基于PLC的电梯控制系统的应用毕业论文

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1、基于PLC的电梯控制系统的应用四层电梯的PLC控制摘 要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，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。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,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。 该设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器(PLC)应用于四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

2、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。 本文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 变频器 PLC控制 变频调速目录第1章 绪论1.1 PLC及在电梯控制中的应用特点1

3、.1.1 PLC的特点1.1.2 PLC控制电梯的逻辑关系1.1.3 PLC控制电梯的优点1.2 电梯变频调速控制的特点第2章变频器的选择2.1变频器的选择2.2变频器的设计 2.2.1变频器的参数设置 2.2.2变频器的容量计算2.2.3变频器制动电阻参数的计算第3章PLC控制系统硬件设计3.1 四层电梯主电路3.1.1 四层电梯驱动电机3.1.2 plc外部接线图3.2 I/0点数的分配及机型的选择 3.2.1 I/O点数的估算 3.2.2输入/输出的分配 3.2.3 机型的选择3.4 编码器与PLC的连接第4章 程序软件设计4.1四层电梯梯形图4.1.1外召唤信号登记及消除4.1.2内指

4、令信号登记及消除4.1.2 电梯的平层信号及处理4.1.4 选层定向及反向截梯4.1.5 内指令外召唤信号的保持4.1.6 各楼层停车信号4.1.7 自动开关门第5章 总体结构5.1电梯控制系统实现的功能5.2电梯操作方式5.3轿厢运行速度曲线结论谢 辞参考文献 第1章 绪论1.1 PLC及在电梯控制中的应用特点1.1.1 PLC简介及其特点 PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，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

5、了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是: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

6、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。”PLC的特点1.可靠性高，抗干扰能力强2.配套齐全，功能完善，适用性强3.易学易用，深受工程技术人员欢迎4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造5.体积小，重量轻，能耗低1.1.2 PLC控制电梯的逻辑关系电梯控制逻辑关系如下: 1)行车方向由内选信号决定,顺向优先执行; 2)行车途中如遇呼梯信号时,顺向截车,反向不截车; 3)内选信号、呼梯信号具有记忆功能,执行后解除。 4)内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均由信号灯指示5)停层时可延时自动开门、手动开门、(关门过程中)本层顺向呼梯开门; 6)有内选

7、信号时延时自动关门,关门后延时自动行车; 7)无内选时延时5s自动关门，但不能自动行车; 8)行车时不能手动开门或本层呼梯开门,开门不能行车。1.1.3 PLC控制电梯的优点（1）在电梯控制中采用了PLC，用计算机软件控制实现对电梯运行的自动控制，可靠性和先进性大大提高。（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。（3）实现各种复杂的控制系统，可方便地增加或改变控制功能。（4）可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。1.2 电梯变频调速控制的特点随着电力电子技术、微电子技

8、术和计算机控制技术的飞速发展，交流变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 第2章 变频器2.1变频器的选择2.2 变频器的设计变频器是变频调速系统的核心设备，它的质量品质对于系统的可靠性影响很大，选择品牌时，质量品质，尤其是与可靠性相关的质量品质是选择时的重要考虑方面9经过多次市场调查，选用日本松下变频器VF-7F，其功率是400W，输入电压是单相220V，输出电压是单相的220V

9、，频率的调节范围是0.2400Hz，该型号变频器在电梯的门机中大量使用，安全可靠，非常适合电梯使用。2.2.1变频器的参数设置变频器的设置直接影响到电梯运行时的舒适感，参数设置时应考虑以下方面：（1）减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些；（2）提高运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车冲击；（3）零速一般设计为0Hz； （4）变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入。具体见表2-1。表2-1 变频器参数设置序号参 数 设定值参数说明1第一加速时间2s设置加速时间2第一减速时间2s设置减速时间3频率范围50设置伏/赫

10、方式4过载保护功能2加保护但降低输出频率5停止方式选择0高定减速停止或惯性停止6停止频率0Hz设定停止频率7最大频率50.00设定最大输出频率8基础频率50设定基础频率9多速功能设定0选择多速功能10点动频率20.00Hz设置点动频率11点动加速时间5.0s设置点动加速时间12点动减速时间5.0s点动减速时间13预设第二频率50.00Hz电梯的高速频率14预设第三频率10.00Hz电梯的爬行速度频率15加速/减速方式1S型加/减速方式16下限频率5.0Hz设定下限频率17上限频率50.0Hz设定上限频率18偏置/增益功能选择0无偏置/增益功能19监控器选择0频率监视方式20最大输出电压220V

11、根据电动机的额定值设定最大输出电压21过电流矢速值140%设定防止过电流矢速值22矢量控制选择0无矢量控制伏/赫方式23电动机容量0.2KW设定适用电动机容量24电动机极对数2与适用电动机的极对数适配2.2.2变频器容量计算变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行计算。设电梯曳引机电机功率为P1，电梯运行速度为V，电梯自重为W1，电梯载重为W2，配重为W3，重力加速度为g，变频器功率为P。在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为P2见式（3.1）：P2=(W1+W2-W3)g+F1*V 式（3.1）其中F1=k(W1+W2+W3)g+为摩擦力，可忽略不计。电机功率P1，变

