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1、课程设计(论文)三层电梯 PLC 控制系统设计THREE LAYERS OF THE ELEVATOR PLCCONTROL SYSTEM DESIGN学 生 姓 名学 院 名 称学 号班 级专 业 名 称指 导 教 师乔 浩信 电 工 程 学 院14611 电 气 1电 气 工 程 及 其 自 动 化曹 言 敬2014 年12 月15 日摘要本论文阐述了可编程控制器 PLC 在电梯控制系统中的应用，介绍了 3 层楼电梯的 PLC 控制系统的总体设计方案、设计过程、组成，列出了具体的主要硬件电路、I/O 分配表、电梯的控制梯形图及指令表，并给出了系统组成框图和程序流程图。在分析处理随机信号逻辑
2、关系的基础上，进行了 PLC 的编程方法，设计了一套完整的电梯控制系统方案。电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。目前电梯设计使用可编程控制器(PLC)，功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少，使电梯运行更加安全、方便、舒适。本课程设计基于西门子（SIEMENS）S7-200 PLC 对三层电梯的控制进行了模拟，形成了电梯升降的系统 PLC 在电梯升降的过程中，主要体现在逻辑开关的功能。由于 PLC 具有逻辑运算、记数、定时以及输出输入输出的功能，在电梯升降的过程中各种逻辑开关控制与 PLC 很好的结合，对电梯实现了控制。关键词关
3、键词PLC；电梯控制；程序设计；梯形图目目录录1 绪论.错误错误!未定义书签。未定义书签。背景知识.错误错误!未定义书签。未定义书签。电梯基本结构.1课程设计目的.3课程设计要求.3课程设计任务.4控制要求.4系统分析.4硬件设计.4软件设计.42 电梯控制系统硬件设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。模拟设备面板图展示.错误错误!未定义书签。未定义书签。选择机型.6 I/O 分配表.6 PLC 外部接线图.7电梯控制系统的安全保护.8短路保护.8过载保护.8失电压保护.8超程保护.93 电梯控制系统软件设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。软件设计流程图.错误错误!未定义书签。未定义书签
4、。源代码设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。MCGS 组态设计.15系统调试.17结论.18致谢.19参考文献.201 绪论背景知识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。在许多交通设备中，电梯是自动化程度最高的先进设备的一种。随着现代化生产规模的不断扩大和人民生活水平的不断提高，电能供需矛盾日益突出，节电呼声日益高涨。有关统计数据表明，电动机拖动负载消耗的电能占总耗电量的 70%以上。因此，电动机拖动系统节约电能具有特别的社会意义和经济效益。电动机拖动系统节约电能的途径主要有：一是提高
5、电动机拖动系统的运行效率，如风机、水泵调速是以提高负载运行效率为目标的节能措施，再如电梯曳引机采用变频调速取代异步电动机调压调速是以提高电动机运行为目标的节能措施；二是将运动中负载上的机械能（动能、势能）通过能量回馈器变化成电能（再生电能）并回送给交流电网，供附近其他用电设备使用，使电动机拖动系统在单位时间内消耗电网电能下降，从而达到节约电能的目的。以前的电梯主要采用单片机控制，其性能等各方面都不太完善，现在电梯控制系统多采用 PLC，从电梯的性能、器件的灵活性及安全保障方面等都有了很大的提高。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
6、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。由PLC 控制代替传统继电器控制已成为发展定局 PLC 是集计算机控制、自动控制技术、通信技术为一体的新型自动控制装置。它的编程软件采用易学易懂的梯形图语言，控制灵方便，抗干扰能力强，运行稳定可靠，通过对电梯控制系统的研究和设计，可以更加深入的了解和认识 PLC 技术的核心和
