基于PLC的电梯控制器的设计-毕业设计.doc

基于 PLC 的电梯控制器设计 - 1 - 目录目录 中文摘要.1 英文摘要.2 1 引言.3 2 电梯.4 2.1 概述 .4 2.1.1 电梯的发展4 2.1.2 电梯的应用5 2.1.3 电梯的发展方向5 2.1.4 电梯的分类6 2.2 电梯的基本结构 7 3 总体设计.9 3.1 设计要求 9 3.1.1 标准功能9 3.1.2 特别功能10 3.2 设计方案 11 3.2.1 电梯系统主要参数的选择11 3.2.2 电机的选择11 3.2.3 PLC 的选择 11 3.2.4 调速方式的选择.11 3.2.5 变频器的选择12 4 可编程控制器.13 4.1 概述 .13 4.1.1 可编程控制器的发展13 4.1.2 PLC 的主要性能指标 13 4.1.3 PLC 的分类 14 4.1.4 PLC 的特点 14 4.1.5 PLC 的功能 15 4.1.6 PLC 的工作流程 16 4.1.7 PLC 与其他自动控制系统比较 17 4.2 西门子 S7-200 PLC .18 4.2.1 硬件系统18 4.2.2 通信与网络18 5 电梯调速系统.20 5.1 概述 20 5.2 变频器 20 5.2.1 变频器的形式与结构20 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 2 - 5.1.2 西门子 MICROMASTER440 型通用变频器 22 6 详细设计.24 6.1 硬件设计 24 6.2 软件设计 27 结论.37 谢辞.38 参考文献.39 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 0 - 基于基于 PLC 的电梯控制器设计的电梯控制器设计 摘要：摘要：本文介绍了一种基于可编程控制器(PLC)的电梯控制方法。作者对电梯控制 系统的现状作了分析，根据国家有关标准选择系统硬件，利用现代控制技 术改进了传统的电梯控制方法。该方法基于电气集选控制原则，以 PLC 和 变频器为控制器和调速器，以交流异步电动机为控制对象，利用脉冲编码 器取代传统的位置检测装置进行位置反馈，通过 PLC 与变频器之间的通信 来实现主电机与门电机的起停与调速控制。本文所述控制系统用软件代替 部分硬件功能，适当的减少了输入和输出点数，降低了系统成本，提高了 系统的可靠性和安全性。采用变频器调速提高了电梯的平稳性和乘客的舒 适感，有效的提升了平层准确性，同时提高了电梯的控制精度，实现了对 电梯的全数字化控制。设计了主电路与关键的控制电路原理图，并给出主 要软件的流程图和部分程序代码。 关键词关键词：电梯、变频器、调速、PLC。 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 1 - Design of PLC-based elevator controller Abstract: A method of elevator control based on programmable logical controller (PLC) is introduced in this paper. The present situation of elevator control system is analyzed in the first, the system hardware is chosen according to the relevant national standards, the traditional control methods are improved by modern control technology. In the method based on the principles of electrical control assembly election, PLC and variable frequency transducer are used as main controller and regulator respectively to control the controlled object of the alternative current induction motors, the pulse encoder is used to replace the traditional position detect devices to achieve the position feedback, the communication between PLC and transducer is adopted to start and stop the motors and regulate the speed. A part of hardwares functions are implemented by software in the proposed method, which reduces the