三层电梯控制系统设计.doc

三层电梯控制系统设计 11毕业设计（论文）的主要内容及基本要求主要内容：1) 总体方案设计2) 硬件系统的设计3) 软件控制系统的设计4) 编写设计说明书，完成系统控制硬件图基本要求：1) 绘制系统的电气控制线路原理图；2) 绘制I/O端子接线图表；3) PLC外部接线图；4) 电梯控制程序流程图；5) 程序仿真；6) 毕业设计(论文)说明书一份(要求参考相关学术论文5篇以上)。7) 查阅并翻译1篇与设计内容相关的英文材料(2000字以上)。2. 设计的原始数据（1）当电梯停于某层，有一高层呼叫时，电梯上升到呼叫层停止；当停于某层有一底层呼叫是，电梯下降到呼叫层停止(2) 当电梯停于某层有多个高层呼叫时，电梯先上升到较低的呼叫层，停10秒后继续上升到较高呼叫层，相应完毕后停止。当电梯停于某层有多个底层呼叫时，电梯先下降到较高的呼叫层，停10秒后继续下降到低呼叫层，相应完成后停止。（3）系统应具备：有司机、无司机、消防三种工作模式（4）系统还应具备以下几种功能：a. 自动响应轿厢服务指令信号b. 自动完成轿厢层楼位置显示(二进制方式)c. 自动显示电梯运行方向。d.具有电梯直达功能和反向最远停站功能3指定查阅的主要参考文献1 廖常初.PLC基础及应用.北京 机械工业出版社，2004 2 王兆义.可编程控制器教程.北京 机械工业出版社 2005 3 SIEMENS公司.SIMATIC S7-300可编程序控制器使用手册.2004. 4 SIEMENS公司.SIMATIC S7-300和S7-400梯形逻辑编程手册.2004.5 皮壮行.可编程序控制器的系统设计与应用实例M.北京 械工业出版社.20006 陈家盛.电梯结构原理记安装维修.机械工业出版社.2006 3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1查阅和搜集设计资料，制定设计方案 2012.2.28 2硬件系统的设计 3软件控制系统的设计 4撰写设计说明书 5评阅及答辩 2012.6.51摘 要IABSTRACTII第一章 绪论III1.1 有关电梯的论述III1.1.1 电梯的发展史III1.1.2 电梯的发展趋势V第二章 电梯的结构12.1 电梯的主要构成12.2 电梯的工作原理4第三章 硬件选型53.1 PLC的基本概念53.2 PLC的基本结构53.3 PLC的特点73.4 PLC控制电梯的特点83.5 PLC的应用领域8第四章 PLC硬件设计10 4.1 PLC的选择104.1.1 电梯的初始状态124.1.2 电梯的控制要求124.2 PLC的硬件选择13第五章 电梯的硬件设计135.1 电梯的主机电力拖动与调整145.2 曳引力的计算165.3 比压计算175.4 减速器的设计与选择185.5 电机容量与型号的选择205.6 门的拖动系统215.7电梯运行状态与逻辑运行要求225.7.1 应具备的工作状态225.7.2 开/关门控制235.7.3 电梯信号的登记与消除235.7.4 电梯方向的确定、保持和改变24第六章 软件设计256.1 PLC的工作原理256.2 PLC的编程语言256.2.1 梯形图编程语言256.2.2 语句表编程语言266.3 PLC基本指令266.3.1 位逻辑指令266.3.2 输出指令与其他指令276.3.3 定时器与计数器指令286.4 程序流程图306.5 I/O 端子分配表316.6 PLC型号选择316.7 PLC的外部接线图32第七章 程序设计357.1 无司机运行状态的梯形图：357.2有司机运行状态的梯形图：417.3 消防运行状态梯形图：447.4 无司机运行仿真45第八章 结论47致谢48参 考 文 献49四川理工学院毕业设计摘 要 电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。服务于规定楼层的固定升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15o的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的工作和生活日益紧密联系。PLC作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，从而使电梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和技术改造的热点之一。为此，自行设计并制作了3层 集选电梯。此电梯所采用的类型为西门子公司 S7 系列的超小型S7-200 可编程序控制器。PLC程序设计采用模块化编程思想，即根据各功能实现的条件及原则设计各个功能模块。设计的程序完成电梯自动运行功能如：内选外召唤信号的登记、消号、到层开门、上下自动运行等。合理分配轿厢内指令的执行和厅外召唤的应答。