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PLC与组态的电梯控制系统设计
摘要
本论文根据电梯的基本类型、结构、原理和四层电梯自动控制设计的基本要求，采用了三菱PLC技术和MCGS组态技术进行自动控制设计。
在PLC技术方面，阐述了PLC技术的基本功能和特点等，结合电梯的基本知识，设计了电梯的PLC控制程序，包括电梯上下行程序、电梯开关门程序等，经过调试和修改，可以基本实现电梯的控制要求。
在组态技术方面，也阐述了基本功能和特点等，根据电梯的基本知识和电梯的PLC程序，设计了电梯的基本控制界面，包括电梯内外呼按钮和电梯上下行等。
在这个设计中，组态主要是实现电梯的监控作用，而它对电梯的控制作用是通过PLC实现的，也就是说上位机在本设计中只起着辅助作用，在文中对其实现有详细的介绍。
同时，还阐述了电梯的常见问题和设计过程中的问题。
关键词：
电梯、三菱PLC、MCGS组态技术
第一章电梯的发展与分类
1.1电梯的基本类型和结构
电梯是机电合一的大型复杂产品,机械部分相当于人的躯体,电器部分相当于人的神经.机与电的高度合一,使电梯成了现代科学技术的综和产品.对于电梯的结构而言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,但以功能系统来描述,则更能反映电梯的特点.下面简单介绍电梯机械部分的结构,而我们的主要目的是怎样来控制它。
（1）曳引系统：
曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。
曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。
（2）导向系统：
导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。
导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。
（3）轿厢：
轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。
轿厢由轿厢架和轿厢体组成。
（4）门系统：
门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。
门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。
（5）重量平衡系统：
系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。
系统主要由对重和重量补偿装置组成。
（6）电力拖动系统:
电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。
电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。
（7）电气控制系统:
电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。
电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏（柜），平层装置，选层器等组成。
（8）安全保护系统:
保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。
由电梯限速器、安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。
（9）电梯的基本结构：
图
（1）是电梯的基本结构图，它反映了电梯基本硬件构成，和在电梯构成中的位置，还有也反映了一些基本原理。
如曳引系统、向系统、电力拖动系统等。
1.控制柜
2.拽引机
3.拽引钢丝绳
4.限速器
5.限速器钢丝绳
6.限速器张紧装置
7.轿厢
8.安全钳
9.轿厢门安全触板
10.导轨
11.对重
12.厅门
13.缓冲器
图
（1）电梯的结构
1.2电梯的工作原理
曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。
固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。
常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。
轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。
补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。
电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。
指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。
安全装置保证电梯运行安全。
（1）电梯在各服务层站设有层门、轿厢运行方向指示灯、数字显示轿厢、运行位置指层器和召唤电梯按钮。
电梯召唤按钮使用时，上楼按上方向按钮，下楼掀按下方向按钮。
（2）轿厢到达时，层楼方向指示即显示轿厢的运动方向，乘客判断欲往方向和确定电梯正常后进入轿厢，注意门扇的关闭，勿在层门口与轿厢门口对接处逗留。
（3）轿厢内有位置显示器、操纵盘及开关门按钮和层楼选层按钮。
进入轿厢后，按欲往层楼的选层按钮。
若要轿厢门立即关闭，可按关门按钮。
轿厢层楼位置指示灯显示抵达层楼并待轿厢门开启后即可离开。
1.3电梯的未来发展
（1）无机房电梯无机房电梯不单单是电梯有无机房的简单局部改进，而是涉及到一系列技术问题，如曳引系统、控制柜、限速器等的安装位置以及轿厢、极限开关、缓冲器等部件，都要进行重新设计，变更部件的尺寸与安装位置也要重新考虑。
它是电梯发展过程中的一次意义深远的变革，它所采用的一些关键技术将会被进一步推广用到其它电梯产品上，进而促进整个电梯行业技术的进步。
