基于PLC和MCGS在双电梯联动控制与模拟本科毕业设计论文.docx

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基于PLC和MCGS在双电梯联动控制与模拟本科毕业设计论文

工学学士学位论文

基于PLC和MCGS在双电梯联动控制与模拟

专业名称电气工程及其自动化

扬州大学

2012年5月

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

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指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

摘要

随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具。

电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯的系统的性能，保证电梯的运行既高效又安全可靠。

采用PLC对电梯信号系统进行控制，开发出了完整的电梯控制软件，提高了电梯的控制水平，并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。

该系统具有先进，可靠，经济的特色。

该电梯控制系统具有手动和自动功能，并具有指层，厅召唤，选层，选向等功能。

具有集选控制的特点。

关键词：

电梯，PLC，梯形图

Abstract

Withthedevelopmentofmoderncities,anincreasingnumberofhigh-risebuilding,elevatorbecomeanindispensablemeansoftransportofdailylife.Thequalityofthelifeperformanceoftheimpactonpeople’slivesbecomingmoreandmoreobvious,itmuststrivetoimprovetheperformanceofelevatorsystems,andensuretheoperationofthelifeissafe,realiableandenergyefficient.TheuseofPLCsignalsontheelevatorcontrolsystem,thedevelopmentofacompleteelevatorcontrolsoftware,toimprovetheleveloftheelevatorcontrolandimprovetheoperationoftheelevatorcomfort,aothatthelifetoreachamoresatisfactorycontroleffect.Thesystemhasadvancedreliableandeconomiccharacertics.Theelevatorcontrolsystemhasthedriverstoruntheoperationandnodrivesormanualandautomaticfunctions,andhasmeanslayercalledtheofficeoftheelectionstory,electiontothefunctions.Withasetoffeaturestocontroltheelection.

Keyword:

Elevator,PLC,LadderDiagram

1绪论

1.1课题研究的背景

电梯（elevator）是一种以电动机为动力的垂直升降机，它装有箱状吊舱，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），运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°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。

电梯系统由机械系统和电气控制系统两部分组成。

其机械部分由曳引系统、轿厢和门系统、平衡系统、导向系统以及机械安全保护装置等部分组成；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系统组成。

各系统相互联系，共同构成一个电梯系统。

它由曳引系统、轿厢和门系统、重量平衡系统、导向系统、机械安全保护装置、电气安全保护装置、电力拖动系统、电气控制系统部分等组成。

曳引式电梯靠曳引力实现电梯的相对运动，曳引式电梯的曳引传动关系如图1.1所示。

安装在机房的电动机通过减速器、制动器等组成曳引机，使曳引钢丝绳通过曳引轮，一端连接轿厢，一端连接对重装置，轿厢与对重装置的重力使曳引钢丝绳压紧在曳引轮绳槽内产生摩擦力，这样电动机一转动就带动曳引轮转动，驱动钢丝绳，拖动轿厢和对重相对运动。

