基于S7200系列PLC自动扶梯的设计.docx

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基于S7200系列PLC自动扶梯的设计

编号

XXXXX学院

毕业论文

题目

基于S7-200系列

PLC的自动扶梯的设计

学生姓名

学号

院系

电气工程系

专业

电气自动化

班级

指导教师

顾问教师

二〇一四年十一月

摘要

自动扶梯广泛用于商场、超市、地铁、机场等客流量较大的场所。

常规的自动扶梯有无乘客时均以额定速度运行，具有能耗大、机械磨损严重、使用寿命低等缺点。

本文采用PLC与变频控制技术对自动扶梯进行节能改造，对其电气控制系统硬件电路和软件进行设计。

改造后的自动扶梯无人乘梯时低速运行，有效地节约了用户的使用成本，具有显著的经济效益和社会效益。

关键词：

自动扶梯PLC变频器节能

Abstract

Abstract:

Escalatorsarewidelyusedinshoppingmalls,supermarkets,subways,airportsandotherlargetrafficsites.Whenthepresenceofaconventionalescalatorpassengersareratedspeedoperation,withenergyconsumption,mechanicalwearserious,lifeandlowdefects.Inthispaper,EnergySavingTransformationisusedinescalatorswithPLCandfrequencyconversiontechnology.Thehardwarecircuitandthesoftwareoftheelectricalcontrolsystemaredesigned.Theescalatorsaftertransformationrunatlowspeedwhentherearenopassengers，whicheffectivelysavesthecostoftheusersandhassignificanteconomicandsocialbenefit.

Keywords:

EscalatorsPLCInverterEnergy-saving

第一章绪论

1.1自动扶梯的现状与发展趋势

目前世界各大电梯企业在国内都有了合资企业，如迅达、奥的斯、三菱、日立、东芝、通力等。

早先国内城市轨道交通发展较慢，对公共交通型自动扶梯需求量不大，因此这些合资企业都没有重点引进该技术。

后来随着我国城市轨道交通的发展，以及为了适应设备国产化的改革要求，迅达、奥的斯等合资企业于是引进这方面的技术，生产公共交通型自动扶梯。

   国有自动扶梯企业经历几十年的发展，实力明显增强，基础设施也比较完善。

但是面对当今激烈的自动扶梯市场竞争，如何避免低水平、低效益、重复建设的现象，避免产品"周期年"的出现，应从战略上做出正确抉择。

企业应不断吸引高技术，开发新产品，靠技术占领市场。

自动扶梯是公共场所运送乘客的典型设备如图1-1所示，已经广泛应用于大型商场、机场、地铁、宾馆等公共场所，在方便顾客和提高服务质量等方面起到了相当重要的作用。

但目前国内安装的自动扶梯大多是采用直接启动的工作方式，从其启动运转至关闭为止，不管有无乘客均以额定速度运行，这就导致自动扶梯能耗大、机械磨损严重、使用寿命低等问题。

在世界能源和电力资源日益匾乏的形势下，采用PLC与变频技术相结合的控制方式对自动扶梯进行节能改造，可以实现有人乘梯时，扶梯以原有速度运行;无人乘梯时，扶梯自动减速到低速运行，从而减少自动扶梯不必要的浪费，有利于延长扶梯的使用寿命。

图1-1电扶梯外观图

1.2发展历史

两名美国人分别在十九世纪末研究电动扶梯。

1897年，杰斯·雷诺（JesseW.Reno）在美国纽约康尼岛的游乐场建成了一条使用斜板行走，类似电动扶梯的机动游戏。

而查理斯·西伯格（CharlesSeeberger）则在1898年购下一项关于电动扶梯的发明专利，并且与奥的斯电梯公司合作，1899年在纽约州制造出第一条有水平的梯级，扶手和梳齿板的电动扶梯。