（2）智能网络化控制电梯的智能网络化控制随着计算机和通信技术的发展，使得整个大厦实现智能化管理，电梯被纳入管理范围之内。
（3）远程监控系统远程监控系统的应用，使得电梯状态监控的智能可以在监控中心就可以监测到电梯的运行状态，监控中心随时可以监控电梯发生的故障，并且可以诊断出故障的类型和发生的位置，使电梯维护更加安全、方便。
除以上几方面外，诸如IC卡的智能管理系统，应用模糊理论和神经网络技术的群管理系统，以及数码技术、声控技术、载波技术等也将在电梯技术领域中得到推广和发展。
1.4电梯的常见问题
（1）电梯运行中突然停电
电梯运行中如遇到突然停电或供电线路出现故障，电梯会自动停止运行，不会有什么危险。
因为电梯本身设有电气、机械安全装置，一旦停电，电梯的制动器会自动制动，使电梯不能运行。
另外，供电部门如有计划的停电，事先会通知的，电梯或提前停止运行。
（2）电梯运行突然加快
电梯的运行速度不论是上行还是下行，均应在规定的额定速度范围内运行，一般不会超速，如果出现超速，在电梯控制系统内是有防超速装置，此时，该装置会自动动作，使电梯减速或停止运行。
（3）电梯超载的自动控制
电梯的载重量根据需要有所不同，电梯只能在规定载重量之内运行，超出时，电梯会自动报警，并不能运行。
（4）电梯关门时的威胁
电梯在关门过程中，如果厅轿门碰到人或物，门会自动重新开启，不会伤人。
因为在门上设有防夹人的开关，一旦门碰触到人或物，此开关动作使电梯不能关门，并重新开启，然后重新关门。
另外，关门力是有规定的，不会达到伤人的程度。
（5）电梯蹲底和冲顶的防护措施
电梯蹲底就是电梯的轿厢在控制系统全都失效的情况下，会超越首层平层位置而向下行驶，直至蹲到底坑的缓冲器上停止。
缓冲器就是为此而设置的防护装置，此防护装置根据电梯的运行速度的不同，分弹簧式和液压式两种。
当轿厢蹲在缓冲器上就称为蹲底。
此时，缓冲器对电梯轿厢的冲击力产生缓解的作用，不至于对电梯内乘客造成严重的伤害。
1.5模拟电梯外部结构图
图
（2）模拟电梯
注：
模拟电梯按照仿真原理制造而成，具有电梯的基本功能。
在电梯实验和电梯教学方面发挥着重要的作用，可以与多种微机实现控制。
它对于节约设计成本和加快设计速度方面发挥了重要的作用，在教学方面得到了广泛的运用，并在学生学习电梯和电梯控制技术方面发挥着巨大的作用。
第二章电梯的PLC设计
2.1可编程控制器的介绍
可编程控制器（ProgrammableController），又称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC）根据国际电工委员会（IEC）在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其定义如下“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。
到1971年，己经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。
虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展。
2.2PLC基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，PLC由中央处理单元、存储器、输入单元、输出单元和电源五部分组成。
图（3）FX2N-48MRPLC结构简图
图（3）是FX2N-48MR的基本结构图，它集成24输入/24输出，共48个数字量I/O点。
根据电梯控制的要求，需要18个输入18个输出点，可选用FX2N-48MR作为主控制器。
FX2N-48MR是具有较强控制力的控制器，用于控制电梯的运行。
根据电梯的要求编制I/O地址表，如表
（1）所示。
表
（1）电梯I/O地址表
序号
名称
输入点
序号
名称
输出点
1
一层内呼
X0
1
一层内呼指示
Y0
2
二层内呼
X1
2
二层内呼指示
Y1
3
三层内呼
X2
3
三层内呼指示
Y2
4
四层内呼
X3
4
四层内呼指示
Y3
5
一层外呼上
X4
5
一层外呼上指示
Y4
6
二层外呼上
X5
6
二层外呼上指示
Y5
7
二层外呼下
X6
7
二层外呼下指示
Y6
8
三层外呼上
X7
8
三层外呼上指示
Y7
9
三层外呼下
X10
9
三层外呼下指示
Y10
10
四层外呼下
X11
10
四层外呼下指示
Y11
11
一层平层
X12
11
电梯上行
Y12
12
二层平层
X13
12
电梯下行
Y13
13
三层平层
X14
13
门电机开
Y14
14
四层平层
X15
14
门电机关
Y15
15
开门开关
X16
15
一层平层指示
Y16
16
关门开关
X17
16
二层平层指示
Y17
17
开门限位
X20
17
三层平层指示
Y20
18
关门限位
X21
18
四层平层指示
Y21
2.3PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC是为工业控制而设计的，除了对器件的严格筛选外，在硬件和软件两个方面还采用可屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间达到（3～5）×104h以上。
（2）编程直观、简单
考虑到大多数电气技术人员熟悉电气控制线路的特点，PLC没有采用微机控制中常用的汇编语言，而是采用了一种面向控制过程的梯形图语言。
梯形图语言与继电器原理图相类似，形象直观，易学易懂，电气工程师和具有一定知识的电气技术人员都可在短时间内学会，计算机技术和传统的继电器控制技术间的隔阂在PLC上完全不存在。
因此，许多国家生产的PLC都把梯形图语言作为第一用户语言，此外，还可采用指令表进行编程控制。
（3）适应性好
PLC是通过程序实现控制的。
当控制要求发生改变时，只要修改程序即可。
由于PLC产品已标准化，系列化，模块化，因此能灵活方便地进行系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系统。
