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基于PLC的电梯自动控制系统
基于PLC电梯自动控制系统设计
摘要
电梯已经成为了高层建筑不可缺少的运输工具，它用于运送乘客和货物，传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，由于其触点多、可靠性差、故障率高、维修工作量大等缺点，为生产、生活带来了极大的不便。
而PLC作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可控性的优点不仅在工业生产过程中得到了广泛的应用，其组成的控制系统可以很好地解决上述这些问题。
本论文通过论述电梯控制系统的组成，阐述PLC在电梯控制中的应用，采用西门子公司的S7-200系列PLC编程的程序控制方式，提出了五层电梯PLC控制系统的总体设计方案、设计过程和组成，并列出了主要硬件电路、电梯的控制梯形图以及指令表。
同时给出了系统组成框图和程序流程图，在分析、处理随机信号的逻辑关系的基础上，提出了具体的PLC编程方法，设计了一套完善的方案关于电梯控制系统。
采用此案实现电梯的控制，可以解决传统电梯控制系统的缺点，因而使运行更加安全、方便、舒适。
关键词：
电梯PLC梯形图电梯控制
Abstract
Elevatorthenecessarytransportationtoolfortallbuildingsthesedays,isusedfortransferringpassengersandcommodities.However,mostofthetraditionalelevatorcontrolsystemadoptsrelay---contactingmachineasitscentraldirector.Butthissystemwithsomanydisadvantagessuchastoomanycontactingpoints,highfaultrate,heavyrepairingworkisnotasconvenientaswewant.howeverPLC（programmablecontroller）takesoneindustrialcontrolmicrocomputer,itisconvenientbyitsprogrammingSoifitisreplacedbythecontrolsystemwhichequippedwithPLC,theproblemswillbesolvedeasily.
ThisessayexplainstheapplicationofPLConelevator，bydiscussingtheconstructionofelevatorsystem.Italsoillustratesthegeneraldesignproject,thedesignprocessandconstructionofthePLCcontrolsystemforSiemenscompanyproducestheseriesS7-200PLC,listingthemaincircuit,trapeziacontrolchartofelevatorandrepertoires.Italsoshowstheconstructionofframechartandprocessflowchart.ThusthemethodofPLCprogrammingisonthebasisofanalyzinganddealingwiththelogicrelationshipofrandomsigns.Italsocreateacomplicatedelevatorcontrolsystem.Iftheprojectcanbeaccepted,itwillsolvetheproblemmetionedabove.
Keywords:
Elevator，Controlsystem，PLC，Programdesign
目录
摘要I
AbstractII
目录III
前言1
1电梯的概述2
1.1电梯的起源和发展2
1.2电梯的分类2
1.3电梯的主要性能指标4
1.4电梯控制系统6
2PLC可编程序控制器9
2.1PLC的定义9
2.2PLC的特点9
2.3PLC的结构及工作原理10
2.3.1PLC结构10
2.3.2工作原理12
2.4PLC控制系统与继电器控制系统的比较12
2.5控制系统方案设计14
2.6PLC的选择14
3基于PLC电梯自动控制系统的硬件设计15
3.1电梯PLC控制系统设计15
3.2电梯结构图16
3.3PLC端子接线图17
3.4PLC楼层显示电路18