1900年举行的巴黎博览会上，西伯格成功展出了他们以「电动扶梯」（Escalator）为名的产品，并且获得了一项头奖。

1910年奥的斯收购了西柏格的专利，次年再购下雷诺的公司。

1920年,奥的斯把两者的设计结合，成为今天电动扶梯的基本设计。

电动扶梯最先进入中国是1935年。

当时上海的大新百货公司安装了两台奥的斯单人电动扶梯，连接地面至二楼，和二楼到三楼。

1.3扶梯分类

自动扶梯无严格分类方法，一般是分轻型和重型两类，也有按自动扶梯的装饰分为透明无支撑、全透明有支撑、半透明或不透明有支撑，室外用自动扶梯等种类。

按输送能力分为不同的梯级宽度、抬升高度和倾斜角度。

输送能力以每小时运送乘客的数量划分。

按驱动办法分为端部驱动的自动扶梯（或称链条式自动扶梯）和中间驱动的自动扶梯（或称齿条式自动扶梯）。

按形态分为有载人的梯阶式和大超市内适用于手推车的斜坡式。

按运行频率分为有等速运转和变频式（无人时几乎停顿）。

1.4控制要求

自动扶梯是带有循环运行梯级，用于向上或向下倾斜运输乘客的固定驱动设备。

由一台特种结构形式的链式输送机和两台特殊结构形式的胶带输送机所组合而成，带有循环运动梯级，用以在建筑物的不同层高间向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。

运载人员上下的一种连续输送机械。

自动扶梯外形如图1-1所示，其由梯路（变型的板式输送机）和两旁的扶手（变形的带式输送机）组成。

其主要部件有梯级、牵引链条及链轮、导轨系统、主传动系统（包括电动机、减速装置、制动器及中间传动环节等）、驱动主轴、梯路张紧装置、扶手系统。

梳板、扶梯桁架和电气系统等。

梯级在乘客入口处作水平运动（方便乘客登梯），以后逐渐形成阶梯；在接近出口处阶梯逐渐消失，梯级再度作水平运动。

这些运动都是由梯级主轮、辅轮分别沿不同的阶梯导轨行走来实现。

自动扶梯广泛用于商场、超市、地铁、机场等客流量较大的场所。

自动扶梯的主要参数有提升高度、倾斜角度、名义速度、梯级宽度、输送能力、梯级节距和牵引链接距等。

自动扶梯出入口两楼层板之间的垂直距离就是提升高度，通常不超过6m。

梯级、踏板或胶带运行方向与水平而成的最大角度为倾斜角，通常不超过30°。

自动扶梯的名义速度是由制造商设计确定的，自动扶梯的梯级、踏板或胶带在空载情况下的运行速度。

在额定频率和额定电压下，梯级、踏板或胶带沿运行方向空载时所测得的速度与名义速度之间的最大允许偏差为±5%。

倾角不大于30°时，名义速度不应大于0.75m/s；倾角大于30°但不大于35°时，名义速度不应大于0.50m/s。

自动扶梯的名义宽度不应小于0.58m，也不应大于1.10m。

自动扶梯的最大输送能力与梯级或踏板宽度、名义速度有关，一般在3600～8200人/h之间。

第二章自动扶梯的控制原理

2.1自动扶梯的驱动

自动扶梯是由一台特种结构形式的链式输送机和两台特殊结构形式的胶带输送机所组合而成，带有循环运动梯级，用以在建筑物的不同层高间向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。

因此自动扶梯的运行需要同时驱动一台链式输送机和两台胶带输送机。

驱动装置一般由电动机、减速器、制动器、传动链条、驱动主轴等组成如图2-1所示。

按驱动装置在自动扶梯的位置可分为端部驱动和中间驱动两种。

端部驱动装置以链条为牵引件，其结构形式工艺成熟、维修方便、应用广泛。

不管何种驱动方式，一台驱动主机不应驱动一台以上的自动扶梯。

2.2梯级和踏板的驱动

梯级是供乘客站立的特殊结构形式的四轮小车，它主要由踏板、主轴、主轮、支架、辅轮和踢板组成，梯级有整体式和组装式两种。

整体式由铝合金整体压铸而成，其精度高、自重轻、加工速度快等特点。

组装式梯级由踏板、踢板、撑架等部分拼装而成。

自动扶梯梯级和踏板的驱动应至少用两根链条驱动，梯级的每侧应不少于一根。

故传动主轴上就有两个梯级传动链轮、曳引机传动链轮和扶手带传动链轮各一个。

曳引主机由电动机、制动器、减速器组成，主机通过传动链条拖动驱动主轴旋转，主轴上的两个牵引链轮随之一起转动，拖动装有梯级和踏板的链条向上或向下移动，从而使扶梯上的梯级按设定的方向移动。

