基于PLC五层电梯楼层控制系统的设计样本

资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除中工信商 -JX16-本科毕业论文( 设计) 基于PLC五层电梯楼层控制系统的设计系 ( 部) 信息工程系专 业自动化学 号学生姓名向强指导教师刘爱荣提交日期 05 月 20 日摘 要随着房地产业的发展, 现代城市中的高层建筑日益增多, 电梯将成为人们日常生活不可或缺的代步工具除了电机等硬件以外, 电梯的控制系统将成为影响电梯性能好坏的核心因素PLC( Programmable logic controller) 因其简单易用、 可靠性高、 维修方便和抗干扰能力强等优点, 在电梯控制领域得到了极为广泛的应用本文以德国西门子公司S7-200系列的PLC为核心控制器件, 以五层电梯为设计对象, 分别从电梯构成、 工作原理和控制原理展开论述, 其中包括电梯介绍、 方案论证、 电路设计、 程序设计、 程序调试、 组态建立等几个部分该系统采用CPU226型PLC为控制核心, 经过PLC循环扫描输入/输出状态, 控制电动机转动, 从而控制轿厢的升降、 停层、 开( 关) 门等动作电路部分主要由曳引系统、 楼层检测开关、 层位数码管显示、 呼梯按键及对应的指示灯、 超重报警蜂鸣器和超重报警灯、 能耗制动与电磁抱闸、 上( 下) 行状态指示、 高( 低) 速度选择等电路。

程序部分介绍了系统程序的设计思路和程序的功能分析, 着重介绍了呼梯信号的产生与消除、 停层信号的显示与消除、 制动与抱闸、 轿厢升降与开关门等环节的逻辑结构软硬兼顾, 结合组态王监控软件进行系统调试, 最终能够精确、 可靠的达到五层电梯的控制要求关键字: PLC, 电梯, 报警, 制动PLC five layer elevator control system design based onAbstractWith the development of real estate industry, modern city in an increasing number of high-rise building, the elevator will become indispensable to the daily life of the people of the means of transport. In addition to the motor and other hardware, the elevator control system will become the core factors affecting the performance of elevator. PLC (Programmable logic controller) because of its advantages of easy to use, high reliability, convenient repair and strong anti-interference ability, has been widely used in the field of elevator control. In this paper Siemens German company S7-200 series PLC as the core control device, with five elevators as the design object, respectively from the elevator components, working principle and control principle are discussed, including the introduction, elevator scheme argumentation, circuit design, program design, program debugging, the configuration set parts. The system uses CPU226 PLC as the control core, through the PLC cycle scan input / output state, control the motor to rotate, so as to control the lifting of a car, stop, open (close) door movement. The circuit part is mainly composed of a traction system, floor detection switch, horizon of digital tube display, indicating lamp, call buttons and the corresponding overweight alarm buzzer and overweight alarm lamp, energy consumption brake and the electromagnetic brake, upper (lower) for status indication, high (low) speed selection circuit. The program introduces the design idea and program analysis system program function, emphatically introduces the logic structure generation and display of elimination, stop signal and eliminate, brake and brake, the car lifting and switch gate link call signal. Both . Both soft and hard, debug the system with Kingview software, can be accurate, reliable to control the five elevator requirements.Keywords: Programmable logic controller, Elevator, Alarm, Brake 目 录1 电梯的简介 11.1 电梯的起源与发展 11.2 电梯的分类 21.3 电梯的组成和各个部分的功能 31.4 电梯的工作原理 62 电梯的控制方案 72.1 控制方案的比较与确定 72.2 PLC型号和扩展模块型号的选择 92.3 编程语言的选择 113 电路设计 123.1 主电路设计 123.1.1 硬件选择 123.1.2 主电路图绘制 163.2 控制电路设计 194 程序设计 204.1 电梯的工作流程 204.1.1 电梯的初始状态 214.1.2 电梯在运行中的状态 214.1.3 电梯运行后的状态 224.2 电梯的控制要求 224.3 梯形图的设计 224.3.1 楼层显示环节 234.3.2 轿内呼梯信号的显示与消除环节 254.3.3 厅外呼梯信号的显示与消除环节 264.3.4 定向显示与消除环节 284.3.5 电梯启动和速度选择环节 304.3.6 能耗制动环节 304.3.7 抱闸停车环节 324.3.8 轿内照明环节 324.3.9 超重报警环节 334.3.10 电梯开门环节 334.3.11 电梯关门环节 345 程序的仿真与调试 365.1 仿真软件的介绍 365.2 硬件设置 365.3 下载及运行程序 375.4 模拟调试程序 386 组态建立 406.1 组态王软件的介绍 406.2 电梯组态的建立 407 总结 46参考文献 47致谢 48附录 49附录1 主电路总图 49附录2 控制电路接线图 50附录3 程序清单 51附录4 电梯系统的组态图 591 电梯的简介1.1 电梯的起源与发展根据国外有关资料介绍, 公元前28 在古代埃及, 为了建筑当时的金字塔, 曾使用过由人力驱动的升降机械。

