基于PLC的五层电梯控制系统设计.docx
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基于PLC的五层电梯控制系统设计
基于PLC的五层电梯控制系统设计
【摘要】电梯不仅仅是高层建筑里的必备设施，在多层建筑里也是不可缺少的垂直运输工具。
据此本文在阐述电梯的结构和可编程控制器的结构和工作原理的基础上，针对5层5站电梯，使用西门子200可编程控制器，设计了电梯的控制系统。
实现了电梯的指层控制、轿内与各层厅站呼梯指令的记录、电梯运行方向和停靠的层站的控制，自动运行和自动开关门等功能。
这种电梯控制系统应用于实际运行的电梯中，运行结果表明：
电梯控制系统安全性和可靠性高，日常保养维护和故障检修方便，运行成本低。
【关键词】电梯；控制系统；可编程控制器；西门子200
DesignofFive-storeyElevatorControlSystemBasedonPLC
ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyLAIHong-yu
Abstract:
Theelevatorisnotonlythenecessaryfacilityinthehigh-risebuilding,butalsotheessentialverticaltransportmeansinthemulti—layeredconstruction.Thisarticleelaboratedtheelevatorstructure，thestructureandtheworkingprincipleoftheprogrammablelogiccontroller．Aimattheelevatorof5storeyand5stations，IdesignthiselevatorcontrolsystembytheuseofS7-200programmablelogiccontroller.Thesemodulesachievethefunctions：
fingeringoutthelocationofthecabin，registeringtheinstructionsfromthecabinandthestationhall．choosingthedirectionandthestationofelevatorfollowtheseinstructions，operatingelevatoranddoorautomatically，andotherfunctions.Thiselevatorcontrolsystemappliesintheactualoperatingelevator．Theoperatingresultindicated：
itssecurityandreliabilityalehigh,theroutinemaintenanceandthetroubleshootingareconvenient,theelevatoroperatingcostislow.
Keywords:
Elevator;controllersystem;programmablelogiccontroller;S7-200
1引言
1.1课题研究背景和意义
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。
电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。
而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。
事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。
在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。
然而只有电梯的制造，安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量才能全面保证电梯的最终高质量。
在国外，已“法规”实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的法规认证的专业安装队伍维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验，从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。
因此，可以说乘坐电梯更安全。
美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算，其结论是：
乘电梯比走楼梯安全5倍。
掘资料统计，在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多”。
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。
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，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一接触控制系统。
1.2国内外发展状况
在经济不断发展，科学技术日新月异的今天，楼的高度已和经济发展同样的速度成长起来。
作为建筑的中枢神经，电梯起着不可或缺的作用，电梯作为建筑物内的主要运输工具，像其他的交通工具一样，已经成为我们日常生活的一个不可缺少的组成部分。
一个国家的电梯需求总量，主要受其经济增长速度、城市化水平、人口密度及数量、国家产业结构等综合因素的影响。
在全球经济持续低迷的情况下，我国国民经济仍然以较高的速度持续增长，城市化水平不断提高。
这从客观上导致了我国电梯行业的空前繁荣景象，我国已经成为全球最大的电梯市场。
上世纪80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大。
总趋势是上升的，进入了“第三次浪潮”。
2004年总产量超过了8万台，而且目前还没有减速的迹象。
从1949年建国以来全国共生产安装了61万多台电梯。
尽管如此，我国的电梯远未达到饱和的程度。
全世界平均1000人有l台电梯，我国如果要达到这个水准，还需要增加70万台。
到那时候，全国在用电梯将达到130万台，每年仅报废更新就需要6万台。
到2005年，中国电梯的年产量达到13.5万台，与1980年相比，25年增长了59倍，产量每年平均增长17.8％。
2005年安装验收电梯124465台，截至05年底，我国的在用电梯总数已达651794台。
如此庞大的市场需求为我国电梯行业的发展创造了广阔的舞台!