7、未来发展的方向。电梯基本结构从总的来讲，电梯由机械系统和电气控制系统两部分组成：而电器部分由电力拖动系统，运动逻辑功能控制系统和电器安全保护等系统组成。1.曳引系统电梯曳引系统的功能是输出传动和传递动能，驱动电梯运行。主要由曳引机、曳引钢丝绳导向轮和反绳轮组成。(1)曳引机曳引机为电梯的运行提供动能，由电动机、曳引轮和电磁制动器组成。(2)曳引钢丝绳曳引钢丝绳由曳引钢丝、绳股和绳心组成。(3)导向轮和反向轮导向轮是将钢丝绳向对重或轿厢的钢丝绳轮，安装在曳引机架或承重梁上。反绳轮是设置再机房上的定滑轮，其作用是根据需要，将曳引钢丝绳绕过反绳轮，用以构成不同的曳引绳传动比。(4)根据电梯的使用要求
8、和建筑物具体情况，电梯曳引绳传动比、曳引绳在曳引轮上的缠绕方式以及曳引机的安装位置都有所不同。2.桥厢和门系统(1)轿厢轿厢是用来安全运送乘客及物品到目的的箱体装置，它的运行轨迹是在曳引机钢丝绳的牵引下沿导轨上下运行。(2)门系统电梯门分为轿厢门和厅门,轿厢门是用来封住出入口，厅门是为了确保在候梯厅的安全而设置的开闭装置只有在轿厢停层和平层时才能被打开。3.重量平衡系统对重是平衡轿厢重量的平衡重，与轿厢分别悬挂在曳引钢丝绳的两端。对重由以槽钢为主所构成的对重架和用灰铸铁制造的对重快组成。轿厢侧的重量为轿厢自重与负载之和，而负载的大小却在空载与额定负载之间随机变化。因此只当轿厢自重与载重之和等于
9、对重重量时，电梯才处于完全平衡状态。此时的载重称为电梯的平横点，而在电梯处于负载变化范围内的相对平衡状态时，应使曳引绳两端张力的差值小于由曳引绳与曳引轮槽之间的摩擦力所限定的最大值，以保证电梯曳引传动系统工作正常。4.导向系统导向系统由导轨、导靴和导轨架组成，导轨用来在井道中确定轿厢与对重的相互位置，并对他们的运动起导向作用。5.保护系统对现代电梯的运行必须保证安全。为此，设置了由电气安全保护装置和机械安全保护装置组成的电梯安全保护系统。(1)电气安全保护装置为了保证电梯的安全运行，在井道中设置有终端超越保护装置。实际上，这是一组防止电梯超越下端或上端站的行程开关，能在轿厢或对重撞底、冲顶之前
10、，通过轿厢打板直接触碰这些开关来切断控制电路或总电源，在电磁制动器的制动抱闸作用下，迫使电梯停止运行。(2)机械安全保护装置当电梯电气控制系统由于出现故障而失灵时，会造成电梯超速运行。如果电气超速保护系统也失灵，甚至电磁制动器也不起作用，就会使电梯失控而出现“飞车”，甚至会出现曳引钢丝绳严重打滑等严重事故，这时就要靠机械安全保护装置提供最后的安全保护。对于电梯超速的失控现象的机械安全保护装置是限速器和安全钳，这两种装置总是相互配合使用。6.电力拖动系统电力拖动系统由曳引电动机、速度反馈装置、电动机调速控制系统和拖动电源系统等部分组成。其中曳引电动机为电梯的运行提供动力；速度反馈装置是为电动机调
11、速控制系统提供电梯运行速度实测信号的装置，一般为与电动机同轴旋转的测速发电机，或电光脉冲发生器。7.运行逻辑控制系统电梯的电气控制系统由控制装置、操纵装置、平呈装置和位置显示装置等部分组成。其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求，控制电梯的运行，设置在机房中的控制柜（屏）上。课程设计目的1.了解常用电气控制装置的设计方法、步骤和设计原则。2.通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。3.本次课程设计应强调，在独立完成课程设计的同时，培养学生查阅书籍、参考资料、产品手册、工具书的能力，上网查询信息的能力，运用计算机进行工程绘
12、图的能力，编制技术文件的能力等，从而提高学生解决实际工程技术问题的能力。课程设计要求1.确定控制方案，设计电气控制装置的主电路。2.应用 PLC 设计电气控制装置的控制程序。可分为 5 个步骤：(1)选择 PLC 的机型及 I/O 模块的型号，进行系统配置并校验主机的电源负载能力；(2)根据工艺流程图绘制顺序功能图；(3)列出 PLC 的 I/O 分配表，画出 PLC 的 I/O 接线图；(4)设计梯形图并进行必要的注释；(5)输入程序并进行室内调试及模拟运行。3.设计电气控制装置的照明、指示及报警等辅助电路。系统应具有必要的安全保护措施，例如，短路保护、过载保护、失电压保护、超程保护等。4.
