目錄

摘要 1
ABSTRACT 2
前言 3
第一章 概述 4
1.1電梯的起源與發(fā)展 4
1.2 電梯硬件分析 5
1.2.1電梯的組成 5
1.2.2電梯的主要電氣設備： 6
1.2.3 電梯工作原理 8
1.3 PLC簡介 8
1.3.1 PLC的定義 8
1.3.2 PLC的產生與發(fā)展 8
1.3.3  PLC的特點 9
1.3.4 PLC的應用領域 11
1.3.5 PLC的工作原理 12
1.3.6 PLC的編程語言 13
1.3.7 西門子s7-200PLC簡介 14
1.4 PLC控制系統(tǒng)設計思路 14
第二章  硬件設計 16
2.1 控制要求分析 16
2.2 PLC選型 17
2.2.1 PLC控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)計算與分配 17
2.2.2 PLC的型號選擇 18
第三章  軟件設計 19
3.1 開關轎廂門程序 19
3.2 自動選向程序 21
3.3 轎廂內呼和樓層外呼指示程序 24
結論 26
參考文獻 27
致謝 28
附錄  PLC電梯控制梯形圖 29

 
      摘要
  
      隨著城市建設的不斷發(fā)展，高層建筑不斷增多，電梯在人們的生活中占有著越來越重要的地位。本文結合PLC 的性能，在介紹電梯基本結構的基礎上，深入分析了電梯的工作原理，重點分析了電梯的硬件設計和軟件設計。論述PLC 在電梯控制系統(tǒng)中的運用，研究并提出了基于西門子PLC (S7-200)的5層電梯控制系統(tǒng)設計的實現(xiàn)方案，通過合理的選擇和設計，實現(xiàn)電梯指層、選層、選向、手動和自動關門等基本功能。

      關鍵字：電梯、PLC、控制
 
      ABSTRACT

      with the city construction's continuous development , the amount of high-rise buildings is increasing rapidly ，which makes the role that elevator played in people's daily life become more and more important. In this thesis, based on the introduction of the basic structure of the elevator, we deeply analyzed how the elevator works, and emphasized on the elevator's hardware and software design. By stating the application of PLC in the system of elevator control, we researched and worked out a practical scheme of 5 layer elevator's control system based on Siemens PLC (s7-200).through the rational selection and design, we manager to make the elevator carry out the basic function such as layer pointing, layer selecting, direction selecting, manual and automatic door operation, etc.

      key words: elevator, PLC, control
 

      前言

      在現(xiàn)代化城市的高速發(fā)展中，一幢幢高樓拔地而起，電梯的廣泛應用已成為城市物質文明的一種標志。特別是在高層建筑中，電梯作為不可缺少的垂直運輸設備，已與人們的日常生活密不可分。在計算機技術、自動控制技術和電力電子技術飛速發(fā)展的今天，電梯也隨之進入了新的發(fā)展時期。
      電梯是根據(jù)外部呼叫信號以及自身控制規(guī)律等運行的，而呼叫是隨機的，電梯實際上是一個人機交互式的控制系統(tǒng)，單純用順序控制或邏輯控制是不能滿足要求的。因此，電梯控制系統(tǒng)應采用隨機邏輯控制方式控制。目前電梯的控制普遍采用兩種控制方式：一是采用微機作為信號控制單元，完成電梯的信號采集、運行狀態(tài)和功能的設定，實現(xiàn)電梯的自動調度和集選運行功能，拖動控制則由變頻器來完成；第二種控制方式用可編程控制器（PLC）取代微機實現(xiàn)信號集選控制。從控制方式和性能上來說，這兩種方式并沒有太大的區(qū)別。國內廠家大多采用答二種方式，其原因在于用PLC控制有許多優(yōu)點： 1，可靠性高，由于采取了一系類的PLC高可靠性的措施，PLC的平均無故障時間（MTBF）一般可達3~5萬小時。而且PLC的環(huán)境適應性也很強，它能在工業(yè)環(huán)境下可靠地工作；2，編程簡單，PLC最常用的編程語言是梯形圖語言。這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計算機知識，便于廣大現(xiàn)場工程技術人員掌握。當工作流程需要改變時，可以現(xiàn)場改變程序，使用方便、靈活；3，體積小、結構緊湊、安裝、維修方便。PLC的體積小，重量輕，便于安裝。一般PLC都具有自診斷、故障報警、故障種類顯示等功能。
      可編程控制器不僅充分利用微處理器的優(yōu)點來滿足各種工業(yè)領域的實時控制要求，同時也照顧到現(xiàn)場電氣維護人員的技能和習慣，擯棄了微機常用的計算機編程語言的表達方式，獨具風格地形成一套以繼電器梯形圖為基礎的形象編程語言和模塊化的軟件結構，使用戶程序的編制清晰直觀、方便易學、調試和查錯都很容易。PLC現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其優(yōu)異的性能，日益取代有大量中間繼電器、時間繼電器、記數(shù)繼電器等組成的繼電-接觸控制系統(tǒng)，在機械、化工、石油、冶金、輕工、電子、紡織、食品、交通等各行各業(yè)都得到廣泛的應用。
      總之，電梯的控制是比較復雜的，在計算機誕生前的幾十年里，繼電器控制系統(tǒng)為電梯控制的發(fā)展起到了巨大的作用，然而其控制性能與自身的功能已經(jīng)無法滿足與適應電梯控制的要求和發(fā)展，與PLC相比較，存在質的差別。電梯使用繼電接觸器控制的時代，很難設計出質量優(yōu)良的電梯控制系統(tǒng)，而現(xiàn)在，可編程控制器的使用為電梯的控制提供了更廣闊的空間。PLC是專門為工業(yè)過程控制而設計的控制設備，使它的體積大大減小，功能不斷完善，過程的控制更平穩(wěn)、可靠、抗干擾性能增強、機械與電氣部件被機結合在一個設備內，把儀表、電子和計算機的功能綜合在一起。因此它已成為電梯運行中的關鍵技術。
 