轿厢上升，对重下降；轿厢下降，对重上升。

于是，轿厢就在井道内沿导轨上下、反复运动【3】。

与电梯类似的这种升降设备，起源于古代农业和建筑业中的原始起重升降机械。

1765年英国瓦特等人发明了蒸汽机后，到1835年在英国的一家工厂里装用了一台蒸汽机拖动的升降机。

1845年，英国“汤姆逊”制作了第一台水压式升降机，这就是现代液压式升降机的雏形。

1853年美国制造商奥的斯发明了以蒸汽做动力的载人升降机。

现代电梯兴盛的原因是采用电力作为动力的来源。

1831年英国的法拉第发明了发电机。

1880年德国最早出现用电力拖动的升降机——电梯。

1900年交流感应电机问世以后，使电梯的速度提高，并改善电梯的平层准确度和舒适感。

与此同时，第一台自动扶手电梯试制成功。

1915年，电梯平层控制系统设计成功。

1933年，出现6m/s的高速电梯。

1949年，出现了群控电梯。

1955年，出现了小型计算机控制的电梯。

1962年，8m/s的高速电梯投入市场。

1963年，制成无触点半导体逻辑控制电梯。

1971年，集成电路应用于电梯。

1976年，微机开始用于电梯，使电梯的电气控制，进入一个新的发展时期。

1989年，出现了第一台直流电动机电梯。

现在的电梯更具有高度的安全性和可靠性，已向超高速、低噪音、高效节能、全电脑智能方向发展。

1.2课题研究的意义

PLC的过程控制应用已被广泛应用于连续过程控制领域，而且基于连续过程控制技术的发展趋势正在进一步得到增长。

在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的—离散量的数据采集监视。

由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。

近年来，可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。

这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了它们的发展。

1.3课题的研究方法及内容

1.3.2课题的提出

PLC以其优越的性能，在很多领域中得到了广泛的应用。

在电梯业也是如此，目前国内70～80年代安装完成的电梯绝大部分是继电器控制，线路复杂，节点接线多，故障率高，系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大，严重地影响电梯运行质量。

应对这些电梯进行更新和改造。

但是更新需要大量资金，对使用单位来说有一定困难，所以对电梯进行局部改造是经济的、实际的。

近年来，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，取得了良好效果。

利用PLC和变频器对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。

1.PLC在电梯中的应用已很成熟,图1.1是PLC应用于电梯控制的控制框图。

PLC作为主控制器，一方面通过采集电梯的各种输入信号，包括电梯的位置、状态、内外指令的按钮信号、门锁信号、门区信号、井道内的强迫减速信号、防冲信号以及消防信号等。

另一方面把采集到的信号进行计算和处理给出电梯的楼层信号和速度信号，并驱动相应的开关门信号、方向继电器和抱闸继电器，以控制电梯的运行。

图1.1控制方框图

2.我们利用PLC内的条件跳转和主控制指令，把对电梯的控制程序划分为几个程序段：

检修控制、正常加速和稳速段、减速爬行段、以及开关门阶段（如图1.2）。

当给电梯送电时，PLC就开始扫描电梯的所有输入、输出信号，检测电梯的安全回路是否接通、厅门轿门是否关闭、电梯处在何种状态。

正常自动状态时，PLC检测门锁是否接通，若门锁不通则给出关门信号，控制电梯关门；当门锁接通时，进入待机状态，此时收到指令信号电梯即起动。

当电梯到达减速楼层时，通过比较楼层的基数脉冲和换速点脉冲是否相等，相等时给出电梯减速信号,电梯减

速运行；判断电梯是否到达平层区，若到达平层区，则给出平层、开门信号；否则电梯继续减速。

图1.2运行流程图

3.我们乘坐电梯除要操作开关门按钮外，还要给出要去的目的层指令，PLC根据电梯现在所在的楼层判断运行方向，然后起动运行。

根据当今电梯控制系统和电梯拖动系统的发展趋势，本设计采用西门子S7-300PLC，结合安川VS-616G5通用变频器，实现了两台电梯的联动控制系统。

2西门子S7-200PLC产品介绍

2.1可编程控制器介绍

2.1.1可编程控制器的基本结构

可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的崭新的工业自动控制装置。

PLC以基本代替传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域，它已跃居工业自动化三大支柱的首位。

PLC控制系统的硬件是由微处理器（CPU）、存储器（ROM和RAM）、输入/输出（I/O）单元、电源单元及外围设备等组成硬件结构如图1所示。

系统的规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。

图2.1PLC结构框图

2.1.2可编程控制器的特点

一．PLC的特点

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，实现字运算和数据存储，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