公元1765年瓦特创造了蒸汽机后, 1858年美国研制出以蒸汽机为动力, 并经过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯1878年英国的阿姆斯特郎创造了水压梯并随着水压梯的发展, 淘汰了蒸汽梯后来又采用液压泵和控制阀以及直接柱塞式和侧柱塞式结构的液压梯, 这种液压梯至今仍为人们所采用可是电梯得以兴盛发展的根本原因在于采用了电力作为动力来源自 1889年美国奥的斯升降机公司推出世界第一部以电动机为动力的升降机以来, 已经经历了一百多年现在电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的代步工具, 而且作为载人工具, 人们对电梯在可靠性、 舒适性、 低噪音、 低能耗、 操作方便性等性能方面的要求也愈来愈高, 电梯群控系统应运而生, 两台电梯的并联优化控制又是电梯群控较简单、 也是最常见的情况两台电梯并联控制或是多台电梯群控, 其最直观的感觉是两台或多台电梯并排设置而且共享各个楼层的厅外呼梯信号, 并能按预定的规律进行各电梯的自动调度工作中国的电梯使用历史悠久80年代中期以来, 随着中国对外开放, 对内搞活经济的政策深入贯彻执行, 随着技术引进工作的进一步开展, 在国内建立一批合资和独资电缆生产厂, 使中国的电梯工业又取得巨大的发展, 中国又新颁布一批具有80年代国际水平的电梯制造标准, 随着采用新标准生产的电梯批量推向市场, 技术性能和质量明显提高的电梯又进一步促进建筑业和电梯业的发展, 电梯工业蓬勃发展的局面已经形成。

据统计, 中国在用电梯已达40多万台, 每年还以约5万～6万台的速度增长而且在实现电梯群控系统后, 据一些资料数据显示, 电梯并联后的运送能力提高了20%-30%左右, 减少了电梯因停层而带来的加减速、 开门、 关门及等待的时间, 因而在上、 下班客流量的高峰时段, 乘员候梯和乘梯的时间大大减短纵观中国电梯行业的发展历程, 从改革开放到今天, 电梯行业在不知不觉中走过了一个从无到有, 从有到多, 从多到精的发展历程随着房地产市场的巨大变化, 中国已经成为全球容量最大、 增长最快的电梯市场这就必然会使电梯技术不断的发展更新当前新一代的电梯特点如下: 结构不断紧凑化, 体积不断轻型化、 小巧化随着新技术、 新结构、 新材料、 新工艺的发展, 电梯的机械系统结构简单化、 体积小巧化、 材料轻型化、 工艺先进化、 外观漂亮化同时, 无机房电梯在今后会有较大的发展技术含量更高, 性能更好电梯行业技术发展非常迅速, 现如今具有先进性能, 高舒适性的变压变频( 以下简称VVVF) 电梯, 已是电梯行业的标准配置; 然而, 永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、 更清洁、 更安静、 更安全、 更经济等特点因此永磁同步无齿轮曳引机将逐步成为新型曳引机的主流, 由于永磁技术的先进性, 将来很可能取代VVVF技术。

另外, 网络控制和智能群控制系统以其控制的先进性、 快速性、 准确性和可靠性也是电梯发展的潮流安装更方便、 快捷高效、 安全、 可重复使用的无手架安装, 将是高层电梯安装的主要方式, 随着技术的开发、 应用, 电梯的硬件系统给安装带来了更大的方便, 使电梯安装更快、 效率更高1.2 电梯的分类电梯一般按用途、 速度、 拖动方式和控制方式等进行分类当前电梯的基本分类方法如表1-1所示: 表1-1 电梯的分类分类方式种类按用途分类乘客电梯、 载货电梯、 医用电梯、 杂物电梯、 观光电梯、 车辆电梯、 船舶电梯、 建筑施工电梯、 冷库电梯、 防爆电梯、 矿井电梯、 电梯操纵电站电梯及消防员用电梯等按驱动方式分类交流电梯、 直流电梯、 液压电梯、 齿轮齿条电梯、 螺杆式电梯及直线电机驱动的电梯等按电梯速度分类低速电梯( 1.00m/s) 、 中速电梯( 1.00～2.00m/s) 、 高速电梯( 大于2.00m/s) 、 超高速电梯( 超过5.00m/s) 及特高速电梯( 16.7m/s) 按有无司机分类有司机电梯、 无司机电梯及有/无司机电梯等按操纵控制方式分类手柄开关操纵、 按钮控制电梯、 信号控制电梯、 集选控制电梯、 并联控制电梯及群控电梯等按特殊用途分类冷库电梯、 防爆电梯、 矿井电梯、 电站电梯及消防员用电梯等1.3 电梯的组成和各个部分的功能图1-1 轿厢式电梯结构轿厢式电梯的结构如图1-1所示, 接下来按表1-2对其功能进行阐述。

表1-2 轿厢式电梯的主要组成部分及其功能主要系统主要功能主要组成部件曳引系统输出与传递动力, 使电梯运行曳引电机、 联轴器、 制动器、 减速箱、 曳引钢丝绳、 曳引轮、 导向轮、 反绳轮导向系统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轨、 导靴、 导轨支架轿厢运送乘客和货物的电梯组件, 是电梯的工作部分轿厢架、 轿厢体门系统封住层站入口和轿厢入口轿厢门、 层门、 开门机、 门锁装置重量平衡系统相对平衡轿厢重量, 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对重、 重量补偿装置电力拖动系统提供动力, 实行电梯速度控制曳引电动机、 供电系统、 速度反馈装置、 电动机调速装置电气控制系统对电梯的运行实行操纵和控制操纵装置、 位置显示装置、 控制屏(柜)、 平层装置、 选层器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电梯限速器、 安全钳、 缓冲器、 安全触板、 层门门锁、 电梯安全窗、 电梯超载限制装置、 限位开关装置图1-2 电梯曳引系统电梯曳引系统是电梯的动力设备, 又称电梯主机功能是输送与传递动力使电梯运行, 因此我要对这一部分作一下详细阐述。

