1、基于PLC的电梯控制系统设计课程设计东北石油大学课程设计课 程 电气工程课程设计题 目 基于 PLC 的电梯控制系统设计 院 系 电气信息工程学院电气工程系专业班级学生姓名学生学号 指导教师2013 年 11 月 29 日东北石油大学课程设计任务书课程 电气工程课程设计题目 基于 PLC 的电梯控制系统设计专业 姓名 学号主要内容： 为保证电梯运行既高效节能又安全可靠，必须改进电梯控制方式。根据顺序逻辑控制的需要发展起来的可编程控制器 (PLC)，它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。 PLC 处理速度快，可靠性高，能够保证电梯正常、 安全、可靠地运行。同时，由于电机交流变频
2、调速技术的发展，电梯的拖动方式 己由原来直流调速逐渐过渡到变频调速，不仅能满足乘客的舒适感和保证平稳的 精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用，本文将基于 PLC 的变频调速方法应用到电梯系统中。参考资料：1叶安丽.电梯技术基础 M .北京:机械工业出版社， 2007.65-802李秧耕，何乔治，何峰峰 . 电梯基本原理及安装维修全书 M. 北京:机械工业出 版社， 20033陈伟国.电梯的速度控制研究 : 硕十学位论文 D.杭州: 浙江工业大学， 20054李雪枫，武丽梅，李立新 .电梯机械系统的动态特性分析 M .机械工程师， 20075钟肇新，范建东. 可编程序控制器原理及应用 J
3、.广州:华南理工大学出版社，2002 成期限 2013.11.18至 2013.11.24指导教师专业负责人2013 年 11 月 29 日1设计要求 12电梯设备简介 12.1电梯的分类 12.2电梯的主要参数 12.3电梯的安全保护装置 23PLC电梯系统的选择及其控制系统的发展 33.1电力调速系统的应用与发展 33.2电机调速系统的设计 33.3异步电机的调速方法及经济技术比较 43.4井道信号系统的设计 73.5电梯控制系统的设计 73.6可编程控制器 (PLC)的选型 83.7设计思路 84系统软件开发 124.1 电梯的自检状态 124.2电梯的正常工作状态 124.3系统的软件
4、开发过程 124.4程序框图设计 13参考文献 . 15附录 A 电梯梯形图控制程序 161设计要求随着现代经济和城市生活的发展，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。传统继电器电梯控制系统，由于继电器本 身的机械和电磁惯性大，大大降低了电梯系统的可靠性和安全性。为了保证电梯运行既 高效节能又安全可靠，必须改进电梯控制方式。根据 PLC 电梯控制系统所具有的优点， 和电梯的变频调速控制的介绍，及变频器类型和参数设计的相关知识确定 PLC 选型原 则以及 PLC 控制系统的设计思路。在此基础上，根据电梯系统自身的工作状态要求， 进行电梯系统的 PLC
5、 软件开发，通过软件开发的特点，结合 PLC 自身的控制规律，设 计出可实现一定功能的 PLC 电梯控制系统。最后的模拟调试结果表明，基于 PLC 的变 频调速电梯系统运行效率高，系统安全可靠性强，并且系统构造简单易于实现，满足了 对电梯系统期望的要求。2电梯设备简介2.1电梯的分类电梯的分类有各式各样：按用途分类乘客电梯；载货电梯；客货电梯；病床电梯；杂物电梯住宅电梯；特 种电梯。按速度分类低速电梯 1M/S以下；高速电梯 12M/S超高速电梯 4M/S 以上。 按驱动电源分类交流电梯速度一般小于 2M/S,直流电梯速度一般大于 2M/S。 按控制方式分类层间控制；简易集选控制；集选控制有无
6、司机控制。2.2电梯的主要参数载重量 (KG) 制造和设计规定，电梯的额定载重量。轿厢尺寸 (MM) 宽* 深* 高。轿厢形式有单或双面开门及其他特殊要求等，以及对轿顶、轿底、轿壁的处理， 颜色的选择，对电话的要求等等。轿门形式有栅栏门、封闭式中分门、封闭式双折门、封闭式双折中分门等。开门宽度 (MM) 轿厢门和层门完全开启时的净宽度。开门方向人在轿外面对轿厢门向左方向开启的为左开门， 门向右方向开启的为右 开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称中分门。曳引方式常用的有半绕 1：1 吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。 半绕 2：1 吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳运行速度的一
