基于PLC的四层电梯控制系统.docx
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基于PLC的四层电梯控制系统
摘 要
本论文主要研究基于PLC（ProgrammableLogicController）的四层电梯控制系统，主控制器为SIEMENS公司S7-200PLC。
通过可编程控制器PLC来简化电梯运行逻辑，进而降低能耗。
并通过对变频器、曳引拖动电机和传感器等硬件的选型以及整体的设计来加强电梯工作的可靠性、安全性和舒适性。
使之能在安全的前提下，最大化的提高电梯的运行效率。
对于电梯硬件的选型和软件的设计是本论文的主要研究内容。
硬件的设计包括主要装置和辅助装置的选型或概述，软件设计将电梯的运行逻辑分为了8个模块，每个模块都有对应的程序。
另外，本文还对电梯的安全性作出了特殊说明。
基于PLC的电梯设计能够推动电梯行业的进一步发展，扩大电梯在自动控制领域的应用范围。
本文通过对电梯硬件与软件的系统设计，从整体上改善电梯的性能，具有一定的经济性、实用性及理论研究价值。
关键词：
电梯系统，可编程控制器PLC，硬件设计，软件设计
目 录
前 言1
1绪论2
1.1基于PLC的四层电梯系统设计概述2
1.1.1设计背景2
1.1.2设计要求2
1.1.3设计的目的和意义3
1.2电梯的概论3
1.2.1电梯的发展历程3
1.2.2电梯的种类与曳引式电梯的结构4
1.3可编程序逻辑控制器（PLC）的简介5
1.3.1定义5
1.3.2PLC的产生与发展5
1.3.3PLC的系统组成6
2基于PLC的四层电梯系统控制方案的确定7
2.1采用PLC控制电梯的优点7
2.1.1基于PLC的电梯控制系统与继电器电梯控制系统的区别7
2.1.2基于PLC的四层电梯控制系统的优点7
2.2基于PLC的四层电梯系统逻辑控制方案7
2.2.1开关门控制7
2.2.2电梯运行逻辑7
2.2.3电梯运行速度8
2.3基于PLC的四层电梯控制系统的原理9
3基于PLC的四层电梯系统硬件设计10
3.1可编程控制器PLC选型10
3.1.1S7-200PLC概述10
3.1.2S7-200PLC主机（CPU模块）对比与选型10
3.2变频器的选型11
3.2.1变频器概述11
3.2.2电梯系统中变频器的控制要求12
3.2.3变频器的选型12
3.3曳引驱动电机的选型12
3.3.1曳引驱动电机的要求12
3.3.2曳引驱动电机的选型12
3.4基于PLC的四层电梯控制系统辅助电路设计13
3.4.1报警电路13
3.4.2照明电路13
3.4.3楼层显示电路14
3.5主要控制电路硬件接线图14
3.6I/O分配表15
3.7电梯的其他硬件装置概述16
3.7.1对重的配置16
3.7.2限位开关16
3.7.3电梯系统中的传感器16
3.7.4安全装置17
4基于PLC的四层电梯控制系统软件设计18
4.1基于PLC的四层电梯控制系统工作过程逻辑分析18
4.1.1电梯运行过程流程图18
4.1.2电梯工作过程分析19
4.2PLC梯形图设计19
4.2.1PLC梯形图概述19
4.2.2PLC梯形图设计仿真软件的使用19
4.2.3梯形图设计模块20
4.3控制系统的程序分析与设计20
4.3.1总的启动和停止模块21
4.3.2电梯的平层信号处理模块21
4.3.3外呼梯信号的登记及消除模块22
4.3.4内指令信号的登记及消除模块22
4.3.5选层定向及截车模块23
4.3.6信号的登记与记忆模块24
4.3.7各楼层停车信号指令模块24
4.3.8手动、自动开关门模块25
5电梯系统的安全说明26
结 论27
致 谢28
参考文献29
附录A中间继电器功能表30
附录B梯形图程序31
前 言
随着人类社会的不断发展，高层建筑越来越成为一个城市的标志。