关键词：PLC 电梯 逻辑控制 程序设计 ABSTRACTThe elevator is a motor for the power of the vertical lift, equipped with the box shape nacelles, used for multistory buildings by people or shipped the goods. Also have TaiJieShi, step plate into the crawler continuous operation, commonly known as the automatic elevator. Service in the provisions of the floor and equipment fixed. It has a its compartments, run in at least two columns of vertical or dip Angle is less than 15 o rigidity between guide. The size and structure form facilitate compartments in loading and unloading goods or passengers.The elevator as tall buildings important traffic tools and peoples work and life has become increasingly close contact. PLC as a new generation of industrial controller, with its high reliability and technology advanced, in the elevator control have been widely used, so that the elevator from the traditional relay control mode for the development of the computer control of an important direction, become the elevator control and technological transformation one of the hotspots. Therefore, to be designed and made three layers of collection selection elevator. The elevator the types of Siemens company S7 series of small-sized S7-200 PLC. PLC program design USES modular programming ideas, according to each function of the realization of the principle and design conditions each functional modules. Design process automatically run the elevator function like: choose the call of the signal in the registration and elimination number, to open the door, automatic running up and down the floor, etc. Reasonable distribution in the execution of the instructions compartments and hall summoned the response. 第一章 绪论1.1 有关电梯的论述1.1.1 电梯的发展史 据国外有关资料介绍，公元前2800年在古代埃及，为了建筑当时的金字塔，曾今使用过由人力驱动的升降机械。公元1765年瓦特发明了蒸汽机后，1858年美国研制出以蒸汽为驱动力、并通过带传动和涡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梯，并随着水压提的出现，淘汰了蒸汽梯。后来又出现了采用液压泵和控制阀以及直接柱塞式和侧塞式结构的液压梯，这种液压梯至今仍为人们所采用。 梯得以广泛使用的根本原因在于采用了电力作为动力来源。18世纪末发明了点击，随着电动机的发展，19世纪初开始使用交流异步单速和双速电动机作为动力的交流单、双速电动机拖动电梯，特别是交流双速电动机的出现，显著改善了电梯的工作性能。由于这种电梯的制造和和维修成本低廉，因此，在速度为0.63m/s一下的电梯品种中，至今仍广泛采用这类交流双速电动机驱动的电梯。在20世纪初，美国的奥的斯电梯公司首先使用直流电动机作为动力，生产出一槽轮式驱动的直流电梯，从而为后来的高速度、高行程电梯的发展奠定了基础。20世纪30年代美国纽约市的102层摩天大楼建成美国的奥的斯电梯公司为这座大楼制造和安装了74台速度为6.0m/s的电梯。从此以后，电梯一直在日新月异地发展，目前电梯的产品，不但规格品种多、自动化程度高，而且安全可靠、乘坐舒适。随着电子工业的发展，PC成功地应用到电梯的电气控制系统中去后，电梯产品的质量和运行效果显著提高，电梯的速度已高达10m/s以上。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 电梯的使用历史悠久。