毕业设计（论文）-基于PLC的六层电梯控制系统设计.docx

题 目 ： 基于PLC的六层电梯控制系统 设计(硬件) 英 文 题 目 : Six-layer Elevator Control System Based on PLC(hardware) 作 者 声 明本人以信誉郑重声明：所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。特此声明。毕业设计（论文）作者（签字）： 签字日期： 年 月 日 本人声明：该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。 学位论文指导教师签名： 年 月 日 摘要 摘 要电梯随着建筑物层数的不断增高，已经成为一个其它东西无法取代的垂直交通工具。伴随着经济的发展，电梯在建筑物中发挥的作用将会越来越大。电梯作为一个高层建筑的运输设备，它的安全性、可靠性、方便性都很高。由于传统的继电器电梯控制系统存在诸多不足，比如：维护困难、容易出故障、能耗大、编程繁琐。在这种情况下，人们对电梯的性能提出了更高的要求，传统的继电器电梯控制系统已经无法达到人们的要求。在本次设计中将会使用可编程程序控制器（PLC）作为六层电梯控制系统的控制器，这种控制器拥有传统继电器无法比拟的优点，比如它的安全性、可靠性、灵活程度、易维护等。不仅减短了电梯的开发时间，还大大降低了电梯的能耗，采用PLC作为电梯控制系统的控制器已经成为一种新的趋势。本文中首先了介绍了电梯的起源及发展，同时也展示了电梯的结构。紧接着完成了两个最关键的设计，第一个是对控制系统总体硬件的设计，包括PLC的选型、电动机的选型、变频器的选型，也给出了系统I/O分配表和各控制部分的硬件连接电路图。第二个是对控制系统软件的设计，给出了详细的梯形图。使系统具备启动及接近目标楼层时具有加减速功能、重量检测及超载报警功能、楼层显示、多人同时按键处理功能等。关键词：可编程控制器，六层电梯，梯形图，控制系统I ABSTRACTABSTRACT Elevator with the increasing number of buildings, has become an alternative to other things can not be replaced by vertical transport. With the development of economy, the role of the elevator in the building will be more and more big. Elevator as a high-rise building transport equipment, its security, reliability, convenience is very high. Because the traditional relay elevator control system has many shortcomings, such as: maintenance difficulties, easy to failure, energy consumption, and programming. In this kind of situation, people put forward higher request to the performance of the elevator, the traditional relay elevator control system has been unable to meet peoples requirements. Using programming controller (PLC) as a six story elevator control system controller, this controller has advantages of unmatched by traditional relay, such as its safety, reliability, flexibility, easy maintenance, etc. in this design will be. Not only shortens the elevator development time, but also greatly reduce the energy consumption of elevator, PLC as the elevator control system controller has