PLC控制四层电梯--毕业设计.doc

华北科技学院毕业设计（论文）1 绪论1.1课题设计背景电梯是高层宾馆、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。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、运行寿命较短、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，由可编程序控制器(PLC)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，己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。可编程序控制器，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。自1969年针对工业自动控制的特点和需要而开发的第一台PLC问世以来，迄今已30多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又不同于顺序控制器和通用的微机控制装置。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。用户买到所需PLC后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可灵活而方便地将PLC应用于生产实践。而且用户程序的编制、修改和调试不需要具有专门的计算机编程语言知识。这样就破除了“电脑”的神秘感，推动了计算机技术的普遍应用。可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。PLC现己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、计数继电器等组成的传统的继电器控制系统，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。PLC的应用深度和广度己经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。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，然而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，与PLC相比较，存在着质的差别。电梯使用继电接触器控制的时代，很难设计出质量优良的电梯控制系统，而现在，可编程控制器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、机械与电气部件被有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。因此，它己经成为电梯运行中的关键技术。1.2课题的来源PLC以其优越的性能，在很多领域中得到了广泛的应用。在电梯业也是如此，目前国内7080年代安装完成的电梯绝大部分是继电器控制，线路复杂，节点接线多，故障率高，调速方式一般采用变极调速、调压调速、直流调速。维修困难，属于能耗型调速，效率低、发热量大、调速性能指标较差，严重地影响电梯运行质量。应对这些电梯进行更新和改造。但是更新需要大量资金，对使用单位来说有一定困难，所以对电梯进行局部改造是经济的、实际的。近年来，采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯，取得了良好效果。利用PLC和变频对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。1.3电梯继电器控制系统存在的问题（1）系统触点繁多接线线路复杂,而且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。（3）电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。（5）由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；而且检查故障困难，费时费工。电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊扰。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。1.4 PLC控制电梯的优点（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。（4）PLC可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。1.5课题的主要设计内容针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯。调速系统采用交流变频调速，在各种负载下都有良好的速性能和准确的停车性能，满足乘客的舒适感和保证平层精度（即准确停车），并能节约大量电能。课题所设计的内容主要是用可编程控制器（PLC）来控制四层电梯运行系统。由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。论文的主要内容是：首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面介绍和总结。