PLC实现三层电梯的控制1.docx
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PLC实现三层电梯的控制1
摘要
可编程控制器（PLC）因其简单易用、可靠性好和维修方便等优点，在电梯控制领域应用极为广泛。
本文以西门子S7-200CN系列PLC为例，分别从电梯控制系统的构成及工作原理、系统PLC配置方案和软件设计等方面，详细阐述了PLC在电梯控制系统中应用。
电梯控制系统主要由调速部分和逻辑控制部分构成。
调速部分的性能对电梯运行时乘客的舒适感有着重要作用，目前，大多选用高性能的变频器，利用旋转编码器测量引电机转速，构成闭环矢量控制系统。
通过对变频器参数的合理设置，不仅使电梯在运行超速和缺相等方面具备了保护功能，而且使电梯的起动、低速运行和停止更加平稳舒适。
变频器自身的起动、停止和电机给定速度选择则都有逻辑控制部分完成，因此，逻辑控制部分是电梯安全可靠运行的关键。
西门子S7-200CN系列PLC以其可靠性高、运算速度快、产品成本低和电梯专用客制化服务等优点，已在多家电梯厂家中的电梯生产及改造中获得了应用。
本文以一台三层三站的电梯控制系统为例，阐述了西门子S7-200CN系列PLC在电梯控制系统的设计思想和实现方案
本文主要讨论研究利用西门子S7-200PLC对电梯的升降进行控制，形成电梯控制系统。
关键词：
PLC；电梯控制；西门子;升降
1绪论
1.1概述
1.1.1利用PLC设计电梯系统的目的
本课题主要对PLC的结构、特点、性能以及与现场控制对象的连线进行具体的研究，并通过PLC实现电梯的自动控制。
市建设的不断发展，城市迅速的崛起，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
它是采用电力拖动方式，将载有乘客或货物的轿厢，运行于垂直方向的两根刚性导轨之间，运送乘客和货物的固定式提升设备。
所以，电梯是为高层建筑运输服务的设备，它具有运送速度快、安全可靠、操作简便的优点。
但传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。
1.1.2利用PLC设计电梯系统意义
本设计是以广泛应用的西门子S7-200CNPLC为背景机，详细介绍其系统配置，兼顾介绍其指令系统、编程方法和控制系统设计方法，也介绍了模块式PLC的一些智能单元。
从而让我们能更多了解PLC和更好的使用它。
1.1.3利用PLC设计电梯系统内容
在完成PLC控制电梯的试验中对PLC的结构、特点和性能进行总结、归纳和综述，对PLC与其它控制器件进行比较，从而设计实现了利用西门子S7-200CNPLC对三层电梯的升降控制。
1.2国内外现状及发展
1.2.1电梯的发展
据国外有关资料介绍，在20世纪初，美国OTIS电梯公司首先使用直流电动机作为动力，生产出以槽轮式驱动的直流电梯。
从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异的发展着。
目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘坐舒适。
当今世界，部分地区人口高度密集，人和土地资源短缺的矛盾日趋激化。
这就注定了必须合理地利用土地去解决人与土地的矛盾。
而兴建高层建筑是其中的有效措施之一。
因此，能使人们快速、便捷地到达目的楼层的电梯便应运而生了。
在一些发达国家和地区，人均电梯拥有数量一般在每万人30台以上，某些国家甚至达到每万人120台以上，随着城镇化程度的加大，电梯市场会更加繁华。
中国的电梯市场增长也很乐观，目前，每年增长率为15%—18%。
随着电梯普及率的升温，人们对电梯的要求也会越来越高。
如何更安全、更快捷地到达目的楼层，也就成了人们对电梯最为根本的要求。
而电梯系统里掌控这方面技术参数的是电梯控制系统。
因此，控制系统的设计就成了在电梯设计领域里最为核心的技术。
1.2.2市场竞争十分激烈
电梯行业外商云集，国际上最大的电梯公司几乎全部进入我国，最先进的电梯产品争先在中国生产。
美国奥的斯，瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森，日本三菱、日立、东芝、富士达等世界最负盛名的电梯公司先后在北京、天津、上海、广州、沈阳、杭州、廊坊等地投资建厂，可以说能来的都来了。
他们大多用合资的方式建设了最好的工厂，装备了最好的设备，引进了最好的技术，培训了最好的人才，目前合资企业在国内的市场份额已超过80%，从这个意义上说，我国电梯行业早已加入了WTO。
中国电梯市场的特色已经不是国内企业之间的竞争，而是全球电梯劲旅的竞争。
这种世界级的激烈竞争使我国的电梯用户成了最大的受益者，他们可以用最低的价格随意选购最好的电梯产品。
1.2.3国内企业的实力不断增强
对外开放的政策和国外先进技术与先进管理的引进对国内电梯企业的发展产生了强大的推动作用，有力地促进了内资企业的技术进步。
苏州江南、山东百斯特、浙江巨人、上海房屋设备总公司、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内资企业并没有被合资企业挤出电梯市场，相反，现代化合资企业的示范作用使他们看清了自己的定位与出路，目前这些企业除规模稍小之外，企业管理、技术水平、产品质量、售后服务等诸多方面均无逊色，不但在国内电梯市场上占据了一席之地，而且产品出口到了东南亚、大洋洲、欧洲和美国。