become a new trend. First of all, this paper introduces the origin and development of the elevator, as well as the structure of the elevator. Immediately after the completion of the two most critical design. The first is to control the overall system hardware design, including PLC selection, motor selection, frequency converter selection are also given for the system I / O allocation table and the control part of the hardware connection circuit diagram. The second is the design of the software of the control system, and gives the detailed ladder diagram. The system has the function of acceleration and deceleration, weight detection and overload alarm, floor display, multi person button processing, etc.Key words: programmable logic controller； six layer elevator； control system； ladder diagramVII 目录目 录绪论11.1 电梯的定义，起源以及发展11.1.1 电梯的定义11.1.2 电梯的起源及发展11.2 当前电梯技术现状21.2.1 电梯控制技术方面21.2.2 电梯拖动技术方面21.2.3 电梯速度方面21.2.4 电梯节能效率方面31.3 电梯在国内外的发展概述31.3.1 国内电梯发展31.3.2 国外电梯发展31.4 电梯的结构41.5 电梯使用继电器控制的特点及问题51.5.1 电梯使用继电器控制系统的优点51.5.2 电梯使用继电器控制系统的缺点51.6 使用PLC控制电梯系统的特点51.6.1 高的可靠性51.6.2 维修以及使用更加方便使用61.6.3 扩展能力及灵活性强61.6.4 运行效率高以及通讯能力强61.7 课题研究的主要内容61.8 本文的工作6第二章 可编程控制器简介72.1 PLC的定义72.2 PLC的问世与发展72.3 PLC的发展前景82.3.1 体积较小的PLC功能不断增强82.3.2 集成化的程度变的更高82.3.3 标准化程度更高92.4 PLC发展的重点92.4.1 网络及通讯能力需增强92.4.2 增加人机界面体验舒适度92.4.3 开放性与相互操作性需提高92.4.4 以太网对PLC的重要影响102.5 当前PLC在我国的使用现状102.6 PLC的工作原理112.7 PLC的编程语言122.7.1 梯形图122.7.2 顺序功能图122.7.3 指令表132.7.4 结构文本132.7.5 功能块图13第三章 系统硬件设计143.1 系统的总体设计方案143.2设计控制系统的基本要求153.3 控制系统中各硬件选型153.3.1 I/O端口设计以及PLC型号的选择153.3.2 控制系统电机的选择193.3.3 变频器的简介及选型203.3.4重量检测装置及选型213.3.4旋转编码器的概述与选型223.4 电梯控制系统主要电路设计243.4.1 门电机的控制电路设计243.4.2 曳引电机的控制电路图设计253.5 电梯控制系统外部接线图26第四章 系统软件设计304.1 控制系统软件总体设计思想304.2 PLC的基本指令表304.3 电梯控制系统流程图设计314.3.1 主程序流程图设计314.3.2 子程序流程图设计324.4 电梯运行过程中多人同时按键状态选择334.5 电梯控制系统梯形图设计344.5.1系统功能子程序梯形图344.5.2数码管楼层显示梯形图434.5.3系统运行主程序46结论53致 谢54参考文献55附录一56附录二57 绪论绪论 伴随着社会经济和城市建设的持续发展，现代建筑物的规模越发变大，与此同时建筑物层数也变高。在这种大环境下电梯已经与人们的日常生活变得密不可分，电梯基本上变成了城市文明的标志。