基于plc的电梯控制系统设本科学位论文.docx
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基于plc的电梯控制系统设本科学位论文
重庆文理学院成人高等教育
毕业论文
论文题目：
基于PLC的电梯控制系统设计
论文作者：
姚宗锐
指导教师：
韩光勇讲师
专业班级：
电子信息科学与技术2008级
学号：
31144500501
提交论文日期：
2010年11月10日
论文答辩日期：
2010年11月20日
中国重庆
2010年11月
目录
摘要：
Ι
Abstract:
Π
1.绪论1
2．控制目的与要求1
2．1控制目的1
2.2控制要求1
3．可编程控制器概述2
3.1可编程控制器的发展2
3.2PLC的主要性能指标2
3.3PLC的功能3
3.4PLC的特点3
3.5PLC的工作流程4
4.总体方案设计5
4.1控制选择：
5
4.2硬件系统5
4.3通信与网络6
5电梯调速系统6
5.1概述6
5.2变频器的形式与结构7
6系统实现8
6.1硬件设计8
6.2软件设计11
结论14
参考文献：
15
致谢15
基于PLC的电梯控制系统设计
重庆工商学校电子信息科学与技术2008级本科班[姚宗锐]
摘要：
电梯作为现代智能建筑内的代步工具，越来越显示它的重要作用，为了适应电梯的迅速发展，电梯的控制系统已由初期的继电器控制向微机发展。
可编程控制器由于具有了可靠性高，功能强大等特点已经成为电梯微机控制系统的核心。
随着PLC技术的发展及其应用的推进，PLC已成为系统化，信息化，远程化及智能化的重要支柱，因而，学习PLC不仅是自动化系统集成的设计，使用与维修人员的迫切要求，可编程控制器是微型计算机技术与继电器常规控制技术结合的产物。
是在顺序控制的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理为核心用作数学控制的专用计算机，本文在阐述电梯的工作原理的基础上，电梯使用西门子S7-200可编程控制器，设计了电梯的控制系统。
它的编程软件采用易学易懂的梯形图语言。
控制灵活方便，抗干扰能力强，运行稳定可靠。
关键词：
PLC;S7-200;电梯;自动控制
TheelevatorcontrolsystembasedonPLC
Chongqingindustryandcommerceschoolelectronicinformationscienceandtechnology2008levelthisregularprofessionaltraining[YaoZongRui]
Abstract:
intelligentbuildingmodernelevatoroftransport,moreshowitsimportantrole,inordertoadapttotherapiddevelopmentoftheelevator,elevatorcontrolsystemhastherelaycontrolbyearlytocomputerdevelopment.Becauseoftheprogrammablecontrollerhashighreliabilityandpowerfulfeatureshasbecomethecoreofelevatorcomputercontrolsystem.WiththedevelopmentandapplicationofPLCtechnology,PLC,informationization,hasbecomeasystematicandintelligentremote,thus,importantpropsofPLCisnotonlythelearningdesignofintegratedautomationsystem,theuseandmaintenanceofurgentrequirement,programmablecontrollerismicrocomputertechnologyandrelaycontroltechnologyoftheproduct.Insequencecontrolisdevelopedonthebasisofthenewcontroller,isakindoftreatmentforcoreasmathematics,computercontrolofspecialpaperexpoundstheworkingprincipleofelevatorinelevatoruse,onthebasisofSiemensS7-200PLC,designtheelevatorcontrolsystem.It'sunderstandablebytheprogrammingsoftware）ladderdiagramlanguage.Controlisflexibleandconvenient,stronganti-jammingcapability,stableandreliableoperation.
