基于西门子PLC的电梯控制系统设计及调试.docx

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基于西门子PLC的电梯控制系统设计及调试

基于西门子PLC的电梯控制系统设计及调试

唐山学院

PLC编程及应用课程设计

题目基于西门子PLC的电梯控制系统设计及调试

系（部）

班级

姓名

学号

指导教师

2016年1月4日至1月15日共2周

2016年1月13日

课程设计成绩评定表

出勤

情况

出勤天数

缺勤天数

成

绩

评

定

出勤情况及设计过程表现（20分）

课设答辩（20分）

设计成果（60分）

总成绩（100分）

提问

（答辩）

问题

情况

综

合

评

定

指导教师签名：

年月日

引言

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。

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。

实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。

目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。

从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。

就目前市场需求而言，随着计算机技术的不断发展，PLC的功能越来越有强大，除了控制点数的不断扩展之外，其运算速度以及对数字量和模拟量处理功能控制功能的不断深入，使得用PLC实现电梯的控制更容易被市场接受，本设计以一台四层电梯为例，深入探讨PLC电梯控制的基本方法，力图实现智能控制，并以最佳节能及最短等候时间为主要控制目标，实现两台电梯的智能控制。

1概述

1.1电梯

电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，亦称垂直电梯。

垂直电梯装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。

电梯也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯，亦称电动扶梯、行人电梯、扶手电梯等。

电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。

具有轿厢的电梯，其轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。

1.1.1电梯的发展

电梯的起源要从公元前2600年埃及人在建造金字塔时使用了最原始的提升系统说起，但这一类起重机都是以人力作为能源的。

直到1203年，法国的一个修道院安装了一台起重机，所不同的地方是该机器是用驴作为动力的，载荷由绕在一个大滚筒上的绳子进行吊起，这样的方法一直用到了近代，在1800年后，才有一个煤矿主利用起重机在矿洞里运送煤。

国际上无机房电梯已经经历了四代，第一代无机房电梯诞生在意大利，其诞生的主要原因是欧洲对古建筑的保护以及与液压电梯的竞争。

主要原理是电梯主机跨井道底置，即只有一个轮子在井道里，第二代无机房电梯也是井道底置，但是将主机全部搬进了井道，第三代无机房电梯为上置式，主机主要放置的形式为放在导轨上，而第三代至第四代无机房电梯的过渡产品为主机搁置于导轨顶部。

由于安全隐患严重，目前在欧洲的大多数国家基本上把前两代无机房电梯都淘汰掉了，所以1997年以后几乎就没有欧洲的公司再生产前两种电梯了。

第三代无机房电梯则属于改变前两代无机房电梯特点的新型电梯。

但是很多问题仍旧没有得到很好的解决，例如主机放在厢顶的安全问题和噪音很大，所以在欧洲也没有得到十分好的发展。

只有通力的电梯在第三代无机房电梯得到了发展。

但通力的产品虽然有了一些技术上的突破，特别是主机的突破应该说对无机房的普遍应用提供了十分好的机会，但是共振共鸣问题仍然没有彻底解决，这是一个重要的技术缺陷。

而且这项技术限制了电梯的提升速度和提升高度。

第三代至第四代过渡产品主要是OTIS，OTIS与第三代的无机房电梯另一个区别就是使用它的主机是轴式马达，轴式马达可以节省顶层空间，但因为它的结构不同，所以顶层高度还不能最小，此外轴式马达的另一个缺点是不节能，并且主机的寿命可能会缩短。

第四代无机房电梯就从根本上解决了前三代无机房电梯的缺陷，第一是安全隐患得到了解决，第二是共振共鸣问题的解决，第三是速度上只要主机生产企业能够供应，提高高度及速度不存在技术问题。

所以第四代无机房电梯是目前世界上最先进的无机房电梯。

1.1.2电梯的控制

电梯电气控制技术是一个综合性的系统技术，包括控制器、传感器和调速方法等多种技术。

本文系统分析了这些技术方法的发展历史并对它们进行了分类总结。

通过分析可知，在电梯电气控制节能、效率以及控制器性价比等方面还存在许多不足，须要进一步研究探讨。

自从电梯发明以后，电梯电气控制技术越来越收到人们的重视。

电梯电气控制技术主要体现在电梯电气控制系统的设计上。

电梯的电气控制主要是对各种指令信号、位置信号、速度信号和安全信号进行管理，使电梯正常运行或处于保护状态，发出各种显示信号。

电梯的电气控制，过去采用继电器逻辑线路，一般称继电器控制。

这种硬布线的逻辑控制方式具有原理简单、直观等特点。

但通用性差，逻辑系统由许多触点组成，接线复杂、故障率高、设备庞大，国家已规定淘汰。

目前我国电梯主要由先进的、可靠性高的微型计算机或可编程控制器（PLC）控制。

本文对我国电梯控制技术和方法的发展状况进行研究，总结现有电梯主要控制方法，并对我国电梯将来控制技术和方法做出预测，这项工作能够起到继往开来的作用，对我国电梯行业发展具有积极意义。

