集选电梯PLC控制系统设计 长安大学毕业设计.docx
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集选电梯PLC控制系统设计长安大学毕业设计
摘要
本课题设计的意义在于改变了以往继电器控制的电梯可靠性和稳定性差的缺点，使用变频器调速，完成的主要工作有设定电梯正常运行速度，电梯轿厢加减速控制程序，平层后开关门判断程序以及LED显示部分的电路设计。
鉴于继电器控制存在着上述的种种弊端，现将PLC应用于电梯控制,收到了良好效果。
可编程控制器应用于电梯控制，用软件编程替代原有继电器硬件布线控制，使控制系统具有了极大的柔性和通用性。
随着人们对其要求的提高，电梯得到了快速发展，其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。
本设计在已有的变频器的基础上，采用PLC对电梯进行控制，通过合理的选择和设计，提高了电梯的控制水平，并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。
本设计涉及电梯PLC系统的设计安排以及电梯LED数码显示，电梯平层检测元件和PLC的变频器的使用等问题，通过PLC的开关量断口发脉冲的方式实现电梯变频器的速度给定，其输出点可形成高速脉冲串输出（PTO）或（PWM），整个设计思路正确，有一定的技术含量，虽然是模型的设计，但可用于实际的应用和操作。
关键词：
可编程控制器，LED数码显示，变频器，电梯平层
Abstract
ThesignificanceofthedesigntaskwastochangethepastRelaycontrolofthereliabilityandstabilityoftheliftpoorshortcomings,UseFrequencyControl,themaintaskissetnormaloperatingspeedelevator,elevatorcarspeedcontrolprocedures,aftertheswitch-layerdoorsjudgmentproceduresandLEDdisplaypartofthecircuitdesign.
GivenRelaycontroloftheexistenceoftheabovedrawbacks,theprogrammablelogiccontrollerwillnowapplyelevatorcontrol,andgoodresults.Programmablecontrollerforelevatorcontrol,andsoftwareprogrammingtosubstitutetheoriginalwiringRelayhardwarecontrol,sothatthecontrolsystemhasatremendousflexibilityandversatility.Withtheimprovementoftheirclaims,thelifthasbeenrapiddevelopment,DragitstechnologyhasbeendevelopedtospeedtheFM_PM,LogicControlPLCalsoreplacethecontrolrelay.
Thedesignoftheexistingconverter,whichisbasedonPLConelevatorcontrol,throughtherationalchoiceanddesign,raisetheelevatorcontrollevels,andtoimprovetheoperationoftheelevatorcomfort,theliftreachedtheidealcontroleffect.InvolvedinthedesignoftheliftPLCsystemdesignarrangementsandliftLEDdigitaldisplay.Elevator-layercomponentsandtestingPLCandtheuseoffrequencyconverter,STEP7-Micro/WIN32softwareusedtopreparetheliftprocedures,PLCswitchingpulsefracturehairinawaythatliftsconvertertosetthepace,canexporttheirhigh-speedformationoutputpulsetrain（PTO）or（PWM）,thewholedesignconceptiscorrect,acertainlevelofskills,althoughthemodelisthedesign,butcanbeusedforpracticalapplicationandoperation.