电梯性能的好坏已经严重影响到人民的日常生活，因此需要努力提升电梯控制系统的性能，从根本上实现电梯的安全性与可靠性，这又对电梯的速度范围与速度改变精度有了更加深层次的要求。 为了验证电梯的安全性，美国的一家公司调查显示，乘坐电梯这种方式的安全性是爬楼梯的五倍，并且每年乘坐电梯的人次远远超过乘坐其它交通工具的人次。 PLC（可编程控制器）电梯控制系统与其它的控制器相比拥有明显的优点，具有使用寿命长、可靠性高、自动化水平超前等特点。为了解决在新时代大环境下对电梯的需求，故深入研究电梯的控制系统具有十分重要的意义。1.1 电梯的定义，起源以及发展1.1.1 电梯的定义所谓电梯就是一种使用电力拖动为基础，具有乘客或者载货轿厢，运行在铅锤的或者铅锤方向小于等于15角的两列刚性轨道之间，运送乘客或货物的固定设备。电梯的主要特征有下列六个：拖动的方式、轿厢、运行与两列导轨之间、铅锤运输、用途、固定设备,以上六个方面必须同时满。1.1.2 电梯的起源及发展 由于社会经济和科学技术的发展，高层建筑已经成为现代城市的一大标志。电梯是一种垂直的运输工具，需要面对大量的人流和物流运输，在现代的建筑物中起着巨大的作用。电梯在目前的城市生活中不可缺少，并且它是目前使用最为广泛的一种交通运输工具。电梯最早出现是在古希腊的公元前236年，是由阿基米德创造的一种靠人力提供动力的卷筒式卷扬机，一共设计出三台，后来把它安装在妮罗宫殿里。在第一次工业革命瓦特发明了蒸汽机之后，1850年，亨利沃特在美国纽约创造了时间上第一台以蒸汽机为驱动的卷扬机。1854年，世界博览会在纽约的水晶宫举办，美国人伊莱沙格雷夫斯奥的斯首次对世界人民展示了他的作品-世界上第一台具有安全性能的升降电梯。随着社会的发展，蒸汽电梯慢慢被淘汰，并且出现了一种新的水压梯。根据实际需求又逐渐发展出使用油压泵和控制阀的液压电梯，并且这种液压电梯一直延续使用到现在。1889年，美国的奥的斯公司制造了世界上第一台现代意义上的电梯，利用直流电机进行驱动。1903年，美国的奥的斯公司在电梯的传动结构中使用了曳引动力替代传统的卷筒方式，这提高了电梯传动结构的通用性。这种驱动系统的电梯，减少了电梯的传动装置，提高了电梯的安全性，形成了现代电梯的曳传动的基本模型。电梯控制技术方面的发展。1949年，电子技术开始运用，在这之后出现了电子器件与信息处理模块的分区控制系统，以及大规模的集成电路。 70年代，尤其从1973年之后，电梯的控制柜技术有了重大发展，电路做的越来越数字化。数字化的电路明显提高了电梯在运行过程的精度和可靠性。70年代到末到80年代初，电梯的主要控制部件变成了。1.2 当前电梯技术现状1.2.1 电梯控制技术方面 当代的电梯控制技术越发智能化、人性化、更甚至网络化，运用位数高的CPU，强化了电梯系统对各信号的处理速度。在电梯的控制技术方面，使用了模糊逻辑控制和专家控制，以此来提高电梯的效率和准确度，由于从各方面提高了电梯的性能使其更好的与建筑物相融合。1.2.2 电梯拖动技术方面电梯的在拖动技术上有了诸多进展，由于直流电梯存在很多缺点，比如耗电量大，技术人员难以维护等。其在实际中的应用已经越来越少，交流电梯取代了它的位置。液压电梯凭借良好的性能，在楼层低的建筑物中得到了较多的使用。交流电梯更是发展迅猛，这使得电梯的运行速度、启动和停止过程更加与人们的生理要求吻合，乘坐电梯的过程变得更加舒适。1.2.3 电梯速度方面 随着建筑物向着多功能方向发展，超高速电梯已经成为一个火热的研究方向。同时电梯的驱动系统也在不断的改进，向着超大容量的电动机、性能强大的处理器发展。于此同时，超高速电梯的乘坐体验方面也有明显的提高。1.2.4 电梯节能效率方面众所周知，电梯早已经成为高层建筑中能耗最大的设备之一。提高效率，节约能源会是一个永恒不变的研究方向。这就需要电梯的电磁兼容性更加强、使用寿命更长、噪声更小、采用绿色装潢材料。1.3 电梯在国内外的发展概述1.3.1 国内电梯发展在解放前中国只有2000多台电梯，可以说没有一家生产电梯的公司。国内的电梯从上个世纪60年代刚刚起步，到了70年代才初备规模。 1951年。当时天津的从庆电机厂开发了先河，生产出我国第一台拥有自主知识产权的电梯。该电梯荷载两千斤，但需要手动操控。1976年，上海电梯厂依照葡京酒店的设计需要，制造出一台直流提速群控电梯，时速低于两米每分钟，这可以说是国内最早的群控电梯。2002年，国内的电梯出厂量第一次超过6万台。国内的电梯行业从改革开放以来第三次快速发展正在火热进行中。1.3.2 国外电梯发展在21世纪，电梯的安装量和生产数目已经成为判定一个国家或者某个地区建筑行业以及现代化程度的标准之一。