基于组态软件的电梯运行仿真设计论文.docx

前言电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。多层厂房和多层仓库需要有货梯;高层住宅需要有住宅梯;百货大楼和宾馆需要有客梯,自动扶梯在现代社会,电梯已像汽车、轮船一样,成为人类不可缺少的交通运输工具。当今世界,电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。追溯电梯这种升降设备的历史,据说它起源于公元前236年的古希腊。当时有个叫阿基米德的人设计出-人力驱动的卷筒式卷扬机。1858年以蒸汽机为动力的客梯，在美国出现,继而又在英国出现水压梯。1889年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力,这才出现名副其实的电梯,并使电梯趋于实用化。1900年还出现了第一台自动扶梯。1949年出现了群控电梯,首批46台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。1955年出现了小型计算机(真空管)控制电梯。1962年美国出现了速度达8米/秒的超高速电梯。1963年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。1967年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统筒化，性能提高。1971年集成电路被应用于电梯。第二年又出现了数控电梯。1976年微处理机开始用于电梯，使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期实际上，目前电梯的控制普遍采用两种控制方式：一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯的信号采集、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。从控制方式和性能上来说，这两种方式并没有太大的区别。国内厂家大多采用答二种方式，其原因在于用PLC控制有许多优点： 1，可靠性高，由于采取了一系类的PLC高可靠性的措施，PLC的平均无故障时间（MTBF）一般可达35万小时。而且PLC的环境适应性也很强，它能在工业环境下可靠地工作；2，编程简单，PLC最常用的编程语言是梯形图语言。这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。当工作流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活；3，体积小、结构紧凑、安装、维修方便。PLC的体积小，重量轻，便于安装。一般PLC都具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能。总之，电梯的控制是比较复杂的，在计算机诞生前的几十年里，继电器控制系统为电梯控制的发展起到了巨大的作用，然而其控制性能与自身的功能已经无法满足与适应电梯控制的要求和发展，与PLC相比较，存在质的差别。电梯使用继电接触器控制的时代，很难设计出质量优良的电梯控制系统，而现在，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了更广阔的空间。PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠、抗干扰性能增强、机械与电气部件被机结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。因此它已成为电梯运行中的关键技术。第一章 电梯的结构及其分类1.1. 电梯的结构1.1.1.1.1.2.1.1.3.1.1.4.1.1.5.1.1.6.1.1.7.此处用上标序号标出，立帜网放在正文后面的参考文献中1减速箱；2-曳引轮；3-曳引机底座；4-导向轮；5-限速器； 6-机座；7-导轨支架；8-曳引钢丝绳；9-开关碰铁；10-紧急终端开关；11-导靴；12-轿架；13-轿门；14-安全钳；15-导轨；16-绳头组合；17-对重；18-补偿链；19-补偿链导轮；20-张紧装置；21-缓冲器；22-底坑；23-层门；24-呼梯盒；25-层楼指示灯；26-随行电缆；27-轿壁；28-轿内操纵箱；29-开门机；30-井道传感器；31-电源开关；32-控制柜；33-曳引电机；34-制动器。1立帜网(1.2. 电梯的分类1.2.1. 按用途分为乘客电梯，载货电梯，医用电梯，观光电梯，建筑施工电梯， 矿井电梯等。1.2.2. 按操纵控制方式分为电梯的分类较为繁多，例如还有按驱动方式分类，按有无司机分类，按速度分类等等。1.3 电梯的工作原理 以电梯在一楼待机为例，当电梯在一楼待机时，所有的楼层的楼层指示灯均显示“1”（代表此时电梯在一楼待机），当有人按二楼以上包括二楼的上升或下降按钮时轿厢上升，同时上升或下降的指示灯亮。轿厢的上升主要由曳引系统来完成，曳引绳绕在曳引轮和导向轮上，依靠曳引电机的正反转使得曳引绳与曳引轮之间发生摩擦从而产生牵引力，达到轿厢上升与下降的目的。当轿厢到达目的层时，连接在电梯轿厢上的金属片通过阻挡平层传感器所发出的信号来实现轿厢平层，轿厢到站后门电机自动运行开门，开门后可以通过轿厢内的关门按钮来关门，也可等待电梯控制系统的延时来关门。在电梯的运行过程当中，由于导向轮的作用是的电梯只能在导轨上坐升降运动。电梯响应上呼或下呼时，采用就近原则，例如轿厢正在上升过程中，有人按下呼按钮，这时电梯时先上升到目的层后再响应下呼，或者电梯的目的层时6层，并且正在项目的层靠近，这时4层上呼，由于电梯时执行就近原则，所以电梯先响应4层上呼，再到达目的层。 第二章 电梯的控制方式 电梯的控制系统主要有三种：一、继电气控制系统；二、微机控制系统；三、PLC控制系统。2.1 继电气控制系统2.1.1 继电气控制系统存在的问题继电器控制系统是最早实现电梯控制的方法，由于故障率搞、控制不灵活及功率消耗大、电路硬件设计复杂、技术水平难以提高、系统结构庞大等缺点现已基本被淘汰。 2.2 微机控制系统2.2.1 微机控制系统存在的问题微机控制系统虽然在智能方面有较强大的功能，但也存在一定的不足，主要问题在于抗干扰性差、系统设计复杂、一般维修人员难以掌握及维修技术，这些问题都限制了微机控制系统在电梯领域的发展。2.3 PLC控制系统 2.3.1 PLC的简介 PLC，即可编程控制器（Programmable logic Controller），产生于20世纪60年代末，它是在继电器-接触器控制系统的基础上开发出来的一种新型的工业控制器。1987年2月国际电工委员会颁布了可编程控制器标准草案的第三稿，该草案对可编程控制器的定义为：可编程控制器市一中进行数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用而设计的工业控制器。