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基于PLC的电梯控制系统
基于PLC的电梯控制系统
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于PLC的电梯控制系统设计
摘要
随着国民经济的飞速发展,现代化程度日益提高,高层建筑越来越多,电梯也随之增多,电梯产品在人们物资文化生活中的地位得到了提高,成为重要的运输设备之一。
国内传统的电梯控制一是由继电器、接触器构成。
它不仅存在着可靠性差、成本高、故障率高等缺点,而且在层数增加时,配线变化给制造及安装带来诸多不便。
若用PLC控制就解决了以上的不足。
本文在阐述电梯的结构和可编程控制器的结构和工作原理的基础上,针对4层电梯,使用西门子S7-200可编程控制器,设计了电梯的控制系统,包括轿内指令和厅外召唤信号的登记与消除、电梯的选层和定向、电梯的开关门运行、电梯上下行控制、电梯的指层控制等部分,实现了轿内与各层呼梯指令的记录、电梯运行方向和选层的控制,电梯上下行和自动开关门、电梯的指层控制等功能。
同时也使用了组态王6.53完成上位机对PLC控制电梯的仿真。
关键词:
四层电梯控制系统可编程控制器组态王
PLC-basedelevatorcontrolsystemdesign
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthenationaleconomy,theincreasingdegreeofmodernization,moreandmorehigh-risebuildings,elevatorsalsowillbeincreased,Elevatorproductsinpeople′smaterialandculturallifeofthestatushasbeenenhancedtobecomeoneoftheimportanttransportequipment.Traditionaldomesticelevatorcontrolfromthefirstrelay,acontactor.Traditionaldomesticelevatorcontrolfromthefirstrelay,acontactor.Itisnotonlypoorinthereliability,highcost,highfailurerateshortcomings,butalsoinlayersincreases,changestothewiringandinstallationofmanufacturinghasbroughtmanyunchanged,IfthecontrolbyPLCtoaddresstheaboveshortcomings.
Thisarticleelaboratedtheelevatorstructure,thestructureandtheworkingprincipleoftheprogrammablelogiccontroller.Aimattheelevatoroffourfloors,thewriterdesignthiselevatorcontrolsystembytheuseofSiemensS7-200programmablelogiccontroller.Thewriterdesigntheelevatorcontrolparts,suchas,thepartofregisterandcanceltheinstructionsfromthecabin,thepartofregisterandcanceltheinstructionsfromthestationhall,thepartofchoosestationanddirection,thepartofdoormovement,thepartofelevatoroperation,thepartofshownlayer,andsoon.Thesepartsachievethefunctions:
registeringtheinstructionsfromthecabinandthestationhall,choosingthedirectionandthestationofelevator,elevatorgoupordownanddoorautomatically,fingeringoutthelocationofthecabin,andotherfunctions.Alsousekingview6.53completepctoplccontrolelevatorsimulation.
KeyWords:
Four-storyElevator;ControlSystem;ProgrammableLogicController;kingview
第一章绪论
1.1电梯的国内外发展状况
有了电梯,摩天大楼才得以崛起,现随着城市建设的不断发展,高层建筑的不断增多,电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
电梯就是用于高层建筑物中的固定式升降运输设备,它有一个装载乘客的轿厢,沿着垂直或倾斜角度小于15°的导轨在各楼层间运行,是垂直运行的电梯(通常也简称为电梯)、倾斜方向运行的自动扶梯、倾斜或水平方向运行的自动人行道的总称。
随着城市建设的不断发展,高层建筑不断增多,电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。
作为建筑的中枢神经,电梯起着不可或缺的作用,电梯作为建筑物内的主要运输工具,像其他的交通工具一样,已经成为我们日常生活的一个不可缺少的组成部分。
在全球经济持续低迷的情况下,我国国民经济仍然以较高的速度持续增长,城市化水平不断提高。
这从客观上导致了我国电梯行业的空前繁荣景象,我国已经成为全球最大的电梯市场。
上世纪80年代以来,随着经济建设的持续高速发展,我国电梯需求量越来越大。
总趋势是上升的,目自口进入了“第三次浪潮”,2004年总产量超过了8万台,而且目前还没有减速的迹象。
从1949年建国以来全国共生产安装了6l万多台电梯。
尽管如此,我国的电梯远未达到饱和的程度。
全世界平均1000人有l台电梯,我国如果要达到这个水准,还需要增加70万台。
到那时候,全国在用电梯将达到130万台,每年仅报废更新就需要6万台。
到2005年,中国电梯的年产量达到13.5万台,与1980年相比,25年增长了59倍,产量每年平均增长17.8%。
2005年安装验收电梯124465台,截至05年底,我国的在用电梯总数已达651794台。
如此庞大的市场需求为我国电梯行业的发展创造了广阔的舞台!
