毕业设计（论文）-电梯plc控制设计毕业论文.doc

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）摘 要随着科学技术和社会经济的发展，高层建筑已成为现代城市的标志。电梯作为垂直运输工具，承担着大量的人流和物流的输送，其作用在建筑物中至关重要。目前，电梯的控制系统主要有继电器控制系统、PLC控制系统、微机控制系统，由于继电器本身的机械和电惯性大，大大降低了电梯系统的可靠性和安全性，微机控制系统虽然在智能控制方面有较强的功能，但也存在着抗干扰性差、系统设计复杂、难维护等缺陷，而PLC控制系统运行可靠性高，抗干扰性强，设计和调试周期短，已成为目前电梯控制中最常用的控制方式。本文在介绍电梯基本结构的基础上，阐述了电梯的拖动原理和控制原理，重点分析了电梯系统设计中如何用PLC实现控制系统并编制控制程序。在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出了软件流程图，提出了模块化编程思想，用梯形图编程实现了指层、厅召唤、选层选向等功能。最后采用西门子S7-200对电梯实现系统控制。关键词：电梯控制；PLC；S7-200AbstractAs science and technology and the social and economic development, high-rise buildings has become a modern symbol of the city. Elevator as the vertical transport, bear a large number of people and logistics transportation, and its role in the building is essential. Currently, the main elevator control system relay control system, PLC control system, computer control system, due to the mechanical and electrical relay itself inertia, greatly reducing the elevator system reliability and security, computer control system, although in the intelligent control there is a strong feature, but there are also poor immunity, system design complexity, difficult maintenance defects, and PLC control system operation, high reliability, strong anti-jamming design and debug cycle is short, elevator control has become the most commonly used control methods.This paper introduces the basic structure of the elevator on the basis of the principle expounded drag lift and control theory, the focus of how the design of the elevator system with PLC control system and the preparation of control programs. After analyzing the elevator system software design method based on the design of a software flowchart proposed modular programming ideas, with a mean level ladder programming, hall call, choose Layer option to other functions. Finally Siemens S7-200 system control of the elevator.Keywords: Elevator control; PLC; S7-200目录摘 要IAbstractII目录III1概述11.1 电梯控制概述11.2 电梯控制技术的发展21.3 电梯的构造31.4 本文研究主要内容42 LPC介绍62.1 PLC的发展历程62.2 PLC组成及特点72.2.1 硬件的可靠性72.2.2 编程简单，使用方便82.2.3 接线简单，通用性好82.2.4 可连接为控制网络系统82.2.5 易于安装，便于维护92.3 PLC的工作原理92.4 PLC的编程语言103 总体设计方案123.1总体设计方案的确定123.1.1 PLC与继电器控制系统比较123.1.2 PLC与微型计算机的比较133.1.3 PLC控制的电梯系统143.2设计思想144 电梯控制系统硬件设计164.1 四层电梯控制主回路原理图164.2 可编程控制器机型的选择174.3 硬件设计方案的确定194.3.1输入/输出点的分配194.3.2 PLC外部接线图205 软件设计225.1 PLC的编程语言225.2系统结构框图225.3 电梯控制梯形图程序276 电梯控制程序的仿真调试386.1 STEP 7- Micro/WIN概述386.2程序仿真397 总 结42参考文献43致 谢44IV1概述1.1 电梯控制概述电梯高层宾馆、商店、住宅、多层 厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。