第一章 概述

1.1電梯的起源與發(fā)展

      追溯電梯的起源，在我國及國外都能找到其雛形。如我國公元前1700多年出現(xiàn)的桔槔，是一種用于提水的升降裝置。公元前1100多年出現(xiàn)的轱轆，是一種用于提水或升舉重物的升降裝置。在古代希臘，于公元前236年出現(xiàn)的阿基米德絞車，是一種升舉重物的升降裝置。它們的共同特點是都由支架、卷筒、繩索、搖桿、乘物裝置幾部分組成的最原始、最簡單的升降機械，由木（竹）材料制成，靠人力或畜力驅動在很低速度下運行。
      1889年美國的奧梯斯電梯公司首先使用電動機作為電梯動力,這才出現(xiàn)名副其實的電梯,并使電梯趨于實用化。1900年還出現(xiàn)了第一臺自動扶梯。1949年出現(xiàn)了群控電梯,首批4—6臺群控電梯在紐約的聯(lián)合國大廈被使用。1955年出現(xiàn)了小型計算機(真空管)控制電梯。1962年美國出現(xiàn)了速度達8米/秒的超高速電梯。1963年一些先進工業(yè)國只成了無觸點半導體邏輯控制電梯。1967年可控硅應用于電梯，使電梯的拖動系統(tǒng)筒化，性能提高。1971年集成電路被應用于電梯。第二年又出現(xiàn)了數(shù)控電梯。1976年微處理機開始用于電梯，使電梯的電氣控制進入了一個新的發(fā)展時期。
      由于早期的電梯及電氣控制方式存在故障率較高、可靠性差、接線復雜、一旦完成不易更改等缺點，所以需要開發(fā)一種安全、高效的控制方式?？删幊炭刂破鳎碢LC）既保留了傳統(tǒng)繼電氣控制系統(tǒng)的簡單易懂，而且具備控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于與計算機接口連接、維修方便等諸多高品質性能。因此，PLC在電梯控制領域得到了廣泛而深入的運用。
      如今，電梯已成為人們進出高層建筑不可或缺的交通工具，隨著時代的發(fā)展，科技的進步，人們對電梯在運行時的平穩(wěn)性、高速性、準確性、高效性等一系列靜、動態(tài)性能提出了更高的要求。電梯今后的發(fā)展將主要呈現(xiàn)以下趨勢。
（1）超高速電梯。隨著人們生活節(jié)奏的加快，高層建筑的增加，全功能的塔式建筑將會促使超高速電梯繼續(xù)成為研究方向，5m/s以上運行速度的超高速電梯，成為人們關注的重點和市場發(fā)展的新趨向。
（2）大型超載重電梯用導軌。隨著大型公共場所、購物場所等公用建筑的增加，大型超載重電梯的運用日益廣泛，對于垂直電梯、自動扶梯的載重量和運行平穩(wěn)性提出了新的要求。
（3）新型自動扶梯導軌。隨著社會進步、城市化水平的提高以及越來越多的國家逐漸步入老齡化社會，各國政府對人文關懷日益重視，促使城市公共設施對自動扶梯和自動人行道的需求加速增長。為實現(xiàn)公共場所的無障礙通行，大量的體育場館、地鐵、機場、商場、寫字樓、賓館等需要加裝自動扶梯和自動人行道。
（4）無機房電梯導軌。對于高度在20層以下的民用建筑，可以通過改變曳引機的安裝方式去除電梯機房的設計，從而降低建筑總高度、保持整體造型、節(jié)省建筑成本。
      此外，人們要求電梯節(jié)能、電磁兼容性強、噪聲低、長壽命、采用綠色裝潢材料、與建筑物協(xié)調等，甚至有人設想在大樓頂部的機房利用太陽能作為電梯驅動補充能源等等，而這些都會對電梯導軌的運行技術不斷提出新的要求

