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基于PLC电梯控制系统的设计解读
摘要
随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在人们的生活中占有着越来越重要的地位。
本文介绍一种电梯PLC控制系统。
电梯是垂直方向的运输设备，是高层建筑中不可缺少的交通运输设备。
它靠电力，拖动一个可以载人或物的轿厢，在建筑的井道内导轨上做垂直升降运动，在人们生活中起着举足轻重的作用。
而控制电梯运行的PLC系统也要求越来越高，要求达到电梯运行的“稳、准、快”的运行目的。
在介绍电梯基本结构的基础上，深入分析了电梯的工作原理，重点分析了电梯的硬件设计和软件设计。
论述PLC在电梯控制系统中的运用，研究并提出了基于西门子PLC（S7-200）的五层电梯控制系统设计的实现方案，通过合理的选择和设计，实现电梯指层、选层、选向、手动和自动关门等基本功能
关键词：
电梯、PLC、控制
Abstract
Withthecityconstruction'scontinuousdevelopment,theamountofhigh-risebuildingsisincreasingrapidly，whichmakestherolethatelevatorplayedinpeople'sdailylifebecomemoreandmoreimportant.ThistextintroducesthecontrolsystemofakindofelevatorPLC.Theelevatorisperpendiculardirectionaloftheconveyanceequipmentbeindispensableinthehighbuildingoftransportationequipment.Itdependselectricpower,draggingalongtomoveacarthatcancarrypersonorthingandleadatrackinthebuildingofthewellwayupdoperpendicularitytoascendanddescendsport,thereisprominentfunctioninthepeople'slife.AndthecontrolelevatorcirculateofthePLCsystemalsohasmoreandmorehighrequest,requesttoattainthemovementpurposeof"steady,quasi,quick"ofelevatormovement.Inthisthesis,basedontheintroductionofthebasicstructureoftheelevator,wedeeplyanalyzedhowtheelevatorworks,andemphasizedontheelevator'shardwareandsoftwaredesign.BystatingtheapplicationofPLCinthesystemofelevatorcontrol,weresearchedandworkedoutapracticalschemeof5layerelevator'scontrolsystembasedonSiemensPLC（s7-200）.throughtherationalselectionanddesign,wemanagertomaketheelevatorcarryoutthebasicfunctionsuchaslayerpointing,layerselecting,directionselecting,manualandautomaticdooroperation,etc.
Keywords:
elevator,PLC,control
1概述
1.1本课题的设计背景
追溯电梯的起源，在我国及国外都能找到其雏形。
如我国公元前1700多年出现的桔棒，是一种用于提水的升降装置。
公元前1100多年出现的轴辘，是一种用于提水或升举重物的升降装置。
在古代希腊，于公元前236年出现的阿基米德绞车，是一种升举重物的升降装置。
它们的共同特点是都由支架、卷筒、绳索、摇杆、乘物装置几部分组成的最原始、最简单的升降机械，由木（竹）材料制成，靠人力或畜力驱动在很低速度下运行。
1889年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力，这才出现名副其实的电梯，并使电梯趋于实用化。
1900年还出现了第一台自动扶梯。
1949年出现了群控电梯，首批4-6台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。
1955年出现了小型计算机（真空管）控制电梯。
1962年美国出现了速度达8米/秒的超高速电梯。
1963年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。
1967年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统简化，性能提高。
1971年集成电路被应用于电梯。
第二年又出现了数控电梯。
1976年微处理机开始用于电梯，使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期。
由于早期的电梯及电气控制方式存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、一旦完成不易更改等缺点，所以需要开发一种安全、高效的控制方式。
可编程控制器（即PLC）既保留了传统继电器控制系统的简单易懂，而且具备控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口连接、维修方便等诸多高品质性能。
因此，PLC在电梯控制领域得到了广泛而深入的运用。
如今，电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的交通工具，随着时代的发展，科技的进步，人们对电梯在运行时的平稳性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能提出了更高的要求。
电梯今后的发展将主要呈现以下趋势：
（1）超高速电梯。
随着人们生活节奏的加快，高层建筑的增加，全功能的塔式建筑将会促使超高速电梯继续成为研究方向，5m/s以上运行速度的超高速电梯，成为人们关注的重点和市场发展的新趋向。
