货运电梯PLC控制系统设计.docx
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货运电梯PLC控制系统设计
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哈尔滨理工大学荣成学院
专科生毕业设计
题目：
货运电梯PLC控制系统设计
专业年级：
机电一体化08-2
学生姓名：
曲泽莹
指导教师：
宋鸣
哈尔滨理工大学荣成学院
完成时间：
2011年6月15日
哈尔滨理工大学荣成学院
专科生毕业设计（论文）评语
学院：
哈尔滨理工大学荣成学院专业：
机电一体化技术
任务起止时间：
2011年3月14日至2011年6月24日
毕业设计（论文）题目：
货运电梯PLC控制系统设计
指导教师对毕业设计（论文）的评语：
指导教师签名：
指导教师职称：
评阅教师对毕业设计（论文）的评语：
评阅教师签名：
评阅教师职称：
答辩委员会对毕业设计的评语：
答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为：
答辩委员会主席签名：
职称：
年月日
哈尔滨理工大学荣成学院
专科生毕业设计（论文）任务书
学院：
哈尔滨理工大学荣成学院专业：
机电一体化技术
任务起止时间：
2011年3月14日至2011年6月24日
毕业设计（论文）题目：
货运电梯PLC控制系统设计
毕业设计工作内容：
1.完成可控制编程器（PLC）做核心控制部件的电梯控制系
2.完成基于PLC的电梯控制系统的方案，并对结构和原理进行了分析、论证，根据电梯的工作原理，设计流程及程序。
3.完成对电梯硬件的及软件的系统设计。
4.完成完成三层电梯控制器的电路设计。
资料：
1.李秧耕，何乔治，何峰峰编著．电梯基本原理及安装维修全书.机械工业出版社，2001
2.张百令，袁克文主编．电梯安装维修工.中国劳动社会保障出版社，2002
3.顾战松、陈铁年编著.可编程控制器原理与应用.国防工业出版社，1996
4.廖常初主编.可编程序控制器应用技术.重庆大学出版社，2005
5.陈远龄主编．机床与电气自动控制．重庆大学出版社，2006
指导教师意见：
签名：
年月日
系主任意见：
签名：
年月日
目录
第一章绪论2
第二章总体设计方案3
2.1总体方案的确定3
2.2电梯PLC控制系统的构建3
2.3电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析4
2.4实际运行中的控制要求分析5
2.4.1电梯上行分析5
2.4.2电梯下行分析6
2.5电梯的六项控制要求6
第三章可编程序控制器的结构与工作原理7
3.1可编程序控制器的基本结构7
3.2开关量I/O模块8
3.2.1输入模块8
3.2.2输出模块9
3.3可编程序控制器的工作原理10
3.4PLC的选型10
3.4.1输入输出（I/O）点数的估算10
3.4.3控制功能的选择10
第四章电梯硬件及软件系统设计11
4.1电气控制系统11
4.2梯PLC控制系统设计11
4.2.1状态指示设计11
4.2.2启动时程序设计12
4.2.3运行中程序设计13
4.2.4到达时程序设计13
4.3组态软件模拟电梯PLC控制系统显示设计14
4.4硬件系统要求及设计15
4.5软件系统设计18
结论20
参考文献21
致谢22
第一章绪论
随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。
电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。
目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、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，这两种方法并没有太大的区别。
国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。
电梯是将机械原理应用、电气技术、微处理器技术、系统工程学、人体工程学及空气动力学等多学科和技术集于一体的机电设备，它是建筑物中的永久性垂直交通工具。
为满足和提高人们的生活质量，电梯的智能化、自动化技术迅速发展。
特别是随着计算机网络技术、微电子和电力电子技术的飞速发展，现代电梯的技术含量日益提高。
在改善电梯性能的同时，对电梯的设计、管理和维护人员提出了更高的要求。
第二章总体设计方案
载PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体。
熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
2.1总体方案的确定
目前，电梯行业在我国迅速的发展，在一定程度上占有很大的市场。
而在今天选择控制电梯运动的设备已经从传统的继电器—接触器转变成可编程序控制器（PLC）。
可编程序控制器（PLC）与其他计算机控制相比较：
个人计算机有很强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，但是它们是为办公室自动化和家庭设计的，对环境要求很高，抗干扰能力不强，一般不适合在工业现场使用。
单片机只是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。
要将它用于工业控制，还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大，要求设计者具有很强的计算机领域的理论知识和实践经验。
工业控制计算机（简称工控机）也是为工业控制设计的，目前比较流行的是PC总线工控机，它与个人计算机兼容。