我国电梯行业已经具备了很强的生产能力。
兴旺的电梯市场吸引了全世界所有的知名电梯公司，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、日本三菱、东芝、富士达等13家大型外商投资公司在国内的市场份额达到了74％先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。
苏州江南、山东百斯特、浙江巨人、上海华立、昌华、东莞飞鹏、宁波宏大、苏州申龙和东南液压电梯等一批优秀的电梯品牌看清了自己的定位与出路。
目前国内市场需要的电梯产品，我国电梯行业几乎全部可以生产，不但大量替代了进口，而且有一定的出口。
国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高。
2西门子S7系列可编程序控制器的介绍
2.1可编程控制器的基础认识
1.西门子PLC的主要特点：
1）集成型高性能。
CPU、电源、输入输出三为一体。
对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。
2）高速运算
基本指令：
0.08μs／指令
应用指令：
1.52～几百μs／指令
3）安全、宽裕的存储器规格
内置8000步RAM存贮器，安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。
4）丰富的软元件范围
辅助继电器：
3072点；定时器：
256点；计数：
235点；数据寄存器：
8000点。
5）除了具有输入输出16～256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。
6）面向海外的产品适合各种安全规格
为大量实际应用而开发的特殊功能：
开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要-模拟I／O，高速计数器。
对每一个主单元可配置总计达8个特殊功能模块。
2.PLC的性能指标和分类
1）PLC的主要性能指标
（1）输入／输出点数（I／O点数）
I／O点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。
它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。
（2）存储容量
存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16位即一个字为一步。
（3）扫描速度
一般以执行1000步指令所需时间来衡量，单位为ms/k步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用µs/步。
（4）功能扩展能力
可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如A／D模块、D／A模块、位置控制模块等。
（5）指令系统
指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和，它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。
2）PLC的分类
通常，PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。
按结构形式不同,可以分整体式和模块式两类。
按控制规模大小、则可以分为小型、中型和大型PLC三种类型。
3.PLC系统的组成
PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。
PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
1）PLC的硬件结构
一套PLC系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入／输出接口、内部电源）、I／O扩展单元及外部设备组成。
2）PLC的软件
PLC的软件系统指PLC所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。
系统程序：
包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。
用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。
2.2可编程序控制器的工作方式
1.PLC的扫描工作方式，如图1所示：
图1PLC的扫描过程
可编程序控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。
从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。
然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。
可编程序控制器工作时的扫描过程如图1所示，包括五个阶段：
内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。
PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。
扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。
2.PLC的程序执行过程
PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如图2所示:
图2PLC的程序执行过程
3.PLC的扫描周期
在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。