Keywords:
PLC;S7-200;Elevator;Automaticcontrol
1.绪论
在现代复杂的楼宇建筑中，电梯作为现代智能建筑内的运输工具，越来越显示出它的重要作用。
随着楼层的增加，人们对于电梯的安全性、准确性、可靠性、效率等提出了更高的要求。
电梯控制系统目前多采用两种方式：
一是PLC加变频器控制系统，二是微机加变频器控制系统。
微机控制系统虽然在智能控制方面有较强的功能，但抗干扰性差，系统较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，这些限制了微机控制系统应用的广泛性。
PLC电梯控制系统由于运行可靠、控制灵活方便、使用维修方便、抗干扰性强等优点，正日益成为电梯控制系统中使用最多的控制系统方式。
PLC是以微处理器为核心，融合了自动化技术、计算机技术、通信技术的工业自动控制装置，它能改造传统的继电器—接触器控制系统，又适用于现代过程控制。
凭借其卓越的可靠性、抗干扰性和可编程性，目前已被广泛应用于各种工业过程的自动控制中。
本次设计选用西门子公司的S7-200系列PLC，它可靠性高，指令功能强，易于掌握，有较好的通信功能和性价比，在中小型控制系统中能充分发挥作用。
2．控制目的与要求
2．1控制目的
利用PLC的强大的数据处理功能及其特有的输入输出接口调理功能，对电梯的开关信号的输入输出进行处理，并通过人机界面的监控，获取电梯运行信息，现对电梯上行下行的自动控制，并且能够实时根据电梯运行位置调节电梯运行速度，确定电梯运行状态。
使得电梯能够高效、安全地运行。
2.2控制要求
要求采用PLC作为控制中心，采用触摸屏或上位机（组态软件编程）监控。
（1）控制系统应有防止误操作的电路连锁和保护功能。
（2）电梯轿厢停止位置要准确。
（3）根据停靠楼层数量和运行状态自动计算停靠位置。
（4）启动和停止时应有减速过程，并根据运行距离自动调整运行速度。
（5）操作界面要求有流程效果，可以显示操作的进度。
（6）检测、控制信号要准确，安全、可靠。
3．可编程控制器概述
3.1可编程控制器的发展
可编程控制器（ProgrammableLogicController）又称PLC。
早期的PLC是以准计算机的形式出现的，在硬件上简化了计算机的内部电路，装置中的器件主要采用分离原件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器，接口电路适合工业控制的要求，编程软件和方法都比计算机简单，出现了面向问题的接近“自然语言”的编程方式。
这个时期的PLC能够实现基本逻辑控制、顺序控制、条件步进和时间步进控制等功能。
在20世纪70年代后期，人们开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元，从而使之得到了巨大的发展，其应用日趋普及。
自PLC问世以来，经过三十几年的发展，在欧美、日本等工业发达国家PLC已经成为工业控制的标准设备，其应用几乎覆盖所有工业企业。
我国PLC的发展大约经历了三个阶段。
在20世纪70年代是初级认识阶段，20世纪80年代为引进使用阶段，20世纪90年代则是迅速普及和发展阶段。
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，大规模集成电路和高性能微处理器在PLC的应用，使PLC的功能不断增强，应用领域不断扩大，而制造成本不断下降，性价比原来越高。
目前，PLC产品平均3-5年就更新换代一次。
其发展的明显趋势是集成度越来越高、工作速度越来越快、功能越来越多、工作越来越可靠、使用越来越方便。
通信和网络功能是PLC发展的重要特征，现场总线技术及以太网技术的发展使得PLC构成的过程控制系统比DCS的开放性更有优势。
PLC的不断发展也体现在编程软件的多样化和高级化，同时人机界面软件及软件接口也在迅速发展，开发适应各种特殊控制要求的智能模块也是PLC发展的明显特征。
3.2PLC的主要性能指标
1、输入/输出（I/O）点数：
I/O点数是PLC最重要的技术指标之一，因为在选用PLC时，要根据控制对象的被检测信号输入的个数和控制量输出的个数来确定机型。
2、编程指令的种类和条数：
一般来说，PLC的编程指令的种类和条数越多，说明它的软件功能越强，即处理能力和控制能力就越强。
3、扫描速度；扫描速度是PLC执行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。
4、存储容量：
存储容量决定了PLC可以容纳用户程序的长度。
5、扩展能力和功能模块种类：
PLC的扩展能力取决于主机CPU的寻址能力和电源容量。
要完成复杂的控制功能，除了主机外，还需要配接各种功能模块。
主机可实现基本控制功能，一些特殊的专门功能需要配置各种功能模块来实现。