我国电梯行业已经具备了很强的生产能力。
兴旺的电梯市场吸引了全世界所有的知名电梯公司,先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。
随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用,人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高,继电器控制的弱点就越来越明显.可编程序控制器(PLC)是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的,是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置.鉴于其种种优点,目前,电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替,同时由于电机交流变频调速技术的发展电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速.因此,PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行业的一个优点。
PLC是一种用于自动化控制的专用计算机,实质上属于计算机控制方法,PLC控制一般具有可靠性、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点.电梯采用了PLC控制,用软件实现对电梯运行的自动控制,可靠性大大提高,控制系统结构简单,外部线路简化,另外可方便地增加或改变控制功能,也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。
随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展,交流变频调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、改善工艺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,变频调速已其优异的调速性能和起制动性能、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方式。
变频调速电梯使用了先进的SPWM技术,明显改善了电梯运行质量和性能,具有调速范围广、控制精度高,动态性能好,舒适、安静、快捷,几乎可与直流电机媲美,同时明显改善了电动机供电电源的质量,减少了谐波,提高了效率和功率因数,节能显著。
本设计介绍了基于S7-200系列PLC对电梯系统的控制,包括召唤响应,选向,起动,换速,平层,开关门,故障提示等功能的实现。
本设计中,电梯能在有司机操作方式和无司机操作方式下工作。
在无司机操作时,系统能根据电梯的召唤信号自动选择运行方向。
在有司机操作时,不但能由系统自动选择运行方向,司机还能根据实际情况选择电梯的运行方向,能屏蔽厅外召唤,直接到达轿内召唤所指的楼层。
系统能根据轿厢内的载客情况,自动在超载时停止运行关门并发出警告,在满载时不响应厅外的召唤,免去不必要的停层。
此外,系统还能自动检测运行时的一些故障并提示,保证了运行的安全。
如今,世界各国的电梯公司还在不断地进行电梯新品的研发、维修保养服务系统的完善,力求满足人们的对现代建筑交通日益增长的需求。
由此看来,电梯还有很大的发展空间等着我们去挖掘。
作为21世纪的新一代大学生,我们也将会不断努力学习各种新的科学知识,努力把我们的祖国建设的越来越美好!
1.2课题的研究背景及意义
电梯是集机电一体的复杂系统,不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域,还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。
而对现代电梯而言,应具有高度的安全性。
事实上,在电梯上已经采用了多项安全保护措施。
在设计电梯的时候,对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。
然而,只有电梯的制造,安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量,才能全面保证电梯的最终高质量。
在国外,已“法规”实行电梯制造、安装和维修一体化,实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队伍维修单位,承担安装调试、定期维修和检查试验,从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。
因此,可以说乘坐电梯更安全。
美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算,其结论是:
乘电梯比走楼梯安全5倍。
掘资料统计,在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次,而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。
目前,由可编程序控制器(PLC)和微机组成的电梯运行逻辑控制系统,正以很快的速度发展着。
采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短,这种电梯运行更加可靠,并具有很大的灵活性,可以完成更为复杂的控制任务,己成为电梯控制的发展方向。
目前,可编程控制器正向着两个不同的方向进一步发展。
一个是向简易、廉价和超小型发展,以占领小型、分散和简单功能的工业控制市场,同时也便于适应机电一体化的要求。
另一个方向是向大型化、高速度、多功能和分散型、多层次全自动化网络发展,这种系统不仅具有逻辑运算、计数、定时、数值计算、模拟量控制、监控、记录、显示、以及与计算机接口并作数据传送等一般功能,同时还具有中断控制、智能控制、过程控制和远程控制等高级功能,此外I/O的点数进一步扩大,最多已达3200点。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了可编程控制器的应用,目前我国已经可以生产中、小型可编程控制器。
随着我国四个现代化进程的逐步深入,可编程控制器在我国将有十分广阔的天地。
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机,实质上属于计算机控制方式.PLC与普通微机一样,以通用或专用CPU作为字处理器,实现通道(字)的运算和数据存储,另外还有位处理器(布尔处理器),进行点(位)运算与控制,PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。
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。
图1-1PLC的基本结构
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。
总之,电梯的控制是比较复杂的,可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。
PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备,随着PLC应用技术的不断发展,将使得它的体积大大减小,功能不断完善,过程的控制更平稳、可靠,抗干扰性能增强、机械与电气部件有机地结合在一个设备内,把仪表、电子和计算机的功能综合在一起[3]。
因此,它已经成为电梯运行中的关键技术。
1.3PLC在电梯控制中的应用以及发展前景
目前,在电梯的控制方式上,主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。
而PlC实际上是一种专用计算机,它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务,而且依靠程序运行,这就保证只有正确的程序才能运行,否则电梯不会工作;又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元,因此,它比继电器控制有着明显的优越性,运行寿命更长,工作更加可靠安全,自动化水平更高[4]。
PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式,它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代,是电梯控制系统中理想的控制新技术。
PLC控制还有以下优点:
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,并便与检修.