接着阐述了电梯控制系统的分类及各自特点，并基于S7-200为制核心设计了一个四层楼宇电梯的控制系统，具体内容如下：第一章：首先对本设计的工程应用背景作出了详细介绍，确定本设计的主要目标及内容。第二章：对电梯和PLC进行概述，具体讲了电梯的起源与发展、电梯的组成部分、电梯的主要参数、电梯的安全装置、PLC的定义与特点、PLC与传统继电器的比较、PLC的组成部分及功能。通过这些内容的讲述，为后面PLC控制电梯系统打好基础，做好理论铺垫。第三章：主要阐述了PLC控制电梯的设计要求，设计分析，系统结构图和系统框图，以及PLC的选型，从一个大的方面来明确本次设计的主要任务和要达到的目标，从而使后面设计的硬件部分和软件部分围绕这些目标展开，更有针对性。第四章：主要设计PLC控制电梯的硬件电路，首先对主控PLC即S7-200进行了介绍和分析，便于后面与硬件的连接和编程的实现，然后分析了和PLC配合实现的硬件控制部分，画出了原理图并配有详细的文字说明，然后列出了I/O分配表和安装接线图。第五章：首先说明了PLC控制程序设计的步骤，并介绍了编程软件STEP-7。最后是设计总结。2 电梯及PLC概述2.1电梯概述2.1.1电梯的起源与发展电梯属于垂直提升运输设备，起源于我国古代农业和建筑的原始提升工具。公元前十一世纪，我国北方劳动人民发明了辘护。公元前236年，希腊人阿基米德设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬机，共造出三台，安装在妮罗宫殿里。在瓦特发明了蒸汽机之后，于1850年，在美国纽约市出现了世界上第一台由亨利沃特曼制作的以蒸汽机为动力的卷扬机。1852年美国人伊莱沙格雷夫斯奥梯斯发明了世界上第一部以蒸汽机为动力、配有安全装置的载人升降机。这便是世界上第一部备有安全装置的客梯，在1857年被安装在纽约市豪华商厦里。在此期间，英国的阿姆斯特朗发明了水压梯。随着水压梯的发展，蒸汽梯也就被淘汰了。后来发展为采用油压泵和控制阀的液压梯，而直到今天液压梯仍在使用。在1889年，美国奥梯斯升降机公司推出了世界第一部以电动机为动力的升降机，这才开始出现了名副其实的电梯，同年在纽约市的马累特大厦安装成功。在1903年，又将卷筒式驱动方式改进为槽轮式(即曳引式)驱动。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多。所以，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。尽管交流电动机结构简单，造价便宜，但在调速性能方面却难以满足更高的要求，而对直流电动机来讲，由于后来采用了发电机一电动机组调速系统，能较好地满足电梯调速的高要求。因此，在20世纪前半叶，电梯的电力拖动，尤其是高层建筑物中的电梯速度的调节，几乎都是采用直流调速系统来实现的。在第二次世界大战以后，美国的建筑业得以快速发展，促使电梯也进入发展时期，新技术被广泛用于电梯。1949年研制出4一6台电梯的群控系统。1955年出现了真空电子管小型计算机控制的电梯。1962年在美国己出现了.8sm/s的超高速电梯。在1967年将固体晶闸管用于电梯拖动系统。随着电力电子技术的发展，在用晶闸管取代直流发电机一电动机组的同时，研制出了交流调压调速系统，是交流电梯的调速性能得到了明显改善。至此，电梯的控制技术有了很大发展。进入80年代，电梯控制技术又有了新的变化。由于固体功率器件的不断发展和完善以及微机技术的应用，出现了交流变频调速系统。1984年在日本己将其用于Zm/s以上的高速电梯。1985年以后，又将其延伸到中、低速交流调速电梯。交流变频调速技术被认为是电梯行业的当代技术。当前，在电梯电力拖动方面，除了大容量电梯还采用直流拖动系统以外，用交流变频调速方式取代直流调速方式，以成为高速电梯的主流。应用微机全面取代继电器控制逻辑实现闭环控制，可进一步提高电梯的性能和可靠性，并可降低现场调试要求，是电梯控制技术的方向。2.1.2电梯的主要组成部分（1）曳引部分：通常有曳引机和曳引钢丝绳组成。电动机带动曳引机旋转使轿厢上下运动。（2）轿厢和厅门：轿厢由轿架、轿底、轿壁和轿门组成；厅门一般有封闭式、中分式、双折中分式和直分式等。（3）电器设备及控制装置：由曳引机、选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和厅外指示器组成。（4）其它装置：对重装置、补偿装置等。2.1.3电梯的主要参数（1）载重量(kg)：制造和设计规定的电梯的额定载重量。（2）轿厢尺寸(mm)：宽*深*高。（3）轿厢形式：单或双面开门及其他特殊要求等，以及对轿顶、轿底、轿壁的处理，颜色的选择，对电话的要求等等。（4）轿门形式：栅栏门、封闭式中分门、封闭式双折门、封闭式双折中分门等。（5）开门宽度(mm)：轿厢门和层门完全开启时的净宽度。（6）开门方向：人在轿外面对轿厢门向左方向开启的为左开门，向右方向开启的为右开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称中分门。（7）曳引方式：常用的有半绕1：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度；半绕2：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳运行速度的一半；全绕1：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。