【基于PLC的電梯自動化控制裝置設(shè)計7500字（論文）】

第一章引言1.1研究背景電梯有升降的有扶梯的，電梯的原型建于公元前1100年左右。阿基米德很早便研究出了手動的卷揚機，而且在尼羅皇帝的宮殿中也配置了三臺。這使得之后對電梯進行改進和創(chuàng)造打下了堅實的基礎(chǔ)。PLC是一種工業(yè)控制微型計算機，它具有的優(yōu)點是操作簡單、編程方便，特別是它具有非常高可靠性等，覆蓋的領(lǐng)域廣。我們生活中的電梯、工廠里面的半自動化機器，自動化機器都有plc作為控制系統(tǒng)。目前電梯有三種主要的控制方式，其中就有以plc為控制系統(tǒng)的電梯，它比其余兩種控制方式成本更低，維修方便等特點?，F(xiàn)代的電梯主要的硬件結(jié)構(gòu)，如下圖1.1。圖1.1電梯結(jié)構(gòu)圖由上圖可以清晰的觀察到電梯的結(jié)構(gòu)圖，這是一個現(xiàn)代的電梯結(jié)構(gòu)圖。（1）動力裝置它的動力是由拽引機提供的，那么它的供電形式主要分為直流拽引機和交流永磁同步拽引，通常情況下直流和交流的拽引機都會選擇無齒輪的結(jié)構(gòu)。電機：用來提供動力是最終的執(zhí)行單元。制動器：在停電和停止時間電梯抱死不動以防出現(xiàn)意外安全事故，一般采用電磁制動。減速箱：主要是用蝸輪蝸桿進行對電梯速度的控制。拽引輪：它是連接轎廂和對重中間重要的部件，它通過鋼絲繩使電動機的動力能夠傳遞到轎廂金額對重上從而使電梯運動。導(dǎo)向輪：這個部件非常的重要它是保障電梯平穩(wěn)運行不晃動的一個硬件措施。因為轎廂和對重之間中心點的實際距離是大于設(shè)計值的，這種情況可能導(dǎo)致電梯運行時失去中心平衡點左右搖擺甚至造成安全事故。這個導(dǎo)向輪是擁戴保障連接兩者之間的鋼絲繩中點距離。限速器：主要的功能是電梯運行時對速度進行一個檢測和限制，當電梯達到了額定的限速時限速器就會發(fā)出信號并動作的裝置?？刂乒瘢菏钦麄€電梯的大腦中樞，主要用于存放電氣元件并進行邏輯的運算得出結(jié)果，給出電梯運行指令同樣他也可以實現(xiàn)手動操作。底盤：便是動力裝置的固定底座是由鋼或者鐵制造的，它也有對應(yīng)型號的承載底座。（2）電梯井道部件電梯動力安全方面得的到了解決，在電梯的實際運行的環(huán)境有哪些部分組成（井道）。如下：導(dǎo)軌：它是電梯在井道里運行的重要，它是限定電梯運動方向是路線的重要器件。對重：它是用鋼絲與轎廂相連接的，它最主要的功用是在電梯的運行當中能夠保證電梯的平衡。上下限位開關(guān)：它是用于電梯定位的作用，到點是會自動發(fā)出信號切斷電源。緩沖器：它是裝配在井道的最底層，是對重和轎廂到達最底層的時候產(chǎn)生的沖擊力進行一個緩沖，使運行感受平穩(wěn)。安全鉗：它是一個安全裝置是用于電梯墜落和失重情況下的緊急制動裝置，觸發(fā)時它會將電梯夾在導(dǎo)軌上保障人們安全。（3）電梯井道外部部件井道和人們上轎廂之間隔了一道門那它們之間存在這些部件：呼叫按鈕：每一層都有兩個上和下的呼叫按鈕（除了最底層和最高層各只有一個按鈕部分設(shè)計會在按鈕上面顯示電梯目前在的樓層）。廳門：主要用于保障人們平時的安全，它只有在轎廂到達時把門刀收緊把門輪夾起廳門上的鉤子就會打開了從而打開門，防止人們有墜入的危險。（4）轎廂電梯主要結(jié)構(gòu)轎廂組成：轎門：是在電梯運行時關(guān)閉保護乘客安全的。開門機：在電梯停止上下乘客的時候提供電力打開轎門。轎廂地坎：它是用于做門的支撐點，保證電梯正常運行。1.2電梯控制系統(tǒng)的選擇電梯的控制系統(tǒng)在電梯的進化史上也進行了不斷的進化，目前電梯主要采用三種控制方法：（1）繼電器控制（目前很少有電梯使用停止生產(chǎn)）；（2）plc（可編程控制器）控制（抗環(huán)境干擾較強適合環(huán)境惡劣使用）；3.