有的企业还到境外投资寻求发展。
事实证明这些企业不但在国内市场而且在国际市场上，同样具有一定的竞争实力。
1.2.4传统的电梯生产结构正在改变
在国外各大电梯公司纷纷进入我国的同时，德国威特、西班牙塞维拉等一些优秀的电梯配件公司也在我国建立了合资企业，国内配件生产企业如宁波欣达、宁波申菱、张家港润发、上海新时达、沈阳蓝光、常熟曳引机、河北东方等也迅速发展起来。
不少配件生产企业的销售额已经超过了中等规模的整机生产企业。
专业化生产具有质量好、价格低的优势，不但给生产能力较弱的中小型电梯企业助了一臂之力，而且也给“大而全”的合资企业提供了降低成本的可能。
零部件的社会化、专业化生产改变了“经济规模”的概念，使得企业能否赢利不再取决于生产能力的强弱，企业无论大小，只要有技术有人才，就有生存空间。
目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器取代微机实现信号控制。
从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。
PLC可靠性高，程序设计方便灵活。
1.2.5今后的电梯市场会更加活跃
国内电梯的生产能力、产品质量和制造成本有很强的国际竞争力。
关税的降低使国外电梯产品的进口量有可能增长，但同时也给国产电梯以及零部件的出口提供了机会；我国电梯市场是很大的市场，也是很挑剔的市场。
中国的电梯用户不但对产品质量要求高，而且对新技术的接受很快，所以变频变压调速技术、无机房电梯、永磁同步拖动技术、计算机控制技术、远程监控技术等推广迅速；随着我国城市化、城镇化和村镇化建设步伐的加快，尤其是西部大开发战略的实施，住宅建设势头不减，商场、机场和地铁项目明显增多，住宅电梯、自动扶梯和自动人行道的需求量继续看好；电梯是一种售后服务工作量特别大的机电产品，其使用可靠性不但取决于产品的制造与安装，而且更大程度上取决于完善的维修与保养。
在用电梯总量的不断增加给维修服务业带来了发展机遇；配套件的专业化生产对提高产品质量、降低生产成本具有十分积极的作用，受到了许多电梯公司和维修保养单位的欢迎，仍然有发展空间。
为了更好地适应市场要求，电梯企业目前应该注意进一步遵守市场行为规范，努力培育自主开发能力，组建完善的维修保养和售后服务网络，不断提高国产电梯和民族品牌的市场竞争力。
在电子技术飞速发展的今天，现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，加速了电子设计技术的普及进程及技术革新。
电子设计在日常生活和物质产品生产都占到了举足轻重的地位，这尤其体现在其对电子产品的开发和设计上。
面对如此广袤的电梯市场，所谓“科技就是第一生产力”，处于科技前沿的电子设计技术很自然地就与电梯控制设计一拍即合，给设计师们以巨大的设计空间。
因此，本设计就是希望在以开发更安全、更快捷的三层电梯控制系统为前提下，结合电子设计技术，对电梯控制进行设计。
第1章电梯概述
1.1 引言
随着城市建设的不断发展，城市迅速的崛起，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
它是采用电力拖动方式，将载有乘客或货物的轿厢，运行于垂直方向的两根刚性导轨之间，运送乘客和货物的固定式提升设备。
所以，电梯是为高层建筑运输服务的设备，它具有运送速度快、安全可靠、操作简便的优点。
但传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。
目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器取代微机实现信号控制。
从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。
PLC可靠性高，程序设计方便灵活。
1.2 电梯的发展简史
据国外有关资料介绍，公元前2800年在古代埃及，为了建筑当时的金字塔，曾使用过由人力驱动的升降机械。
公元1765年瓦特发明了蒸气机之后，1858年美国研制以蒸气为动力，并通过皮带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯，1878年英国的阿姆斯特发明了水压梯，并随着水压梯的发展淘汰了蒸气梯，后来又出现了采用液压泵的控制阀以及直接柱塞式和侧柱塞式结构的液压梯，这种液压梯至今仍为人们所采用。
18世纪末发明了电机，特别是交流双速电动机的出现，显著改善了电梯的工作性能。
在20世纪初，美国OTIS电梯公司首先使用直流电动机作为动力，生产出以槽轮式驱动的直流电梯。
从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异的发展着。
目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘坐舒适。
1.3电梯是机电合一的大型复杂产品,机械部分相当于人的躯体,电器部分相当于人的神经.机与电的高度合一,使电梯成了现代科学技术的综和产品.对于电梯的结构而言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,但以功能系统来描述,则更能反映电梯的特点.下面简单介绍电梯机械部分的结构,而我们的主要目的是怎样来控制它.
