三层楼电梯PLC控制系统设计与调试1.docx

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三层楼电梯PLC控制系统设计与调试1

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江西机电职业技术学院

毕业论文（设计）

三层楼电梯PLC控制系统设计与调试

指导教师蔡滨

姓名谭玉堂

学号60号

系别电气工程系

专业机电一体化

班级08大专机电<8>班

2011年05月10日

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三层楼电梯PLC控制系统设计与调试

摘要

本文介绍一种电梯PLC控制系统。

电梯是垂直方向的运输设备，是高层建筑中不可缺少的交通运输设备。

它靠电力，拖动一个可以载人或物的轿厢，在建筑的井道内导轨上做垂直升降运动，在人们生活中起着举足轻重的作用。

而控制电梯运行的PLC系统也要求越来越高，要求达到电梯运行的“稳、准、快”的运行目的。

该系统主要由PLC、逻辑控制电路组成。

其中包括交流异步电动机、继电器、接触器、行程开关、按钮、发光指示器和变频器组成为一体的控制系统。

本机控制单元采用以西门子公司的CPU226型PLC对机器进行全过程控制。

整个系统通过PLC、逻辑控制电路对电梯的升降；加、减速；平层；起动、制动控制。

其结构简单、运行效率高、平层精度高、易于理解与掌握。

关键词：

PLC控制系统电梯双速逻辑控制电路

中文摘要…………………………………………………………1

目录…………………………………………………………2

绪论…………………………………………………………3

第一章总体设计方案…………………………………………4

1.1总体方案的确定………………………………………………….4

1.2电梯PLC控制系统的构建………………………………………5

1.3可行性论证………………………………………………………12

1.4设计的整体布局及其选型………………………………………13

第二章可编程序控制器的结构与工作原理………….14

2.1PLC的体系结构………………………………………………14

2.2可编程序控制器的基本结构…………………………………14

2.3开关量I/O模块………………………………………………16

2.4可编程序控制器的工作原理…………………………………17

2.5PLC的选型……………………………………………………18

2.6PLC控制程序设计……………………………………………19

第三章电梯硬件及软件系统设计……………………..21

3.1电气控制系统…………………………………………………21

3.2电梯PLC控制系统设计…………………………………………27

3.3硬件系统要求及设计……………………………………………39

3.4软件系统设计……………………………………….39

结论…………………………………………………………43

参考文献………………………………………………………44

附录一…………………………………………………………45

附录二…………………………………………………………46

致谢………………………………………………….48

.

可编程控制器

第一章总体设计方案

载PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。

工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。

熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

1.1总体方案的确定

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可比拟的竞争力。

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。

总之，经上述比较可得，我确定选用PLC控制电梯的运行。

1.2电梯PLC控制系统的构建

电梯是机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和产品.对于电梯的结构而言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,但以功能系统来描述,则更能反映电梯的特点.下面简单介绍电梯机械部分的结构,而我们的主要目的是怎样来控制它

1.机房

机房用来安装曳引机、电控屏、限速器等。

机房可以设置在井道顶部，也可设置在井由自部。

当机房设于井道底部时，即为曳引机下置式曳引方式。

这种方式结构复杂，建筑物承重大，对井道尺寸要求大，只有在机房无法顶置时才使用。

对于绝大多数电梯，椭均设于井道顶部。

机房必须有足够的面积，高度、承重能力及良好的通风条件。

2.轿厢

轿厢是用以运送乘客和货物的电梯组件。

它由轿厢架和轿厢体组成。

轿厢架是轿厢体的承重构架。

是由上横梁、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等组成；轿厢体空间的大小由额定载重量和额定载客量决定。

3.门系统

门系统由电梯箱门、开门系统、联动机构和门锁等组成。

电梯箱门被设置在电梯的入口处，有门扇、门导轨架等组成。

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。

开门系统设置在电梯厢上，控制电梯厢门的开关和闭合。

联动机构设置在电梯厢上，控制电梯门在开关和闭合时其它结构的动作。

4.重量平衡系统

该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设计影响的装置。

5.电力拖动系统

该系统由曳引机、供电系统、速度反馈装置、调速装置和变频器等组成。

对电梯实行速度控制。

曳引电动机是电梯的动力源，根据电梯的配置可用交流电动机或直流电动机；供电系统是为电动机提供电源的装置；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，与电动机相连；调速装置对曳引电动机实行调速控制；变频器可以通过改变频率的大小来控制其运行速度的快慢。