1.2 電梯硬件分析

1.2.1電梯的組成

      電梯是機電合一的大型復雜產品，機械部分相當于人的軀體，電器部分相當于人的神經(jīng)。機與電的高度合一，使電梯成了現(xiàn)代科學技術的綜合產品.對于電梯的結構而言，傳統(tǒng)的方法是分為機械部分和電氣部分，但以功能系統(tǒng)來描述，則更能反映電梯的特點。下面簡單介紹電梯機械部分的結構，而我們的主要目的是怎樣來控制它。
 
圖1.1  電梯機械部分結構示意圖
1）曳引系統(tǒng)
　　曳引系統(tǒng)的主要功能是輸出與傳遞動力，使電梯運行。
　　曳引系統(tǒng)主要由曳引鋼絲繩，導向輪，反繩輪組成。
2）導向系統(tǒng)
　　導向系統(tǒng)的主要功能是限制轎廂和對重的活動自由度，使轎廂和對重只能沿著導軌作升降運動。
　　導向系統(tǒng)主要由導軌，導靴和導軌架組成。
3）轎廂
　　轎廂是運送乘客和貨物的電梯組件，是電梯的工作部分。
轎廂由轎廂架和轎廂體組成。
4）門系統(tǒng)
　　門系統(tǒng)的主要功能是封住層站入口和轎廂入口。
　　門系統(tǒng)由轎廂門,層門,開門機,門鎖裝置組成。
5）重量平衡系統(tǒng)
　　系統(tǒng)的主要功能是相對平衡轎廂重量，在電梯工作中能使轎廂與對重間的重量差保持在限額之內，保證電梯的曳引傳動正常。
系統(tǒng)主要由對重和重量補償裝置組成。
6）電力拖動系統(tǒng)
　　電力拖動系統(tǒng)的功能是提供動力，實行電梯速度控制。
　　電力拖動系統(tǒng)由曳引電動機，供電系統(tǒng),速度反饋裝置，電動機調速裝置等組成。 　
7）電氣控制系統(tǒng)
　　電氣控制系統(tǒng)的主要功能是對電梯的運行實行操縱和控制。
　　電氣控制系統(tǒng)主要由操縱裝置，位置顯示裝置，控制屏(柜)，平層裝置，選層器等組成。
8）安全保護系統(tǒng)
　  保證電梯安全使用,防止一切危及人身安全的事故發(fā)生。
由電梯限速器、安全鉗、緩沖器、安全觸板、層門門鎖、電梯安全窗、電梯超載限制裝置、限位開關裝置組成。