因此，功能模块种类的多少也反映了PLC功能的强弱，是衡量PLC产品档次高低的一个重要标志。
3.3PLC的功能
（1）、逻辑控制：
逻辑控制是用PLC的与、非、或指令取代继电器触点的串、并联等逻辑连接，实现开关量的逻辑与顺序控制，这是PLC最基本的功能。
（2）、定时与计数控制：
定时与计数控制是用PLC的定时器、计数器指令来取代时间继电器等，实现某些操作的时间控制与计数控制。
（3）、数据处理：
数据处理时用PLC的数据传送、比较、移位、数码转换、编码、译码以及数学运算和逻辑运算等指令来实现数据的采集、分析和处理。
（4）、步进控制：
步进控制时用PLC的步进指令取代有硬件构成的步进控制器等，实现上、下道工序操作的控制。
（5）、运动控制：
运动控制是通过高速计数器和位置控制模块等来控制步进电动机或伺服电动机，从而控制单轴或多轴生产机械，使其运动部件按照要求的速度作直线或圆弧运动。
（6）、过程控制：
过程控制是通过A/D和D/A转换，用PLC的PID指令对生产过程中的温度、压力、速度、流量等模拟量进行单回路或多回路的闭环控制，使这些物理量保持在给定值上。
（7）、通信与网络控制：
通过各种通信模块能够将PLC与PLC、PLC与上位计算机之间连接成一个网络，实行远程I/O访问或数据传输等控制功能，构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
（8）、监控功能：
监控功能是指PLC能够监控系统各部分的运行状态和进程，对系统运行中出现的异常情况进行报警或自动终止运行，通过人机界面可以实时显示系统状态，从而方便地在线修改控制程序或对I/O和内部某些存储器数据进行处理。
3.4PLC的特点
（1）、功能完善、通用性强、使用方便：
现代PLC即能控制开关量，也能控制模拟量；即可以控制一台生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。
其通信联网的功能，使PLC能与上位机构成分布式控制系统，以实现全工厂的自动控制。
由于PLC产品的系列化和模块化，不同的组合，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。
在被控对象的硬件配置确定以后，可以编写不同的用户程序，方便快捷地改变工艺流程。
（2）、可靠性高、抗干扰能力强：
PLC是专门为工业现场的恶劣条件下使用而设计的，通过硬件的屏蔽、隔离、滤波等和软件的故障检测、数据保护和回复等措施，使PLC能够在具有很强的电磁干扰、机械振动以及极端温度和湿度的环境下安全的工作。
（3）、编程方法简单、容易掌握：
PLC最基本的编程语言都是采用源于继电器控制线路的梯形图，这种图形化的语言不需要使用者具备专门的计算机编程知识，极易被一般工程技术人员理解和掌握。
通过梯形图入门后，也就容易掌握其他的编程语言和方法了。
（4）、体积小、重量轻、功耗低：
PLC是采用微电子技术制造的，具有结构紧凑、坚固、体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。
（5）、设计容易、安装快捷、维护方便：
由于PLC产品的系列化、标准化和通用化，选用PLC组成控制系统时，设计和安装的过程类似于“搭积木”，由于前期可以使用仿真软件进行调试，使现场的调试工作变得更加容易。
由于PLC的故障率很低，使得维护成本大为减低，加之具备软硬件的监控和显示功能，即使发生故障，也可很快查明原因并排除。
（6）、各公司的PLC互不兼容：
各公司的PLC的软硬件体系结构是封闭的而不是开放的。
如专用总线、专家通信网络及协议，I/O模板不通用，甚至连机柜、电源亦不相同。
编程语言虽多是梯形图，但组态、寻址方式、语言结构均不相同。
3.5PLC的工作流程
PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的方式工作的，其工作过程就是程序的执行过程，一般分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图1所示。
图1PLC的工作流程
（1）、输入采样阶段：
在每次扫描周期开始时，CPU集中采样所有输入端的当前输入值，并将其存入内存中各对应的输入映像寄存器。
此时，输入映像寄存器被刷新，那些没有使用的输入映像寄存器位被清零。
此后，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，都不会再影响输入映像寄存器，其内容将一直保持到下一扫描周期的输入采样阶段，才会被重新刷新。
（2）、程序执行阶段：
在扫描周期的执行程序阶段里，CPU执行用户程序总是按由上而下的顺序依次地扫描，直到最后一条指令结束，除非遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
