李忠双毕业设计.docx
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李忠双毕业设计
沈阳理工大学应用技术学院
毕业设计（论文）
题目：
基于PLC的四层电梯控制系统的设计
系别：
信息与控制学院
专业：
自动化
学生姓名：
李忠双
指导教师：
金亚玲
2011年6月15日
摘要
本论文介绍了用欧姆龙PLC来控制四层电梯的运行系统。
针对传统电梯所存在的一些不合理问题，提出用PLC对电梯控制系统进行改造的方案，而且还考虑到了管理智能化和操作简单化，成功的改善了传统电梯元件多、线路复杂、成本高、可靠性低的状况。
本设计采用欧姆龙CPM1A型号PLC实现了电梯的启动、运行、停止等功能。
假如电梯轿厢开始在一楼，当有轿厢外的乘客有呼叫请求时，电梯轿厢会满足该楼层乘客的呼叫请求，到达后，电梯轿厢自动停止并开门和关门（定时为2秒）。
轿厢在向上（下）运行时，只能满足同向的呼叫请求，反向呼叫请求不能响应。
假如在电梯运行的时候，反方运行前方没有其他乘客的呼叫请求时，那么轿厢此时会满足该呼叫请求。
本设计对轿厢的模拟运行采用了世纪星组态软件来实现。
最后经过仿真调试证明本系统在控制方面和运行方面都可以实现较好的效果。
关键词：
电梯；可编程逻辑控制器；组态软件
Abstract
ThispaperdescribesusingOmronPLCtocontroloffour-storyelevatorsystem.Foratraditionallifttheunreasonableproblems,proposedprogrammeforthereconstructionoftheelevatorcontrolsystemwithPLCandintelligentbutalsotakingintoaccountthemanagementandoperationsimple,successfullyimprovedtraditionalelevatormoreoriginal,complex,highcostandlowreliabilityofthecircuitstatus.
ThisdesignusingOmronPLCCPM1Amodeltorealizetheliftsstart,run,stop,andotherfunctions.Iftheelevatorcarstartonthefirstfloor,whentherearepassengersoutofthecarwhenacallrequest,elevatorcallrequestwillmeetpassengersonthefloor,arrive,elevatorcarstopandopenandcloseautomatically（scheduledfor2seconds）.Cabinintheup（bottom）atruntime,onlywiththerequesttocallreversecallcannotrespondtotherequest.Ifintheelevatorwhentheoppositiondidnotruninfrontofotherpassengerswhenacallrequest,thenthecabinappearstosatisfythecallrequest.
Thedesignonthesimulationrunadoptthecenturystarconfigurationsoftwaretoachieve.Simulationdebuggingfinallyprovedintermsofbothcontrolandoperationofthesystemcanachievebetterresults.
Keywords：
PLC;elevator;configurationsoftware
绪论
（1）本课题的目的及意义
电梯的发展由来已久，现在很多高层建筑物里面都会安装电梯来方便乘客。
但是电梯的安全性和造价方面却都很昂贵，而且在控制技术方面也有很多的不足之处。
传统的大多数电梯元件多、线路也很复杂，给操作人员和维修人员也带来了诸多不便。
有的电梯没有报警和手动停止等功能，所以导致在控制方面上有很多不足之处，没有考虑到乘客的安全。
所以针对传统电梯所存在的一些不合理问题，提出用PLC对电梯系统进行改造的方案。
改进方法主要以欧姆龙PLC为核心，利用PLC强大的控制功能，实现了利用可编程逻辑控制器控制电梯的启动、运行、停止等功能。
而且梯形图程序在模拟调试时可以很直观的展现出四层电梯轿厢的启动、运行、停止、报警等过程。
本设计还有一定的规律性，方便用于到其它楼层的控制。