其适应能力非常强，既可控制一台机器，一条生产线，也可控制一个复杂的群控系统；既可以现场控制，又可以远距离控制。
（4）功能完善，接口功能强
目前的PLC具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使设备控制水平大大提高；其接口功率驱动范围较大，不象普通的计算机输出信号需放大才能驱动负载，极大地方便了用户。
其常用的数字量输入输出接口，就电源而言有110V、220V交流和5V、48V直流等多种，负载能力可在0.5～5A的范围内变化，模拟量的输入输出有±50mV、±10V和0～10mA、4～20mA等多种规格，可以很方便地将PLC与各种不同的现场控制设备顺序连接，组成应用系统。
由于PLC具有以上特点，因此，与传统的继电器—接触器控制和现在流行的电脑控制相比较，在电梯这样的大型电气设备的控制系统中采用PLC实现控制应是最佳选择。
近年来，PLC在处理速度、控制功能、通信能力及控制领域等方面都不断有新的突破，正向着电气控制、仪表控制、计算机控制一体化（EIC）方向发展，PLC装置已成为自动化系统的基本装置，是构成FMS、COMC、FA的主控单元。
2.4PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为五个阶段，完成五个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行五个阶段。
图（4）PLC的扫描方式
（1）自诊断
PLC每次扫描用户程序前，对CPU、存储器、I/O模块等进行故障诊断，发现故障或异常情况则转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，停机并显示错误信号。
（2）与外设通信
在自诊断正常后，PLC对编程器、上位机等通信接口进行扫描，如有请求变响应处理。
以与上位机通信为例，PLC将接受上位机发来的指令并进行相应的操作，如把现场的I/O状态、PLC内部的工作状态、各种数据参数发送给上位机，执行启动、停止、修改参数等命令。
（3）输入采样
完成前两步工作之后，PLC扫描个输入点，将各点状态和数据读入到存储输入状态的输入映像寄存器中存储器，这个过程称为采样。
在一个扫描周期内，即使外部输入状态已发生改变，输入映像寄存器中的内容也不改变。
（4）程序执行
PLC从用户程序存储器的最低地址开始顺序扫描，并分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入
输出映像寄存器中保存，但这结果在全部程序执行完毕之前不会送到输出端口上。
（5）输出刷新
在执行完用户所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到寄存输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备，称为输出刷新。
PLC重复执行上述五个步骤，按循环扫描方式，实现对生产过程和设备的连续控制。
直到接收到命令、停电、出现故障等才停止工作。
2.5电梯的PLC程序设计
（1）电梯的控制要求
1、开始时，电梯处于任意一层。
2、当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时3S后自动关门。
3、当有内呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时3S后自动关门。
4、在电梯运行过程中，电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方向无其它内、外呼梯信号时，则电梯响应该外号，但不响应二层向下外呼梯信号。
同时，如果电梯到达三层，如果四层没有任何呼梯信号，则电梯可以响应三层向下外呼梯信号。
5、电梯应具有最远反向外梯响应功能。
例如：
电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。
6、电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。
平层且电梯停止运行后，按开门按钮电梯门打开，按关门电梯门关闭。
（2）电梯的梯形图
1.电梯编程的思路：
1）.分析电梯的基本动作和了解电梯的基本结构。
2）.确定基本的编程方法。
3）.把电梯的输入和输出继电器分类（三个部分）。
a.输入继电器X和输出继电器Y0-Y11和Y16-Y21为第一类。
b.Y0-Y21是电梯的输出，，将辅助继电器M分为第二类。
c.将输出继电器Y12-Y15分为第三类。
2.程序设计基本思路图
根据表
（1）电梯的I/O分为输入和输出，在图（5）中，输入和输出关系有所不同，①.这是程序第一类，程序编写首先要从这里开始，先把电梯的的外呼和内呼的输入和输出信号程序编制出来，要注意增加限制条件，如平层开关、上下行等，每一个输出都要有保持功能；②.这是程序第一类和第二类的结合，主要作用是让Y0-Y11具有保持功能，而M的停止是由第三类程序控制的，如图（7）所示的内容；③.这是程序第二类和第三类的结合，主要是满足Y12-Y15的动作，如图（8）、（9）和（10）的内容。
图（5）电梯程序编写的简图
3.电梯程序举例说明
a.电梯外呼信号保持
这个程序主要是第一类和第二类程序的结合体，它是程序保持信号部分的关键。
在程序中Y04-Y11是输入命令，它通过辅助继电器M30-M35给Y12.Y13输入信号。
M92是电梯关门时产生的停止信号，让电梯上下行Y12.Y13得不到输入信号。
图（6）电梯外呼信号保持图
b.电梯做向上运动的最远反应信号
本程序属于第一类程序和第二类程序的结合程序，主要是实现电梯的向上运动的最远反应信号的执行。
在本程序中Y5、Y7、Y11是电梯在一层时，二层、三层、四层的向下呼叫信号，M60则是使电梯向下信号保持的关键，在保持向下信号的同时，又执行电梯的上行信号。
当电梯到达第四层的时候，就取消对下行信号的保持。
M61、M62、M63同理。
图（7）电梯上行最远信号图
c.电梯的上行指示
