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论文相关方法-基于PLC的电梯控制系统设计
时间:2021-04-20 12:26:11

  随着社会经济的发展,电梯也在快速发展。目前对于老式、无电梯楼房进行外挂电梯改造取得了很大的进展,但还存在成本较高的缺点。使用PLC对电梯进行控制,可以很好的改善电梯的性能,降低电梯故障的发生率。

  本文以八层电梯为控制对象,采用PLC对电梯控制系统进行设计。电梯控制系统是为PLC为中心的逻辑电路组成,通过PLC处理旋转编码器输出的脉冲信号来控制变频器,从而实现电梯上下行、变速等操作。使用STEP 7软件对电梯梯形图程序进行编写,利用仿真软件进行程序验证。说明了选用PLC的优点和特点,重点的进行了相关的硬件设计和软件设计,并用软件进行了仿真,进一步的验证电梯控制系统的正确性。

  通过八层电梯控制系统设计和仿真,充分体现出PLC的功能,可以更好的提高电梯性能,达到更好的控制效果。

  PLC在电梯中的应用及发展

  目前,PLC在电梯上得到广泛的应用。PLC是一种微型计算机系统,具有很强的逻辑控制能力。在80年代后期,PLC引入我国电梯行业,采用PLC组成的电梯控制系统被各种电梯厂家普遍使用。在传统电梯的改造中,PLC由于自身强大的功能特点,应用在不同的电梯中。PLC采用巡回扫描的方式对任务进行处理,通过编写程序使PLC运行,当程序出错时,PLC不会工作。只有当程序正确时,PLC才能通过各种信号的输入,控制电梯运行。由于PLC的组成特点,内部辅助继电器和保持继电器都是内部工作单元,没有线圈和触点,可以通过程序不断的被使用。在电梯控制系统中,PLC与继电器相比有明显的优点。PLC通过软件编程实现对电梯的自动控制,使电梯的可靠性大大的提高。去掉了选层器和大多数的继电器,使得控制结构简单、线路简化,发生故障的概率大大降低。PLC可以进行复杂的逻辑控制,使电梯的功能和性能得到很大的提高。PLC可以对故障进行检测并显示,使电梯检修更加的方便,提高了电梯运行的安全性。当电梯需要改动控制方案时,不需要重新硬件接线,只需要进行程序的改动即可,使电梯控制更加的方便。

  随着社会不断的发展,国内外的科技水平突飞猛进,在很多领域中,都提出了智能化。现在的生活中,智能化越来越明显,无人机、无人驾驶汽车的研制,支付方式变为扫码、刷脸,智能家居的研发等,让我们生活变得越来越简单。电梯拖动技术从直流电机调速,到交流单速、交流双速电机驱动,到交流调压调速、交流调频调速控制,使电梯发展越来越成熟。电梯控制的发展也会随着科技的进步,功能变得更加的强大,控制变得简单,,使电梯能够智能化,更加安全的给人类服务,给人类带来更好的乘坐体验。

  本文的研究内容和章节安排

  在本文中,将以八层电梯为控制对象,从而使用PLC对电梯控制系统进行设计。在对电梯结构和可逻辑编程控制器作了更全面的介绍之后,介绍了电梯控制系统的分类和特点,并对系统硬件和软件部件进行了设计。最后通过仿真软件进行仿真。

  第一章介绍了PLC在电梯中的应用及发展。

  第二章对电梯的结构和控制要求进行阐述。

  第三章进行系统硬件电路部分设计。

  第四章进行系统软件部分设计,对各个部分进行程序编写。

  第五章将编写程序载入仿真软件,进行仿真,验证设计思路的正确性。

  第六章对本文设计进行总结,并做进一步展望。

  2电梯的概述

  本文对电梯进行控制系统的设计。本章主要介绍了电梯的结构,通过对电梯结构的了解,加深对电梯的认识,才能够更好的设计电梯控制系统。在了解电梯的结构后,对电梯的控制要求进行简单的介绍。

  电梯的结构

  现在的电梯很多都还是电力拖动、钢丝绳曳引式结构。电梯由曳引系统、门系统、导向系统、轿厢和安全装置所组成。电梯的基本结构如图2-1所示。

  图2-1电梯基本结构

  1一控制柜(屏);2一曳引机;3-曳引钢丝绳;4一限速器;5一限速器钢绳;6一限速器张紧装置;