（8）额定速度(m/s)：制造和设计所规定的电梯运行速度。（9）电气控制系统：包括控制方式、拖动系统的形式等。如交流电机拖动或直流电机拖动，轿内按钮控制或集选控制等。（10）停层站数(站)：凡在建筑物内各楼层用于出入轿厢的地点均称为站。（11）提升高度(mm)：由底层端站楼面至顶层端站楼面之间的垂直距离。（12）顶层高度(mm)：由底层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直的距离。电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。（13）底坑深度(mm)：由底层端站楼面至井道底面之间的垂直距离。电梯的运行速度越快，底坑一般越深。（14）井道高度(mm)：井道底面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距离。2.1.4电梯的安全保护装置（1）电磁制动器：装于曳引机轴上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层后断电制动。（2）强迫减速开关：起分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上撞块就触动此开关，通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速。（3）限位开关：当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，此限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。（4）行程极限保护开关：当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关动作。（5）急停按钮：装于轿厢司机操纵盘上，发生异常情况时，按此按钮切断电源，电磁制动器制动，电梯紧急停车。（6）厅门开关：每个厅门都装有门锁开关。仅当厅门关上才允许电梯启动;在运行中如出现厅门开关断开，电梯立即停车。（7）关门安全开关：常见的是装于轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安全触板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门，此外还有红外线开关等。（8）超载开关：当超载时轿底下降开关动作，电梯不能关门和运行。（9）其它的开关：安全窗开关，钢带轮的断带开关等。2.1.5电梯发展展望（1）结构不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化。随着新技术、新结构、新材料、新工艺的发展，电梯的机械系统结构单化、体积小型化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。同时，无机电梯在新世纪将会有较大速度发展。（2）技术含量更高，性能更好。电梯行业技术发展非常迅速，几年前推出的具有先进性能、高舒适性VVVF电梯，如今已成为电梯行业的标准配置，因为永磁同步无齿轮曳引具有更节能、更洁净、更安全、更安静、更经济的特点，所以永磁同步曳机逐步成为新型曳引机的主流；由于永磁技术的先进性，将来很有可能取VVVF技术。另外，网络控制和智能群控系统以其控制的先进性、快速性准确性和可靠性亦是电梯的发展潮流。（3）安装更方便、快捷高效、安全、可重复使用的无脚手架安装，将是高层电梯安装的主要形式，随着技术的开发、应用，电梯的硬件系统给安装带来更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。此外，电梯的双向安全装置、无底坑、无线控制、绿色环保安全、环保、节能、舒适，也将是未来电梯的重要发展方向。2.2可编程序控制器概述可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术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、灵活通用与维护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，成为了现代工业控制的三大支柱之一。2.2.1可编程序控制器发展的几个阶段可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了它们的发展。从控制功能来分，可编程序控制器的发展经历了下列四个阶段：第一阶段。从第一台可编程序控制器问世到20世纪70年代中期，是可编程序控制器的初创阶段。这一阶段的产品主要用于逻辑运算和计时、计数运算，它的CUP由中小规模的数字集成电路组成，它的控制功能较简单。典型产品有很多，比如有LLNEBRADLEY(AB)公司的PDQZ、DEC的PDP一14、日立公司的SCY一022等。由于这些产品主要成逻辑运算功能，因此被称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller一PLC)。第二阶段。从20世纪70年代中期到末期，是可编程序控制器的扩展阶段，在这一阶段，产品的主要控制功能得到了较大的发展，它的发展主要来自两方面，从可编程序控制器发展而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同时扩展了其他运算功能;而从模拟仪表发展而来的控制器，其功能主要是模拟运算，同时扩展了逻辑运算功能。