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论文案例分享-基于基础教学楼电梯利用率的提高PLC程序设计

2021-03-29 13:21


   在平时的生产生活中,人们很难脱离电梯。自从电梯发明以来就一直为人类的发展提供着巨大的帮助。随着建筑物逐渐的高层化,电梯的使用效率就成为人们所关注的焦点,尤其是学校等一些公益性单位。期间利用PLC控制电梯的运行,既方便又可靠,还能保证所用者的安全。

 
  本次设计是对是对基础教学楼的电梯利用率进行改造,使其在原来的基础之上提高其工作效率,利用PLC技术来控制电梯的工作,并且利用组态王技术来实施全程的监控,利用MATLAB仿真软件对电梯的直接转矩控制系统进行仿真分析。最终完成程序图的编写,组态王画面的搭建并形成通信,对仿真的波形进行技术分析等。
 
  可编程逻辑控制器自从诞生以来就是一种普遍应用于工业控制的控制器,经检验由于其功能强、能耗和体积小、以及可靠性高还有成本低的特点,经过长期的发展,已经成为实现工业自动化的重要支柱。
 
  二十世纪六十年代,在以继电器实现控制的新型工业控制装置无法满足产能和市场竞争力的需求下,一些公司开始尝试研制能够代替继电器实现工业控制的全新控制装置,在二十世纪六十年代末世界上第一台可编程逻辑控制器成功诞生,在调试成功后正式投入使用,就此开启工业控制新时代[1]。随后可编程逻辑控制器应用于各大工业体系,欧美等工业国家迅速崛起。
 
  20世纪80年代,随着中国的改革开放进程加快,国内投资者敏锐的嗅觉看到了可编程控制器在工业化体系中的商机,加上大量的海外工厂进入中国,带来了一系列先进的设备与生产线,极大地冲击着国内企业家的眼球,同时也引起了政府的重视。经历了几年的发展,国内可编程逻辑控制器进入了研制、开发、生产阶段并取得了相应的成果。近几年来,随着国内科研水平的提高和科研投入的加大,国产可编程逻辑控制器以具有同国外产品相竞争的能力,从此国产可编程逻辑控制器进入新纪元。
 
  1.2可编程逻辑控制器在电梯中的应用
 
  可编程逻辑控制器应用在电梯中,可以很方便的编写程序、实现所预定的功能。在具体的比较之下它有继电器所无法比拟的优点,例如它具有很高的可靠性,这是继电器所不能保障的;在能量的消耗上,实现同样的功能时它的能耗要低得多;而且维护相当方便,不需要像继电器那样维护大量的元件;灵活性强,不改变大量的接线就可以变换功能,只需要按照所要实现的功能改变原始的程序即可;开发周期短,编写软件简单灵活等。尽管程序编写简单,但是可以完成相当复杂的控制任务。当需要改变电梯的功能时,只需要改变程序即可,而无需改变接线和硬件[2]。PLC的抗干扰能力比较强,在市场中的应用范围也比较广,国内很多自动控制工业都在利用这项技术,甚至也说PLC技术已经走进了千家万户[3]。其中也包括电梯领域的应用。
 
  在和继电器控制的电梯系统相比之下,可编程逻辑控制器做了很大程度的改变,其减少了大量的各种继电器的使用,而且不在使用机械选层器。系统则是主要通过对PLC主机进行相应的控制,将大量的采集信号通过PLC输入接口传输到PLC主机,然后在利用PLC存储器的软件进行相应的处理,处理之后通过输出接口将显示信号分别向指示层装置以及显示灯发出,同时将处理后的控制信号向主拖动和门机控制系统发出,并及时接收门机装置和调速系统反馈回来的信息[4]。
 
  1.3本次设计的主要任务
 
  根据本次设计要求,通过学习PLC程序设计的方法和要求,掌握PLC程序设计的相关知识,并且掌握组态王技术在可编程逻辑控制器中的应用,最终实现基础教学楼电梯利用率的提高。本次PLC设计主要有I/O分配表、梯形图、程序运行调试、组态王监控画面、MATLAB仿真等内容。
 