从1908年在上海会中饭店等一些高层建筑里安装了第一批进口电梯，到新中国成立，全国各大城市中安装使用的电梯已有数百台，上海和天津等地也相继建立了几家电梯修配厂，从事电梯的安装和维修业务。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，使我国的电梯工业蓬勃发展起来。 国从20世纪50年代开始批量生产电梯，用我国自己生产的电梯产品装备了人民大会堂、北京饭店等。20世纪60年代开始批量生产自动扶梯和自动人行道，用我国自己生产的自动扶梯装备了北京地铁车站，用我国自己生产的自动人行道装备了北京首都机场。 20世纪80年代中期以来，随着我国对外开放，对内搞活经济政策的深入贯彻执行，随着技术引进工作的进一步开展，在我国国内建立一批合资和独立电梯生产厂，使我国的电梯工业取得了巨大发展。产品连续多年成倍增长，产品质量和整机性能明显提高。为了进一步推动电梯工业的发展，我国有新颁布一批具有国际水平的电梯制造标准，随着采用新标准生产的电梯批量推向市场，技术性能和质量明显提高的电梯又进一步促进建筑业和电梯业的发展，我国现在电梯产品的技术、质量水平已基本和世界接轨，并出现由卖方市场向买方市场转变的局面。1.1.2 电梯的发展趋势1.1.2.1 电梯的发展趋势(1) 电梯品种的变化 电梯技术的研究与发展以及新产品的开发应该适应市场和社会发展的需要。电梯的品种要随着建筑需求而变化，电梯制造商提供的品种愈多，其市场占有量也一定愈大。随着超高层建筑的增多，就需要高速、大容量的电梯。近几年住宅电梯的开发的热潮已出现，多层及小高层大楼配置的廉价、实用可靠的经济型住宅电梯是一个必然趋势。无机房电梯是在电梯驱动装置及其布置方式上具有独特风格的一种产品。它把影响建筑整体造型美观和人们居室日照的楼顶机房去掉了，既节省了建筑空间，又减低了制造成本。它代表了电梯技术的一种发展趋势。(2) 电梯的智能化 计算机、通讯技术的发展，使大楼的信息得以快速传递，从而可实现大厦智能化。智能化的电梯首先要与智能化的大厦所有自动化信息系统联网，如与消防、保安、楼宇设备控制等系统交互联系，使电梯成为安全舒适、高效优质的服务工具。串行通讯以其布线简单，信息传输量大等优点，在电梯控制系统中的应用日益增多，由于去掉了微机接口板上大量输入和输出电路，减少了井道、机房中的布线数量，可靠性大大提高。 电梯困人故障一直因扰着电梯的承包商，远程监控服务系统集通讯、故障、诊断、微处理机为一体，可以通过市话线传递电梯的运行和故障信息到远程服务中心。远程维修监控中心始终监控着他们所承包的电梯，随时可以知道电梯的运行状态和发生故障的属性，维修人员故障梯之前就已知道该维修的项目，减少了维修服务的成本和时间，这种预保养式的售后服务方式将是电梯工业技术发展的一个重要方向。(3) 绿色电梯 绿色电梯的研究的重点主要在电梯的制造、配置以及安装和使用过程中的节能和减少环境污染等方面。减少电梯能耗的措施是多方面的，主要包括：原材料的充分利用和再利用；电梯数量和电梯参数的优化配置；选择高效的驱动系统；减少电梯机械系统的惯性和磨擦阻力；合理应用对重或平衡重；选用节能照明；客流和运货的规划；出入口的布置等。而减少能耗的另一途径是电梯运行过程的能耗控制。利用电梯空载上行、满载下行时电机处以发电状态的特性，将再生能量反馈给电网。利用电梯机房在楼顶的优势，充分利用太阳能作为梯的补充能源也将是新的课题。51四川理工学院毕业设计第二章 电梯的结构2.1 电梯的主要构成 电梯的结构 电梯是机、电、电子技术一体化的产品。其机械部分好比是人躯体，电气部分相当于人的神经、微机控制部分相当人的大脑。各部分密切协同，使电梯可靠地运行。 电梯是一个具有特种容载装置轿厢沿着恒定不变的铅垂导轨，在不同水平面间歇运动的用电力驱动的起重机械，它适宜于装置在二层以上的高层建筑物内，专供上下运送人员或货物之用。电梯的结构及其装备可分为机械、电气两大部分，现将组成电梯的主要部件按其安装部位的不同分别介绍，并说明其作用如下： 机房部分1、曳引机 电梯的起重机构，安装在专用承重钢梁上，其主要有下列部件组成： a. 驱动电动机采用变压变频（VVVF）驱动方式，对电机进行控制，电梯起动时，逆变部分使定子频率从零赫兹，按要求上升到额定频率，使转速相应从零速平滑地上升到额定值，电梯停站前电源频率从额定频率按要求下降，使转速平滑地下降为零速，实现电梯停层，保证了电梯具有良好的舒适感。 b.制动器闭式型电磁制动器，只有在制动器通电时松闸，或当电梯停驶时即时制动。并保持轿厢位置不变，即制动器通电松闸，关电制动，充分保证工作的可靠性。 c.减速器采用蜗轮蜗杆减速器或永磁同步驱动技术，蜗轮蜗杆减速器具有承载能力大，驱动平稳等特点，永磁同步驱动具有高效率及低噪音特点。 d.防振装置采用橡胶防振装置安装于曳引机与承重大梁之间，以消除或减小曳引机的振动，提高电梯运行时的舒适感。 2、限速器 由限速器的制动装置和涨紧装置组成，它通过安全绳索与轿厢连接，把轿厢的运动传递给限速器随轿厢速度相应转动，当轿厢的运动速度超过允许的安全速度时，限速器即起作用，其过程分为： a. 首先通过超速限位开关，切断控制电路； b. 如果电梯继续超速，则限速器动作带动安全钳或夹绳器动作。 