微機控制（現(xiàn)代市場最受歡迎的）。（1）繼電器控制電梯控制系統(tǒng)中最早的出現(xiàn)后期的控制系統(tǒng)也是基于繼電器控制演變的。它通過繼電器相互之間的常開和常閉來完成最基本的邏輯運算，因為是通過最基本最單一的變化來實現(xiàn)邏輯的運算，所以它一般為電氣執(zhí)行的主電路，另一部分是運算邏輯的電路。它的特點便是邏輯功能都是由硬件來完成，所以它是非常直觀明了，一般的技術(shù)工人都能很快掌握這種方法；它所采用的的電氣控制元件非常普遍很低的成本便能購買全其元器件；元器件的維修、保養(yǎng)、裝配簡單無需專業(yè)儀器維護；這套系統(tǒng)非常成熟種類繁多。但是它還是有很多弊端，因為全部邏輯是硬件組成那么硬件自生的缺點將全部轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)的缺點。繼電器是比較容易出現(xiàn)損壞、接觸不良需要經(jīng)常維護；組成一個電梯的邏輯計算電路需要龐大的繼電器和復(fù)雜的連接方式那么在這樣的條件下很難提高電梯的其它功能；元器件進行邏輯運算時因為是機械的動作可能會出現(xiàn)反應(yīng)不一致、延遲等現(xiàn)象；種類繁多的機械在一起運轉(zhuǎn)的時候不可避免的會出現(xiàn)很大的聲響，影響舒適感。綜合以上，我們發(fā)現(xiàn)老式的繼電器控制是存在很多問題的，問題會帶來經(jīng)常性的維修。電梯容易出現(xiàn)出現(xiàn)停梯異響、維修工程量大、排障困難等，給人們帶來不適的感受。（2）plc控制Plc控制實際上也能算做微機控制，它具有非常高的可靠性和抗干擾能力。從plc的生產(chǎn)工藝上就進行了抗干擾技術(shù)制作，本文采樣的三菱FX-2N的plc就能達到30萬小時無故障的操作。而且plc是自帶故障報警和顯示功能的對后期的維修節(jié)約了很多時間和難度，同時在軟件GXDeveloper中也可以看見故障點在哪清晰的看到。相對于繼電器控制plc將邏輯運算都集中在了軟件中減少了元件的數(shù)量，節(jié)約了電氣元件和線路。Plc在工業(yè)當中的應(yīng)用以及很多溫度測量、液位測量、速度測量、流量測量等這些領(lǐng)域當中，并且能與其它設(shè)備通訊創(chuàng)立人機界面使系統(tǒng)更好操作。用plc控制會很大的節(jié)約能源、節(jié)約工程時間、電量，而且體積很小節(jié)約空間。（3）微機控制微機控制是基于單片機的使用，一臺電梯可以分為幾個部分每個部分可以用一個單片機去完成它的功能。在將它們相互之間建立數(shù)據(jù)連接，構(gòu)成一個完整的電梯控制系統(tǒng)中心，這是微機控制的基本原理。在這種基礎(chǔ)下微機還可以實現(xiàn)群控的策略，主要是為了多梯統(tǒng)一管控相互之間建立信息的交流。例如一人在五樓呼叫向上，a在四樓向上、b在2樓向上，那么這會a就會接下任務(wù)在五樓停下并告訴其它的電梯我去接你們不用停。這樣就很大程度的提高了電梯資源的利用和人們等待時間的縮短。（4）控制系統(tǒng)選擇在我們分析了三種方式的優(yōu)缺點，現(xiàn)在結(jié)合課題和在校學(xué)習情況做一個選擇。在學(xué)校時平時學(xué)習最多的和實訓(xùn)做到的項目比較多的便屬于plc，而且也是先考了plc可編程控制二級，又在老師的指導(dǎo)下考了plc可編程控制三級的證書。所以選擇第二種方式plc控制，做為本次課題的實現(xiàn)方式。第二章電梯控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1電梯控制的工藝設(shè)計依據(jù)電梯的基本技藝需求去設(shè)計四層電梯，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自行操控，上下行和開關(guān)門命令。