目前，在发达国家，电梯的使用类型特别多数量也很大。据不完全统计，2006年时世界上一共有400多万台电梯在工作。于此同时，世界各地对电梯的需求量正以15万台左右的数量增长，年平均增长量为7%左右。目前世界上知名的电梯生产商有美国的奥的斯、日本三菱、日立、瑞士迅达、芬兰科恩，市场占有率为51%。这其中日本的三菱和美国的奥的斯尤为强大。在亚洲，日本电梯对市场的占有率拥有绝对的主导权，市场份额约为67%，远超。1.4 电梯的结构图1-1 电梯的基本结构1.控制柜； 2.曳引机； 3.曳引钢丝绳； 4.限速器； 5.限速器钢丝绳； 6.限速器张紧装置； 7.轿厢； 8.安全钳； 9.轿厢门安全触板； 10.导轨； 11.对重； 12.厅门； 13.缓冲器 （详见附录一） 1.5 电梯使用继电器控制的特点及问题1.5.1 电梯使用继电器控制系统的优点 传统继电器控制电梯系统。首先，第一个优点是它的全部控制功能以及信号的处理都是由硬件电路实现的，这样的设计让其线路非常直观，让人更加容易理解和掌握。第二个优点是在电梯的日常维护中，不需要使用到技术含量特别高的特殊仪器或者工具。第三个优点是电梯中使用的大部分电器都是比较常用的控制元件，价格比较合理而且更换起来也很方便。最后一个优点是因为在中国长期以来都致力于生产这种类型的电梯，所以在这方面的技术非常成熟，形成了很完整的生产体系。由于核心技术的成熟，故掌握其原理的技术人员很多，这使得他的应用范围很广。1.5.2 电梯使用继电器控制系统的缺点电梯使用继电器达到控制效果后，其也存在一些问题。首先是在线路上，使用继电器来控制系统其硬件的接线线路上比较复杂，线路触点非常多。这就带来了一些缺陷，线路触点易于烧毁损坏，这样就会造成线路的接触不良，所以系统的故障发生率较高。其次是由于控制效果都由硬件实现，而一般的控制电器又无法实现比较复杂的控制功能，所以在系统的控制功能方面很难提高，很难实现技术创新。再者，该系统的整个组成结构非常庞大，这就导致其能耗很高，并且机械的噪声也很高，造成很多不良影响。且因为电磁结构和线路触点的反应时间较长，所以系统的控制精度也很低。最后一点也是最现实的缺点，这种控制系统的电梯因其线路复杂，在出现故障后其维修工时很长，这就表明其维护费用特别高，经济效益低。1.6 使用PLC控制电梯系统的特点1.6.1 高的可靠性因为在PLC的硬件中拥有滤波效果和光电隔离的抗干扰电路，所以其对外部的设备、接口以及内部的存储单元都有较高的保护能力，拥有高的可靠性。其次使用PLC作为电梯控制系统的大脑，利用梯形图这种软件语言的形式实现对电梯工作过程的自动控制，这让系统的稳定性、安全性也变得很高。1.6.2 维修以及使用更加方便使用 PLC控制电梯系统在硬件方面不需要大量的电子元器件，并且在线路方面也大大简化，犯错误的几率较低，易于使用操作，日常的维护也较为简单。1.6.3 扩展能力及灵活性强 PLC拥有梯形图、功能块图、指令表以及结构文本等四种编程语言，再加上其编程方法多种，这些优点可让技术人员易于掌握其原理。1.6.4 运行效率高以及通讯能力强 伴随着互联网与现场总线技术的发展，电梯系统中的通讯能力越发变强。这些技术的成熟，使得电梯拥有群控控制、远程监测以及多层站控制等强大功能。因为电梯拥有了这些功能，所以其运行的效率提高了。1.7 课题研究的主要内容第1章 主要介绍了研究课题的背景、研究意义、国内外电梯技术的发展以及现状、电梯的结构、PLC控制电梯系统与继电器控制电梯系统各自的特点以及存在的问题。第2章 主要介绍了PLC、电梯的总体设计流程框图、输入以及输出的模块选择。第3章 提出电梯控制系统的硬件设计方案。并根据设计方案选择合适的硬件设备，根据接线图列出I/O分配表，给出系统硬件组成电路图。第4章 主要给出软件设计具体方案。根据课题要求，用梯形图设计出电梯所具备的功能，包括1.电梯在启动及接近目标层有加减速控制。2.具有重量检测及超载报警功能。3.电梯楼层显示。4.多人同时按键处理功能等。 最后总结研究结果、在整个研究过程中的收获、心得及体会。1.8 本文的工作PLC拥有很多的优点作为新一代的电梯控制系统核心器件，本次毕业设计控制对象是一部六层电梯。总的是围绕PLC作为电梯的控制系统大脑进行设计，在设计的过程当中，需要对电梯的硬件部分进行具体分析，列出所需的开关型号、电机型号、PLC型号、信号灯以及传感器等。然后再进行系统的软件部分设计，根据课题的具体要求画出流程图、梯形图，最终达到所要求的控制效果。8 可编程控制器简介第2章 可编程控制器简介2.1 PLC的定义可编程控制器（Programmable Logic controller,简称PLC），是新一代的以微处理器为核心，结合计算机与自动化技术的工业控制器。