对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。

（1）PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。

（2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性提高。

（3）PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。

（4）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。

采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。

（5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。

例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。

（6）PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。

例如，采用软件滤波等；软件自诊断；简化编程语言等。

2、易操作性

PLC的易操作性表现在下列几个方面：

（1）操作方便

PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。

大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。

编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。

更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。

更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。

（2）编程方便

PLC有多种程序设计语言可供使用。

对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。

采用布尔助记符编程语言，十分有助于编程人员的编程。

（3）维修方便

PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。

当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。

3、灵活性

PLC的灵活性表现在以下几个方面：

（1）编程的灵活性。

PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。

编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。

（2）扩展的灵活性。

PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。

它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。

（3）操作的灵活性。

操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。

二．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。

此外，微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷而没被广泛采用。

PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。

2.1.3PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：

（1）开关量逻辑控制

（2）运动控制

（3）闭环过程控制

（4）数据处理

（5）通信联网

2.1.4PLC的设计步骤

开发应用PLC的设计任务分为硬件和软件设计两部分。

一．硬件设计

硬件设计主要包括：

（1）确定安排PLC的输入、输出点；

（2）设计外围电路，包括主电路；

（3）选购PLC并进行现场安装接线等内容。

二．软件设计

大多数用梯形图和指令程序，主要包括：

（1）设计控制流程，根据工艺要求先画出工作循环，如有必要再画详细的状态流程图；

（2）根据工作循环图，画出虚拟的电路图----继电器梯形图；

（3）按梯形图编写指令程序表；

系统调试：

根据设计要求，对程序进行调试和修改，必要时还可对硬件进行修改，直到符合要求为止。

2.2西门子PLC系列产品介绍

2.2.1西门子PLC产品分类

SIMATICPLC是德国西门子公司在1995年推出的性能价格比较高的PLC系统。

其中，微型的有SIMATICS7-200系列，中小型的有SIMATICS7-300，中高档性能的有S7-400系列。

SIMATICS7系列PLC都具有模块化、无排风扇结构和易于用户掌握等特点，使得S7系列PLC成为各种从小规模到中大规模应用的首选产品。

1.SIMATICS7-200系列可编程控制器

相比较S7-300，S7-200针对的是中小系统，他的模块可以扩展多达32个模块，背板总线也在模块内集成，它的网络连接已比较成熟和流行，有MPI（多点接口）、Profibus和工业以太网，使通讯和编程变的简单和多选性，并可以借助于HWConfig工具可以进行组态和设置参数。

S7-200的模块稍微多一点，除了信号模块（SM）和200的EM模块同类型之外，它还有接口模块（IM）--用来进行多层组态，把总线从一层传到另一层；占位模块（DM）--为没有设置参数的信号模块保留一个插槽或为以后安装的接口模块保留一个插槽；功能模块（FM）--执行特殊功能，如计数、定位、闭环控制相当于对CPU功能的一个扩展或补充；通讯处理器（CP）--提供点对点连接、Profibus和工业以太网。

CPU设计模式选择器有：

MRES=模块复位功能；STOP=停止模式，程序不执行；RUN=程序执行，编程器只读操作；RUN-P=程序执行，编程器可读写操作。

状态指示器：

SF，BATF=电池故障；DC5V=内部5VDC电压指示；FRCE=表示至少有一个输入或输出被强制；RUN=当CPU启动时闪烁，在运行模式下常亮；STOP=在停止模式下常亮，有存储器复位请求时慢速闪烁，正在执行复位时快速闪烁。