如图1-2所示, 它由电动机、 制动器、 联轴器、 减速箱、 曳引轮、 机架和附属盘车手轮等组成盘车手轮有的固定在减速箱轴上, 也有平时挂在附近墙上, 使用时再套在减速箱轴上1. 联轴器电动机轴与减速器蜗杆轴是在同一轴线上, 当电动机旋转时带动蜗杆轴也旋转, 可是两者是两个不同的部件, 需要用合适的方法把它们连接在同一轴线上, 保持一定要求的同轴度因此, 联轴器是连接曳引电动机轴与减速器蜗杆轴的装置, 用以传递由一根轴延续到另一根轴上的扭矩如图1-3所示, 它位于曳引电动机轴端与减速器蜗杆轴端的会合处在应用中, 一般将联轴器分成刚性和柔性两类对于蜗杆轴采用滑动轴承的结构, 一般采用刚性联轴器, 因为此时轴与轴承的配合间隙较大, 刚性联轴器有助于蜗杆轴的稳定转动刚性联轴器要求两轴之间有高度的同心度, 连接后不同心度不应大于0.02mm弹性联轴器, 由于联轴器中的橡胶块在传递力矩时会发生弹性变形, 从而能在一定范围内自动调节电动机轴与蜗杆轴之间的同轴度, 对传动中的振动具有减缓作用, 因此安装时允许有较大的同心度误差( 允许误差0.1mm) 电梯曳引电机与减速箱之间用的是刚性联轴器图1-3 联轴器2. 制动机构为保证电梯的安全运行和有效停层, 曳引系统中的制动器是必不可少的。

制动器的工作原理: 当电梯处于静止状态时, 曳引电动机、 电磁制动器的线圈中均无电流经过, 这时因电磁铁铁芯间没有吸引力、 制动瓦块在制动弹簧压力作用下, 将制动轮抱紧, 保证电机不旋转; 当曳引电动机通电旋转的瞬间, 制动电磁铁中的线圈同时通上电流, 电磁铁铁芯立即磁化吸合, 带动制动臂使其制动弹簧受作用力, 制动瓦块张开, 与制动轮完全脱离, 电梯得以运行; 当电梯轿厢到达所需停站时, 曳引电动机失电、 制动电磁铁中的线圈也同时失电, 电磁铁芯中的磁力迅速消失, 铁芯在制动弹簧的作用下经过制动臂复位, 使制动瓦块再次将制动轮抱住, 电梯停止工作制动轮和制动器如图1-4和图1-5所示当前新一代的电梯对制动器的要求如下: 电梯动力电源失电或控制电路电源失电时, 制动器能立即进行制动当轿厢载有125%额定载荷并以额定速度运行时, 制动器应能使曳引机停止运转电梯正常运行时, 制动器应在持续通电情况下保持松开状态; 断开制动器的释放电路后, 电梯应无附加延迟地被有效制动切断制动器的电流, 至少应用两个独立的电气装置来实现电梯停止时, 如果其中一个接触器的主触点未打开, 最迟到下一次运行方向改变时, 应防止电梯再运行。

装有手动盘车手轮的电梯曳引系统, 应能用手松开制动器并有一个持续的力去保持其松开状态图1-4 制动轮 图1-5 抱闸机构 图1-6 减速器3. 减速器一般三相异步电动机的转速很高, 而在实际应用中我们并不期望很高的转速, 这时候就需要使用减速器使曳引轮转速在一定范围内平滑变化减速器( 又称变速箱) 被用于有齿轮曳引机上, 安装在曳引电动机转轴和曳引轮转轴之间如图1-6所示, 蜗杆减速器是由带主动轴的蜗杆与安装在壳体轴承上带从动轴的蜗轮组成, 其减速比可在18～120范围内, 蜗轮的齿数不少于30, 其效率不如齿轮减速器, 但其结构紧凑, 传动平稳, 传动比大, 噪音小, 外型尺寸小, 而且当由蜗轮传动蜗杆时, 反效率低, 有一定的自锁能力, 能够增加制动力矩, 从而能够增加电梯停车时的安全性, 因此被广泛采用1.4 电梯的工作原理曳引钢丝绳两端分别连着轿厢和对重, 缠绕在曳引轮和导向轮上, 曳引电动机经过减速器变速后带动曳引轮转动, 靠曳引钢丝绳与曳引轮摩擦产生的牵引力, 实现轿厢和对重的升降运动, 达到运输目的 固定在轿厢上的导靴能够沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动, 防止轿厢在运行中偏斜或摆动。