3、控制柜 控制柜是电梯电气控制的中心，采用先进的微电子及电力电子元件，用现代的微机技术及变压变频技术对电梯进行电气控制。在操纵装置的配合下，使电梯正确地实现起动和停止、上行或下行、快速和慢速，以及达到设定的自动功能和安全性能。当按下厅外召唤或轿内指令按钮时，控制系统按原先编制设定的程序，通过输入输出接口电路将信号输入微处理器，根据电梯当时的状态确定电梯的运行，屏内装有自动/检修转换开关，以及上行/下行按钮，可对电梯实行机房控制。 4、主开关 每台电梯单独装设一只能切断该电梯所供电电路（下列供电电路除外）的主动力开关，该开关不应切断下列供电电路。 a.轿厢照明、通风； b.轿顶电源插座； c.机房照明、电源插座； d.电梯井道照明； e.报警装置，该开关装于机房门内。2、导向系统 导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。它的作用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。3、门系统门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成。层门设在层站入口，由门扇、门导轨架、门靴、门锁装置及应急开锁装置组成。开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组件，与井道壁联接。导靴装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。 4、轿厢 轿厢用以运送乘客或货物的电梯组件。它是由轿厢架和轿厢体组成。轿厢架是轿厢体的承重构架，由横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成。轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量或额定载客人数决定。 5、重量平衡系统 重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。对重由对重架和对重块组成。对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。 6、电力拖动系统电力拖动系统由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成，对电梯实行速度控制。曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或直流电机。供电系统是为电机提供电源的装置。速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电机相联。调速装置对曳引电机实行调速控制。 7、电气控制系统 电气控制系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成,它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件组成，是电梯实行电气控制的集中组件。位置显示是指轿内和层站的指层灯。层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站。如下：(1) 运行方向灯在电梯确定了运行方向后，其方向指，示灯即被点亮，方向指示灯一般与层楼位置指示灯放在一起，其外形如下图所示。这一方向灯是表明电梯向上(或向下)运行。只有在消失运行方向后，此灯才熄灭。图2.1 运行方向指示灯(2) 预报运行方向指示灯 随着电梯的无司机状态使用状况增多，预报电梯下一次准备运行的方向灯也将得到日益推广使用。而这种预报运行方向灯常与电梯到站钟常用层楼指示器正面图 一起使用。当电梯按轿厢内指令或楼层的召唤信号而制动减速停车前，可使预报方向灯点亮，并同时发出到站钟声，以告知乘客：电梯即将到达，告知下一次电梯即将运行的方向。因此电梯在某一层不准备停车时，该层的预报方向灯也不点亮，到站钟也不响。只有电梯在该层准备停车，即将到达该层时，才会点亮该层的准备下一次运行方向灯，同时发出到站钟声以引起乘客注意。(3) 轿内指令记忆灯及层楼厅外召唤信号记忆灯 这种信号灯通常装于指令按钮内和厅外召唤按钮内，它们是由揿按按钮后使继电器吸合的该继电器中的一对触点接通而点亮的。当该继电器被消号释。2.2 电梯的工作原理 曳引绳两端分别连着轿厢和对重，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，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，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，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。常闭块式制动器在电动机工作时松闸，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、减少电动机功率。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运动方向和所在楼层位置。