3.5交流双速电梯主电路图以及安全运行电路19
4基于PLC电梯自动控制系统的软件设计21
4.1电梯的控制要求21
4.2电梯系统原理图21
4.3电梯主电路流程图21
4.4PLC输入输出点表23
4.5PLC梯形图24
4.6七段数码显示管与管脚关系图以及楼层显示控制程序31
结论33
致谢34
参考文献35
附录36
前言
传统继电器式电梯控制方式发展为计算机控制的形式，是当下电梯控制和技术改造的热点之一。
本次设计的目的在于利用PLC代替传统的控制逻辑电路（继电器接触式），以充分利用PLC的优点。
本设计通过远程监控使电梯实际的运行更加可靠、高效。
设计内容主要由电梯的控制技术，电梯控制系统的软件设计（梯形图程序设计）和电梯的监控等部分组成。
1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙•格雷夫斯•奥的斯第一次向全世界展示人类历史上第一部安全升降梯。
1889年12月，美国奥的斯电梯公司制造出了名副其实的电梯，它采用直流电动机为动力，通过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索，悬挂并升降轿厢。
1892年，美国奥的斯公司开始采用按钮操纵装置，取代传统的轿厢内拉动绳索的操纵方式，为操纵方式现代化开了先河。
生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。
150年来，电梯的材质、样式，在操纵控制方面发生了变化[1]。
中国最早的一部电梯出现在上海，是由美国奥的斯公司于1901年安装的。
1951年，党中央提出要在天安门安装一台由我国自行制造的电梯，天津从庆生电机厂荣接此任。
目前国内，电梯技术己趋成熟，微机控制电梯是电梯技术的方向，一些生产企业与科研单位相结合，相继推出了微机控制的电梯新机型。
使控制功能得到增强，电梯的性能得到改善，明显提高了可靠性。
另外，用可编程序控制器取代继电器控制系统的机型对电梯进行控制还是有前途的。
有些生产企业开发了紧急供电装置、放火厅们、地震控制、自检测以及语言合成等电梯新功能；对机械系统采用了新结构、新材料、新技术和新工艺。
国内电梯技术迅猛的发展速度使其达到世界先进水平。
1电梯的概述
1.1电梯的起源和发展
电梯是集机械原理应用、电气控制技术、微处理器技术、系统工程学、人体工程学及空气动力学等多学科和技术分支于一体的机电设备，它是建筑物中的永久性垂直交通工具。
在电梯发明之前，人类就有了用“电梯”运货物或供人上下高层建筑的设计。
早在公元前1世纪，罗马建筑师维特罗斯就利用升降台上下运货或运人了。
不过，这种升降台是用人力、畜力或水力通过滑轮来操纵的。
中世纪时期，有许多修道院建在险峻的峭壁上，进出修道院唯一的通道，就是用篮子做的升降台。
乘客站在里面，然后用绳子通过滑轮吊着篮子上升下降。
这就是最原始的“电梯”。
到了19世纪，在世界博览会上首次展示了老式木制电梯。
一位勇敢的男子乘坐这种电梯升到4层楼的高处，俯视者参观数秒钟后，又平安的落到地面，而不是像当时其他类似机器那样剧烈的撞到地上。
这就是电梯的初次公开亮相。
由于电梯的发明，数百万旅游者可以从帝国大厦的顶层观看梦幻般的景色，或者进入自由女神像、里约热内卢的耶稣像内部参观。
英国的白金汉宫、莫斯科的克里姆林宫和梵蒂冈的圣彼得大教堂也是由于有了电梯才得以对外展示。
随着电梯技术的不断发展，节约能源、提高工作效益、制作精良的设备以最高效和最可靠的方式来提高生产力成为电梯技术发展的一个重要方向。
1.2电梯的分类
根据建筑的高度、用途及客流量（或物流量）的不同，而设置不同类型的电梯。
目前电梯的基本分类方法大致如下。
1按用途分类
1.1乘客电梯,为运送乘客设计的电梯，要求有完善的安全设施以及一
定的轿内装饰。
1.2载货电梯,主要为运送货物而设计,通常有人伴随的电梯。
1.3医用电梯,为运送病床、担架、医用车而设计的电梯。
1.4杂物电梯,供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电梯。
1.5观光电梯,轿厢壁透明，供乘客观光用的电梯。
1.6车辆电梯,用作装运车辆的电梯。
1.7船舶电梯,船舶上使用的电梯。
1.8建筑施工电梯,建筑施工与维修用的电梯等。
2按驱动方式分类
2.1交流电梯，用交流感应电动机作为驱动力的电梯。
根据拖动方式又
可分为交流单速、交流双速、交流调压调速、交流变压变频调速等。
2.2直流电梯，用直流电动机作为驱动力的电梯。
这类电梯的额定速度
一般在2.00m/s以上。
2.3液压电梯,一般利用电动泵驱动液体流动，由柱塞使轿厢升降的电
梯。
2.4齿轮齿条电梯,将导轨加工成齿条，轿厢装上与齿条啮合的齿轮，