图2-1自动扶梯部件分布图

2.3胶带的驱动

自动扶梯每一扶手装置的顶部应装有运行的扶手带（即胶带），胶到的运行方向应与梯级、踏板方向相同，并保持同步。

在正常条件下，扶手带的运行速度相对于梯级、踏板的实际速度的允差为0%~2%。

扶手带与梯级、踏板为同一驱动装置驱动，通过驱动主轴中间的链轮将动力传动给扶手带驱动轴上。

扶手带驱动轴的两端装有传送胶带的摩擦轮，通过直线压带或圆弧压带来传动胶带。

扶手带应由滚筒驱动并能连续和自动的张紧，不允许采用拉伸弹簧作为张紧装置。

2.4电气安全系统

自动扶梯是用于输送乘客的固定电力驱动设备，由于乘坐人员的身体和感官差异性较大，甚至会有一些残障人员使用，因此对自动扶梯的安全性有了进一步的要求。

每一台自动扶梯必须具有一个电气安全系统，该系统由安全回路和监测装置构成，是电气控制中与安全相关的部分。

当自动扶梯发生可能造成事故的不安全状态时，就要依靠安全系统使自动扶梯停止运行。

2.4.1安全回路

安全回路是由电气安全装置组成的部分电气安全系统。

安全回路通常由若干个安全开关串联而成。

安全开关的动作应使其触点强制地机械断开，甚至两触点熔接在一起也应强制地机械断开。

当所有触点断开元件处于断开位置时，且在有效行程内，动触点和驱动机构之间无弹性元件施加作用力，即为触点获得强制地断开。

自动扶梯的安全开关有驱动链断链安全开关、上右出入口安全开关、上右围裙板安全开关、上右梳齿异常安全开关、上左出入口安全开关、上左围裙板开关、上左梳齿异常安全开关、下右出入口安全开关、下右围裙板开关、下右梳齿板异常安全开关、下左出入口安全开关、下左围裙板安全开关、下左梳齿板异常安全开关等。

2.4.2监测装置

自动扶梯的监测装置用于监测梯级速度、扶手带速度、梯级或踏板的缺失、非操纵逆转等。

一旦检测-到被监测事件的出现应立即使扶梯停止运行，并防止再起动。

检测的方法常用三对接近传感器分别测量扶手带速度、梯级或踏板速度，以及主轴曳引链链轮速度，从而监视扶手带速度、梯级或踏板速度，以及主轴曳引链链轮速度，从而监视扶手带速度、梯级速度和梯级的运行方向，一旦出现扶手带速度偏离梯级、踏板的速度大于-15%且持续时间大于15s，梯级缺失，和非操纵逆转，便立即停止运行并防止再起动。

第三章硬件系统设计

3.1三相异步电动机的选型

本次设计的电机是用于商场中自动扶梯的驱动电机。

工作环境相对比较安全，故可选用Y280S-2型三相异步电动机动机，正反转原理图如图3-1所示。

图3-1电动机正反转原理图

Y280S-2型三相异步电动机功率：

75KW电压：

380V电流：

140A绝缘：

B噪音：

99dB（A）转速2970r/min。

广泛适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般场合和无特殊要求的机械设备上，如金属切削机床、泵、风机、运输机械、搅拌机、农业机械和食品机械等。

Y280S-2型三相异步电动机是全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机，电动机基本系列，符合IEC标准的有关规定。