7、半。全绕 1：1吊索法，轿 厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。额定速度 (M/S) 制造和设计所规定的电梯运行速度。电气控制系统包括控制方式、拖动系统的形式等。如交流电机拖动或直流电机拖 动，轿内按钮控制或集选控制等。停层站数 (站 )凡在建筑物内各楼层用于出入轿厢的地点均称为站。提升高度 (MM) 由底层端站楼面至顶层端站楼面之间的垂直距离。顶层高度 (MM) 由底层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂 直的距离。电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。底坑深度 (MM) 由底层端站楼面至井道底面之间的垂直距离。电梯的运行速度越 快，底坑一般越深。井道高度 (MM) 由井道底面至
8、机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距 离。井道尺寸 (MM) 宽*深。电梯的主要参数是电梯制造厂设计和制造电梯的依据。用 户选用电梯时，必须根据电梯的安装使用地点、载运对象等，按标准的规定，正确选择 电梯的类别和有关参数与尺寸，并根据这些参数与规格尺寸，设计和建造安装电梯的建 筑物，否则会影响电梯的使用效果。电器设备及控制装置：有曳引机，选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮 和厅外指示器组成。其它装置：对重装置、补偿装置等。2.3电梯的安全保护装置电磁制动器：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。强迫减速开关：起分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶
9、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。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。行程极限保护开关：当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关动作。 急停按钮：装于轿厢司机操纵盘上，发生异常情况时，按此按钮切断电源，电磁 制动器制动，电梯紧急停车。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
10、关等。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。 其它的开关：安全窗开关，钢带轮的断带开关等。3PLC 的选择及其控制系统的硬件开发3.1电力调速系统的应用与发展随着时代的进步和科技的发展， 拖动控制的电力调速系统在工农业生产、 交通运输、 国防军事设施以及日常生活中越来越得到了广泛的应用。根据转速是否变化，可以将各 类生产机械分为恒速拖动与变速拖动机械两大类，而在现代的各行各业中，绝大多数的 机械都有着调速的要求，使得对变速拖动系统的研究具有重要的现实意义。长期以来，直流电机调速系统一直在调速领域占主导地位，这主要是因为直流电动 机调速方便。而且在磁场一定的条件下，它的转速和电
11、枢电压成正比，使其转动矩容易 控制。因此直流电动机调速比较容易得到良好的动态特性， 但是直流电动机的结构复杂、 制造费时、价格昂贵、可靠性差、运行出现火花等缺点使得直流电动机远远不能适应现 代化生产向高速、大容量发展的要求。交流电动机特别是鼠笼型异步电动机，由于它结构简单，制造方便，价格低廉，而 且坚固耐用，运行可靠，维护量少，可用于恶劣环境等优点，在工农业生产中得到了极 其广泛的应用。但由于交流电动机平滑调速比较困难，在早期采用的主要是绕线式异步 电动机转子外串电阻和鼠笼型异步电动机变极调速。 在 30 年代提出了串级调速的方法， 但是带来调速系统复杂，不容易控制的矛盾。直到本世纪 50 年
12、代中期，晶闸管研制成 功，开创了电力电子技术发展的新时代， 使交流电机调速技术得以应用。 在印年代初期， 几位著名的专家提出了实用和高效的静止变压变频器。虽然交流电动机有许多优点，但 由于变频器的成本高，以及需要比较复杂的控制系统，在与直流传动的竞争中受到了阻 碍，在 70 年代中期，在全世界范围内出现能源危机，节约能源的问题世界瞩目。作为 节约能源的一个重要手段，电机的调速问题得到了重视，许多过去一般不调速的装置也 采用了调速，由此对交流电动机调速技术的发展起了很大的推动作用。由此可见，研究 电力传动系统，特别是交流调速的问题有着重要的意义。3.2电机调速系统的设计在电梯拖动控制系统中速度曲