number of input and output points and the cost of the whole system and improves the security and the reliability. The transducer is used to improve the smooth lift and passenger comfort, the leveling accuracy and the lift control precision. The fully digital control of the elevator is realized. The main circuits and the key control circuits are schematically presented. The flow chart of the main software and some program codes are also proposed. Keywords: Elevator; Transducer; Governor; PLC 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 2 - 1 引言引言 在现代复杂的楼宇建筑中，电梯成为不可或缺的运输工具，其使用越来越广泛。 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、容易实现、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1。 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。 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 3 - 2 电梯电梯 2.1 概述概述 2.1.1 电梯的发展电梯的发展 电梯发展的历史，可以追溯到公元前 236 年的古希腊。当时希腊有个叫阿基米 德的人设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬机，安装在尼罗宫殿里。这种卷筒式卷扬 机被认为是现代电梯的鼻祖。据有关资料记载，在古代埃及，当时为了修建金字塔， 曾经使用过由人力驱动的升降机械2。 1852 年，德国制造出人类历史上最早的用电动机拖动提升绳索来使轿厢上下运 行的电梯，但结构简单、无导轨、无安全装置，仅供货物运送。1857 年，美国人奥 的斯研究升降梯的安全装置成功后，世界上第一台载人电梯问世。1858 年美国研制 出以蒸汽为动力，并通过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯。1878 年英国的阿姆斯 特朗发明了水压电梯，随后水压电梯的使用淘汰了蒸汽电梯。后来又出现了采用液 压泵和控制阀的电梯，并采用至今。1889 年，美国奥的斯公司将卷筒式驱动的电梯 改进为曳引轮驱动，为开发行程长、速度高的电梯奠定了基础。当时的电动机是直 流电机，使用时具有控制困难、平层不准确等问题，为了消除这些缺点，人们采用 发电机电动机组的直流变压方式，从而实现了电梯的高速化。 由于交流感应电动机的出现，1915 年起人们开始使用交流式电梯。到了 20 世 纪 50 年代，电梯广泛采用了电子技术，设计制造出了群控电梯，提高了电梯自动 化程度。到了 20 世纪 70 年代，电梯控制系统应用了集成电路、微处理机，使电梯 的电气控制进入了以个新的发展时期。电梯发展到了 90 年代，随着计算机技术和 现场总线技术的发展，电梯控制系统由并行信号传输向以串行传输为主的方式过渡。 我国从 1908 年在上海汇中饭店等一些高层建筑安装了第一批进口电梯起，到新 中国成立以前的 1949 年，全国各大城市中安装的电梯已有数百台。上海和天津等 地也先后建立了几家电梯修配厂，从事电梯的安装与维修业务。新中国成立以后， 先后在上海、天津、沈阳、西安、北京、广州等地建立了电梯制造厂，使我国的电 梯工业从无到有，从安装维修到制造，从小到大地发展起来。 我国从 20 世纪 50 年达开始生产电梯，用我国生产的电梯产品先后装备了人民 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 4 - 大会堂、北京饭店等政府机关和国家宾馆。60 年代开始生产自动扶梯和自动人行道， 生产的自动扶梯装备了北京地铁车站，生产的自动人行道装备了北京首都机场。随 着我国对外开放，80 年代开始引进技术，我国的电梯工业得到飞速发展。 进入 21 世纪以来，随着人口的增加，经济的发展，我国城市化水平迅速提高， 大批的高楼大厦拔地而起，电梯在人们生活中的地位逐步增强，成为重要的运输设 备之一。 2.1.2 电梯的应用电梯的应用 电梯应用范围很广，一般安装在高层楼内较多，特别是大城市的居民住宅、政 府机关、商场、饭店、医院、仓库、机场、矿井、船舶、车站、电厂、工地等地方。 