  7-轿厢;8一安全钳;9-轿厢门安全触板;10-导轨;11一对重;12-厅门;13-缓冲器

  1、曳引系统

  曳引系统的作用就是为电梯提供动力输出,能使电梯上下运行。由钢丝绳、曳引机、曳引导向轮和反绳轮构成。

  2、导向系统

  导向系统的作用对轿厢和对重的自由度进行限制,使轿厢和对重沿着导轨垂直运动。

  3、门系统

  门系统的作用是对电梯进行开关门控制。门系统由连动机、轿厢门、层门、开门构等组成。

  4、轿厢

  轿厢的作用是作为载体运载人和货物。轿厢由厢体和厢架组成。

  5、重量平衡系统

  重量平衡系统的作用是平衡轿厢的重量和对重的重量,使电梯能够正常运行。重量平衡系统由对重和重量补偿装置构成。

  6、电力拖动系统

  电力拖动系统的作用是控制电梯运行的速度,使电梯能够稳定的上下运行。由曳引电机、调速装置、供电系统、速度反馈装置等组成,

  7、电气控制系统

  电梯的电气控制系统是由控制装置、平层装置、操纵装置和位置显示装置等部分构成。其作用是控制电梯的高效运行。

  8、安全保护系统

  安全保护系统的作用是使电梯能够安全稳定运行。

  电梯的控制要求

  1、在给电梯通电后,对电梯进行初始化。

  2、当轿厢外有外呼信号时,电梯响应外呼信号并向该层运行。电梯到达该楼层进行平层,然后轿厢门自动打开,并进行开门延时20秒,延时过后进行关门。当关门时,如果检测到有人和物,电梯停止关门,进行开门,再进行延时。当没有检测到人和物时,轿厢进行关门。

  3、当轿厢内有内呼信号时,电梯响应内呼信号并向该楼层运行,电梯到达该楼层进行平层,然后轿厢门自动打开延时20秒,之后轿厢门自动关闭。

  4、通过指示灯来显示电梯的位置变化,以及轿厢内外的指令信号。

  5、电梯响应信号后进行处理,发出运行信号通过显示屏显示,从而知晓电梯的运行方向。

  6、电梯应该具有最远响应功能。当电梯在一楼时,三楼有外呼向下请求,同时五楼和八楼都有外呼向下请求,电梯应该先响应八楼外呼信号,向八楼运行,然后依次响应五楼和三楼。

  7、在电梯运行过程中,不会响应开门信号,轿厢门不会被打开。知道电梯平层停止运行,才会响应开门信号和关门信号。在电梯处于开门和关门状态时,电梯不会进行上行和下行动作,只有当轿厢门关闭后,电梯才能上行和下行。

  8、电梯在上行和下行的过程中,当出现多个呼叫信号时,具有记忆功能。

  9、电梯在运行时会自动的进行加减速操作。

  3电梯控制系统的硬件设计

  PLC的选型

  PLC的定义及特点

  1、PLC的定义

  PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输人和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计[2]。

  2、PLC的特点

  (1)可靠性高,抗干扰能力强。PLC采用了很多的抗干扰措施,可以使PLC平均无故障时间达几十万个小时。

  (2)编程简单、使用方便。现在PLC的编程语言应用最多的就是梯形图,梯形图与电气控制图相似,不需要掌握很多关于计算机方面的知识,就能使很多技术人员掌握,使用非常的简单。

  (3)功能完善、通用性强。随着PLC不断发展,PLC的功能不断的被完善,能够满足工程需求。与PLC相关的还有很多配套的设备可以供用户选择使用,通过这些装置的配备,可以满足各种要求的控制系统。

  (4)设计安装简单、维护方便。使用PLC软件编程,减少了很多硬件的设计,使安装接线变得简单。出现故障时,PLC会自动的检测故障来源,从而使维护变得更加方便。

  (5)体积小、重量轻、能耗低。由于PLC采用了集成电路,其结构紧凑、体积小、能耗低,因而是实现机电一体化的理想控制设备。[3]