电梯作为垂直运输的工具，是高层建筑中的重要组成部分，担负着人流和物流的重任，给人们带来了极大的便利。
电梯的存在，使得每座高层建筑成为一座立体的城市，也越来越成为城市生活中不可或缺的重要部分。
目前在世界上约有4000万台以上的电梯，美国500万台，日本350万台，德国450万台，在我国也有300万台以上。
电梯的使用频率如此之高就对电梯的质量有更高的要求。
传统的电梯采用继电器控制系统，采用继电器控制的电梯系统接线复杂，改变控制逻辑时要将接线进行拆装，费时费力。
另外，继电器的触点数目有限，在扩展性方面受到限制。
但是由于继电器本身的机械和电磁惯性大，所以在安全性与可靠性上存在弊端。
可编程逻辑控制器（PLC，ProgramableLogicController）的出现，极大的改善了这种状况。
基于PLC的电梯控制系统的出现，有效的改善了传统电梯的弊端，使得电梯的运行效率高，能耗降低，安全可靠，而且简化了系统逻辑控制程序，满足了人们对电梯应用的期望。
1绪论
1.1基于PLC的四层电梯系统设计概述
1.1.1设计背景
在我国，电梯保有量达到300.45万台，电梯产量从1990年的1.03万台增长到2013年的63多万台，年增长率达近20%，国内电梯需求量从2000年的仅3.72万台增长到2013年的65万台，到2015年，我国电梯产量有望突破75万台/年。
电梯行业迫切需求中、高级电梯技术人才，基于PLC的四层电梯系统设计将有助于熟悉掌握电梯技术。
1.1.2设计要求
本设计是基于PLC的四层电梯控制系统，对四层电梯控制系统进行研究。
1．对电梯的类型进行选择
要求熟悉各种电梯，掌握各种电梯的特点和要求，选择适合本次设计的电梯类型。
本课题主要研究电梯的上行控制、下行控制、开关门控制、内选信号和呼梯信号。
2．对电梯的硬件的选择与设计
包括变频器、传感器、拖动电机（曳引机）等的选择，以及对主要控制电路接线图的设计，使电梯的运行有良好的硬件保障。
3．对控制系统进行软件设计
四层电梯控制系统的主控制器为S7-200可编程逻辑控制器，通过编写梯形图的方式进行编程，选择最简化的逻辑控制程序。
电梯的运行逻辑要求如下：
（1）电梯当前在1楼时：
2楼先下呼，3楼后上呼，则应先响应2楼下呼，执行完再响应3楼上呼；
2楼先下呼，4楼后下呼，则应先响应2楼下呼，执行完再响应4楼下呼；
3楼先下呼，则执行完3、2楼下呼，再响应4楼下呼，或其他上呼；
4楼先下呼，则电梯上行时，可响应1,2,3，层的上呼请求，前提是吊箱没有超过上呼层，否则，执行完4楼下行后再响应。
（2）电梯当前在2楼时：
1楼先呼，先响应1楼；
2楼3楼or4楼先呼，执行完上行指令，再执行下行；
（3）电梯当前在3楼时：
4楼先呼，先响应4楼；
1楼或2楼或3楼先呼，执行完下行指令，再执行上行；
（4）电梯当前在4楼时：
类同1楼状况
4．最后，是对电梯的安全系统进行进一步的完善，保证电梯运行的可靠性与安全性。
1.1.3设计的目的和意义
本设计要求为四层电梯设计PLC控制系统，利用电力拖动的理论进行系统的硬件设计，并运用西门子仿真软件对系统进行软件设计，改善电梯控制的逻辑程序，提高电梯控制的安全性、可靠性、舒适性。
基于PLC的电梯设计能够推动电梯行业的进一步发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，通过简化电梯运行逻辑来节约电能，通过改善硬件来加强电梯工作的可靠性、安全性与舒适性，具有一定的经济和理论研究价值。
1.2电梯的概论
电梯是一种电力拖动的特殊升降运输设备，是应用最为广泛的垂直运行的交通工具。
本设计为基于PLC的四层电梯控制系统，要想做好设计的内容，首先就要对电梯有一定的了解，包括电梯的发展历程、电梯的基本结构、电梯的分类、电梯的用途以及电梯未来技术的发展动向。
1.2.1电梯的发展历程
电梯的发展历程可以分为四个阶段
1.原始阶段