本程序属于第三类程序与第二类程序的结合程序，它是所有程序的最终执行者。
它不仅要受到M继电器的限制，而且还要受到电梯的结构限制（平层开关、上限开关）。
要使这个程序中的Y12起作用，则必须要有一个保持信号—M43作为中间信号，使电梯在执行同一个方向的信号时，不执行另一个方向的程序，也为电梯执行各种动作提供了一个新平台（如平层开关、上限开关、电梯上下行的互锁就起着这样的作用）。
图（8）电梯上行指示图
d.电梯开门指示
本程序包含了了三类程序，既有第一类，又有第二类，还有第三类。
在这一程序中，电梯具有手动和自动开门功能。
X16是电梯的开门按钮，它给开门动作Y14一个信号，让它得电执行开门动作，同时又要受到开门限位开关X20的限制，是的开门停止。
M80-M83是电梯到达所要命令的平层时产生的开门信号。
在其中M90是起着停止电梯上下行的命令，只执行开门和关门的命令。
图（9）电梯的开门指示图
e.电梯关门指示
本程序和开门程序一样，具有关门自动和手动的功能，其中X17是电梯的关门按钮，X21是电梯的关门限位，Y15是电梯的关门信号的执行者。
关门信号的自动是开门信号控制的，在开门信号执行完3S之后就自动关门。
在其中M92是起着停止所有的命令的作用，只执行关门的命令。
图（10）电梯的关门指示图
f.电梯外呼开门
本程序主要执行电梯轿厢内无人时，电梯外呼执行开门的作用。
当按下外呼X04-X11时，只要电梯在那一层，电梯就执行在那一层的开门信号。
图（11）电梯的外呼开门图
（3）.电梯与PLC的联机
图（12）PLC与电梯的连接图
图（12）为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、计算机、模拟电梯（电梯内呼操作键和指示灯、电梯外呼操作键和指示灯、电梯的轿厢、电梯的门）和（电梯内呼、外呼、电梯上下行，门开关等外部接口）。
系统控制核心为PLC主机，操纵盘、内外呼键、轿厢通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向轿厢和门机控制系统发出控制信号。
（4）.电梯程序编写问题
a.不能用命令输出继电器直接作用于电梯动作执行继电器，因为要考虑信号的保持，所以要采用中间继电器M。
b.电梯的顺序执行要考虑到电梯的命令的先后，还有电梯的方向。
在顺序上主要是发挥平层开关的作用，使电梯按动作执行。
c.在电梯上下行执行上，主要问题是如何满足各种限制，同时电梯还必须执行相关的动作。
（参照电梯程序举例）
第三章电梯的组态设计
3.1组态软件的介绍
1.MCGS组态软件的功能和特点
全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，可运行于Microsoft Windows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。
庞大的标准图形库、完备的绘图工具集以及多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。
全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。
支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。
简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。
MCGS组态软件的特点：
①强大的数据处理功能；②完善的安全机制；③强大的网络功能；④良好的可扩充性；⑤提供了WWW浏览功能等。
2.MCGS组态软件的结构
MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。
两部分互相独立，又紧密相关。
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。
MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
在运行环境中完成对工程的控制工作。
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。
主控窗口：
是工程的主窗口或主框架。
在主控窗口中可以放置一个设备窗口
和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
主要的组态操作包括：
定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存文件文件名称及存盘时间等。
设备窗口：
是连接和驱动外部设备的工作环境。
在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
用户窗口：
本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：
生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。
实时数据库：
是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。
在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
运行策略：
本窗口主要完成工程运行流程的控制。
包括编写控制（if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：
数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。
3.2监控界面的设计
1.设计步骤
a.了解电梯的基本外部结构。
b.熟悉电梯的工作方式设置组态属性。
c.了解组态与PLC的连接关系，设计脚本程序。
2.监控界面设计的要求
对于一个控制系统要使系统具备最完善的功能，则必须对上位机和下位的在设计中的作用有一个清楚的认识：
a.适合下
升级会员 