1.3.1.曳引系统
曳引系统的主要功能是输出与传递动力,使电梯运行.
曳引系统主要由曳引钢丝绳,导向轮,反绳轮组成.
1.3.2.导向系统
导向系统的主要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.
导向系统主要由导轨,导靴和导轨架组成.
1.3.3.轿厢
轿厢是运送乘客和货物的电梯组件,是电梯的工作部分.
轿厢由轿厢架和轿厢体组成.
1.3.4门系统
门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口.
门系统由轿厢门,层门,开门机,门锁装置组成.
1.3.5重量平衡系统
系统的主要功能是相对平衡轿厢重量,在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内,保证电梯的曳引传动正常.
系统主要由对重和重量补偿装置组成.
1.3.6电力拖动系统
电力拖动系统的功能是提供动力,实行电梯速度控制.
电力拖动系统由曳引电动机,供电系统,速度反馈装置,电动机调速装置等组成.
1.3.7电气控制系统
电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制.
电气控制系统主要由操纵装置,位置显示装置,控制屏（柜）,平层装置,选层器等组成.
1.3.8安全保护系统
保证电梯安全使用,防止一切危及人身安全的事故发生.
由限速器,安全钳,缓冲器,端站保护装置组成.
1.4电梯的分类:
1.41按用途分:
（1）客梯代号K为运行乘客而设计的电梯,有完善的安全装置.
（2）货梯代号H为运送货物而设计的电梯,通常有人操作,有必备的安全装置.
（3）客货梯代号L主要用作运送乘客,但也可运送货物,它与客梯的区别在于轿厢内部装饰结构不同.
（4）病床电梯代号B为运送病床而设计的电梯,具有轿厢长而窄的特点.
（5）住宅电梯代号Z供住宅楼使用的电梯,一般采用下集选控制方式,轿厢内部装饰较简单.
（6）杂物电梯代号W供图书馆,办公楼,饭店运送图书,文件,食品等.不容许人员进入电梯,结构简单,无乘人必备的安全装置.
（7）船舶电梯代号C用于船舶上的电梯,能在船舶摇晃中正常工作.
（8）观光电梯代号G轿厢壁透明供乘客观光之用.
（9）还有一些专用电梯.（略）
1.42按速度分:
（1）低速电梯速度不大于1米/秒的电梯.
（2）快速电梯速度大于1米/秒,低于2米/秒的电梯.
（3）高速电梯速度在2米/秒以上的电梯.
1.43按拖动方式分:
（1）交流电梯曳引电动机是交流电机.
当电机是单速时,称为交流单速电梯
当电机是双速时,称为交流双速电梯
当电机具有调压调速装置时,称为交流调速电梯.
当电机具有调压调频调速装置时,称为变频调速电梯.
（2）直流电梯曳引电动机是直流电机
分为直流有齿和直流无齿电梯.
（3）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.
（4）齿轮齿条式电梯（一般为工程电梯）.
1.44按控制方式分:
（1）手柄操纵控制电梯由司机操纵轿厢内的手柄开关,实行轿厢运行控制的电梯.
（2）按钮控制电梯具有简单的自动控制方式的电梯,具有自动平层功能.
（3）信号控制电梯自动控制程度较高的有司机电梯.具有自动平层,自动开门,轿厢命令登记,厅外召唤登记,自动停层,顺向截停和自动换向等功能.
（4）集选控制电梯高度自动控制的电梯,可无司机驾驶,除信号控制电梯的功能外,还具有自动掌握停站时间,自动应召服务,自动换向应答反向厅外召唤等功能.