关于电梯的起源可以追溯到古代人类的农业、水利、建筑的生产劳动。
在公元前1700年的古代中国，劳动人民发明了用于提水的桔槔。
到了公元前1100年，中国又发明了辘轳用于提水或者提升矿石，广泛的应用于农业灌溉，持续的时间也比较长，直到上世纪五六十年代，在我国北方的缺水地区也是非常常见的。
在公元前236年的古希腊，阿基米德也发明了用于提升重物的绞车。
它们基本上是由绳索、支架、卷筒、摇杆等装置组成，由木材或是竹竿制成，依靠人力或者畜力来驱动低速运行，可以看做电梯在古代的原型。
2.发展阶段
蒸汽机的诞生催化了第一次工业革命，随之在1835年产生了蒸汽动力的升降机，但只用于工业生产。
这个时期的升降机用原动机驱动代替了第一代电梯的人力或畜力驱动。
但是这个时期的电梯仍然存在很大的弊端，并不能保证悬挂升降台的安全，所以没能够在载客方面推广。
3.安全电梯出现
到了1852年，美国人奥的斯设计了以蒸汽为动力，并配有安全装置的载人升降机。
这就是世界上第一台有安全装置的客用电梯。
1857年，奥的斯又制造出卷筒式乘客升降机。
在此期间，英国人发明了水压电梯。
随后水压电梯进一步发展，淘汰了蒸汽电梯，后来发展为采用油压泵和控制阀的液压梯。
直到今天，液压梯仍然在投入使用。
4.现代电梯的诞生与发展
1889年，奥的斯公司制造了由直流电动机通过蜗杆蜗轮减速器带动卷筒绕绳索悬挂并升降轿厢的电动升降机。
后来又通过改进，实现了直流电机电力拖动的调速，提高了安全性和舒适性，视为现代电梯的“鼻祖”。
1900年，交流感应电动机问世，进一步简化了电梯的传动设备，同时提高了舒适性。
1903年，奥的斯公司又为电梯的改进做了重大的贡献，他们采用了曳引驱动来代替卷筒式驱动，这种方式一直沿用至今，在后文中会介绍其结构及运行方式。
此后，自动平层电梯、集选控制电梯以及带固定程序的群控电梯相继研制成功。
70年代后，随着大规模集成电路和电力电子技术的发展，电梯系统发展也十分迅速。
80年代出现了交流变频调速电梯，极大的改善了电梯的舒适性，使得电梯运行几乎实现了无极调速。
1.2.2电梯的种类与曳引式电梯的结构
电梯的分类方法有很多，如按运行速度分可分为低速电梯、高速电梯、超高速电梯等。
按用途分可分为客用电梯、观光电梯、货用电梯、汽车用电梯等。
按拖动方式分类为直流电梯、交流电梯、液压电梯、直线电机驱动电梯等。
按曳引方式分可分为曳引钢丝绳驱动、齿轮齿条式驱动、钢带拖动等。
目前市场上使用最多的是曳引钢丝绳驱动电梯，本课题将着重介绍此类电梯。
其结构图见图1.1。
图1.1曳引式电梯示意图
Fig.1.1Traction-elevatorDiagram
如图所示，钢丝绳悬挂在曳引轮上，一端接在轿厢，另一端连接在对重上，轿厢和对重的底部用补偿链来连接。
电梯运行时，依靠曳引轮槽与钢丝绳之间的摩擦力使轿厢与对重做相反的运动。
对重装置是电梯重量平衡系统的重要部分，一方面起到平衡轿厢的作用，另一方面起到了加大钢丝绳与轮槽摩擦力的作用，能够保证曳引轮足够的驱动力。
补偿链同样是平衡系统中的重要部分，在运行过程中，当轿厢运行到顶层时，补偿链的大部分都在轿厢一侧。
当轿厢运行到底层时，补偿链的大部分都位于对重侧，这样就起到了重量的补偿。
由于曳引式电梯的钢丝绳不用缠绕，所以钢丝绳的长度和股数不受限制，这样一来，电梯的载重量和上升高度就相比卷筒式电梯有了很大的提高，从而满足了人们对电梯的需求。
因此曳引式电梯自诞生便受到重视，一直发展沿用至今。
1.3可编程序逻辑控制器（PLC）的简介
1.3.1定义
可编
程序逻辑控制器（ProgrammableLogicConroller）,简称PLC。
国际电工委员会（IEC）在2003年发布的可编程序控制器国际标准IEC61131-1（通用信息）中对其有一个标准定义：