詳細的工藝解析為：1.電梯有內(nèi)外呼兩種按鈕，外呼按鈕一層是上行、四層是下層以外，剩下的都設(shè)置有上下性按鈕；內(nèi)部按鈕的作用是選擇樓層，當乘客乘坐電梯的時候，依靠內(nèi)部按鈕對需要樓層做出選擇，控制電梯上行亦或是下行。2.若是電梯正處于上行亦或是下行的狀態(tài)，會不接收反向的指令。當有反向外呼指令，沒有內(nèi)呼指令的時候，便能夠回應(yīng)反向的指令。而且設(shè)計電梯一定要具備最遠反向外呼相應(yīng)的性能。3.電梯的每一層都配有平層檢測傳感器。一旦到達目標層，調(diào)平傳感器將工作，電梯將不再工作，它可以在目標層停止，并可以自己開門，等待時間一段時間后，電梯會自己關(guān)上門。4.依靠限位開關(guān)去檢測是不是正常的開關(guān)門。當正常開門，電梯便能上下行，若是關(guān)門的時候有人員步入電梯，防夾傳感器會回應(yīng)，再次打開電梯門，避免乘客受傷。根據(jù)上述電梯設(shè)計的相關(guān)要求去選擇控制四層電梯的方案，并且對軟硬件進行設(shè)計，依靠上位機對控制四層電梯的功能進行模擬。2.2控制方案的選擇本設(shè)計使用了PLC去設(shè)計四層電梯，和依靠變頻器控制電梯主機和門電機，實現(xiàn)節(jié)能控制和調(diào)速目標，通過變頻器電位器控制輸入的0到10v模擬量信號，控制速度給定，減速時間由變頻器控制，使電梯滿足舒適性需求。根據(jù)工藝設(shè)計，系統(tǒng)輸入單元有平層檢測、內(nèi)外呼俺就輸入等；系統(tǒng)輸出涉及到電梯上下行和開關(guān)門、內(nèi)呼指令、下呼指令等輸出。而且依靠上位機去監(jiān)控電梯目前的情況，依靠模擬測試，完成此設(shè)計的方案控制。參照此控制計劃，此設(shè)計的控制方案結(jié)構(gòu)圖見下圖：圖2.1系統(tǒng)控制方案框圖第三章電梯控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1可編程控制器的選型PLC在市場上應(yīng)用廣泛，PLC能夠處理數(shù)據(jù)處理、邏輯等工業(yè)問題。PLC使用的專業(yè)翻譯軟件基于該軟件的工藝設(shè)計和其他方法，有助于管理工業(yè)區(qū)的所有復(fù)雜工藝，滿足所有工業(yè)通信需求，并連接到互聯(lián)網(wǎng)。滿足客戶需求。PLC具有可靠性強、穩(wěn)定性好、可擴展性強等特點，是當前工業(yè)發(fā)展的主要產(chǎn)品。3.1.1中央處理單元PLC的“大腦”是中央處理單元其負責PLC的所有運行功能。系統(tǒng)儲存器、輸出運算結(jié)果、系統(tǒng)電源自檢等都是中央處理單元具備的功能。當PLC是工作的狀態(tài)，CPU會對設(shè)備組的情況進行檢測，若是外部設(shè)置和內(nèi)部設(shè)計組態(tài)不一致，會做出警示；當外部組態(tài)順利自檢之后，CPU可以會使用輸入映像寄存器，并且不斷對用戶程序進行掃描，信任用戶進程的邏輯計算將結(jié)果傳輸?shù)交€注冊表并指導(dǎo)性能單元。CPU根據(jù)用戶程序處理過程對用戶程序執(zhí)行和組裝周期掃描，以實現(xiàn)現(xiàn)場用戶控制。中斷計劃允許用戶使用相關(guān)條件來安排中斷計劃和解決特定條件。有效CPU是衡量PLC控制器質(zhì)量的關(guān)鍵指標。3.1.2存儲器存儲器在PLC控制器中起著關(guān)鍵作用，它可以存儲系統(tǒng)和用戶信息，保證PLC的正常運行。