  I/O端口设计及PLC的选择

  根据八层电梯设计要求,对电梯的输入输出端口进行分配,如表3-1所示。

  表3-1输入输出端口分配表

  八层限位开关I0.0一层指示灯Q0.0

  一层限位开关I0.1二层指示灯Q0.1

  二层限位开关I0.2三层指示灯Q0.2

  三层限位开关I0.3四层指示灯Q0.3

  四层限位开关I0.4五层指示灯Q0.4

  五层限位开关I0.5六层指示灯Q0.5

  六层限位开关I0.6七层指示灯Q0.6

  七层限位开关I0.7八层指示灯Q0.7

  上限位开关I1.0一层上呼吸灯Q1.0

  下限位开关I1.1二层上呼吸灯Q1.1

  一层上呼按钮I1.2二层下呼吸灯Q1.2

  二层上呼按钮I1.3三层上呼吸灯Q1.3

  二层下呼按钮I1.4三层下呼吸灯Q1.4

  三层上呼按钮I1.5四层上呼吸灯Q1.5

  三层下呼按钮I1.6四层下呼吸灯Q1.6

  四层上呼按钮I1.7五层上呼吸灯Q1.7

  四层下呼按钮I2.0五层下呼吸灯Q2.0

  五层上呼按钮I2.1六层上呼吸灯Q2.1

  五层下呼按钮I2.2六层下呼吸灯Q2.2

  六层上呼按钮I2.3七层上呼吸灯Q2.3

  六层下呼按钮I2.4七层下呼吸灯Q2.4

  七层上呼按钮I2.5八层下呼吸灯Q2.5

  七层下呼按钮I2.6轿厢内呼灯1 Q2.6

  八层下呼按钮I2.7轿厢内呼灯2 Q2.7

  轿厢内呼1 I3.0轿厢内呼灯3 Q3.0

  轿厢内呼2 I3.1轿厢内呼灯4 Q3.1

  轿厢内呼3 I3.2轿厢内呼灯5 Q3.2

  轿厢内呼4 I3.3轿厢内呼灯6 Q3.3

  轿厢内呼5 I3.4轿厢内呼灯7 Q3.4

  轿厢内呼6 I3.5轿厢内呼灯8 Q3.5

  轿厢内呼7 I3.6超重指示灯Q3.6

  轿厢内呼8 I3.7警报器Q3.7

  轿厢开门按钮I4.0门电机正转Q4.0

  轿厢关门按钮I4.1门电机反转Q4.1

  强制上行开关I4.2上行指示Q4.2

  强制下行开关I4.3下行指示Q4.3

  直驶开关I4.4多段速1 Q4.4

  警铃按钮I4.5多段速2 Q4.5

  开门限位开关I4.6多段速3 Q4.6

  关门限位开关I4.7译码器A端口Q4.7

  超重检测信号I5.0译码器B端口Q5.0

  编码器A相I5.1译码器C端口Q5.1

  编码器B相I5.2译码器D端口Q5.2

  电梯门红外感应信号I5.3上行显示Q5.3

  下行显示Q5.4

  轿厢开门Q5.5

  轿厢关门Q5.6

  直驶呼灯Q5.7

  从表中得到,I/O口的输入端口有44个,输出端口有48个。本文选用西门子公司S7-200型号的PLC,S7-200有四种CPU,从分配的I/O口来看,可以选择CPU 226型号。CPU 226的I/O口为24个输入端口和16个输出端口,可以扩展模块数量为7个。通过计算,还需要两个EM223模块可满足分配的I/O数量。