  编写梯形图程序是一项很严谨的工作。为了使梯形图程序具有很高的可靠性、正确性,前期必须进行相应的逻辑分析,在程序设计过程中,将电梯运行过程中的程序合理的模块化,按照程序模块进行相应的设计与调试。程序编写完成,且调试成功之后,进行相应的组态王设计,将其与PLC连接起来,保证通信的畅通,最终实行利用组态王监控的效果,之后利用MATLAB进行相应的仿真,分析其仿真结果。
 
  设备选择,由于考虑到编程过程中程序的运行,并且学校只有S7-200系列的PLC设备,因此本设计选择使用S7-200系列的PLC设备。
 
  由于基础教学楼楼层太高,全部程序所占篇幅过于冗长,且程序重复性过强,特选取六层楼为设计基准,以上楼层程序类似,故不做设计。
 
  第2章基础教学楼电梯的使用状况
 
  2.1基础教学楼资料
 
  进入二十一世纪,随着石家庄铁道大学师资力量的增强和教学理念的不断完善,在国家的重视与全校领导、教师的不懈努力之下,加上石家庄铁道大学毕业学子充分的践行了学校赋予的使命与责任,将校训散播到了用人单位的各个角落,受到用人单位领导的赏识与肯定。因此石家庄铁道大学在全国的知名度大大提升,同时国家对各类人才的需求不断加大,并逐年增加每年的高考统一招生人数,石家庄铁道大学的生源由此一路飙升,然而与此伴随的却是对学校基础设施的一大考验。
 
  在历经了六十余载风霜雨雪的旧教学楼、旧办公楼,已然无法满足学校师生的正常使用需求,更何况每年还有源源不断的大批新生的注入,学校现有的设施已经无法满足全校师生的正常使用,为此在国家大力大支持下,对现有校园进行了拆迁、新建、改造等一系列的举措,不断加大教学办公设施的建设力度,于是就有了基础教学楼的存在。
 
  基础教学楼历时五年,于二零一五年初正式投入使用。教学楼高81米,地上十九层,地下二层,总建筑面积为49166.29平方米。是集教学、实验、办公为一体的标志性建筑物。
 
  2.2基础教学楼电梯的现状
 
  教学楼建成初衷是容纳更多的学生上课以及办公和实验,当然现在也正向着设计时的初衷那样发挥着基教楼的作用。
 
  设计之初是考虑会有全校大部分的本科学生在此上公共基础课,但是因为整栋基教楼高为十九层,如果电梯从一层到十九层都可以使用,就会造成电梯口的拥堵,且学生上课多集中于一至六层楼,这样会导致高层楼的电梯无法大概率的到达,由于低楼层的使用需求量大,电梯会来回的穿梭于一到六楼之间。在一至六楼相较于高层楼高度较低且走楼梯易于到达的情况下,电梯就设计为一至六楼不可用,七层及以上楼层可用。这样就大概率的保证了资源的最大分配。
 
  然而近几年随着石家庄铁道大学师资力量的增强和学校知名度的提升,全国的优秀生源源源不断的注入进来,学校在校人数一路上升,学校的基础配套设施就明显有些不足,当然也包括基础教学楼的相应功能,因此学校就必须分流基教楼的相应功能,使部分本科学生的基础课程在别的原先已有的教学楼完成。
 
  每栋教学楼的容纳量有限,学生无法在同一教学楼完成当天课程,基本的上课地点还是基础教学楼,这样就出现了课间学生换楼上课的现状,尽管基教楼的吞吐量很大,但是在其学生容纳基数大的情况下,还是会有大量的拥堵现象的存在,尤其是课间学生可使用时间相对较短,大量的学生都需要在短短的十几分钟完成换楼上课,这样就加剧了基础教学楼的拥堵现象。
 