13、线图形直接影响着电梯的舒适感和平层准确度。 如果电梯在启动加速和减速制动时，速度曲线图性的加、减交界处不圆滑，乘客会感觉很不舒服，为了满足舒适感提高运输效率及正确平层要求，电梯的速度给定曲线是一个关键 环节。人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率，舒适感就意味着要平滑的加 速和减速。为了获得良好的舒适感， 将电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线 (S 曲 线)及一段直线构成，而这一曲线形状的构成及改变，则是由加速度斜率及 S 曲线变化率决定的。加速斜率是以速度给定从 0 加速到 1000转/分所需要的时间来定义的。其意 义为加速度由 0 加速到 1000转/秒2所需要的时间。因此通过改
14、变起动加速时间可获得不 同的起动曲线斜率。增大加速时间值起动曲线变缓，反之，起动曲线变急。同理，增加 S 曲线变化率起动曲线弯曲部分变缓，反之，起动曲线弯曲部分变急。而 S 曲线变化率的变化，也可通过改变 S曲线起始、终了加速时间来实现， 本设计采用的 616G5 变频器 就具有 S曲线加速时间设定功能， 故将加速时间和 S 曲线加速时间配合调整， 即可获得 理想的起动曲线。 同理，制动曲线也可按此方法调整。 理想的电梯速度给定曲线如图 3-1 所示。图 3-1 速度运行曲线图中 A 为加速度， V 为速度，0-T1 和 T2-T3 时间内为抛物线速度曲线， T1-T2 时间 内为直线速度曲线
15、 ;T3-T4 时间内为稳速运行阶段； T4-T 时间内为减速制动阶段。减速 制动阶段速度曲线与加速起动阶段相对称。3.3异步电机的调速方法及经济技术比较异步电动机转速表达式为 :4-1)n=no(1-s) =60f o/p(1-s)式中:，no 同步转速； fo 电源频率；P 电动机的磁极对数；S 异步电动机的转差率从式（ 4-1）可以看出，要调节异步电动机的转速，可以从改变下列三个参数入手： 改变异步电动机定子绕组的磁极数 -即变极调速；改变异步电动机的转差率 -即改变转 差率调速；改变供电电源的频率 -即变频调速。变极调速 对于鼠笼型转子结构的异步电动机，其转子的极对数能自动地与定子极对
16、数相对 应。改变定子绕组的接法，以改变定子的极对数，使异步电动机的同步转速 n0=60f1/p 得到改变，达到调节转速的目的。变极调速的优点：操作简便、机械特性硬、效率高、可 获得恒转矩与恒功率调速。其缺点是：只能有极调速，而且调速等级有限，只适用于不 要求平滑调速的场合。改变转差率调速 常见的利用改变转差率进行速度调节的方法有下列几种：转子电路串接电阻调速； 改变定子电压调速；滑差电机调速；串极调速及脉冲调速等。下面依次介绍上述调速方 法的简单原理及其优缺点。1电路串接电阻调速。其优点是调速方法简单、初期投人少，一般适用于恒转矩负 载。其缺点是当转速较低时，转子电路效率，随之降低，转子损耗增
17、大，经济性变差 ; 由于转子电路串接电阻，使机械特性变软，而且串接电阻的数值越大，特性就越软，因 而在低速下稳定性差 ;只能获得有级调速，平滑性不高 ;调速范围受负载转矩的影响，当 轻载时，调速范围很小。2改变定子电压调速。当转速低于与最大转矩对应的转速时，其机械特性部分对恒 转矩负载不能稳定运行，因此调速范围很小。对于恒转矩调速，在增加异步电动机转子 电阻的基础上，改变定子电压，可获得较宽的调速范围。但它的机械特性变软，使运行 不大稳定。而且低压时，过载能力低，负载波动较大时，适应性差，调速时效率低，功 率因数较转子电路串接电阻时更低，在低速时，电机发热严重。3滑差电机调速。其特点是在异步电
18、动机的轴上装一个电磁滑差离合器。 滑差电机的优点是结构简单、运行可靠、维护方便、可实现平滑调速。其缺点是这 种调速方式在不同的励磁电流下其机械特性很软，并且励磁电流越小，特性越软。由于 磨擦与剩磁的存在，使其存在不可控区， 即当负载转矩小于 10%的额定转矩时可能失控。4串极调速。绕线型转子的异步电机与其它电机或电子设备 （例如由晶闸管 组成的逆变器 ）串级连接，以实现速度调节。串极调速的优点是在调速过程中其机 械特性硬度不变，稳定性好；转速可以调节至很低，调速范围较宽；可实现自动控制无 极调速 ;转差功率可返回电网， 效率较高。其缺点是只适用于绕线型转子的异步电机， 在 使用上有其局限性；必
19、须有一个与转子电势频率相同的外加电势。由于外加电势的频率 也得随之变化，这在技术上是比较复杂的，设备较多，这是申极调速的一个主要缺点。 VVVF 变压变频调速VVVF 电梯，采用交流单速电动机，通过对交流电动机调节供电电压、供电频率来 调节电动机的转速达到线性化，将交流电动机转速运行曲线线性段区域扩大。由于系统 采用高精度电光码盘，微机全数字化控制，使电梯平层精度达到毫米级，并且绝对保证 电动机零速下闸，舒适感非常好。交流变压变频调速的基本原理：要改变交流电动机转 速，只需改变定子频率 f 0 即可。但是，在改变转速的同时，希望励磁电流和功率因数 基本保持不变。磁通太弱，则没有充分利用铁芯，电