1889年，美国奥梯斯升降机公司推出的世界上第一部以电动机为动力的升降机，同年在纽约市的马累特大厦安装成功。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。传统的电梯运行逻辑控制系统采用继电器逻辑控制线路。这种控制线路，存在易出故障、维护不便、运行寿命短、占用空间大等缺点。从技术发展来看，这种系统将逐渐被淘汰。目前，由可编程控制器和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，已成为电梯控制的发展方向其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。可编程控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的现今控制技术。PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统的继电-接触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用。总之，电梯的控制是比较复杂的，在计算机诞生前的几十年里，继电器控制系统为电梯控制的发展起到了巨大的作用，然后其控制性能与自身的功能已无法满足与适应电梯控制的要求和发展。电梯使用继电接触控制的时代，很难设计出质量优良的电梯控制系统，而现在，PLC的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，将使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强，因此，它已经成为电梯运行中的关键技术。1.2 电梯控制技术的发展电梯的雏形是升降机，它起源于公元前236年的古希腊，当时阿基米德设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬机。到1835年，人们开始采用蒸汽机作为升降机的动力， 1858年，出现了世界上第一台以蒸汽机作动力，带安全装置的载人升降机。这为以后越来越高的高楼大厦提供了重要的垂直运输工具。1889年，奥的斯升降机公司首先使用直流电动机作为升降机的动力，由于电动机具有体积小、功率大，控制方便等优点，从而使电梯真正趋于实用化。2000年，深圳开始出现PLC电梯控制系统，PLC电梯控制器能够灵活、智能化地控制电梯的运行管理。随着人们对安全、智能、节能的要求越来越高，随着科学技术和社会经济的发展，高层建筑已成为现代社会的标志。电梯在垂直运输中起着越来越重要的作用。运用PLC控制的电梯也广泛地安装在各种功能大厦的电梯当中。目前，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。它所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，保养维修简单，价格便宜，但是系统触点繁多、接线复杂,而且机械和电磁惯性大，系统控制精确度难以提高。电梯继电器控制系统故障高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，已经渐渐被淘汰了。微机控制系统虽然在智能控制方面有较强的功能，但也存在着抗干扰性差、系统设计复杂、设计调试周期长、难以维护等缺点。PlC是一种专用计算机，它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作；又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高，抗干扰性强，设计和调试周期短，PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。1.3 电梯的构造电梯是一种特殊的起重运输设备，由轿厢及配重、拖动电机及减速传动机械、井道及井道设备、召唤系统及安全装置构成。桥厢是载人或装货的部位，配重是为了改变电梯电机负载的特性以提高电梯安全性而设置的。图1-1是电梯拖动系统示意图，图中可见电梯的轿厢及配重分系在钢丝绳的两端，钢丝绳挂跨在曳引轮上，曳引轮经减速机构由电机拖动，形成轿厢的上下运动。图1-1数字含义：1-电动机；2-减速机构；3-曳引轮；4-钢绳；5-轿厢；6-配置 井道指建筑物中用于安装电梯并提升电梯运行的通道，轿厢及配重都是在井道中运行的。井道在各楼层设有门厅及呼梯设备。门厅有门厅门，厅门顶部装有层楼指示灯，用于指示电梯的运行方向及电梯所在的位置。门厅里还设有呼梯盒，用于在每层站召唤电梯。呼梯盒常安装在厅门外离地面1m左右的墙壁上，基站与顶部只有一个按钮，中间层站有上呼与下呼两个按钮，按钮下带有呼梯记忆灯。基站的呼梯盒上还设有钥匙开关，供司机开关电梯。为了实现轿厢的正常运行及准确停车，井道中往往要安装许多定位装置及安全设备。