13、选择电气元件的型号和规格，列出电气元件明细表。选择电气元件时，应优先选用优质新产品。5.绘制正式图样，要求用计算机绘图软件绘制电气控制电路图，用 STEP7-Micro/Win32 编程软件编写梯形图。要求图幅选择合理，图、字体排列整齐，图样应按电气控制图国家标准有关规定绘制。6.编写设计说明书及使用说明书。内容包括阐明设计任务及设计过程，附上设计过程中有关计算及说明，说明操作过程、使用方法及注意事项，附上所有的图表、所用参考资料的出处及对自己设计成果的评价或改进意见等。课程设计任务控制要求1.电梯由安装在个楼层电梯口的上升下降呼叫按钮（U1、U2、D2、D3），电梯桥厢内楼层选择按钮（S1、
14、S2、S3），上升下降指令（UP、DOWN）,各楼层到位行程开关（SQ1、SQ2、SQ3）组成。电梯在上升过程中只响应向上的呼叫，在下降的过程中只响应向下的呼叫，电梯向上或向下的还哦执行完成后再执行反向呼叫。2.电梯等待呼叫时，同时有不同呼叫时，谁先呼叫执行谁。3.具有呼叫记忆、内选呼叫指示功能。4.具有楼层显示、方向指示、到站声音提示功能。系统分析为了实现上述要求，首先列出 PLC 的 I/O 分配表，并画出 PLC 的 I/O 接线图，然后选择 PLC 的机型及 I/O 模块的型号，进行系统配置并校验主机的电源负载能力。根据控制要求，编写梯形图及语句表，调试程序直到准确无误。硬件设计1.列
15、出 PLC 的 I/O 分配表，并画出 PLC 的 I/O 接线图；2.选择 PLC 的机型及 I/O 模块的型号，进行系统配置并校验主机的电源负载能力；3.设计必要的安全保护措施，例如，短路保护、过载保护、失电压保护、超程保护等。软件设计1.采用模块化程序结构设计软件，首先将整个软件分成若干功能模块；2.编写控制系统的逻辑关系图；3.绘制各种电路图；4.编制 PLC 程序并进行模拟调试；5.现场调试；6.编写技术文件并现场试运行。2 电梯控制系统硬件设计模拟设备面板图展示图 2-1 面板图如图 2-1，其中 S1、S2、S3 分别为轿厢内一层、二层、三层电梯内选按钮；D2、D3 分别为二层、
16、三层电梯外下降呼叫按钮；U1、U2 分别为一层、二层电梯外上升呼叫按钮；SQ1、SQ2、SQ3 分别为一层、二层、三层行程开关，模拟实际电梯位置传感器的作用。L1、L2、L3 分别为一层、二层、三层电梯位置指示灯；DOWN 为电梯下降状态指示灯；UP 为电梯上升状态指示灯；SL1、SL2、SL3 分别为轿厢内一层、二层、三层电梯内选指示灯。选择机型PLC 的种类非常繁多，不同种类之间的功能设置差异很大，这既给 PLC 机型的挑选提供了十分广阔的空间，同时也带来了一定的难度。机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，力争最好的性价比，并有一定的升级空间。考虑到本次设计的电梯系统只有 3 层，
17、且开关量居多，模拟量较少；对于开关量控制为主的系统而言，一般 PLC 的响应速度足以满足控制的要求，在小型 PLC 中整体式比模块式的价格便宜，体积也小，但是在设计活动中，经常碰到一些估计的指标，在设计活动中需要进行局部调整，另外模块式 PLC排除故障所需时间短；我们估算输入输出接口比较多；由于考虑到本次设计的电梯系统只有 3 层，考虑到工厂造价，我们采用离线编程的方式，以减小软硬件的开销。统计输入、输出点数并选择 PLC 型号：输入信号有 10 个，考虑到有 15的备用点，即 10（115），取整数 11，因此共需 11 个输入点。输出信号有 9 个，考虑到有 15的备用点，即 9（115）