Y280S-2型三相异步电动机具有高效、节能、起动转矩大、噪声低、震动小、可靠性高、使用维护方便等特点。

Y280S-2型三相异步电动机使用条件：

环境温度：

-15℃＜θ＜40℃

海拔：

不超过1000m

额定电压：

380V，可选220-760V之间任何电压值

额定频率：

50Hz、60Hz

防护等级：

IP44、IP54、IP55

绝缘等级：

B级、F级、H级

冷却方式：

ICO141

工作方式：

S1

连接方式：

3KW及以下Y接法、4KW及以上为△接法

3.2变频器的选型

在变频器领域，也存在着一些难以控制的东西。

直到西门子功能强大的变频器问世之后，情况才有了改观。

3.2.1简介

MICROMASTER440是专门针对与通常相比需要更加广泛的功能和更高动态响应的应用而设计的。

这些高级矢量控制系统可确保一致的高驱动性能，即使发生突然负载变化时也是如此。

由于具有快速响应输入和定位减速斜坡，因此，甚至在不使用编码器的情况下也可以移动至目标位置。

该变频器带有一个集成制动斩波器，即使在制动和短减速斜坡期间，也能以突出的精度工作。

所有这些均可在0.12kW（0.16HP）直至250kW（350HP）的功率范围内实现，MM440控制电机原理如图3-2所示。

图3-2MM440控制电机原理图

3.2.2MM440变频器的优点

✧HMI纯文本面板简化了操作，并支持使用多种外国语言

✧动态驱动和制动

✧具有各种控制和制动类型

✧具有通讯功能

✧各种通讯接口可确保能够用于最常见的网络应用

3.3PLC的选型

S7-200（CPU226）是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200具有极高的性能/价格比。

PLC的基本结构如图2-3所示。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

1.极高的可靠性。

2.极丰富的指令集。

3.易于掌握。

4.便捷的操作。

5.丰富的内置集成功能。

6.实时特性。

7.强劲的通讯能力。

8.丰富的扩展模块。

图3-3PLC的基本结构

第四章自动扶梯的软件设计

4.1软件设计要求

自动扶梯曳引机的拖动虽然比较简单，不是Y—△切换，就是变频器驱动。

但是由于它用来输送人员的运输机械，为此对使用人员和维护人员的安全是非常重要的。

因此除了传统的做法外，还提出了特殊的要求。

自动扶梯由使用者经过某一点的自动起动或投入自动运行状态，应只能由被授权的人员通过操作一个或数个开关来实现。

一台驱动主机不应驱动一台以上的自动扶梯。

电源应由两个独立的接触器切断，这些接触器的触点应串接在供电回路中。

当自动扶梯停止时，如果其中任一接触器的主触点未打开，则自动扶梯不能重新起动。

自动扶梯应设置一个制动系统，该系统使自动扶梯有一个接近匀减速的制停过程直至停机，并使其保持停止状态。

当电气安全装置动作时，应能防止驱动主机起动或立即使其停止。

工作制动器应起作用。

自动扶梯在起动过程中，若存在主要接触器有触点黏连现象，则应不能起动。

自动扶梯完成起动后，若制动器未释放，应终止起动并防止再起动。

在运行过程中，自动扶梯的运行速度超过名义速度的1.2倍之前应自动停止运行；若出现梯级、踏板或胶带的运行方向与规定的运行方向不一致时应自动停止运行；若出现梯级或踏板的缺失，则应在由梯级或踏板缺失而导致的缺口从梳齿板位置出现之前停止运行；当扶手带速度偏离梯级、踏板实际速度大于-15%且持续时间大于15s时，应使自动扶梯停止运行；打开或移去桁架区域的检修盖板或打开楼层板时，在重新起动之前，驱动主机不能起动或立即停止；如果制停距离超过所规定最大值的1.2倍，自动扶梯应在故障锁定被复位之后才能重新起动等。

从上面自动扶梯控制要求知道，对于采用变频器拖动的自动扶梯控制，除了要对变频器进行正转（上行）或反转（下行）控制外，还需要根据不同的工作方式或状态给定不同的运行速度。