即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。
4.PLC的I／O响应时间
PLC采用集中I／O刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。
输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了PLC的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为2-3个扫描周期。
2.3可编程序控制器的编程语言
PLC共有5种标准编程语言，其中有三种图形语言，即梯形图（LD，LadderDiagram）、功能块图（FBD，FunctionBlockDiagram），和顺序功能图（SFC，SequentialFunctionChart），两种文本语言，即结构化文本（ST，StructuredText）和指令表（IL，InstructionList）。
其中梯形图是最早使用的一种PLC语言，也是现在最常用的编程语言。
它是由继电气控制系统原理图的基础上演变而来的，它继承了继电气控制系统中的基本工作原理和电器逻辑关系的表达方法，梯形图预计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，所以在逻辑控制系统中得到了广泛的使用。
它的最大特点就是直观、清晰。
3电梯控制系统的硬件设计
3.1电梯硬件框图及控制要求分析
根据论文设计的要求和依据论文要求选择的电气元件，如图3所示：
图3电梯系统硬件框图
所涉及的电梯模型共有五层，电梯的每一层面均有升降及轿厢所在楼层的指示灯显示；1-5所对应的指示灯表示楼层号，每层的楼厅均有输入（分上行和下行）按钮召唤电梯。
工作中的电梯主要对各种呼梯信号和当时的运行状态进行综合分析，再确定下一个工作状态，为此它要求具有自动选向、顺向截梯、反向保号，外呼记忆，自动开/关门状态，停梯消号，自动达层等功能。
分析以上控制要求，将电梯控制要实现的功能罗列如下：
开始时，电梯处于任意一层。
当有外呼梯信号到来时电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时三秒后自动关门。
当有内呼梯信号到来时，电梯应该响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时三秒后自动关门。
在电梯运行过程中电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的呼梯信号均不响应，但如果反向呼梯信号前方无其它内、外呼梯信号时，则电梯相应该外呼信号，但不响应三层向下外呼梯信号。
同时，如果电梯达到四层，五层没有任何呼梯信号，测电梯可以响应四层向下外呼梯信号。
电梯应具有最远反向外呼梯响应功能。
例如电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。
电梯具有同向截车功能。
电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。
平层且电梯停止运行后，按开门按钮可使门打开，按关门按钮可使门关闭。
3.2可编程控制器的选型
目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种已达到数百个，其性能各有特点，价格也不尽相同。
在设计PLC控制系统时，要选择最适宜的PLC机型，对于系统的控制目标。
设计PLC控制系统时，首要的控制目标就是：
确保生产的安全可靠，能长期稳定运行，保证产品高质量，提高生产效率，改善信息管理等。
如果要求以极高的可靠性为控制目标，构成PLC冗余控制系统，这时要从能够完成冗余控制的PLC型号中进行选择；如果以改善信息管理为控制目标，要首先考虑通信能力。
另一个方面就是要对PLC的硬件配置的考虑，可以从CPU的能力、I/O系统、指令系统、响应速度或其它考虑。
综合考虑后，本设计选择了西门子公司生产的S7-200型机。
如图4所示：
图4西门子S7-200
3.3交流双速电梯的主电路
图中M1为电梯专用型双速笼型异步电动机；KM1、KM2为电动机正、反转接触器，用以实现电梯上、下行控制；KM3、KM4为电梯高低速运行接触器，用以实现电梯的高速或者低速运行；KM5为启动加速接触器；KM6、KM7、KM8为减速制动接触器，用以调整电梯制动时的加速度；L1、L2与R1、R2为串入电动机定子电路中的电抗和电阻，当KM1或者KM2与KM3通电吸合时，电梯将进行上行或下行启动，延时后KM5通电吸合，切除R1、L1，电梯将转为上行或下行的稳速运行；当电梯接收到停层指令后，KM3断电释放，KM4通电吸合，电机转为低速接法，接入阻抗制动，实现上升与下降的低速运行，且KM6-KM8依次通电吸合，用来控制制动过程的强度，提高停车制动时的舒适感；至平层位置时，接触全部断电释放，抱闸抱死，电梯停止运行。
如图5所示：
图5电梯拖动电路电路图
3.4门机电路、抱闸电路、门锁及安全运行电路
图6为电梯的门机、抱闸、门锁及安全运行电路。
门电动机为他励直流电动机，可由KM9、KM10控制其正反转。
KM9接通时，电阻R2与电动机电枢并联，电流由电枢左端流向右端，电动机正转实现开门，压下SQ8时，R2部分被短接，实现开门调速。
KM10接通时，电动机将反转，实现关门，并由SQ9、SQ10与R3一起实现关门调速。
当电梯上下运行时，抱闸应打开，其线圈应通电。
电梯停止运行时，抱闸应抱死，其线圈应断电。
将所有厅、轿门开关串联在一起，控制门锁继电器KA1，实现全部门关闭后电梯才能运行的控制。
将安全窗开关、安全钳开关、限速器开关、轿内急停开关、上下强迫停止开关、基站开关梯开关以及热继电器触点FR1、FR2串联在一起，构成安全回路，控制安全运行继电器KA2，用KA2的触点控制PLC的RUN口，只有当该KA2吸合时，才允许PLC处于运行状态。