常闭块式制动器在电动机工作时松闸, 使电梯运转, 在失电情况下制动, 使轿厢停止升降, 并在指定层站上维持其静止状态, 供人员和货物出入轿厢是运载乘客或其它载荷的箱体部件, 对重用来平衡轿厢载荷、 减少电动机功率补偿装置用来补偿曳引钢丝绳运动中的张力和重量变化, 使曳引电动机负载稳定, 轿厢得以准确停靠电气系统实现对电梯运动的控制, 同时完成选层、 平层、 测速、 照明工作指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置安全装置保证电梯运行安全2 电梯的控制方案2.1 控制方案的比较与确定当前电梯的系统控制主要有三种方式: 继电器电路控制、 微机控制、 PLC控制继电器控制系统由于线路复杂, 接线多, 故障率高, 维修保养难, 其曳引系统多采用交流双速电机换速, 由于效率低, 调速性能指标较差等缺点, 严重影响电梯的运行质量, 当前已逐渐淘汰个人计算机有很强的数据处理功能和图形显示功能, 有丰富的软件支持, 但它们是为办公室自动化和家庭设计的, 对环境要求很高, 抗干扰能力不强, 一般不适合在工业现场使用单片机只是一片集成电路, 不能直接将它与外部I/O设备相连, 要将它用于工业控制, 还需要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路。

另外单片机控制系统硬件设计、 制作和程序设计的工作量相当大, 要求设计者具有较强的计算机领域的理论知识和实践经验工业控制计算机( 简称工控机) 也是为工业控制设计的, 当前比较流行的是PC总线工控机, 它与个人计算机兼容工控机一般是在通用微机的基础上发展起来的, 有实时操作系统的支持, 因此在要求超高速、 实时性强、 功能复杂的控制领域占有优势工控机的外部I/O接线一般使用多芯扁平电缆插头和插座, 直接从印刷电路板上引出, 不如可编程控制器的接线端子方便可靠上述各种计算机用于控制的程序一般都是用汇编语言或C语言编写的, 对于非专业人员来说, 可读性是非常差的PLC不但充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求, 同时也照顾到现场电气维护人员的技能和习惯, 摒弃了常见的计算机编程语言的表示方式, 独具风格的形成了一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构, 使用户程序的编写清晰直观、 调试和查错都很容易进行下面我们来讨论一下它的优点: 可靠性高, 抗干扰能力强 PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器, 仅剩下与输入和输出有关的少量硬件, 接线可减少到继电器控制系统的1/10 - 1/100, 因触点接触不良造成的故障大为减少。

较高的可靠性是电气控制系统的硬指标PLC由于采用现代大规模集成电路技术, 采用严格的生产工艺制造, 内部电路采取了先进的抗干扰技术, 具有很高的可靠性例如西门子公司生产的S7系列PLC平均无故障时间高达30万小时一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长从PLC的机外电路来说, 使用PLC构成控制系统, 和同等规模的继电接触器系统相比, 电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一, 故障也就大大降低另外, PLC带有硬件故障自我检测功能, 出现故障时可立即发出警报信息在应用软件中, 应用者还能够编入外围器件的故障自诊断程序, 使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护这样, 整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了 硬件配套齐全, 功能完善, 适用性强 PLC发展到今天, 已经形成了大、 中、 小各种规模的系列化产品, 而且已经标准化、 系列化、 模块化, 配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用, 用户能灵活方便地进行系统配置, 组成不同功能、 不同规模的系统PLC的安装接线也很方便, 一般用接线端子连接外部接线PLC有较强的带负载能力, 可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器, 能够用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外, 现代PLC大多具有完善的数据运算能力, 可用于各种数字控制领域近年来PLC的功能单元大量涌现, 使PLC渗透到了位置控制、 温度控制、 CNC等各种工业控制中加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展, 使用PLC组成各种控制系统将变得非常容易 易学易用, 深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机, 是面向工矿企业的工控设备它接口容易, 编程语言易于工程技术人员所接受梯形图语言的图形符号与表示方式和继电器电路图相当接近, 只用PLC的少量开关逻辑控制指令就能够方便地实现继电器电路的功能, 从而为不熟悉电子电路、 不懂计算机原理和汇编语言的工业人员打开了方便之门 系统的设计、 安装、 调试工作量小, 维护方便, 容易改造 PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法这种编程方法很有规律, 很容易掌握对于复杂的控制系统, 梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得太多太多了 PLC用存储逻辑代替接线逻辑, 大大减少了控制设备外部的接线, 使控制系统设计及建造的周期大为缩短, 同时也为维护提供了方便更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能体积小, 重量轻, 能耗低 以超小型PLC为例, 它的底部尺寸小于100mm, 仅相当于几个继电器的大小, 因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2 - 1/10。