  2.3基础教学楼电梯使用的局限性
 
  目前基础教学楼存在课间换楼上课的拥堵问题,主要表现在学生生源的加多,基教楼已无法满足现有本科学生基础课程的学习,不得不分流到别的教学楼来完成上课任务,这样就加大基教楼短时间的吞吐量,造成大量的拥堵现象。
 
  然而在这一时间段内基教楼的电梯使用概率很小,所有的电梯基本处于闲置状态,这就将所有流动性的任务都落到了步行楼梯上,因此加剧了楼梯的承载量,也变相的增加了基础教学楼的拥堵现象。
 
  2.4基础教学楼电梯改进
 
  将电梯重新设置成一至十九楼可使用,在一定程度上缓解现在的课间换楼上课的拥堵现象,分解步行楼梯的承载压力,进一步优化资源的分配,
 
  同时,本校在蒸蒸日上的发展过程中,建立了龙山校区,用来容纳全部的本科生进行教学活动,用来分解主校区的学生承载量。
 
  在几年之后,主校区就成为了专供研究生学习的研究生部,只为研究生的学习和老师的办公而服务,相比于当初承载本科生基础课程的学习,基础教学楼大大减小了原有的压力,且与本科生的人数相比,研究生的人数相对较少。
 
  这样基础教学楼在为研究生提供服务的情况下,就不会出现原先的拥堵现象,使电梯设置成一至十九层可用,将资源合理的分布,真正的做到物尽其用。
 
  第3章电梯的组成及结构
 
  3.1电梯的控制方式及种类
 
  3.1.1继电器控制系统
 
  (1)继电器控制系统的组成
 
  系统的控制是利用多种硬件的连线实现的,在各种硬件的紧密配合下,通过机械触点的串并联或者依靠并联的延时继电器采取滞后动作的一些列组合实现预订功能的逻辑关系,最终完美的实现预定的功能。其结构如图3-1所示
 
  图3-1继电器系统结构图
 
  继电器控制系统一般情况下比较简单,通常是由负责闭合和断开的主令电器、负责控制电路的继电器、控制大电流负载的接触器、负责连接电路的导线等几部分组成。一般情况下继电器可以当做电磁开关,在继电器线圈上加电压,可以产生磁场,使继电器的触点产生闭合,触点可以当做开关使用,允许一定量的电流流过,进而使主电路闭合。
 
  在完成控制任务过程中,若要完成一个控制任务,需要通过导线将各种输入设备如按钮、控制开关、限时开关、传感器等等器件与多种中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的拥有一定逻辑控制功能的电路相连接,接着由输出设备如接触网、电磁阀等执行元件去控制被控对象进行动作或运行,这就是所谓的接线控制系统,系统所要实现的逻辑被称为布线逻辑,这种接线逻辑是通过输入对输出的控制作用来实现的[5]。
 
  (2)继电器控制系统的特点
 
  在继电器控制过程中,必需经过对具有控制作用电路得硬接线部分的修正,来实现控制要求的修改和变动。所以,继电器控制系统虽然结构简单易懂,同时被长期广泛使用在工业领域当中,但是因为其设备体积过于庞大,且系统是依靠多个机械触点的机械动作来实现预定的逻辑关系的,造成了动作速度趋于缓慢,机械触点的抖动性强,可靠性不高;在控制过程中延时性长;易受环境因素的干扰,功能比较单一;接线过程比较复杂;同时其通用性与灵活性很难提高,导致其越来越无法满足人们的生产生活与复杂多变的工艺控制要求。
 
  3.1.2可编程控制器控制系统
 
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  (1)可编程逻辑控制器系统的组成
 
  系统由以下几部分组成:中央处理器、具有控制作用的控制中心、能编写程序的编程器、能储存信息的存储器、负责输出和输入信息的接口[6]。
 
  其中CPU的组成部分包含负责控制的控制器,负责运算功能的运算器,还有负责驱动功能的驱动器。把这些局部电路一起集成到同一块芯片上,从而CPU通过地址总线和数据总线加上I/O接口等电路衔接。存储器是一种具备一定相应的记忆作用的半导体构造电路。包括以下两种存储器:专门用于系统程序的存储器,专门用于用户的存储器[7]。
 