对于梯形图程序，在扫描时总是按先左后右、先上后下的顺序逐句扫描运算的。
中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行，总是在中断事件发生时才执行，因此，中断程序可能会在扫描周期的任意时刻被执行。
（3）、输出刷新阶段：
此时，CPU将存放在输出映像寄存器中所有输出继电器的状态输出到输出锁存器中，并送给物理输出点以驱动外部负载。
4.总体方案设计
4.1控制选择：
（1）、按结构形式的不同，PLC可分为整体式和模块式两种类型。
整体式的PLC将电源、CPU、I/O电路都集中在以个机箱内。
一般小型PLC采用这种结构。
模块式的PLC将各部分分成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块和各个功能模块。
一般大、中型PLC采用模块式结构；
（2）、按数字量I/O点数的多少，可分为微型机、小型机、中型机、大型机和超大型机等类型。
一般微型机的数字量I/O点数在64点以内，存储器容量为1～2KB，小型机的数字量I/O点数在256点以内，存储器容量为2～4KB，中型机的数字量I/O点数在2048点以内，存储器容量为4～16KB，大型机的数字量I/O点数在8196点以内，存储器容量为16～64KB，超大型机（或称为巨型机）的数字量I/O点数大于8196点，存储器容量大于64KB。
电梯运行过程中，由于其需要更强的网络通信联网功能，更丰富的指令系统，选用中型PLC，本次系统设计选用西门子S7-200PLC。
4.2硬件系统
西门子S7-200PLC系统由一个S7-200CPU模块，一台微型计算机、一套STEP7-Micro/WIN32编程软件和一条通讯电缆等部分组成。
这是一个最小PLC系统。
CPU模块负责执行程序和存储数据，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。
S7-200系列提供了多种型号的CPU模块，有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等，每种型号的CPU模块都有24VDC和120-220VAC两种电源供电的类型。
在CPU模块的面板上下分别有两排I/O状态指示灯（LED），左侧有3个运行状态指示灯（LED）和一个通信端口，内部还有一个或两个模拟电位器下侧有扩展I/O端口用于连接各种扩展模块。
S7-200PLC提供5种数据保持方法，有超级电容方式、电池卡方式、数据块方式、断电自动保存、用户程序数据保持方式。
S7200PLC内置高速计数器、高速脉冲输出、PID回路控制和通信功能。
为了完成比较复杂的控制功能，S7-200PLC还有多种功能的扩展模块，如数字量的输入和输出扩展模块，模拟量的输入和输出模块，温度测量扩展模块，定位控制模块，通信模块等。
但不同的CPU能够连接的扩展模块的数量是不同的，其中，CPU221不能扩展，CPU222能扩展两个模块，CPU224及以上型号能扩展7个模块。
4.3通信与网络
S7-200PLC提供了强大的通信功能，给CPU配置了不同的通信模块，可实现近十种通信方式，如点到点（Point-to-point）PPI网络通信、Profibus-DP网络通信、多点接口（Muti-Point）MPI协议、自由口（用户定义协议）通信和Modem远程通信等。
灵活多样的通信功能，使S7-200PLC易于实现分散的、多级控制系统。
PPI协议是西门子专门为S7-200系列PLC开发的一个通信协议，可以提供两芯屏蔽双绞线联网，数据传输速率为9.6Kbit/s、19.2Kbit/s和187.5Kbit/s。
PPI协议是一个主从协议。
在这个协议中，主站给从站发送申请，从站进行响应。
从站不初始化信息，但是当主站发出申请或查询时，从站才响应。
网络上所有的Some-200CPU都作为从站。
MPI协议适用于多点接口，它可以是主/主协议或主/从协议，协议如何操作依赖于设备的类型。
如果设备是S7-300CPU，则建立的是主/主连接，因为所有的S7-300CPU但是网络主站。
如果设备是S7-200CPU，则建立的是主/从连接，因为所有的S7-200CPU但是网络主站。
S7-200CPU可以通过集成通信接口或扩展通信模块EM277连接到MPI网上。
其波特率是19.2Kbit/s或187.5Kbit/s。
Profibus-DP网络通信协议用于分布式I/O设备的高速通信。
这些设备包括从简单的输入输出模块到电动机控制器、可编程控制器。
S7-200CPU可以通过EM277Profibus-DP扩展模块连接到Profibus-DP协议支持的网络中。
Profibus-DP网络使用RS-485标准双绞线。
它允许在一个网络段上最多连接32台设备。