它的重量小于150g, 功耗仅数瓦由于体积小很容易装入机械内部, 是实现机电一体化的理想控制设备由于PLC具有上述的各种优点, 在工业控制领域具有不可比拟的竞争力, 把PLC作为电梯运动控制的核心部分是很合理的选择, 而且PLC现在在市场上也是一种成熟的产品因此, 经上述比较可得, 确定选用PLC控制电梯的运行2.2 PLC型号和扩展模块型号的选择据了解, 在PLC品牌中, 主要为西门子与三菱的竞争由于学校实验室当前没有其它品牌的PLC设备, 仅有西门子S7-200型PLC因此, 结合设计要求和实际情况, 我选择用西门子S7-200PLC设计电梯控制系统西门子PLC的输出方式主要有晶体管输出、 晶闸管输出和继电器输出, 按控制要求, 本设计应选继电器输出型PLC西门子S7-200系列的PLC型号当前主要有CPU221型、 CPU222型、 CPU224型和CPU226型根据控制要求确定I/O点数, 如表2-1所示表2-1 五层电梯控制系统的I/O分配输入点　输出点国标代号地址输入点名称国标代号地址输出点名称BP1I0.0超重感应开关PG1和PB1Q0.0超重报警信号灯和蜂鸣器SF1I0.1轿厢内一层按钮PG2Q0.1轿厢内一层指示灯SF2I0.2轿厢内二层按钮PG3Q0.2轿厢内二层指示灯SF3I0.3轿厢内三层按钮PG4Q0.3轿厢内三层指示灯SF4I0.4轿厢内四层按钮PG5Q0.4轿厢内四层指示灯SF5I0.5轿厢内五层按钮PG6Q0.5轿厢内五层指示灯SF6I0.6轿厢内开门按钮PG7-PG11Q0.6轿厢上行指示灯SF7I0.7轿厢内关门按钮PG12-PG16Q0.7轿厢下行指示灯SF8I1.0一层上外呼按钮PG17Q1.0一层向上外呼指示灯SF9I1.1二层上外呼按钮PG18Q1.1二层向上外呼指示灯SF10I1.2二层下外呼按钮PG19Q1.2二层向下外呼指示灯SF11I1.3三层上外呼按钮PG20Q1.3三层向上外呼指示灯SF12I1.4三层下外呼按钮PG21Q1.4三层向下外呼指示灯SF13I1.5四层上外呼按钮PG22Q1.5四层向上外呼指示灯SF14I1.6四层下外呼按钮PG23Q1.6四层向下外呼指示灯SF15I1.7五层下外呼按钮PG24Q1.7五层向下外呼指示灯BG1I2.0一楼下方平层感应器EA1Q2.0轿厢内照明灯BG2I2.1二楼上方平层感应器PG25-PG30Q2.1楼层显示数码管a段BG3I2.2二楼下方平层感应器Q2.2楼层显示数码管b段BG4I2.3三楼上方平层感应器Q2.3楼层显示数码管c段BG5I2.4三楼下方平层感应器Q2.4楼层显示数码管d段BG6I2.5四楼上方平层感应器Q2.5楼层显示数码管e段BG7I2.6四楼下方平层感应器Q2.6楼层显示数码管f段BG8I2.7五楼上方平层感应器Q2.7楼层显示数码管g段BG9I3.0开门限位开关QA1Q3.0轿厢上行线圈BG10I3.1关门限位开关QA2Q3.1轿厢下行线圈BS1I3.2零速感应开关QA3Q3.2低速运行线圈统计: 总计I/O点数: 59个QA4、 QA5Q3.3高速运行线圈输入点数: 27个QA6Q3.4开门线圈QA7Q3.5关门线圈输出点数: 32个MB1Q3.6电梯制动线圈MB2Q3.7电机抱闸线圈西门子S7-200CPU221主机输入点数6个, 主机输出点数4个, 总计I/O点数10个, 不具备扩展功能。

西门子S7-200CPU222主机输入点数8个, 主机输出点数6个, 总计I/O点数14个, 可扩展2个模块西门子S7-200CPU224主机输入点数14个, 主机输出点数10个, 总计I/O点数24个, 可扩展7个模块西门子S7-200CPU226如图2-1所示主机输入点数24个, 主机输出点数16个, 总计I/O点数40个, 可扩展7个模块西门子S7-200系列PLC可提供3大类共9种数字量输入/输出模块1) EM221数字量输入( DI) 模块: 8点24V DC输入, 光电耦合器隔离2) EM222数字量输出( DO) 模块, 它具有8点24V 晶体管输出型和8点继电器输出型两种输出类型3) EM223数字量混合输入/输出(DI/DO)模块, 它具有6中输出类型24V DC输入4点/输出4点24V DC输入4点/继电器输出4点24V DC输入8点/输出8点24V DC输入8点/继电器输出8点24V DC输入16点/输出16点24V DC输入16点/继电器输出16点, 如图2-2所示根据表2-1,输入点数27个, 输出点数32个, 总计I/O点数59个, 显然上述4种PLC单独使用均不能满足要求。

下面以闲置端子最少和扩展模块最少为原则, 从以下方案中选出最优方案: 方案1: 西门子S7-200CPU224PLC 1块 + EM223 24V DC输入16点/继电器输出16点1块 + EM222 8点继电器输出型1块方案2: 西门子S7-200CPU226PLC 1块 + EM223 24V DC输入16点/继电器输出16点1块图2-1 S7-200 CPU226 AC/DC/RLY图2-2 EM223 DC/RLY图2-3 RS485数据传输线从经济上和实际电气接线复杂程度上考虑, 显然方案2优于方案1, 因此, 本设计采用方案22.3 编程语言的选择STEP7-Micro/Win32编程软件能够完成制作程序、 对可编程控制器CPU的写入/读出、 监控程序运行、 调试程序、 PLC错误诊断等一系列功能该编程软件提供了功能较为完整的编程语言, 以适应PLC在各种工业环境中的应用利用PLC的编程语言, 按照不同的控制要求编制不同的控制程序, 这相当于设计和改变继电器控制的硬件接线, 也就是所谓的”可编程”STEP7-Micro/Win32编程软件的编程语言一般有五种: 顺序功能图(Sequential Function Chart)、 梯形图(Ladder Diagram)、 功能块图(Function Block Diagram)、 指令表(Instruction List)和结构文本(Structured Text)。