本设计调试结果表明，该系统在控制安全可靠性方面、适用性方面、精确性方面和可靠性方面，达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。
该设计不仅可以通过控制电梯的升降还可以满足乘客遇到问题时可以报警和自动停止电梯的运行等。
同时保证了乘客的安全，也节约了资源，控制技术上也有了提高，给操作人员和维修人员也带来了很多方便。
（2）电梯控制技术的国内外发展现状
电梯控制技术对乘客的安全非常重要，只有各个环节都能安全运行。
乘客按下按钮后，对电梯轿厢下达了命令，该命令经处理后，会使乘客到达想要到达的地方，在运行过程中，电梯会显示楼层号和安全信号等。
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，因此目前已经被逐步淘汰。
目前电梯的控制技术主要采用了两种方式，一种是采用微机作为控制单元，电梯控制信号的采集、运行状态和功能的设定都是由其来完成的，实现电梯的自动调度和集选运行功能；第二种控制方式是用可编程逻辑控制器（PLC）来取代微机信号集选控制。
目前，国内大多数厂家都选择第二种控制方式，其原因在于不仅生产规模较小而且自己设计和制造危机控制装置的成本也非常较高；由于可编程逻辑控制器（PLC）不仅具有程序设计简单灵活、控制起来稳定可靠、生产规模较小、成本低，而且抗干扰能力强以及强大的网络通讯功能等特点，因此，在国内，对于一个中小型的电梯控制系统来说，大多都是采用PLC控制，用可编程逻辑控制器（PLC）来取代微机实现信号集选控制，所以PLC控制电梯系统技术在国内电梯行业中得到了较广泛的运用。
国内最开始的电梯控制技术是采用继电器控制方式，这种硬布线的逻辑控制方式的特点是原理简单、直观而且继电器控制系统不仅故障率高、通用性差，而且降低了电梯的运行可靠性与安全性，这种接线复杂、故障率高而且设备庞大的逻辑控制系统已经逐步被淘汰[1]。
随着科技的发展，现在国内主要采用可编程逻辑控制器（PLC）技术来控制电梯的运行。
该控制方式替代了微机信号集选控制方式和继电器控制方式。
采用可编程逻辑控制器（PLC）方式控制无需较大的生产规模，而且该程序设计具有编程简单、控制方便灵活、运行可靠稳定、成本低、抗干扰能力强以及强大的网络通讯功能等特点。
目前，国内大多数厂家都选用可编程逻辑控制器（PLC）来取代继电器控制和微机信号集选控制，因此可编程逻辑控制器（PLC）控制在国内电梯行业发展中得到了非常广泛的运用。
国外最早也采用继电器控制方式来控制电梯的运行，随着科技的发展和进步，逐渐淘汰了微机控制方式，现在也采用了可编程逻辑控制器（PLC）来控制电梯的运行。
电梯控制技术是核心部分，是一个非常重要的逻辑控制系统，系统要在首要保证乘客安全的基础上，在一定时间内进行检测和处理信号。
因此现在国内外一般都采用了可编程逻辑控制器（PLC）来控制电梯[2]。
（3）本论文的主要内容
本次设计的重点是用欧姆龙CPM1A系列型号的PLC来控制电梯的启动、运行、停止等功能。
本文第一章主要介绍有关PLC的简介、未来展望、组成特点、四层电梯的工艺简介、四层电梯过程分析、控制系统的控制要求以及硬件连接和器件选用等。
第二章主要介绍PLC软件的控制设计，包括系统流程图、I/O口分配以及系统程序的具体分析等。
第三章主要介绍组态设计方面包括组态的介绍和特点以及组态图的说明等。
1四层电梯控制系统设计
1.1PLC简介
1.1.1PLC的基本概念
PLC（ProgrammableLogicController）中文名称为可编程逻辑控制器，是专为工业环境应用而设计的一种数字运算操作的电子系统[3]。
PLC内部的存储器可以处理来自输入电路的的信息，然后转换为所要求的输出信息，再通过输出电路的物理过程来完成对负载的控制而面向用户。
1.1.2PLC未来展望
目前，PLC应用到很多领域，在各个领域上都有着很重要的作用，给人类带了很多好处。
未来的PLC发展前景和空间非常的大，各国之间的相互的竞争会使PLC的发展速度更加的快，从而会出现更加完美和完善的产品而面向用户和消费者。
未来计算技术上的很多新成果都会运用到PLC上，使其功能更加完善，给用户带来方便，能达到用户的理想要求。
各国之间的编程语言会随着国家竞争的加剧而打破，最终会出现国际上通用的编程语言[4]。
可编程逻辑控制器（PLC）会随着科技发展的需求，而运用到计算机控制系统中。
伴随着计算机和可编程逻辑控制器的网络发展，可编程逻辑控制器将会成为未来不可缺少的重要组成部分，将会在很多领域发挥着越来越大的作用，例如在工业、纺织业、建筑等以及其他的众多领域都会起到很大的作用。