18、，取整数 10，因此共需 10 个输出点。因此可选用 CPU224 类型可编程控制器，它有 14 个输入点，10 个输出点，满足本例的要求。I/O 分配表表 2-3 I/O 分配表电气符号序号PLC地址（PLC端子）（面板端子）功能说明123456789序号PLC地址（PLC端子）1011S3S2S1D3D2U2U1SQ3SQ2电气符号SQ1L3三层内选按钮二层内选按钮一层内选按钮三层下呼按钮二层下呼按钮二层上呼按钮一层上呼按钮三层行程开关二层行程开关续表 2-3功能说明一层行程开关三层指示（面板端子）12L2L1DOWNUPUP1DN2UP2DN3二层指示一层指示轿厢下降指示轿厢上升指示一层
19、呼叫灯二层向下呼叫灯二层向上呼叫灯三层呼叫灯电源正端1314151617181920主机 1M、面板 V+接电源+24V主机 1L、2L、3L、面板 COM21电源地端接电源 GND表 2-3 电梯由安装在各楼层门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵，其操纵内容为电梯运行方向。电梯轿箱内设有楼层内选按钮 S1S3，用以选择需停靠的楼层。L1 为一层指示、L2 为二层指示、L3 为三层指示，SQ1SQ3为到位行程开关。电梯上升途中只响应上升呼叫，下降途中只响应下降呼叫，任何反方向的呼叫均无效。例如，电梯停在由一层运行至三层的过程中，在二层轿箱外呼叫时，若按二层上升呼叫按钮，电梯响应呼叫；若按二层下
20、降呼叫按钮，电梯运行至二层时将不响应呼叫运行至三层，然后再下降，响应二层下降呼叫按钮。PLC 外部接线图图 2-4 PLC 外部接线图PLC 的输入输出模块与外部用户设备的接线方式分为汇点式和分割式，两种方式的区别在于：选用汇点式接法的系统使用的电源电压唯一，而选用分割式接法的系统电源电压不唯一。电梯控制系统的安全保护电梯控制系统的安全保护主要包括四个方面：短路保护、过载保护、失电压保护和超程保护等。短路保护短路时熔断器 FU 的熔体熔断而切断电路起保护作用。过载保护采用热继电器 FR。由于热继电器的热惯性较大，即使发热元件流过几倍于额定值得电流，热继电器也不会立即动作。因此在电动机启动时间不
21、太长的情况下，热继电器不会动作，只有在电动机长期过载时，热继电器才会动作，用它的常闭触头使控制电路断电。失电压保护通过接触器 KM 的自锁环节来实现。当电源电压由于某种原因而严重欠电压或失电压（如停电）时，接触器KM 断电释放，电动机停止转动。当电源电压恢复正常时，接触器线圈不会自行通电，电动机也不会自行启动，只有在操作人员重新按下启动按钮后，电动机才能启动。超程保护超程也叫超行程，术语多用于电力设备断路器。超程是真空开关触头完全闭合后，动或静触头所能移动的距离。超程的作用主要有以下几点：1.保证触头在电磨损后仍能保持一定的接触压力；2.触头闭合时能利用触头弹簧力缓冲，减小弹跳；3.在触头分闸
