艳艳四层电梯的PLC控制.docx
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艳艳四层电梯的PLC控制
济源职业技术学院
毕业设计
设计任务书
设计题目：
四层电梯的PLC控制
设计要求：
1.若电梯在任意楼层，当有外呼或内呼信号发出时，系统根据行程开关的开闭合状态判断电梯所在楼层位置，然后电梯响应该呼叫信号，做出相应的上升下降指令。
例如：
四楼行程开关闭合，则电梯现在所处楼层为四层。
2.当有多个信号同时发出时，电梯根据楼层处在位置，先响应就近楼层呼叫指令，然后在响应其它指令。
例如：
电梯在一层，二楼三楼四楼有信号同时呼叫，电梯先到达二楼再执行三楼指令，最后执行四楼指令。
3.当电梯到达楼层后系统开始延时3秒自动开门，也可在延时未到时按手动开门。
在开门后系统开始延时，延时3秒后自动关门，也可在延时未到是手动关门。
4.系统应设置乘客进入电梯时的保护系统。
5.各楼层运行时间应在15秒以内，否则认为有故障。
6.乘客在选层时相应的外呼、内呼指示灯要亮，同时电梯在上升或下降时上升下降指示灯要亮起。
设计进度要求：
第一周确定题目,查阅资料
第二周根据设计要求分析四层电梯的工作原理
第三、四周对硬件进行设计
第五、六周对软件进行设计
第七周进行调试,找出问题,改进设计
第八周撰写论文,准备答辩
指导教师（签名）：
摘 要
随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入一个崭新的时代，其应用也越来越广。
而电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，与人们的生活紧密相关，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控制代替了原来的继电器控制。
本次设计主要简单介绍四层电梯的结构、工作原理和设计过程以及程序的简单编制,并且以梯形图的方式介绍四层电梯的控制。
其中包括曳引机推动部分和电梯开关门控制部分、乘客安全保护等部分。
综合的阐述了利用PLC技术控制电梯升降的优点。
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。
通过对这次四层电梯的设计，我们还可以发现利用PLC控制电梯升降具有安全可靠性高、操作简单方便、运行稳定可靠、价格低廉、使用维修方便、抗干扰性强等优点。
而且相对于其它种类控制器对电梯的设计更加简洁方便层次感更强，更利于我们的设计，缩短设计周期。
如这次设计首先对电梯的机构原理进行分析；然后根据分析确定设计的输入、输出点数；最后利用输入、输出点数确定I/O接线图、程序流程图和梯形图。
因此利用PLC控制电梯不仅可以对原有的电梯系统进行设计改造，而且还可以增加电梯的运行可靠性和舒适度等，对电梯在以后的大规模应用和发展将具有深远的影响。
关键词：
PLC，电梯，自动控制，梯形图
目 录
摘 要II
1可编程控制器控制电梯的意义1
1.1可编程控制器控制电梯的背景1
1.2可编程控制器控制电梯的优点2
2可编程控制器概述3
2.1可编程控制器的发展历程3
2.2可编程控制器的特点4
2.3可编程控制器的工作原理5
2.4可编程控制器的的语言6
3电梯控制系统的总体设计7
3.1电梯的组成部分7
3.2电梯控制系统的要求7
3.3电梯系统控制框图8
4可编程控制器的选型9
4.1可编程控制器机型的确定9
4.2可编程控制器CPU的选择9
4.3可编程控制器输入输出点数的估算10
5硬件设计12
5.1电梯硬件部分设计原则12
5.2电梯硬件系统的组成部分12
5.3电梯控制系统的输入输出分配12
5.4电梯控制系统硬件结构图14
5.5I/O接线图15
6软件设计16
6.1程序流程图16
6.2四层电梯系统升降控制及逻辑分析18
6.3程序梯形图19
7总结25
致 谢26
参考文献27
1可编程控制器控制电梯的意义
1.1可编程控制器控制电梯的背景
随着科学技术的发展近年来，我国的电梯生产技术得到迅速发展，一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺，更新换代生产更新型的电梯。
由于电梯主要分为机械系统与控制系统两大部分，随着自动控制理论与微电子技术的发展，电梯的拖动方式与控制手段均发生了很大的变化，交流调速是当前电梯拖动的主要发展方向。
目前电梯控制系统主要有三种控制方式：
继电器控制系统（早期安装的电梯多为继电器控制系统）、PLC控制系统、微机控制系统。
继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。
微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握维修技术等缺陷。
而PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电的技术改造。