因此中国电梯的发展应该在保证乘客安全的前提下向节能型、智能化等方向发展。
1.1.3PLC的特点
PLC是一种新科技出现的编程软件。
具有A、应用简便：
（1）应用灵活而且方便用户安装
（2）编程简化易懂，用户不需要对计算机有太多深入的了解和研究（3）用户可以安全地操作而且维修容易。
B、可靠性高C、抗干扰能力和环境适应性能力都非常强D、功能完善E、成熟的工控网络体系，便于通信和远程实时监控。
PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的，所以在数字处理、顺序控制等方面上有一定的优势[5]。
与继电器相比性价非常强，主要体现在易于操作人员在现场更改程序而且使用、维护、维修起来也非常方便。
1.1.4PLC的组成
CPU、存储器、I/O输入输出部件、编程器等外部设备、电源是必不可少的。
（1）CPU单元
PLC的核心是CPU，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
其内存主要用来存储程序和数据，是PLC不可缺少的组成单元之一。
CPU的控制器控制CPU工作，由其读取指令、解释指令以及执行指令。
（2）存储器
可读/写操作的随机存储器RAM和只读存储器是PLC的两大存储器。
PLC存储器的主要功能是用于存放系统程序、用户程序以及工作数据。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数之一，其决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
PLC中的CPU和存储器相互配合，来共同完成控制功能。
采用非常快速的巡回扫描周期，一般周期为为0.1s-0.2s，更快的则选用50ms或者更小的扫描周期。
它是一个数字采样控制系统。
（3）输入/输出（I/O）单元
I/O单元是PLC和外部设备之间相互联系的窗口。
PLC和电气回路之间的接口，是通过输入和输出口来完成的。
I/O模块不仅集成了PLC的I/O电路，而且其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块把电信号转换成数字信号传送给PLC控制系统，输出模块则正好相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC；按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等。
（4）电源
PLC自带开关电源，用来供应内部电路使用。
与普通的电源相比，PLC电源的稳定性不仅非常好而且其抗干扰能力也非常的强。
对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。
许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器的供电使用。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
（5）通讯单元
联网和通信PLC通信含PLC间的通信以及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便[6]。
1.1.5四层电梯工艺简介
在电梯控制系统中，所需要的设备很庞大，每个指令都需要配置一个数据线来传递数据信息，由于线路太多和太复杂，以及需要控制的阀门数量也非常繁多，在控制系统的维修方面给维修人员带来了诸多的不便。
另外，当乘客下达命令后，由于指令较多，线路也比较混乱，可能会导致电梯没有响应乘客的呼叫请求，或者出现突发故障，使乘客不能及时到达目的地。
因此，电梯的规范化、自动化，不仅能减轻操作人员和维修人员的劳动强度，同时也能优化控制系统，节约能源。
因此，只有改善电梯的控制系统才能保障乘客的生命安全。
本设计采用欧姆龙CPM1A型号系列的PLC编程软件，对国内传统电梯控制方式加以改进和更新，设计出一款高效、廉价、安全、能手动停止和自动运行的电梯控制系统。
电梯有内选信号和外呼信号，乘客可以下达命令来实现电梯的运行，同时来满足所要到达的楼层。
PLC电梯控制系统主要是由上位机和下位机这两大部分组成，可编程逻辑控制器（PLC）控制系统是该控制系统的核心。
该控制系统能够实现电梯的启动、运行、停止和报警等功能。
1.2四层电梯总体分析
典型的四层电梯如图1.2所示：
（1）开始时，假设电梯轿厢停在一楼。
（2）当轿厢外面的乘客按下按钮后，轿厢会响应该乘客的呼叫请求信号，然后轿厢达到该乘客这一楼层时，轿厢会自动停止运行（轿厢会自动开门和关门，此期间定时为2秒）。