  PLC的硬件组成结构如图3-1
 
  图3-2PLC的硬件结构图
 
  (3)可编程逻辑控制器系统的特点
 
  系统拥有强大的功能,且性价比相较于其他控制系统较高,系统能够经过通讯联网,从而进一步完成扩散管理,便于集中管控;所配套的硬件设备比较完善,应用灵敏便捷,有很强的适应性;具备很高的可靠性,超强的抗干扰性能;在使用过程中设计与安装以及调试简单,维修维护相对容易。
 
  3.1.3微型计算机控制系统
 
  (1)微型计算机控制系统的组成
 
  由于微机控制系统是由计算机采取相应的控制来实现对工业生产的预定控制,其主要由中央处理器包含运算器和控制器两部分;存储器有内存和外存两大类;输入设施有键盘和鼠标等;输出设施为显示器与打印机等;传感器以及执行器等,加上软件部分组成[8]。其结构如图3-2所示。
 
  图3-3微型计算机结构图
 
  (2)微型计算机控制系统的特点
 
  微机控制系统采取分时操作,便于集中监督和操作;易于编程,只需要修改相应的程序,重新组态就可改变原始功能,无需修改原接线;微机之间可以通过通信网络实现彼此的联络通信,便于数据和信息共享;微机具有记忆和判断功能,能提高系统的安全性[9]。
 
  微机控制系统的能耗低、体积相对较小、质量轻便、对使用环境的要求相对较高,只能在对温度和湿度有一定要求的房间之中使用,在相对的工业环境之中就有一定的局限性[10]。其编程语言种类繁多且语法相对复杂,对使用者有一定的计算机软硬件知识。
 
  3.2可编程控制器在电梯中使用的优势
 
  在二十一世纪由于人们对生命的重视与珍惜,电梯的可靠性与安全性成为了人们首要考虑的因素,这就越来越突出继电器控制系统在日常生活中的缺陷与在工业控制中的局限性,具体表现在继电器处理相应的系统中故障率过高,接线形式相较其他方式过于复杂,且系统的通用性和可靠性都不够,这就导致了继电器控制系统目前在电梯领域已经运用相对较少。
 
  而微型计算机控制系统装置的设计成本高,语言使用环境复杂;由于微机的精度原因,会引入相应的误差;计算机控制具有离散时间的性质,会使其控制变化变得陡峭;控制系统的频带较模拟控制系统窄。
 
  相对PLC的生产规模小、功能强、有较高的可靠性且程序设计简便灵活,安装便捷,抗干扰能力强,同时集信号的采集、处理、逻辑控制为一体,与电力拖动设施严密的配合,便于实现电梯控制的一切性能。因此,PLC系统控制的电梯更加的安全可靠,符合人们对生活的追求。
 
  考虑这些因素故此运用可编程逻辑控制器来进行设计,用来提高基础教学楼的电梯使用率。
 
  3.3电梯的组成
 
  电梯由曳引系统、轿厢、门系统、导向系统和重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统等八大系统组成[11]。
 
  其结构如图3-4所示。
 
  图3-4电梯结构图
 
  第4章电梯的运行分析
 
  4.1电梯的状态设定
 
  4.1.1起始状态
 
  刚开始时,默认电梯轿厢停留在任意层位置,当有人按动电梯的轿厢内按钮或楼层外按钮,这时电梯收到外部命令指示,通过输入端口将命令传输到CPU,然后CPU经过一系列的分析作出相应的指示,通过输出端口将CPU的指示发送给执行机构,随即执行该命令指示,并做出相应的反应动作,以满足命令发出者的需求。
 