系統(tǒng)存儲器是PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)的一部分，可用于PLC周期的自檢、報警設(shè)備和重大用戶程序錯誤，工程師禁止訪問和修改。用戶存儲器用于記錄程序和用戶生成的數(shù)據(jù)。PLC可以使用程序在運行時掃描用戶。在現(xiàn)場特殊情況下，可通過中斷控制進行逆轉(zhuǎn)，中斷事件可稱為條件或超時，在本地處理獨特事件很方便。3.1.3通信接口如果PLC想要與外界通信，它必須使用通信接口。通信接口用于將PLC和外部設(shè)備以及使用特定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議作為儀器的計算機之間的信息連接起來。通訊接口根據(jù)程序內(nèi)部的狀態(tài)來明確屬于哪種通訊協(xié)議。PLC里面有擴展功能的功能，MODBUS功能模塊、以太網(wǎng)功能模塊等都是經(jīng)常使用的通訊功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)所有工況狀態(tài)下的通訊功能。3.1.4電源PLC是電子控制電源，要有外部供電才能運行，電源供電品質(zhì)的優(yōu)劣能夠影響到PLC是不是能平穩(wěn)的工作。經(jīng)常使用的PLC有AC220V工作交流電源和DC24V工作直流電源兩種電源。PLC要求有平穩(wěn)的電壓，不多的諧波。于DC24V工作直流電源而言，要有外部開關(guān)電源才能實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，采用西門子S7-200CPU226控制器作為控制單元完成系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)使用CPU226型，帶有24個外部輸入接頭和16個外部輸出接頭。選擇EM221擴展模塊成為數(shù)字源模塊。本系統(tǒng)使用的是AC220V電源，詳見下圖：圖3.1可編程控制器3.2變頻器的選型逆變器是一種工業(yè)操作裝置，通?；陬l譜控制和現(xiàn)代微電子技術(shù)，能夠操作現(xiàn)場發(fā)動機的頻率和扭矩。變頻器有高壓大功率以及低壓的區(qū)分，經(jīng)常使用的是工頻交流電源作為工作電源。依據(jù)查閱的資料，電梯的電梯主機，依據(jù)1kg的承重、每秒1.75m的運行速度運算，電梯主機的功率計算公式為：以上計算表明，電梯主機功率為20.580KW，逆變器功率為22KW。在分析變頻器的工作原理和用途的基礎(chǔ)上，根據(jù)本設(shè)計的要求，采用外分段控制變頻器，模擬電流信號控制變頻器轉(zhuǎn)速。組成為AC380V電壓，系統(tǒng)現(xiàn)場運行環(huán)境良好。根據(jù)這個使用需求和范圍，MM440變頻器根據(jù)此設(shè)計的工作需求，選擇的是AC400V額定電壓和43A額定電流的變頻器，其頻率能夠在0到1hz的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，選用風扇冷卻，選擇壁掛安裝方式，使用V/F控制，依靠外部端子控制變頻器，依靠模擬量控制變頻器的頻率。圖3.2MM440變頻器示意圖3.3系統(tǒng)的硬件設(shè)計思路在設(shè)計硬件圖紙時，應(yīng)研究和管理PLC電氣圖紙的設(shè)計規(guī)范，并了解相關(guān)電氣部件的符號和動作，以合理的進行圖畫。1.設(shè)計PLC的硬件接線，統(tǒng)計和配置輸入和輸出部分，在這個前提下，考慮到之后升級和改進四層電梯的控制系統(tǒng)，因此需要有一定的預(yù)留空間。2.外部正反轉(zhuǎn)接線等都屬于是變頻器的硬件接線。