PLC本科毕业设计 电梯控制系统的设计与实现.docx
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PLC本科毕业设计电梯控制系统的设计与实现
摘要
本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器应用于四层电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，缩短了电梯的开发周期，并提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。
本文所设计的电梯与传统的电梯相比，在运行上具有良好的舒适感，在生活中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。
该电梯控制系统具有指层、厅召唤、选层选向、手动和自动等功能，具有集选控制的特点。
在介绍电梯基本结构的基础上，深入分析了电梯的工作原理，阐述了PLC的优点及特点，重点分析了电梯的硬件设计和软件设计，研究并提出了基于PLC电梯控制系统设计的实现方案。
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）即通用监控系统。
他是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，能够在Window平台上运行。
通过现场数据处理，以及动画显示，流程控制等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。
本设计利用MCGS组态软件检验电梯PLC控制系统的运行情况。
关键词：
电梯，PLC控制，通用监控系统
ABSTRACT
ThedesignforthestatusquoofChina'selevatorindustrywillbeaprogrammablelogiccontroller（PLC）usedforfour-storeyelevatorcontrollogic,throughtherationalselectionanddesign,notonlytoimprovethereliabilityoftheelevator,maintainability,andflexibility,whileextendingtheoflifeandshortenthedevelopmentcycleoftheelevatorandtheelevatorcontroltoraisetheleveloftheelevatoroperationtoimprovethecomfort,sothatthelifttoreachamoresatisfactorycontroleffect.Inthispaper,thedesignoftheelevatorbytheelevatorwhencomparedwiththetraditional,intherunwithgoodcomfort,inlifecansaveenergy,andachievedgoodeconomicandsocialbenefitstoachievethedesiredpurpose.Theelevatorcontrolsystemhasameanlayer,theOfficeofcallstothelayerselected,manualandautomaticfunctionswithasetoffeaturestocontroltheelection.Inintroducingthebasicstructureoftheliftonthebasisofthedepthanalysisoftheworkingprincipleoftheelevator,onthemeritsandcharacteristicsofPLC,thefocusofananalysisofthelifthardwaredesignandsoftwaredesign,researchandPLCbasedcontrolsystemdesignedtolifttheachievementoftheprogram.
Keywords:
elevator；PLCcontrol；MonitorandControlGeneratedSystem
第一章绪论
1.1选题的背景及意义
电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。
也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。
服务于规定楼层的固定式升降设备。
它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。
轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。
习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。
如今，在我国任何一个城市，电梯都在被广泛应用着。
电梯给人们的生活带来了便利，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。
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。
在许多交通设备中，电梯是自动化程度最高的先进设备的一种。
以前的电梯主要采用单片机控制，其性能等各方面都不太完善，现在电梯控制系统多采用PLC，从电梯的性能、器件的灵活性及安全保障方面等都有了很大的提高。
作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了从逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。
今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用，因此，PLC的应用也就成为了一个热点问题。
可编程序控制器，英文称ProgrammableController。
它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
1.2电梯的发展及主要研究内容
自从电梯发明以后，电梯电气控制技术越来越收到人们的重视。
电梯电气控制技术主要体现在电梯电气控制系统的设计上。
电梯的电气控制主要是对各种指令信号、位置信号、速度信号和安全信号进行管理，使电梯正常运行或处于保护状态，发出各种显示信号。
电梯的电气控制，过去采用继电器逻辑线路，一般称继电器控制。
这种硬布线的逻辑控制方式具有原理简单、直观等特点。
但通用性差，逻辑系统由许多触点组成，接线复杂、故障率高、设备庞大，国家已规定淘汰。