我国的中小城市和大学企业在 20 世纪 90 年代前后也安装了很多电梯。 飞机场的地下车库，使用运机梯垂直将飞机提升到机场跑道上；矿井下使用矿 井梯供井内运送人员和货物；船舶上使用电梯运送人员和货物；工地使用施工电梯 来运送建筑施工人员和材料；汽车场装运汽车的电梯；消防用电梯是在发生火警时， 用来运送消防人员、消防器材及乘客；还有防爆、耐热、防腐蚀等特殊用途电梯及 自动扶梯、自动人行道等都是现代建筑中必备的交通设备。 2.1.3 电梯的发展方向电梯的发展方向 目前，电梯技术不断发展，新型电梯不断出现，但总的来说，电梯的未来在于 四个方面。 更加智能：电梯智能群控技术不断出现，如基于专家系统的群控、基于模糊 逻辑的群控、基于计算机图像监控的群控、基于神经网络控制的群控、基于遗传基 因法则的群控等。这些群控系统能适应电梯交通的不确定性、控制目标的多样化、 非线性表现等动态特性。随着智能建筑的发展，电梯的智能群控系统将与大楼所有 的自动化服务设备结合成整体智能系统。 更加高速：21 世纪以来，世界各地城市化水平不断提升，为了在有限的空 间 内满足人们的居住与工作需求，超高层建筑不断出现，电梯的高速化成为电梯技术 发展的重要方向。曳引式超高速电梯的研究继续在采用超大容量电动机、高性能的 微处理器、减振技术、新式滚轮导靴和安全钳、永磁同步电动机、轿厢气压缓解和 噪声抑制系统等方面推进。采用直线电机驱动的电梯也有较大研究空间。未来超高 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 5 - 速电梯舒适感会有明显提高。 网络化与信息化：电梯控制系统将与网络技术相结合，用网络把各地的电梯 监管起来进行维保；通过电梯网站进行网上交易，包括电梯配置、招投标等，也可 以在网上申请电梯定期检验。 更加绿色环保：世界资源与能源问题的不断突出，要求电梯在环保方面做出 改变。能耗更低、减少油污染、电磁兼容性强、噪声低、长寿命、采用绿色装潢材 料、与建筑物协调等等。 2.1.4 电梯的分类电梯的分类 1、按用途分： 乘客电梯（TK）：为运送乘客而设计的电梯； 住宅电梯（TZ）：为运送居民而设计的电梯； 载货电梯（TH）：为运送通常有人伴随的货物而设计的电梯； 客货电梯（TL）：主要为运送乘客、同时也可运送货物而设计的电梯； 病床电梯（TB）：为运送病床、病人及医疗设备而设计的电梯； 杂物电梯（TW）：服务于规定楼层站的固定式而设计的提升装置； 观光电梯（TG）：为乘客观光而设计的电梯； 船用电梯（TC）：为船舶上使用而设计的电梯； 车用电梯（TQ）：为运送车辆而设计的电梯； 建筑施工电梯：为建筑施工与维修而设计的电梯。 此外还有一些特殊用途电梯，如：运机梯、矿井梯、消防梯等。 2、按速度分： 低速电梯； 快速电梯； 高速电梯； 超高速电梯； 特高速电梯。 3、按拖动方式分： 交流电梯：曳引电动机是交流电动机； 直流电梯：曳引电动机是直流电动机； 液压电梯：靠液压传动的电梯，分为柱塞直顶式和柱塞侧置式； 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 6 - 齿轮齿条式电梯：靠齿轮在齿条上的爬行来驱动轿厢的电梯。 此外，除了以上三种分类方式外，还可以按控制方式分、按有无司机分、按动 力电源分、按机房位置分、按传动结构形式分等，这里就不作叙述。 2.2 电梯的基本结构电梯的基本结构 电梯的结构，按传统方法可以分为机械部分和电气部分。机械部分由曳引系统、 导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、机械安全保护系统等组成。电气部分主 要由电气控制系统、操纵箱等部件以及分别安装在各有关电梯部件上的电气元件等。 1-减速箱； 2-曳引轮； 3-曳引机底座； 4-导向轮； 5-限速器； 6-机座； 7-导轨支架； 8-曳引钢丝绳； 9-开关碰铁； 10-紧急开关； 11-导靴； 12-轿架； 13-轿门； 14-安全钳； 15-导轨； 16-绳头组合； 17-对重， 18-补偿链； 19-补偿链导轮； 20-张紧装置； 21-缓冲器； 22-底坑； 23-层门； 24-呼梯盒； 25-层楼指示灯； 26-随行电缆 27-轿壁； 28-轿内操纵箱； 29-开门机； 30-井道传感器； 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 7 - 31-电源开关； 32-控制柜； 33-曳引电机； 34-制动器。 图图 1.1 电梯的基本结构电梯的基本结构3 1、曳引系统 曳引系统主要由曳引电机、钢丝绳、导向轮、反绳轮等组成。 曳引电机是驱动电梯轿厢和对重装置作上、下运动的装置，可分为无齿轮曳引 机和有齿轮曳引机两种。无齿轮曳引机用在运行速度 v2m/s 的高速电梯上，这种 曳引机的曳引轮紧固在曳引电机轴上，没有机械减速机构，整机结构比较简单。有 齿轮曳引机广泛用于运行速度smv/2 的各种货梯、客梯、杂物电梯上。 电梯的载荷、运行速度等主要参数取决于曳引机的电动机功率和转速、蜗杆与 蜗轮的模数与减速比、曳引轮的直径和绳槽数，以及曳引比等。 