20、机容许的输出转速下降，电机的功 率得不到充分利用而浪费；若增大磁通，将引起磁路过分饱和而使励磁电流增加，功率 因数降低，严重时会因绕组过热而损坏电机，在交流异步电动机中 :Eg 4.44f 1N1KN1 m (4-2)式中,Eg 定子每相的气隙磁通感应电势有效值 ;f 1 定子频率 ;N1 定子每相绕组串联匝数 ;K N1 基波绕组系数 ;m 每极气隙磁通量。对于固定电机， N1 K N 1为常量，因此，要想在改变 f 1的时候磁通 m保持不变，只 需同步地改变 Eg使 Eg/ m =常值，然而，绕组中的感应电势是难以直接控制的，当电势 较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，此时定子相电压
21、U1 Eg 从而我们认为当 U 1/ F1=常值时， m基本恒定，即U1和 F1成正比例函数。但是，当频率较低时， U1和Eg 都较小，定子绕组的漏磁阻抗压降不能忽略，此时可以简单地把电压 U 1适当抬高，以便近似地补偿定子压降。在电梯的变频调速系统中，电机的实际最大转速为其额定转速，因此，电梯的变频 调速属“恒转矩调速”。从上面的分析可看出， 只有同时改变电源的电压和频率， 才能满足变频调速的要求。 这样的装置统称为变压变频装置，即 VVVF 装置(VVVF 是英文 VARIABLE VOLTAGE VARIABLE FREQUENCY 的缩写 )。VVVF 控制的电梯相对于交流双速电梯、交
22、流调压调速电梯 (ACVV) 都有十分突出 的优点。下面与 ACVV 控制的电梯相比较。安全可靠。先进的电脑控制技术，完善的 检测、自诊断、自保护功能最大限度地考虑了电梯在任何情况下出现故障的可能性，设 置了各种防故障和应急装置。舒适感好。理想的电梯运行速度曲线，根据人体生理适应 能力由高性能的微电脑设计而成，采用矢量控制技术对交流电动机进行精确调节，使电 梯运行极其平衡、舒适。最佳召唤应答处理和分配方式，根据乘客人流情况快速反应自 动调节，使电梯运行迅速、合理，最大限度地缩短乘客候梯时间，使电梯运行效率得到 充分发挥。节约电能。全电脑控制的调节调频调速 (VWF) 系统，不仅性能优异、功能齐
23、全、质 量可靠，而且具有优异的节能效果，与目前同规格的 ACVV 相比，节能约 40%，并可 使用户电源容量也大量减小。节省机房空间。超小型的机房全电脑控制系统与传统的机房控制系统相比，体积减 少 1/2 以上，重量大大减轻。因此，节省机房空间，减轻机房承重，提高建筑利用率， 从而可节约建筑费用。利用率高。全电脑控制可以方便地使两台、三台、四台以上的电梯进行群控，合理 安排，合理分配，提高电梯的运行效率。3.4井道信号系统的设计电梯位置的确定与显示 轿厢中的乘客以及门厅中等待乘坐电梯的人都需要知道电梯的当前位置， 电梯确定 是否能够应答新的召唤指令以及什么时候减速平层制动这都需要知道电梯的当前
24、的准 确位置。一般的电梯系统都的位置信号都是靠设置在井道中的位置开关来实现的，如我 们上边说到的干簧感应器，就是比较可靠，性能比较好的一种。在井道中对应每一楼层 的适当位置都安装一个干簧感应器， 在轿厢运行过程中到当固定在轿厢顶上的阁磁板插 入某楼曾的干簧感应器时，该干簧管的常闭触点接通，表示电梯已经到达该楼层，并置 位相应的状态继电器，知道隔磁板插入另外一个楼层的干簧感应器。轿厢的平层与停车 轿厢运行后需要确定在那一层站停车， 平层即是指停车时轿厢的底与门厅地面应相 平齐，一般都有平层误差规定， 如平层是两平面相差不能超过 5MM平, 层停车需过程需要 在轿厢底与停车楼层相平之前就开始，先是
25、减速，然后才开始制动，减小冲击，提高平 层的准确性以及乘客的舒适感。本系统的平层信号是由平层感应器发出的。如图 44所示，上平层感应器和下平层感应器都装在电梯轿厢的顶上，隔磁板安装在井道壁上。 在上行的过程中，上平层感应器首先插入隔磁板，发出减速信号，电梯开始减速，直到 下平层感应器插入隔磁板的时候， 说明电梯已经准确平层， 发出停车信号， 电动机停转， 抱闸抱死，并发出开门信号。在电梯下行的过程中井道信号的获得过程与此正好相反。3.5电梯控制系统的设计本控制系统是采用 VS一 616G5型变频器和西门子 S7 200系列 PLC组成的变频 调速电梯控制系统 ,电气控制硬件框图如图 4-5,