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储能执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型季节的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。这种定义强调了可编程控制器是一种可以进行数字运算的电子系统，是一种计算机，而且是专门为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，可编程控制器可以直接用于工业环境，具有很强的抗干扰能力及广泛的适应能力，这是可编程控制器区别于其他控制系统的一个重要特征。 2.3.2 PLC的特点可编程控制器本质上是具有特殊体系结构的工业计算机，它与一般的计算机相比具有更强的与工业过程相连接的接口，同时具有更适用于控制要求的程序设计语言。可以说，可编程控制器是将计算机技术和电气控制技术有机的结合在一起，其特点主要由以下几点。1. 可靠性高、抗干扰能力强此特点主要体现在可编程控制器能在电磁干扰强、低温、高温、潮湿、振动、灰尘等恶劣环境下正常工作，据统计在PLC控制系统的故障中，CPU的故障率占5%，I/O模块的故障率占15%，输入检测器件的如传感器及开关的故障率占45%，执行装置的故障率占30%，接线系统的故障率占5%，由此可见，故障的80%以上均出现在外围设备，所以使用PLC有利于快速准确地诊断出故障，从而大大减少维修时间，提高开机率。2. 编程简单、使用方便通过阅读PLC的使用手册或短期培训，电气技术人员可以很快熟悉梯形图语言，并用来编制一般的用户程序。同时，PLC编程软件或简易编程器的操作与使用也比较简单，这也是近几年PLC迅速的倒退管的重要原因。3.系统设计、安装、调试的工作量小PLC的内部器件代替了控制系统中大量的中间继电器，大大减少了在设计安装及接线等方面的工作量。4. 功能完善、通用性强现代的PLC不仅仅具有逻辑运算、定时、计数等功能，而且还有A/D和D/A转换，数据处理等功能，相比其他同类器件PLC的功能较为完善。由于的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的多种硬件装置供用户选择，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。5. 体积小、能耗低随着当今社会不断发展，楼房越盖越高，而电梯成为了高层楼房内不可缺少的运载工具，电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，对电梯的控制要求也不断的提高，PLC在电梯控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。由于PLC具有逻辑运算，计数、定时和数据输入输出的功能。在电梯控制过程中，各种逻辑开关控制与PLC很好的结合，很好的实现了对电梯的控制。本课题主要是讨论利用西门子公司S7-200PLC（如图）的控制系统对六层电梯运行的控制，并与组态王软件的仿真画面达到同步运行的效果。传统的电梯控制系统采用的继电器控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。目前电梯一般使用可编程控制器(PLC)，其功能变化灵活、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、控制箱占地面积少等优点为电梯控制系统首选控制器。当乘客进入电梯，按下选层按钮后，电梯门经过延时后自动关闭后控制系统便进行以下动作：根据轿厢所处位置判断轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速，将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。另外在轿厢内外均有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。第三章 PLC控制系统的硬件设计3.1 六层电梯主电路 3.1.1 六层电梯曳引电机电路图根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图所示。图中M1为曳引电机，变频器通过控制电动机的运行来控制轿厢，从而进行对电梯的控制。FR1为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。FU1为熔断器，起过电流保护作用。220V 3.1.2 PLC外部接线图根据本设计的控制要求PLC的外部接线图如下图所示：3.2 输入/输出的分配输入分配如下表格所示：序号名称点号11层上呼按钮I0.022层下呼按钮I0.132层上呼按钮I0.243层下呼按钮I0.353层上呼按钮I0.464层下呼按钮I0.574层上呼按钮I0.685层下呼按钮I0.795层上呼按钮I1.0106层下呼按钮I1.1111层内呼按钮I1.2122层内呼按钮I1.3133层内呼按钮I1.4144层内呼按钮I1.5155层内呼按钮I1.6166层内呼按钮I1.7171层平层信号I2.0182层平层信号I2.1193层平层信号I2.2204层平层信号I2.3215层平层信号I2.4226层平层信号I2.523下换速I2.624上换速I2.725开门限位I3.026关门限位I3.127开门按钮I3.228关门按钮I3.329夹人I3.430超重I3.531消防I3.632检修I3.733照明I4.0输出分配如下表格所示：序号意义点号1上行Q0.02下行Q0.13电梯低速Q0.24开门Q0.35关门Q0.46上行指示Q0.57下行指示Q0.68电梯正常速度Q0.79数码4 Q1.010数码2 Q1.111数码1 Q1.2121层上呼指示灯Q1.3132层下呼指示灯Q1.4142层上呼指示灯Q1.5153层下呼指示灯Q1.6163层上呼指示灯Q1.7174层下呼指示灯Q2.0184层上呼指示灯Q2.1195层下呼指示灯Q2.2205层上呼指示灯Q2.3216层下呼指示灯Q2.4221层内呼指示灯Q2.5232层内呼指示灯Q2.6243层内呼指示灯Q2.7254层内呼指示灯Q3.0265层内呼指示灯Q3.1276层内呼指示灯Q3.228内部灯Q3.329超载报警Q3.43.3 机型的选择本设计选用西门子公司的S7-200PLC，这类PLC产品可以满足各种各样自动化控制需求，如图所展示的是一个S7-200PLC，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美的满足小规模控制要求。