修功能：

当电梯需要检修时，由操作人员按下检修按钮，电梯自动进行慢速的检修上行或检修下行，以检查电梯性能；

（9）消防功能：

当发生火灾时，外部的消防系统起动并向电梯控制系统发出消防信号，电梯进入消防模式，此时电梯迫降在最近层楼，轿厢内指令可用，但禁止外部呼叫，待所有乘客离开轿厢后电梯禁止使用。

为了防止消防系统的误操作带来电梯的迫降，消防模式也可设置在手动状态，当操作人员发现火情时，起动电梯的消防模式。

（10）制动功能：

当电梯平层停站时，制动系统通过抱闸等形式使电梯固定在一定位置，确保电梯和乘客的安全，并在突然停电时，自动起动制动系统，再次来电时，必须由操作人员停止制动系统后才能电梯再可以再次起动。

3.1.2特别功能

有的电梯除了具有标准功能外还有其它特别功能[]，如：

（1）门的光电装置安全操作：

为了防止乘客被电梯门夹住，电梯应装有安全触

板开关。

但是，对于乘客来说，被安全触板碰一下，虽然不会有什么损伤，但总不是一件舒服的事。

为此，可以备有门的光电装置安全操作功能。

考虑到万一光电装置发射部或接收部被堵住，如果没有特别对策这台电梯就永远不会关门，严重影响服务效率，因此可以采取以下对策：

①只要按下关门按钮，即使光电装置的光线被挡住电梯照样关门，因此按住关门按钮者定是看到门间无人后才这么做的；②当连续一段时间光线被阻挡，电梯仍然自动关门，因为一般说来，不可能连续很长时间内都有乘客进出轿厢；

（2）停电自动平层操作：

如果大楼内没有自备的紧急供电装置，而遇到突然停电时，可能使正在运行的轿厢卡在层楼之间，使乘客无法出来，因此配备紧急平层装置有时是必要的。

有了该装置后，万一遇到停电情况，电梯卡在层楼一段时间后，就利用紧急平层装置起动电梯，运行到最近层停靠后，自动开门放客，保证了乘客的安全；

（3）轿厢内无用呼叫信号的自动消除：

有的乘客在乘电梯时，乱按了许多内呼叫按钮，如果没有特别的操作，这些被登记的无用呼叫将使电梯空跑许多时间，即浪费电能，又影响了电梯对其他乘客的服务效率。

为此，设置无用呼叫的自动消除是很有意义的，当电梯探测到轿厢内呼叫信号多于乘客人数时，就认为其中有无用的呼叫信号，将已登记的轿厢呼叫信号全部消除，有真正需要的可重新登记，从而避免电梯空跑；

（4）群控功能：

有时，一个电梯对于某高层建筑来说是不够的，会导致乘客等待时间过长，因此需要安装多部电梯，此时，应有群控功能。

群控时，所有群内电梯是由群控系统统一调配的，即每台电梯除了响应本身的轿厢内呼叫外，还要响应群控系统分配的其他层站呼叫，从而提高服务效率。

除了上述功能外，有的电梯还具有自动语音报站、上下班高峰服务、节能运行、自动学习、贵宾层服务等功能，这里不作一一介绍。

3.2设计方案

3.2.1电梯系统主要参数的选择

根据国家有关标准GB/T7025.1-1997，电梯的主参数选择如下：

Ⅰ类：

为运送乘

客而设计的电梯；住宅楼电梯；无司机电梯；额定载重量1000kg，可乘人数13人；轿厢宽度1100mm，深度2100mm，高度2200mm；轿门和层门宽度800mm，高度2000mm，型式为中分门；额定速度1.50m/s，基站为一层。

3.2.2电机的选择

众所周知直流电动机虽然调速性能很好，但构造复杂，使用环境及容量都受到限制，相比而言，三相交流感应异步电动机结构简单、便于维护，且目前已有不少交流电机的调速方法并且获得了良好的控制效果，故选择交流电动机为电梯的曳引电机和门电机。