  为了满足电梯控制要求,进行电气元器件的选型,如表3-2所示。

  表3-2电气元件表

  原件名称及作用

  (对应的I/O口)元件符号原件名称及作用

  (对应的I/O口)元件符号

  电梯开门接触器(Q4.0)KM1一层外呼上行按钮

  (I1.2)SB1

  电梯关门接触器(Q4.1)KM2二层外呼上行按钮

  (I1.3)SB2

  八层检测限位开关

  (I2.0)SQ1二层外呼下行按钮

  (I1.4)SB3

  一层检测限位开关

  (I0.0)SQ2三层外呼上行按钮

  (I1.5)SB4

  二层检测限位开关

  (I0.1)SQ3三层外呼下行按钮

  (I1.6)SB5

  三层检测限位开关

  (I0.2)SQ4四层外呼上行按钮

  (I1.7)SB6

  四层检测限位开关

  (I0.3)SQ5四层外呼下行按钮

  (I2.0)SB7

  五层检测限位开关

  (I0.4)SQ6五层外呼上行按钮

  (I2.1)SB8

  六层检测限位开关

  (0.5)SQ7五层外呼下行按钮

  (I2.2)SB9

  七层检测限位开关

  (I0.6)SQ8六层外呼上行按钮

  (I2.3)SB10

  上限位

  (I0.7)SQ9六层外呼下行按钮

  (I2.4)SB11

  下限位

  (I1.0)SQ10七层外呼上行按钮

  (I2.5)SB12

  开门限位开关

  (I1.2)SQ11七层外呼下行按钮

  (I2.6)SB13

  关门限位开关

  (I1.2)SQ12八层外呼下行按钮

  (I2.7)SB14

  超重检测

  (I5.0)KR1 1-8层内呼按钮

  (I1.2)SB15-SB22

  编码器A相

  (I5.1)KR2轿厢开门按钮

  (I4.0)SB23

  编码器B相

  (I5.2)KR3轿厢关门按钮

  (I4.1)SB24

  电梯门红外感应

  (I5.3)KR4强制上行按钮

  (I4.2)SB25

  1-8层指示灯

  (Q0.0-Q0.7)HL1-HL8强制下行按钮

  (I4.3)SB26

  一层上呼吸灯

  (Q1.0)HL9直驶按钮

  (I4.4)SB27

  二层上呼吸灯

  (Q1.1)HL10六层上呼吸灯

  (Q2.1)HL18

  二层下呼吸灯

  (Q1.2)HL11六层下呼吸灯

  (Q2.2)HL19

  三层上呼吸灯

  (Q1.3)HL12七层上呼吸灯

  (Q2.3)HL20

  三层下呼吸灯

  (Q1.4)HL13七层下呼吸灯

  (Q2.4)HL21

  四层上呼吸灯

  (Q1.5)H14八层下呼吸灯

  (Q2.5)HL22

  四层下呼吸灯

  (Q1.6)HL15 1-8轿厢内呼灯

  (Q2.6-Q3.5)HL23-HL30

  五层上呼吸灯

  (Q1.7)HL16超重指示灯

  (Q3.6)HL31

  五层下呼吸灯

  (Q2.0)HL17直驶呼灯

  (Q5.7)HL32

  警报器

  (Q3.7)HG

  电梯控制系统输入输出电路设计

  在电梯控制系统设计中,PLC是整个电梯控制系统的核心。PLC的输入端口包括了由内呼按钮传入的内呼信号、轿厢外呼按钮传入的外呼信号、限位开关传入的位置检测信号、开关门按钮传入的开关门信号以及旋转编码器传入的脉冲。PLC的输出端包括由PLC经过处理后发出的轿厢内呼信号指示、轿厢外呼信号指示、显示器上的楼层显示和运行方向指示、轿厢的开关门指示以及使变频器控制曳引电机信号。其结构图如图3-3所示。

  图3-3电梯控制系统结构图

  通过对PLC的I/O口进行分配,对电梯电梯控制系统结构进行了解后,得到如图3-4所示输入输出的电路连接图。

  在输入部分中SQ1-SQ8是一层到八层平层信号,以及一层到八层限位保护信号。SQ9为电梯上限位保护信号,SQ10为电梯下限位保护信号。轿厢外安装呼叫按钮,在低层只有上呼按钮SB1,在顶层只有下呼按钮SB14,其他层都有上呼按钮和下呼按钮,分别对应SB2-SB13按钮。在轿厢内设置有用户选择楼层的内呼按钮SB15-SB22,开门按钮SB23,关门按钮SB24,手动控制轿厢开门关门。强制上行按钮SB25,强制下行按钮SB26,强制改变电梯运行的方向。直驶按钮SB27,当按下直驶按钮后,只响应内呼按钮发出的内呼信号,不会响应轿厢外的外呼信号。警铃按钮SB28,当在轿厢内遇到紧急情况,可以通过按下警铃按钮,从而发出报警信号进行求救。SQ11、SQ12分别为开门限位开关和关门限位开关,对轿厢门运行的位置进行检测,使开门关门到位。KR1为超重检测信号,当轿厢载重达到500kg时,KR1为1从而发出报警信号,电梯停止动作。KR2和KR3为旋转编码器的A相、B相输入端,在电梯运行中,通过旋转编码器将脉冲信号传入PLC进行处理,从而使变频器控制曳引电机进行变速。KR4为电梯门红外感应,用于检测门中间是否存在人或物,当检测到人和物时,使电梯停止关门动作。

  在输出部分中HL1-HL8分别是一层到八层的楼层指示灯,HL9-HL22分别是一层到八层轿厢外上呼按钮和下呼按钮对应的指示灯。HL23-HL30则是轿厢内呼按钮所对应的指示灯。HL31为超重指示灯,当电梯超重时HL31亮。HG是警铃,当警铃按钮按下后,发出报警信号进行呼救。KM1是开门接触器,使门电机正转开门。KM2为关门接触器,使门电机反转关门。Q4.2和Q4.3是上行指示和下行指示,Q4.4-Q4.6是多段速选择端口,PLC与变频器连接,从而控制曳引机的正转、反转以及速度。Q4.7-Q5.2是BCD七段译码器的输入端,控制数码管对电梯的位置进行显示。Q5.3和Q5.4是电梯上行下行的显示。

  图3-4电梯控制系统输入输出电路接线图

  旋转编码器的选型

  旋转编码器的工作原理是利用内部的光敏原件转化码盘的时序和相位关系,从而可以得到码盘角位移的增加或者减少。在旋转编码器随着转轴转动时,就能够输出脉冲。在旋转编码器中可以对计数的起点任意设置,这样可以实现对输出脉冲不断的累加和计数。按照码盘的刻孔方式,可以将旋转编码器分为增量式和绝对式两种,在本文中选用型号是TRD-J-1024-RZ增量式旋转编码器。增量式旋转编码器直接利用光电转换原理输出两组脉冲A、B,A、B两组脉冲相位相差90°,从相位差可以判断出电机的旋转方向,原理示意图如3-5所示。旋转编码器安装在曳引电机的转轴上,随着曳引电机的转动而运转,从而输出A、B两相的脉冲传入到PLC中,通过PLC中的高速计数器进行计数,得到电梯位置有关的数据,来控制电梯的速度。

  图3-5旋转编码器原理示意图

  变频器的选型

  变频器的作用是对曳引电机进行控制,使电梯完成相应的动作。当PLC接收到呼叫信号后,对变频器输出上行或下行方向的信号,控制曳引电机正转和反转,使曳引机进行加速运行。当电梯行驶到目标楼层的减速点时,变频器控制曳引电机进行减速运动,直到电梯平层停止。选用FR-A5400变频器对电梯进行控制,FR-A540变频器是采用交—直—交主回路控制方式,能够自行设置参数来对电梯进行精确控制,得到一条使电梯平稳运行的速度曲线。变频器的参数设置可以对速度频率、加速时间、减速时间进行设置。下图3-6为FR-A540常用的端子。