“可编程程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在起内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的基于用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机器或过程。
PLC及其相关的外围设备，都应该按易于与工业控制系统集成，易于实现其预期功能的原则设计。
”
这告诉了我们PLC是什么，能干什么，以及PLC外围设备
设计原则。
1.3.2PLC的产生与发展
20世纪20年代，工业生产大多使用传统的继电器控制系统。
但是存在设备体积大、接线复杂、难以实现复杂控制等一系列缺点。
直到60年代末期，美国数字设备公司为满足通用汽车公司对汽车流水线的控制要求，研发出了世界上第一台PLC，用来取代继电器控制系统，执行继电器逻辑、计时、计数等基本功能。
PLC自诞生以来便在工业自动控制领域发挥了重要作用，因此其本身也得到了很大的改进。
70年代到90年代，相继增加了数据处理、模拟量控制、扩展通信接口和网络通信等功能，PLC技术得到了长足的进步。
90年代中期以后，随着国际标准的实施和编程语言的推广，PLC进入了标准化和开放性的时代。
目前，世界上有300多种PLC产品，200多家公司在生产，比较著名的有美国的GE，德国的SIEMENS，日本的MITSUBISHI和法国的SCHNEIDER公司等。
国内的浙大中控、和利时等生产的PLC也在不断进步，将在未来市场占据一席之地。
1.3.3PLC的系统组成
PLC有很多种类，但是其结构与工作原理大同小异。
主要由中央处理单元（CPU）、存储器、电源、输入/输出接口电路等组成。
PLC的结构框图如图1.2所示。
中央处理单元：
一般由寄存器、控制器和运算器组成。
通过总线与存储器、输入/输出单元连接，是PLC的核心部分。
图1.2PLC结构框图
Fig.1.2PLCStructureDiagram
存储器：
包括系统存储器和用户存储器两部分。
前者是用来存储生产厂家编写的系统程序，使其具备基本的功能，用户不能更改；后者又可以分为程序存储器和数据存储器两部分。
用户程序存储器用来存储用户编写的应用程序，用户数据存储器用来存放用户程序中所使用器件的数据和ON/OFF状态。
输入/输出单元：
输入单元可以接收外部输入设备的控制信号，如操作按钮、限位开关、选择开关、行程开关，还可以是传感器的数字信号。
输出单元将输出的计算结果存放到输出印象寄存器，输出接口电路将控制信号输出到外围设备，以驱动继电器、接触器指示灯等执行元件。
电源部分：
通常使用220V交流电源或24V直流电源，内部电源为PLC的CPU、存储器等电路提供5V、+12V、-12V、24V等直流电源。
扩展单元：
用于功能模块与基本单元的连接。
通信接口：
通过通信接口与编程设备、触摸屏、打印机相连，提供人机交换途径，组成工业网络控制系统。
2基于PLC的四层电梯系统控制方案的确定
2.1采用PLC控制电梯的优点
2.1.1基于PLC的电梯控制系统与继电器电梯控制系统的区别
首先从硬件接线方面考虑，采用继电器控制的电梯系统接线复杂，改变控制逻辑时要将接线进行拆装，费时费力。
另外，继电器的触点数目有限，在扩展性方面受到限制。
相比较而言，PLC控制电梯在这方面就有很大优势，要改变控制逻辑只需要修改程序，简便灵活，扩展性好。
其次从可靠性方面考虑，继电器控制电梯系统的触点多，且触点在大频率长时间的开闭时易受到电弧的损害，使用寿命会大大缩短，这样会使电梯系统处在可靠性较低的状态。
而PLC采用了微电子技术，输入接口电路还采用了光电耦合电路进行信号隔离，防止各种干扰信号影响其可靠性，且多数的开关指令动作是通过半导体电路完成的，无触点的电路大大提高了PLC控制电梯系统的可靠性和安全性。
另外在能耗和设计简易程度方面PLC控制电梯系统优势也非常明显，而且体积小、通用性强。
