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基于PLC的电梯控制系统设计
摘要
在计算机技术与微处理技术高速发展的推动下，PLC技术已经成为工业自动化控制领域最为常见一种控制技术。
随着高层建筑的出现与快速发展，电梯的应用水平不断提升，成为现代高层建筑不可或缺的重要构成，是用户出入、货物运输的最基本工具，实现了自动化的垂直运输。
利用PLC数据处理功能及其特有的输入输出接口调理功能，对电梯的开关信号的输入输出进行处理，通过楼层按钮面板，获取电梯运行的信息，实现对电梯上行下行的自动控制，并且通过软件的调试，能够实时根据电梯运行位置调节电梯运行速度，确定电梯运行状态。
使得电梯能够高效、安全地运行。
本课题研究具体以PLC为基础，开发设计一套五层电梯控制系统，并对控制系统的具体功能水平进行测试分析。
首先分析电梯和PLC的工作原理，了解如何通过可编程控制器来应用于电梯控制系统，然后选择合适的PLC型号即西门子S7-200型号，选择合理的电梯系统的硬件，以及如何接线，确定可编程控制器的I/O分配，确定系统的软件（STEP7—Micro/WIN32）设计并调试，最后用组态王6.55进行结果演示。
结果表明，基于PLC运行的自动化控制系统能够满足五层电梯的控制需求，表现出一定的应用价值和发展前景。
关键词：
电梯控制，组态软件，PLC,I/O
ABSTRACT
Drivenbytherapiddevelopmentofcomputerandmicroprocessingtechnology,PLChasbecomethemostcommoncontroltechnologyinthefieldofindustrialautomationcontrol.Withtheemergenceandrapiddevelopmentofhigh-risebuildings,theapplicationlevelofelevatorsisincreasing,whichhasbecomeanindispensablecomponentofmodernhigh-risebuildings.Itisthemostbasictoolforuseraccessandtransportationofgoods,andhasrealizedtheverticaltransportationofautomation.UsingthepowerfuldataprocessingfunctionofPLCanditsuniqueinputandoutputinterfaceconditioningfunction,theinputandoutputoftheelevatorswitchsignalisprocessed.Theelevatoroperationinformationisobtainedthroughthefloorbuttonpaneltorealizetheautomaticcontroloftheelevatorupanddown,andtheelevatorcanbetransportedaccordingtotheelevatorinrealtimethroughthedebuggingofthesoftparts.Thepositionoftheelevatorisadjustedtodeterminetheoperationstateoftheelevator.Itenablestheelevatortooperateefficientlyandsafely.
ThisprojectisbasedonPLC,anddevelopsafivetierelevatorcontrolsystem.Thespecificfunctionallevelofthecontrolsystemistestedandanalyzed.First,weanalyzetheworkingprincipleofelevatorandPLC,understandhowtoapplytheprogrammablecontrollertotheelevatorcontrolsystem,thenselecttheappropriatePLCmodel,theSIEMENSS7-200model,selectthereasonableelevatorsystemhardware,andhowtoconnect,determinetheI/Oallocationoftheprogrammablecontroller,anddeterminethesoftwareofthesystem（STEP7-Micro/WIN32）designanddebug,andfinallyuseKingview6.55todemonstratetheresults.TheresultsshowthattheautomaticcontrolsystembasedonPLCcanfullymeetthecontrolneedsofthefiveelevators,showingfullapplicationvalueanddevelopmentpotential.