Keywords：
ProgrammablelogicControllers,LEDdigitaldisplay,inverter,floorelevator
插图清单
表格清单
第一章电梯系统的控制简介
1.1电梯的简介
自1852年世界上第一台电梯诞生在德国柏林之后，世界电梯工业已经走过了150多年的发展历程。
而中国电梯工业真正的发展，是在1978年改革开放后。
随着现代化城市建设的突飞猛进，电梯已经与人们日常生活建立了十分密切的关系。
根据中国电梯协会统计，2004年底，全国注册在用电梯突破50万台。
尤其是在最近10年中国电梯发展呈现许多新特点。
具体表现在几个方面：
一是数量飞速增长，进口、出口发生逆转，但含金量不高。
10年间，我国电梯产量从1996年以前的2.8万台猛增到2004年的11万台，目前年产量占全球总量的三分之一。
进口产品虽然总量不多，但多为高端产品，出口多为普通产品。
二是安全性能越来越好，有关资料显示，有人员伤亡的电梯事故，2003年53起，2004年26起。
三是与国际水平相比，我国在产品研发投入和技术力量方面仍存在差距。
四是我国电梯行业不是很大，在政策方面给予的限制和引导相对较少，行业发展完全以市场作为调节手段。
无庸讳言，我国已成为世界最大的新装电梯市场和最大的电梯生产国。
尽管从整个行业自主开发能力的角度来讲，我国的技术储备底蕴和持续开发的潜力与国外一些著名电梯企业相比，尚存在一定的差距，但也有抗衡的力量[1]。
1.1.1中国电梯设计与制造新特点
随着计算机技术和电子工业的发展，电梯控制系统普遍应用计算机控制，具有代表性的是通过PLC实现信息传输和交换的控制系统。
电梯主控制系统应用了多个输入输出点的PLC来分别负责电梯的信号管理控制、驱动控制和层站。
使各部件之间的连接线大量减少，系统可靠性更高，功能处理更灵活。
同时，外部逻辑通过组态软件来实现。
缩小了印板的面积，而且提高了电子线路的可靠性。
但是，国内整机厂商能够掌握这类核心技术并实现国产化和产业化的屈指可数。
应用矢量控制的变压变频电机驱动技术在电梯主机及门机控制上都采用了VVVF（交流变频）PWM制式的矢量变换变压变频技术，比传统的调压调速电梯节能至少40%。
特别是在曳引驱动回路中通过交-直-交变频环节中的直流可控，极大地提高了电梯系统负载的功率因数，减少了对电网的污染。
由于国内相当部分厂商快速应对需求较广的小于1000kg、小于1.75m/s的低速乘客电梯或实现功能较简单的载货电梯，所以采用通用变频器作为曳引驱动回路为数不多。
1.1.2PLC与其他电梯控制系统的比较：
以往我们都是用继电器控制电梯的运行，现在我们分析一下它的优点和缺点；
优点：
所有控制功能及信号处理均由硬件实现，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。
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。
早期的国产电梯控制系统中，电梯信号的逻辑控制一般是由继电器电路来实现的。
继电器控制系统故障率高，降低了电梯的运行可靠性与安全性。
传统的继电器控制方式已经被计算机控制方式所代替，其控制方式有：
单片机控制、单板机控制、单微机控制、多微机控制以及可编程序控制器（PLC）控制等多种方式。
其中单片机控制具有成本低，通用性强等优点，但它不适于较复杂的控制算法和故障诊断等要求；微机控制的配件使系统设计和调试更加复杂，它必须具有相应的大型开发系统，无疑会增加电梯的成本，因此对于一个小型的智能电梯控制系统利用PLC进行控制将是一个最佳的选择。
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。
PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道（字）的运算和数据存储，PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
1.2电梯拖动系统及电梯的架构
交流电梯PLC拖动系统主电路及调速装置与继电器控制系统的不同,主要是拖动系统的工作状态及部分反映信号送入PLC,由PLC向拖动系统发出速度指令切换、起动、运行、换速、平层等控制信号。
1.2.1电梯的构造
⑴机房部分：
包括曳引机、限速器、极限开关、控制柜与信号柜、机械选层器以及电源接线板等设备。
⑵井道部分：
包括导轨、对重装置、缓冲器、限速器钢丝绳张紧装置、随行电缆等。
⑶厅门部分：
包括厅门、召唤按钮厢、楼层显示装置等。
⑷轿厢部分：
包括轿厢、安全钳、导靴、自动开门机、平层装置、操纵厢、轿厢内指层灯、轿厢照明等