其中, 顺序功能图(SFC)、 梯形图(LD)、 功能块图(FBD)是图形编程语言, 指令表(IL)和结构文本(ST)是文字语言梯形图(LD)是当前使用最广泛的PLC图形编程语言, 梯形图语言的图形符号与表示方式和继电器电路图相当接近, 只用PLC的少量开关逻辑控制指令就能够方便地实现继电器电路的功能, 可读性相当好因此, 本系统PLC程序的编写采用梯形图语言3 电路设计3.1 主电路设计3.1.1 硬件选择1. 曳引电机的选择由于曳引电机都是短时工作制, 其基本上都是工作在起动、 恒速、 制动、 停止四个状态因此像这样频繁起动、 制动的工作场合, 就要求电机具有起动电流小, 过载能力强, 机械强度大、 绝缘材料等级高等特点根据电梯的这种特殊运行状态, 能够使用异步电动机, 因为异步电动机结构简单、 价格便宜、 维护次数低、 运行方便, 但考虑电梯启动时不能过流且到了制定层要进行减速运行, 因此所选电机应具有调速能力一般情况下, 电梯对曳引电机有以下要求: 高速或低速运行时要有较大的堵转转矩和较小的堵转电流低速制动时产生的制动转矩应使制动效果明显而制动电流又不能过大, 以保证电动机的可靠运行。

高速运行时电动机有较高的效率和功率因数为了使电梯平稳、 舒适, 电机应具有良好的机械特性兼顾以上几个方面, 决定选用交流双速异步电动机双速电动机其实就是笼型异步电动机, 只不过在其定子绕组上有两套绕组, 一套高速绕组, 一套低速绕组, 或者是一套绕组在不同的运行速度下接法不同但无论是怎样的绕组, 其目的都是在电机运行时经过改变定子绕组的方法使电机定子绕组的磁极对数改变 公式(3-1) 公式(3-2)公式3-1是同步转速表示式, 公式3-2是转子实际转速表示式, 由以上两式能够看出, 异步电机的同步转速和磁极对数成反比, 当磁极对数增加一倍时, 同步转速下降到原转速的一半, 电动机的额定转速也将下降近似一半因此改变磁极对数能够达到改变电机转速的目的双速电动机定子绕组引出六根出线端, 能够结成△—2Y、 Y—2Y图3-1和图3-2为双速电动机绕组连接图图3-1为三角形( 四级, 低速) 与双星形( 二级, 高速) 接法; 图3-2所示为星形( 四级, 低速) 与双星形( 二级, 高速) 接法。

若低速运行时, 电动机三相绕组端子1( U1) 、 2( V1) 、 3( W1) 接入三相电源在高速运行时, 4( U2) 、 5( V2) 、 6( W2) 端接入三相电源这会使电动机因变极而改变旋转方向, 因此变极后必须改变绕组的相序因为各相绕组在空间相差的机械角度是固定不变的, 电角度则随磁极数目改变而改变例如磁极数目减少一半, 使各相绕组在空间相差的电角度增加一倍, 原来相差120°电角度的绕组, 现在相差240°如果相序不变, 气隙磁场就要反转图3-1 异步电动机△—2Y连接方式图3-2 异步电动机Y—2Y连接方式双速电动机调速的优点是能够适应不同负载性质的要求如需要恒功率调速时能够采用△—2Y接法; 如需要恒转矩调速时用Y—2Y接法双速电动机调速线路简单, 维修方便; 缺点是其调速方式为有级调速变级调速一般要与机械变速器( 箱) 配合使用, 以扩大其调速范围根据设计电梯的基本参数, 表3-1与计算公式3-3, 计算所需电机的功率表3-1 电梯的基本参数额定载重( kg) 额定速度( m/s) 平衡系数总传动效率1000kg1m/s0.450.8 公式( 3-3) 式中: P代表电机功率, 单位kw; Q代表电梯的额定载重, 单位kg; V代表电梯的额定运行速度, 单位m/s; 代表电梯的平衡系数; η代表曳引电机的传动总效率。

将表3-1中电梯的基本参数带入公式3-3中计算, 得出计算结果考虑到电机的可靠运行, 电机的功率留有裕量, 因此选用YD160L-8/4交流双速异步电机具体参数见表3-2, 图3-3为交流双速异步电动机表3-2 交流双速异步电机参数电机型号级数功率( KW) 电压( V) 转速( r/min) 电流( A) 防护等级绝缘等级YD160L-8/48738073019IP44F级411145021图3-3 交流双速异步电动机2. 开关门电机的选择直流电机是将直流电能与机械能相互转换的旋转电机, 它具有: 优良的调速特性, 调速平滑、 方便, 调速范围广过载能力强, 能承受频繁的冲击负载可实现频繁的无极快速起动、 制动和反转能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求鉴于直流电动机以上的特点, 选择直流电动机作为开关门电机, 其功率的计算如下: 公式( 3-4) 公式( 3-5) 公式3-4为牛顿第二定律, 假设电梯门的质量m=30kg, 在开关门时最大加速度为a=0.1, 开门速度为v=0.5m/s, 门对地的摩擦系数μ=0.3, 电机总的传动效率η=0.8, 重力加速度取9.8。