12、频器功率P应接近电机功率P1，相对于P2留有安全裕量，可取P=1.5P2。k=0.02,W1=2000Kg,W2=1000Kg,W3=2400Kg,g=9.8m/sV=1.5m/s所以： P2=（6009.81089.8）1.510.4kW可以得到：P=1.5P2=15.6KW。由于采用变频调速，效率高。依照计算结果选1.5倍裕量，取变频器容量为15kW。2.2.3变频器制动电阻参数的计算由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能.带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高.采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻

13、上，成本较低而且具有良好的使用效果.能耗制动电阻Rz见式（3.2）的大小应使制动电流Iz见式（3.3）的值不超过变频器额定电流的一半，即 Iz=Uo/RzIN/2 式（3.2）Rz2 UD/ Rz =2513/35.528.9(欧) 式（3.3） 其中Uo为额定情况下变频器的直流母线电压，取Rz30欧，由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。即：PzzUD/ Rz =0.45132/303.5kw.最后，选用的制动电阻为R=30欧，功率为P=3.5kW的电阻。第3章PLC控制系统硬件设计3.1 四层电梯主电路3.1.1 四层电梯曳引电机及门电机电路图根据设计

14、要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图2-1所示。图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。FU1为熔断器，起过电流保护作用。图3-1四层电梯曳引电机及门电机电路图3.1.2 plc外部接线图本设计的PLC外部接线图如图2-2所示.CPU226CN的传感器电源24V(DC)可以输出600mA电流，通过核算在本设计中PLC容量完全满足要求，CPU226CN的输出继电器触点容量为2A，电压范围为530V（DC）或5250V（AC）。 图2-2

15、PLC外部接线图3.2 I/0点数的分配及机型的选择3.2.1 I/O点数的估算采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。一层有上升呼叫按钮K1和指示灯H1，二层有上升呼叫按钮K2和指示灯H2以及下降呼叫按钮K4和指示灯H4，三层有上升呼叫按钮K3和指示灯H3以及下降呼叫按钮K5和指示灯H5，四层有下降呼叫按钮K6和指示灯H6。一至四层有到位行程开关SQ1SQ4。电梯内有一至四层呼叫按钮K10K7和指示灯H10H7；电梯开门和关门按钮SB5和SB6，电梯开门和关门分别通过电磁铁KM3和KM4控制，关门到位由行程开关ST1检测，开门

16、到位由行程开关ST2检测。轿厢上行和下由接触器KM1和KM2控制，并有上行记忆和下行记忆两路指示灯。综上所述，输入点共有20个，输出点共有16个。可编程控制器S7200的CPU226输入，输出点数为2416。足以满足要求3.2.2输入/输出的分配如下：该系统占用PLC的36个I/O口，20个输入点，16个输出点，具体的I/O分配如表3-3所示：表3-3 plc I/O分配序号名 称输入点序号名 称输出点0一层平层I0.00电梯上行记忆Q0.01二层平层I0.11电梯下行记忆Q0.12三层平层I0.22电机正转Q0.23四层平层I0.33电机反转Q0.34内呼一楼I0.44内呼一楼指示Q0.45

17、内呼二楼I0.55内呼二楼指示Q0.56内呼三楼I0.66内呼三楼指示Q0.67内呼四楼I0.77内呼四楼指示Q0.78一层外呼上行I1.08一层外呼上行指示Q1.09二层外呼上行I1.19二层外呼上行指示Q1.110三楼外呼上行I1.210三楼外呼上行指示Q1.211二楼外呼下行I1.311二楼外呼下行指示Q1.312三楼外呼下行I1.412三楼外呼下行指示Q1.413四楼外呼下行I1.513四楼外呼下行指示Q1.514手动开门I2.014门电机正转Q1.615手动关门I2.115门电机反转Q1.716开门限位I2.2 17关门限位I2.318电梯上升极限位I2.419电梯下降极限位I2.5

18、 3.2.3机型的选择SIMATIC S7-200系列PLC及其编程软件STEP 7-Micro/WIN 32SIMATIC 小型S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块等。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化

19、控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。STEP 7-Micro/WIN 32是西门子公司专门为S7-200系列PLC设计在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学，可用梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图三种编程语言编制程序，不同的编程语言编制的程序可以相互转换。STEP 7-Micro/WIN 32提供两套指令集，即SIMATIC指令集（S7-200方式）和国际标准指令集（IEC1131-3方式）。程序编制完成之后，利用PLC与计算机专用的PC/PPI电缆传送程序至PLC。3.3 编码器与PLC的

