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电梯PLC控制系统论文正文结论参考文献
1概述
1.1电梯的起源与发展
电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。
多层厂房和多层仓
库需要有货梯；高层住宅需要有住宅电梯；百货大楼和宾馆需要有客梯、自动扶梯……在现代社会，电梯已像汽车、飞机一样，成为了人类不可缺少的交通运输工具。
据估计，目前全球在用电梯已超过635万台，其中垂直电梯约610万台，自动扶梯和自动人行道约25万台。
电梯已成为人类现代生活中使用最广泛的交通运输工具。
电梯，
为人们快捷高效舒适的现代化生活提供了保障，没有了电梯，现代化的楼宇将陷于瘫痪。
当今世界，电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。
追溯电梯的起源，在我国及国外都能找到其雏形。
如我国公元前1700多年出现的桔槔，是一种用于提水的升降装置。
公元前1100多年出现的辘轳，是一种用于提
水或升举重物的升降装置。
在古代希腊，于公元前236年出现的阿基米德绞车，是一种升举重物的升降装置。
它们的共同特点是都是由支架、卷筒、绳索、摇杆、盛物装置几部分组成的最原始、最简单的升降机械，由木（竹）材料制成，靠人力或畜力驱动在很低速度下运行⑴［2］。
自1889年美国奥的斯升降机公司推出世界上第一部以直流电动机为动力的升降机以来，电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程，逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。
如今电梯已成为人们进出高层建筑不
可或缺的代步工具；而且作为载人工具，人们对电梯在运行时的平稳性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能提出了更高的要求。
由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、一旦完成不易更改等缺点，所以需要开发一种安全、高效的控制方式。
可编程控制器（以下简称PLC既保留了继电器控制
系统的简单易懂，而且具备控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口连接、维修方便等诸多高品质性能。
因此，PLC在电梯控制领域得到了广
泛而深入的应用［1］［3］。
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC在工业控制领域内得到十分广泛地应用。
PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出,
完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一
1.2电梯硬件分析
1.2.1电梯的组成
电梯结构示意图如图1-1表示。
图1-1电梯结构示意图
（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
重量平衡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。
重量平衡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。
由限速器、安全钳、缓冲器、端站保护装置组成[4][5]0
1.2.2电梯工作原理
曳引绳两端分别连着轿厢和对重（又称配重），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[4][5]0
1.3PLC介绍
1.3.1PLC的发展
第一台PLC的设计规范是美国通用公司提出的。
当时的目的是要求设计一种新的
控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。
这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC于1969年研制成第一台PLC型号为PDP-14,投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。
第一台PLC具有模块化、可扩充、可重复编程及用于工业环境的特性。
这些控制器易于安装，占用空间小，可重复使用。
尽管控制器编程有些琐碎，但它具有公共的工厂标准一一梯形图编程语言，这样使得不熟悉计算机的人也能方便的使用它。
在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。
到70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。
70年代中期，由于大规模集成电路的出现，8位微处理器问世，并得到大规模应用，促使可编程控制技术产生了飞跃发展。
在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、闭环控制、提高了运算速度，扩大了输入输出规模。
在这个时期，日本、（原）
西德和法国相继研制出了自己的PLC我国在1974年也开始研制自己的PLC设备。
70年代后期由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高性能方向发展，形成了多种系列化产品。
这时面向工程技术人员的编程语言发展日益成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。
在功能上，PLC可以代替某些模拟控制装置和小型机DDC系统。
进入八九十年代后，PLC的软硬件功能得到进一步加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度生产，并可诊断自身故障及机器故障。
这些改进使PLC符合了今天对高质量高产出的要求。
尽管PLC功能越来越强，但它仍然保留了先前的简单与易于使用的特点⑹⑺⑹（PLC实物图1-2）。
1.3.2PLC的用途
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。
但近年来由于微处理器芯片及其有关元件价格下降,大大降低了PLC的制造成本,同时又由于PLC功能显著增强,使PLC的应用越来越广泛。
图1-2西门子、欧姆龙、三菱PLC实物图
PLC的应用通常有以下五种类型：
（1）顺序控制
这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。
PLC可应用于单
机控制、多机群控、生产自动线控制等。
如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。
（2）运动控制
PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。
在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版，其输出移动一轴或数轴到目标位置。
每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。
相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC装置体积更小，价格更低，
速度更快，操作方便。
（3）闭环过程控制
PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。
PID（Proportional
IntegralDerivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。