在电梯的曳引机上一般装有电磁式直流制动器。 2、导向系统 导向系统的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，主要由导轨、导靴和导轨架构成。 3、轿厢 轿厢的功能是运送乘客或货物，是电梯的工作部分，主要由轿厢架和轿厢体组 成。 4、重量平衡系统 重量平衡系统的功能是为了相对地平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢和对 重的重量差保持在某一限额之内，保证电梯的曳引传动正常，由对重和重量补偿装 置组成。 5、电力拖动系统 电力拖动系统的功能是提高动力，实现电梯的速度控制，主要由曳引电动机、 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 8 - 供电系统、速度反馈装置、电动机调速装置等构成。供电系统为电梯的电动机提供 电源，电动机调速装置对曳引机和门机实行调速。 6、电力控制系统 电力控制系统的功能是对电梯的运行实行操纵和控制，主要由操纵装置、位置 显示装置、控制柜、平层装置、选层装置等组成。 7、安全保护系统 安全保护系统主要由限速器、安全钳、缓冲器、端站保护装置等组成，其功能 是保证电梯的安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 9 - 3 总体设计总体设计 3.1 设计要求设计要求 3.1.13.1.1 标准功能标准功能 基于 PLC 的电梯控制系统必须具备以下标准功能： （1）开关门：到达指定楼层平层后自动开门，并有一定的开门保持时间，以保 证所有乘客进出轿厢后再自动关门，门有格挡时重复开门，直到门关闭为止。长时 间开门时判定门有物体阻碍并报警，当电梯处于停站状态且有手动开关门信号时不 管开门保持时间响应手动开关动作。为保证电梯安全运行，必须设置门锁装置，只 有关门后且有门锁信号时电梯才能升降； （2）层选控制：登记外部召唤与内指令信号，根据轿厢所处位置，生成层选信 号，判定轿厢运行方向，电梯运行时如有顺路厅外呼叫，则顺路停车载客并继续运 行，对于反向呼叫电梯予以登记，并在响应完所有正向呼叫后响应反向呼叫信号； （3）电机起停与速度控制：在关门后且有门联锁信号时，由 PLC 发出起停信号， 控制电机的起停，根据已知的速度曲线，发出加速或减速信号，控制电机在起动后 加速和平层时减速，为保证速度控制精度须设置速度反馈； （4）平层控制：保证电梯在到达指定楼层平层区时减速爬行，将轿厢停在选定 的楼层上； （5）显示功能：在轿厢内外利用信号灯显示电梯运行方向、楼层位置及选定呼 叫，在电梯响应完登记的外部呼叫后消除所登记的外部呼叫，在电梯响应完登记的 内指令后自动消除所有已登记的内指令信号； （6）称重功能：过载时报警并持续开门，空载无人时快速运行； （7）换站停靠7：通常电梯运行时，可能会出现一种情况，即在电梯停靠时， 由于所停层站出现故障或垃圾卡入地坎，电梯开门不到位，而门锁开关脱开。如果 对此没有相应保护措施，势必会造成电梯在该层站呈僵持状态，即不能开足门，也 不能再运行，使乘客无法进入轿厢，其他层站的乘客也无法得到电梯服务。而且持 续的过载运行会使开关门电机有被烧坏的危险。因此必须具有换站停靠的功能：如 果电梯停站，自动开关门动作持续一段时间后，门尚未开足，就作关门动作，待门 关闭后，根据轿厢内指令或外部召唤运行到其他层站开门放客。 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 10 - （8）检修功能：当电梯需要检修时，由操作人员按下检修按钮，电梯自动进行 慢速的检修上行或检修下行，以检查电梯性能； （9）消防功能：当发生火灾时，外部的消防系统起动并向电梯控制系统发出消 防信号，电梯进入消防模式，此时电梯迫降在最近层楼，轿厢内指令可用，但禁止 外部呼叫，待所有乘客离开轿厢后电梯禁止使用。为了防止消防系统的误操作带来 电梯的迫降，消防模式也可设置在手动状态，当操作人员发现火情时，起动电梯的 消防模式。 （10）制动功能：当电梯平层停站时，制动系统通过抱闸等形式使电梯固定在 一定位置，确保电梯和乘客的安全，并在突然停电时，自动起动制动系统，再次来 电时，必须由操作人员停止制动系统后才能电梯再可以再次起动。 3.1.23.1.2 特别功能特别功能 有的电梯除了具有标准功能外还有其它特别功能4，如： （1）门的光电装置安全操作：为了防止乘客被电梯门夹住，电梯应装有安全触 板开关。但是，对于乘客来说，被安全触板碰一下，虽然不会有什么损伤，但总不 是一件舒服的事。为此，可以备有门的光电装置安全操作功能。考虑到万一光电装 置发射部或接收部被堵住，如果没有特别对策这台电梯就永远不会关门，严重影响 服务效率，因此可以采取以下对策：只要按下关门按钮，即使光电装置的光线被 挡住电梯照样关门，因此按住关门按钮者定是看到门间无人后才这么做的；当连 续一段时间光线被阻挡，电梯仍然自动关门，因为一般说来，不可能连续很长时间 内都有乘客进出轿厢； （2）停电自动平层操作：如果大楼内没有自备的紧急供电装置，而遇到突然停 电时，可能使正在运行的轿厢卡在层楼之间，使乘客无法出来，因此配备紧急平层 装置有时是必要的。