目前我国电梯主要由先进的、可靠性高的微型计算机或可编程控制器（PLC）控制。
【1】本文对我国电梯控制技术和方法的发展状况进行研究，总结现有电梯主要控制方法，并对我国电梯将来控制技术和方法做出预测，这项工作能够起到继往开来的作用，对我国电梯行业发展具有积极意义。
目前电梯的节能和智能化是其主要研究方向，我国的电梯节能技术在某些方面已经达到国际领先水平。
智能化是指采用人工智能算法控制具有智能化派梯策略的电梯，可以大大提高电梯群的派梯效率，减少乘客的候梯时间，降低电梯的能耗。
1.3本文的主要内容
本文主要介绍PLC在电梯控制中的应用特点，设计PLC与外围控制电路的实际接线以及PLC控制电梯程序的设计。
第二章电梯控制的特点
2.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题
2.1.1电梯继电器控制系统的优点
所有控制功能及信号处理均有硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。
系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。
大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜。
多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已经形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。
2.1.2电梯继电器控制的缺点
系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。
普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。
电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。
系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大。
费用高；而且检查故障困难，费时费工。
总之，电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘客人员带来不便和惊扰。
且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。
所以目前电梯的继电器控制已经很少使用了。
2.2PLC及在电梯控制中的应用特点
2.2.1PLC简介
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
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。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.【2】
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
2.2.2PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强。
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.2.3PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
【3】
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
（5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；
（6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
2.2.4PLC控制电梯的逻辑关系
行车方向由内选信号决定,顺向优先执行;行车途中如遇呼梯信号时,顺向截车,反向不截车;内选信号、呼梯信号具有记忆功能,执行后解除。
内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均由信号灯指示停层时可延时自动开门、手动开门、（关门过程中）本层顺向呼梯开门;有内选信号时延时自动关门,关门后延时自动行车;无内选时延时5s自动关门，但不能自动行车;行车时不能手动开门或本层呼梯开门,开门不能行车。
2.2.5PLC控制电梯的优点
随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。
电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。
PLC在电梯控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。
由于PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。
在电梯控制过程中，各种逻辑开关控制与PLC很好的结合，很好的实现了对电梯的控制。
本文主要讨论研究利用西门子公司可编程控制器对四层电梯的控制，形成电梯控制系统。
电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。
传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。
目前电梯设计使用可编程控制器（PLC），要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。
维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。
当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后．控制系统进行下列运作：
根据轿厢所处位置及乘员所处层数．判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。
将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。
另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。
2.3电梯变频调速控制的特点
MM440是西门子公司生产的通用型矢量变频器，它性能稳定，质量可靠，功能齐全，在电梯行业首次使用。