因此，习惯的分类方法，前者被称为可编程序逻辑控制器(PLC)，后者被称为单回路或多回控制器。可编程序控制器的名称缩写为PC(Programmable Controller)，但是为了与人计算机(Personal Computer)的名称缩写PC相区别，通常还是把可编程序控制器简称为PLC，这一阶段的产品有MODICON公司的184、284、384，西门子公司的SYMATIC53系列，富士电机公司的CS系列等产品。第三阶段。从20世纪70年代末期到20世纪80年代中期，是PLC通信功能实现阶段。与计算机通信的发展相联系，PLC也在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布式的通信网络体系，但是，由于制造企业各自为政，通信系统自成系统，因此，各产品的互相通信是较困难的。在该阶段，由于生产过程控制的需要，对PLC的需求大大增加，产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门子公司的YSMATCIS6系列、富士电机公司的MCIREX和德州仪器公司的T1530等等。第四阶段，从20世纪80年代中期开始是PLC的开放阶段。由于开放系统的提出，使PLC也得到了较大的发展。主要表现在通信系统的开放，使各制造企业的产品可以通信，通信协议的标准化使用户得到了好处。在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完善，大中型的产品多数有CRT屏幕的显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。这一阶段的产品有西门子公司的YSMATCISS和S7系列、AB公司的PLC-5等。2.2.2 PLC的定义和特点(1)PLC的定义由于PLC在不断发展，因此，对它下一个确切的定义是困难的。在二十世纪七十年代PLC问世后，由美国电气制造商协会(National Electric Manufacturer Association-NEMA)对PLC下过如下的定义:PLC是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee一IEC)颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版对PLC作了如下的定义:PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，它有与其他顺序控制装置不同的特点。（2）PLC的特点PLC能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些下列特点:1.可靠性高PLC不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少。与此同时，系统的维修简单、维修时间缩短，因此可靠性得到提高。PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如冗余设计、掉电保护、故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性得以提高PLC有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因此对操作和维修人员的技能要求降低，容易学习和掌握，不容易发生操作的失误，可靠性高。2.易操作性 操作方便。对PLC的操作包括程序输入的操作和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需的地址编号、继电器编号或触点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT屏幕上显示。所以LPC具有操作方便的特点。编程方便。PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，梯形图由于与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。所以有利于程序的编写和学习。采用布尔助记符编程语言时，由于符号是功能的简单缩写，十分有利于编程人员的编程。虽然功能表图、功能模块图和高级描述语句的编程方法应用尚未普及，但是，由于它们具有功能清晰、易于理解等优点，正为广大技术人员所接纳和采用维修方便。PLC所具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低了。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障信号灯的提示和故障代码的显示，或通过编程器和CRT屏幕的显示，很快地找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。3.灵活性编程的灵活性。PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。编程方法的多样性使编程方便，应用面拓展。由于采用软连接的方法，在生产工艺流程更改或者生产设备更换时，可以不必改变PLC的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统所不能比拟的。