西门子PLC控制的电梯模型的设计与实现

2022-09-12

基于PLC的电梯控制系统是工业过程控制的典型实例, 是机电一体化、自动化等专业的配套实验和教学装置, 是PLC、机电控制等课程实践教学的重要内容。开发一套PLC控制的教学电梯很有必要。

一、方案设计

(一) 设计要求

1. 基于PLC进行控制, 研究电梯模型的控制模式, 机械结构, 电路设计与硬件选型, 非标件制作, 装配试验和调试, 系统优化等。

2. 模拟实际电梯的主要电气控制, 具有自动和消防两种模式。消防模式下轿厢可实现上下行、开关门动作, 并可随时停止和开关门;自动模式下可实现对各楼层呼叫信号和检测信号的响应。

3. 教学电梯载物能力不高, 但能真实模拟出工业用升降系统的主要特征。

4. 电梯模型实物制作与运行调试。

(二) 设计思路

教学电梯模型设计可分为硬件和软件两部分:

1. 电梯模型硬件设计

硬件部分可分为机械部分与电气部分。机械部分由框架系统、导向系统、曳引系统以及门系统组成。电气部分包括拖动系统、检测系统、安全保护和电气控制系统构成。

电梯框架采用铝型材, 轿厢由顶部电机驱动, PLC输出端连变频器控制交流电动机的正反转和调速。电梯每层设有限位开关、内外呼按钮和指示灯。电机的传动轴上安装减速器控制电机转速。

系统还包含电涡流传感器 (缆绳受损检测) 、压电传感器 (轿厢物块超载检测) 、光电传感器 (平层感应) 等设备。

实际制作中对结构优化为:去掉对重;去掉旋转编码器, 增加减速器;导向系统未采用导靴, 采取导杆加滑块。

2. 电梯模型软件设计

软件设计采用PC机+编程软件的模式, PLC采用西门子S7-200。通过编写PLC程序, 完成电梯模型运行控制;PLC不便实现的功能, 如称重检测等, 采取单片机编程实现。

二、机械部分设计与安装

(一) 电梯框架

电梯框架起支撑和牢固连接作用, 考虑到要在骨架上安装传感器、显示与控制部件, 以及钻孔, 选取标准的铝型材。实物制作了三层电梯, 层高50cm, 考虑上层要安装电机, 外围骨架为4根1.6m铝型材, 和12根32cm铝型材。

(二) 底座

加工木质底座支承电梯, 同时加牛筋皮垫保证运行平稳, 晃动小。设计加工了50cm*60cm的底座木板, 木板上有50cm*50cm的牛筋皮垫。

(三) 导杆滑块

采用“导轨+滑轮”结构轿厢的晃动比较剧烈, 平稳性达不到要求。改进后采用“导杆+滑块”, 导杆尺寸和电梯框架高度一致。

(四) 轿厢

轿厢主要起演示作用, 载重低, 故轿厢材质要求不高, 但其质量要适中。制作中订做了亚克力板轿厢, 轿厢自重较大, 所以传动部分增设减速器。

(五) 机械结构总体设计与安装

抱闸器安装在电动机连接轴上, 平层传感器装在框架的每一平层骨架中间, 显示屏安装在外围骨架每一平层的外侧, LED电源、变频器、PLC置于最底层的控制柜中, 称重传感器安装在轿厢底部。

(六) 传动部分设计与安装

设计了三相异步电机与轿厢之间的传动路线以实现轿厢升降。电梯顶部的机械部件依次为:电机输出轴、梅花联轴器、轴1、制动器、减速箱、梅花联轴器、轴承座、轴2、曳引轮、轴承座。

(七) 非标件设计、加工与安装

设计并加工了轴1和轴2。轴1使用梅花联轴器与电动机输出轴连接, 用螺栓螺母将制动器紧定在顶板上。轴1设计图如图1所示。

轴2安装在两轴承座之间, 一端用梅花联轴器与减速箱输出轴连接。安装过程中注意减速箱输出轴、轴2、轴承孔中心在同一直线上。轴2设计图如图2所示。

三、电气控制系统设计

(一) 轿厢平层检测

电梯平层采用光电传感器, 当轿厢运动到某层, 轿厢上的挡块会挡住光电传感器的光线, 传感器发出平层信号。

(二) 轿厢超载检测

超重检测采用称重传感器。制作了单片机控制的简易称重传感器。由于单片机输出信号与PLC输入端信号不匹配, 制作中超载检测输出用单片机实现。

(三) 轿厢速度检测

速度检测采用光电编码器, 它具有两个功能:一是测试电梯轿厢的实时速度;二是实现轿厢所在位置的精准控制。设计中增加了减速器。

(四) 电梯停车控制

设计选择TQMB1系列微型电磁失电制动器。考虑轴与抱闸器配合段的直径为12mm, 并要与电机参数进行匹配, 选取型号TQMB1-4。

(五) 电梯楼层显示

楼层显示采用带蜂鸣器的七段数码管。如果采用阿拉伯数字进行轿厢楼层显示, 变频器需连接8个I/O端子。由于PLC端口有限, 综合考虑后采用“一、二、三”进行楼层显示, 只需3个端子。

(六) 西门子PLC的I/O扩展

S7-200的I/O端子为24个, 分析控制要求发现I/O端子不足, 在保证I/O信号处理的条件下, 增加EMS232扩展模块。

四、变频器调速

松下AAD03010门机变频器和三菱FR-E720通用变频器均可实现电梯调速。考虑AAD03010需6个控制端子, 而FR-E720只需4个控制端子, 最终选取FR-E720S-0.75K。

五、PLC相关设计

(一) PLC的I/O分配

系统的I/O分配如下表1:

(二) PLC的外部接线图

S7-200的外部接线图如图3所示。

(三) 电梯功能分析与编程

该教学电梯编程拟实现的控制功能如下:外呼时应立刻响应。但若在外呼信号所示楼层到达之前, 电梯内有人要下车, 则电梯也要响应该内呼信号, 在指定楼层停车, 并开启轿厢门。当电梯正从一楼开始上行, 并已远离一楼, 此时若有一楼上行呼叫, 则电梯不予响应。但是在电梯到达二楼之前, 如有二楼上行信号, 则电梯可以响应。在电梯的整个上行过程中, 不响应下行信号。电梯能自动响应远呼叫信号。若电梯同时有三楼下行信号与二楼下行信号, 而轿厢在一楼, 则电梯应先响应三楼下行信号, 再响应二楼下行信号。轿厢门有自锁功能, 在电梯上下行过程中, 轿厢门关闭, 直到到达楼层平层, 电梯才能开关门。分模块编写了PLC程序, 实现了以上功能。