工控机一般是在通用微机的基础上发展起来的，有实时操作系统的支持，因此在要求快速、实时性强、功能复杂的领域占有优势。
工控机的价格较高。
当然在电梯的控制领域也具有重要的地位，把可编程序控制器用于电梯运动的核心部分是很合理的选择，而且可编程序控制器现在在市场上也是一种成熟的产品。
总之，经上述比较可得，我确定选用PLC控制电梯的运行[1]。
2.2电梯PLC控制系统的构建
1）机房
机房用来安装曳引机、电控屏、限速器等。
机房可以设置在井道顶部，也可设置在井由自部。
当机房设于井道底部时，即为曳引机下置式曳引方式。
这种方式结构复杂，建筑物承重大，对井道尺寸要求大，只有在机房无法顶置时才使用。
对于绝大多数电梯，椭均设于井道顶部。
机房必须有足够的面积，高度、承重能力及良好的通风条件。
2）轿厢
轿厢是用以运送乘客和货物的电梯组件。
它由轿厢架和轿厢体组成。
轿厢架是轿厢体的承重构架。
是由上横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成；轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮等组成。
3）重量平衡系统
该系统由对重和重量补偿装置组成。
对重由对重架和对重块组成，对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重；重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯设计影响的装置。
4）电力拖动系统
该系统由曳引机、供电系统、速度反馈装置、调速装置和变频器等组成。
对电梯实行速度控制。
曳引电动机是电梯的动力源，根据电梯的配置可用交流电动机或直流电动机；速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号，一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电动机相连；调速装置对曳引电动机实行调速控制；变频器可以通过改变频率的大小来控制其运行速度的快慢。
5）电器控制系统
该系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏等组成，它起着操纵和控制电梯运行的作用。
操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急；位置显示装置是指轿内和层站的指层灯；层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站；控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件（或板）组成，是电梯实行电气控制的集中组件。
6）安全保护系统
电梯上设有机械和电气的各类保护系统，以保证电梯安全使用。
机械方面的有限速器和安全钳，起超速保护作用；缓冲器，起冲顶和撞底保护作用；切断总电源的极限保护[2]。
2.3电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析
1）电梯的初始状态
假设电梯开始时处于第1层待命、各层显示器都被初始化,电梯处于以下状态:
各层呼叫灯均不亮。
电梯内部及外部各楼层显示器显示均为“1”。
电梯内部及外部各楼电梯门均关闭。
2）电梯运行过程中
按下某层呼叫按钮（1～3层）后,该层呼叫灯亮,电梯响应该层呼叫。
电梯上行或下行直至该层。
各楼层显示随电梯移动而改变,各层指示灯也随之而变运行中电梯门始终关闭,到过指定层时,门才打开。
3）电梯运行后状态
在到达指定楼层后,电梯会继续待命,直到新命令产生。
电梯在到达指定楼层后,电梯门会自动打开,经过一段时间自动关闭,在过程中,支持手动开门或关门。
各楼层显示值为该层所在位置,且上行与下行指示灯均灭。
FXON系列中的FXON－24M，它是将众多功能凝集在超小型机壳内的微型可编程控制器。
在控制器内备有模拟电位器与RUN/STOP开关等，方便功能实现，通过扩展单元、扩展模块与基本单元的连接可自由地选择使用方法[3]。
2.4实际运行中的控制要求分析
实际中,电梯服务的对象是许多乘客,乘客乘坐电梯的目的地是不完全一样的,而且,每一个乘客呼叫电梯的时间有前有后。
因此,我们将电梯在实际中的各种具体情况加以分类,做出分析,以便于编制程序。
2.4.1电梯上行分析
若电梯在上行过程中,某楼层有呼叫产生时,可分以下两种情况:
1）若呼叫层处于电梯当前运行层之上、目标运行层之下,则电梯应在完成前一指令之前先上行至该层,完成该层呼叫后再由近至远的完成其他各个呼叫动作。
2）呼叫层处于电梯当前运行层之下,则电梯在完成前一指令之前不响应该指令,直至电梯重新处于待命状态为止。
2.4.2电梯下行分析
若电梯在下行过程中,某楼层有呼叫产生时,可分以下两种情况:
1）若呼叫层处于电梯当前运行层之下、目标运行层之上,则电梯应在完成前一指令之前先下行至该层,完成该层呼叫后再由近至远的完成其他各个呼叫动作。
2）呼叫层处于电梯当前运行层之上,则电梯在完成前一指令之前不响应该指令,直至电梯重新处于待命状态为止[4]。
2.5电梯的六项控制要求
1）呼叫接收控制
接受每个呼叫按钮（包括内部和外部的呼叫）的呼叫命令,并做出相应的响应。
2）楼层呼叫控制
电梯停在某一层（例如2层）时,此时按动该层的呼叫按钮（上呼叫或下呼叫）,则相当于发出打开梯的门命令,进行开门的动作过程;若此时电梯的轿箱不在该层（在1、3层）,则等到电梯关门后,按照不换向原则控制电梯向上或向下运行。
3）运行方向控制
电梯运行的不换向原则是指电梯优先响应不改变现在电梯运行方向的呼叫,直到这此命令全部响应完毕后才响应使电梯反向运行的呼叫。