井道的顶部和底部还设有冲顶及蹲底的缓冲设备。 轿厢中设有自动门机，用来完成电梯的开门及关门任务。电梯门分厅门及轿门，当电梯停靠某层时，此层的厅门在轿门的带动下开启及关闭。电梯的操纵厢也安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发布动作命令。上面设有与电梯层站数相同的内选层按钮（带有选指示记忆灯），上下行启动按钮（带上下行指示记忆灯），开关门按钮，急停按钮，风扇、照明、层楼指示灯的控制开关，电梯运行状态选择钥匙开关（选择电梯是自动运行、司机状态下运行，还是检修状态）等。电梯的安全是电梯最重要的技术指标。电梯的安全设备有：安全窗及其开关、安全钳及其开关、限速器及其开关、限速开关安全窗位于轿厢的顶部，供应急情况下疏散乘客，当安全窗打开时，电梯不准运行。安全钳是为了防止电梯曳引钢绳断裂及超速运行的机械装置，用于在上述情况下将轿厢支持在轨道上。限速器是检测电梯运行速度的装置，当电梯超速运行时，限速器动作，带动安全钳使电梯停止运行。极限开关、强迫转换开关是电梯位置安全装置，当电梯运行至上下极限位置时仍不停车，上下限开关动作，发出停车信号，若仍不能停车，将压下上下强迫停车开关，强制电梯停止运行，若还不能停车，将通过机械装置带动极限开关切断曳引电机电源，以达到停车的目的，避免电梯出现冲顶与蹲底事故。1.4 本文研究主要内容电梯的控制系统分为拖动控制和信号控制两大部分。本文确定了系统的总体结构，主要研究由 PLC 来实现的电梯信号控制，完成了可编程控制器（PLC）的选择。然后是系统硬件开发，完成了 PLC 的选型、I/O 点数分配与 PLC 的连接。在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出了软件流程图，提出了模块化编程思想，编制程序梯形图，实现了电梯外召唤信号登记及消除、内指令信号登记及消除、平层信号的处理、选层定向及自动手动开关门的控制。最后介绍了系统的软件开发,并对电梯控制系统进行模拟调试。2 LPC介绍2.1 PLC的发展历程第一台可编程控制器的设计规范是美国通用公司提出的。当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序、可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。第一台PLC具有模块化、可扩充、可重编程及用于工业环境的特性。这些控制器易于安装，占用空间小，可重复使用。尽管控制器编程有些琐碎，但它具有公共的工厂标准梯形图编程语言，这样使得不熟悉计算机的人也能方便的使用它。在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。到70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、闭环控制、提高了运算速度，扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、西德（原）和法国相继研制出了自己的PLC，我国在1974年也开始研制。70年代由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。这是面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。在功能上，PLC可以代替某些模拟控制装置和小型机DDC系统。进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产生，可诊断自身故障及机器故障。这些改进使PLC符合今天对高质量高产出的要求。尽管PLC功能越来越强，但他仍然保留了先前的简单与易于使用的特点。2.2 PLC组成及特点PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部分及外部设备组成。除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，却一不可，共同构成PLC。PLC的软件系由系统程序和用户程序两大部分组成。PLC能如此迅速发展，除了工业自动化的客观需求外，还因为他具有许多独特的优点。他较好到解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。以下是其主要特点。（1）编程方法简单易学（2）功能强，性能价格比高（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强（4）可靠性高、抗干扰能力强（5）系统的设计、安装、调试工作量少（6）维修工作量小，维修方便（7）体积小、耗能低2.2.1 硬件的可靠性可编程控制是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制系统和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维修方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业的三大支柱之一。一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部件及外部设备组成。各部分之间通过内部系统总线进行连接。