自动扶梯在“检修”工作方式运行时，需要给定低于正常运行速度的检修速度运行。

在“自动”方式运行时，有乘客需要输送时需要以正常运行；当没有乘客输送时自动扶梯以一个合适的低速度保持运行，以减少电能的消耗。

也就是说，变频器是处于多端速运行。

自动扶梯在起动过程中。

需要对有关接触器或继电器的状态进行检测。

当有接触器或继电器的触点发生黏连时，应防止起动。

当出现某只接触器或继电器不动作时，应停止起动。

自动扶梯在运行过程中，需要对扶手带速度、梯级或踏板的速度、梯级或踏板的缺失、扶梯的非操纵逆转等进行监测，一旦出现异常立即停止扶梯的运行，并防止再起动。

自动扶梯在停止过程中，需要对制动距离进行监测，制动距离应在规定的范围内。

4.2PLC输入输出点分配

PLC的输入输出点的配置如表4-1所示。

表4-1输入输出点分配

输入点

功能表述

输出点

功能表述

I0.0

左扶手带速度监测

Q0.0

运行允许继电器

I0.1

右扶手带速度监测

Q0.1

安全供电继电器

I0.2

上部乘客检测

Q0.2

工作制动器控制继电器

I0.3

下部乘客检测

Q0.3

上行控制继电器

I0.4

工作制动器行程反馈

Q0.4

下行控制继电器

I0.5

安全和工作制动器接触器动作监测

Q0.5

快速运行继电器

I0.6

检修或自动运行选择

Q0.6

慢速运行继电器

I0.7

上行运行信号

I1.0

下行运行信号

I1.1

接触器触点黏连检测

I1.2

上部梯级速度监测

I1.3

下部梯级速度监测

I1.4

变频器正常信号

I1.5

安全回路正常信号

4.3自动扶梯控制程序

4.3.1任务初始化

SM0.1只在第一个扫描周期有效，

从第二个扫描周期开始一直到掉电都

为低电平。

因此，SM0.1通常作为初

始化程序的使能条件，如图4-1所示。

图4-1初始化

4.3.2起动/停止控制任务

因为扶梯只能向上或向下运行，所以必须要有一个互锁程序，防止扶梯工作中出错，如图4-2所示。

图4-2上行下行控制继电器互锁

若变频器正常运行，运行允许继电器、安全供电继电器、工作制动器控制继电器得电，输入上行或下行信号，扶梯自动运行。

还可以“自动”与“检修”两个工作方式切换，如图4-3所示。

图4-3扶梯上行下行程序

输入上行或下行信号，若回路安全正常，安全工作继电器得电工作，运行允许继电器与工作制动器控制继电器也得电工作运行，如图4-4，图4-5所示。

图4-4运行允许、工作制动继电器正常工作

图4-5快慢速运行

图4-6安全供电

在自动扶梯起动过程中，若回路安全，需要对接触器触点黏连、安全和工作制动器接触器动作和工作制动器行程反馈进行检测，当出现异常时应停止起动。

如图4-6，图4-7所示。

图4-7检测接触器与继电器的状态

4.3.3扶手带速度监测控制任务

图4-8左扶手带监测

自动运行状态，快速上行或下行，左扶手带速度或右扶手带速度监测打开，速度出现异常时停止运行，如图4-8，图4-9所示。

图4-9右扶手带监测

第五章系统调试

5.1软件调试

将PLC梯形图导出保存为test.awl文件，打开西门子S7－200的仿真软件Simulation，点“配置”-“CPU型号”（或在已有的CPU图案上双击），选择CPU型号“CPU226”，点击“程序”-“载入程序”（或工具条中的第2个按钮），会有个对话框，只选择“逻辑块（L）”并选择Step7MicroWinV3.2的版本，点击“确定”。

将先前导出的test.awl文件打开,。

点击“查看（E）”－“内存监视（M）”（或工具条中的第12个按钮）输入想要监视的地址，点“PLC”-“运行”（或工具栏上的绿色三角按钮），程序已经开始模拟运行。

如果调试结果符合控制要求，说明这个程序是正确合理的，如图5-1，图5-2图5-3所示。

图5-1安全回路正常信号

图5-2运行允许、安全供电、工作制动继电器正常运行

图5-3快速下行

5.2硬件调试

图5-4硬件接线图

硬件接线图如图5-4所示，用小开关和按钮模拟PLC的实际输入信号（如起动、停止信号）或反馈信号（如限位开关的接通或断开），再通过输出模块上各输出位对应的指示灯，观察输出信号是否满足设计的要求。