更加具体一点说，它就是一种以数字运算操作的电子系统，一般应用在工业环境中。利用可以编程的存储器，将程序放置其中，就可执行逻辑运算、计数、顺序控制、定时等面向客户或者用户的指令，再结合数字或者模拟输入/输出以此来控制各式各样的机械或者工业生产过程。可编程控制器它的安全性、可靠性、耐高温和耐冲击等优良特点，已经变成当前工业上解决实现工业自动化的首选工。2.2 PLC的问世与发展世界上第一台可编程控制器的设计标准，是由美国的通用汽车公司首先提出的。而后由美国的数字设备公司（DEC）在1969年研发制造出来，所标型号为PDP-14，它的首秀被安排在汽车的生产线控制当中，而且在工业现场的表现令人比较满意，在这之后PLC的发展开启了新的时代。PLC的设计初衷是为了去代替传统的继电器控制，但是必须保持传统继电器控制的优点，而同时又可以为现在的自动生产线提高核心控制。所以其必须拥有响应时间短、控制的精度高、稳定性高、控制要求的程序可以随着工艺的要求任意改变、易于计算机借口、日常维护简单等特点。问世的第一台PLC其拥有可扩展、功能模块化等特点。在很短的时间内，PLC就不仅仅被使用在汽车的生产线了，它在其它的工业领域中被非常广泛的应用。在这些过程中它的优点被进一步的发现，包括易于安装、占用的空间十分小、可重复使用。更加重要的是，使用工业中通用的梯形图编程语言进行编程，虽然编程有时候会很复杂，但这让不熟悉计算机的技术人员也能够很好的使用它。在70年代初，制造业在使用PLC上达到一个新的高度。到70年代中期，PLC的发展有了一个质的飞跃，最主要的原因就是集成电路的大规模产生，这让微处理器在功能上有了很大的提升。它在起先的逻辑运算基础上，增添了闭环运算、提高了运算的速度，同时也扩大了输入输出的规模。在这个令人兴奋的时期，因为大规模集成电路的出现，这使得PLC向着更大规模、更强性能的方向进步，与此同时也形成了多种类型的产品。而且，随着应用的推广，其编程语言也变得更加成熟，拥有了可以让工艺工程师使用的专一图形编程语言。值得一提的是，在一些继电器无法控制的设备，PLC控制能够很好的完成任务。可谓百花齐放，之后法国、日本都先后研发出自己的PLC型号。在我国，PLC的研发相对较晚，到1974年才开始进入这个领域。到了20世纪末期，在PLC的软件开发上得到了进一步的发展，PLC已经成为一种非常成熟的具有多种功能的控制器。并且PLC还能与其它的设备进行通讯、生产相应的报表、诊断自身故障。从现在的角度去看，这些都形成了目前对优秀PLC的评判标准。虽然现在的PLC功能已然不可同日而语，但其还保留着原先的简单和方便使用等特。2.3 PLC的发展前景PLC因为其众多的优点，作为工控机器的一种，俨然已经已经是工业自动化系统当中不可缺少的电器控制设备。据调查，目前世界生产PLC的公司共有150多家，制造的PLC型号超过300多种。在2008年，PLC的全球销售额约为93亿美金，占到整个工业控制机市场的62%，所以PLC的前景十分广阔。我国的PLC从上世纪70年代初引入的初期，其作用仅仅是控制一些简单的离散量，最早的功能就是为了达到以继电器模式的操作。随着时代的进步，最新型的PLC还具有PID的调节功能，应用的领域也在扩大。在冶金、航天工程、轻工业等领域都有重要作用。面对其它工业控制机的挑战，PLC研发公司正在不断的创新，不断增加自己的产品竞争力，其主要表现在以下几点：2.3.1 体积较小的PLC功能不断增强根据工业现场的需求，当前的PLC制造商不断研发出体积小、运行速度更快的微型PLC装置。比如三菱公司推出的fxos14,其体积跟一张身份证差不多大，但是可别小瞧这个装置，它的功能却十分强大。随着各领域的需要，现在的PLC早以应用到生活中的各个行业，比如医院的设备、车辆控制、甚至是休闲娱乐场地。2.3.2 集成化的程度变的更高因为工业的快速发展，控制系统索要达到的要求也越来越多，所以PLC只能向着高度集成化的方向发展。当前最为主要的就是PC与PLC的集成，这使得系统的通讯能力大大提高。这其实发展最快的要算是以计算机为基础的控制设备。PLC与计算机的集成化，其实就是将技术人员与PLC控制系统更好的结合在一起，让PLC和计算机的使用效率变得更高，继而达到更高的控制要求，节约生产成本、提高生产效率，让工厂的效益达到一个新的层次。同时，整个控制系统也更加易懂，维护工作更加简单。2.3.3 标准化程度更高世界上生产PLC的厂商非常多，虽然编程语言使用的都是梯形图，但是各个研发机构使用的寻址方式、组态都不尽相同。这带来的问题是各种型号的PLC之间的兼容性不怎么好，最主要的是其硬件和软件之间是封闭的，结构之间不是相互开放的。