  图3-6 FR-A540变频器常用端子

  在FR-A5400变频器常用端子中,R、S、T是三相交流电源的输入端,U、V、W连接三相异步电动机。STF为正转启动端,STR为反转启动端,将这两个端子与PLC相连接,通过PLC进行控制。SD是接点输入端子与FM端子的公共端,为公共输入端子。RH、RM、RL端子用于多段速选择,不同的信号组合可以选择不同的速度,通过PLC连接进行控制。STOP为启动自保持选择端子,当STOP处于ON时,可以选择启动信号自保持。JOG为点动模式选择,当JOG信号为ON时,选择点动运行,用STF或STR点动运行。

  电梯主电路设计

  在电梯运行中,电梯的上升和下降由曳引电机进行完成。在电梯上升和下降的过程中,电梯的速度并不是不变的,电梯在启动后会进行加速运行,然后保持速度不变,最后会减速停车。为了使乘客在电梯中有良好的舒适感,电梯要有一条良好的电梯的运行速度曲线。曳引电机通过与变频器连接,从而控制电梯上下行,加速和减速操作,如图3-6。当PLC接收到信号后,会发出信号传给变频器,使变频器控制曳引电机进行相应的操作,旋转编码器随着曳引电机的转动,将脉冲传入到PLC中进行处理,使电梯能够精确平层。

  图3-6电梯主电路图

  电梯有启动、加速运行、匀速运行、减速制动、停止这五个过程,而且每次动作的时间很短。所以曳引机会进行频繁的启动和制动,需要启动时电流小,机械强度要高等特点,对曳引机的要求很高。为了达到要求,选用变极双速三相异步电动机。选择电动机的型号,需要知道所需额定功率的大小。由计算电梯电动机额定功率的公式:

  (3-1)

  式中P——额定功率;

  Q——电梯的额定载量;

  V——电梯的额定运行速度

  ——电梯的平衡系数;

  ——曳引机的传动总效率。

  已知电梯的载重为500kg,设定电梯的额定运行速度为1m/s,电梯的平衡系数为0.45,曳引机的传动总效率为0.8。通过计算可知电梯的额定功率约为3.37kw,可选择电动机的型号为YD132M—6/4变极双速三相异步电动机,参数如表:

  表3-3三相异步电动机参数表

  型号电流

  (A)转速

  (r/min)效率

  (%)功率

  因数

  (cos)

  YD132M-6 9.8 960 81 0.76

  4 12.3 1440 80 0.85

  电梯开关门电路设计

  图3-7为电梯开关门电路设计。门电机M2为他励直流电动机,选用110SZ56H3型号,额定电压为110V,额定功率为123W,额定转速为1000r/min。通过KM1、KM2对门电机进行正反转控制。当KM1闭合KM2断开,KM1的常开触点闭合,常闭触点断开,使电阻R2与门电机并联,电流从门电机的左端流向门电机的右端,门电机正转使轿厢开门。当门运动到SQ13时,SQ13闭合,减小R2的阻值,实现开门减速。当KM2闭合KM1断开时,KM2的常开触点闭合,常闭触点断开,使电阻R3与门电机并联,电流从门电机的右端流向门电机的左端,门电机反转使轿厢关门,当门分别运动到SQ14、SQ15时,减小R3的阻值,实现关门减速。

  图3-7电梯开关门电路

  电梯显示部分设计

  电梯显示部分由轿厢外显示部分和厢内显示部分。轿厢外显示分为上行、下行按钮和电梯位置显示、方向显示。唯一不同的就是一楼没有下行按钮,八楼没有上行按钮,如图3-8所示。轿厢内显示也有着电梯位置显示、方向显示,还有一楼到八楼的按钮以及其他按钮,如图3-9所示。

  图3-8电梯外部显示模块图3-9电梯内部显示模块

  在电梯内部显示模块中,START UP按钮是电梯强制上行按钮,使电梯强制上行,START DOWN是强制下行按钮,使电梯强制下行。BY PASS是直驶按钮,电梯只会响应轿厢内的信号,不会响应轿厢外的外呼信号。

  楼层的显示部分是由七段数码管组成,PLC通过BCD七段译码器来连接七段数码管,译码器的A、B、C、D端分别连接PLC的Q4.7-Q5.2输出端口,BCD七段译码器真值表如表3-4。

  表3-4 BCD七段译码器真值表

  输入输出楼层

  D C B A a b c d e f g

  0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1

  0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2

  0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3

  0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4

  0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5

  0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 6

  0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 7

  1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8

  4电梯控制系统的软件设计

  电梯控制系统流程图设计

  电梯控制系统主流程图

  电梯控制系统的主流程图如图4-1所示。首先,电梯上电后会进行初始化的操作,然后,电梯等待外部的呼叫指令,当外部产生呼叫后,判断目标层是否是本层。当目标层是本层时,电梯停止,启动开门程序。当目标层不是本层时,电梯会判断上行还是下行,向目标层运动,并进行平层检测,判断电梯的位置。当电梯到达平层位置后,进行开门。