6.安全保护系统

电梯上设有机械和电气的各类保护系统，以保证电梯安全使用。

机械方面的有限速器和安全钳，起超速保护作用；缓冲器，起冲顶和撞底保护作用；切断总电源的极限保护。

电梯的结构图

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-张紧置；

21-缓冲器；22-底坑；

23-层门；24-呼梯盒；

25-层楼指示灯：

26-随行缆；

27-轿壁；28-轿内操纵箱；

29-开门机；30-井道传器；

31-电源开关；32-控制柜；

8.电梯的类型

按使用性质分：

①客梯；②货梯；③消防电梯

按电梯行驶速度分：

①高速电梯。

速度大于2m/s。

②中速电梯。

速度在2m/s—1.5m/s之间。

③低速电梯。

运送食物电梯常用低速，速度在1.5m/s以内。

观光电梯：

观光电梯是把竖向交通工具和登高流动观景相结合的电梯。

PLC的结构及各部分的作用

1、主机

主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。

CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。

PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，另一类是用户程序及数据存储器。

2、输入/输出（I/O）接口

I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。

输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。

输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。

I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。

I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。

3、电源

图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。

4、编程

编程是PLC利用外部设备，用户用来输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。

通过专用的PC/PPI电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的软件进行电脑编程和监控。

5、输入/输出扩展单元

I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。

6、外部设备接口

此接口可将打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。

PLC的基本结构如图

PLC的基本结构

PLC控制电梯的优点

（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。

（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）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改动硬件接线。

9.梯形图设计规则

（1）触点的安排

梯形图的触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上。

（2）串、并联的处理

在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图最上面。

在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。

（3）线圈的安排

不能将触点画在线圈右边，只能在触点的右边接线圈。

（4）不准双线圈输出

如果在同一程序中同一元件的线圈使用两次或多次，则称为双线圈输出。

这时前面的输出无效，只有最后一次才有效，所以不应出现双线圈输出。

（5）重新编排电路

如果电路结构比较复杂，可重复使用一些触点画出它的等效电路，然后再进行编程就比较容易。

（6）编程顺序

对复杂的程序可先将程序分成几个简单的程序段，每一段从最左边触点开始，由上之下向右进行编程，再把程序逐段连接起来

电气方面的保护主要在软件设计中涉及

10.电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析

10.1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指示灯指示均为“1”。

电梯内部及外部各楼电梯门均关闭。

10.2电梯运行过程中

按下某层呼叫按钮（1～3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。

10.3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。

10.4实际运行中的控制要求分析

实际中,电梯服务的对象是许多乘客,乘客乘坐电梯的目的地是不完全一样的,而且,每一个乘客呼叫电梯的时间有前有后。

因此,我们将电梯在实际中的各种具体情况加以分类,做出分析,以便于编制程序。

1.电梯上行分析

若电梯在上行过程中,某楼层有呼叫产生时,可分以下两种情况:

（1）若呼叫层处于电梯当前运行层之上、目标运行层之下,则电梯应在完成前一指令之前先上行至该层,完成该层呼叫后再由近至远的完成其他各个呼叫动作。

（2）呼叫层处于电梯当前运行层之下,则电梯在完成前一指令之前不响应该指令,直至电梯重新处于待命状态为止。

2.电梯下行分析

若电梯在下行过程中,某楼层有呼叫产生时,可分以下两种情况:

（1）若呼叫层处于电梯当前运行层之下、目标运行层之上,则电梯应在完成前一指令之前先下行至该层,完成该层呼叫后再由近至远的完成其他各个呼叫动作。

（2）呼叫层处于电梯当前运行层之上,则电梯在完成前一指令之前不响应该指令,直至电梯重新处于待命状态为止。

11.电梯的7项控制要求

1.呼叫接收控制

接受每个呼叫按钮（包括内部和外部的呼叫）的呼叫命令,并做出相应的响应。

2.楼层呼叫控制

电梯停在某一层（例如2层）时,此时按动该层的呼叫按钮（上呼叫或下呼叫）,则相当于发出打开梯的门命令,进行开门的动作过程;若此时电梯的轿箱不在该层（在1、3层）,则等到电梯关门后,按照不换向原则控制电梯向上或向下运行。

3.运行方向控制

电梯运行的不换向原则是指电梯优先响应不改变现在电梯运行方向的呼叫,直到这此命令全部响应完毕后才响应使电梯反向运行的呼叫。

4.楼层到达控制

电梯在每一层都有1个行程开关,当电梯碰到某层的行程开关时,表示电梯已经到达该层。

5.呼叫按钮控制

当按动某个呼叫按钮后,相应的呼叫指示灯亮并保持,直到电梯响应该呼叫为止。

6.电梯门控制

当电梯停在某层时,在电梯内部挥动开门按钮,则电梯门打开,按动电梯内部的关门按钮,则电梯门关闭。

但在电梯运行期间电梯门是不能打开的。

7.楼层指示灯控制

当电梯运行到某层后,相应的楼层指示灯亮,直到电梯运行到前方一层时楼层指示灯改变。

1.3可行性论证

可编程序控制器是由继电器逻辑控制而来的，所以它在开关量处理、顺序控制方面具有一定的优势，发展初期主要侧重于开关量顺序控制。

随着计算机技术的发展，可编程序控制器增加了数值运算、PID闭环调节功能，并开始与个人计算机或小型计算机联网，它本身也可以构成网络系统。

可编程序控制器的应用领域，在发达的工业国家，可编程序控制器已经广泛地应用在所有的工业部门，随着可编程序控制器的性能价格比的不断提高，过去许多使用专用计算机的场合也可以使用可编程序控制器。