S7-200系列在自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从代替继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极其广泛，覆盖所有与自动检测，自动控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。3.3.1 PLC的CPU选型S7-200PLC的CPU有五种分别是：CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。我们选用CPU224，使用程序编程模式时程序存储区为8192B，数据存储区为8192B，有六个高速计数器，最大可扩展7个模块。3.3.2 变频器的选型 MM440 是西门子公司生产的通用型矢量变频器，它性能稳定，质量可靠，功能齐全，在电梯行业首次使用。可编程序控制器PLC 和MM440 变频器之间的通讯可有两种方式，一种是串行通讯,采用串行通讯只需一根双芯屏蔽电缆西门子专用，它大大减少了布线的数量，无须重新布线即可更改控制功能，可以通过串行接口设置和修改变频器的参数，还可以连续对变频器的特性进行监视和控制另一种是并行通讯。在运行过程中，PLC 通过逻辑分析后，发出控制信号如正转、反转、上升或下降等信号给变频器，变频器接受指令，并且按照预先设定好的曲线拖动轿厢正常运行，另外变频器还发出信息如零速变频器是否故障抱闸等信号给PLC 使其参加PLC 的逻辑运算以保证电梯的安全运行3.3.2 给变频器送电完成以下参数设置（1）P0010参数为“30”,P0970参数设为“1”变频器复位到工厂设定值（2）P0003参数为“2” 扩展用户的参数访问范围（3）P0700参数为“2” 由模入端子/数字输入控制变频器（4）P0701参数为“2” 反转/停车命令（5）P0702参数为“17” BCD码选择ON命令（6）P0703参数为“17” BCD码选择ON命令（7）P0704参数为“1” 正转/停车命令（8）P1000参数为“3” 固定频率设定值（9）P1002参数为“40” 固定频率为40Hz（10）P1004参数为“10” 固定频率为10Hz第四章 PLC程序设计4.1 PLC的主要程序语言国际电工委员会在1994年5月公布的可编程控制器语言标准中，详细地说明了下述5种编程语言：梯形图、语句表、功能模块、顺序功能表图、结构文本。4.1.1 梯形图梯形图语言是PLC编程最常用的一种语言，它是从继电器控制系统原理图的基础上演变来的，与继电器控制系统的梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。作为PLC编程最常用的程序语言梯形图具有以下特点：（1） 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈等术语和一些图形符号构成。（2） 梯形图中只有常开和常闭。（3） 梯形图中触点可以使任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。（4） PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行。4.1.2 设计流程图主流程：呼叫处理：到站处理：开关门处理：PLC梯形图见附件一。4.2 组态软件的程序设计4.2.1 命令语言概述本章中可从组态界面截几幅图插进来5.1 组态王6.53的简介本设计选用的组态软件为组态王6.53，组态王6.53与S7-200 PLC 之间通讯的实现步骤。PPI协议是S7-200 CPU默认的通信方式，它通过S7-200 CPU自身的端口来完成。1、设备的连接利用PLC与计算机专用的PC/PPI电缆，将PLC通过编程口与上位计算机串口连接，进行串行通讯。在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击设备大纲项下PLC与上位计算机所连串口，进行参数设置。S7-200系列PLC编程口的通讯参数设置：在组态王浏览器目录内容显示区内双击所设对应的新建图标，会弹出设备配置向导对话框。在此对话框中完成与组态王通讯的设备的设置。3、造数据库数据库是组态王软件的核心部分，在工程管理器中，选择数据库数据词典，双击新建图标，弹出变量属性对话框，创建仿真电梯各个变量数据，这些变量与PLC内部变量一一对应，PLC的输入输出完全由组态王内部变量代替。这样，PLC的实际输入输出状态都反映在组态监控界面上，借助PLC的CPU通信功能，系统的运行就可以实现真正的仿真。4、系统运行启动组态王运行系统VIEW，运行本四层教学仿真电梯系统。按照电梯的控制要求，依次按下各楼层呼叫按钮，观察四层教学仿真电梯系统的运行结果。实验结果表明，系统运行正常，动画效果良好。结 论基于组态软件的电梯运行仿真设计，在这几周的时间里已完成，并且达到预期的效果，即：设计六层变频调速电梯的组态监控系统，实现对电梯轿厢运行状态，开关门状态，呼叫状态以及信号指示等全面仿真，并且与实验室教学电梯模型实现联机与同步运行。通过本课题的研究，电梯PLC控制系统确实要优于其他控制系统，在现实中的可行度比较高。目前，国内外各科研机构对组态王与PLC控制系统之间的研究已逐步深入，但触角还仅局限于科研领域，还未深入到各高校的教学领域的研究，而本课题为此项研究提供了典型的范例。致 谢我所做的“基于组态软件的电梯运行仿真设计”设计，是一项综合性较强的项目，它涉及到硬件电路的设计、程序的编写及调试，还有相关软件的使用。由于我的能力有限，在做毕业设计的过程中遇到了很多的问题和困难，但在指导老师与同学的帮助下，最终完成了此项工作。在此，我向他们致以最诚挚的感谢！首先，我要感谢我的指导老师石万里，每次向他请教问题的他都耐心细致的给我讲解，教学电梯坏了还帮助我修理，并且十分关心我的毕业设计的进展情况。石老师还为我提供了很多文献资料，供我参考，并向我的设计提出了很多有益的建议。在此，我向石老师表示衷心的感谢！我还要感谢我的同学们，是他们为我的设计提出了改进的建议，感谢他们为我提供电脑使用。在此，我感谢所有帮助过的老师与同学们，没有你们的热情帮助，我的毕业设计不会那么顺利的完成。按照规范格式，参考文献要与正文中的上标【 】一一对应。起码正文中要出现几个【 】。