  图4-1电梯控制系统主流程图

  电梯选层程序流程图

  电梯选层程序如图4-2所示。当电梯进行上电复位后,就会进入电梯选层子程序。当有呼叫指令时,电梯判断自己的位置。当电梯停在一层,其他层有呼叫信号时,电梯上行。当电梯在2-7楼时,会判断呼叫指令与本层的关系,当比本层楼层高,则电梯上行,当比本层楼层低,则电梯下行,刚好是本层呼叫指令,则电梯不动。当电梯在八层时,一层到七层有指令,则电梯下行。

  图4-2电梯选层程序流程图

  电梯开关门程序流程图

  电梯开关门子程序流程图如图4-3所示。当电梯接收到停层信号后,电梯停层。电梯进行开门动作,然后检测开门是否到位。当电梯门没到到达指定位置时,电梯继续进行开门动作,当电梯开门到位时,进行开门延时。当延时时间到,关门程序启动,利用红外感应检测电梯门中间有无人和物。当检测到人或物,电梯停止关门,继续进行检测。当没有检测到人或物时,电梯不会中断关门程序。当关门检测到位时,才会响应其他信号。

  图4-3电梯开关门程序流程图

  电梯控制系统梯形图的设计

  STEP 7-Micro/WIN是用于S7-200系列PLC的编程软件。使用STEP 7进行编程,简单易学,而且功能非常的强大。在STEP7中编写程序,并且可以实时进行监控,观察程序运行的状态。采用STEP 7-Micro/WIN编写梯形图,该设计由五个部分组成:主程序、呼叫子程序、指示子程序、上行子程序、下行子程序。

  主程序设计

  主程序中调用各个子程序,通过特殊存储器SM0.0,在上电后始终为1,子程序调用,如图4-4所示。

  图4-4调用子程序梯形图

  (1)上电初始化

  特殊存储器SM0.1首次扫描为1,再次扫描时为0,一般用来初始化程序。利用复位指令R,将楼层指示灯1:Q0.0之后连续50个复位,以及辅助线圈:M0.0之后连续150个复位。

  图4-3上电复位梯形图

  (2)平层开门标志

  当按下上呼或下呼按钮后,电梯到达了对应的楼层进行楼层检测,并且停止标志:M10.0为0。表明电梯到达对应楼层并且停止,使平层开门标志:M11.0为1。

  图4-3平层开门标志梯形图

  (3)平层开门条件

  电梯开门要满足下面几种情况。当到达该楼层后,该楼层的灯熄灭。或者当电梯上行:Q4.2和电梯下行:Q4.3为0,开门按钮:M4.0为1。或者当电梯上行:Q4.2和电梯下行:Q4.3为0,平层开门标志:M11.0为1。将停止标志:M10.0置1,启动开门:M10.3置1。

  图4-4电梯开门条件梯形图

  (4)启动开门动作

  当启动开门:M10.3为1时,则轿厢开门线圈:Q5.5为1,并当门开标志:M10.5也为1时,将启动开门:M10.3复位,开门等待:M10.7置1。

  图4-5启动开门动作梯形图

  (4)开门延时

  开门等待:M10.7为1后,进入接通延时定时器T40进行延时20秒。

  图4-6开门延时梯形图

  (5)启动关门动作

  启动关门需要满足下面任意一种情况。T40延时时间到置1,或者按下关门按钮:I4.1时,电梯上行:Q4.2和电梯下行:Q4.3为0,启动关门:M10.4置1,,开门等待:M10.7复位为1。

  图4-7启动关门动作梯形图

  (6)关门动作执行

  启动关门:M10.4置1后,红外感应:I5.3为0,轿厢关门:Q3.1为1,并当门关的标志:M10.6为1时,启动关门:M10.4和停止标志:M10.0复位。

  图4-7关门动作执行梯形图

  (7)电梯上行控制

  当强制上行:I4.3为1,或者当有其他上行辅助线圈为1时,下行标志:M10.2为0时,使上行标志:M10.1为1。

  图4-7电梯上行控制梯形图

  (8)电梯下行控制

  当强制下行:I4.4为1时,上行标志:M10.2为1。当有其他下行辅助线圈为1时,上行标志:M10.1为0时,下行标志:M10.2为1。

  图4-8电梯下行控制梯形图

  (9)电梯动作

  当电梯上电初始化后,当超重指示灯:Q3.6为0,门关标志:M10.6为1,停止标志:M10.0为0时,上行标志:M10.1为1时,电梯上行:Q4.2为1,下行标志:M10.2为1时,电梯下行:Q4.3为1。

  图4-9电梯动作梯形图

  呼叫子程序设计

  呼叫子程序是利用复位优先双稳态触发器RS来对按钮呼吸灯进行控制,通过上呼按钮或下呼按钮,以及楼层指示灯来控制呼吸灯的熄灭,通过楼层指示灯和复位按钮来控制呼吸灯的亮。其中不同的就是一层的上呼灯和八层的下呼灯不需要复位辅助线圈,来控制一层上呼灯和八层下呼灯,因为一个是最底层,一个是最顶层,不会出现还有下呼或上呼的情况。下面介绍直驶灯控制、下呼灯8、上呼灯1、上呼灯2以及内呼灯8控制的梯形图,其他灯的控制与上呼灯2相似,见附录1。