比如用在开关量的控制，这是可编程序控制器最基本最广泛的应用，它的输入和输出信号都是只有通、断状态的开关量信号，这种控制与继电器控制最为接近，可以用价格较低，仅有开关量控制的功能的可编程序控制器作为继电器控制系统的替代物。

开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动线生产线，如机床控制、冲压、铸造机械、运输带、包装机械的控制，同样也可以用于电梯的控制。

通过上述的简述，我希望在控制系统中能够达到如下要求：

乘坐舒适感

根据人们生活中的经验证明，在运动速度不变的情况下，速度值的大小对人们的器官基本上没有什么影响，这只是指人们沿地面或空中的沿与地面平行的任意方向运动的情况而言的。

高速的升降运动就和上述运动有所不同。

这是由于在升降运动中，人体周围气压的迅速变化，对人们的器官产生影响。

例如耳膜会感到压力而嗡嗡响等等。

只要采取一定措施，这些影响是可以消除的。

所以目前电梯的运行速度虽已高达10m/s。

仍能使乘客无大的不适感。

1.4设计的整体布局及其选型

通过上述的分析可知，我所选择的电梯载重量为1000kg,速度为1m/s,七层七站。

PLC的型号为CPU-226型，通过其继电器电路图来设计出梯形图，通过PLC的选型连接其PLC接线图。

电动机选用交流双速三相异步电动机，它具有结构简单、维护和操作简便、价格便宜、坚固耐用、工作可靠等优点；其缺点是调速性差、概率因数低。

三相异步电动机转速公式为：

n=60f/p（1-s）从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的指标。

交流双速三相异步电动机的调速方法是采用改变电动机的极对数，采用两种不同极对数的绕组，其中级数少的绕组称为高速绕组，级数多的绕组称为低速绕组。

高速绕组用于电梯的启动及稳速运行，低速绕组用于制动及电梯维修。

第二章可编程序控制器的结构与工作原理

2.1PLC的体系结构

PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。

如下图所示：

PLC硬件的基本结构

2.2可编程序控制器的基本结构

可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）主要由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。

（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。

（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）编程器

编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。

编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来后可编程序控制器也可以运行。

一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器公用。

2.3开关量I/O模块

开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。

电压等级有直流5V，12V，24V，48V和交流110V，220V等。

输入输出电压的允许范围很宽，如某交流220V输入模块的允许低电压为0~70V，高电压为70~256V，频率为47~63HZ。

各I/O点的通/断状态用发光二极管或其它元件显示在面板上，外部I/O接线一般接在模块的接线端子上，某些模块使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部连线的情况下，可以迅速地更换模。

开关量I/O模块可能4，8，16，32，64点。

2.3.1输入模块

输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入点抖动或外部干扰脉冲引起的错误的输入信号。

滤波电路延迟时间的典型值为10~20ms（信号上升沿）和20~50ms（信号下降沿），输入电流约为10mA，上图2.3.1a是某直流输入模块的内部电路和外部接线图。

本节的输入电路和输出电路都只画出了一路，COM是各路的公共点。

图中的输入触点直接接在公共点和输入端（400是梯形图中输入继电器的编号）之间，不需要外接电源。

有的可编程序控制器还可以为接近开关、

2.3.1a直流输入电路

光电开关之类的传感器提供24V电源。

（如图2.3.1b）

图2.3.1b输入电路

当图2.3.1b中的外接触点接通时，光电耦合器中的发光二极管发光，光敏三极管导通，信号经内部电路传送给CPU模块。

图2.3.1c是交流输入电路。

光电耦合器中有两个反并联的发光二极管，显示用的两个发光二极管也是反并联的，因此这个电路可以接收外部的交流输入电压。

图2.3.1c交流输入电路

2.3.2输出模块

输出模块的功率放大元件有大功率晶体管和磁效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动内交流负载）和小型继电器，后者可以驱动交流负载或直流负载。

输出电流的典型值为0.5~2A，负载电源由外部现场提供。

输出电流的额定值与负载的性质有关，但是只能驱动100VA/22V的电感性负载和100W的白炽灯。

额定负载电流还与温度有关，温度升高时额定负载电流减小，有的可编程序控制器提供了有关曲线。

输出模块内可能设置有熔断器，并在模块面板上用发光二极管显示熔断器的状态。

某些新式的模块用非破坏性的电子保护电路代替熔断器。

2.4可编程序控制器的工作原理

可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。

这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。

2.5PLC的选型

为了能够更好的选型，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输