1.2.2重要安全部件的介绍
电梯轿厢位置检测和电气选层信号由安装在轿厢顶上和各层站的双稳态磁性开关得到，从而摆脱了以往靠继电器和接触开关等有触点器件控制的庞杂线路系统，优化了线路，大大地提高了系统运行的可靠性，同时也便于检修。
⑴限速器与安全钳保护系统：
当发生意外事故时，轿厢超速或高速下滑（如钢丝绳折断，轿顶滑轮脱离，曳引机蜗轮啮合失灵，电机下降转速过高等原因）。
这时，限速器就会紧急制动，通过安全钢索及连杆机构，带动安全钳动作，使轿厢卡在导轨上而不会下落。
⑵轿厢弹簧缓冲装置：
缓冲器是电梯极限位置的安全装置，当电梯因故障，造成轿厢对底层或冲顶时（极限开关保护失效），轿厢或对重撞击弹簧缓冲器，由缓冲器吸收电梯的能量，从而使轿厢或对重安全减速直至停止。
⑶终端极限开关安全保护系统，井道的顶层及底层装有终端极限开关。
当电梯因故障失控，轿厢发生冲顶或蹲底时，终端极限开关切断控制电路，使轿厢停止运行。
⑷门安全触板保护装置：
在轿厢门的边沿上，装有活动的安全触板。
当门在关闭过程中，安全触板与乘客或障碍物相接触时，通过与安全触板相连的联杆，触及装在轿厢门上的微动开关动作，使门重新打开，避免事故发生。
⑸厅门自动闭合装置：
电梯层门的开与关，是通过安装在轿门上的开门刀片来实现的。
每个层门都装有一把门锁。
层门关闭后，门锁的机械锁钩啮合，同时轿门电气连锁触头闭合，电梯控制回路接通，此时电梯才能启动运行。
1.2.3电梯控制系统设计思想
电梯控制是PLC控制的一个典型应用。
下面以五层楼电梯为例,说明利用PLC设计电梯的思想。
首先，要开发一个模拟电梯作为被控对象,该模拟电梯应能满足如下要求:
（1）能够发出PLC所需要的输入信号：
①各楼层电梯到位行程开关模拟信号；
②电梯门开到最大的行程开关模拟信号，电梯门完全关闭的行程开关模拟信号;
③电梯的外部呼叫信号：
一楼上呼叫，二楼上呼叫，二楼下呼叫，三楼上呼叫，三楼下呼叫，四楼上呼叫，四楼下呼叫，五楼下呼叫；
④电梯内部的：
一楼呼叫,二楼呼叫,三楼呼叫,四楼呼叫,五楼呼叫,电梯开门按钮模拟信号，电梯关门按钮模拟信号。
（2）能够接受PLC发出的控制信号并完成相应的动作：
①电梯的上行,电梯的下行,接到“停信号”后停止；
②接到“开门信号”后开门,接到“关门信号”后关门；
③接到某“楼层显示信号”后相应的楼层显示灯亮；
④接到“电梯上行显示信号”后电梯上行显示灯亮,接到“电梯下行显示信号”后电梯下行显示灯亮；
⑤接到某“呼叫保持信号”后相应的呼叫保持灯亮。
（3）模拟电梯能够直观地反映PLC程序运行的结果：
①模拟电梯显示电梯的物理位置，以比较PLC发出的楼层指示信号是否正确；
②模拟电梯显示电梯的运行方向，以比较PLC发出的电梯运行方向指示信号是否正确；
③模拟电梯显示电梯开关门的动作,以配合PLC发出的开关门信号。
（4）模拟电梯是以运行的形式反映PLC程序执行结果的，故模拟应尽可能的逼真,给人身临其境的感觉。
（5）该模拟电梯可实现真实电梯所要求的功能,对PLC编程没有任何的附加限制,用户所编写的程序不同,可实现的电梯运行方式亦不同,即电梯的运行方式只受用户的程序控制,而不受模拟电梯的限制。
该模拟电梯的控制分两部分,一部分是电梯的内部控制,另一部分是电梯的外部控制。
模拟电梯可以满足PLC对控制对象（五层电梯）的所有要求,“用户”可以用手点电梯上的按钮,表示“呼叫”,同时,此呼叫信号发向PLC,PLC接到该信号后,经过控制程序发出控制指令,模拟电梯上的指示灯及楼层指示信号代替真正电梯的机械、显示等动作。
PLC控制电梯系统既克服了继电接触器控制电梯系统工作可靠性差,事故率高的缺点；又克服了单片机控制电梯系统抗干扰能力差的缺点,所以具有广阔的发展前景。
第二章可编程序控制器的选用
2.1S7-200系列可编程序控制器简介
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运行顺序控制、 定时、 计数和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,控制各种机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关外部设备都按易于工业控制系统连成一个整体、 易于扩充其功能的原则设计[3]。
经过对本次设计的内容以及世界众多厂家生产的各型号PLC的对比，决定选用德国西门子生产的S7-200系列的PLC产品。
SIMATICS7-200系列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。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