在编程软件中可以用状态图或状态图表监视程序的运行或强制某些编程元件。

硬件部分的模拟调试主要是对控制柜或操作台的接线进行测试。

可在操作台的接线端子上模拟PLC外部的开关量输入信号，或操作按钮的指令开关，观察对应PLC输入点的状态。

用编程软件将输出点强制ON/OFF，观察对应的控制柜内PLC负载（指示灯、接触器等）的动作是否正常，或对应的接线端子上的输出信号的状态变化是否正确。

联机调试时，把编制好的程序下载到现场的PLC中。

调试时，主电路一定要断电，只对控制电路进行联机调试。

通过现场的联机调试，还会发现新的问题或对某些控制功能的改进。

第六章总结与展望

6.1总结

在本次毕业设计过程中，我对自动扶梯的硬件结构进行了仔细的了解，熟悉了其运行特点。

同时，熟练掌握了S7-200系列PLC的工作原理及工作方式，进一步强化了其编程方法。

通过查阅相关资料，设计了基于PLC的自动扶梯控制系统。

初期进行了总体的系统设计，然后根据总体设计的控制原则，编写了符合要求的梯形图程序，并调试通过。

毕业设计已经进入尾声,回顾这半年来的辛勤工作,总结如下:

毕业设计是我在大学学习阶段的最后一个环节，是对所学基础知识和专业知识的一种综合应用，是一种综合的再学习、再提高的过程，这一过程有助于培养我的学习能力和独立工作能力。

这些对于即将走进工作岗位的我来说是非常珍贵的。

我选的题目是基于PLC的自动扶梯控制系统设计，虽然是一个比较典型且比较老的课题，但对于尚未独立做过完整设计的我来讲还是有一定的难度。

设计过程中遇到了种种问题，但通过自己不断的查阅相关书籍，最后在导师和学长的帮助下，问题一个个都顺利的解决了。

因为这次设计的最后仅仅调试通过，并没有真正的自动扶梯来试运行，实际应用时，肯定还会存在种种问题，但通过这次毕业设计，我仍然学到了很多以前书本上学不到的东西。

6.2展望

随着自动扶梯进一步向着高科技、节能、智能化的方向发展，变频器在扶梯领域也被广泛地应用。

在能源及其匮乏的今天，应用变频器和可编程控制器构成变频调速系统对传统扶梯进行节能改造，能够有效节约能源，降低运行成本，且可减少对机械的磨损，延长机械的寿命。

这对于可持续发展的战略目标有推进作用，值得大规模应用与推广。

采用PLC和变频控制技术对自动扶梯进行节能改造，实现了有人乘坐时以额定速度运行，无人乘坐时，低速运行。

改造后的自动扶梯在安全舒适运行的前提下，既节约了能源，减少了不必要的浪费，具有显著的经济效益，值得进行推广。

如果考虑环境排放量的话，资源消耗会更大。

因此有效地控制和减少自动扶梯无效的运转，在节能、延长设备的使用寿命及运行成本的控制方面，具有明显的经济效益和社会效益。

另外，自动扶梯对人的伤害也已成为一个日益关注的问题。

今后的研究将围绕着越界、人数统计、逆向行走、搭乘物大小、搭乘物异常行为、危险区域和拥挤度的视频检测，使得自动扶梯更节能、更安全，使用寿命更长。

该扶梯控制系统已在扶梯上投入使用，实际情况证明，将PLC应用于自动扶梯上，可以大大提高自动扶梯的控制水平，使其达到更为理想的控制效果。

与继电器控制自动扶梯相比，无论从自动扶梯运行的可靠性、稳定性和维护检修的方便性，都有了一个质的飞跃，实现了自动扶梯的电脑化控制，使自动扶梯更趋智能化。

自动扶梯的控制系统采用PLC可编程序控制器与变频器的控制组合，实现了自动扶梯的智能化节能控制。

该系统经运行测试，比继电器控制的自动扶梯系统节约近35%的电能，运行的稳定性、可靠性明显提高，具有显著的经济效益，值得向社会推广。

实际情况证明，将PLC应用于自动扶梯上，可以大大提高自动扶梯的控制水平，使自动扶梯达到了更为理想的