绝大部分的PLC都拥有专用的总线、单独的通信协议。为了解决这个不利于发展的问题IEE（国际电工协会）在1992年制定了可编程控制器的编程软件标准。这使得各个开发商的产品标准相对的统一，但是在同一开发平台下的开发体系还在进一步的研发当中。2.4 PLC发展的重点2.4.1 网络及通讯能力需增强因为生产过程的需要，用户在PLC的开放性方面的要求越来越高，且随着现场控制总线以及以太网技术的不断发展，PLC制造商需在原有的CPU模块上增加更多的通讯接口，提供更加完整的体系，以便更好的满足客户的要求。2.4.2 增加人机界面体验舒适度当前，很多有实力的PLC制造商并不会自己开发软件，而是通过收购或者与其它软件公司的合作，以此满足自身对软件业务的需求。通过这种方式，大部分的PLC制造商都自身拥有与之相匹配的组态软件以及软件开发平台。在这种前提下，硬件软件都具备，在一定的程度上提高了整个控制机的性能。与此同时，这让客户易于开发、降低了生产成本，提高了人机结合的友好度。2.4.3 开放性与相互操作性需提高PLC在不断变化发展的过程中，世界上众多的PLC制造商为了增加市场占有率，甚至是垄断各自的市场。这种竞争带来的后果就是各个厂家各自发展自己的标准，导致PLC的兼容性很差。这给用户造成了很大的困扰，而且无形之中增加了用户的生产成本。由于开放是发展的必要前提，各大制造商都认同这一点，开放是进步的源泉。2.4.4 以太网对PLC的重要影响 以太网之所以应用的十分广泛主要是因为它与工业网络相比，它的运行成本低的多，人们一直都希望将以太网使用到控制领域中来。但是，它有以下两个问题需要解决：(1）由于工业环境十分恶劣，硬件适应这种环境是个难点； (2）如何去提高通讯系统的可靠性；最终以太网能否应用到工业控制领域中，这仍然需要探索。但是不可否认的是在工业控制的系统中以太网的应用已经较广，在一些PLC的制造商中也有研发出配合以太网的新型产。2.5 当前PLC在我国的使用现状目前在我国，很多工厂的自动化水平都不高，故PLC在我国的应用前景是非常广阔的。特别是现在工信部提出的工业4.0计划，工厂的智能化改造必然是一个大的趋势。但就当前而言，PLC在中国的应用潜力还远没发掘出来。举个例子，在机械行业中，80%的以上的设备仍然是继电器在充当控制核心。资金问题是很多企业考虑最多的一个问题，在很多中小型企业中并没有使用自动化的生产系统。但是，随着市场竞争力的加强，这些中小型企业要想存活，这就要求企业必须升级控制系统，上升自动化水平。让生产车间更加安全、效率更高、成本更低。从而使保证自己的经济效益和市场的竞争力。对于国内PLC制造商来说，认识到自身的差距是非常必要的。但是在这同时也可以欣喜的看到在国内的PLC市场存在很大的竞争优势：（1） 市场需求量优势：中国的PLC制造商对国情的了解肯定是大于国外生产商的，可根据用户的需求对口的开发一些适合实际的产品。比如拥有多年生产经验的利时公司，在12年的发展中，它拥有了大量的用户资料，非常清楚客户需要什么功能的PLC。所以在开发产品是可以充分考虑客户的实际需求，制造出有针对性的产品，达到提高公司效益的目的。（2） 产品价格优势：因为是在国内自己研发、生产制造的产品，所以国内PLC制造商具有很大的成本空间，这可以降低PLC在市场上的价格，带来的结果就是提高了市场的占有率。（3） 产品针对性强：作为中国本土的公司，可以很快的收集客户的需求，制造出满足客户的产品。相比而言，国外的制造商就很难在很短的时间内讲这种信息收集到手，并将其转化为实际的产品。在实际的开发中，制造商可以根据客户需要的输入/输出接口数等要求有针对性的研发PLC。中国从1974年开始研发PLC，虽然时间上比较晚。但是它的后劲很足，在短短的几十年间已经初具产业规模。但是就现在来看，发展的比较好的公司，仍然是中外合资的。这带来的好处就是能够在最快的时间里提高国内PLC的水平，比如欧姆龙在上海的分公司，西门子在大连的分公司。当前，中国自主平牌的PLC在市场的份额还相对较低，大概只有5%，发展的道路依久很。2.6 PLC的工作原理（1） PLC的操作模式PLC具有RUN(运行)和STOP（停止）两种运行模式。PLC处于运行状态时会执行能够达到控制要求的程序，PLC处于停止模式时，CPU不会去执行用户所设定的程序。（2） PLC的扫描工作方式 RUN模式 STOP模式 图2-1 扫描过程（3） 中断程序的处理 用户如果在程序中设定了中断，当中断发生时，这时的CPU会停止正在扫描的工作方式，转而去执行中断程序。（4） 立即I/O处理用户在程序执行的过程中可以利用立即I/O指令直接读或者写I/O的值。