安全装置保证电梯运行安全。 图2-2 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-紧急终端开关；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-制动器四川理工学院毕业设计第三章 硬件选型3.1 PLC的基本概念 现代社会要求制造业对市场做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器（Programmable Logical Controller，PLC）正是顺应这一要求出现的，他是以微处理器为基础的通用工业控制装置。 PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛地应用早各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如民用核家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。PLC仍然处于不断的发展之中，其功能不断强大，更为开放。它不但是单机自动化中应用最广的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的低位。PLC应用面之广、普及程度之高，是其他计算机控制设备无法比拟的。 国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC便准草案第三稿中，对PLC做出了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。他采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械生产过程。可编程控制器及其相关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩张其功能的原则设计。”从上述定义可以看出PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能3.2 PLC的基本结构 PLC主要是由CPU模块、输入模块、输出模块、和编程器组成。（如下图所示） 可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机 控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由 CPU（中央处理单元）、 存储器（RAM 和 EPROM）、输入/输出模块（简称 I/O 模块）、编程器和电源五大 部分组成。3.2.1 CPU 模块 ： CPU 模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储 器组成。CPU 的作用类似于人类的大脑和心脏。它采用扫描方式工作，每一次扫 描要完成以下工作： 1） 输入处理：将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器 和数据寄存器。 2） 程序执行：逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有 关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄 存器的内容。 3） 输出处理：将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。 3.2.2 I/O 模块 I/O 模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和 CPU 模块的桥梁。输 入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信 号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的 模拟量输入信号。 可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调 速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示 装置和报警装置等。 CPU 模块的工作电压一般是 5V，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一 般较高，如直流 24V 和交流 220V。从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏 CPU 模块中的元器件， 或使可编程序控制器不能正常工作， 所以 CPU 模块不能直 接与外部输入/输出装置相连。I/O 模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声 隔离的作用。 3.2.3 编程器 编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。