正是由于编程的柔性特点，使PLC能大量地替代继电器顺序控制系统，成为当今工业控制领域的重要控制设备。扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是它的一个重要的特点。它可根据应用的规模不断扩展，即可进行容量的扩展，功能的扩展，应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输入输出单元来增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统(DCS)或其他上位机的通信来扩展它的功能，并与外部设备进行数据的交换等。这种扩展的灵活性大大地方便了用户。操作的灵活性。操作的灵活性是指设计的工作量大大减少，编程的工作量和安装施工的工作量大大减少，操作十分灵活方便，监视和控制变得容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作可以简化，不同的生产过程可采用相同的控制台或控制屏等。2.2.3 PLC与继电器控制系统的比较虽然近几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，然而其控制性能与自身的功能己经无法满足与适应工业控制的要求和发展，与PLC相比较还是存在着质的差别，表2一l给出了PLC与继电器控制系统功能与特点的具体比较。表2一1 PLC与继电器控制功能与特点比较比较项目继电器控制PLC控制控制功能的实现通过对继电器进行硬接线完成相应的控制功能对PLC进行编程实现所需控制要求对生产工艺变化的适应性需进行重新设计与接线，适应性差只需对程序进行修改，适应性强可靠性元器件多，触电多，容易出现故障采用大规模集成电路，绝大部分是软继电器，可靠性高柔韧性与灵活性差具有种类齐全的扩展单元，扩展灵活控制的实时性机械动作时间常数大，实时性差微处理器控制，实时性非常好占用空间与安装控制柜体积大、笨重、安装施工工作量大体积小、重量轻、安装工作量小使用寿命易损、寿命短寿命长复杂控制能力极差很强价格较低较高维护复杂、工作量大工作量小2.2.4 PLC的基本结构PLC本质上是一台用于控制的专用计算机，因此它与一般的控制机在结构上有很大的相似性。PLC的主要特点是能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕着适宜于过程控制的要求来进行设计的。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/0单元是连接CUP与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。下面画出PLC基本组成结构的硬件框图，以便加深对PLC的理解。图2-1 PLC的硬件框图（1）中央处理单元CPUCPU是PLC的核心，其主要作用是:接收从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中;用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入相应的数据寄存器;执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序解释后逐条执行，完成程序规定的逻辑和算术运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作;通过故障自诊断程序，诊断PLC的各种运行错误。因此，CPU的性能对PLC的整机性能有着决定性的影响。（2）存储器PLC的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。系统程序存储器该存储器存放系统程序(系统软件)。系统程序是PLC研制者所编的程序，它是决定PLC优性能的关键。系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标准子程序库其他各种管理程序等。系统程序由制造厂家提供，一般都固化在ROM或EPROM中，用户不能直接存取。系统程序用来管理、协调PLC各部分的工作，翻译、解释用户程序，进行故障诊断等。用户程序存储器该存储器存放用户程序(应用软件)。用户程序是用户为解决实际问题并根据PLC的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经CPU存放入用户存储器。为便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器使用RAM。变量(数据)存储器变量存储器存放PLC的内部逻辑变量，如内部继电器、UO寄存器、定时器/计数器中逻辑变脸的现行值等，这些现行值在cPu进行逻辑运算时需随时读出、更新有关内容，所以，变量存储器也采用RAM。现今用户程序存储器和变量存储器常采用低功耗的CMOS一RAM及铿电池供电的掉电保持技术，以提高运行可靠性。通常PLC产品资料中所指的内存储器容量，是指用户程序存储器而言，且以字(16位/字)为单位来表示存储器的容量。（3）输入输出接口(简称I/O)输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部分，是PLC的重要组成部分。与微机的I/O接口工作于弱电的情况不同，PLC的I/O接口是按强电要求设计的，即其输入接口可以接受强电信号，其输出接口可以直接和强电设备相连接。