电动机带动齿轮旋转使轿厢升降的电梯。
2.5螺杆式电梯,
将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹，再将带有推力轴承的大螺母安装于油缸顶，然后通过电机经减速机（或皮带）带动螺母旋转，从而使螺杆顶升轿厢上升或下降的电梯。
2.6直线电机驱动的电梯,其动力源是直线电机。
电梯问世初期，曾用蒸汽机、内燃机作为动力直接驱动电梯，现已基本绝迹。
3按速度分类
电梯无严格的速度分类，我国习惯上按下述方法分类。
3.1低速梯，常指低于1.00m/s速度的电梯。
3.2中速梯，常指速度在1.00～2.00m/s的电梯。
3.3高速梯，常指速度大于2.00m/s的电梯。
3.4超高速，速度超过5.00m/s的电梯。
随着电梯技术的不断发展，电梯速度越来越高，区别高、中、低速电梯的速度限值也在相应地提高。
4按电梯有无司机分类
4.1有司机电梯，电梯的运行方式由专职司机操纵来完成。
4.2无司机电梯，乘客进入电梯轿厢，按下操纵盘上所需要去的层楼按钮，电梯自动运行到达目的层楼，这类电梯一般具有集选功能。
4.3有/无司机电梯，这类电梯可变换控制电路，平时由乘客操纵，如遇客流量大或必要时改由司机操纵。
5按操纵控制方式分类
5.1手柄开关操纵，电梯司机在轿厢内控制操纵盘手柄开关，实现电梯的起动、上升、下降、平层、停止的运行状态。
5.2按钮控制电梯：
是一种简单的自动控制电梯，具有自动平层功能，常见有轿外按钮控制、轿内按钮控制两种控制方式。
5.3信号控制电梯，这是一种自动控制程度较高的有司机电梯。
除具有自动平层，自动开门功能外，尚具有轿厢命令登记，层站召唤登记，自动停层，顺向截停和自动换向等功能。
5.4集选控制电梯，是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控制的电梯，与信号控制的主要区别在于能实现无司机操纵。
5.5并联控制电梯，2～3台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制，共用层站外召唤按钮，电梯本身都具有集选功能。
5.6群控电梯，是用微机控制和统一调度多台集中并列的电梯。
群控有梯群的程序控制、梯群智能控制等形式。
6其它分类方式
6.1按机房位置分类，则有机房在井道顶部的（上机房）电梯、机房在井道底部旁侧的（下机房）电梯，以及有机房在井道内部的（无机房）电梯。
6.2按轿厢尺寸分类，则经常使用“小型”、“超大型”等抽象词汇表示。
此外，还有双层轿厢电梯等。
1.3电梯的主要性能指标
电梯作为建筑物的垂直交通工具，其性能好坏直接影响到人们的生产生活，越来越引起人们的关注。
对电梯性能的要求，一般有安全性、可靠性、舒适感和快速性、停站准确性、振动、噪声及电磁干扰、节能和装潢等几项。
1.安全性
电梯是运送乘客的，即使载货电梯通常也有人伴随，因此对电梯的第一要求便是安全。
电梯的安全与设计、制造、安装调试及检修各环节都有密切联系。
任何一个环节出了问题，都可能造成不安全的隐患，以致造成事故。
电梯中设置有必要的安全设施，主要包括：
（1）超速保护装置；
（2）轿厢超越上下极限工作位置时，应切断控制电路的装置；
（3）撞底缓冲装置；
（4）对三项交流电源，应设有断相保护装置和相序保护装置；
（5）设置厅门、轿门；
（6）电梯因中途停电或电气系统有故障不能运行时，应有轿厢慢速移
动措施。
2.可靠性
电梯的可靠性也很重要，如果一部电梯工作起来经常出故障，就会影响人们正常的生产和生活，给人们造成很大的不便。
不可靠是事故的隐患，常常是不安全的起因。
3.舒适感与快速性
电梯作为一种交通工具，对于快速性的要求是必不可少的，快速可以节省时间，这对于处在现代社会中的乘客是很重要的，快速性主要通过以下方法得到：
（1）提高电梯额定速度；
（2）集中布置多台电梯，通过增加电梯台数来节省乘客候梯时间；
（3）尽可能的减少电梯起、停过程中加、减速所用时间。
4.停站准确性
停站准确性又称平层准确度、平层精度。
梯速在1m/s以上的电梯，减速停车阶段通常都采用速度闭环控制，强制轿厢按预定的速度曲线运行，因此平层精确度可以大大提高。
5.振动、噪声及电磁干扰
6.节能
现代电梯应合理的选择拖动方式，以达到节能的目的。
7.装潢
现代电梯除了注重以上个方面性能外，还很注重外表装潢。
总之，现代电梯操纵简单，乘坐舒适、快捷，安全可靠，是高新技术的结晶，电梯技术越来越成为工业技术中的一个重要门类，引起广大的科技、管理人员的兴趣。
1.4电梯控制系统
1.电梯的结构
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.