使用编程软件可以在计算机上屏幕上直接生成和编辑梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络或电话线，还可以实现远程编程和传送。3.3 PLC的特点1.可靠性高，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。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。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 PLC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。3.4 PLC控制电梯的特点 （1） 在电梯中采用了PLC，用软件实现对电梯的自动控制，可靠性高。 （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) PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。 （4） PLC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要改动硬件接线。3.5 PLC的应用领域 PLC已经广泛地应用在很多的工业部门，随着其性价比的不断提高，PLC的应用范围在不断扩大，主要有一下几个方面：（1）. 数字量逻辑控制 PLC用“与”、“或”、“非”等逻辑控制指令来实现接触器和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍布各行各业，甚至深入到家庭。（2）运动控制 PLC使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、三轴和多轴的位置控制，是运动控制与顺序控制有机地结合起来。PLC的运动控制功能广泛地用于各种机械，例如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等场合。（3） 闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量（Analog）和数字（Digital）之间的A/D转换和D/A转换，并对模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分）控制。小型PLC用PID指令实现PID闭环控制。PID闭环控制功能已经广泛地应用与塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻功、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 （4 ）数据处理 现代的PLC具有数学运算（包括整数运算、浮点运算、函数运算、字逻辑运算、以及求反、求补、循环和移位等）、数据传送、转换、排序和查表、微操作等功能，也可以完成数据的采集、分析、和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值进行比较，也可以用通信功能传达到别的智能装置，或者将它们打印制表。 （5）. 通信连网 PLC的通信包括PLC与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备（例如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布控制系统。 第四章 PLC硬件设计 4.1 PLC的选择 目前，电梯行业在我国迅速的发展，在一定程度上占有很大的市场。而在今天选择控制电梯运动的设备已经从传统的继电器接触器转变成可编程序控制器（PLC）。可编程序控制器（PLC）与其他计算机控制相比较： 个人计算机有很强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，但是它们是为办公室自动化和家庭设计的，对环境要求很高，抗干扰能力不强， 一般不适合在工业现场使用。 单片机只是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。要将它用于 工业控制，还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程 序设计的工作量相当大，要求设计者具有很强的计算机领域的理论知识和实践 经验。 工业控制计算机（简称工控机）也是为工业控制设计的，目前比较流行的 是PC总线工控机，它与个人计算机兼容。工控机采用总线式结构，各厂家产品 的兼容性强。工控机一般是在通用微机的基础上发展起来的，有实时操作系统的支持，因此在要求快速、实时性强、功能复杂的领域占有优势。工控机的价格较高，将它有与开关量控制以取代继电器系统有些大材小用。工控机的外部I/O接线一般都用多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如可编程序控制器的接线端子那样方便可靠。以上各种计算机用语控制的程序一般都是用汇编语言编写的，不像可编程 续控制器的梯形图语言那样易于被工厂的电气人员掌握。