2.7 PLC的编程语言 依照PLC使用范围，其程序的设计编程语言可以组合使用，主要的程序设计语言有以下这几种： 顺序功能图 结构文本指令表 功能块图梯形图图2-2 PLC的编程语言2.7.1 梯形图梯形图编程语言，是一种利用图形符号来形象表现程序的一种设计性语言。通过这种图形系统的因果关系容易展现，每个阶级都清晰的表明功能的因果关系。梯形图可以说是最为常用的一种PLC编程语言，最初的来源是根据继电器的逻辑编写。在实际的工业控制过程中，由于技术人员都很熟悉继电器的控制逻辑，所以梯形图这种形式的编程语言最为受欢迎，也最为直观、易懂，故其使用最为广泛。使用梯形图编程有以下几个特点：（1） 看上去非常的直观，并且与控制原理图相对应；（2） 便于学习掌握，和传统的继电器控制逻辑一致；（3） 利于检查，与指令程序一一对应。2.7.2 顺序功能图功能块图是用来描述程序的一种形象设计语言，发展起来的时间也不是很长。使用功能块图表示，整个控制系统将会被分成若干个部分，从每个功能入手，让系统的操作的目的性变强，这就方便了研发人员和技术人员的相互沟通，易于程序的调试和检查。功能块图主要有以下特点：（1） 易于系统程序的理解和交流，将功能作为中心，条理非常清晰；（2） 易于系统的调试，节省了时间。对于比较复杂的程序，可以分为几个模块进行设计，使用比较灵活的方式：这种编程语言一般都使用在大规模的、程序非常复杂的系统中。因为程序被分成了很多个模块，所以整个系统程序的扫描时间相比较与其它程序编制的程序时间上要短很多。2.7.3 指令表 指令表程序设计语言，其是采用助记符来表示程序的一种编程语言，这种编程语言和计算机中的汇编语言很类似，利用助记符来描述程序功能。指令表具有以下三个特点：（1） 易于记忆、便于学者理解掌握；（2） 易于操作，设计的整个过程可以在没有计算机参与的情况下全部完成，清晰明了；（3） 指令语句与梯形图相对应，准确更高；2.7.4 结构文本结构文本化的编程语言是利用结构化的描述语句来表示程序的一种编程语言，其与高级语言的编程语句十分相似。在规模比较大的可编程控制系统中，经常会采用这种形式的编程语言。结构文本化的编程语言，结合计算机描述语句来表示各变量之间的关系，以此达到预期的功能。结构文本化编程语言具有以下几个特点：（1）在完成比较复杂的控制系统时，使用了相对高级的编程语言；（2）因为其运用了较为高级的编程语言，所以这对技术人员的要求较高，一般的电气工作人员很难完成；（3）由于程序相对复杂，所以结构文本化的编程语言不易操作，而且并不容易看懂；2.7.5 功能块图功能块图程序编程语言，其利用功能模块来描述各部分所具备的功能，且各部分之间的功能也不同。它拥有多个输入/输出端，通过特殊的连接方式，完成预期的控制功能。即使在同一种类型中，功能参数的不同就会导致其功能和应用范围有所区别。68 系统硬件设计第三章 系统硬件设计3.1 系统的总体设计方案楼层指示 图3-1 系统的总体设计框图 电梯在运行过程中，PLC是整个控制系统的核心。它的输入端信号包括电梯的内呼和外呼信号、轿厢内质量检测、电梯门的开关、楼层指示等。在PLC的输出端包括楼层按键指示、电梯运行方向指示、电梯门的开关、变频器对电机的调速控制信号等。3.2设计控制系统的基本要求本次要求设计的电梯层数为6层，本人设计的高度为26米，每层楼的高度为4米。电梯整个系统主要由可编程控制器、变频器、顶部曳引电机、控制门开关的门电机、安全装置、轿厢控制盘、电梯外呼叫按钮以及楼层指示器等八个部分组成。电梯控制系统总体要达到的功能如下：（1） 电梯在启动及接近目标层时具有加减速控制；（2） 电梯需具备重量检测及超载报警的功能；（3） 具备电梯楼层显示；（4） 具备多人同时按键处理功能；本系统设计要求采用PLC实现对楼层电梯进行控制，当外部有按键按下时，电梯及时响应到指定楼层并开门，在电梯达到指定楼层及时开门，在电梯运行过程中有故障报警及向外呼叫功能。想要实现上述功能需具备以下构件：（1） 增量式旋转编码器；（2）可编程控制器一台； （3）一台位于电梯顶部的曳引电机； （4）一台控制门开关的小型电机；（5）重量检测传感器及报警铃； （6）指示灯和数码管若干；3.3 控制系统中各硬件选型3.3.1 I/O端口设计以及PLC型号的选择（1）对I/O端口的设计 在对电梯控制系统的硬件进行设计需要考虑到后期的软件设计，所以电梯控制系统的I/O端口设计非常重要，为后面的系统软件设计打下一个坚实的基础。因为整个控制系统需要达到的功能比较多，所以其I/O端口也很多。为了达到以上这些功能，经过认真的考虑，可以算的电梯的控制系统一共需要输入端口42个，输出端口30个。