MPI接口用来连接到编程设备或其他设备，DP接口用来直接连接到分布式I/O。

2.2.2西门子PLC产品简介

S7-200是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。

其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。

1．S7-200的结构体系

中央处理单元（CPU）：

各种CPU有不同的性能，例如，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通讯接口等。

信号模块（SM）：

用于数字量和模拟量输入／输出。

通讯处理器（CP）：

用于连接网络和点对点连接。

功能模块（FM）：

用于高速计数，定位操作（开环或闭环定位）和闭环控制。

负载电源模块（PS）：

用于将SIMATICS7-300连接到120／230V交流电源，或24／48／60／110V直流电源。

接口模块（1M）：

用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。

S7-300通过分布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块。

运行时无需风扇。

SIMATICS7-200适用于通用领域：

高电磁兼容性和强抗振动冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。

2．优点

S7-200系统PLC具有以下几方面的优点：

（1）S7-200配置灵活，除主机单元外，还可扩展I/O模块，A/D模块，D/A

模块和其它特殊功能模块。

（2）S7-200指令功能丰富，有各种指令，且指令执行速度快。

（3）S7-200可用内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要。

（4）S7-200的编程可用编程器，也可以在PC机上使用西门子公司的专用编程软件STEP7-Micro/WIN来进行。

编程语言可用梯形图或指令表。

尤其是可用PC机对系统实时进行监控。

为调试和维护提供了极大的方便。

3电梯的群控制

3.1电梯简介

3.1.1电梯的分类

（1）按用途分：

乘客电梯、载货电梯、客货两用电梯、病床电梯、住宅电梯、杂货电梯、船舶电梯、观光电梯、车辆电梯、自动扶梯、自动人行道、其他电梯。

（2）.按速度分：

低速电梯、快速电梯、高速电梯。

（3）.按拖动方式分：

自流电梯、交流电梯、液压电梯。

（4）按有无司机分：

有司机电梯、无司机电梯、有/无司机电梯。

（5）按控制方式分：

手柄操纵控制电梯、按钮控制电梯（轿外按钮电梯、轿内按钮电梯）、信号控制电梯、集选控制电梯、下集选控制电梯、并联控制电梯、梯群程序控制电梯、梯群智能控制电梯。

3.1.2电梯的基本结构

从总体来讲，电梯有机械系统和电气系统两部分组成。

其机械部分由曳引系统、轿厢和门系统、重力平衡系统、导向系统以及安全保护系统等部分组成；电气控制部分由电力拖动系统、运行逻辑功能控制和电气安全保护等系统组成。

图3.1给出了电梯的基本结构剖视图。

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.曳引系统

曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮组成。

曳引机由电动机联轴器、制动器、减速器、机座、曳引轮等组成，它是电梯的动力源；曳引钢丝绳的两端分别连接轿厢和对重装置（或者两端固定在机座房上），依靠钢丝绳与曳引轮绳槽之间的摩擦力来驱动轿厢的升降；导向轮的作用是分开轿厢和对重装置的距离，采用复绕型时还可增加曳引能力。

导向轮安装在曳引机架上或重梁上。

当钢丝绳的绕绳比大于1时，在轿厢和对重架上应增设反绳轮。

反绳轮的个数可以是1个、2个，甚至3个，这与曳引比有关。

3.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只能沿着导轨作升降运动。

导轨固定在导轨架上；导轨架是支承导轨的组件，与井道壁联接；导靴装在轿厢和对重架上，与导导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。

4.门系统

门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。

轿厢门社在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成；层门社在层站入口，由门扇、门导轨架、门靴和门锁装置及开锁装置组成；开门机社在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。

5.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。

6.门厅

每一层电梯门口装的门，门上带有机器锁及电气接点。

客梯多为自动开关门，开关门由轿厢门上的开门刀带动厅门上的橡皮勒辘来完成的，而轿厢门是由轿厢上的开关门装置驱动的。

7.井道

井道由围壁、顶板及底坑围成一个在纳电梯轿厢和对重的有限空间。

为了出人，在每个层站开有入口。

8.围壁

围壁的作用是将电梯与外界分隔开，当导轨架直接安装在围壁上时，它还应承受费切力。

围壁的结构分为封闭式和空格式。

9.顶板

井道的顶部是机房，它是维修人员工作的地方。

因此顶板必须是封闭型的，将井道与机房完全隔离。

顶板还具有阻止机房即传向井道的作用。

对于快、高速电梯，为了取得良好的隔声效果，常在井道顶部设隔音层，此时的井道顶