计算得F=91.2N, 再根据功率计算公式3-5, 计算得P=57W由于上述只是理论计算值, 实际需要电机的功率可能大于计算结果, 为了避免所选电机功率不够, 而造成电梯门打不开, 烧毁电机的事故发生, 选用YDJ-80型直流电机其具体参数见表3-3, 图3-4为电梯开、 关门电机表3-3 电梯开、 关门电机参数电机型号工作电压(V)额定功率(W)工作电流(A)标称转速(r/min)寿命(次)转矩(N·m)YDJ-80110 DC80≤1.165±5% ≥ 300000011.461图3-4 电梯开、 关门电机3. 曳引电机接触器的选择由于曳引电机是交流异步电动机, 根据上述所选电机的参数, 选用CJT1系列交流接触器它具有开关速度快, 低噪声, 耐腐蚀, 抗干扰强等优点其参数见表3-4, 图3-5表3-4 CJT1-40交流接触器型号吸合电压(V)释放电压(V)线圈保持功率(VA)负载电流(A)负载电压(V)CJT1-40187-242AC44-165AC1940AC380 AC图3-5 CJT1交流接触器4. 门电机接触器的选择虽然开、 关门电机是直流电机, 但其控制其接通的线圈却是交流。

接触器式继电器是中间继电器的一种其结构和原理与交流接触器基本相同, 与接触器的主要区别在于: 接触器的主触头能够经过大电流, 而中间继电器的触头只能经过小电流另外它一般是没有主触点的, 因为它过载能力比较小, 因此用的全部都是辅助触头且数量比较多由表3-3知直流电机的工作电流不大于1.1A, 可见JZC1系列接触器式继电器能够满足控制要求其具体参数见表3-5, 图3-6为JZC1接触器式继电器表3-5 JZC1 接触器式继电器型号吸合电压(V)释放电压(V)线圈保持功率(VA)负载电流(A)负载电压(V)JZC1-44187-242AC44-165AC105AC/DC110AC/DC图3-6 JZC1接触器式继电器5. 热继电器的选择热继电器是由流入热元件的电流产生热量, 使有不同膨胀系数的双金属片发生形变, 当形变达到一定距离时, 就推动连杆动作, 使控制电路断开, 从而使接触器失电, 主电路断开, 实现电动机的过载保护热继电器作为电动机的过载保护元件, 以其体积小, 结构简单、 成本低等优点在生产中得到了广泛应用本设计选用JR20系列热继电器, 其具体参数见表3-6, 图3-7为JR20热继电器。

表3-6 JR20热继电器型号最小整定电流 (A)中间整定电流 (A)最大整定电流 (A)负载电压(V)安装方式JR20-25L/3T17AC/DC21AC/DC25AC/DC380AC/DC独立安装式JR20-10L/7R1.2AC/DC1.5AC/DC1.8AC/DC110AC/DC独立安装式图3-7 JR20热继电器6. 熔断器的选择当电动机在过载或者短路时, 其上经过的电流会超过额定电流, 这种情况很容易将电机烧毁, 因此为了使电机在过载或者短路时不被烧毁, 我们在电机的进线端都加装了熔断器, 它能在高电流时迅速切断电路其具体参数见表3-7, 图3-8和图3-9分别为RT14型交流熔断器、 RL1型直流熔断器表3-7 熔断器型号额定电压(V)熔断器额定电流(A)尺码重量(kg)RT14-63380 AC32 AC22×580.009RL1-15110 DC2 DCΦ14×510.015图3-8 RT14型交流熔断器 图3-9 RL1型直流熔断器本设计涉及到的元器件比较多, 如电梯复合按钮( 带指示灯) 、 报警装置、 变压器、 照明灯泡、 电磁抱闸器、 行程开关、 零速感应开关、 数码管等, 由于篇幅和时间关系, 不再一一赘述。

3.1.2 主电路图绘制该部分分别对双速曳引电动机、 能耗制动、 抱闸机构、 开关门电机的主电路进行了绘制双速曳引电动机的主电路如图3-10所示图3-10 双速曳引电机主电路图中QA1为曳引电机正转接触器, QA2为曳引电机反转接触器, QA3为低速运行接触器, QA4、 QA5为高速运行接触器为了防止电动机短路、 过流或过载, 在电路上串联了熔断器FA1和热继电器的热元件BB1特别要注意, 双速异步电动机由低速切换至高速( 或由高速切换至低速) 时, 接入电动机的三相电源要进行一次换相序, 否则切换转速后电动机会反转另外还有一个常识性问题, 电动机由正转切换至反转( 或由反转切换至正转) 时也要进行一次换相序双速曳引电机可能工作在以下状态: 低速正转, QA1和QA3闭合高速正转, QA1、 QA4、 QA5闭合低速反转, QA2和QA3闭合高速反转, QA2、 QA4、 QA5闭合为了防止危险和电源短路, 在实际控制中要严禁接触器QA1和接触器QA2同时闭合, 也要严禁接触器QA3和接触器QA4、 QA5同时闭合电动机在运行时, 切断电动机的三相电源, 由于电动机的机电惯性, 电动机的转轴并不能立即停止。