它工作可靠，功能强，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，抗干扰能力强。
因此，能够满足电梯对电气控制系统的要求。
S7-200系列小型PLC（MicroPLC）可应用于各种自动化系统。
紧凑的结构。
低廉的成本和功能强大的指令集使得S7—200PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。
利用西门子S7—200可编程序控制器编写一个五层电梯的控制系统。
分别完成轿内指令、厅外召唤指令、楼层位置指示、平层换速控制、开门控制等控制任务。
2.1.1S7-200可编程控制器的系统配置
S7-200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。
S7--200既可以安装在控制柜背板上，也可以安装在标准导轨上。
I/O接线端子排，输出LED指示；前盖：
模式选择开关（RUN/STOP）；模拟电位器；扩展端口（适用大部分CPU）状态LED：
系统错误/诊断（SF/DIAG）；RUN（运行）；STOP（停止）可选卡插槽：
存储卡；时钟卡；电池卡通讯口，输入LED指示，扩展电缆等
2.1.2S7-200系列PLC软件
STEP7-Micro／Win4.0是S7-200系列的PLC的编程软件．可以对S7—200的所有功能进行编程。
该软件在Windows平台上运行。
基本操作与omce等标准Windows软件相类似，简单、易学。
其基本功能是协助用户完成应用软件任务。
例如创建用户程序、修改和编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。
还可以直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控。
相比STEP7V5.3软件来说，Step7-Micro/Win4.0要简单得多，没有硬件态功能，所有的硬件I/O地址都由模块物理位置确定的，从CPU模块开始，依次往后面排列。
以下是Step7-Micro/Win4.0的控制界面，整个界面简单明了，操作简单；
开关量输入/输出地址，分别表示为I和Q，从I0.0或Q0.0开始一直往下排，
I、Q使用的是不同的地址空间，可以相同，如I3.2和Q3.2同时出现是允许的;
模拟量输入/输出地址，分别表示为AIW和AQW，从AIW0或AQW0开始一直往后排，模拟量输入/输出的地址都是16位的字，所以对于AI来说，排列的顺序应该是AIW0、AIW2、AIW4……，模拟量输出也是如此。
图2-1Step7-Micro/Win4.0的控制界面
内存地址（M）：
这些地址都存放在CPU的内存中，一般情况下，断电后保存在M中的数据会丢失，但在CPU的系统参数中可以将部分M设置成保存，这样在重新上电后，数据可以恢复
M地址支持位操作（如M3.2）、字节操作（如MB4）、字操作（如MW6）、双字操作（如MD0）。
S7-200PLC中的M地址用法与S7-300/400PLC中的一样。
另外，系统中还有一些特殊的M地址，用在中断、通讯等专用功能上，如后面程序中用到的SM0.0、SM0.1、SMB47等。
存储数据区（V）：
V数据是可以断电保存，相当于S7-300/400PLC的DB，但比DB的用法要简单，在200PLC的CPU中只有一个连续的V地址空间，使用前也不必要定义。
同M地址一样，V地址也支持位操作（如V3.2）、字节操作（如VB4）、字操作（如VW6）、双字操作（如VD0）。
定时器/计数器地址：
在S7-200PLC中，各个定时器的时间分辨率是不一样的，同样是200，在T0中表示200MS，而在T5中则表示20S。
保持定时器的地址（如表1-1）所示。
（表2-1）持定时器地址
分辨率
最大值
定时器号
1MS
32.767s
T0，T32，T64，T96
10Ms
327.67s
T1-T4，T65-T68，T33-T36，T97-T100
100MS
3276.7s
T5-T31,T69-T95，T37-T63,T101-T255
S7-200系列PLC的主要特点
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU，集成的24V负载电源：
可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU221，222具有180mA输出，CPU224，CPU226分别输出280，400mA。
可用作负载电源。
CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点。