1.2PLC与电梯的结合

PLC控制制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，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，目前也广泛用十传统继电器控制系统的技术改造。

PLC是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统。

由于PLC具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。

因此在工业控制方面得到了广泛应用。

自80年代后期PLC引入我国电梯行业以来，由PLC组成的电梯控制系统被许多电梯制造厂家普遍采用。

并形成了一系列的定型产品。

在传统继电器系统的改造工程中，PLC系统一直是主流控制系统。

电梯控制系统分为调速部分和逻辑控制部分。

调速部分的性能对电梯运行是乘客的舒适感有着重要影响，而逻辑控制部分则是电梯安全可靠运行的关键。

为了改善电梯的舒适感和运行的可靠性，现在都改为用PLC来控制电梯的运行，这样大大提高了电梯的性能。

PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。

它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的二大支柱之一。

PLC用于电梯控制的优点：

（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。

2设计方案

2.1方案设计原则

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则:

（1）最大限度地满足被控对象的控制要求：

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。

这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料.

（2）保证PLC控制系统安全可靠：

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。

例如:

应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。

（3）力求简单、经济、使用及维修方便:

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。

因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。

这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

（4）适应发展的需要:

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/0点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

2.2系统整体设计方案

电梯PLC的控制系和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。

电梯信号控制基本由PLC软件实现。

电梯信号控制系统如图2.1所示，输入到PLC的控制信号有:

运行方式选择、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器光电脉冲、开关门及限位信号等。

图2-1系统设计方案

电梯控制系统实现的功能：

（1）电梯具有运行速度（高速）和平层速度（低速）两种运行速度并可实现高低速的平滑转换

（2）电梯具有呼梯登记及登记显示功能

（3）电梯具有轿内选层及选层登记及显示功能

（4）电梯具有自动停层功能

（5）电梯具有顺向截停功能，若已经完成当前方向的最后一站请求，亦可实现逆向截停功能

（6）电梯具有自动确定运行方向及运行方向保持功能

（7）电梯具有厅门、轿门连锁保护功能

（8）电梯具有自动平层功能

（9）电梯具有超载、超速及端站限位保护功能

（10）电梯具有运行方向及层楼指示功能

（11）满足了呼梯要求即应消除呼梯登记信号

3系统硬件设计

3.1电梯部分

3.1.1、电梯的主要组成

曳引系统：

曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。

曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。

电梯导向系统：

导向系统的主要功能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。

导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

轿厢：

轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。

轿厢由轿厢架和轿厢体组成。

门系统：

门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。

门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。

重量平衡系统：

系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。

系统主要由对重和重量补偿装置组成。

电力拖动系统：

电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。

电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。

电气控制系统：

电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。

电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏（柜），平层装置，选层器等组成。

安全保护系统：

保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。

由电梯限速器、安全钳、夹绳器、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。

3.1.2电梯的安全保护装置

（1）电磁制动器:

装于曳引机轴上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层后断电制动；

（2）强迫减速开关:

起分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上撞块就触动此开关，通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速；

（3）限位开关:

当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，此限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车；

（4）行程极限开关:

当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关动作；

（5）厅门开关:

每个厅门都装有门锁开关，仅当厅门关上才允许电梯启动;在运行中如出现厅门开关断开，电梯立即停车；

（6）关门安全开关:

常见的是装于轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安全触板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门，此外还有红外线开关等；

（7）超载开关:

当超载时轿底下降开关动作，电梯不能关门和运行；

（8）其它的开关:

安全窗开关，钢带轮的断带开关等。

3.2PLC控制部分

3.2.1、PLC的选型

在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,最后选择有较高性价比的PLC和设计相应的控制系统。

在选择PLC系统时，需要综合考虑以下几点因素：

输入输出（I/O）点数、存储器容量、系统的功能、PLC的类型、输入输出模块、电源、存储器、冗余功能、经济性等。

综上以上因素考虑，根据控制系统要求选择S7-200系列PLC，S7-200系列PLC属于小型整体式结构的PLC，本机自带RS485通信接口，内置电源和I/O接口，它的结构小巧，运有极其丰富的指令系统和扩展模块，实时性和通信能力强大，便于操作，易于掌握，性价比高，是中小规模控制系统的理想控制设备。

3.2.2PLC的I/O口分配

经过系统控制功能分析，本设计需要输入点23个，输出点22个。

共计45个具体如下：

表3-1I/O地址分配表

序号

输入信号

输出信号

编号

名称

编号

名称

1

I0.0

开门

Q0.0

开门

2

I0.1

一层限位

Q0.1

一层指示

3

I0.2

二层限位

Q0.2

二层指示

4

I0.3

三层限位

Q0.3

三层指示

5

I0.4

四层限位

Q0.4

四层指示

6

I0.5

关门

Q0.5

关门

7

I0.6

开门到位

Q0.6

上行指示

8

I0.7

关门到位

Q0.7

下行指示

9

I1.0

上平层感应器

Q1.0

高速

10

I1.1

一层内选

Q1.1

一层内选指示

11

I1.2

二层内选

Q1.2

二层内选指示

12

I1.3

三层内选

Q1.3

三层内选指示

13

I1.4

四层内选

Q1.4

四层内选指示

14

I1.5

下平层感应器

Q1.5

低速

15

I1.6

上限位

Q1.6

上行输出

16

I1.7

下限位

Q1.7

下行输出

17

I2.0

一楼上呼

Q2.0

一楼上行

18

I2.1

二楼下呼

Q2.1

二楼下行

19

I2.2

二楼上呼

Q2.2

二楼上行

20

I2.3

三楼下呼

Q2.3

三楼下行

21

I2.4

三楼上呼

Q2.4

三楼上行

22

I2.5

四楼下呼

Q2.5

四楼下行

23

I2.6

关门测试信号

3.2.3PLC电气控制系统主回路电气原理图

据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图所示。

图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1~KM4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。

曳引电机、门电机正反转的原理图，如下图：

图3-1系统主回路原理图

3.2.3四层电梯PLC的实际接线图

3.2.3PLC接线图

4单元电路设计

4.1各段程序块功能

4.1.1复位初始化模块

首先观察检测电梯是否处于关门状态，如果不是，就执行关门。

当电梯门彻底闭合之后，将关门电机复位，停止关门。

梯形图4-1如下：

中间继电器M1.1的作用是记录轿厢是不是在楼层上，到达任一楼层后，复位M1.1表示已经到达正确楼层。

本次设计程序的初始状态为关门、下行的状态，梯形图4-2如下：

图4-2复位初始状态

4.1.2内选模块

内选指示表示的是人在电梯内进行的呼梯操作，假设内选一层，内选一层时一层指示灯亮；到达一层并且执行开门时指示灯熄灭；电梯停在某一层时该层指示灯灭。

梯形图4-3如下：

图4-3一层内选

4.1.3外呼模块

外呼指示与内呼指示作用和原理相同，但在二、三层时有上行和下行之分。

所以外呼模块有两种，一种是如图4-4所示的一、四层的外呼指示，另一种是二、三层的外呼指示，其如梯形图4-5所示：

图4-5二层外呼上下响应

4.1.4上下行指示中间继电器

图4-6上行中间继电器

当电梯处于下行状态时，M1.0有效，同时，相应的下行指示Q0.7有效；当电梯处于上行时，M0.4有效，相应的上行指示Q0.6有效。

假如电梯停在一层，内呼电梯三层时，上行中间继电器有效，Q0.6显示。

梯形图4-6、图4-7如下：

图4-7下行中间继电器

4.1.5电梯高低速运行及平层感应

电梯运行过程中有一个高低速转换状态，电梯开始启动时先进入低速模式，一定时间后转为高速状态，到达指定楼层时低速，最后停车。

梯形图4-8如下所示：

4.1.6停车模块

当电梯到达指定楼层或者处于无呼梯状态时，电梯应处于停车状态。

该模块梯形图4-9如下所示：

图4-9停车模块

在电梯停车状态中，有一个特殊的状态，假如电梯停在三层，此时同时外呼一层和二层上行指示，此时电梯应先下行至一层，然后再从一层上行至二层，电梯从三层下行的过程中经过二层时电梯不应停，二层呼梯停车触发特殊模块如下图4-10所示：