自由口通信协议是指由用户定义通信协议，用户可以通过设置特殊存储器的参数改变通信口的数据传输率、数据格式，以适用不同的通信协议。
自由口通信协议可以将CPU与任意通信协议公开的设备联网，如：
上位计算机、打印机、条形码阅读器、变频器等。
也可用于两台CPU之间简单的数据交换。
5电梯调速系统
5.1概述
电梯的调速可以通过对曳引电机的调速实现。
对曳引电机的调速主要有两种方法，一种是变压调速，使用继电器—触点的方式，即在需要变速时通过继电器使触点动作来使变速线路接通或断开（一般是控制电阻的接入或断开），另一种则是变频调速，通过变频器U/f控制频率的大小来改变电机的转速，也可以通过矢量控制或直接转矩控制。
继电器—触点的方式，结构简单，但调速过程不够平滑、有冲击，而且有大量的能量消耗在电阻上，不够节能。
相比而言，变频器调速方式通过频率的连续变化，可以使变速过程十分平滑，若给变频器加上回馈制动单元，则可以在制动时实现电能回馈电网。
5.2变频器的形式与结构
变频器主要有三种结构形式：
（1）、用可控整流器调压：
这种装置结构简单，控制方便，但由于输入环节用可控整流器，当电压或转速较低时，电网端的功率因数较低。
输出环节多采用由功率开关元件组成的三相六拍逆变器，输出的谐波较大，这是该形式的主要缺点。
（2）、用不可控整流器整流，斩波器调压：
这种方式是在主回路增设的斩波器上用脉宽调压，而整流环节采用二极管不可控整流。
这样，显然多增加了一个功率环节，但输入功率因数高，克服了前一种方式的缺点，而逆变器输出信号的谐波仍较大。
（3）、用不可控整流器整流，PWM型逆变器调压：
在这种方法中，采用不可控整流器整流，故输入功率因数较高。
采用PWM型逆变器则输出谐波可以减少。
中央前两种调压控制方法中存在的缺点问题都解决了。
谐波能减少的程度取决于功率开关元件的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。
如果仍采用普通功率开关元件，其开关频率比六拍逆变器也高不了多少，只有采用可控关断的全控式功率开关元件以后，开关频率才得以大大提高，逆变器的输出波形几乎可以得到非常漂亮的正弦波，成为当前有发展前途的一种调压控制方法。
变频器的主电路由三部分构成，将工频电源变换成直流功率的“整流器”，吸收在变流和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，将直流功率变换为交流功率的“逆变器”，以及需要制动时附加的“制动回路”。
（1）、整流器：
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
（2）、平波回路：
在整流器整流后的直流电压中，含有一定脉动电压，此外逆变流器产生的脉动电流也使直流电压波动。
为了抑制电压波动，采用电感或电容吸收脉动电压（电流）。
（3）、逆变器：
同整流器相反，逆变器使将直流功率变换为所要求频率的交流频率，根据PWM控制信号使6个开关器件导通、关断就可以得到三相频率可变的交流输出。
（4）、制动回路：
异步电动机在再生制动区域使用时，再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。
一般来说，由机械系统惯量积蓄的能量比电容器储存的能量大，需要快速制动时，可用可逆变流器向电源反馈或设置制动回路把再生能量消耗掉。
6系统实现
6.1硬件设计
图2基于PLC的电梯控制系统原理图
如图2所示：
在电梯控制系统中，变频器只完成驱动电机和调速功能，逻辑控制部分是由PLC完成的。
PLC与变频器之间通过RS485进行通讯。
PLC负责处理各种信号的逻辑关系，对呼叫信号进行判断，从而向变频器发出起停信号，控制变频器的输出，同时变频器也将本身的工作状态输送给PLC，形成双向联络关系。
系统还配置了与曳引电机同轴连接的旋转编码器及PG卡，完成速度反馈与位置反馈。
电梯主电路如图3所示：
（1）、在本次设计中输入输出（I/O）接点为40个输入、35个输出，S7200PLCCPU本身输入、输出接点数各为24、16，故需要附加扩展模块，选择数字量输入/输出扩展模块EM223和数字量输入/输出扩展模块EM222各一个，接点数可满足条件。
CPU与扩展模块之间通过总线连接。
PLC与数码管连接，串联一个电阻。
（2）、在系统中，设置了安全触板实现反复开门，设置了门联锁继电器保证电梯只有在门关好后才可运行，设置了称重系统，过载时向系统发出停止运行、保持开门动作并持续报警，在空载时电梯高速运行。
（3）、考虑到谐波影响与安全需要，在变频器的三相输入附加压敏电阻与电容并联的电路，在变频器的三相输出附加热继电器。
压敏电阻
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