目前国内安装的电梯许多是用继电器接触器控制系统，线路复杂、接线多、故障率高、维修保养难，许多以处于闲置状态，其系统多采用交流双速电机系统调速，效率低，调速性指标差，严重影响电梯运行质量。
由于这些电梯采用交流调压调速系统，且交流调压调速系统属能耗低调速的机械，为节约资金大部分老式电梯用户希望对电梯的电气控制系统进行改造，提高电梯的运行性能。
因此对电梯控制技术进行研究，寻找合适我国老式电梯的改造方法，提高电梯的运行性能十分重要。
进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。
可编程序控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。
鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。
同时，由于电机交流变频调速技术的发展电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。
因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行业的一个热点。
由于PLC是一种用于自动化控制的专用计算机，所以PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。
因此发展PLC控制电梯技术已经成为一种必然，由于它具有的良好特点，不仅使用方便、易于维护、并且安全可靠、价格便宜，而且随着现代建筑的发展，日益增高的高层建筑已成为现代都市的重要标志，作为高层建筑的垂直运载工具，电梯一定会得到快速发展。
1.2可编程控制器控制电梯的优点
S7—200系列可编程控制器是德国西门子公司研制的一种新型可编程控制器。
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。
且西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。
S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
这里我们采用S7-200系列，S7-200系列PLC具有可靠性高、运算速度快、产品成本低等优点。
2可编程控制器概述
2.1可编程控制器的发展历程
20世纪是人类科学技术迅猛发展的一个世纪，电器控制技术也有继电器控制过渡到计算机控制系统。
各种工业计算机控制产品的出现，对提高机械设备自动控制性能起到关键的作用。
进入21世纪，各种自动控制产品在向着控制可靠，操作简单，通用性强，价格低廉的方向发展，使自动控制的实现越来越容易。
自动控制装置的研究，是为了最大限度的满足人们及机械设备的要求。
曾一度在控制领域占领主导地位的继电器控制系统，存在着控制能力弱，可靠性低的缺点，并且设备的固定接线控制装置不利于产品的更新换代。
20世纪60年代末期，在技术改造的浪潮的冲击下，为使汽车结构及外型不断改进，产品不断增加，需要经常变更产品工艺，希望在控制成本的前提下，尽可能缩短产品的更新换代周期，以满足产品的需求，是企业在激烈的市场竟争中取胜。
美国通用汽车公司（GM）1986年提出了汽车装配生产改造项目控制器的十项要求，即新一代控制器应具备的10项指标：
（1）编程简单，可在现场维修和调试；
（2）维护方便，采用插入式模块机构；
（3）可靠性高于继电器控制；
（4）体积小于继电器控制柜；
（5）能与管理中心计算机系统进行通信；
（6）成本可与继电器控制相竞争；
（7）输入量是115V交流电压（美国电网电压110）；
（8）输出量为115V输出电流在2A以上，能直接驱动电磁阀；
（9）系统扩展时，原系统只需做很小改动；
（10）用户程序存储器至少4KB。
1969年，美国数字设备公司（DEC），首先研究制造出第一台符合要求的控制器，即可编程控制器，并在美国CE公司的汽车自动装置上试用成功。
其后，这项技术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到全球。
我国从1976年开始研制，1977年应用于工业控制。
目前世界上以有数百家厂商生产可编程控制器，型号多达数百种。
20世纪70年代，随着电子技术的发展，可编程控制器采用通用微处理器之后，就不止限于当初的逻辑运算了，功能在不断的增强。
进入80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、性能、设计、价格比及应用等方面都有了新的突破。
不仅控制功能增强，能耗、体积减小、成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，已经使PLC向连续控制过程发展，成为实现工业自动化的一大技术支柱。
2.2可编程控制器的特点
（1）软硬件功能强