（5）下集选控制电梯只有在电梯下行时才能被截停的集选控制电梯.
（6）并联控制电梯几台电梯被联在一起控制.共用厅门外召唤信号的电梯.具有集选功能.
（7）梯群程序控制电梯多台集中排列,共用厅外召唤按钮,按规定程序集中调度和控制的电梯.
（8）梯群智能控制电梯由电脑根据客流情况,自动选择最佳运行方式的集群控制电梯.
第2章可编程控制器简介
2.1电梯PLC控制系统
2.1.1可编程控制器的结构及各部分的作用
PLC内部主要由主机、输入/输出接口、电源、编程器、扩展接口和外部设备接口等几部分组成。
2.1.2主机
主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器
CPU是PLC的核心，一切逻辑运算及判断都是由其完成的，并控制所有其它部件的操作。
它就是我们常说的电脑芯片。
（1）运行用户程序。
（2）监控输入/输出接口状态。
（3）作出逻辑判断和进行数据处理
内部存储器有两类：
一类是系统程序存储器，另一类是用户程序及数据存储器
系统程序存储器：
主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序。
系统程序已由厂家固定，用户不能更改。
用户程序及数据存储器：
主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。
2.1.3输入/输出（I/O）接口
输入接口用于接收输入设备（如：
按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。
输出接口用于将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备（如:
接触器、电磁阀、指示灯等）。
2.1.4电源
电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源
2.1.5编程器
编程器是PLC很重要的外部设备，它主要由键盘、显示器组成。
编程器分简易型和智能型两类。
小型PLC常用简易编程器，大、中型PLC多用智能编程器。
编程器的作用是编制用户程序并送入PLC程序存储器。
利用编程器可检查、修改、调试用户程序和在线监视PLC工作状况。
现在许多PLC采用和计算机联接，并利用专用的工具软件进行编程或监控。
2.1.5.输入输出扩展接口
I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数扩展单元与基本单元（即主机）联接在一起。
2.1.6外部设备接口
此接口可将编程器、打印机、条形码扫描仪等外部设备与主机相连。
2.2可编程控制器的工作原理
PLC采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式，这个过程可分为输入采样，程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。
2.2.1输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态或输入数据，并将此状态存入输入状态寄存器，即输入刷新。
接着转入程序执行阶段。
在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。
2.2.2程序执行阶段
PLC在执行阶段，按先左后右，先上后下的步序，执行程序指令。
其过程如下：
从输入状态寄存器和其它元件状态寄存器中读出有关元件的通/断状态，并根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的状态寄存器中。
2.2.3输出刷新阶段
在所有指令执行完毕后，将各物理继电器对应的输出状态寄存器的通/断状态，在输出刷新阶段转存到输出寄存器，去控制各物理继电器的通/断，这才是PLC的实际输出。
由PLC的工作过程可见，在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会立即改变，要等到下一个周期输入处理阶段才能改变。
暂存在输出状态寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输出给输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。
因此全部输入、输出状态的改变就需要一个扫描周期，换言之，输入、输出的状态保持一个扫描周期。
2.2.4可编程控制器的主要技术性能
1.I/O点数指PLC外部输入和输出端子数。
2.用户程序存储容量用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。
3.扫描速度指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。
4.指令系统条数指PLC具有的基本指令和高级指令的种类和数量。
种类数量越多，软件功能越强。
5.编程元件的种类和数量编程元件指：
输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、通用“字”寄存器、数据寄存器及特殊功能继电器等。
其种类和数量是衡量PLC的一个指标。
2.4基本指令系统特点
PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。
目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。
如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。
但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：
2.41图形式指令结构：
程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。
系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。
在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。
如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。
较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎
2.4.2明确的变量常数：
图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：
K400，T120等。
PLC中的变量和常数以及其取值范围有
明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。
3.简化的程序结构：
PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。
4.简化应用软件生成过程：
使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。
5.强化调试手段：
无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。
总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。
2.3编程语言的形式
本教材采用最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。
采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。
虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的C语言、BASIC语言、专用的高级语言（如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。
不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。
编程指令：
指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。
从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。
同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。
常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。
常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。
指令系统：
一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。
它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。
一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。
我们在编程之前必须弄清PLC的指令系统
程序：
PLC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC的用户程序。
用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供。
用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。
2.5梯形图设计规则
1．触点的安排
梯形图的触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上。
2．串、并联的处理
在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图最上面。
在有几个并联回路相串联时，应将触点最
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