可编程序控制器是专为工厂现场应用环境设计的，结构上采取整体密封或 插件组合型，对印刷电路板、电源、机架、插座的制造和安装，均采用了严密的措施。可编程序控制器由于具有前述的各种优点，在工业控制领域具有不比拟的竞争力。当然在电梯的控制领域也具有重要的地位，把可编程序控制器用于电梯运动的核心部分是很合理的选择，而且可编程序控制器现在在市场上也是一种成熟的产品。我所选择的PLC型号为西门子生产的PLCS7-200系列，它具有如下特点：(1) 功能强a. S7-200有5中CPU模块，最多可以扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间。(2) 集成了6个有12种工作模式的高速计数器和两点高速脉冲发生器/脉冲宽度调制器，CPU224XP的高速计数器的最高计数频率为200kHz，高速输出的最高频率为100kHz。b.直接读、写模拟量I/O模块，不需要复杂的编程。CPU224XP集成有2路模拟量输入，1路模拟量输出。(3) 使用向导中的PID调节控制面板，可以实现PID参数自整定。c.S7-200的CPU模块集成了很强的位置控制功能呢，此外还有位置控制模块EM253。使用位置控制向导可以方便地实现位置控制的编程。d.有配方和数据记录功能，以及相应的编程向导，配方数据和数据保留在EEP-ROM存储卡中。e.称重模块SIWAREX MS可以用于电子称、料斗秤、台秤、吊车秤，或者监测输送带张紧力，测量工业货梯或轧制生产线的负荷。f.普通PLC的温度使用范围为055O。宽温型S7-200SIPLUS的温度使用范围为-25+70O。(3) 先进的程序结构 S7-200的程序结构简单清晰，在编程软件中，主程序、子程序和中断程序分页存放。使用各种程序块中的局部变量，易于将程序块移植到别的项目。子程序用输入、输出变量做软件接口，便于实现构化编程。(4) 灵活方便的寻址方法 S7-200的输入（I）、输出（Q）、位存储器（M）、顺序控制继电器（S）、变量存储器（V）、和局部变量（L）均可以按照（bit)、字节、字和双字读写。(5) 功能强大、使用方便的编程软件编程软件STEP7-Micro/WIN V4.0可以使用包括中文在内的多种语言，有梯形图、语句表和功能块编程语言，和SIMATIC、IEC 61131-3两种编程模式。S7-200的指令功能强，易于掌握。 STEP 7Micro/WIN的监控功能形象直接、使用方便。可以用3种编程语言监控程序的执行情况，使用状态表监视、修改和强制变量，使用趋势图监视变量。用系统快设置参数方便直观。 STEP 7Micro/WIN具有强大的中文帮助功能，在线帮助、右键快捷键菜单、指令和子程序的拖放功能使编程软件的使用非常方便。 S7-200有4种加密等级，此外还可以对单独的程序块和项目文件加密。STEP 7Micro/WIN提供包括时间标记和事件标记的事件记录，以“后进先出”的原则存储在缓冲区中。(6) 简化复杂编程任务的向导功能 PID控制、网络通信、高速度输入/输出、位置控制、数据记录、配方和文本显示器等编程和应用是PLC程序设计中的难点，用普通的方法对它们编程既繁琐又容易出错。 S7-200的编程软件为此提供了大量的编程向导，只需要在向导的对话框中输入一些参数，就可以自动生成包括中断程序在内的用户程序。(7) 强大的通信功能 S7-200的CPU模块有一个或两个标准的RS-485接口，用于编程或通信，不要增加硬件就可以与别的S7-200、S7-300/400PLC、变频器和计算机通信。S7-200可以使用PPI、MPI、ModbusRTU从站、ModbusRTU主站和USS等通信协议，以及自由端通信模式。通过不同的通信模块，S7-200可以连接到以太网和现场总线PROFIBUS-DP、AS-i,可以使用TCP/IP和S7协议。通过Modem模块EM 241，就可以用模拟电话线实现远程设备的通信。编程软件提供多种与通信有关的向导。PC AcessV1.0 是专门为S7-200设计的OPC服务器，支持所有的S7-200数据形式和所有的S7-200协议，支持多PLC连接及标准的OPC客户机。在内置的客户机测试功能。(8) 品种丰富的配套人机界面 S7-200有配套的用编程软件组态的文本显示器TD 200C和TD 400C。用户可以用键盘设置工具设计文本显示器的面板。K-TP 178micro是为S7-200CN和中国用户量身定做的5.7in接触屏。此外西门子还有多款与S7-200配套的触摸屏。4.1.1 电梯的初始状态 电梯的初始状态 假设电梯开始时处于第1 层待命、各层显示器都被初始化, 电梯处于以下 状态: 各层呼叫灯均不亮。电梯内部及外部各楼层显示器显示均为“1”。电梯内部及外部各楼电梯门均关闭。电梯运行过程中 按下某层呼叫按钮( 13 层) 后, 该层呼叫灯亮, 电梯响应该层呼叫。电梯上行或下行直至该层。各楼层显示随电梯移动而改变, 各层指示灯也随之而变运行中电梯门始终关闭, 到过指定层时, 门才打开。在电梯运行过程中, 支持其他呼叫。 电梯运行后状态在到达指定楼层后, 电梯会继续待命, 直到新命令产生。电梯在到达指定 楼层后, 电梯门会自动打开, 经过一段时间自动关闭, 在过程中, 支持手动开门或关门。