输入接口输入接口的功能是采集现场各种开关接点的状态信号，并将其转换成标准的逻辑电平，送给CPU处理。一般的输入信号多为开关量信号，各种开关量输入接口的基本结构大同小异，常有直流和交流开关量输入接口电路两种。交流开关量输入接口电路与直流开关量输入接口电路的主要区别是，前者要由现场提供交流电流，输入的交流信号经整流后得到直流，再去驱动光电祸合器。在机械设备中，除开关量外，还常遇到一些模拟量如温度、压力、位移和速度等。对这些模拟量进行采集时，必须经模数转换器(ACD)将模拟量转换成数字量，才能为PLC的CPU所接受。输出接口为适应不同的负载，输出接口有多种方式。常用的有晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器输出方式。晶体管输出方式用于直流负载;双向晶闸管输出方式用于交流负载，继电器输出方式可用于直流负载，也可用于交流负载。一些PLC还有模拟输出接口，用于需要摸拟信号驱动的负载。（4）编程器编程器是PLC中一种主要的外部设备，它是开发、维护PLC控制系统的必备设备。编程器用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视，还可以通过其键盘去调用与显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过通信端口与CPU联系，完成人机对话连接。编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯，以及编程、监控转换开关。编程器的键盘采用梯形图语言键符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。编程器有便携式和CTR智能式两大类，前者只能联机编程，而后者既可联机编程，又可脱机编程。便携式编程器体积小，重量轻，可随身携带，便于在生产现场使用。一般的小型PLC主要采用便携式编程器。编程器是专用的，不同型号的P优都有自己专用的编程器，不能通用。PLC正常工作时，不一定需要编程器。因此，多台同型号的PLC可以只配一个编程器。（5）其他设备PLC的外部设备还有盒式录音机、打印机、EPROM写入器及高分辨率屏幕彩色图形监控设备等。2.2.5 PLC的工作原理与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常地工作。软件分为系统软件和应用软件两部分。PLC的基本工作如下:(1)输入现场信息:在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点的状态;(2)执行程序:顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算;(3)输出控制信号:根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC的扫描周期通常为几十毫秒。在实际应用中，大多数机械设备的工作过程可以分为一系列不断重复的顺序操作，PLC的工作方式与此相似。因此，PLC的程序可与机器的动作一一对应，程序编制简单、直观，不容易出错，而且容易修改，从而大大减少了软件的开发费用，缩短了软件的开发周期。为了提高工作的可靠性，及时接收外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成与编程器等的通信。每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。诊断结束后，如果没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。PLC就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停电等故障才停止工作。3 电梯PLC控制系统的总体设计方案3.1电梯的运行过程分析 本设计是由电梯司机操纵的电梯，当乘客进入轿厢后，则由司机根据乘客欲前往的层站，逐一按下相应层站的选层按钮，便完成了运行指令的预先登记，电梯便自动决定运行方向。通过启动关门回路的控制，电梯自动关门，当门完全关闭后，门锁微动开关闭合，使门锁继电器吸合，电梯开始启动、加速，直至稳速运行。当电梯到达欲停靠的目的层站前方某一距离位置时，通过慢车一级减速接触器、慢车二级减速接触器、慢车三级减速接触器的相继吸合，电梯便自动减速准备停靠。当轿厢进入到平层区(即停靠层站上方或下方的一段有限距离)时，在轿箱侧面装有的2只永磁感应器，即上平层感应器和下平层感应器正好全部插入到井道里的隔磁铁板中，从而控制轿厢准确平层，自动开门。对某类电梯，如果在平层时平层精度超过标准要求，则电梯进行校正运行，电梯以最低的速度慢行到准确平行位。如果继续平向运行，司机只需按下启动按钮，电梯便按预先登记的楼层，按序逐一自动停靠，自动开门，在此设计中没有引用这种方法，就不再赘述。在电梯运行过程中，如果厅外有人按下厅门召唤电钮，则轿箱里的蜂鸣器响，提醒司机有人呼梯。只要申请乘梯方向符合此时电梯运行方向，则电梯能被顺向截停。当同向登记指挥都已被执行以后，司机根据召唤信息，控制电梯执行另一方向的运行登记指令。如果欲乘电梯的乘客正逢电梯关门时，可按下厅外上、下召唤按钮中与电梯欲行方向相同的一个按钮，电梯便立即开门，这种操作，称为本层开门。当乘客进入轿厢时，只需按下欲前往的层站按钮。电梯在到达规定的停站延迟时间时，便自动关门启动、加速，直至稳速运行。