有了该装置后，万一遇到停电情况，电梯卡在层楼一段时间后， 就利用紧急平层装置起动电梯，运行到最近层停靠后，自动开门放客，保证了乘客 的安全； （3）轿厢内无用呼叫信号的自动消除：有的乘客在乘电梯时，乱按了许多内呼 叫按钮，如果没有特别的操作，这些被登记的无用呼叫将使电梯空跑许多时间，即 浪费电能，又影响了电梯对其他乘客的服务效率。为此，设置无用呼叫的自动消除 是很有意义的，当电梯探测到轿厢内呼叫信号多于乘客人数时，就认为其中有无用 的呼叫信号，将已登记的轿厢呼叫信号全部消除，有真正需要的可重新登记，从而 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 11 - 避免电梯空跑； （4）群控功能：有时，一个电梯对于某高层建筑来说是不够的，会导致乘客等 待时间过长，因此需要安装多部电梯，此时，应有群控功能。群控时，所有群内电 梯是由群控系统统一调配的，即每台电梯除了响应本身的轿厢内呼叫外，还要响应 群控系统分配的其他层站呼叫，从而提高服务效率。 除了上述功能外，有的电梯还具有自动语音报站、上下班高峰服务、节能运行、 自动学习、贵宾层服务等功能，这里不作一一介绍。 3.2 设计方案设计方案 3.2.1 电梯系统主要参数的选择电梯系统主要参数的选择 根据国家有关标准 GB/T7025.1-1997，电梯的主参数选择如下：类：为运送 乘 客而设计的电梯；住宅楼电梯；无司机电梯；额定载重量 1000kg，可乘人数 13 人； 轿厢宽度 1100mm，深度 2100mm，高度 2200mm；轿门和层门宽度 800mm，高度 2000mm，型式为中分门；额定速度 1.50m/s，基站为一层。 3.2.2 电机的选择电机的选择 众所周知直流电动机虽然调速性能很好，但构造复杂，使用环境及容量都受到 限制，相比而言，三相交流感应异步电动机结构简单、便于维护，且目前已有不少 交流电机的调速方法并且获得了良好的控制效果，故选择交流电动机为电梯的曳引 电机和门电机。曳引电机的主要参数为功率 15kw,平均转速 960r/min。 3.2.3 PLC 的选择的选择 由于此次设计的建筑为 9 层，经初步估算输入与输出点数约为 50/40 个，考虑 到控制系统的可靠性、经济性要求，选择西门子 S7-200 系列 PLC 作为电梯控制用 PLC。西门子 S7-200 系列 PLC 为小型 PLC，它可靠性高，指令功能强，易于掌握， 有较好的通信功能，在中小型控制系统中能充分发挥作用。 3.2.4 调速方式的选择调速方式的选择 传统的交流单速与双速电梯由于其速度不可控且起停不够平稳、平层不够准确 等缺点，已越来越难以适应现代生活，由于变频器具有恒压频比、矢量控制、直接 转矩调速方式，具有调速方便、节能、调速范围宽、机械特性好、运行舒适可靠的 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 12 - 优点，且可实现闭环控制，本次设计选择变频器来控制电动机的速度。 3.2.5 变频器的选择变频器的选择 考虑到电梯调速性能的需要，根据电梯的速度、曳引比以及电梯的载重来确定 曳引机的转速和功率，当曳引机的功率和电压确定之后，变频器的选型要和曳引机 相匹配，一般是选取大于曳引机功率的上一个档次的数据来选择。不能小也不能太 大，太大不但造成成本的上升，而且导致控制精度的降低。使整个系统的性能下降。 这里选择西门子 MicroMaster440 型变频器。西门子 MicroMaster440 型变频器 是一种多功能标准变频器， 它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输 出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，集成了 RS485 通讯接口，可 选 PROFIBUS-DP/Device-Net 通讯模块，具有过电压、欠电压保护 ，满足广泛 的应用场合。 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 13 - 4 可编程控制器可编程控制器 4.1 概述概述 4.1.1 可编程控制器的发展可编程控制器的发展 可编程控制器(Programmable Logic Controller)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5。 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，应用领域不断扩大和眼神，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。 