CPU是PLC的核心部分，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作，它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。PLC的对外功能主要是通过各类接口模块的红外线，实现对工业设备和生产过程的检测和控制。PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好。路串一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。2.2.2 编程简单，使用方便用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前打多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。2.2.3 接线简单，通用性好PLC的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与PLC输出端子连接。接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。这种性能使PLC具有很高的经济效益。用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于是用。2.2.4 可连接为控制网络系统PLC可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为5002500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M10Mbps，传输距离为5001000m，网上结点可达1024个。这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。2.2.5 易于安装，便于维护PLC安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到PLC系统的情况下，PLC小 的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。长距离站通过同轴电缆获双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示器是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。2.3 PLC的工作原理PLC的工作原理与计算机的工作原理是基本一致的。他通过执行用户程序来实现控制任务。但是，在时间上，PLC执行的任务是串行，与继电接触器控制系统中任务的执行有所不同。PLC采用循环扫描工作方式。在程序执行过程的周期中，程序对各个过程输入信号进行采样，对采样的信号进行运算和处理，并把结果输出到生产过程的执行机构中。所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O(输出) 刷新”。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出队输入产生了响应。反之，若在本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。扫描周期的长短主要取决于这几个因数：一是CPU执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就需慎重考虑。应对响应时间作出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。2.4 PLC的编程语言PLC提供了较完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。利用编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬接线线路，这就是所谓的“可编程序”。程序由编程器送到PLC内部的存储器中，它也能方便地读出、检查与修改。PLC提供的编程语言通常由三种：梯形图、指令表、功能图等。梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC梯形图PLC的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。PLC的梯形图使用的时内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的。梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。指令表（STL）编程语言类似于计算机中的助记符语言，他是可编程控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。顺序功能流程图（SFC）编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。使用它可以对具有并发、选择等复杂的系统进行编程。许多PLC都提供了用于SFC编程的指令。每一种编程方法都有它的优点和缺点，根据每一种特殊的控制要求，根据编程者的熟练程度正确合理应用编程方法。3 总体设计方案3.1总体设计方案的确定目前，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。