22、时，使动触头获得一定的初始的动能，拉断熔焊点，提高初始分闸速度，减小燃弧时间，从而提高介质恢复的速度。如果超程太小，就不能保证触头在烧损后应有的触头压力，同时，初始分闸速度变小，会影响真空开关的开断关合和动热稳定性能，甚至产生重合闸弹振。若超程太大，会增加操作机构的合闸功，使合闸变得极不可靠。真空开关的超程取额定开距的 15%40%左右，10 kV 级真空开关的超程一般取34 mm。现在的真空开关动静触头之间的接触一般采用平板接触，要保证接触良好，就要保证相当的接触压力，超程是指开关动静触头接触后，触头弹簧的压缩行程，其目的是为了保证接触压力，从而保证开关接触良好。软件设计流程图3电梯控制系统
23、软件设计图 3-1 软件设计图如图 3-1，电梯启动时，检测电梯是否停在二或三楼层且有呼叫信号，如果是就等待呼叫信号，如果不是时，电梯自动下降到一层等待呼叫信号。当检测到有呼叫信号时，例如：电梯停在一层时检测到三层呼叫信号，电梯离开一层经过二层，接着到达三层，电梯停止。当电梯停前检测到呼叫信号，例如：电梯停在一层时检测到三层呼叫信号，电梯离开一层经过二层，准备到达三层时检测到二层呼叫信号，电梯停在三层后继续下降到二层等待呼叫信号。源代码设计及 MCGS 组态设计由于 PLC 是由取代继电器开始产生并发展起来的，且早期的PLC 绝大部分用于顺序控制，于是许多人习惯把 PLC 看作是继电器、定时器
24、、计数器的集合。把PLC 的作用局限地等同于继电控制系统顺控器等，其实 PLC 就是工业控制计算机 PLC 系统具有一切计算机控制系统的功能，大型的 PLC 系统就是当代最先进的计算机控制系统。小型的 PLC 由于运算速度及存贮容量的限制功能自然稍弱。但为了使PLC 在其基本逻辑功能 顺序步进功能之外具有更进一步的特殊功能以尽可能多地满足 PLC 用户的特殊要求，从80 年代开始 PLC 制造商就逐步地在小型PLC 中加入一些功能指令或称为应用指令。这些功能指令实际上就是一个个功能不同的子程序。随着芯片技术的进步，小型 PLC 的运算速度、存贮容量不断增加，其功能指令的功能也越来越强。许多技术
25、人员梦寐以求甚至以前不敢想象的功能，通过功能指令就成为极容易实现的现实 从而大大提高了 PLC的实用价值。具体程序如下：MCGS 组态设计MCGS 是一套基于 windows 平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。该界面是用来在教学过程中演示三层电梯工作过程的，全部的运行都在 MCGS 上控制完成，也就是说用 MCGS 代替了 PLC 的程序控制运行过程，所以制作简单，且能很好的展示 PLC 实训目标。具体步骤如下：1.建立 M
26、CGS 工程进入组态环境后，建立新工程，在菜单“文件”中选择“工程另存为”选项，把新建工程存为：D：MCGSWORK三层电梯演示。2.设计画面流程新建窗口，设置窗口属性后，进入动画编辑窗口。绘制三层电梯演示界面如下：图3-1电梯演示图3.动画链接由对象搭制而成的图像界面是静止不动的，需要对这些对象元件进行动画设计，实时地描述外界对象的状态变化，达到实时监控的目的。实现图像动画设计的主要方法是将用户窗口中元件对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的属性。在系统运行过程中，元件对象的外观和运动特性，由数据对象的实时采集数据驱动，从而实现了图像的动态效果。(1)指示灯的属性设置在用户