變頻器采用的是外部端子驅(qū)動；變頻器使用外部模擬量作為速度給定的辦法。若是輸入0V模擬量，對應(yīng)的是0hz的頻率，若是輸入10V模擬量，對應(yīng)的是50hz的頻率。變頻器使用的是V/F控制。依靠參數(shù)設(shè)置滿足V/F控制方式的需求。3.4變頻器電路的接線設(shè)計根據(jù)電梯控制體系的工藝分析需求和控制方案，和整體設(shè)計規(guī)劃結(jié)合起來，在設(shè)計主電路的時候選擇MM440變頻器，輸入AC380V的額定電壓，其頻率能夠在0到50hz的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，采用v/F進行控制，依靠外部端子去操縱變頻器，轉(zhuǎn)換器的速度由外部模擬量給出，給定的信號為0到10v的模擬量。若是輸入0V模擬量，對應(yīng)的是0hz的頻率，若是輸入10V模擬量，對應(yīng)的是50hz的頻率。斷路器和變頻器等都屬于是變頻器的主要電路，斷路器用來切斷電動機的主電路，主電路出現(xiàn)過流情況時，斷路器會馬上運行，將異常線路斷開。有關(guān)變頻器操控的工藝需求，要細致的對變頻器相關(guān)的硬件接線進行掌握，能夠設(shè)計出接線圖。參見圖3.3所示：圖3.3變頻器的接線圖3.5可編程控制器的接線設(shè)計在設(shè)計四層電梯的控制體系時比較關(guān)鍵的構(gòu)成部分是PLC布線。PLC布線在硬件設(shè)計中占據(jù)關(guān)鍵位置。市場上全部PLC的指導(dǎo)原則基本統(tǒng)一。電源、DO輸出和DI輸入接線一起組成接線原則。根據(jù)CRS控制策略和總體設(shè)計方案，確定了控制器的輸入輸出比例。全部是AC220V。參照設(shè)備設(shè)計解析和PLC電路設(shè)計要求，為之后的系統(tǒng)改進準備充分的輸入和輸出備件。下圖給出的是此次系統(tǒng)里面的硬件接線情況。圖3.4可編程控制器的接線圖圖3.5擴展模塊的接線圖第四章電梯控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1程序流程功能圖設(shè)計設(shè)計控制四層電梯上下行程序。設(shè)定電梯在N（N=1,2,3,4,5）樓停留，M樓接收信號，M比N大時，電梯處于上行狀態(tài)；M比N小時，電梯處于下行狀態(tài)。具體見下圖。圖4.1電梯上下行控制流程圖關(guān)于電梯上下功能的控制，當電梯運行時，它不會收到反向命令，但如果沒有內(nèi)部呼叫信號，它會在只有相反順序時作出響應(yīng)。此流程圖顯示電梯以第一個反向方向響應(yīng)。如果電梯保持在給定樓層，如果上層接收到向下信號，則電梯響應(yīng)最遠的向外向下方向信號。同樣的原理：“當電梯在特定樓層時，如果下層有向上的指令，它會響應(yīng)第一個向上的信號。有關(guān)此響應(yīng)的最遠程反轉(zhuǎn)功能，請參見下圖。圖4.2電梯最遠反向響應(yīng)流程圖對于電梯門的打開和關(guān)閉控制，當電梯到達特定目標層時，系統(tǒng)發(fā)送打開信號，電梯門打開。當達到開啟極限時，電梯門停止，時間延遲。最后，如果沒有人進入電梯，電梯會自動關(guān)閉。門關(guān)閉時，電梯門暫時關(guān)閉。當電梯門關(guān)閉時，如果乘客在場，電梯門立即打開并再次延遲。當達到延遲時，如果電梯內(nèi)無人，電梯將自動關(guān)閉。圖4.3電梯開關(guān)門流程圖4.2程序的設(shè)計使用STEP7Micro/win進行編程，并根據(jù)電梯控制設(shè)計和PLC控制配置要求鍵入程序。根據(jù)要求，設(shè)計必須具有清晰易寫的糾正程序和規(guī)定。