Keywords:
elevatorcontrol，configurationcontrol，programmablecontroller
第一章绪论
1.1选题目的与意义
随着高层建筑的出现与快速发展，电梯的应用水平不断提升，成为现代高层建筑不可或缺的重要构成，是用户出入、货物运输的最基本工具，实现了自动化的垂直运输。
例如，多层厂房及仓库需要货梯完成产品原料的运输；高层住宅则需要民用住宅电梯满足用户出入需求；自动扶梯则成为现代商业建筑的基本设施。
目前，电梯已经成为现代人类社会最基本的交通运输工具之一，为人们创造了一种高效、便捷的出行运动环境。
美国的统计数据表明，该国每日使用电梯的人次要远远高于其他交通工具，电梯的建设使用规模也成为城市现代化水平的重要评价指标之一[1]。
近年来，我国经济发展迅速，再加上国家大力扶持微电子技术、计算机技术和自动控制技术行业，这些行业的大力发展，也使电梯市场变得成熟，目前，电梯行业已经进入了一个崭新的时代，在不同场合下，电梯技术的应用也越来越广泛。
作为现代建筑的垂直方向上的交通工具，电梯与人们的生活，工作都息息相关，因为人们对电梯要求的提高，与此同时技术的的迅速更新，电梯的逻辑控制也由PLC可编程控制器代替原来的继电器来控制。
使用PLC来控制电梯,在电梯运行的自动控制上，也变成由软件来控制，能够大大提高电梯系统的可靠性，安全性[2]。
另外，这样做的优点还有控制系统结构清晰，外部线路简单，所以可以方便地增加或者改变控制系统的功能。
目前，许多工程系统（包括电梯系统）都由可编程逻辑控制器（PLC）控制。
之所以选择PLC，都是源于其高可靠性和高效率性。
在这篇文章中，我们讨论的是一种小型PLC控制的五层电梯系统的设计与实现。
1.2国内外研究现状
若以升降运输作为电梯的核心特征来看的话，电梯这一装置甚至可以追溯到古希腊时期。
阿基米德于公元前236年最先设计了一种基于人力驱动的卷筒式卷扬机，其基本运行模式与现代电梯极为相似；1858年，美国诞生了世界首部基于蒸汽机动力系统的客梯，此后不久英国就研发了一种水压梯；1889年，美国奥梯斯电梯公司研制了史上第一款基于电动机的动力型电梯，标志了严格意义上的“电梯”的出现，电梯的实用性也在技术创新发展中不断提升；1900年，全球首部自动扶梯诞生；1949年，群控电梯出现并被应用于纽约联合国大厦；1955年，全球首部小型计算机控制电梯诞生；1962年，美国研发的超高速电梯实现了8m/s的运行速度；1963年，基于无触点半导体逻辑控制的电梯在发达工业国家研制成功；1967年，可控硅技术的应用极大提升了电梯性能，简化了电梯拖动系统结构；1971年，集成电路在电梯控制领域得到了良好应用；1972年，全球首部数控电梯诞生；1976年，电梯控制技术领域正式应用微处理器技术，为电梯控制开创了一种全新的技术模式，极大提升了电梯控制自动化水平，提升了电梯的运行效率[3]。
在PLC出现之前，工业生产领域的控制系统最早为继电器控制模式。
继电器控制系统的机构构成为输入/输出电路、控制电路及生产现场。
输入电路的主体结构为按钮、行程开关、限位开关、传感器等，具体实现了控制信号由外部向系统传递；输出电路的主要结构为接触器、电磁阀等，属于控制系统的执行元件，具体实现对电动机、阀门等设备的操控；控制电路是该系统的核心要素，基于特定的线路将系统包含的各类继电器、电子元器件连接成一个整体，共同实现对工业生产现场的控制功能；而生产现场则属于继电器控制系统的对象，主要表现为生产流程或者生产相关的各类机电设备[4]。
1968年，美国通用汽车公司提出了一种工业控制器概念，并向全美技术领域公开招标，寻找能够实现这一概念的合作方；1969年，根据通用汽车的概念，DEC（美国数字设备公司）成功研制成功全球首台基于计算机技术的可编程控制器。
但是该产品的功能相对有限，仅具备逻辑运算、计数、定时等基本功能并实现顺序控制效果，因此，该技术产品并定义为可编程逻辑控制器，即PLC（ProgrammableLogicalController）[5]。
上世纪七十年代末，微处理器技术应用呈现高速发展势头，技术水平日趋完善，极大提升了可编程控制器的处理能力，并且丰富了可编程控制器的功能。
在各类新技术的支持下，可编程控制器的基本逻辑控制能力不仅得到了显著提升，同时具备了控制模拟量的能力。