当过程控制中某一个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。
（4）数据处理
在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC设备紧
密结合的趋向。
著名的日本FANU（公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。
为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。
通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。
美
国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLG预计今后几年CNC
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系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统
（5）通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA系统、柔性制造系统（FMS及集散控制系统（DCS等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。
作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且
要考虑出现停电故障时的对策[9][10][11]。
1.3.3PLC的特点
（1）可靠性强
PLC是为在工业环境的恶劣条件下应用而设计的，一个设计良好的PLC能置于有
很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。
由于PLC本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的
部件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上。
（2）编程简单，使用方便
用微机实现自动控制，常需要使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。
PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。
例如，目前打多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平，很容易被电气技术人员所
接受，易于编程，程序改变时也容易修改，灵活方便。
（3）接线简单，通用性好
PLC的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与PLC输出端子连接。
接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。
（4）可连接为控制网络系统
PLC可连成功能很强的网络系统。
网络可分为两类：
一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M—10Mbps网上结点可达1024个。
这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的PLC和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。
（5）易于安装，便于维护
PLC安装简单而且功能强大，其相对较小的体积使之能安装在通常继电器控制箱
所需空间一半的地方，在从继电器系统改换到PLC系统的情况下，PLC较小的模块结
构使之能安装在继电器附近并将连线接向已有接线端。
其实改换很方便，只要将输入
/输出设备连向接线端即可。
在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。
长距离站通过同轴电缆或双扭线连向CPU这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。
从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。
由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，用于指示其是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF还可写编程指令来报告故障。
PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。
一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，像其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性［12］［14］。
1.3.4PLC的工作原理
PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式。
PLC则采用循环扫描工作方式。
在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。
如此周而不断循环。
每一个循环称为一个扫描周期。
一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执
行指令两个阶段。
所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。
这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O（输出）刷新”。
由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出对输入产生了响应。
反之，若在本次I/O刷新之后，
输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。
由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。
扫描周期的长短主要受PLC的运算速度，程序长度和每条指令占用时间长短影响［12］。
1.3.5PLC的编程语言
PLC提供了较完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。
利用编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬件接线线
路，这就是所谓的“可编程序”。
程序由编程器送到PLC内部的存储器中，它也能方
便地读出、检查与修改。
PLC提供的编程语言通常有三种：
梯形图、功能图、及布尔逻辑编程。
梯形图（LadderProgramming）是应用最广的，梯形图编程有时称为继电器梯形图逻辑图编程。
它使用的最广是因为它和以往的继电器控制线路很接近。
梯形图是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的，它与电气操作原理相呼应。
它的最大优点是形象、直观和实用，为广大电气技术人员所熟知。
PLC的梯
形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。
PLC的梯形图使用的内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的，其主要特点为使用方便、修改灵活。
功能图编程（FunctionChartProgramming）是一种较新的编程方法。
它的作用是使用功能图来表达一个顺序控制过程。