  4.1.2运行状态
 
  电梯处于待命状态时,在任意层发出命令需求后,若电梯与命令发出者处于同一楼层,在接收到命令时,电梯门打开,延时三秒钟之后电梯门关闭,电梯按照发出的命令做出相应的动作;若电梯与命令发出者不在同一楼层,则电梯门在关闭的状态下,运行至命令发出者楼层,等到电梯处于平层之后,电梯门打开,延时三秒钟之后电梯门关闭,电梯执行相应的命令做出动作。
 
  期间电梯在同一方向运行时,若此时相反方向有相应的命令呼叫,则电梯在执行完同一方向的命令之后,才会响应相反方向的命令需求。
 
  4.1.3完成状态
 
  电梯在运行过程中,每到达一楼层,相应的每楼层显示屏就会出现该楼层的信息,在电梯处于上下运行时,显示屏同样为流动显示。若到达楼层为命令层,则该楼层指示灯灭,在没有其他命令需求时,电梯处于待命状态,如果电梯还有其他命令需要执行,则电梯继续下一命令。直到完成所有命令,电梯恢复待命状态,所有指示灯灭,除电梯轿厢所在楼层,其他楼层外显示屏显示电梯轿厢所在楼层。
 
  4.2电梯的控制过程
 
  电梯中轿厢的上下升降都是依靠电动机牵引来完成的。为了保证对电梯的完全控制,就要在每楼层的电梯口设置其上下行呼叫按钮,以确保电梯能有效的服务于每楼层的需求者。电梯在任何状态之下都对每一按钮按照所写程序作出呼叫响应。
 
  电梯轿厢处于命令呼叫层时,优先相应内外层的手动开关门需求,且自动关门对红外线有相应的感应效应,当电梯处于关门状态时,有红外辐射处于电梯门横向中心,这时电梯做出相应的开门状态,电梯做开门动作[12]。
 
  当电梯处于命令的执行状态之时,对运行的方向有优先响应执行原则,即在执行某一方向命令之时,若有相反方向的呼叫命令,电梯立马锁住该方向,等这一方向的命令全部执行完毕之后,解锁该方向,转而执行另一方向的命令。当有多人按动电梯按钮,发出多项动作动作指令时,CPU应作出相应的自动化处理,按预定程序功能做出相应动作。
 
  电梯每执行一个呼叫命令,就会做出相应的反应,未到达命令层之时,该层的呼叫指示灯一直处于亮的状态,其它层则分别显示电梯到达每层的楼层数,在离开该层后本层的指示灯灭,相邻层的电梯指示灯亮,直到完成当前一命令为止。
 
  4.3电梯的运行情况
 
  在电梯的发展史中,最初是依靠硬接线方式来完成各个部分的连接的,这种方式不仅影响所传输的速度,造成长时间的延时,还会产生一定的抖动,影响硬件的寿命和使用者的安全,带来不必要的隐患。随着时代的发展,硬接线方式慢慢的被市场所取缔,随之而生的是软接线方式,软接线方式不仅延时短,系统适应性强,安全可靠,还可以适当的拓展模块,将人们对复杂系统的需求,进而转变为对程序的编写与修改上,从而减少了对硬件的需求,简化了系统的复杂程度,降低了使用成本,也使功能更易于实现。
 
  在当今时代,人们在追求美观、时尚的前提下,对安全、可靠的要求也是不容忽视的,何况在提倡生命至上的二十一世纪,安全与可靠必须被优先满足,即一切的设计与运用都得依附于对生命尊重的基础之上。而电梯日程生活中上下楼必不可少的代步工具,与人们的生活息息相关,且电梯的细微失误将直接威胁人们的生命安全,因此需要更加的重视。在电梯的设计过程中,需要反复的论证对安全性的指标是否满足,这是设计电梯运行所必须的环节。只有在电梯设计方案满足安全性、可靠性的要求下,才能进行下一步的设计[13]。
 