参考文献【1】电梯原理、使用与维护王志强等编著，机械工业出版社，2006年；【2】现代电气控制及PLC应用王永华主编，北京航空航天大学出版社，2003年；【3】电气控制及PLC应用何波主编，中国电力出版社，2008年；【4】计算机工业控制技术吴晓编著，虎门大学出版社，2005年；【5】S7-200PLC原理与使用开发指南李艳杰、于艳秋、王卫红、渠丰沛等编著，机械工业出版社，2009年；【6】S7-200中文系统手册西门子公司，2000年3月第二版；【7】组态王6.53初级培训教程北京亚控公司，2008年；【8】北京亚控公司网站：附录一： 附录三：英文原文（本文来源：Automated Warehousing Perspectives and TrendsAuthor:Paul SmithKeywords:Automation，Automated Warehousing，Real Time Warehouse Control SystemsIntroduction:A warehouse has been generally perceived to be a place to store things, out of sight, and out of mind, certainly not an image of high tech or sophistication. In fact most plant modernization efforts have typically ignored or bypassed the warehouse completely. But, in todays competitive manufacturing and business environment, the vital role of warehousing has to be properly understood. The warehouse is a critical link between a manufacturing plant and the external world and significantly affects the performance of the entire manufacturing and logistics system. The time to pay attention to the warehouse and to integrate it in the material supply chain Is long overdue, especially in India.Automation in warehousing immediately conjures the image of a high-rise Automated Storage Retrieval System (AS/RS). Therefore, before proceeding with a general discussion on automation in warehousing, let us first understand what is an AS/ Rs. Typically. AS/RS involves the use of high-rise racks with a storage machine operating within the aisle, serving both sides of the aisle. Loads are stored in the racks and retrieved either automatically or in a semi-automated fashion. The loads could either be unit loads that are palletized, or, in some cases, involve drawers and totes that are used to store smaller parts. The heights of AS/RS systems can vary, depending on the application. The highest systems are 100 feet high. But these are few and far between.The main advantages of a high-rise storage system are as follows:1， High density of storage by utilizing the cubic space available and with the help of narrow aisles.2， Tighter inventory control through computerization resulting in higher inventory accuracy.3， Reduced access in the aisles, improving the security of the material.4， Increased space utilization via random storage versus dedicated space allocated to different parts.5， Ability to tie the storage system to the manufacturing and the distribution systems via computer control, permitting a higher level of system performance.6， Better utilization of storage and retrieval equipment.7， Reduction in manpower.Components of an AS/RS:1. Rack Structure: An Automated Storage Retrieval System consists of a rack structure. The racks can either accommodate palletized unit loads or totes/bins or drawers, depending on the size and characteristics of the part. Other types of racks are cantilever racks, flow racks, and any other specially designed storage structure. The rack openings are typically standardized, as the cost of non-standard, or customized, openings can be significantly higher than those for the standard openings. The pallets are typically slave pallets, i.e., they do not leave the warehouse to customers, including manufacturing. The reason for this is the rough use received