4.1.2 PLC 的主要性能指标的主要性能指标 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； 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 14 - 2、存储容量：存储容量决定了 PLC 可以容纳用户程序的长度； 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， 例如，西门子 S7-200 系列 PLC 执行一条布尔指令所用的时间为 0.37s，这在微型 机中属于较快速度的； 4、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； 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。 4.1.3 PLC 的分类的分类 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 12KB， 小型机的数字量 I/O 点数在 256 点以内，存储器容量为 24KB，中型机的数字量 I/O 点数在 2048 点以内，存储器容量为 416KB，大型机的数字量 I/O 点数在 8196 点以内，存储器容量为 1664KB，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； 3、按功能的强弱，PLC 可分为高、中、低档机三类。低档机具有逻辑运算、定 时、计数、移位、自诊断、监控等基本功能，有的还具有模拟量输入/输出、数据 传送、运算、通信等功能。中档机除具有上述功能外，还有数码转换、子程序调用、 通信联网等功能，有的还具备中断控制、PID 控制等功能。高档机除具备上述所有 功能外，还有较强的数据处理能力、模拟量调节、函数运算、监控、智能控制等功 能。 4.1.4 PLC 的特点的特点 1、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 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 15 - 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； 2、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； 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、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，世纪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； 5、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； 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； 4.1.5 PLC 的功能的功能 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； 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 16 - 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。 4.1.6 PLC 的工作流程的工作流程 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 1.2 所示。 输 入 端 扫描周期 输 入 映 像 寄 存 器 程 序 段 输 出 端 元 件 映 像 寄 存 器 输 出 锁 存 器 输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段 用 户 输 入 设 备 用 户 输 出 设 备 刷新刷新 读写 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 17 - 图图 1.2 PLC 的工作流程的工作流程 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得当前输 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。 4.1.7 PLC 与其他自动控制系统比较与其他自动控制系统比较 1、PLC 与继电器控制系统比较：PLC 功能强，可以实现非常复杂的控制功能。 PLC 可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。PLC 用软件代替大量的中间继 电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，因触点接触不良造成的 故障大为减少。PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力。 