3.1.1 PLC与继电器控制系统比较从某种意义上说，PLC是从继电接触控制发展而来的。两者既有相似性又有不同之处。1) 继电接触控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制；PLC内部大部分采用“软”电器、“软”接点和“软”线连接，为软件控制。2) 继电接触控制系统体积大；PLC控制系统结构紧凑，体积小。3) 继电接触控制全为机械式触点，动作慢；PLC内部全为“软接点”，动作快。4) 继电接触控制功能改变，须拆线、接线乃至更换元器件，比较麻烦；PLC控制功能改变，一般仅需修改程序即可，极其方便。5) PLC控制系统的设计、施工与调试比继电接触控制系统周期短。6) PLC控制的自检和监控功能比继电接触控制的强。7) PLC的应用范围比继电接触控制的要广泛。8) PLC可靠性比继电接触控制的高。此外，可编程序控制器与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。可编程序控制器是以反复扫描的方式工作，是循环地、连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令，也就是说可编程序控制器是以“串行”方式工作的。而继电-接触器是按“并行”方式工作的，或者说是按同时执行方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时动作。继电-接触器控制的并行工作方式因触点动作的延误易产生竞争和时序失配等问题，这些在串行工作方式的可编程序控制器中不会发生。3.1.2 PLC与微型计算机的比较PLC也是随着微型计算机的发展而发展，PLC实质上就是一台专为工业生产控制设计的专用计算机。两者既有相似处有差别，主要差别表现在以下几个方面：1) PLC输出输入接口较多，中大型PLC输出输入接口更多，便于多路多点控制。2) PLC编程简便，因为PLC是采用易于用户理解、接收和使用的梯形图编程语言，指令又不太多，而计算机使用汇编语言或其他高级语言编程，比PLC编程复杂。3) PLC可靠性高，因为PLC是为工作环境条件比较恶劣的工业控制设计的，设计与制造PLC时已采取了多种有效的抗干扰和提高可靠性措施。4) PLC技术较容易掌握，使用维护方便，对使用者的技术水平要求比使用计算机时低。5) PLC采用扫描方式进行工作，加之其他一些原因，所以PLC输入输出响应比计算机慢。6) 此外PLC体积较小，调试周期短。从上边的论述和比较可以看出，由PLC的硬件决定了它的可靠性和控制功能比继电器控制系统高的多，它是专门为工业控制场合设计的，所以他的稳定性也比一般通用计算机要好的多，而且它操作简单灵活，易于实现系统升级和功能扩展所以在本设计中采用PLC来进行逻辑控制。3.1.3 PLC控制的电梯系统电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图2-1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。系统控制核心为PLC主机、操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。3.2设计思想电梯信号控制基本由PLC软件实现。电梯信号控制系统如图3-1所示。图3-1 电梯PLC信号控制系统框图输入到PLC的控制信号有：运行方式选择（如自动、有/无司机、检修、消防运行方式等）、运行控制、轿内指令、层站召唤、开关门及限位信号、门区和平层信号等。根据不同的输入控制信号，系统给出不同的输出响应，通过电机的正反转来实现电梯的上行下行和开关门，由限位开关来实现电梯停层。对于输入的轿内外指令有呼梯指示、楼层指示等指示灯指示。4 电梯控制系统硬件设计 电梯的安全运行是电梯控制要考虑的首要问题，本设计及完成了电梯未知的确定与显示、轿厢内的运行命令及门厅的召唤、电梯自动运行时的信号响应、电梯的平层与停车及电梯的开关门控制。由一台曳引电机和一台门电机分别控制电梯上下行和开关门。让乘客能知道电梯的位置及运行方向，而且电梯自动关门时，门接触处的传感器能感应外界阻力，安全开关门。4.1 四层电梯控制主回路原理图根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图4-1所示。图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。FU1为熔断器，起过电流保护作用。 图4-1电梯的电气控制系统主回路原理图L1、L2、L3为系统电机的转动提供三相电源，当接触器KM1接通时，电机正转，电梯上行；当电梯到达顶层或接到下行信号时，KM2接通，电梯下行；在电梯上行或下行途中，若遇到限位开关的停层信号，曳引电机停转，电梯停层，此时，门电机运行，实现电梯的开关门。QS为手动断路器，实现手动的开机关机。4.2 可编程控制器机型的选择为了完成设定的控制任务,主要根据电梯控制方式与输入/输出点数和占用内存的多少来确定PLC的机型。本系统为四层楼的电梯,采用集选控制方式,本设计选用西门子S7-200系列实现。所需输入/输出点数与内存容量估算如下:1）输入/输出点的估算：采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。