by pallets in loading/unloading and in transportation. Damaged pallets with nails or slivers sticking out can cause serious problems in the operation of an AS/RS. Also, the rack structure can be either free standing, or the building can be rack supported.2. Storage/Retrieval Machine: The storage retrieval (S/R) machine operates within a storage aisle. Its function is to store and retrieve loads. It is designed for applications requiring high lifts, fast speeds, control features and accurate positioning, not available in other types of material handling equipment. Typically, it consists of a structural frame of either a single or multiple mast construction. The lower portion of the frame has wheels which normally run on a single floor rail or two rails. The frame is guided by support from the storage structure at the top of the structural frame.The structural frame of the S/R machine is used to guide the carriage for accurate locating of the load as it is raised and lowered. The carriage carries the mechanism to carry, store and retrieve the load. The storage and retrieval mechanism can either be a shuttle device or a pushpull arrangement with a pin to engage/disengage the load. The storage and retrieval mechanism also must be able to transfer loads to and from conveyors, shuttle cars and Pick and Deposit (P & D) stations.The S/R machine is typically captive in a single aisle, with one S/R machine per aisle. There are cases, however, where the S/R machine can operate in more than one aisle. In this case, a transfer car is required at the end of the aisle to transfer the S/R machine from one aisle to another. The choice of one versus the other configuration depends on the cost and the throughput requirements. Typically, S/R machines service both sides of the aisle and can operate in very narrow aisle configurations, where the aisle is only marginally wider than the load. The S/R machines can have a person on board, or can be completely unmanned. The person-on-board systems permit less than a full unit load to be picked from a storage location.3. P & D Stations (Transfer Stations): Pick and Deposit (P & D) station is a location at which a load is entering or leaving storage is supported in a manner suitable for handling by the S/R machine. These may be a simple as a fork truck setdown sation, a shuttle car, a conveyorized section or an Automatic Guided Vehicle System (AGVS). Normally, every AS/RS has at least one pick-up sation and one delivery station. P & D stations are usually located at the end of the storage aisles. Sometimes the P & D stations are integrated with an in-plant or warehouse transportation system.Other Automation: In addition to conventional AS/RS, there have been a number of systems that do not employ the typical aisle-captive Storage/Retrieval machines. Some of these forms of automation will be briefly reviewed here.1. Automatic Guided Vehicles (AGVs): One of the departures from the aisl