此时，美国电气制造协会将可编程控制器正式命名为PC（ProgrammableController）。
为了区别个人计算机PC（PersonalComputer），沿用了PLC这一传统名称。
上世纪八十年代之后，集成电路进入高速发展时期，各类大规模、超大规模的集成电路相继诞生，在16位及32位微处理器技术发展的推动下，可编程控制器呈现出高速发展势头，技术水平不断提升，应用范围也不断扩大。
除传统的逻辑控制功能之外，此时的PLC逐渐具备了高速技术、PID控制、中断技术、联网通信等功能，极大提升了PLC的应用水平[6]。
出于规范PLC这一工业控制装置的科学发展，IEC（国际电工委员会）对PLC的内涵进行了科学定义，并对其标准进行准确表述：
可编程序控制器具体以电子化数字运算系统为基础，针对工业生产领域的控制需求而设计开发，以可编程存储器为核心构件，基于其各项控制功能，通过其输入/输出电路实现数字信号与模拟信号的交互，从而对工业生产过程或各类机电设备进行控制[7]。
由以上论述可知，PLC基于微处理器技术，在综合运用计算机技术、通信技术及自动控制技术的基础上形成的一类工业自动控制系统，能够充分满足通用工业自动控制需求。
该技术装置的优势在于体积小巧、功能全面、设计简单、运用灵活，能够充分满足各类复杂工业生产环境对自动控制技术的可靠性与适应性需求，因此成为工业控制领域最受认可的一种控制技术。
目前，PLC与机器人技术、CAD/CAM技术并称为现代工业控制的三大核心，在机械制造、冶金工程、交通运输、电力生产等领域得到了广泛应用。
1.3本文工作
本文本文设计的一套五层电梯控制系统中，型号为TKZ800/2.5—JXW。
首先分析电梯和PLC的工作原理，了解如何通过可编程控制器来应用于电梯控制系统，然后选择合适的PLC型号即西门子S7-200型号，选择合理的电梯系统的硬件，以及如何接线，确定可编程控制器的I/O分配，确定系统的软件（STEP7—Micro/WIN32）设计并调试，最后用组态王6.55进行结果演示。
具体如下：
（1）采用PLC为基础，实现一部五层电梯的正常功能。
整个所要完成的流程是，人物在电梯外按键等待，电梯接收信号后抵达该人员楼层并停住，电梯门打开，人物进入后，选择所需要到达的楼层，按下楼层按键，电梯门感应器判断是否还有人，没有人则关门。
电梯运行，到达目标楼层，停住，自动打开门，待人物走出，传感器判断关门。
等待后续人员使用，重复同样过程。
（2）在实现此基本功能后，所需要做的还有加入指示灯，数码管，按键，。
除此之外，电梯内加入超载警报器，火警警报器，紧急电话功能。
（3）使用者能简单操作，在有紧急情况发生时，如在火灾时，火警警报器触发，采取紧急灭火并通知消防人员，在电梯故障时，联系电梯维修方尽快维修。
（4）在电梯系统设计时，还需要以下几个组成部分进行考虑：
控制系统的电路联锁功能和保护功能来防止误操作；电梯轿厢的运行和停止；根据停靠楼层和运行状态自动计算停靠位置；启动和停止时应有缓加速和减速过程，并合理的调整电梯轿厢的运行速度；电梯轿厢内外都要求有流程效果，可以显示操作的进度，以及电梯当前的状态；接收，检测、控制信号要及时，准确，安全、可靠。
第二章PLC电梯控制系统整体设计
2.1电梯控制系统的概述
2.1.1电梯工作及控制系统原理
电梯控制技术为一种特殊的电气自动控制技术，控制对象为电梯操纵系统及传动系统。
上世纪七十年代，我国主要使用交流双速电梯。
此类电梯具体通过改变牵引电动机的极对数的方式对电梯运行状况进行调节和控制。
此类电梯的牵引电动机极对数绕组具体分为高速绕组与低速绕组两大类，前者以极数较少的绕组而后者则是级数较多的绕组。
不同绕组所实现的功能不同，前者主要实现电梯启动与稳速运行，而后者则主要实现电梯的制动及维护。
上世纪八十年代，基于交流电动机驱动模式的VVVF电梯变频变压控制技术出现，实现了电梯控制技术的创新发展。
此类技术由交流电动机提供牵引力，同时能够实现直流电动机的性能水平，电梯运行速度也达到了的6m/s水平。
此类电梯驱动与控制系统具有体积小、重量轻、能耗低、效率高等优势，当当前最先进的电梯拖动技术，能够充分满足不同应用场合的需求[8]。
由以上论述可知，电梯是一种以垂直运动为主的运输工具，通常并不需要旋转机构就可正常运行，目前最主流的拖动技术为直线电机拖动技术。