（2）大型超载重电梯用导轨。
随着大型公共场所、购物场所等公用建筑的增加，大型超载重电梯的运用日益广泛，对于垂直电梯、自动扶梯的载重量和运行平稳性提出了新的要求。
（3）新型自动扶梯导轨。
随着社会进步、城市化水平的提高以及越来越多的国家逐渐步入老龄化社会，各国政府对人文关怀日益重视，促使城市公共设施对自动扶梯和自动人行道的需求加速增长。
为实现公共场所的无障碍通行，大量的体育场馆、地铁、机场、商场、写字楼、宾馆等需要加装自动扶梯和自动人行道。
（4）无机房电梯导轨。
对于高度在20层以下的民用建筑，可以通过改变曳引机的安装方式去除电梯机房的设计，从而降低建筑总高度、保持整体造型、节省建筑成本。
此外，人们要求电梯节能、电磁兼容性强、噪声低、长寿命、采用绿色装潢材料、与建筑物协调等，甚至有人设想在大楼顶部的机房利用太阳能作为电梯驱动补充能源等等，而这些都会对电梯导轨的运行技术不断提出新的要求
1.2PLC在电梯中的应用
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。
2电梯硬件分析
2.1电梯的组成
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合产品．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。
图1.1电梯机械部分结构示意图
1）曳引电动机
齿轮曳引系统作为电梯的提升机构，主要由驱动电动机、电磁制动器（也称电磁抱闸）、减速器及曳引轮组成。
2）自动门机
用来完成电梯的开门与关门：
电梯的门由厅门（每层站一个）和轿门（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（检修状态时，可以在不关门的状态下运行）。
3）层楼指示
层楼指示也叫层显，过去常由低压灯泡构成，安装在每层站厅门的上方和轿厢内轿门的上方；现多由数码管或LED点阵结构组成，与呼梯盒、运行方向指示做成一体结构。
4）呼梯盒
呼梯盒也叫召唤按钮或外呼盒，用以在每层站召唤电梯。
常安装在厅门外，离地1m左右的墙壁上。
基站与顶站只有一个按钮，中间层站由上呼和下呼两个按钮组成。
按钮带有呼梯记忆灯，灯亮时表示呼梯信号已经被接收并记忆；当电梯满足呼梯要求并停层开门时，呼梯记忆灯熄灭。
基站的呼梯盒上，常带有钥匙开关，供电梯管理员开关电梯。
5）操纵箱
操纵箱安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发布动作指令。
操纵箱上设有与电梯层数相同的内层选按钮（带指示记），上、下行启动按钮（带上、下行指示记忆灯，检修时用），开、关门按钮，急停按钮，电梯运行状态选择钥匙开关（选择电梯是自动运行还是检修状态）以及风扇、照明等的控制开关。
6）平层及开门装置
该装置由磁铁板和上、下平层感应器1KR、2KR组成。
上行时，1KR首先插入隔铁磁板，发出减速信号，电梯开始减速，至2KR插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号，电机停转，机械抱闸；下行时，2KR首先插入隔磁铁板，发出减速信号至1KR插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号。
7）停层装置
在电梯的井道内每层站装有一只磁铁板，当轿厢运动到相应层站时，磁铁板插入平层感应器内，以此检测电磁所处位置和产生平层信号。
8）安全窗及其开关，安全钳及其开关，限速器及其开关，上、下行限位开关，上、下行强迫停止开关，极限开关
电梯的轿厢顶部开有安全窗，供紧急情况下疏散乘客，当安全窗打开时，电梯不允许运行。
安全钳是为防止电梯曳引钢绳断裂及超速运行的机械装置，用以在上述情况下将轿厢挟持在导轨上。
限速器时用以检查电梯运行速度的机械装置，当电梯超速运行时，限速器动作，带动安全钳使电梯停止运行。
以上三种装置的动作通过其相应开关来检测。
当电梯运行至上、下极限位置时仍不停车，上、下限位开关动作，发出停车信号，若仍不能停车，将压下上、下强迫停止开关，强制电梯停止运行；若还不能停车，将通过机械装置带动极限开关SQ0动作切断电梯曳引电动机的电源，以达到停车目的，避免电梯出现冲顶与礅底事故。
2.2电梯工作原理
曳引绳两端分别连着轿厢与对重（又称配重），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，防止轿厢在运行中产生偏斜或摆动。
常闭式制动器在电动机工作时间松闸，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、减少发动机功率。
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，同时完成边层、平层、测速、照明工作。
指示呼叫系统随时显示轿厢的于东方向和所在楼层位置。
安全装置保证电梯运行安全。
3PLC简介
3.1PLC的定义
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。
”
3.2PLC的产生发展与应用
第一台PLC的设计规范是美国通用公司提出的。
当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的响应时间快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。
这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成功世界上第一台PLC，型号为PDP-14，投入汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。
由于当时开发PLC的主要目的是用来取代继电器逻辑控制系统，所以最初的PLC其功能也仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等功能。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机：
从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合：