总而言之，在电梯控制系统中，PLC的整体性能优于继电器。
2.1.2基于PLC的四层电梯控制系统的优点
根据上文的比较可以总结出基于PLC的四层地体控制系统的优点：
（1）可靠性、安全性高，抗干扰性能较强
（2）设计、调试、施工周期短
（3）功能强大，控制速度快
（4）调试、维修简单
2.2基于PLC的四层电梯系统逻辑控制方案
2.2.1开关门控制
到达指定楼层自动开门，行车途中不允许手动开门。
轿厢在行车途中不能使用手动开关门按钮，非行车阶段可以使用。
如果电梯门是开的状态，则不能行车。
电梯内传感器监测到电梯超重时，不能关闭电梯门，同时警示铃响起，问题解决后警铃解除，电梯门关闭，继续运行。
当电梯门有物体阻挡时，手动关门和自动关门均不能使用。
2.2.2电梯运行逻辑
轿厢内有乘客时，行车方向由内部信号确定，在行车途中遇到外部呼梯信号时，如果外部呼梯信号与行车方向一致，则停车；若外部呼梯信号与行车方向相反时，则不停车。
轿厢内没有乘客时，行车方向由外部呼梯信号决定，例如：
轿厢停在一楼，此时二楼、三楼、四楼同时有向下呼梯的信号，那么轿厢就要优先到达四楼后，再向下行车。
但是如果二楼向下呼梯指令比较早，电梯已经到达了二楼，此时三楼和四楼才有向下呼梯信号，那么电梯将执行完将二楼乘客送达一楼后再去执行下一个呼梯指令。
详细的电梯上下行逻辑见“电梯上下行工作过程分析”小节中的流程图。
2.2.3电梯运行速度
电梯的运行可以分为三个阶段，包括启动加速阶段、稳定运行阶段、制动阶段。
制动阶段又可以分为减速、平层和停车抱闸三个部分。
其运行速度特性曲线如图2.1所示。
（1）启动加速阶段:
电梯启动时应该避免速度突变，即启动力矩不应过猛，加速段时间一般为2到2.5秒，在启动加速阶段到稳速运行过程中，要求不能产生速度拐点，圆滑过渡。
在GB10058-2009《电梯技术条件》中对加速度有明确的要求，乘客电梯启动加速度和制动减速度最大值均不应大于1.5m/s2。
电梯额定速度是1.0m/s（2）稳速运行：
电梯稳速运行后，其运行速度应接近电梯额定运行速度（本课题中电梯额定运行速度可以为1m/s到2m/s之间），而且不能产生过大的震荡抖动。
（3）减速、平层、停车：
电梯的制动过程包括减速、平层和停车3个部分。
电梯制动后应在2到2.5秒内减速到平层速度。
当轿厢检测到平层信号后，进入平层阶段后以平层速度匀速运行；检测到停车信号后进入停车段，由平层速度逐步降为零速并抱闸停车。
图2.1电梯运行速度特性曲线
Fig.2.1Thecharacteristiccurveofelevator’sspeed
电梯的运行速度是影响电梯舒适感的关键因素，因此为了得到理想的运行速度曲线，在调试的过程中，要根据曳引电动机的负载特性，合理调整换速时间。
加速或减速的时间过长会导致运行效率下降，加速或减速时间过短又会影响乘客舒适感。
尤其是在减速过程中，为了满足平层准确度和零速抱闸，要求抱闸延时时间和停车段落的时间配合一致，调试工作几乎完全决定了电梯运行速度特性曲线。
2.3基于PLC的四层电梯控制系统的原理
基于PLC的四层电梯控制系统原理框图如图2.2所示。
图2.2图2.2电梯控制系统框图
Fig.2.2Elevatorcontrolsystemblockdiagram
电梯控制系统的主控制器是PLC，通过控制变频器来间接控制曳引拖动电机，曳引电动机拖动轿厢进行上下行运动。
外呼叫操作面板与内部操作面板也是由PLC控制，外呼叫操作面板是乘客用来呼叫电梯的，而内部操作面板是乘客在轿厢内部的控制面板。
安装在轿厢内部的警示铃和重量传感器等装置同样是由PLC控制的，起到增大电梯可靠性和安全性的作用。
3基于PLC的四层电梯系统硬件设计
3.1可编程控制器PLC选型
3.1.1S7-200PLC概述