（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.
（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.
（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.
（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.
（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.
（6）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.
2.电力拖动系统
电梯主拖动类型有直流电动机拖动、交流电动机拖动、直流G－M（即发电机－电动机组供电）拖动、晶闸管供电（SCR－M）的直流拖动和交流双速电动机拖动、交流调压调速（AVCC）拖动、交流变频调速（VVVF）等。
因直流电梯的拖动电动机有电刷和换相器，维护量较大，可靠性低，现已被交流调速电梯所取代。
为了得到较好的舒适感，要求曳引电动机在选定的调速方式下，电动机的输出转矩总能达到负载转矩的要求。
考虑到电压的波动、导轨不够平直造成的运动阻力增大等因素，电动机转矩还应有一定的裕度。
3.电气控制系统
电气控制系统由控制柜、操纵箱、层楼指示、召唤箱及曳引电动机等几十个分散安装在电梯井道内外和各相关电梯部件中的电器元件构成。
电气控制系统通过电路控制电力拖动系统工作程序，完成各种电气动作功能，保证电梯安全运行。
电梯一般是由电动机来拖动的，其运行过程大多包括启动、正（反）转、停止等，这整个过程是由电气控制系统来完成。
具体地说电梯的控制主要是指对电动机的起动、停止、运行方向、层楼指示、层站召唤、轿厢内指令等进行处理。
其操纵是实行各个控制环节的方式和手段。
电梯电气控制系统与电力拖动系统比较，变化范围比较大。
当一台电梯的类别、额定载重量和额定运行速度确定后，电力拖动系统各零部件就基本确定了，而电气控制系统则有比较大的选择范围，必须根据电梯安装使用地点、乘载对象进行认真选择，才能最大限度地发挥电梯的使用效益。
电气控制系统决定着电梯的性能、自动化程度和运行可靠性。
随着科学技术的发展和技术引进工作的进一步开展，电气控制系统发展换代迅速。
继电器控制系统的电梯故障率高，大大降低了电梯的运行可靠性和安全性，所以基本上已经被淘汰。
而PLC以其体积小、功能强、故障率低、寿命长、噪声低、维护保养简便、修改逻辑灵活、程序容易编制，易联成控制网络等诸多优点得到了广泛的应用。
4.电梯的工作原理
曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。
固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。
常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。
轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。
补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。
电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。
指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。
安全装置保证电梯运行安全。
2PLC可编程序控制器
2.1PLC的定义
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“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该按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。
”
2.2PLC的特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集
成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰
技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障
时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间
则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模
的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分
之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出
现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围
器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障
自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2.配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接
口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，
使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5.体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.3PLC的结构及工作原理
2.3.1PLC结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
1．CPU运算和控制中心
起“心脏”作用。
纵：
当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。
横：
输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。
然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。
把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。
组成：
CPU由控制器、运算器和寄存器组成。
这些电路集成在一个芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。
2．存储器
具有记忆功能的半导体电路。
分为系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。
用户存储器：
分为用户程序存储区和工作数据存储区。
由随机存取存储器（RAM）组成。
用户使用的。
断电内容消失。
常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。
3．输入/输出接口
（1）输入接口：
光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二级管：
在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三级管：
在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。
在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程：
当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。
当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。
向内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
（2）输出接口
PLC的继电器输出接口电路
工作过程：
当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导
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