在运行过程中，可逐一根据各楼层厅外召唤信号，对符合运行方向的召唤信号，将逐一应答，自动停靠，自动开门。在完成同向全部登记以后，如有反向厅外召唤信号，则电梯自动换向运行，应答反向厅外召唤信号。如果没有召唤信号时，电梯便自动关门停机，或自动驶回基站关门待命。如果某一楼层再有召唤信号，电梯便自动启动前往应召。3.2电梯控制系统的设计要求3.2.1电源运行控制在安全回路里面，将电梯里所有安全部件的开关串联在一起，控制电源继电器，只要安全部件中任何只要安全部件中有任何一只起保护，将切断电源继电器线圈电源，使电源继电器释放。当外部电源出现电压不稳定时，电源继电器就先于其它继电器率先断开，起一个欠电压保护作用。（详见第四章安全回路）当司机通过锁梯钥匙开启电梯以后，电梯为有电源控制状态，可以执行运行的各种要求和指令。当电梯不需要运行时，则通过基站锁梯操作（见软件分析部分），司机可以切断电梯电源，则电梯不能进行任何操作。3.2.2选层控制司机及乘客可按下轿厢内操控盘上的选层按钮,选定电梯运行的目的楼层，此为内选信号。按钮按下后，该信号应被记忆并使相应的指示灯点亮。在门厅等候电梯的乘客可以按门厅的上行或下行召唤信号，此为外唤信号。该信号也需记忆并点亮门厅的上行或下行指示灯，这些保持信号在要求得到满足时应能自动消号。在每层楼电梯门的旁边和轿厢里都装有电梯上行、下行的方向显示和电梯运行在某一层的数字显示。在轿厢里设置有选层按钮和对应的信号灯，在上行时优先服务于上行选层按钮；在下层时，优先服务于下行信号，当电梯停在某层时，消除该层的选层信号。3.2.3呼梯控制电梯接收到多个信号时，采用首个信号定向，同向信号定向，同向信号先执行，一个方向任务全部执行完后再换向.当电梯上行时，如遇到某层有上行呼唤信号时，则在该层停止，同时消除该层上行信号，对应的信号灯灭，门自动打开。而在上行的过程中，下行的呼唤信号不起作用。电梯下行时同理。3.2.4自动定向控制电梯自动运行时应根据内选及外唤信号，决定电梯的运行方向及在哪些站点停站。一般情况下电梯按先上后下的原则安排运送乘客的次序，而且规定在运行方向确定之后，不响应中途的反向呼唤要求，直到到达本方向的最远站点才开始返程。3.2.5开关门控制电梯在停止时，可用按钮直接控制开门、关门。开门3秒后无人关门时，门将自动关闭。电梯停在某一层时，在门厅按下该层呼唤按钮也能开门。电梯在开门时不能上升、下降。 电梯在升降过程中不能开门。3.2.6保护控制 电梯的安全是电梯的重要技术指标，电梯的保护控制主要包括以下几点：安全窗及其开关，地坑断绳开关，急停开关，门安全触板保护装置等。在本设计里，安全回路采用的外部接线回路作为PLC的输入点，从而控制电梯能在安全状态下运行。3.2.7维护控制维护控制主要体现在检修运行，检修人员可按下轿顶、机房、轿内检修按钮,并且保证电梯在检修状态也可以开关门，以便检修。3.2.8 平层控制 电梯的井道里每层都装有一只永磁感应器，而在轿厢侧装有一块长条的隔磁铁板，假如电梯从一楼向上运行，则隔磁铁板依次插入感应器。当隔磁铁板插入感应器时,该感应器内干簧触点闭合，控制相应的楼层继电器得电，从而使得对应的信号灯亮。3.2.9蜂鸣器和报警控制由于本设计所选用的电梯分析模型是由司机操作的，所以当有乘客在外面呼叫电梯时，轿厢里的蜂鸣器应该报警，提醒司机有人在呼梯，从而更好的服务想要乘坐电梯的人。 要是有人在乘坐电梯时遇见故障或者突发的紧急状况，可以按动轿箱里的求救报警按钮，这样外面的报警器鸣响，提醒有人困在电梯里需要帮助，从而可以及时的解决此类突发状况3.3电梯PLC控制系统的基本结构图和系统框图电梯PLC控制系统的基本结构由输入接口、输出接口、PC主机、CPU、存储器组成 ，而系统框图则是分列出输入输出接口分别代表什么信号和什么控制功能，其具体结构见下图3-1和3-2.图3一1电梯PLC控制系统的基本结构图图3一2电梯PLC控制系统的系统框图3.4 PLC控制系统的设计分析3.4.1系统设计的主要内容 PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。因比，PLC控制系统设计的基本内容应包括:(1)根据生产设备或生产过程的工艺要求，以及所提出的各项控制指标与经济预算，首先进行系统的总体设计。(2)根据控制要求基本确定输入输出点数和模拟量通道数，进行I/O点初步分配，绘制使用资源图。(3)进行PLC系统配置设计，主要为PLC的选择。PLC是电梯控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择PLC，应包括机型的选择、容量的选择、UO模块的选择、电源模块的选择等。选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件)，以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等)，这些设备属于一般的电器元件。(5)设计控制程序。在深入了解与掌握控制要求与主要控制的基本方式以及应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等方面情况之后。对较复杂的控制系统，可用状态流程图的形式全面地表达出来。必要时还可将控制任务分成几个独立部分，这样可化繁为简，有利于编程和调试。程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、编制语句表程序清单。控制程序是控制整个系统工作的条件，是保证系统工作正常，安全、可靠的关键。