曳引电机的主要参数为功率15kw,平均转速960r/min。

3.2.3PLC的选择

由于此次设计的建筑为9层，经初步估算输入与输出点数约为50/40个，考虑到控制系统的可靠性、经济性要求，选择西门子S7-200系列PLC作为电梯控制用PLC。

西门子S7-200系列PLC为小型PLC，它可靠性高，指令功能强，易于掌握，有较好的通信功能，在中小型控制系统中能充分发挥作用。

3.2.4调速方式的选择

传统的交流单速与双速电梯由于其速度不可控且起停不够平稳、平层不够准确等缺点，已越来越难以适应现代生活，由于变频器具有恒压频比、矢量控制、直接转矩调速方式，具有调速方便、节能、调速范围宽、机械特性好、运行舒适可靠的优点

，且可实现闭环控制，本次设计选择变频器来控制电动机的速度。

3.2.5变频器的选择

考虑到电梯调速性能的需要，根据电梯的速度、曳引比以及电梯的载重来确定曳引机的转速和功率，当曳引机的功率和电压确定之后，变频器的选型要和曳引机相匹配，一般是选取大于曳引机功率的上一个档次的数据来选择。

不能小也不能太大，太大不但造成成本的上升，而且导致控制精度的降低。

使整个系统的性能下降。

这里选择西门子MicroMaster440型变频器。

西门子MicroMaster440型变频器是一种多功能标准变频器，它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，集成了RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP/Device-Net通讯模块，具有过电压、欠电压保护，满足广泛的应用场合。

4可编程控制器

4.1概述

4.1.1可编程控制器的发展

可编程控制器（ProgrammableLogicController）又称PLC。

早期的PLC是以准计算机的形式出现的，在硬件上简化了计算机的内部电路，装置中的器件主要采用分离原件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器，接口电路适合工业控制的要求，编程软件和方法都比计算机简单，出现了面向问题的接近“自然语言”的编程方式。

这个时期的PLC能够实现基本逻辑控制、顺序控制、条件步进和时间步进控制等功能[]。

在20世纪70年代后期，人们开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元，从而使之得到了巨大的发展，其应用日趋普及。

自PLC问世以来，经过三十几年的发展，在欧美、日本等工业发达国家PLC已经成为工业控制的标准设备，其应用几乎覆盖所有工业企业。

我国PLC的发展大约经历了三个阶段。

在20世纪70年代是初级认识阶段，20世纪80年代为引进使用阶段，20世纪90年代则是迅速普及和发展阶段。

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，大规模集成电路和高性能微处理器在PLC的应用，使PLC的功能不断增强，应用领域不断扩大和眼神，而制造成本不断下降，性价比原来越高。

目前，PLC产品平均3-5年就更新换代一次。

其发展的明显趋势是集成度越来越高、工作速度越来越快、功能越来越多、工作越来越可靠、使用越来越方便。

通信和网络功能是PLC发展的重要特征，现场总线技术及以太网技术的发展使得PLC构成的过程控制系统比DCS的开放性更有优势。

PLC的不断发展也体现在编程软件的多样化和高级化，同时人机界面软件及软件接口也在迅速发展，开发适应各种特殊控制要求的智能模块也是PLC发展的明显特征。

4.1.2PLC的主要性能指标

1、输入/输出（I/O）点数：

I/O点数是PLC最重要的技术指标之一，因为在选用PLC时，要根据控制对象的被检测信号输入的个数和控制量输出的个数来确定机型；

2、存储容量：

存储容量决定了PLC可以容纳用户程序的长度；

3、扫描速度；扫描速度是PLC执行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标，例如，西门子S7-200系列PLC执行一条布尔指令所用的时间为0.37μs，这在微型机中属于较快速度的；

4、编程指令的种类和条数：

一般来说，PLC的编程指令的种类和条数越多，说明它的软件功能越强，即