下圖給出了一些梯形圖和解釋：圖4.4部分程序梯形圖4.3四層電梯控制的上位機設(shè)計此設(shè)計在以四層電梯為目標對組態(tài)王實施設(shè)計，根據(jù)組態(tài)王設(shè)計的流程和需求開啟工程管理器，構(gòu)建項目，詳情見下圖：圖4.5工程管理器構(gòu)建項目時，必須命名項目并設(shè)置項目的存儲地址。系統(tǒng)設(shè)計包括開發(fā)和使用，開發(fā)是項目的顯示、變量等。計劃。關(guān)于運行方面，重點是對系統(tǒng)實施仿真，依靠運行軟件能夠?qū)δ壳跋到y(tǒng)的工作情況進行仿真。便能夠?qū)⑿马椖繕?gòu)建出來，具體見下圖顯示。圖4.6項目建立對話框設(shè)定好項目稱謂和儲存地址以后，便能設(shè)計項目中的驅(qū)動組態(tài)，主要是設(shè)計項目的串口，依靠設(shè)定串口去設(shè)定通訊波頻率、地址等。下圖顯示了此次設(shè)計使用的是9600波特率，采用的是RS232通信方式。圖4.7串口設(shè)置對話框設(shè)定好通訊驅(qū)動以后，便要增設(shè)驅(qū)動，該結(jié)構(gòu)基于西門子S7-200型驅(qū)動器。設(shè)置駕駛員地址和相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)，詳見下圖。圖4.8驅(qū)動程序建立對話框一旦驅(qū)動步驟完成，下一步就是規(guī)劃項目。首先，有關(guān)設(shè)計新變量的信息，請參見系統(tǒng)過程需求和設(shè)計可視化任務(wù)。在設(shè)計變量時，它包括I/O整數(shù)、I/O離散值等。設(shè)計參數(shù)根據(jù)工程實際情況設(shè)置初始參數(shù)和邊界參數(shù)。如果沒有其他要求，則默認值就足夠了。有關(guān)更多信息，請參見下圖。圖4.9變量設(shè)置對話框根據(jù)增設(shè)變量的流程，和系統(tǒng)設(shè)計的需求綜合起來，設(shè)計新增的各個變量，詳細增設(shè)的結(jié)果見下圖。圖4.10變量列表圖變量添加完成后，以下是設(shè)計系統(tǒng)的視覺顯示，其中應(yīng)盡可能顯示當前系統(tǒng)條件和參數(shù)設(shè)置。信任工具箱添加和更改所有對象，并根據(jù)其位置進行規(guī)劃。信號燈、數(shù)據(jù)顯示等。都是畫面設(shè)計的內(nèi)容。有關(guān)更多信息，請參見下圖。圖4.11畫面設(shè)計圖向系統(tǒng)添加動畫，特別是信號燈和一些需要通過動畫顯示的對象。系統(tǒng)相信添加對象將能夠根據(jù)流程要求顯示動畫。有關(guān)更多信息，請參見下圖。圖4.12動畫設(shè)計對話框總結(jié)本文主要以四層電梯的相關(guān)內(nèi)容為基礎(chǔ)，對電梯主機和門機進行變頻指令，必須滿足設(shè)計中的升降和開關(guān)門要求。根據(jù)電梯的技術(shù)要求和變頻終端與系統(tǒng)的集成，對系統(tǒng)的PLC電路進行了設(shè)計，在滿足電梯控制需求的基礎(chǔ)上進行了程序功能分析。1.在選擇硬件設(shè)施型號的時候，著重細致的介紹可編程控制器，依靠I/O運算和對比篩選，選擇和本系統(tǒng)相符的可編程控制器，介紹和選定變頻器和傳感器，在這個前提下，將系統(tǒng)整體的方案設(shè)計出來，確定輸出和輸入，對硬件操控思路和相關(guān)要求進行分析。2.在設(shè)計硬件的時候需要參照系統(tǒng)的整體方案去分析硬件，最重要的是設(shè)計電路圖和其他圖表。根據(jù)設(shè)計要求，考慮到原理圖安全性，設(shè)計了相應(yīng)的保護功能。3.在系統(tǒng)的軟件設(shè)計方面，具體分析此系統(tǒng)所需的工藝并且設(shè)計出程序流