CPU226具有24个输入点和16个输出点。
中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
CPU224/2266个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。
脉冲输出2路高频率脉冲输出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。
2.1.3电梯PLC控制系统
S7—200系列可编程控制器是德国西门子公司的一种小型可编程控制器。
它抗干扰能力强，可靠性高，控制系统结构简单，通用性强，编程方便，易于使用，输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈。
因此，能够满足电梯对电气控制系统的要求。
由于PLC在使用时应当空出三分之一的口线，不应全部用满，所以在这次设计中我决定采用CPU226，现在简单的介绍一下CPU226：
型号CPU226DC/DC/DC6ES7216-1AD21-0XB0，本机数字输入24路数字量输入，本机数字输出16路数字量输出，开关频率（脉冲串输出）Q0.0和Q0.1，20kHz，最大。
在CPU226上有两个通讯口，一个是RS485通讯口（P0），另一个（P1）用来和计算机或编程器通讯，通讯协议是PPI。
本PLC集成24输入16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，两路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器，1个RS-485通讯/编程口。
是具有较强控制能力的控制器。
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，输出点的需求量和控制过程的难易程度。
本系统为五层楼的交流电梯,所以I/O点与存储容量的估算如下：
（1）I/O点的估算：
系统的输入点有：
门厅召唤按钮8个输入点；轿厢内指令按钮共5个点；楼层感应器共5个点；轿厢开门/关门按钮2个点；手动控制开关1个点；手动开门/关门按钮2个点；开门/关门限位开关2个点；下基准限位1个点；轿厢安全开关1个点；共27个输入点。
而输出点有：
楼层内呼指示灯5个点；门厅外指示灯8个点；上/下指示灯2个点；共15个输出点。
总计I/O点数为27/15。
可编程控制器S7—200的CPU226输入，输出点数为24/16。
需要扩展一块EM223,DI16/DO16.
（2）存储容量的估算：
用户程序占用内存的多少与多种因素有关。
例如:
输入/输出点的数量、类型、输入/输出之间的关系的复杂程度、需要进行运算处理的难易程度、程序结构等都与内存容量有关。
因此,在用户程序调试好之前很难估算内存容量。
一般只能根据I/O点数与类型、控制的繁简程度加以估算。
考虑备用与计算机接口通讯所占用的内存容量,估算本系统要有1K字节以上的内存容量。
可编程控制器:
根据I/O点数与内存容量,选用西门子公司生产的S7-200系列产品6ES7226-ZBD00-0XB0可编程控制器。
它的主要技术数据:
输入/输出点数为24/16,程序存储器容量为8K/可存放4K标准语句;数据存储器2.5K;位存储器256（0255）;计数器256个;定时器256个,其标准定时为1ms-30s,10ms-5min,100ms-54min;有二个RS-485通讯接口。
因此,它完全能够满足本电气控制系统的要求。
由于它所使用的中央处理单元为CPU226。
2.2PLC控制的流程图及硬件结构图
电梯控制系统硬件结构框如图2-2所示。
S7-200
226
PLC
控
制
器
图2-2电梯控制系统硬件结构框
PLC控制的流程图如图2-3所示：
（1）电梯复位程序段
此段程序有两个功能：
一个是在系统上电以后，把轿厢的位置恢复到第一层的状态；
（2）用户输入程序段
用户的输入包括门厅的按钮和轿厢内的按钮，拥护输入程序段完成在用户输入以后，马上保持用户选择的状态，以便后面的程序判断。
（3）轿厢开关门程序段
控制轿厢的开关门，修改开关门的状态逻辑线圈，包括关门延时。
（4）设定上行目标
此段程序是用来上行过程中的下一个目标，只有在上行以及电梯空闲时才会调用，如果没有下一个目标，电梯为空闲。
（5）设定下行目标
此段程序是用来上行过程中的下一个目标，只有在下行以及电梯空闲时才会调用，如果没有下一个目标，电梯为空闲
（6）行上行程序
此段程序包括控制电梯上行，检测是否应
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