20、连接1、THPLC-DT型四层电梯实验教学模型一台2、安装了V3.2 STEP 7 MicroWIN编程软件的计算机一台3、PC/PPI编程电缆一根4、PLC主机一台（西门子自配），应选用40点机型（输入口大于20点、输出口大于16点）。第4章 系统软件程序设计4.1 四层电梯梯形图4.1.1外召唤信号登记及消除 厅外召唤指令具有登记指示，到层取消。4.1.2内指令信号登记及消除点动内呼按钮，信号登记显示。到层信号取消。本系统设一楼为基站，两分钟内无任何操作，电梯自动返回一楼。4.1.3 电梯的平层信号处理4.1.4 选层定向及反向截梯轿厢上行轿厢下行4.1.5 内指令外召唤信号的保持轿厢的内

21、呼指令与外召唤指令保持信号，用于在有乘坐需要的楼层停车，并自动或手动执行开关门操作。开关门执行一次之后，信号取消。使电梯能够继续响应其他乘坐信号。4.1.6 各楼层停车信号4.1.7 自动开关门如梯形图所示，电梯到层停车后，延时2s开门，5s后自动关门。并设有手动开门按扭和关门按钮。可实现即时开关门。第五章 总体结构5.1 电梯控制系统实现的功能（1）电梯运行到位后，具有手动及自动开关门功能（2）电梯的每一层均有升降及车厢所在楼层的指示灯显示（3）每层的楼顶均有输入（分上行和下行）按钮召唤电梯（4）具有自动定向、顺向截梯、反向保号、外呼记忆、自动开/关门、停梯销号、自动达层等功能（5）电梯能在

22、一定条件下进行启动，加速和还速（6）电梯能在超载状态或故障时取消关门动作，同时发出警报，直到警报被清除（看门狗信号有效的条件是一层楼连续发生关门中断情况超过3次）。5.2 电梯操作方式1、换向说明当电梯轿内或门厅呼叫按钮按下时，根据检测到的上行或下行指令给出相应的信号，从而控制电梯的驱动电机进行相应的动作；当有多个呼叫信号到达时，执行方式为优先响应电梯运行方向上的信号，再响应另一方向信号；对未及时响应的信号要进行保留。 、换速说明 电梯正常状态下以快速启动，当要到达需要停止的楼层时，给出换速信号控制拖动电机转为慢速运行，以确保电梯平稳的停止在目标位置。 5.3 轿厢运行速度曲线为了满足舒适感提

23、高运输效率及正确平层要求，电梯的速度给定曲线是一个关键环节。人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率，舒适感就意味着要平滑的加速和减速。为了获得良好的舒适感，将电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线(S曲线)及一段直线构成，而这一曲线形状的构成及改变，则是由加速度斜率及S曲线变化率决定的。见图4.1。 图5.3速度运行曲线结论四层教学电梯系统在各类院校的实践教学中得到广泛的利用，它可以作为电气及楼宇自动化等专业的PLC、变频器相关课程的实践教学平台。但是由于实际硬件的教学电梯投入较大，对教学空间也比较苛刻，从而给各个院校的实践教学带来很大的困扰。利用工控组态软件实现PLC与上位计算机通信的

24、方法简单易行，本四层教学仿真电梯系统利用工控组态软件组态王，配合简单的PLC主机，在PC机界面上实现了实践教学训练平台，投入较少，对教学空间要求不高，适合大批量学生的实践训练，符合大多数高等院校及培训机构的教学要求。所以利用PLC主机、PC机及工控组态软件设计实现的四层教学仿真电梯系统，在PLC、组态软件应用及电梯控制等课程教学中，具有突出的优点和很好的利用价值。谢 辞参考文献1 王整风，谢云敏.可编程控制器原理与实践教程.上海：上海交通大学出版社，2007.2 郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术.南京：东南大学出版社，2003.3 常晓玲.电气控制系统与可编程控制器.北京：机械工业出版

25、社，2006.4 严盈富，罗海平，屋海勤.监控组态软件与PLC入门.北京：人民邮电出版社，2006.5 张运刚，宋小春.从入门到精通西门子工业网络通信实战.北京：人民邮电出版2007.6 西门子公司.SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册.7崔坚 西门子工业网络通信指南. 机械工业出版社， 2005.58西门子（中国）有限公司 深入浅出西门子S7200 plc.北京航空航天大学出版社，2005.29吴明亮 蔡夕忠 可编程控制器实训教程.化学工业出版社， 2005.810杨志强， 用C语言实现PLC和上位机的串行通讯. 基础自动化 , 200011 李德才， 可编程序控制器PLC发展及

26、应用J. 医药工程设计 , 199412求是科技编著.，PLC 应用开发技术与工程实践M . 北京:人民邮电出版社, 2005.13吕景泉，可编程序控制器及其应用机械工业出版社，200114邓则名，邝穗芳等主编，电气与可编程控制器应用技术，机械工业出版社，200415STEP7V52编程手册，北京，西门子(中国)公司，2002 16刘敏，可编程序控制器技术机械工业出版社，200117马国华，监控组态软件及其应用.北京:清华大学出版社，200118严盈富，罗海平，吴海勤.监控组态软件与PLC入门.北京:人民邮电出版社，200619曾庆波，孙华，周卫宏.监控组态软件及其应用技术.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社200520 陈立定,吴玉香,苏开才.电气控制与可编程控制器.广州:华南理工大学出版社,2001