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.
随着科技的进步,电梯也更加安全、舒适。
然而,人们的追求并没有就此停止下来,仍在不断地进行研究改进。
绿色是和平,绿色是天然,绿色是和谐。
电梯是载人的机电设备,要实现“绿色”,也就是强调电梯更舒适、更安全地为人类的生产和生活服务,强调电梯与环境的协调与和谐。
目前意义上的“绿色”,一般是强调“天然”的一面,强调与环境的协调与和谐。
电梯属于纯粹的工业产品,其天然性应表现为对环境影响的尽可能小,与环境的协调与平衡,以及电梯本身的人性化。
这也应是绿色电梯的发展方向。
(1)智能化。
我们这罩所说的智能化电梯是传统的人工智能是无法胜任的。
传统的智能控制是一种技术的事先安排,说到底是一种程序控制,是一种周期性的系统自动控制,实际上还算不上智能。
而真正的智能电梯应更具人性化特点,不仅具有传统的人工智能的所有优点,而且还有传统的人工智能无法比拟的东西,具有动念和随机处理各种问题的能力,诸如能根据轿厢内的情况和各层的候梯信息,自动地制定每次最优的运动速度和停车政策;自动选择运动方面;双向语音交流;到达目的层的语音提示等,让乘客有更多的主动性,使大楼交通运输实现真正的人机对话。
智能化要求电梯有自动安全检测功能,让电梯自己能够检测到电梯的故障所在,并及时报警予以排除[5]。
图1-2电梯门的智能控制
(2)安全。
运行安全是电梯的根本和关键。
可以说,电梯的全部其他工作都是以此为中心展开的,使电梯安全运行更有保障。
运行安全不仅要消除电梯启动时较强的电磁辐射,使用安全材料和运行稳定,而且要有一种良好的视觉效果,让每一位乘客在宽敞、明亮轿厢内有安全、舒适的好心情。
(3)与环境的协调和平衡,包括以下几个方面:
①视觉协调。
有人曾经做过环境色彩是否对人有影响的研究。
该研究发展:
视觉不协调的环境色彩对人的情绪、精神影响非常大。
色彩宜人,格调高雅,制作精良的电梯,乘客自然会有一种安全的感觉,有一种视觉上的舒适。
②消除电磁辐射。
如前所述,由于电梯是大楼里频繁起制动的大容量电器是电磁干扰的元凶,所以绿色电梯必须是一个达到自身对大楼电磁干扰最小,而又不被其他电磁干扰影响的建筑机电设备。
这样不仅可以保证乘客的身心健康,而且也可以保证大楼、大厦中的大楼的办公自动化(0A)、楼宇自动化(BA)、通讯自动化(CA)的正常运转。
③舒适感。
通过采用高载频波矢量静音变频器,可降低噪声变换频率及电压。
以CPU控制电压及频率的连续变换方式,按人体生理适应要求,利用计算机优化设计而成的理想运行曲线,实现更稳定、更舒适的运行[6]。
图1-3电梯运行速度曲线
随着时代的发展,对人在与外界隔离封闭的电梯轿厢内,心理上的压抑感和恐惧感也有所考虑。
因此,提倡对电梯进行豪华性装修。
1.4课题研究的内容
课题所研究的内容主要是用可编程控制器(PLC)改造在用电梯自动控制系统。
由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳,用户寻求对电梯的电控系统进行改造,以节约资金。
因此,对电梯控制技术进行研究,找出一条适合国产老式电梯的改造之路,并进而提高国产电梯的技术水平和质量,具有十分重要的意义。
针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷,提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器(PLC)来控制电梯。
论文的主要内容如下:
首先对电梯系统及可编程控制器(PLC)及变频器作了比较全面的总结和介绍。
接着阐述了电梯控制系统的分类及特点,电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分。
确定了系统的总体结构,由PLC来实现电梯信号控制,有双速电机实现调速,完成了电机和可编程控制器(PLC)的选择。
然后是系统硬件开发,完成了PLC的选型、I/O点数分配与PLC的连接。
在接下来的章节中,采用国内使用非常普遍的工业控制组态软件组态王6.53,开发出了本电梯的上位机对电梯系统的仿真模拟,使本设计具有了一定的可视化效果。