一层有上升呼叫按钮K1和指示灯H1，二层有上升呼叫按钮K2和指示灯H2以及下降呼叫按钮K4和指示灯H4，三层有上升呼叫按钮K3和指示灯H3以及下降呼叫按钮K5和指示灯H5，四层有下降呼叫按钮K6和指示灯H6。一至四层有到位行程开关SQ1SQ4。电梯内有一至四层呼叫按钮K10K7和指示灯H10H7；电梯开门和关门按钮SB5和SB6，电梯开门和关门分别通过电磁铁KM3和KM4控制，关门到位由行程开关ST1检测，开门到位由行程开关ST2检测。轿厢上行和下行由接触器KM1和KM2控制，并有上行记忆和下行记忆两路指示灯。输入点共有14个，输出点共有16个,总共30个。2）内存容量的估算用户控制程序所需内存容量与内存利用率、输入/输出点数、用户的程序编写水平等因素有关。因此,在用户程序编写前只能根据输入/输出点数、控制系统的复杂程度进行估算。本系统有开关量I/O总点数有30个，模拟量I/O数为0个。利用估算PLC内存总容量的计算公式:所需总内存字数=开关量I/O总点数(1015)+模拟量I/O总点数(150250)再按30%左右预留余量。估算本系统需要约1K字节的内存容量。综合I/O点数以及内存容量，S7200的CPU221及CPU222输入，输出点数大大满足不了该设计的需求；CPU224有14个输入，10个输出点，需要接扩展模块，设置地址，把设计复杂话。故选有24个输入16个输出的CPU226，足以满足要求。S7-200的CPU226的技术数据如表4-1所示，表4-1 CPU226的存储器分区及数量描述CPU226用户程序/数据大小4k字/2.5k字定时器256个（T0-T255）计数器256个（C0-C255）输入/输出点数24输入/16输出接口2个RS-485接口输入电压20.4到28.8VDC4.3 硬件设计方案的确定4.3.1输入/输出点的分配该系统占用PLC的30个I/O口，14个输入点，16个输出点，具体的I/O分配如表4-2所示。表4-2 I/O分配表序号名 称输入点序号名 称输出点0一层平层I0.00电梯上行记忆Q0.01二层平层I0.11电梯下行记忆Q0.12三层平层I0.22电机正转Q0.23四层平层I0.33电机反转Q0.34内呼一楼I0.44内呼一楼指示Q0.45内呼二楼I0.55内呼二楼指示Q0.56内呼三楼I0.66内呼三楼指示Q0.67内呼四楼I0.77内呼四楼指示Q0.78一层外呼上行I1.08一层外呼上行指示Q1.09二层外呼上行I1.19二层外呼上行指示Q1.110三楼外呼上行I1.210三楼外呼上行指示Q1.211二楼外呼下行I1.311二楼外呼下行指示Q1.312三楼外呼下行I1.412三楼外呼下行指示Q1.413四楼外呼下行I1.513四楼外呼下行指示Q1.514手动开门I2.014门电机正转Q1.615手动关门I2.115门电机反转Q1.716开门限位I2.2 17关门限位I2.318电梯上升极限位I2.419电梯下降极限位I2.54.3.2 PLC外部接线图本设计的PLC外部接线图如图4-2所示.CPU226CN的传感器电源24V(DC)可以输出600mA电流，通过核算在本设计中PLC容量完全满足要求，CPU226CN的输出继电器触点容量为2A，电压范围为530V（DC）或5250V（AC）。电梯现在由一楼上行，电机正转，则Q0.2输出，KM1闭合，同时Q0.0输出。上行记忆灯亮。当二楼或以上楼层有人外呼电梯，则外呼梯信号I0.1输入，SQ2闭合。当电梯抵达二楼平层时，Q1.6输出，KM3闭合，电梯开门，乘客进入后，Q1.7输出，KM4闭合，电梯关门。在上行过程中，可采集二、三楼信号，并进行上行登记，当电梯抵达顶层四楼时，信号由I0.3输入，四楼位置开关SQ4闭合。当电梯有内呼信号时，I0.4I0.7处输入，K10K7处某一开关闭合Q0.4Q0.7处信号输出。内呼登记处信号灯亮，电梯由登记信号选择平层停靠。同理，电梯下行时，Q0.3信号输出，KM2带电，电机反转，所有内外呼梯信号及平层停靠均同电梯上行时情况一样。图4-2 PLC外部接线图5 软件设计5.1 PLC的编程语言PLC程序是PLC指令的有序集合，PLC运行程序就是按一定的顺序，执行这集合中的一条条指令。指令是指示PLC动作的文字代码或图形符号。使用的编程语言不同，这些文字代码和图形符号就不相同。但从本质上来讲，指令的实质都是二进制机器码。同普通的计算机一样，PLC的编程软件通过编译系统把PLC程序编译成机器代码。PLC的编程语言一般有五种：顺序功能图(Sequential Function Chart)、梯形图(Ladder Diagram)、功能块图(Function Block Diagram)、指令表(Instruction List)和结构文本(Structured Text)。其中，顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能块图(FBD)是图形编程语言，指令表(IL)和结构文本(ST)是文字语言。梯形图(LD)是目前使用最广泛的PLC图形编程语言，梯形图与继电器控制系统的电路图相似，比较易于掌握、程序表达清楚。本系统PLC程序的编制采用梯形图语言，编程软件为STEP 7。该软件能够完成制作程序、对可编程控制器CPU的写入/读出、监控程序运行、调试程序、PLC错误诊断等一系列功能。5.2系统结构框图电梯运行的流程框图如图5-1,电梯的定向是根据电梯的上行请求信号、下行请求信号、电梯轿箱内请求信号、电梯当前所处位置等信号来确定电梯继续运行的方向。