控制系统的I/O端口设计如表3.1所示：表3.1 输入/输出端口分配表（2）PLC 的型号选择PLC型号的选择一个最基本的原则就是能够完成所有的控制功能，而后再根据不同型号PLC的安全性、可靠性、稳定性等选择最佳的控制器。德国西门子公司制造的S7-200系列的PLC，该系列的PLC具有非常优良的性能。虽然是小型的PLC，但是在很多功能上，其能够达到大型PLC的水准，最重要的是S7-200系列的PLC价格相比较与其它型号算是非常便宜的。S7-200系列的PLC以CPU模块的不同来划分有6种规格。分别是CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP/CPU224XPsi、CPU22。各CPU技术规范如下表：表3.2 S7-200 CN CPU技术规范特性 本机数字量I/O 本机模拟量I/O 扩展模块数量CPU221 6DI/4DO - -CPU222 8DI/6DO - 2CPU224 14DI/10DO - 7CPU224XP 14DI/10DO 2AI/1AO 7 CPU224XPsi 14DI/10DO 2AI/1AO 7 CPU226 24DI/16DO 7 图3-2 S7-200 CPU226 西门子对于S7-200 CPU 22系列的PLC电源部分都提供了两种电源的选择，分别是120V/240V AC和24V DC。这系列的PLC输出端口电路主要有三种，其中第一种最为常见是交流继电器输出类型，后两种分别为晶闸管输出和直流晶体管输出。根据设计的具体情况，再结合I/O分配表以及自己对编程软件的熟悉度，最终决定选用西门子S7-200系列中CPU226机型作为电梯控制系统的控制器。整个系统就是基于PLC设计的，所以PLC的选型重要性不言而喻。CPU226这个机型，它的各方面能力都比较优越，尤其是它的通讯和运算能力，足以满足本次系统设计的要求。从表4.2可以看出该机型的PLC拥有24个输入端口以及16个输出端口。于此同时，它还可以最多扩展7个模。而我们可以从输入/输出分配表中看出，设计的系统共有42个输入点，21个输出点。显然，这远远超出了CPU226所具备的I/O点数。故根据实际的设计情况，本次设计还需要扩展两个型号为EM223的数字扩展模块，但是他们的输入和输出的端口数量不同。这两个数字量扩展模块的参数如下表所示：表3.3 数字量扩展模块 型号 数字量输入 数字量输出EM223，DC 24V数字量 组合16输入/16输出 16*DC 24V16*DC 24V，0.75AEM223，DC 24V数字量组合8输入/8输出 8*DC 24V 8*DC 24V，0.75A 由表3.3可知第一个EM223输入/输出端口都有16个，而第二个EM223扩展模块只有8输入8输出。所以，CPU226通过这两个数字量扩展模块完全可以实现本次设计的要求。同时，在保证满足原本需要的输入/输出端口的同时，还留出了6个输入和10个输出端口，这让系统可以随时添加所需控制功。3.3.2 控制系统电机的选择（1）曳引电机的型号选择当前市场上电梯的种类非常多，所以电梯的拖动系统也种类繁多，按拽引电机的类型可以分为交流双速电梯、交流单速电梯、交流调压调速电梯。在这次设计中，在考虑了电梯舒适度、困难程度、成本等方面的因素，最终选择了三相异步电动机作为电梯的牵引引电机。通过实际的计算，现将电梯的额定载重量设计为1000KG，额定的运行速率为1m/s。结合平衡系数Kp、电梯安全系数KD，利用公式功率P=M*(1-Kp)*V*KD，可以算出牵引电机所需的额定功率为P=1050W，所以选择的牵引电机功率最低为11KW。南京中科电机有限公司生产的YD DL160 L-6/8电动机就能够满足本次设计的要求。其功能参数如表3.4所示：表3.4 YD DL160 L-6/8参数（2）门电机的选型门电机的功能要求只要实现门的开关，所以一般的三相异步电动机都可以满足设计要求，利用电动机的正转和反转实现电梯门的开关。这里选用的门电机是由上海杰速特种电机厂生产的Y100L-2型号电动机。电机参数如表4.5所示： 表3.5 Y100L-2 参数3.3.3 变频器的简介及选型(1)变频器简介 所谓变频器就是将工业标准频率的电通过转变成为各种不同频率的交流电，以此达到控制电动机运行速度的控制效。目前，市场上的变频器一般都是VVVF的变频方法。这里选用的变频器型号是西门子的MM440，这个型号的变频器拥有良好的性能，不管是可靠性还是功能方面的多样性都很优越。该种变频器的参数如表3.6所示：表3.6 MM440 参数3.3.4重量检测装置及选型电梯的称重系统由2个部分组成，一个为控制仪模块，一个为称重传感器。控