随着人类社会的发展进步，城市建筑逐渐呈现出规模化发展趋势，高层建筑成为城市建筑的未来发展趋势之一。
高层建筑的不断出现为电梯创造了良好的发展环境，积极推动了电梯技术与应用的发展。
电梯的基本技术原理是基于自身控制规律与外部呼叫信号实现特定的运行模式。
由于外部呼叫的随机性，使得电梯运行控制过程表现为典型人机交互式控制模式，简单的逻辑控制与顺序控制难以满足这一复杂的控制需求。
因此，随机逻辑控制方式得到了充分应用与良好发展。
目前，市面上已有电梯产品的控制模式可大致分为两种不同类型：
一类是基于微处理器的控制系统，由控制系统完成控制信号的采集、分析并对运行状态进行调整，从而实现用户所需的运行模式；另一类则是基于PLC的自动控制模式，通过对控制信号的集选实现电梯的科学运行。
虽然两种控制模式的技术原理和实施效果并无显著区别，但是基于PLC的电梯控制系统更加常见。
相较而言，PLC控制系统具有性能可靠性、开发简便、运行稳定等优势，因此表现出更加显著的性能优势与成本优势。
2.1.2电梯控制系统的组成
电梯控制系统共包括八大系统，分别是曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统 、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统[9]。
2.1.3电梯控制系统特性
电梯启动阶段的运行工况是乘客舒适度的最主要影响因素，最重要的指标为加速度。
基于控制理论的相关内容，若想实现某个变量的规律性变化结果，就必须对该变量进行科学控制。
在对电梯加速度进行控制时，通过需要以M—MZ=ΔM=J（dn/dt）这一力矩方程式的计算结果为依据，对电梯电动机进行科学控制。
在电梯运行的不同工况下，需要针对性的采取不同的控制方案以实现最佳加速度控制结果[10]。
在电梯启动后，电梯运行速度将不断上升，并直至稳态值的90%左右时系统的控制模式将由加速度控制模式转换为速度控制模式；在稳定运行过程中，可以借助速度闭环控制方案确保稳定的运行速度[11]。
在上述两个阶段中，虽然控制的核心要素均为PI调节器，但是其参数取值并不相同，需要根据系统运行稳定性需要选择不同的参数值；在电梯制动阶段，为了实现舒适感与充分可靠的制定效果，必须严格控制减速度变化情况，实现电梯运行速度的稳定变化并确保平层的精确度。
为了实现舒适度与运行可靠性的均衡，通常需要采取时间控制方式对加速度变化情况进行控制，并根据电梯的实际运行状态参数对控制方案进行优化和调整，从而实现最佳控制效果。
2.2基于PLC电梯控制系统的设计
在本文设计的一套五层电梯控制系统中，型号为TKZ800/2.5—JXW，选择合适的PLC型号即西门子S7-200型号，选择合理的电梯系统的硬件，确定系统的软件（STEP7—Micro/WIN32）设计并调试，最后用组态王6.55进行结果演示。
利用PLC强大的数据处理功能及其特有的输入输出接口调理功能，对电梯的开关信号的输入输出进行处理，通过楼层按钮面板，获取电梯运行的信息，实现对电梯上行下行的自动控制，并且通过软件的调试，能够实时根据电梯运行位置调节电梯运行速度，确定电梯运行状态。
使得电梯能够高效、安全地运行。
在本设计中，需要考虑的有曳引系统，牵引系统，安全系统，电气系统等方面。
其中，控制系统、指示呼叫系统和电气安全装置等组成了电气系统。
第三章PLC电梯的控制策略
3.1控制要求
3.1.1PLC的选择
市面上，PLC的种类繁杂多样，本设计综合输入输出点的计算以及要实现的电梯控制功能，选择使用西门子S7-200PLC加一个扩展模块即可满足要求。
S7-200PLC（CPU226）是一种小型可编程逻辑控制器，目前在各种中小型自动化控制系统中广泛应用[12]。
此型号的PLC优点有高集成度的设计、低廉的成本，于是使得其成为各种小型控制任务理想的解决方案，广泛应用于各行各业。
此外，西门子S7-200PLC在可靠性高、指令集丰富、运算速度快、内部集成功能强大等几个方面都有出色的表现。
此型号的PLC拥有RS-485串行口，有几种通讯方式可以使用，达到MCS51单片机与PLC进行通讯。
本设计使用的是使用MAX485芯片与mcs51串行口相接，再与S7-200PLC的RS-485口进行通讯。
3.1.2软件功能