电梯的定向是电梯控制中的重要逻辑。在以往电梯的定向逻辑中，一般都是将电梯各个层的上、下行请求信号、电梯轿箱内楼层请求信号、电梯当前楼层信号等综合到一条或几条语句中进行判断。这样一来，当楼层数目比较大时，每条语句的编程元件很多，不可避免的带来程序复杂，容易出错，调试麻烦，运行速度慢等问题。以下提出的用逻辑运算指令来进行电梯定向的方法可以比较好的问题。状态转换方式：电梯的方向只有上升、下降2个方向，但电梯也可能由于没有任何的上升或者下降请求信号而处于停止状态。在电梯的方向处理过程中，电梯只能在上升状态和停止状态或者下降状态与停止之间转换，例如当电梯由上升状态转为下降状态时必须先由上升状态转换为停止状态以后再由停止状态转为下降状态。这样的处理方式对电梯的运行是很有意义的，以往的电梯控制系统中，当电梯响应完某个方向上的所有信号后，若所有剩余的信号都是反方向的，电梯立刻改变方向，此时，在原方向前方若出现新的呼叫信号，电梯将不会立刻应答，只是记忆该呼叫信号，而去响应换向后的方向上的呼叫信号，这样既不符合电梯选层的优先原则，又不能有效的节约能源。采用图4.2所示的状态转换方式，电梯在响应完某个方向上的所有信号后并不是立刻反向，而是保持该状态等待一段时间后进入停止状态，然后再反向响应相反方向的呼叫信号。对保持时间进行合理的选择，完全可以做到既不会使得电梯的换向过程显得迟钝，又能有效的响应同方向的由于电梯的上升与下降状态之间需要通过“停止状态”该中间状态来转换，故在电梯的方向判断逻辑中需要考虑以下几种情况:(1)电梯处于上升状态在该状态下，当前楼层的上面有上升请求，当前楼层的上面有下降请求或者电梯轿箱内请求在当前楼层的上面，3个条件有1个和多个成立时，电梯继续处于上升状态;当以上3种条件都不满足时，电梯经过一段定时时间后进入停止状态。(2)电梯处于下降状态在当前楼层的下面有下降请求，当前楼层的下面有上升请求或者电梯轿箱内的请求在当前楼层的下面时，电梯继续处于下降状态;当以上3种条件都不满足时，电梯经过一段定时时间后进入停止状态。(3)电梯处于停止状态在当前层之上有下降、上升的请求信号或者电梯轿箱内楼层请求信号在当前层的上面则置电梯为上升状态;相反，若在当前层之下有下降、上升的请求信号或者电梯轿箱内楼层请求信号在当前层的下面则置电梯为下降状图5-1 电梯控制流程图5.3 电梯控制梯形图程序1、外召唤信号登记及消除乘客或司机在厅外呼梯时，呼梯信号应被接收和记忆。当电梯到达该楼层，且定向方向与目的地方向一致时（基层和顶层除外），呼梯要求已满足，呼梯信号应被消除。该控制的梯形图程序如下，2、内指令信号登记及消除点动内呼按钮，信号登记显示。到层信号取消。本系统设一楼为基站，两分钟内无任何操作，电梯自动返回一楼。由T40实现2分钟定时，定时时间到，T40闭合，Q0.4动作，相当于一楼内呼，电梯返回到一楼。实现该功能的梯形图如下，3、电梯的平层信号处理 当电梯位于某一层时，指层电梯感应器产生该层的信号，以控制指层灯的状态，离开该层时，该楼层信号应被新的楼层信号所取代。实现该功能的梯形图如下所示，4、电梯的选层定向 在自动运行状态下，电梯首先应确定运行方向，即定向。电梯的定向只有两种情况，即上行和下行。电梯处于待命状态，接收到内选和外呼信号时，应将电梯所处的位置与信号进行比较，确定是上行还是下行。（1）.轿厢上行（2）轿厢下行5、内指令外召唤信号的保持轿厢的内呼指令与外召唤指令保持信号，用于在有乘坐需要的楼层停车，并自动或手动执行开关门操作。开关门执行一次之后，信号取消。使电梯能够继续响应其他乘坐信号。实现该控制功能的程序梯形图如下，6、各楼层停车信号乘客或司机通过对轿厢内操纵盘上14层选层按钮的操作，可以选择欲去的楼层。选层信号被登记后，选层按钮下的指示灯亮。当电梯到达所选的楼层后，停层信号即被消除，指示灯也应熄灭。其梯形图如下图所示： 7、自动开关门电梯到层停车后，延时2s后自动开门，5s后自动关门。并设有手动开门按扭和关门按钮。可实现即时开关门。由T37和T38分别完成2S和5S的定时。实现该功能的梯形图如下，6 电梯控制程序的仿真调试6.1 STEP 7- Micro/WIN概述STEP 7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的组成部分。有下列版本的STEP 7标准软件包：用于SIMATIC S7-200上简单单站应用的STEP 7 Micro/DOS和STEP 7 Micro/WIN。用于使用带有各种功能的SIMATIC S7-300/ST-400、SIMATIC M7-300/M7-400和SIMATIC C 7的STEP 7：- 可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展- 为功能模板和通讯处理器赋值参数- 强制和多处理器模式- 全局数据通讯- 使用通讯功能块的事件驱动数据传送- 组态连接STEP7编程软件允许结构化用户程序，可以将程序分解为单个的自成体系的程序部分从而使大规模的程序更容易理解，可以对单个的程序部分进行标准化程序组织简化，修改更容易系统的调试也容易了许多在7s用户程序中可以使用如下几种不同类型的块:组织块(OB)是操作系统和用户程序的接口它们由操作系统调用，并控制循环和中断驱动程序的执行，以及可编程控制器如何启动。它们还处理对错误的响应组织块决定各个程序部分执行的顺序用