第二章电梯的综述
2.1电梯的结构及组成部件
电梯是机电一体化产品。
各部分通过控制部分调度,密切协同,使电梯可靠运行。
尽管电梯的品种繁多,但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳拽引式结构,其机械部分由拽引系统,轿厢和门系统,平衡系统,导向系统以及机械安全保护装置组成;而电气控制部分由电力拖动系统,运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成[7]。
电梯的基本结构如图2-1所示。
1—控制柜(屏)
2一拽引机
3—拽引钢丝绳
4—限速器
5—限速器钢绳
6—限速器张紧装置
7—轿厢
8—安全钳
9—轿厢门安全触板
10—导轨
11—对重
12—厅门
13—缓冲器
图2-1电梯的基本结构
2.2电梯的种类。
现代电梯主要由曳引机(绞车)、导轨、对重装置、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等)、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。
这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。
通常采用钢丝绳摩擦传动,钢丝绳绕过曳引轮,两端分别连接轿厢和平衡重,电动机驱动曳引轮使轿厢升降。
电梯要求安全可靠、输送效率高、平层准确和乘坐舒适等。
电梯的基本参数主要有额定载重量、可乘人数、额定速度、轿厢外廓尺寸和井道型式等[8]。
目前,电梯行业及社会上对电梯的分类大致有以下几种:
(1)按用途分:
乘客电梯、载货电梯、客货电梯、病床电梯、住宅电梯、杂物电梯、观光电梯、其他专用电梯。
(2)按额定速度分:
低速梯,常指低于1.00m/s速度的电梯;中速梯,常指速度1.00~2.00m/s的电梯。
高速梯,常指速度大于2.00m/s的电梯。
超高速梯,速度超过5.00m/s的电梯。
(3)按拖动方式分:
交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条式电梯、螺旋式电梯。
(4)按控制方式分:
手柄操纵控制电梯、按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯、向下集选控制电梯、并联控制电梯、群控电梯、智能控制电梯。
其他分类方式还有:
按电梯有无司机分类等[9]。
2.3电梯的主要参数及性能指标
1.性能指标:
(1)安全性
电梯时运送乘客的,即使载货电梯通常也有人相伴随,因此对电梯的第一要求就是安全。
电梯的安全与设计、制造、安装调试及检修各环节都有密切联系,任何一个环节出了问题,都可能造成不安全的隐患,以致造成事故。
(2)可靠性
电梯的可靠性很重要,如果一部电梯工作起来经常出故障,就会影响人们正常的生产与生活,给人们造成很大的不便,不可靠也是事故的隐患,常常是不安全的起因。
要想提高可靠性,首先应提高构成电梯的各个零部件的可靠性,只有每个零部件都是可靠的,整个电梯才能使可靠的。
(3)停站的准确性
停站准确性又称平层准确度,平层精度。
GB/T10058-1997《电梯技术条件》对轿厢的平层准确度规定如下:
电梯类型
额定速度(m/s)
平层准确度(mm)
交流双速电梯
0.25或0.5
≤±15
0.75或1.0
≤±30
交直流快速电梯
1.5—2.0
≤±15
交直流高速电梯
≥2.0
≤±5
电梯轿厢的平层准确度与电梯的额定速度,电梯的负载情况有密切关系。
负载重,则惯性大,提速高惯性也大。
因此检查平层准确度时,分别以空载,满载,上下运行,到达同一层站停测量平衡误差,取其最大值做平层站的平层准确度。
(4)振动、噪声及电磁干扰
现代电梯是为乘客创造舒适的生活和工作环境。
因侧要求电梯运行平稳,安静,无电磁干扰。
(5)舒适感和快速感
电梯作为一种交通工具,对于快速性的要求是必不可少的,快速可以节省时间,这对于快节奏
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