  (1)直驶灯控制

  当直驶按钮按下时,直驶开关:I4.4为1,直驶呼灯:Q5.7为1,直驶灯亮。这时电梯不会接收来自轿厢外的外呼信号,只接收来自轿厢内的信号。当遇到紧急情况时,如医院有急诊病人需要运送时,就会按下直驶按钮,电梯不接收外厅信号,只会接收内呼信号,节约时间。

  图4-10直驶灯控制梯形图

  当内呼灯都熄灭时,将直驶复位:M15.7置1,使直驶呼灯熄灭,电梯从而响应外厅信号,恢复正常运行。

  图4-11直驶复位梯形图

  (2)下呼灯8控制

  当直驶呼灯:Q5.7为0,直驶呼灯没有亮时,下呼按钮8:I2.7为1,没有到达八层时,下呼灯8:Q2.5为1。当电梯到达八层时,将下呼灯8:Q2.5复位。

  图4-12下呼灯8控制梯形图

  (3)上呼灯1控制

  当直驶呼灯:Q5.7为0时,上呼按钮1:I1.2为1,楼层指示灯1:Q0.0为1,上呼灯1:Q1.0为1,当电梯到达一层时,一层楼层指示灯:Q0.0为1,上呼灯1:Q1.0为0。

  图4-13上呼灯1控制梯形图

  (4)上呼灯2控制

  当直驶按钮没有按下时,直驶呼灯:Q5.7为0。当轿厢外上呼按钮2:I1.3为1,二层楼层指示灯2:Q0.1为0,上呼灯2:Q1.1为1。当电梯到达二层时,楼层指示灯:Q0.1为1,上呼复位2:M9.0为1,将上呼灯2:Q1.1进行复位。

  图4-14上呼灯2控制梯形图

  当电梯在比二层高的位置,电梯在下行时,轿厢内呼灯1:Q2.6为0,一层上呼灯1:Q1.0为0,一层没有人上行,二层下呼灯2:Q1.2为0。二层没有人下行时,二层上呼复位:M9.0为1,表明当电梯从上面下降到二层时,不会去往一层,当电梯停在二层时,二层上呼灯2:Q1.1为0。

  图4-15上呼复位2控制梯形图

  (5)内呼灯8控制

  当轿厢内呼灯8:I3.7为1,电梯上行,当八层楼层指示灯8:Q0.7为0时,内呼灯8:Q3.5为1,当电梯到达八层时,楼层指示灯8:Q0.7为1,使内呼灯8:Q3.5复位。

  图4-16内呼灯8控制梯形图

  指示子程序设计

  下面程序是对电梯指示灯程序的编写。当电梯运行到楼层平层位置时,相对应的楼层指示灯就会亮。以下介绍楼层指示灯8、超重指示灯、门开标志以及门关标志。其他楼层指示灯与楼层指示灯8相似。

  (1)楼层指示灯8

  当电梯到达八层时,八层楼层检测:I0.0为1,使楼层指示灯8:Q0.7为1。

  图4-17楼层指示灯8控制梯形图

  (2)超重指示灯

  当轿厢的载重大于等于500Kg时,超重检测装置输出信号,使超重检测:I5.0为1,超重指示灯:Q3.6为1,超重指示灯亮,进行报警。

  图4-18超重指示灯控制梯形图

  (3)门开标志

  当电梯停到某一楼层,开门检测:I4.6为1,使门开标志:M15.5为1。电梯进行开门动作。

  图4-19门开标志梯形图

  (4)门关标志

  当当关门检测:I4.7为1时,使门关标志:M10.6为1。

  图4-20门关标志梯形图

  上升子程序设计

  这部分的程序是电梯上行的细化,从哪一层到哪一层做出详细的编写。当电梯无论从哪一层开始,要上行到第八层时,不需要考虑电梯在该楼层的上层,出现下行情况。下面将介绍电梯从一层上升到二层,以及电梯从一层上升到八层的梯形图程序。由于其他楼层都相似,将在附录一展示。

  (1)一层到二层

  电梯从一层到二层有三种情况。当电梯在一层,一层楼层指示灯1:Q0.0为1,二层有人要到一层,上行标志:M10.1为0,下行标志:M10.2为0,二层下呼灯2:Q1.2为1,则上升1到2:M5.0为1。电梯在一层,二层有人需要上行,则二层上呼灯2:Q1.1为1,则上升1到2:M5.0为1。电梯在一层,轿厢中有人要到二层,二层内呼灯2:Q2.7为1,则上升1到2:M5.0为1。当电梯到达二层,二层楼层指示灯2:Q0.1为1,将上升1到2:M5.0进行复位。