另外，在可靠性和可维护性、体积和能耗、使用寿命和监控以及设计与施工周期等 方面，PLC 都有无可比拟的优势。继电器控制系统唯一的优势就是价格比较便宜； 2、PLC 与单片机控制系统比较：单片机具有结构简单、使用方便、价格低廉等 优点，一般用于数据采集和工业控制。PLC 在数据采集和数据处理等方面不如单片 机。PLC 用于行业控制，稳定可靠，抗干扰能力强，使用方面，但单片机的通用性 和适应性较强； 3、PLC 与微机控制系统比较：在使用环境方面，微机控制系统对环境要求较高， 一般要在干扰小、温度和湿度满足要求的机房内使用，而 PLC 能在工业现场恶劣的 环境下运行。在抗干扰方面，微机控制系统主要通过弱电联系，一般不进行电气隔 离，而 PLC 主要控制强电设备，采用了光耦隔离进行电气隔离，抗干扰性好。在程 序设计方面，微机控制系统的设计需要有较高的计算机知识和设计经验，而 PLC 的 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 18 - 编程语言简单易学。在运算速度和存储容量方面，微机比 PLC 有较大的优势。 4.2 西门子西门子 S7-200 PLC 4.2.1 硬件系统硬件系统 西门子 S7-200 PLC 系统由一个 S7-200 CPU 模块，一台微型计算机、一套 STEP 7-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 CPU 221、CPU 222、CPU 224 、CPU 226 等，每种型号的 CPU 模块都有 24V DC 和 120-220V AC 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。 S7-200 PLC 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。 S7 200 PLC 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，S7-200 PLC 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。 4.2.2 通信与网络通信与网络 S7-200 PLC 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 S7-200 PLC 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、19.2 Kbit/s 和 187.5 Kbit/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 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 19 - 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- 200 CPU 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 S7-300 CPU，则建立的是主/主连接，因为所有的 S7-300 CPU 但是网络主站。如果设备是 S7-200 CPU，则建立的是主/从连接，因为 所有的 S7-200 CPU 但是网络主站。S7-200 CPU 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。S7-200 CPU 可以通过 EM277 Profibus-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。 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 20 - 5 电梯调速系统电梯调速系统 5.1 概述概述 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 变频器变频器 5.2.1 变变频频器器的的形形式式与与结结构构 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，哟与采用不 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 基于 PLC 的电梯控制器设计 - 21 - 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。 调压 调压调频 调频调压 DC DC DCDC 可控整流器 PWM 逆变器 逆变器 不可控整流器 不可控整流器逆变器斩波器 ACAC AC ACAC 调频 b) a) c) a)用可控整流器调压 b) 用不可控整流器整流，斩波器调压 c) 用不可控整流器整流， PWM 型逆变器调压 图图 1.3 变变频频器器的的结结构构形形式式 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