26、它由曳引电机、门电机、变频器、可编 程控制器 PLC及其他电气元件构成。电梯的调速部分选用高性能的矢量控制变频器 , 利用光电编码器测量曳引电机的转速 , 构成闭环矢量控制系统。电路的逻辑部分由 PLC来 实现,PLC接受来自现场的呼叫、转速、楼层、位置等信号。发给调速系统的速度信号 门机的开关门信号、楼层显示及呼叫显示信号。系统控制原理图如图 3-2 所示：图 3-2 控制系统原理图3.6可编程控制器 (PLC)的选型根据以上选择的轿厢楼层位置检测法，要求可编程控制器必须具有高数计数器，综 合考虑后，系统选择了西门子 S7200 系列 PLC。西门子 S7200 系列 PLC 具有以下几方面
27、的优点 :S7200系列 PLC配置灵活，除主机单元外，还可扩展 1/0模块，A/D 模块，D/A 模块和其它特殊功能模块。 S7 200系列 PLC 指令功能丰富，有多种指令，且指令执行速度快。 S7 200系列 PLC 可用内部辅助继电器 M，定时器 T，计数器 C等功能和数量 满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器能接受脉冲编码器脉冲。S7200 的编程可用编程器，编程方便。编程语言可用梯形图或指令表。PLC 主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置 与主拖动系统等。系统控制核心为 PLC 主机、呼梯盘、井道及安全保护信号通过 PLC 输入接口送入 PLC
28、，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号， 向拖动和门机控制系 统发出控制信号。3.7设计思路3.7.1电梯控制系统实现的功能一台电机控制上升和下降，各层设上 /下呼叫开关 （最顶层与起始层只设一只 ）电梯到位后，具有手动或自动开门关门功能。电梯内设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯及层楼指令键，及照明。待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门。 自动关门待客。当完成全部轿厢内指令，又无层外呼梯信号时，电梯应自动关键客按迎 门在调定时间内自动关闭轿厢照明。自动关门与提早关门，在一般情况下，电梯停站应能自动关门 ; 在延时时间内， 若按下关门按钮，门将不经延时提前实现关
29、门动作。按钮开门。在开关过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按钮，门 将打开。内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序停靠车门， 并能至调定时间，自动确定运行方向。自动定向，当轿厢内操纵盘选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能 按先入为主的原则，自动确定运行方向。自动换向，当电梯完成全部顺向指令后，应能 自动换向，应答相反方向的信号。呼梯记忆与顺向截停。电梯在运行中应能一记忆层外的呼梯信号，对符合运行方 向的召唤，应能自动逐一停靠应答。3.7.2点数的分配及机型的选择按照系统要求， PLC的点数分配如表（ 3-1 ）所示：表 3-1 I/O 点数的分配输入
30、输出开门信号I0.0正向运行Q0.0关门信号I0.1反向运行Q0.1开门限位信号I0.2正常运行频率Q0.2关门限位信号I0.3点动频率Q0.3超载信号I0.4爬行频率Q0.4检修信号I0.5开门Q0.5变频器故障信号I0.6关门Q0.6一层选层信号I0.7一层选层指示灯Q0.7二层选层信号I1.0二层选层指示灯Q1.0三层选层信号I1.1三层选层指示灯Q1.1四层选层信号I1.2四层选层指示灯Q1.2一层上呼信号I1.3一层上呼信号灯Q1.3二层上呼梯信号I1.4二层上呼信号灯Q1.4三层上呼梯信号I1.5三层上呼信号灯Q1.5二层下呼梯信号I1.6二层下呼信号灯Q1.6三层下呼梯信号I1.
31、7三层下呼信号灯Q1.7四层下呼梯信号I2.0四层下呼信号灯Q2.0一层上平层I2.1上行显示Q2.1一层下平层I2.2下行显示Q2.2二层上平层I2.3超载报警Q2.3一层下平层I2.4数码管 A 段显示Q2.4三层上平层I2.5数码管 B 段显示Q2.5三层下平层I2.6数码管 C 段显示Q2.6四层上平层I2.7数码管 D 段显示Q2.7四层下平层I3.0数码管 E 段显示Q3.0上极限限位I3.1数码管 F 段显示Q3.1下极限限位I3.2数码管 G 段显示Q3.2根据表（ 4-1 ）可知，设备大约有 27个输入点， 27个输出点，考虑 10-15%的裕量， 故选择西门子 S7 200系列 CPU226以及扩展模块 EM22（3