  图4-21一楼到二楼梯形图

  (2)一层到八层

  电梯从一层到八层有两种情况。电梯在一层,八层有人需要下行,八层下呼灯8:Q2.5为1,电梯从一层到八层,上升1到8:M15.0为1。电梯在一层,轿厢中有人要到八层,八层内呼灯8:Q3.5为1,电梯从一层到八层,上升1到8:M15.0为1。当电梯到达八层,八层楼层指示灯8:Q0.7为1,使上升1到8:M15.0进行复位。

  图4-22一楼到八楼梯形图

  下降子程序设计

  下面程序是电梯下行梯形图的编写。当电梯在第一层上方,向下运行时不需要考虑电梯会在一层的下方,进行下行。下面将介绍电梯从八层下降到七层的程序,以及电梯从八层下降到一层的程序。由于其他楼层都相似,将在附录一展示。

  (1)八层到七层

  电梯从八层到七层有三种情况。当电梯在八层,楼层指示灯8:Q0.7为1,上行标志:M10.1为0,下行标志:M10.2为0,七层有人要上行,七层上呼灯7:Q2.4为1,电梯从八层到七层,下降8到7:M14.0为1。当电梯在八层,七层有人想要下行,七层下呼灯7:Q2.4为1,电梯从八层到七层,下降8到7:M14.0为1。当电梯在八层,轿厢内有人到七层,内呼灯7:Q3.4为1,电梯从八层到七层,下降8到7:M14.0为1。

  图4-23八层到七层梯形图

  (2)八层到一层

  电梯从八层到一层有两种情况。当电梯在八层时,楼层指示灯8:Q0.7为1,八层有人要下行时,下呼灯8:Q2.5为1,电梯从八层下行,下降8到1:M14.6为1。当轿厢内有人要从八层下行,轿厢内呼灯1:Q2.6为1,电梯从八层下行,下降8到1:M14.6为1。当电梯到达一层时,楼层指示灯1:Q0.0为1,使下降8到1:M14.6置1。

  图4-23八层到一层梯形图

  5仿真验证

  利用S7-200仿真软件将写的程序进行仿真,验证其正确性。在STEP7编程软件中将PLC的型号设为CPU 226,将设计的项目进行保存,然后导出为awl格式保存到文件夹里。打开S7-200仿真软件,对CPU的型号进行配置,将CPU的型号同样设为CPU 226,然后在界面的扩展模块位置添加两个扩展模块EM223。设置完成之后,将程序载入。点击RUN按钮,开始运行程序,打开程序状态窗口进行程序监控,观察程序执行情况。

  下面进行当电梯在一楼时,六楼有人呼叫的仿真。

  当电梯在一楼时,楼层检测1:I0.1为1,楼层指示灯:Q0.0为1,如图5-1。关门检测:I4.7为1,电梯等待。当有下呼6按钮:I2.4为1时,下呼灯6:Q2.2为1,如图5-2。电梯上行标志:M10.1为1,如图5-3。电梯上行Q4.2为1,如图5-4。上升1到6:M5.4为1。CPU显示如图5-5。

  图5-1

  图5-2

  图5-3

  图5-4

  图5-5

  电梯开始上行,当电梯到六层停止时,楼层检测6:I0.6为1,楼层指示灯6:Q0.5为1,将楼层停止标志:M10.0置1。使轿厢开门:Q5.5为1,电梯准备开门,下呼灯6:Q2.2为0,当开门检测:I4.6为1时,进入开门延时程序,开门等待:M10.7为1,T40接通延时计时器开始计时20s,当延时时间到时,启动关门标志:M10.4为1,启动关门:Q5.6为1,如下图所示。

  图5-6

  图5-7

  图5-8

  图5-9

  当轿厢的载重超过时,超重检测:I5.0为1,超重指示灯:Q3.6为1,发出超重报警信号。电梯上行:Q4.2为0,电梯下行:Q4.3为0,使电梯不发生动作,如下图所示。

  图5-10

  图5-11

  图5-12

  6总结与展望

  在本文设计中,以八层电梯作为控制对象,进行了电梯控制系统的设计。通过这次设计,满足了系统控制要求,使电梯能够根据对应的指令,完成相应的动作。在系统硬件设计中,对PLC的I/O口进行分配,利用protel软件进行原理图绘画,对旋转编码器和变频器进行选型并做了相应的分析,对显示部分进行相关的设计和开关门电路设计。在软件设计中,对电梯的运行绘制流程图,掌握电梯的运行流程,利用STEP 7-Micro/WIN编程软件对每个部分进行梯形图的编写,实现电梯能够根据相应的指令完成相应的动作。利用仿真软件对编写的程序进行仿真,检查程序的正确性。

  在这次设计过程中,也有不足之处,由于对变频器的了解不深,没有能够很好的开发出变频器的功能,利用率也不高。在设计中,没有对电梯在每层的加速点和减速点进行相关方面的设计。希望在下次设计时,能够将以上的问题解决并加以完善。