  电梯的逻辑控制关系应当满足闭环要求,因为闭环控制是稳定的、安全的、可靠的,这符合现代人对电梯的需求。
 
  电梯的运行需要符合相应的逻辑,只有在严谨的逻辑关系中运行,才能实现电梯的既定功能,满足人们对安全性、可靠性、灵活性的需求。
 
  电梯的逻辑关系如图4-1所示。
 
  图4-1电梯逻辑关系图
 
  4.3.1电梯的开关门程序
 
  当电梯处于一层平层时,有一层内呼或者一层向上的外呼之时,电梯门自动开,三秒之后自动关门。
 
  当电梯处于二层平层时,有二层内呼或者二层向上以及向下的外呼之时,电梯门自动开,三秒之后自动关门。
 
  当电梯处于三四五层平层时,有各层的内呼或者向上以及向下的外呼之时,电梯门自动开,三秒之后自动关门。
 
  当电梯处于六层平层时,有六层内呼或者六层向下的外呼之时,电梯门自动开,三秒之后自动关门。
 
  每层手动开关门处于优先控制位置。
 
  其梯形图如图4-2所示。
 
  图4-2开关门梯形图
 
  4.3.2轿厢开门复位程序
 
  电梯开门三秒钟之后,再无手动控制时,电梯门自动关门,其复位程序如图4-3所示。
 
  图4-3轿厢开门复位程序图
 
  4.3.3电梯上下行程序
 
  当电梯位于一层平层时,无论何种电梯都上行。
 
  当电梯位于二层平层时,有二层上呼、三层上下呼、四层上下呼、五层上下呼、六层下呼之时,电梯向上运行,其向上运行程序图如图4-4所示。
 
  图4-4向上运行程序图
 
  其向下运行程序与向上运行程序相类似,故不再加以叙述。
 
  4.3.4电梯轿厢内呼程序
 
  其内呼程序相对简单,当有人按下内呼时,内呼灯亮,到达命令层之后,电梯开门,其内呼灯灭,内呼程序以一层为例,如图4-5所示。
 
  图4-5电梯轿厢内呼程序图
 
  4.3.5楼层外呼上下行程序
 
  楼层外呼程序相对比较复杂,一楼和六楼只有一种运动方向,按下按钮其楼层呼吸灯亮,当到达命令层之后,其呼吸灯灭。程序相较其他楼层简单,一楼为例其程序图如图4-6所示。
 