4）楼层到达控制
电梯在每一层都有1个行程开关,当电梯碰到某层的行程开关时,表示电梯已经到达该层。
5）电梯门控制
当电梯停在某层时,在电梯内部挥动开门按钮,则电梯门打开,按动电梯内部的关门按钮,则电梯门关闭。
但在电梯运行期间电梯门是不能打开的。
6）楼层指示灯控制
当电梯运行到某层后,相应的楼层指示灯亮,直到电梯运行到前方一层时楼层指示灯改变[5]。
第三章可编程序控制器的结构与工作原理
3.1可编程序控制器的基本结构
可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
如下图3-2所示：
可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。
可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。
图3-2可编程序控制器结构
1）CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。
它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：
a.输入处理：
将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。
b.程序执行：
逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。
c.输出处理：
将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载【6】。
2）I/O模块
I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号。
输入信号有两类：
一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。
CPU模块的工作电压一般是5V，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高。
从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。
3）编程器
编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态【7】。
3.2开关量I/O模块
开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。
电压等级有直流5V，12V、交流110V，220V等。
输入输出电压的允许范围很宽，如某交流220V输入模块的允许低电压为0~70V，高电压为70~256V。
各I/O点的通/断状态用发光二极管或其它元件显示在面板上，外部I/O接线一般接在模块的接线端子上，某些模块使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部连线的情况下，可以迅速地更换模。
开关量I/O模块可能4，8，16，32，64点【8】。
图3-3直流输入电路
3.2.1输入模块
输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入点抖动或外部干扰脉冲引起的错误的输入信号。
滤波电路延迟时间的典型值为10~20ms（信号上升沿）和20~50ms（信号下降沿），输入电流约为10mA，上图2.3是某直流输入模块的内部电路和外部接线图。
图中的输入触点直接接在公共点和输入端（400是梯形图中输入继电器的编号）之间，不需要外接电源。
有的可编程序控制器还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V电源。
如图3-4所示：
图3-4输入电路
当图3-4中的外接触点接通时，光电耦合器中的发光二极管发光，光敏三极管导通，信号经内部电路传送给CPU模块。
图3-5是交流输入电路。
光电耦合器中有两个反并联的发光二极管，显示用的两个发光二极管也是反并联的，因此这个电路可以接收外部的交流输入电压【9】。
图3-5交流输入电路
3.2.2输出模块
输出模块的功率放大元件有大功率晶体管和磁效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动内交流负载）和小型继电器，后者可以驱动交流负载或直流负载。
输出电流的典型值为0.5~2A，负载电源由外部现场提供。
输出电流的额定值与负载的性质有关，但是只能驱动100VA/22V的电感性负载和100W的白炽灯。
额定负载电流还与温度有关，温度升高时额定负载电流减小，有的可编程序控制器提供了有关曲线【10】。
3.3可编程序控制器的工作原理
可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。
这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。
3.4PLC的选型
为了能够更好的选型，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
3.4.1输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
3.4.3控制功能的选择
该选择包括控制功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
1）控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
2）编程功能PLC的编程有离线编程和在线编程两种，设计时应根据应用要求合理选用。