这样可以节省PLC的输入口，又可以实现在多种紧急情况下的立即停车。
如图6所示：
图6门机、抱闸、门锁及安全运行电路
3.5电梯的主要电气设备
（1）牵引电动机
齿轮牵引机为电梯的提升机构。
主要由驱动电动机，电磁制动器（也称电器包闸），减速器牵引轮组成。
（2）自动门机
用来完成电梯的开门与关门。
电梯的门分为厅门（每层站一个）与轿门（只有一个）。
只有当电梯停靠在某层站时，此层厅门才允许开启（由门机拖动轿门，轿门带动厅门完成）；也只有当厅门，轿门全部关闭后才允许启动运行。
（3）层楼指示灯
层楼指示灯也叫层显，安装在每层站厅门的上方和轿厢内轿门的上方，用以指示电梯的运行方向及电梯所处的位置。
过去常由低压灯泡构成，现多由LED组成，且与呼梯盒做成一体结构。
（4）呼梯盒
用以产生呼叫信号。
常安装在厅门外，离地面一米左右的墙壁上。
基站与底站只有一只按钮，中间层站由上呼叫与下呼叫两个按钮组成。
（5）操纵箱
操纵箱安装在轿箱内，供乘客对电梯发布动作命令。
其上面设有与电梯层站数相同的内选层按钮。
（6）平层及开门装置
该装置由平层感应器及楼层感应器组成。
上行时，上磁铁板先触发楼层感应器，发出减速停车信号，电梯开始减速，至平层感应器触发时，发出开门及停车信号，电动机停转，抱闸抱死。
下行时，下磁铁板出发楼层感应器，发出减速停车信号，电梯开始减速，至平层感应器触发时，发出开门及停车信号。
（7）轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态，所处位置，及时向控制系统发出所需要的信号。
其主要功能是：
根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系，确定运行方向；当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机减速信号，使其换速；当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢当前位置，选层器种类较多，通常分三大类，即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。
其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的逐步淘汰而淘汰。
位置检测方法主要有如下几种：
（1）用干簧管磁感应器或其它位置开关。
这种方法直观、简单，但由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。
（2）利用稳态磁保开关。
这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。
由于本文是五层电梯的控制故选用感应器检测轿厢位置，如图7所示：
楼层感应器
上磁铁板
下磁铁板
磁铁板
平层感应器
厅门
轿门
引导轮
对重
曳引电动机
图7电梯的平层、停层装置示意图
3.6输入输出设计
为了便于对电梯的工作原理及PLC系统进行分析，现列出电梯所用电器元件表，电梯的电器元件表如表1所示：
表1五层五站电梯电器元件表
元件符号
名称及作用
元件符号
名称及作用
KM1
上行接触器
SQ5
基站开关
KM2
下行接触器
SQ6
开门到位开关
KM3
高速接触器
SQ7
关门到位开关
KM4
低速接触器
SQ8
开门调整开关
KM5
启动接触器
SQ9、SQ10
关门调整开关
KM6-KM8
制动接触器
SQ11-SQ15
1-5楼厅门锁开关
KM9
开门接触器
SQ16
轿门关闭到位开关
KM10
关门接触器
SQ17
上限位开关
SQ18
下限位开关
HL13
4楼上呼记忆灯
SQ19
上行强迫停止开关
HL14
4楼下呼记忆灯
SQ20
下行强迫停止开关
HL15
5楼下呼记忆灯
SB1
开门按钮
SA1
运行状态选择钥匙开关
SB2
关门按钮
SA2
基站开关梯钥匙开关
SB3
上行启动按钮
SQ1
安全窗开关
SB4
下行启动按钮
SQ2
安全钳开关
SB5-SB9
1-5楼轿厢内选按钮
SQ3
限速器开关
1SB1-4SB1
1-4楼上行外呼按钮
SQ4
轿内急停开关
2SB2-5SB2
2-5楼下行外呼按钮
1KR
1楼感应器
1HL-5HL
1-5层层楼指示灯
2KR
2楼感应器
6HL-7HL
上行、下行指示灯
3KR
3楼感应器
HL6、HL7
操纵箱上下行指示记忆灯
4KR
4楼感应器
HL8
1楼上呼记忆灯
5KR
5楼感应器
HL9
2楼上呼记忆灯
6KR
上平层感应器
HL10
2楼下呼记忆灯
7KR
下平层感应器
HL11
3楼上呼记忆灯
SQ
电源开关
HL12
3楼下呼记忆灯
SB0
极限开关
3.7楼层位置显示功能
在电梯运行过程中需要显示电梯运行的位置，还要满足对电梯进行相应的操作需求，如图8、图9所示：
g
图8轿厢内控制屏示意图
e
f
d
A段
B段
C段
D段
E段
F段
G段
一楼
0
1
1
0
0
0
0
二楼
1
1
0
1
1
0
1
三楼
1
1
1
1
0
0
1
四楼
1
1
1
0
0
0
1
五楼
1
0
1
1
0
1
1
图9LED数码管显示层楼示意图
3.8设计流程图
程序的基本控制流程如图10所示（其中不包括检修及司机开关电梯环节，只是电梯运行的基本流程图）：
图10PLC系统总体设计流程图
4电梯控制系统的软件设计
由电梯运动流程图可以看出电梯的运动控制中最需要关注的主要部分是：
开关轿厢门的控制，电梯的自动选向，轿厢的内呼和楼层外呼指示。
将各部分分为单独的模块分别进行编程，绘制梯形图，不仅条理清晰，提高编程效率，而且能更为方便的进行程序的调试。
在电梯控制中，有大量的逻辑信号需要
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