  图4-6一楼外呼上程序图
 
  其六楼程序与之类似,不做叙述。
 
  二三四五层外呼上下行程序类似,以二层外呼上下程序为例,其程序图如图4-7图4-8所示。
 
  图4-7二楼外呼上程序图
 
  图4-8二楼外呼下程序图
 
  4.3.6输入及输出的I/O分配表
 
  在PLC内部CPU中所存储的程序设计包含的各个输入输出变量的I/O分配表如表4-1所示。
 
  表4-1I/O分配表
 
  序号 输入 输出
 
  1 一层内呼 I0.0 一层内呼指示 Q0.0
 
  2 二层内呼 I0.1 二层内呼指示 Q0.1
 
  3 三层内呼 I0.2 三层内呼指示 Q0.2
 
  4 四层内呼 I0.3 四层内呼指示 Q0.3
 
  5 五层内呼 I0.4 五层内呼指示 Q0.4
 
  6 六层内呼 I2.6 六层内呼指示 Q2.3
 
  7 一层外呼上 I0.5 一层外呼上指示 Q0.5
 
  8 二层外呼下 I0.6 二层外呼下指示 Q0.6
 
  9 二层外呼上 I0.7 二层外呼上指示 Q0.7
 
  10 三层外呼下 I1.0 三层外呼下指示 Q1.0
 
  11 三层外呼上 I1.1 三层外呼上指示 Q1.1
 
  12 四层外呼下 I1.2 四层外呼下指示 Q1.2
 
  13 四层外呼上 I1.3 四层外呼上指示 Q1.3
 
  14 五层外呼下 I1.4 五层外呼下指示 Q1.4
 
  15 五层外呼上 I2.7 五层外呼上指示 Q2.4
 
  16 六层外呼下 I3.0 六层外呼下指示 Q2.5
 
  17 开门按钮 I1.5 电梯上行指示 Q1.5
 
  18 关门按钮 I1.6 电梯下行指示 Q1.6
 
  19 一层平层 I1.7 门电机开门 Q1.7
 
  20 二层平层 I2.0 门电机关门 Q2.0
 
  21 三层平层 I2.1 电梯轿厢上行 Q2.1
 
  22 四层平层 I2.2 电梯轿厢下行 Q2.2
 
  23 五层平层 I2.3
 
  24 六层平层 I3.1
 
  25 开门限位 I2.4
 
  26 关门限位 I2.5
 
  为了程写和易于运行调试,特将所写程序中的输入输出控制变量与既定功能相对应起来,这样能更加方便的调试,有利于检验程序的对错与功能是否完整。
 
  第5章运行调试与MATLAB仿真
 
  5.1运行调试
 
  由于缺少相应的工程背景和一些列的实验环境,所以只能应用程序软件来进行对所编写程序的仿真与调试,最终决定对所写程序运用S7-200软件进行逐步的调试,来验证程序是否编写正确,功能是否按照设计初的预想可以完全的展现。其程序运行图如图5-1所示。
 
  图5-1程序运行图
 
  选择将CPU扩展到226型号,随即将I/O口也拓展到足够用,开始运行程序,依次按照梯形图对所编写的每一个程序模块手动进行调试,在调试过程中分模块逐
 
  步来验证程序是否符合设计之初的预定功能,设计思路是否符合实用性、可靠性。
 
  5.2组态王画面监控
 
  运用组态王系统对所写PLC程序的可行性以及设计思路是否能够正确的控制电梯的运行来进行远程监控与管理。
 
  首先在组态王中建立电梯监控的画面,然后在数据库中编写所需要的数据词典并与PLC设置参数所匹配,将PLC与组态王建立起通信连接。以此来实现对电梯的远程监控。监控画面如图5-2所示。
 
  图5-2电梯监控画面
 
  依次按动电梯的各个按钮,让电梯处于运行的状态,观察电梯运行的画面是否流畅,电梯是否按照当初设定的功能来运行。
 
  5.2MATLAB仿真
 
  本设计中所用电梯的异步电机将采用直接转矩控制的方式来控制电机的运转。因为直接转矩控制相较于矢量控制技术有不可忽视的优点,其控制方式简洁明了的概括了系统的结构,动静态性能较于矢量控制也更加的完美,而且相当程度上包容了矢量控制中的所存在于计算控制上的不足,与易于受到电动机参数变化的影响[14]。
 
  由于直接转矩控制所依靠的是定子磁链,只需要计算出定子电阻就可以将转矩很好的模拟出来,可以通过将转矩作为直接控制的被控量,简洁明了的观察其被控效果[15]。
 
  建立MATLAB仿真模型来进行直接转矩控制系统的仿真,仿真模型如图5-3所示。
 
  图5-3仿真模型
 
  按照所建立的模型对系统的定子电流、定子磁链轨迹等进行相应的仿真,并对仿真结果进行分析。
 
  主电路包含三个环节,分别是整流环节、滤波环节、和逆变环节。主要是将工频三相电压转换为电梯电机控制所需要的交流电。电机按照所编写的PLC程序输出相应的转矩和转速来工作,以此来适应电梯乘客需求[16]。定子电流波形如图5-4所示。
 
  图5-4定子电流波形
 
  由波形图分析可知,当电梯启动时,电机所输出的定子电流较大,当启动一段时间之后。电梯处于匀速运动,电子电流减小到一定幅度,用来满足电梯的正常运行。仿真后的转速和转矩波形图分别如图5-5、图5-6所示。
 