从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1．开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2．模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3．运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4．过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5．数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6．通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
3.3PLC的特点与工作原理
3.3.1PLC的特点
PLC的特点：
1.可靠性高，抗干扰能力强
2.功能强大，成本低
3.控制系统结构简单，适用性强
4.编程方便、易于使用
5.设计、施工、调试的周期短，改造方便
6.维护方便
7.体积小，重量轻，能耗低
3.3.2PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
图3.1PLC的运行阶段
3.4PLC的编程语言
编程语言是PLC的重要组成部分，PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应用户编程的需要。
利用编程语言，按照不同的控制要求编写不同的控制程序，这相当于设计和改变几点起的硬件接线线路，这就是所谓的“可编程序储器中，它也能方便地读出、检查与修改。
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。
它是从继电器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，梯形图与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。
3.5PLC控制系统设计思路
本设计以PLC作为工具对五层电梯的各种操作进行控制。
PLC控制系统设计一般分为以下几个步骤：
（1）熟悉被控对象（本次设计的对象为五层电梯），制定控制方案
（2）确定I/O点数
（3）选择PLC机型（本次设计采用西门子S7-200PLC）
（4）选择输入、输出设备，分配PLC的I/O地址
（5）程序设计（包括梯形图的绘制）
（6）系统调试
（7）编制相关技术文件
系统总体设计流程如图3.2所示：
图3.2系统设计流程
4硬件设计
4.1电梯控制硬件设计
硬件可分为两部分，输入和输出单元，它们是PLC的I/O接口部分，主要由厅外呼叫、轿箱内选层、楼层及方向指示、开关门、井道内的上下平层、上下强迫换速开关、门锁、安全保护继电器等单元构成。
1）输入单元为：
门厅外按钮与轿箱内选层按钮，负责对预选楼层指令的登记、消除和指示：
开关门按钮，控制轿门的开闭；
上下平层感应器，用来保证电梯轿箱在各层停靠时准确平层；
上下限强迫换速开关，用于保护电梯的高速运行安全，避免电梯出现冲顶或蹲底事故，当电梯到达上下端站时，装在轿厢边的上下限强迫换速开关打板，信号输入到PLC，PLC发出换速信号强迫电梯减速运行到平层位置；
门锁装置，轿门闭合和各厅门闭合上锁是电梯正常起动运行的前提；
安全回路，通常包括轿内急停开关、轿顶内急停开关、安全钳开关、限速器断绳开关、限速器超速开关、电源开关等。
2）输出单元为：
楼层及方向指示单元，包括电梯上下行方向指示灯、目前的方向及层楼指示灯；
开关门接触器，用于控制电梯的厅门和轿门的打开和关闭，在自动定向完成或电梯平稳停靠后，PLC给出相关指令，完成开关门动作；
启动加速、制动减速接触器，用于电梯的调速系统。
4.2PLCI/O分配与选型
4.2.1PLC控制系统的I/O点数计算与分配
根据电梯控制的特点，输入信号应该包括以下几个部分：
1）轿厢内及各层门厅外呼按钮
轿厢内的楼层选择按钮共有数字键1～5，各层门厅的外呼按钮除第一层只有上升按钮，第五层只有下降按钮外，其余三层均设有上升、下降两个按钮，故一共需要13个输入。
2）位置信号
位置信号由安装于楼层的电梯停靠位置的五个传感器产生。
还有上下平层感应器，上下行限位，一组开关门限位，所以位置信号一共需要11个输入。
3）电梯门控制信号
大部分电梯都具有开门按钮以及关门按钮，以方便手动开门，故电梯门控制信号一共需要2个输入。
4）其他
还有门锁，自动，检修，上下行启动，基站。
共6个
综上所述，共需要输入点32个。
输出信号应该包括：
1）内呼指示信号
内呼指示信号有5个，分别表示l～5层的内呼被接受
2）外呼指示信号
外乎信号有13个，分别表示1-5层的外呼被接受，还有1~5层层楼指示，并在外呼指令完成后，信号消失。
3）电梯轿厢上下行接触器，电梯上下行指示信号，共4个
4）门电机开关指示，共需要输出点2个。
5）速度信号
高速，低速，启动加速及制动接触器，共需要输出点6个
综上所述，共需输出点30个。
PLC五层电梯控制系统的输入、输出点分配表如下所示：
表4.1系统IO分配表
输入点名称
输出点名称
1楼轿内选层钮
I0.0
1层内选指示
Q0.0
2楼轿内选层钮
I0.1
2层内选指示
Q0.1
3楼轿内选层钮
I0.2
3层内选指示
Q0.2
4楼轿内选层钮
I0.3
4层内选指示
Q0.3
5楼轿内选层钮
I0.4
5层内选指示
Q0.4
1层上行外呼钮
I0.5
1层上呼记忆灯
Q0.5
2层上行外呼钮
I0.6
2层上呼记忆灯
Q0.6
3层上行外呼钮
I0.7
3层上呼记忆灯
Q0.7
4层上行外呼钮
I1.0
4层上呼记忆灯
Q1.0
2层下行外呼钮
I1.1
2层下呼记忆灯
Q1.1
3层下行外呼钮
I1.2
3层下呼记忆灯
Q1.2
4层下行外呼钮
I1.3
4层下呼记忆灯
Q1.3
5层下行外呼钮
I1.4
5层下呼记忆灯
Q1.4
开门到位
I1.5
开门接触器
Q1.5
关门到位
I1.6
关门接触器
Q1.6
1楼感应器
I1.7
1层层楼指示灯
Q1.7
2楼感应器
I2.0
2层层楼指示灯
Q2.0
3楼感应器
I2.1
3层层楼指示灯
Q2.1
4楼感应器
I2.2
4层层楼指示灯
Q2.2
5楼感应器
I2.3
5层层楼指示灯
Q2.3
上平层感应器
I2.4
制动接触器
Q2.4
下平层感应器
I2.5
制动接触器
Q2.5
上限位开关
I2.6
制动接触器
Q2.6
下限位开关
I2.7
上行接触器
Q2.7
上行启动按钮
I3.0
下行接触器
Q3.0
下行启动按
升级会员 