可编程序控制器PLC和MM440变频器之间的通讯可有两种方式，一种是串行通讯,采用串行通讯只需一根双芯屏蔽电缆西门子专用，它大大减少了布线的数量，无须重新布线即可更改控制功能，可以通过串行接口设置和修改变频器的参数，还可以连续对变频器的特性进行监视和控制另一种是并行通讯,图中所示为端子控制端子1_8101617为输入控制端子19_25为输出控制端子然后定义每个端子的功能并且通过操纵面板设定其参数如P701=2为上行P702=1为下行P1001=48为正常运行频率P1002=2为爬行频率等即PLC通过逻辑分析后发出控制信号如正转反转高速中速点动爬行等信号给变频器变频器接受指令并且按照预先设定好的曲线拖动轿厢正常运行另外变频器还发出信息如零速变频器是否故障抱闸等信号给PLC使其参加PLC的逻辑运算以保证电梯的安全运行【4】
另外变频器上还安装了编码器模板这使得这种通用型MM440可以接成闭环速度反馈控制方式与无传感器矢量控制SLVC和变压/变频V/F相比这种控制方式具有:
零速时仍然具有额定转矩的负载能力,速度控制的精度,速度控制和转矩控制的动态性能得到改善。
通过我们的现场试验这种变频器完全可以用到电梯控制系统中且运行良好而且它还有一个其它变频器所没有的优点就是进行电机参数自学习时电机的轴不转动这样曳引机可在带负载的情况下也能进行自学习而不必像其它变频器那样必须把轿厢吊起使曳引机脱离负载后才能自学习这样给电梯的安装改造带来很大方便。
第三章PLC控制系统硬件设计
3.1四层电梯主电路
3.1.1四层电梯曳引电机及门电机电路图
根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图2.1所示。
图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1~KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。
FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。
FU1为熔断器，起过电流保护作用。
图3.1电机电路图
本设计的PLC外部接线图如图2.2所示。
CPU226CN的传感器电源24V（DC）可以输出600mA电流，通过核算在本设计中PLC容量完全满足要求，CPU226CN的输出继电器触点容量为2A，电压范围为5~30V（DC）或5~250V（AC）。
3.2I/O点数的分配及机型的选择
3.2.1I/O点数的估算
采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。
电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。
一层有上升呼叫按钮K1和指示灯H1，二层有上升呼叫按钮K2和指示灯H2以及下降呼叫按钮K4和指示灯H4，三层有上升呼叫按钮K3和指示灯H3以及下降呼叫按钮K5和指示灯H5，四层有下降呼叫按钮K6和指示灯H6。
一至四层有到位行程开关SQ1～SQ4。
电梯内有一至四层呼叫按钮K10～K7和指示灯H10～H7；电梯开门和关门按钮SB5和SB6，电梯开门和关门分别通过电磁铁KM3和KM4控制，关门到位由行程开关ST1检测，开门到位由行程开关ST2检测。
轿厢上行和下行由接触器KM1和KM2控制，并有上行记忆和下行记忆两路指示灯。
综上所述，输入点共有14个，输出点共有16个。
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
3.2.2输入/输出的分配如下：
该系统占用PLC的30个I/O口，14个输入点，16个输出点。
表2.1I/O分配表
序号
名称
输入点
序号
名称
输出点
1
一层平层
I0.0
1
电梯上行记忆
Q0.0
2
二层平层
I0.1
2
电梯下行记忆
Q0.1
3
三层平层
I0.2
3
电机正转
Q0.2
4
四层平层
I0.3
4
电机反转
Q0.3
5
内呼一楼
I0.4
5
内呼一楼指示
Q0.4
6
内呼二楼
I0.5
6
内呼二楼指示
Q0.5
7
内呼三楼
I0.6
7
内呼三楼指示
Q0.6
8
内呼四楼
I0.7
8
内呼四楼指示
Q0.7
9
一层外呼上行
I1.0
9
一层外呼上行指示
Q1.0
10
二层外呼上行
I1.1
10
二层外呼上行指示
Q1.1
11
三楼外呼上行
I1.2
11
三楼外呼上行指示
Q1.2
12
二楼外呼下行
I1.3
12
二楼外呼下行指示
Q1.3
13
三楼外呼下行
I1.4
13
三楼外呼下行指示
Q1.4
14
四楼外呼下行
I1.5
14
四楼外呼下行指示
Q1.5
15
手动开门
I2.0
15
门电机正转
Q1.6
16
手动关门
I2.1
16
门电机反转
Q1.7
3.2.3机型的选择
S7-200可编程控制器是德国西门子公司研制的一种可编程控制器。
它工作可靠，功能极其强大，存储容量大，编程方便，输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈，强大的抗干扰能力。
因此能够满足电梯对电气控制系统的要求。
S7-200小型PLC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系列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。
可应用于各种自动化系统，其结构紧凑，成本低廉，强大的功能使得它成为各种小型控制任务的理想解决方案。
本次设计中利用它编写控制一个四层楼电梯控制系统。
分别完成轿厢内指令，厅外召唤指令，楼层位置指示，开门控制等任务。
S7-200系列出色表现在以下几个方面：
极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块等。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
【5】
STEP7-Micro/WIN32是西门子公司专门为S7-200系列PLC设计在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学，可用梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图三种编程语言编制程序，不同的编程语言编制的程序可以相互转换。
STEP7-Micro/WIN32提供两套指令集，即SIMATIC指令集（S7-200方式）和国际标准指令集（IEC1131-3方式）。
程序编制完成之后，利用PLC与计算机专用的PC/PPI电缆传送程序至PLC。
3.3系统结构框图
图3.3电梯平层流程图
电梯经过内，正向外选楼层时自动减速，平层后自动开门。
电梯未平层或运行时，手动开门按钮和关门按钮均不起作用。
平层且电梯轿厢停止运行后，才能手动开关门。
图3.4电梯上升下降流程图
在电梯运行过程中，轿厢上升或下降途中，任何反向截梯的外呼信号均不响应，但如果反向外呼电梯信号前方无其他内、外呼梯信号时，电梯响应外呼电梯信号。
第四章系统软件设计
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