各楼层显示值为该层所在位置, 且上行与下行指示灯均灭。4.1.2 电梯的控制要求（1）开始时，电梯处于任意一层。（2）当有外呼电梯信号到来是，轿厢响应该呼梯信号，达到该楼层时，轿厢停止运行，（轿厢门打开，延时10秒后自动关门）（3）当有内呼电梯信号到来是，轿厢响应该呼梯信号，达到该楼层时，轿厢停止运行，（轿厢门打开，延时10秒后自动关门）（4）在电梯轿厢运行过程中，即轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼信号均不响应，但如果反方向外呼梯信号前方再无其他内、外呼梯信号时，则电梯响应该外呼梯信号。例如，电梯轿厢在一楼，将要运行到三楼，在次过程中可以响应二层向上的外呼梯信号，但不响应二层向下的外呼梯信号。当到达二层，如果三层没有任何呼梯信号，则电梯可以响应二层向下外呼梯信号。否则，电梯将继续运行至三楼，然后向下运行响应二层向下外呼梯信号。（5）电梯具有最远反向外呼梯功能。例如，电梯轿厢在一楼，而同时有二层向下呼梯，三层向下呼梯则电梯轿厢先去三楼响应三层向下外呼梯信号。（6）电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯轿厢停止运行后，按开门按钮轿厢开门，按关门按钮轿厢关门。4.2 PLC的硬件选择 根据电梯的控制要求和组成部分，绘制PLC的硬件图，如下：图4-1 PLC硬件图 第五章 电梯的硬件设计5.1 电梯的主机电力拖动与调整 我国在20世纪6072年代生产的电梯，绝大部分使用交流双速电梯，80年代生产的电梯也有相当数量的双速电梯。在当前运行的电梯中有一定数量的电梯是属于这种拖动方式的。交流双速电梯的拖动系统结构和技术简单，运行舒适感较差，额定梯速一般在1m/s一下。这种电梯通常采用继电器控制，故障率较高，越来越不适应现代社会的需求，目前产量逐年降低，被交流调速电梯替代，今后交流双速拖动方式将主要用于货梯或客梯两用梯中，控制部分也将由有触电控制改为无触电控制，提高其运行可靠性。前几年掀起的一股电梯改造热，其主要对象就是这一批交流调速电梯，将其继电器控制部分改造成可编程控制器控制，以提高其可靠性，将其双速电梯拖动方式改造为调压调速或变频调速拖动方式，以提高其运行舒适感和平层准确性。 调压调速电梯的主电路 这种电梯采用双速电动机作电梯曳引机、对高速绕组实行调压控制、对低速绕组实行能耗制动的电梯是目前调压调速电梯的主要拖动方式。电路图如下:图5-1曳引机电路图5.2 曳引力的计算已知客梯额定载重量为630kg，额定速度为1m/s，轿厢系统重量设为800Kg，钢丝绳倍率=1，钢丝绳直径为13mm，钢丝绳的数目为5，绳槽形状为带切口的V型槽（平衡系数0.45）。曳引机的转速为： （设曳引机的转差率为0.04，频率为50Hz，额定电压为380V）曳引轮与导向轮的几何关系如下图：取，则由式可得，则电梯对重侧的质量为当轿厢位于最低层且载有125%的额定载荷时:当空载轿厢位于最高层站时:因此，后一种工况T1T2比前一种工况要好，因而打滑的危险较小。轿厢的制动减速度1.2m/s2,则c1为:（为轿厢的启动和制动的加、减速度）（ 由于磨损导致曳引轮槽断面变化的影响系数，半圆切口槽取为1）按第一工作情况计算：切口槽的切口角取120，摩擦系数取0.09，则当量摩擦系数则所以，T1T2 c1c2,曳引能力足够。5.3 比压计算 最大许用比压为钢丝绳最大静张力为：切口槽边缘的最大比压为：则，满足要求5.4 减速器的设计与选择减速器转速为n=1440m/s 工作机载荷平稳，预期寿命为12000h，蜗杆布置在下方。取 设蜗杆圆周速度为4m/s7m/s 查机械设计表13.6可得： （1）选在机械设计图13.11的线上选取A点，可得：=0.355 （），（2） 中心距计算传动装置总效率：联轴器：十字滑块联轴器 轴承：滚子轴承 蜗杆涡轮： 双头蜗杆=0.9820.9830.80.96=0.69曳引电动机的容量在初选和核算时，可用经验公式按净功率计算，即： 取为蜗轮转矩使用系数 查机械设计表12.9得转速系数 （机械设计式13.17）弹性系数 （机械设计表13.2）寿命系数 （机械设计式13.19）接触系数 由机械设计图13.12I查得接触疲劳强度 由机械设计表13.2查得接触疲劳最小安全系数 自定 中心距 取160mm（机械设计式13.15）（3）传动基本尺寸蜗杆头数 Z1=2 （机械设计图13.11）蜗轮齿数 模数 取 （机械设计式13.23）蜗杆分度圆直径 取（机械设计式13.21）蜗轮分度圆直径蜗杆导程角 （机械设计表13.5）蜗轮宽度 取蜗杆圆周速度当量摩擦系数 由机械设计表13.6查得（4） 齿面接触疲劳强度验算许用接触应力 （机械设计式13.14）最大接触应力 173MPa 合格（5） 齿轮弯曲疲劳强度验算齿根弯曲疲劳极限 （机械设计表13.2）弯曲疲劳最小安全系数 自取 需用弯曲疲劳应力齿轮最大弯曲应力 82MPa 合格（机械设计式13.24）（6） 蜗杆轴挠度验算轴惯性矩 允许蜗杆挠度 蜗杆轴挠度 （合格）（7） 温度计算传动啮合效率 搅油效率 自定 轴承效率 自定 总效率 散热面积估算 箱体工作温度 （合格）（8） 润滑油粘度和润滑方法润滑油粘度 根据由表13.7选取