在电梯平层中, 为了使电动机快速停车, 需要在电动机的电路中加入制动电路对于电动机来说, 制动方式有很多种, 如直接制动, 反接制动, 能耗制动、 回馈制动直接制动是指电动机高速运行, 切断电源后立即用装置将电动机转轴卡住( 如电磁抱闸) , 此制动方式适用于低速运转的电机, 对于高速运转的电机此制动方式对电机的转轴、 制动轮和制动瓦块的磨损较大反接制动是利用改变电动机电源的相序, 使定子绕组产生反向的旋转磁场, 因而产生制动转矩的一种制动方法由于反接制动时, 转子与旋转磁场的相对速度接近于两倍的同步转速, 因此定子绕组中流过的反接制动电流相当于全电压直接启动的两倍因此反接制动的特点之一是制动迅速, 效果好, 但冲击大, 一般仅适用于10kW以下的小容量电动机反接制动的另一要求是在电动机转速接近于零时, 要及时切断反向序的电源, 以防止电动机反向再启动回馈制动是将电动机停车时的感应电动势回馈至电网, 其电路结构比较复杂, 一般用于变频电路中如图3-11所示, 电桥TB1的作用是将交流电整定成直流电所谓能耗制动就是在电动机脱离三相交流电源之后, 定子绕组上加一个直流电压, 即通入直流电流, 利用转子感应电流与静止磁场的作用以达到制动的目的。

图3-11中, 接触器MB1闭合, 电动机定子绕组将接入直流制动电流能耗制动比反接制动消耗的能量少, 其制动电流也比反接制动电流小得多; 但能耗制动的制动效果不及反接制动明显一般适用于电动机容量较大和启动、 制动频繁的场合综上分析比较, 本设计制动电路采用能耗制动较为合理我们生活中使用的电梯都是位能性负载, 在曳引电动机停转或电网停电的情况下, 电梯轿厢由于重力作用将会经过曳引钢丝绳拉动电动机反转, 从而导致事故发生为了杜绝坠梯事故的发生, 需要在曳引电动机的电路中接入电磁抱闸机构如图3-12所示, 当电梯处于静止状态时, 曳引电动机、 电磁制动器的线圈中均无电流经过, 这时因电磁铁铁芯间没有吸引力、 制动瓦块在制动弹簧压力作用下, 将制动轮抱紧, 保证电机不旋转; 当曳引电动机通电旋转的瞬间, 制动电磁铁中的线圈经过接触器MB2闭合而通上电流, 电磁铁铁芯立即磁化吸合, 带动制动臂使其制动弹簧受作用力, 制动瓦块张开, 与制动轮完全脱离, 电梯得以运行; 当电梯轿厢到达所需停站时, 曳引电动机失电、 制动电磁铁中的线圈也因接触器MB2的断开而失电, 电磁铁芯中的磁力迅速消失, 铁芯在制动弹簧的作用下经过制动臂复位, 使制动瓦块再次将制动轮抱住, 电梯停止工作。

图3-11 能耗制动电路 图3-12 电磁抱闸电路图3-13为电梯的开/关门电机主电路当接触器QA6闭合, 直流电动机正转, 电梯执行开门动作当接触器QA7闭合, 直流电动机反转, 电梯执行关门动作同曳引电动机, 为了防止电源短路, 在工作时严禁接触器QA6和接触器QA7都闭合同样, 为了防止直流电动机短路、 过流或过载, 在其电路上串联了熔断器FA6、 FA7和热继电器的热元件BB2图中电桥TB2也是为了将交流电整定成直流电图3-13 电梯开关门电机电路到此, 本设计的主电路绘制已全部完成, 将各个电路整合在一起, 就可得到电梯系统主电路总体图( 详见附录1) 3.2 控制电路设计电梯系统的控制电路设计和PLC外部接线详见附录2, 其各个部分的功能已在图中标出, 在此不再一一赘述下面给出图中楼层显示数码管限流电阻的计算利用PLC自身的24V直流输出电源, 普通发光二极管正常发光压降为1.6V～2.1V, 正常工作电流为5mA～20mA 公式( 3-6) 由欧姆定律公式( 3-6) 和串联电路分压定理, 取发光二极管发光压降1.8V, 正常工作电流15mA, 则U=24-1.8=22.2(V),I=0.015A。

从而计算出限流电阻R=U/I=1480Ω, 实际值可能略大于计算值, 故取1.5KΩ4 程序设计4.1 电梯的工作流程为了直观展示电梯的运行状态, 我将其工作过程绘制成了流程图, 如图4-1所示 图4-1 电梯的运行流程图根据电梯运行流程图, 大致可将软件的设计分为以下几大部分: 楼层显示环节、 轿内呼叫信号的显示与消除环节、 厅外呼叫信号的显示与消除环节、 选向环节、 上下行显示环节、 上下行启动环节、 制动环节、 抱闸环节、 开关门环节、 超重报警环节、 箱内照明环节电梯的运行状态可分为初始状态、 运行中状态和运行后状态4.1.1 电梯的初始状态此时电梯位于某层待命, 各指示灯都被初始化, 电梯处于以下状态: 各层呼叫指示灯均不亮电梯内部以及外部各个显示数码管均为轿厢所在楼层的对应层号电梯内部及外部各层电梯门均关闭4.1.2 电梯在运行中的状态当电梯在运行时应处于以下状态: 按下某层呼梯按钮( 轿内或厅外) 对应的指示灯亮, 且轿厢照明。