PLC的功能非常强大，其内部具备很多功能，如时序、计数器、主控继电器、移位寄存器及中间寄存器等，能够方便的实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等功能。
PLC不仅可进行逻辑运算、算术运算、数据转换以及输出系统。
还可以实现运算、显示、监控、打印及报表生成等功能，并具有完善的输入、输出系统。
PLC能够适应各种形式的开关量和模拟量的输入、输出控制，还可以与其他计算机系统、控制设备共同组成分布式控制系统，实现数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。
PLC的编程语言丰富，可分为梯形图、语句表、功能块等语言，且语言直观、方便，只要有了通常的继电接触器电路图、逻辑图方程，就等于有了PLC系统的用户程序，很适合电器工程技术人员使用。
（2）使用维护方便
PLC不需要像计算机控制那样在输入、输出接口上做大量的工作。
PLC的输入、输出接口是已经按不同需求做好的，可直接与控制现场的设备连接的接口。
如输入接口可以与各种开关、传感器连接；输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等连接。
不论是输入接口或输出接口，使用都很简单。
PLC具有很强的监控功能，利用编程器、监控器等人机界面可对PLC的运行状态进行监控。
（3）运行稳定可靠
由于PLC采用了微电子技术，大量的开关动作有无触点的半导体电路来完成，同时还采用了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施，所以其平均无故障时间在2万小时以上。
特别是在制造工艺上加强了抗干扰措施，例如输入、输出都采用了光电隔离，能有效的隔离PLC内部电路与输入、输出电路之间的联系，从而避免了有输入、输出通道串通的信号干扰引起的误操作。
PLC还采用了屏蔽输入延时等措施，有效的防止了空间电磁干扰，特别对高频传导干扰信号具有良好的抑制作用。
所有这一切措施，都有效的保证PLC在恶劣的工作环境下能正常稳定的运行。
（4）组成灵活
可编程控制器品种很多。
小型PLC采用整体结构，并可外接I/O口扩展机箱构成PLC控制系统。
中大型PLC采用分体模块式结构，设有各种专用功能模块共选用和组合，有各种模块组成大小和要求不同的控制系统。
外部控制电路虽然仍为硬接线系统，但当受控对象要求改变时，可以在线使用编程器修改用户来满足新的控制要求，最大限度的缩短了工艺更新所需要的时间。
2.3可编程控制器的工作原理
众所周知，继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，采用的工作方式为并行工作方式，而可编程控制器是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，但CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各点起的动作，所以它属于串行工作方式。
PLC系统内部的工作原理可分为5个步序：
内部处理、通讯服务、输入处理、程序执行、输出处理。
PLC的工作模式分为运行模式（RUN）与停止模式（STOP）两种。
当PLC处于RUN模式时，PLC按步序从内部处理开始，到输出处理结束一个执行周期，一个执行周期结束后，将立即开始下一个周期的执行，即返回到第一个步序内部处理，如此一直循环下去；当PLC处于STOP模式时，PLC按步序从内部处理开始，只执行前两个步序，即到通讯服务结束一个执行周期。
PLC的这种运行方式称为循环扫描方式，而每执行一个执行周期所需时间称为循环扫描时间或扫描周期。
概括而言，PLC的工作方式如图2.1所示是一个不断循环的顺序扫描工作方式。
CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。
PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。
输出刷新
程序执行
输出采样
通信操作
内部处理
图2.1可编程控制器的工作方式
2.4可编程控制器的的语言
S7-200系统PLC支持SIMATIC和IEC1131-3两种基本类型的指令集，编程时可任意选则。
SIMATIC指令集是西门子公司PLC专用的指令集，具有专用性强，执行速度快等优点，可提供LAD、STL、FBD等多种编程语言。
PLC提供的编程语言通常由三种：
梯形图、语句表、功能块等。
梯形图（LAD）编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。
PLC梯形图与电气控制系统梯形图基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。
PLC的梯形图使用的时内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的。
梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。
语句表（STL）编程语言类似于计算机中的助记符语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。
所谓语句表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。
功能块（FBD）是利用逻辑门图形组成功能块图指令系统，功能块指令由输入、输出段及逻辑关系函数组成。
3电梯控制系统的总体设计
3.1电梯的组成部分
（1）曳引系统
曳引系统有曳引机、曳引钢丝绳、导向轮以及反应轮等组成。
曳引机有电动机、联轴器、制动器、减速箱等组成，它是电梯的动力源。
（2）导向系统
导向系统的作用是限制轿厢和对重间的活动自由度，使轿厢和对重间只能够沿着导轨作升降运动。
（3）门系统
门系统由厢门、层门、开门机、联动机构等组成。
（4）轿厢
轿厢是用以运送乘客或货物的电梯组件。
（5）电力拖动系统
电力拖动系统有曳引机和供电系统、速度反馈系统、调速设备系统等组成，它的作用是对电梯实行速度控制。
（6）电气控制系统
电气控制系统由操纵装置、控制屏、平层装置、选层器等组成，它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。
（7）保护系统
保护系统包括机械和电气的各类保护系统，可以保护电梯安全使用。
3.2电梯控制系统的要求
（1）电梯上行设计要求：
1）当电梯停于1F或2F，3F、4F呼叫时，则上行到4F后停；
2）电梯停于1F或2F，3F呼叫时，则上行，到3F停；
3）电梯停于1F，2F呼叫时，上行到2F停；
4）电梯停于1F，2F、3F同时呼叫，电梯上行到2F，停5秒，继续上行到3F停；
5）电梯停于1F，3F、4F同时呼叫，电梯上行到3F，停5秒，继续上行到4F
停；
6）电梯停于1F，2F、4F同时呼叫，电梯上行到2F，停5秒，继续上行到4F停；
7）电梯停于1F，2F、3F、4F同时呼叫，电梯上行到2F，停5秒，继续上行到
3F，停5秒，继续上行到4F停。
（2）电梯下行设计要求：
1）电梯停于4F或3F或2F，1F呼叫，电梯下行到1F停；
2）电梯停止4F或3F，2F呼叫，电梯下行到2F停；
3）电梯停于4F，3F呼叫，电梯下行到3F停；
4）电梯停于4F，3F、2F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到2F停；
5）电梯停于4F，3F、2F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到1F停；
6）电梯停于4F，3F、2F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到2F停，继续下行到1F停；
7）电梯停止于4F，3F、2F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到2F，停5秒，继续下行到1F停。
（3）各楼层运行时间应在15秒以内，否则认为有故障；
（4）应有保护乘客人身安全的延时系统；
（5）电梯上、下行时，相应的标志灯亮。
3.3电梯系统控制框图
PLC控制升降电梯控制系统的组成有核心控制元件PLC、电机、交流接触器、开关、按钮、指示灯、红外传感器等元部件组成。
因此电梯系统控制框图如图3.1所示：
红外传感
电梯关门
电梯下降
电梯上升
电梯开门
开关门按钮
楼层内呼叫按钮
楼层外呼叫按钮
楼层显示
CPU226
图3.1电梯系统控制框图
4可编程控制器的选型
4.1可编程控制器机型的确定
选择PLC的机型时应考虑厂家、性能结构、I/O点数、存储容量、特殊功能等方面。
目前国内外生产PLC的厂家很多，品牌很多。
具体机型可以根据系统的控制要求，产品的性能技术指标和用户使用要求加以选择。
但在选择过程中应注意：
CPU功能要强、结构要合理、I/O控制规模要适当；输入、输出功能级、及负载能力要匹配以及对通信、系统响应速度的要求。
还要考虑电源的匹配等问题。
输入、输出点数多少是选择PLC规模大小的依据。
如果是单机自动化或机电一体化产品可选用小型机；若控制系统较大，输入、输出点数较多，控制要求比较复杂，则可选用中或大型机。
在选择PLCI/O点数的同时，还要考虑用户存储的存储容量。
一般厂家提供1KW、2KW、4KW、8KW、13KW、16KW、26KW等容量的存储器，选择的方法主要是根据经验估算。
常用估算方法是PLC内存容量要等于I/O点数的10～15倍。
对于以开关量控制为主的系统，PLC响应时间无须考虑。
一般的机型都能满足要求。
对于有模拟量控制的系统，特别是闭环控制系统，则要注意PLC响应时间，根据控制的时时性要求，选择合适的高速PLC。
有时也可选用快速影响模块和中断输入模块来提高响应速度。