  图5-5转速波形
 
  图5-6转矩波形
 
  在刚开始0s至0.2s,转速从0上升到800r/min,转矩则由0摆动上升到75N/m;0.2至1s时,转速一直恒定为800s/min,而转矩则在0.2min时回落到0,并一直持续到0.5min,之后0.5s至1s上升到50N/m;1s至1.15s,转速上升到1600r/min,而转矩则由50N/m上升到135N/m;1.15s到2s过程中,转速一直恒定为1600r/min,而转矩在1.15s到1.5s,一直保持在50N/m,而在1.5s到2s过程中一直为100N/m。
 
  电机转矩在刚开始处于波动上升的趋势,是因为此时电机的磁链处于增加过程,而输出转矩随着磁链的增加逐渐的趋于稳定上升,所对应的转速也稳定的上升。
 
  定子磁链轨迹如图5-7所示。
 
  图5-7定子磁链轨迹图
 
  第6章总结与展望
 
  6.1总结
 
  本次毕业设计通过了对学校历史的调查与了解,尤其是基础教学楼的前后历史有了充足的认识,不仅让我真切的感受到了母校的强大魅力,同时为我带来了很多创作毕业设计的灵感,为本次毕业设计的完成奠定了坚实的基础。
 
  通过对电梯的构造与设计的研究,以及各个环节紧密的配合的运作,让我认识到即使再小的系统都不可能孤立地存在,都是多个系统密切配合的结晶。
 
  经过查看相关文献与资料,对PLC、组态王、MATLAB等一系列知识的学习与研究最终成功的完成了本次毕业设计,使电梯可以在组态王远程监控下高效率的工作。对本次涉及的总结如下:
 
  (1)通过对学校基础教学楼历史与现状的分析,了解基础教学楼电梯的利用率偏低的原因,并为此提出合理的解决方案。
 
  (2)通过对电梯内部构造与设计的相关资料学习,熟悉电梯的组成部分与控制过程,选择相应的控制系统。
 
  (3)对电梯的楼层经行相应的分析,了解电梯的运动特性,按其预实现的功能设计电梯的运动轨迹。
 
  (4)根据实际情况筛选PLC的种类,学习掌握PLC编程软件的运用,了解其编程要求,将电梯的运行过程在程序中模块化,方便理清思路,之后按模块进行编程。
 
  (5)将编写完成的程序,利用S7-200相关设备进行逐个调试,以验证程序的可行性。
 
  (6)设计组态王工程,设计组态王电梯画面,建立组态王与PLC之间的网络通信,使组态王可以远程的监控电梯的运行。
 
  (7)进行MATLAB仿真,分析控制电梯运动的电机状况。
 
  6.2展望
 
  通过几个月坚持不懈的学习与设计,本次毕业设计总算是勉强完成了,虽然按照原始期望实现了预定的功能,提高了电梯的利用率,但是在程序设计上还是有些繁琐,在组态王的监控画面设计上,画面的构图有些不够完美,组态王的应用不够熟悉。由于自己本身的精力与时间有限,本设计还有许多不足之处,需要进一步的改进与深化。
 
  本次设计将楼层采取了删减,将教学楼既定成了六层楼高度,实际上远比六层楼高,如果是高楼层是否会影响程序匹配的契合度;高楼层S7-200系列PLC是否还能满足对控制要求的精确性,可靠性;在效率提高的基础上,能量的消耗肯定会随之增加,其硬件设施是否能承受相应的大负荷运作,这都是需要考虑的。本次设计也只是在假设中提高效率,当真正投入之后,是否会出现多数人都用堵在电梯门口,等待乘坐电梯,而不去爬楼梯的现象,如果出现此类现象,将造成电梯的超负荷运转,大大影响电梯的使用寿命。这都需要根据实际的情况具体的作进一步分析与研究。
 
  


知网查重福礼


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