（3）当有轿厢内的乘客按下按钮后，轿厢会响应该乘客的呼叫请求信号，然后轿厢达到乘客所要到的楼层后，轿厢会自动停止运行（轿厢会自动开门和关门，此期间定时为2秒）。
（4）在轿厢上升或者下降的时候，一种情况是轿厢上升的过程中，任何反方向下降的外呼梯请求信号均不会响应；另一种情况是轿厢下降的过程中，任何反向上升的外呼梯请求信号均不会响应。
假如电梯轿厢在运行过程中，再无任何来自反方向乘客的呼叫请求信号时，电梯轿厢会自动响应该楼层等候的乘客。
假如电梯轿厢开始的时候在一楼，在去三楼接送乘客的过程中，可以满足二楼向上乘客的的呼叫请求，但不能满足向下乘客的呼叫请求。
当乘客按下按钮到达三楼后，假如四楼没有乘客呼叫请求，那么电梯轿厢可以满足三楼乘客向下和二楼乘客向下的呼叫请求。
相反，轿厢会一直到达最顶楼，然后再去响应乘客向下运行的呼叫请求。
（5）电梯的轿厢应该能满足最远反向乘客的呼叫请求。
假设轿厢最开始停在一楼，而这时有二楼乘客呼叫向下的请求，三楼乘客呼叫向下的请求，四楼乘客呼叫向下的请求，那么电梯轿厢应该先去四楼接乘客，然后再响应三楼和二楼乘客向下的呼叫请求。
（6）电梯轿厢只有在到达乘客所要到达的楼层后会自动停下来，然后轿厢门会自动开门和关门（轿厢开门和关门的时间为2秒）。
图1.2四层电梯过程示意图
1.3控制系统的控制要求
电梯控制要求：
（1）确定轿厢的位置和楼层号
无论乘客在什么位置，都想知道轿厢此时此刻轿厢的位置以及轿厢所处的楼层，因此，为了方便乘客，电梯轿厢的内外都会安装楼层显示器。
（2）乘客呼叫请求信号的确定
呼叫请求分为两种情况，一种是轿厢外的乘客的呼叫请求，另一种是轿厢内的乘客的呼叫请求。
内选信号是指乘客可以按下轿厢内的选层按钮来选定所要达到的楼层。
当乘客按下按钮之后，该信号会被记忆，同时点亮相应的楼层指示灯。
外呼信号是指等在轿厢外的乘客按下轿厢外的上行或者下行的楼层指示按钮。
乘客的呼叫请求会显示在楼层指示灯上，只有当乘客到达所要去的楼层之后才会自动消失数据。
（3）乘客上升和下降的呼叫请求
电梯轿厢的上行或者下行是根据乘客的呼叫请求而定的，通常电梯轿厢会满足乘客先上后下的呼叫请求。
在电梯上升的过程中，电梯轿厢只能满足向上乘客的呼叫请求，不能满足先下乘客的呼叫请求，同理，在电梯轿厢下降的过程中，电梯轿厢只能满足向下乘客的呼叫请求，不能满足向上乘客的呼叫请求。
当轿厢送完最远楼层的乘客后，才会反向再去响应其他楼层向下乘客的呼叫请求。
（4）轿厢的启动与停车
轿厢应在启动之后才能开始运行，运行过程中可能出现故障等一系列问题，所以应该有手动停车的功能。
（5）安全保护
电梯的安全保护很重要，这是为维修人员及乘客的安全所着想，因此本设计中增加了启动按钮、故障按钮和停止按钮。
总之，电梯的控制技术是比较复杂的，最早我国是用继电器控制电梯，而随着科技的发展，逐渐用可编程逻辑控制器来取代继电器控制电梯运行[7]。
采用可编程逻辑控制器控制电梯，使电梯更加稳定可靠。
如图1.3所设计的是四层电梯轿厢运行组态图，为了满足乘客的方便，安装了楼层指示灯：
按钮1、按钮2、按钮3、按钮4表示的是楼层号。
在轿厢外等候的乘客可以按下按钮上或者按钮下来呼叫电梯。
电梯轿厢上升或者下降时，会对来自乘客的各种呼叫请求进行综合地分析和处理，然后来确定所要达到的楼层。
因此，电梯轿厢自身会选择所要运行的方向，而且同向的乘客可以一起乘坐，到达每一楼层都会显示该楼层号，到达后会自动消号，只显示停在该楼层的楼层号。
电梯到达乘客所要达到的楼层后会自动停止运行（电梯轿厢开门和关门定时为2秒）。
图1.3四层电梯过程工艺图
假设电梯轿厢停在最底层，当有轿厢外的乘客有呼叫请求时，电梯轿厢会响应该楼层乘客的呼叫请求，到达该楼层后，电梯轿厢会自动停止运行并开门和关门（定时为2秒）。
在电梯轿厢上升的过程中，只能满足向上乘客的呼叫请求，不能满足先下乘客的呼叫请求，同理，在电梯轿厢下降的过程中，只能满足向下乘客的呼叫请求，不能满足向上乘客的呼叫请求。
假如在电梯轿厢运行的过程中，电梯轿厢运行反方前方没有其他乘客的呼叫请求信号时，那么电梯轿厢此时会响应该楼层乘客的呼叫请求信号。
1.4硬件连接
本设计系统所采用的是欧姆龙CPM1A系列型号的PLC，该系列型号的PLC主机上只有20输入和输出，分别为12点输入和8点输出。
因此还需要用到相应的扩展模块上的输入和输出点。
该设计主要采用上位机和下位机组成自动控制环节。
上位机主要是负责对该控制系统的工作运行的状况进行监视，下位机能直接控制电梯轿厢的工作运行，其中上位机与PLC之间的通信是通过COM端口用RS-232相连接的[8]。