第四章电梯硬件及软件系统设计
4.1电气控制系统
图4-1为本系统的组成框图。
图中输出为：
l、电动机；2、上下行接触器；3、快慢速接触器；4、位置指示；5、门锁。
输入为：
6、轿内指令；7、厅外指令；8、门区感应；9、手动开关门；10、楼层感应。
PLC系统部分完成所设定的控制任务所需要的PLC规模主要取决于控制系统对输入，求出点的需求量和控制过程的难易程度。
（1）I／O点的估算：
系统的输入点有：
门厅召唤按钮6个输入点；轿内指令按钮4个点；楼层感应器4个点；门区感应l点；手动开门l点：
共计输入点16点。
而输出点有：
快慢速接触器2点；上下行接触器2点；楼层指示灯4点；门锁1个点；共计输出点9点。
总计I／O点数为16／9；
（2）可编程控制器S7—200的CPU226输入，输出点数为24／16。
足以满足要求。
4.2梯PLC控制系统设计
4.2.1状态指示设计
当电梯运行至某层有指令发出时．指示位置及指令。
以二层为例：
LDtwoselet
二层内选掸
Stwoseletq，1
二层内选择指示
LDtwoup
二层上呼
Stwoupq，1
二层上呼指示
LJ）twodown
二层下呼
Stwodownq，1
二层下呼指示
LDtwoseat
二层位置
=twoeeatq
二层位置指示
4.2.2启动时程序设计
以电梯在三层下行情况为例。
当电梯的一或二层有指令时，将三层下行位置1，同时无上行，驱动电梯下行。
程序说明如下【11】：
电棒在三晨时下行情况
LDoneseletq
一层内选择
0twmeletq
或二层内选择
Ooneupq
或一层上呼
0twodownq
或二层下呼
OtWoup_q
或二层上呼
A畦I州eseatq
在三层位置时
SV0.1.1
置三层下行位
电椿下行
LDV0.0
有四层下行位
OV0.1
或有三层下行位
OV0.2
或有二层下行位
ANup
同时无上行
=down
电梯下行
4.2.3运行中程序设计
以电梯在二层上行情况为例。
程序说明如下表4-1所示：
程序说明表表4-1
电梯在二层时上升情况
LDfourceletq
四层选择
Othreeceletq
或三层选择
Ofourdownq
或四层下呼
Othreedouwnq
或三层下呼
Othreeupq
或三层上呼
Atwoseatq
在二层位置时
SV0.4，1
置二层上行位
电梯上行
LDV0.3
有一层上行位
OV0.4
或有两层上行位
OV0.5
或有三层上行位
ANdown
同时电梯无下行
=up
电梯上行
4.2.4到达时程序设计
电梯到达某层时。
将已完成的指令信号复位。
以电梯到达三层为例。
程序说明如下表4-2所示：
程序说明表表4-2
电梯到达三层
LDthreeseatq
电梯到达三层
Rthreeseletq.1
复位三层内选择
RV0.0,1
复位四层下行
RV0.3,1
复位一层上行
RV0.4,1
复位二层上行
LDthreeseatq
电梯到达三层
ANdown
同时无下行
Rthreeupq.1
复位三层上行
LDthreeseatq
电梯到达三层
ANup
同时无上行
Rthreedouwnq.1
复位三层下方
4.3组态软件模拟电梯PLC控制系统显示设计
MCGsm态软件具有全中文、面向窗口的可视化操作界面。
实时性强，有良好的并行处理性能和丰富生动的多媒体画面。
MCGSm态软件的开放式结构拥有广泛的数据获取和强大的数据处理功能。
同时。
提供良好的安全机制，为多个不同级别用户设定不同的操作权限。
MCGS组态软件支持多种硬件设备，实现“设备无关”，用户不必因外部设备的局部改动，而影响整个系统。
MCGS组态软件由“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。
本文利用MCGS组态软件设计。
在设备组态窗口中选择适当的串口通讯设备．添加西门子S7—200PLC。
正确设置其属性。
正确设置组态软件中数据变量设备通道的连接，即可实现PLC与组态软件的通讯。
将PLC中的串口驱动程序与组态软件的需求响应相结合，使电脑对PLC发出的信号有响应。
在MCGS组态软件的用户窗口中，制作一个动画界面。
在界面上设置各个控件的属性，使设置的控件按照真实的情况动作，检验和测试电梯PLC控制系统对电梯的运行状态的控制效果。
MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面．组态配置各种不同类型和功能的对象或构构。
可以对实时数据进行可视化处理【12】。
组态过程如下图4-2所示：
图图4-2利用组态软件设计过程
4.4硬件系统要求及设计
控制要求：
a．系统应具备：
有司机、无司机、消防三种工作模式。
b．系统应具备下列几项控制功能:
（1）自动响应层楼召唤信号（含上召唤和下召唤）。
（2）自动响应轿厢服务指令信号。
（3）自动完成轿厢层楼位置显示（二进制方式）。
（4）自动显示电梯运行方向。
（5）具有电梯直达功能和反向最远停站功能。
c．系统提供的输入控制信号:
AYS向上行驶按钮
AYX向下行驶按钮
YSJ有/无司机选择开关
1YC一楼行程开关
2YC二楼行程开关
3YC三楼行程开关
A1J一楼指令按钮
A2J二楼指令按钮
A3J三楼指令按钮
AJ指令专用开关（直驶）
ZXF置消防开关
A1S一楼上召唤按钮
A2S二楼上召唤按钮
A2X二楼下召唤按钮
A3S三楼上召唤按钮
A3X三楼下召唤按钮
d．系统需要输出的开关控制信号：
KM开门显示
GM关门显示
MGB门关闭显示
DCS上行显示
DCX下行显示
S上行继电器（控制电动机正转）
X下行继电器（控制电动机反转）
YX运行显示
ALED七段显示器a段发光二
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