布尔逻辑编程（BooleanLogicProgramming）包括“与”（AND、或（OR）、非（NOT）以及定时器、计数器、触发器等。
就是大家所熟知的指令表程序。
每一种编程方法都有它的优点和缺点，根据每一种特殊的控制要求，根据编程者的熟练程度正确合理应用编程方法［16］。
1.4PLC控制系统设计思路
1.4.1总体设计流程
本设计以PLC作为工具对四层电梯的各种操作进行控制。
PLC控制系统设计一般分为以下步骤：
（1、熟悉被控对象（本设计的被控对象为四层电梯），制定控制方案
（2）确定I/O点数
（3）选择PLC机型
（4）选择输入、输出设备，分配PLC的I/O地址
（5）程序设计（包括梯形图的绘制）
（6）系统调试
（7）编制相关技术文件
系统总体流程设计如图1-3所示：
图1-3总体流程设计
o品°
图2-1电梯运动流程图
2硬件设计
2.1控制要求分析
所设计的电梯模型共有四层。
电梯的每一层面均有升降及轿厢所在楼层的指示灯显示；1-4所对应的指示灯表示楼层号，每层的楼厅均有输入（分上行和下行）按钮召唤电梯。
工作中的电梯主要对各种呼梯信号和当时的运行状态进行综合分析，再确定下一个工作状态，为此它要求具有自动选向，顺向截梯、反向保号，外呼记忆，自动开/关门，停梯消号，自动达层等功能。
分析以上控制要求，将电梯控制要实现的功能罗列如下：
（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，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呼梯响应功能。
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）电梯具有同向截车功能。
（7）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，按开门按钮可使电梯门打开，按关门按钮可使电梯门关闭。
综上所述，绘制电梯运动流程图，如图2-1。
2.2PLC选型
2.2.1PLC控制系统的I/O点数计算
根据电梯控制的特点，输入信号应该包括以下几个部分：
（1）轿箱内及各层门厅外呼按钮
主要是轿厢内的楼层选择数字键1〜4,各层门厅外呼按钮，除一层只设置上升按
钮，四层只设置下降按钮外，其他层均设置上升和下降两个按钮。
一共需要10个输入。
（2）位置信号
位置信号由安装于各楼层的电梯停靠位置的4个传感器产生。
平时为常开，当电
梯运行到平层时关闭。
另外还有一组开关门限位。
所以位置信号一共需要6个输入。
（3）电梯门控制信号
大部分电梯都具有开门按钮以及关门按钮，以方便手动开关门。
一共需要2个输
入。
综上所述，共需要输入点18个。
输出信号应该包括：
（1）内呼指示信号
内呼指示信号有四个，分别用来表示1〜4层的内呼被接受，并在内呼指令完成后，信号消失。
（2）外呼指示信号
外呼指示信号共有六个，分别用来表示1〜4层楼层外呼的指令被接受，并在外呼指令完成后，信号消失
（3）电梯轿厢上下行，电梯上下行指示信号，共四个
（4）门电机开关指示，共需两个输出点
综上所述，共需要输出点16个。
2.2.2PLC的型号选择
综合输入输出点的计算以及要实现的电梯控制功能，机器人实验室现有的欧姆龙
C200H型号的PLC完全能实现设计要求。
因为C200H型号的PLC是一款面对大中型工业应用的PLC，输入输出点，内存容量以及响应时间均符合条件。
并且，欧姆龙PLC具有
稳定性高，功能强大，环境适应性强，编程软件简单完善，价格适中等优点。
2.3输入输出设备选择以及I/O地址分配
2.3.1输入输出设备选择
如前所述，输入点数为18个，因此选择输入单元为：
C200H-ID501（32点）。
其特
性见表2-1:
表2-1C200H-ID501（32点）特性表
输入额定电压
5VDC
输入工作电压
4.5—5.5VDC
输入阻抗
1.1kQ
输入电流
3.5mA（5VDC）
ON电压
3.0VDCmin
OFF电压
1.0VDCmax
ON向应时间
2.5ms/15msmax（可切换；24VDC,25C）
OFF向应时间
2.5ms/15msmax（可切换；24VDC,25C）
回路数
4（8点/公共端）
高速输入
8点（设置时，在连接器2上端子08-15）
脉冲宽度：
1ms/4msmin（可切换）
内部电流消耗
130mA,5VDCmax
重量
300gmax
尺寸
130X34.5X100.5mm（HXWD）
由表2-1可知，ID501最大能提供32个输入点，而所设计系统需要18个输入点，因
此ID501完全能满足设计要求。
同样的，选择C200H-0D501（32点）作为输出单元。
其特性如表2-2所示:
表2-2C200H-0D501（32点）特性表
最大通断能力
5VDC35mA（280m公共端，1.12A/单元
输入电阻21kQ
最小通断能力
无
漏电流
0.1mAmax
残余电压
0.4Vmax
ON向应时间
0.2msmax
OFF向应时间
0.3msmax
回路数
4（8点/公共端）
内部电流消耗
220mA5VDCmax
熔丝
4（1个/公共端：
用户不能更换熔丝）
外部电源功率
39mA5VDCmin（1.2mAX输出接通点数）
重量
300gmax
尺寸
130X34.5X100.5mm（HXWXD）
2.3.2I/O地址分配
ID501（32点）的端子接线图如图2-2所示
图2-2ID501（32点）端子接线图
因为有18个输入点，CN只能有16个输入，所以需要动用两个通道，并且I/O地址n（或者n+1）由单元号决定，也就是PLCh拨盘的数字。
对于ID501（32点）：
（1）单元号0—9:
n=IR100+10X单元号
（2）单元号A—F:
n=IR100+10X（单元号-A）
假设单元号为1,则输入为从n=IR100+10开始的16个数以及n+1开始的2个数。
即
输入地址为110.00〜110.15,111.00,111.01。
OD501（32点）的端子接线图如图2-3所示。
图2-3OD501（32点）端子接线图
输出总共要分配16个点，只用一个通道即可满足要求。
同样I/O地址n由单元号决定［17］。
且n=IR100+10X单元号，假设单元号为2,使用CN通道，则输出地址为从n=（IR100+10X2）+1开始的16个数，分别为121.00〜121.15。
综上所述，归纳出I/O地址分配表，见表2-3
表2-3输入输出点地址分配表
输入点名称
输入点地址
输出点名称
输出点地址
一层内呼
110.00
一层内呼指示
121.00
二层内呼
110.01
二层内呼指示
121.01
三层内呼
110.02
三层内呼指示
121.02
四层内呼
110.03
四层内呼指示
121.03
一层外呼上
110.04
一层外呼上指示
121.04
二层外呼下
110.05
二层外呼下指示
121.05
二层外呼上
110.06
二层外呼上指示
121.06
三层外呼下
110.07
三层外呼下指示
121.07
三层外呼上
110.08
三层外呼上指示
121.08
四层外呼下
110.09
四层外呼下指示
121.09
开门按钮
110.10
电梯上行指示
121.10
关门按钮
110.11
电梯下行指示
121.11
一层平层
110.12
门电机开门
121.12
二层平层
110.13
门电机关门
121.13
三层平层
110.14
电梯轿厢上行
121.14
四层平层
110.15
电梯轿厢下行
121.15
开门限位
111.00
关门限位
111.01
3软件设计
3.1梯形图绘制
由图2-1，电梯运动流程图可以看出，电梯的运动中要关注的最重要的部分是:
开关轿厢门的控制，电梯的自动选向，轿厢内呼和楼层外呼指示。
将各部分分为单独的模块分别编程，绘制梯形图，不仅条理清
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