首先要将PLC接入220V的交流电源上，然后再将启动、停止各个开关通过24V直流电源连接到PLC的输入端口上（系统硬件接线图见图1.4所示）。
图1.4PLC硬件连线图
1.5器件选用
该设计采用两级控制模式分别为工控机作为上位机，PLC系统作为下位机。
其中工控机作为监控机械手的运行状态来使用，PLC控制系统是该控制系统的核心。
1）上位机
工控机作为上位机，其功能主要是用来完成状态的显示、打印输出、并且向PLC传递各种分类控制信号，同时进行图像处理等功能，从而实现了对该控制系统的实时监控的目的。
2）下位机
状态的判别和输出控制等工作是由PLC下位机来实现的。
下位机能直接控制电磁阀和继电器，来实现对各个执行元件的控制。
本系统采用价格适中、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程逻辑控制器欧姆龙CPM1A型号系列的PLC来实现四层电梯控制工艺的控制要求的。
电源、中央处理器和I/O元件是欧姆龙PLC必备的器件。
欧姆龙PLC是一个严密高速的程序控制器，该编程软件不仅易于用户编程，而且其内配有丰富的指令系统、丰富的特殊模块和通信能力。
该软件也能满足生产自动化的多级要求。
本设计系统采用欧姆龙CPMA1型号的PLC是一种功能完善且紧凑型的PLC，其内有大程序容量和存储单位。
另外CPU单元自带RS-232C接口，具有点到点接口、多点接口等通信协议，能实现程序的传递，数据通信等功能。
欧姆龙CPM1A型系列PLC有20点输入和输出，分别为12点输入和8点输出，配有CX-Programmer软件用于控制部分编程时使用。
3）通信方式
CPM1ACPU支持点到点接口、多点接口。
这些都是系统内部通信的结构模型，并且是异步、基于字符的协议。
其中的点到点通信方式是非常简单方便的通信协议，用一根RS-232C数据线进行数据信号的传送，不用再另外再配置模块和软件。
因此，本系统选择点到点的通信方式，简单而且能满足通信的要求。
欧姆龙CPM1A型号的PLC上配有RS-232C的通信接口，所以在不增加其他硬件的情况下，可以很方便地将计算机和欧姆龙PLC互联。
通过RS-232使上位机和下位机连接构成HOSTLINK协议进行通信[9]。
RS-232是欧姆龙PLC最通用的一种串行通信标准，并且是点到点的通信方式，只能连接两个通讯设备。
当波特率为19200时，最大距离为75米，当波特率为9600时，最大距离为900米。
计算机的串口是标准的RS-232接口[10]。
使用RS-232转换器能减少一个RS-422串行接口板。
系统结构如图1.5所示。
图1.5系统结构
2控制系统PLC软件设计
PLC是通过程序对系统实现控制的。
因此在一定程度上能反映出该种机型其指令系统控制功能的强弱。
本设计采用欧姆龙CPM1A系列的PLC，虽然该系列PLC属于小机型，但却有非常丰富的指令系统[11]。
CPM1A系列PLC的基本指令14种，应用指令有79种、139种。
梯形图、语句表、逻辑功能图、逻辑方程式等都是PLC中常见的编程语言，而最常用的就是梯形图。
欧姆龙CPM1A型号的PLC采用的是梯形图编程语言，该语言不仅简单容易掌握，而且也很直观的可以看到程序的执行结果。
梯形图语言逻辑性比C语言和汇编语言都强，而且指令简单易懂，让人很容易记住。
欧姆龙PLC控制程序用CX-Programmer编程软件开发。
CX-Programmer是欧姆龙公司PLC的软件编程﹑调试的工具程序，其运行在Windows操作系统下，具有非常丰富、简捷的操作环境和强大的编程、调试功能[12]。
可实现梯形图的编程、监视和控制以及随时更改程序等功能，可以进行大量程序的编写工作。
CX-Programmer编程软件支持模块化设计，可以通过RS-232C将编写好的程序传送到PLC上来控制现场的设备。
电梯控制程序正常工作时程序存放在存储卡中，假如要修改原程序，需要先将PLC设定在停止的状态下，上位机与下位机是通过标准的RS-232进行串口通信的，运行CX-Programmer编程软件，打开电梯控制程序，即可在线调试，也可以用编程器对该控制系统进行调试。
本设计采用欧姆龙CPM1A系列PLC，其主要功能有丰富的指令系统、模拟设定电位器功能、输入时间常数设定功能、高速计数器功能、外部输入中断功能、脉冲输出功能等等。
CPM1A系列PLC的主机按I/O点数分有10点，20点，30点，40点四种；按使用电源类型分，有AC型和DC型两种；按输出方式分，有继电器输出型和晶体管输出型两种[13][14]。
2.1系统流程图
电梯的智能化控制，分为自动和手动两种控
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