因此，考虑到上面介绍的要求，以及S7-200系列的优点（体积小；功能强；使用方便；提供多种系列户选用；灵活多变的系统设置；使用维护方便；结构简单；软硬件功能强等）。
因此我们选择的机型是西门子S7-200系列CPU226型主机。
4.2可编程控制器CPU的选择
可编程控制器的种类有很多，因此功能方面的选择也有很大区别。
可编程控制器的技术指标即功能参数主要包括：
I/O点数、存储容量、扫描速度、指令系统、可扩展性、通信功能、PLC的外形、重量、保护等级、适用温度、大气压等。
由于CPU226：
具有24输入、16输出共计40个数字量I/O点，13KB程序和数据存储空间。
可以连接7个扩展模块，最大扩展248路数字量或35路模拟量I/O点数，也具有高速计数和高速输出端，同时增加了通讯口的数量，通讯能力大大增强。
因此选择了CPU226型主机。
以下是对选择CPU226型主机的介绍：
（1）I/O点数
可编程控制器的I/O点数指外部输入、输出端子数量的总和，又称主机的开关量I/O点数。
它是描述PLC大小的一个重要参数。
本次设计电梯的输入、输出点数为20路输入14路输出。
因此选则了CPU226型主机，CPU226型主机共具有40个数字量I/O点可以满足设计要求。
（2）存储容量
PLC的存储器由系统程序存储器、用户程序存储器、数据存储器三部分构成。
PLC存储容量通常指用户程序存储器和数据存储区容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是衡量系统存储能力的一项重要技术参数。
本次设计选用的CPU226型主机具有13KB程序和数据存储空间，可以满足电梯系统控制设计。
（3）可扩展性
小型PLC的基本单元（主机）多为开关量I/O接口，各厂家在PLC基本单元的基础上大力发展模拟量处理、高速处理、温度控制、通信等智能扩展模块。
CPU226型主机可以连接7个扩展模块，最大扩展248路数字量或35路模拟量I/O点数，也具有高速计数和高速输出端。
（4）通讯接口
通信有PLC之间的通信和PLC与计算机或其它设备之间的通信。
通信主要涉及通信模块、通信接口、通信协议和通信指令等内容。
CPU226型主机增加了通讯口的数量，通讯能力大大增强。
4.3可编程控制器输入输出点数的估算
根据被控对象对PLC控制系统的技术指标和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。
在估算系统的I/O点数和种类时，要全面考虑输入、输出信号的个数，I/O信号类型（数字量/模拟量），电流、电压等级，是否有其它控制要求等因数。
以上统计的数据是一台PLC完成系统功能所必须满足的，但具体要确定I/O点数时，则要按实际I/O点数再向上附加20%～30%的备用量。
由于这里设计的电梯的输入、输出点数是一个20路输入、14路输出的电梯机构。
由于CPU226型主机具有24路输入和14路输出，可以满足我们的设计要求。
因此这里不需要选择扩展模块就可以满足设计要求。
5硬件设计
5.1电梯硬件部分设计原则
利用可编程控制器设计四层电梯硬件部分应当遵循的基本设计原则是:
（1）根据系统设计要求，确定电梯硬件系统的组成部分；
（2）确定输入、输出点数；
（3）确定PLC控制系统的硬件结构图；
（4）画出I/O接线图。
5.2电梯硬件系统的组成部分
根据四层电梯的PLC控制要求可知电梯硬件系统组成部分包括：
电动机、各楼层指示灯、红外传感器、各类按钮、行程开关等。
四层系统的组成如图5.1所示：
2
3
7
6
8
4
5
输出
PLC西门子S7-200系列CPU226
输入
1
图5.1四层电梯组成框图
图中输出为：
l、电动机；2、位置指示；3、门锁。
输入为：
4、轿内指令；5、厅外指令；6、门区感应；7、手动开关门；8、楼层感应。
5.3电梯控制系统的输入输出分配
5.3.1输入点数的确定:
通过以上分析实现四层电梯的上升或下降控制，设计中对这一控制功能的信号必须进行设置，主要是完成PLC输入、输出点数的确定。
首先要设置PLC的输入，根据电梯控制的特点输入应该包括以下几部分。
（1）轿内及各层门厅控制按钮
主要是轿内的楼层选择数字键1～4；各层门厅按钮，除一层只设置上升按钮，四层只设置下降按钮外，其它几层均设置上升和下降两个按钮。
（2）电梯到位监测开关
电梯到位监测主要是四层电梯的各楼层行程开关，它们主要是起到电梯楼层位置确定、控制电梯停止和保护电梯安全等功能。
（3）开关门按钮及开关门行程开关
开关门按钮即手动开门和手动关门按钮，是为了方便乘客在电梯未自动开门前，乘客可以自主开门的按钮。
开门行程开关和关门行程开关是用来控制电梯到位后自动开门和自动关门开关，其功能和各楼层行程开关类似。
（4）红外传感保护开关
在设计四层电梯的要求中严格规定要有乘客的安全保护装置，这里设置的红外传感器就是用来对乘客进行安全
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