S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，但是它的某些功能达到了中型PLC的水准，而价格却是小型PLC的价格。
因为它的高性价比，所以一经推出便受到了工业领域广泛的追捧。
21世纪前，西门子PLC在中国的市场主要是大中型PLC，而小型PLC则被日本公司（如三菱、松下等）占据了绝大部分市场，在S7-200PLC推出后，这种情况得到了非常明显的改变。
21世纪后，在小型PLC市场上，S7-200PLC成为了主流的产品。
因此，本次设计也选用S7-200PLC作为四层电梯控制系统的主控制器。
3.1.2S7-200PLC主机（CPU模块）对比与选型
S7-200PLC的CPU（CentralProcessingUnit）有多种型号，每种型号有各自适用的场合，我们可以根据CPU的参数来有针对性的选择，各种型号的参数如表3.1所示。
表3.1CPU型号及参数对照表
Tab.3.1ThecomparasontableoftheCPU’stypeandparameters
CPU型号
描述输入/输出（I/O）接口数目（单位：
个）可连接扩展模块数目（单位：
个）用户程序/数据存储容量（单位：
KB）通讯接口数目（单位：
个）
CPU2216/404/21
CPU2228/624/21
CPU22414/1078/121
CPU224XP14/10712/162
CPU22624/16716/242
PLC的CPU模块要依据课题设计的实际需求来选择，包括工艺流程特点和控制要求等。
具体根据设计要求所需要的输入/输出点数，外围设备的特点，PLC的存储容量，以及PLC的功能来选择。
首先估算本次设计需要的输入/输出口点数。
本课题的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等；输出设备有电磁继电器、接触器、指示灯、警示铃等。
根据本课题具体情况估算输入口约为30个，输出口20个左右。
其次所选择的PLC存储容量要适合。
PLC程序存储器的容量通常以字为单位，用户程序存储器的容量可以作粗略的估算。
许多文献资料中给出了不同的估算公式，通常情况下用户程序所需的存储器容量可按照经验公式（3.1）计算：
程序容量=K×总输入点数/总输出点数（3.1）
对于简单的控制系统，K=6；若为普通系统，K=8；若为较复杂系统，K=10；若为复杂系统，则K=12。
在选择内存容量时同样应留有裕量，一般是运行程序的25%。
在选择PLC型号时，不应单纯追求大容量，在大多数情况下，满足I/O点数的PLC，内存容量也能满足。
综上所述，本次设计
可以选用CPU226的PLC作为四层电梯控制系统的主控制器，无论从存储容量考虑还是输入/输出口点数考虑，都比较合适。
其实物图如图3.1所示。
图3.1西门子S7-200CPU226型PLC
Fig.3.1SIEMENSS7-200PLCCPU226
3.2变频器的选型
3.2.1变频器概述
变频器（Variable-frequencyDrive，简称VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测
单元微处理单元等组成。
变频器主要用于交流电动机（异步电动机或同步电动机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前景的调速方案。
变频调速具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便、成本低、节能显著等一系列优点。
3.2.2电梯系统中变频器的控制要求
对电梯而言，通过变频器的外控制端子来实现电机的正反转以及速度的变化，能够使电梯的运行速度特性曲线更符合理想的状态，即启动加速、制动减速平层都比较缓和，使
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