本设计PLC控制程序采用的是西门子公司提供的STEP7-Micro/WIN32编程软件进行开发。
该软件的SIMATIC指令集包括三种语言，即语句表（STL）语言、梯形图（LAD）语言和功能块图（FWD）语言[13]。
西门子S7-200系列使用的是STEP-Micro/WIN32编程软件，此软件具有编程及调试等多种功能，是PLC用户不可缺少的开发工具。
STEP7编程软件较为强大，功能齐全，包括有通讯组态、测试、硬件和软件的参数设置、软件编程和调试、文件建档、模拟运行等[14]。
3.2控制方案
（1）在系统刚开始运行时，电梯处于一楼平层；
（2）当各楼层的外部进行电梯呼叫时，电梯立即接收并执行呼叫信号，选择上行或者下行，到达所呼叫的楼层平层时，电梯轿厢停止，并自动打开门，如果一段时间内无响应，电梯门将自动关闭。
（3）如果电梯内部有呼叫的信号，电梯就对信号进行接收并响应，到达所发出指令的楼层平层时，电梯轿厢停止，并自动打开门，如果一段时间内无响应，电梯门将自动关闭。
（4）在电梯上行的时候，反方向的外部呼叫不响应；在电梯下行的时候，反方向的呼叫不响应；但是如果上行动作结束后，再响应反方向的外部呼叫；如果下行动作结束后，再响应反方向的外部呼叫。
（5）电梯要优先响应最远反方向的呼叫要求。
（6）电梯在运行的过程中，开门信号和关门信号不响应，如果电梯到达指定楼层后，开门信号和关门指令才能执行。
（7）电梯达到指定的楼层后，内部和外部的指示面板同时输出，显示该楼层的号码[15]。
3.3I/O的分配
根据本设计的要求，采用西门子S7-200系列CPU226可编程控制器进行分配设计，输入部分采用直流24V电压供电，输出为直流24V电压输出供电。
根据本系统的输入输出点统计，本设计的I/O分配（参见表1）。
表3.1I/O分配表
序号
名称
输入点
序号
名称
输出点
0
一层内呼
I0.0
0
一层内呼指示
Q0.0
1
二层内呼
I0.1
1
二层内呼指示
Q0.1
2
三层内呼
I0.2
2
三层内呼指示
Q0.2
3
四层内呼
I0.3
3
四层内呼指示
Q0.3
4
五层内呼
I0.4
4
五层内呼指示
Q0.4
5
一层外呼上
I0.5
5
一层外呼上指示
Q0.5
6
二层外呼下
I0.6
6
二层外呼下指示
Q0.6
7
二层外呼上
I0.7
7
二层外呼上指示
Q0.7
8
三层外呼下
I1.0
8
三层外呼下指示
Q1.0
9
三层外呼上
I1.1
9
三层外呼上指示
Q1.1
10
四层外呼下
I1.2
10
四层外听下指示
Q1.2
11
四层外呼上
I1.3
11
四层外呼上指示
Q1.3
12
五层外呼下
I1.4
12
五层外呼下指示
Q1.4
13
开门开关
I1.5
13
电梯上行门
Q1.5
14
关门开关
I1.6
14
电梯下行门
Q1.6
15
一层平层
I1.7
15
门电机开
Q1.7
16
二层平层
I2.0
16
门电机关
Q2.0
17
三层平层
I2.1
17
电梯上行指示
Q2.1
18
四层平层
I2.2
18
电梯下行指示
Q2.2
19
五层平层
I2.3
19
超重指示
Q2.3
20
开门限位
I2.4
20
警报器
Q2.4
21
关门限位
I2.5
21
一层指示
Q2.5
22
电梯上升极限位
I2.6
22
二层指示
Q2.6
23
电梯下降极限位
I2.7
23
三层指示
Q2.7
24
超重
I3.0
24
四层指示
Q3.0
25
警报按钮
I3.1
25
五层指示
Q3.1
26
激光传感器
I3.2
26
3.4T型图
本设计采用STEP7—Micro/WIN32作为plcS7-200的编程软件，T形图如下。
第四章PLC电梯控制系统的运行测试
本次设计的结果演示，是通过组态王6.55来实现的。
此软件是亚控科技公司根据当前自动化技术的发展趋势，主要是针对低端自动化市场，开发的一套产品，是为了实现企业一体化的目标[16]。
图中，即是使用软件组态王6.55进行仿真的设计结果，图1左上角按钮即显示电梯通电能正常运行，亮红灯时则是故障，变成蓝色并闪烁，即是电梯系统故障。
左下代表的是电梯轿厢内部按钮面板，中间数字代表电梯所在楼层。
中间五个白色方框表示
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