因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。3.4.2控制系统程序设计的步骤在对一个控制系统进行设计之前，最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求，只有这样才可能提出准确的、合理的系统总体设计方案，进而实现各个阶段的设计任务。图3一3 程序设计步骤图PLC程序设计的主要步骤是:(1)较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图(如图3一3)，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一步。(2)设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。(3)根据梯形图编制语句表程序清单。用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。(4)用PLC程序运行软件STEP7对已经编好的程序进行灌输和调试，通过模拟运行，检查自己的程序有没有错。(5)调试结束以后，再通过对结果的分析，对程序设计进行修改和完善，使其没有错误，并能完成设计任务。 3.5选择PLC 3.5.1PLC规模的估算 (1)输入、输出点的估算电梯控制系统的输入：轿内指令、选层按钮、上下行厅召唤指令按钮、上下行换速开关、检修开关、开关门按钮、以及信号输入等。电梯控制系统的输出：上下方向指示灯、楼层指令灯，上下行召唤灯、上下行接触器、快慢车接触器，开关门继电器等。根据以上分析和估算，大概需要27个输入点，29个输出点，其中前8个输出点为一组，选用交流220V电压的接触器，其他的输出点为一组，选用交流24V电压电源，而且均为数字量。因此应该选择CPU226,并加上EM223扩展模块和EM222扩展模块。(2)存储容量的估算:用户程序占用内存的多少与多种因素有关。例如:输入、输出点的数量和类型，输入、输出量之间关系的复杂程度，需要进行运算的次数、处理量的多少、程序结构的优劣等，都与内存容量有关。因此，在用户程序编写、调试好以前，很难估算出PLC所应配置的存储容量。这里只对其进行简单估算即可，也就是根据输入、输出的点数及其类型、控制的繁简程度加以估算。估算方法采用生产企业为产品提供的一条经验法则公式:（输入点数+输出点数）*(1020)=指令语句数。故本系统粗略估算为(27+28)*10=550 3.5.2 根据电梯的技术指标来选择PLC 该设计基于的模拟电梯由模拟四层电梯装置、变频器及电梯控制系统等组成，其中模拟电梯高3m，每层高0.5m。由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制应采用随机逻辑控制。即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。另外，基于电梯实用性对该电梯控制系统提出以下要求:(1)为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在的楼层进行显示，我们采用ELD和发光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示(开关上带有指示灯)。(2)为了提高电梯的运行效率和平层的精度，系统要求PLC能对轿厢的加、减速以及制动进行有效的控制。(3)为了电梯的运行安全，系统应设置可靠的故障保护和相应的显示。基于对以上技术参数及技术要求得考虑，该系统选用具有逻辑运算、定时器、计数器等基本功能的小型PLC-西门子S7-200系列PLC4 硬件控制电路分析4.1主控PLC的介绍4.1.1 S7-200的优势目前国内使用的PLC以国外产品居多。美国是PLC的发源地，以大中型机为主，功完备，单机价格高，GE公司、MODICON公司、AB公司是其代表。日本的PLC以中小型为主，价格便宜，典型代表为OMRON公司、三菱(MITSUBISHI)公司的产品。德国SIEMENS司的产品以可靠性高著称，其主要产品有S5、S7两个系列，包括了从大型机到小型机各个型号，在国内使用广泛。经充分论证，选用西门子S7-200系列PLC（图2.2.2）作现场终端具有较高的性能价格比，它具有体积小、易扩展、性能优等特点，非常适合小规模的现场监控。图4-1 西门子S7-200系列PLCS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：l 极高的可靠性l 极丰富的指令集l 易于掌握l 便捷的操作l 丰富的内置集成功能l 实时特性l 强劲的通讯能力l 丰富的扩展模块S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应有领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。4.1.2 S7-200可供选择的CPU简介S7-200系列PLC可提供4种不同的基本型号的8种CPU供使用。CPU单元设计：集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221,222具有180 mA输出，CPU 224, CPU 226分别输出280、400 mA。可用作负载电源。不同设备类型：CPU 221226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。数字量输入/输