图4-10二层呼梯停车触发器

4.1.7开关门模块

以开门状态举例，在满足各楼层的开门条件，并且前提是关门到位时，执行开门，在按下关门电机或者关门到位的时候关闭开门电机，开门到位后延时一段时间，电梯自动关门。

梯形图4-11、图4-12如下所示：

图4-12关门显示

4.1.8电梯上下行输出

当电梯处于上下行状态的时候，会有该状态的状态显示。

梯形图4-13如下所示：

4.2仿真

根据编写的程序并结合各部分设计电路，运用S7-200仿真软件得到简易运行仿真结果。

列出如下一组仿真过程图。

图4-14表示电梯停在三层。

图4-15电梯低速运行

图4-15显示同时外呼一层和二层上行指示，电梯处于从三层低速下行状态。

图4-16表示电梯未到达一层时，在二层不停，继续处于下行高速运行状态。

图4-17表示电梯到达一层，开门以后延时3秒自动关门，外呼一层关闭，电梯停在一层，处于上行指示状态。

图4-18表示电梯到达二层，处于开门状态，开门到位后延时3秒后，关门到位。

图4-18电梯到达二层

参考文献

[1]黄明琦、王福平.可编程序控制器.重庆.重庆大学出版社.2003

[2]齐从谦、王士兰.plc技术及应用.北京.机械工业出版社.2000

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[4]黄大雷、吴庚审.可编程控制器及其应用.北京.人民交通出版社.1992

[5]李树雄.可编程序控制器原理及应用教程.北京.北京航空航天大学.2003

[6]何仿山.可编程序设计范例大全.上海.同济大学出版社.1997

[7]SongLinFei:

thewesternsociologytheory,Nanjinguniversitypress,1999

[8]NAHart,Mbeard.strategicpublicrelations[M].Macmillan,1995

附录1

附录2

Network1//NetworkTitle

//关门指示

LDSM0.1

ANI0.6

ANI0.7

SQ0.5,1

Network2

//关门到位1

LDI0.7

RQ0.5,1

Network3

//初始下行复位

LDSM0.1

ANI0.1

ANI0.2

ANI0.3

ANI0.4

ANI1.6

SM1.1,1

Network4

//复位

LDI0.1

OI0.2

OI0.3

OI0.4

OI1.7

RM1.1,1

Network5

//一层内呼

LDNI0.1

AI1.1

LDNI0.1

ONQ0.0

AQ1.1

OLD

=Q1.1

Network6

//二层内呼

LDNI0.2

AI1.2

LDNI0.2

ONQ0.0

AQ1.2

OLD

=Q1.2

Network7

//三层内呼

LDNI0.3

AI1.3

LDNI0.3

ONQ0.0

AQ1.3

OLD

=Q1.3

Network8

//四层内呼

LDNI0.4

AI1.4

LDNI0.4

ONQ0.0

AQ1.4

OLD

=Q1.4

Network9

//二层外呼下响应

LDM0.4

ANQ1.3

ANQ1.4

ANQ2.2

ANQ2.3

ANQ2.4

ANQ2.5

OM0.5

=M0.0

Network10

//二层外呼上响应

LDM0.5

ANQ2.0

ANQ2.1

ANQ1.1

OM0.4

=M0.1

Network11

//三层外呼下响应

LDM0.4

ANQ1.4

ANQ2.4

ANQ2.5

OM0.5

=M0.2

Network12

//三层外呼上响应

LDM0.5

ANQ1.1

ANQ1.2

ANQ2.1

ANQ2.3

ANQ2.0

OM0.4

=M0.3

Network13

//一层外呼上灯

LDI2.0

LDNI0.1

ONQ0.0

AQ2.0

OLD

=Q2.0

Network14

//四层外呼下灯

LDI2.5

LDNI0.4

ONQ0.0

AQ2.5

OLD

=Q2.5

Network15

//二层外呼下灯

LDI2.1

LDNM0.0

ONQ0.0

ONI0.2

AQ2.1

OLD

=Q2.1

Network16

//二层外呼上灯

LDI2.2

LDNM0.1

ONQ0.0

ONI0.2

AQ2.2

OLD

=Q2.2

Network17

//三层外呼下灯

LDI2.3

LDNI0.3

ONM0.2

ONQ0.0

AQ2.3

OLD

=Q2.3

Network18