27、窗口中，双击五层电梯组态设计窗口进入，选中一层内选指示图标并双击，弹出单元属性设置窗口。图3-2 指示灯属性设置(2)轿厢属性设置双击界面中表示电梯上升下降的轿厢，弹出属性设置窗口，属性设置如下：图3-3 轿厢属性设置(3)数值型变量的设置数值型变量一共有六个，以变量F1LEFT 为例：一层左门的属性设置如下图所示。图3-4 数值型变量属性设置系统调试1.检查实训设备中器材及调试程序。2.按照 I/O 端口分配表或接线图完成 PLC 与实训模块之间的接线，认真检查，确保正确无误。3.打开示例程序或用户自己编写的控制程序，进行编译，有错误时根据提示信息修改，直至无误，用PC/PPI 通讯编程电缆
28、连接计算机串口与 PLC 通讯口，打开 PLC 主机电源开关，下载程序至 PLC 中，下载完毕后将 PLC 的“RUN/STOP”开关拨至“RUN”状态。4.将行程开关“SQ1”拨到 ON，“SQ2”、“SQ3”拨到 OFF，表示电梯停在底层。5.选择电梯楼层选择按钮或上下按钮。例：按下“D3”电梯方向指示灯“UP”亮，底层指示灯“L1”亮，表明电梯离开底层。将行程开关“SQ1”拨到“OFF”，二层指示灯“L2”亮，将行程开关“SQ2”拨到“ON”表明电梯到达二层。将行程开关“SQ2”拨到“OFF”表明电梯离开二层。三层指示灯“L3”亮，将行程开关“SQ3”拨到“ON”表明电梯到达三层。6.重
29、复步骤 5，按下不同的选择按钮，观察电梯的运行过程。结论在设计过程中，理论联系了实际。逐渐了解及掌握了电梯的机械设备的结构,控制运动的组成及工作原理。例如在电梯的运动控制过程中，为了满足当今人们的需求，要求电梯运动必须达到“稳、准、快”的要求，这就需要根据整个系统的实际应用和工作情况，让电梯的运行速度、反映时间和停层的准确度达到一定的标准，而对梯的速度、运行状态、安全、可靠进行合理的设计。因此系统的设计要综合考虑曳引机的放置、占用空间及控制系统的可靠性等。这样才能保证系统的正常运行。再次回顾及加深了 PLC 的学习，了解了 PLC 的起源，发展及在各种场合上的应用，清楚了如今PLC 的动向。总
30、的来说这次 PLC 课程设计，考验了我对理论知识的运用能力，锻炼了对故障排除的分析能力，值得感谢的是当我们遇到困难时，老师耐心指导，帮我们一起分析故障，共同解决困难。另外，这课程设计也为了我们以后的毕业设计提供了很好的经验，建立基础，可以说是意义重大，影响深远。致谢整个设计过程很快过去了，我学到了很多可编程控制器的知识，以及许多的课外知识。尤其是在导师指导和同学协助下，才会顺利完成这次设计。在这次设计中，我也发现了自己很多不足之处，例如：知识面较窄，思考问题过于狭隘，思路过于陈旧。因此，在以后的学习生活中，应广泛的学习各种知识，并把它们与自己所学的专业联系在一起，大胆地放开思路，勇于创新求实。我还要感谢舍有对我的帮助与支持，在我遇到困难时总是他们在一旁鼓励我坚持下去。本文是在指导教师的悉心指导下完成的，从论文选题、实验指导、理论分析到论文修改，无不倾注了老师的辛勤汗水。在此，向所有曾经关心和帮助过我的老师、同学和朋友致以诚挚的谢意！参考文献参考文献1陈建民.电气控制与 PLC 应用M.北京：电子工业出版社，2011.2林德杰.过程控制仪表及控制系统M.北京：机械工业出版社，2010.3刘刚.Protel DXP 2004 SP2 原理图与 PCB 设计M.北京：电子工业出版社，2009.