1.2.2電梯的主要電氣設備：

1） 曳引電動機：
齒輪曳引系統(tǒng)作為電梯的提升機構，主要由驅動電動機、電磁制動器（也稱電磁抱閘）、減速器及曳引輪組成。
2） 自動門機
用來完成電梯的開門與關門：電梯的門由廳門（每層站一個）和轎門（只有一個）。只有當電梯停靠在某層站時，此層廳門才允許開啟（由門機拖動轎門，轎門帶動廳門完成）；也只有當廳門、轎門全部關閉后才允許啟動運行（檢修狀態(tài)時，可以在不關門的狀態(tài)下運行）。
3） 層樓指示
層樓指示也叫層顯，過去常由低壓燈泡構成，安裝在每層站廳門的上方和轎廂內轎門的上方；現(xiàn)多由數(shù)碼管或LED點陣結構組成，與呼梯盒、運行方向指示做成一體結構。
4） 呼梯盒
呼梯盒也叫召喚按鈕或外呼盒，用以在每層站召喚電梯。常安裝在廳門外，離地1m左右的墻壁上?；九c頂站只有一個按鈕，中間層站由上呼和下呼兩個按鈕組成。按鈕帶有呼梯記憶燈，燈亮時表示呼梯信號已經(jīng)被接收并記憶；當電梯滿足呼梯要求并停層開門時，呼梯記憶燈熄滅?；镜暮籼莺猩?，常帶有鑰匙開關，供電梯管理員開關電梯。
5） 操縱箱
操縱箱安裝在轎廂內，供司機及乘客對電梯發(fā)布動作指令。操縱箱上設有與電梯層數(shù)相同的內層選按鈕（帶指示記），上、下行啟動按鈕(帶上、下行指示記憶燈，檢修時用)，開、關門按鈕，急停按鈕，電梯運行狀態(tài)選擇鑰匙開關（選擇電梯是自動運行還是檢修狀態(tài)）以及風扇、照明等的控制開關。
6） 平層及開門裝置
該裝置由磁鐵板和上、下平層感應器1KR、2KR組成。上行時，1KR首先插入隔鐵磁板，發(fā)出減速信號，電梯開始減速，至2KR插入隔磁鐵板時，發(fā)出停車及開門信號，電機停轉，機械抱閘；下行時，2KR首先插入隔磁鐵板，發(fā)出減速信號至1KR插入隔磁鐵板時，發(fā)出停車及開門信號。
7） 停層裝置
在電梯的井道內每層站裝有一只磁鐵板，當轎廂運動到相應層站時，磁鐵板插入平層感應器內，以此檢測電磁所處位置和產生平層信號。
8）安全窗及其開關，安全鉗及其開關，限速器及其開關，上、下行限位開關，上、下行強迫停止開關，極限開關
電梯的轎廂頂部開有安全窗，供緊急情況下疏散乘客，當安全窗打開時，電梯不允許運行。安全鉗是為防止電梯曳引鋼繩斷裂及超速運行的機械裝置，用以在上述情況下將轎廂挾持在導軌上。限速器時用以檢查電梯運行速度的機械裝置，當電梯超速運行時，限速器動作，帶動安全鉗使電梯停止運行。以上三種裝置的動作通過其相應開關來檢測。當電梯運行至上、下極限位置時仍不停車，上、下限位開關動作，發(fā)出停車信號，若仍不能停車，將壓下上、下強迫停止開關，強制電梯停止運行；若還不能停車，將通過機械裝置帶動極限開關SQ0動作切斷電梯曳引電動機的電源，以達到停車目的，避免電梯出現(xiàn)沖頂與礅底事故。
  
1.2.3 電梯工作原理

      曳引繩兩端分別連著轎廂與對重（又稱配重），纏繞在曳引輪和導向輪上，曳引電動機通過減速器變速后帶動曳引輪轉動，靠曳引繩與曳引輪摩擦產生的牽引力，實現(xiàn)轎廂和對重的升降運動，達到運輸目的。固定在轎廂上的導靴可以沿著安裝在建筑物井道墻體上的固定導軌往復升降運動，防止轎廂在運行中產生偏斜或擺動。常閉式制動器在電動機工作時間松閘，使電梯運轉，在失電情況下制動，使轎廂停止升降，并在指定層站上維持其靜止狀態(tài)，供人員和貨物出入。轎廂是運載乘客或其他載荷的箱體部件，對重用來平衡轎廂載荷、減少發(fā)動機功率。補償裝置用來補償曳引繩運動中的張力和重量變化，使曳引電動機負載穩(wěn)定，轎廂得以準確?？?。電氣系統(tǒng)實現(xiàn)對電梯運動的控制，同時完成選層、平層、測速、照明工作。指示呼叫系統(tǒng)隨時顯示轎廂的于東方向和所在樓層位置。安全裝置保證電梯運行安全。

1.3 PLC簡介

1.3.1 PLC的定義

  在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：
“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?！?/p>

1.3.2 PLC的產生與發(fā)展

第一臺PLC的設計規(guī)范是美國通用公司提出的。當時的目的是要求設計一種新的控制裝置以取代繼電器盤，在保留了繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點的基礎上，同時具有現(xiàn)代化生產線所要求的響應時間快、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于與計算機接口、維修方便等諸多高品質與功能。這一設想提出后，美國數(shù)字設備公司（DEC）于1969年研制成功世界上第一臺PLC，型號為PDP-14，投入汽車公司的生產線控制中，取得了令人滿意的效果，從此開創(chuàng)了PLC的新紀元。由于當時開發(fā)PLC的主要目的是用來取代繼電器邏輯控制系統(tǒng)，所以最初的PLC其功能也僅限于執(zhí)行繼電器邏輯、計時、計數(shù)等功能。
    隨著微電子技術的發(fā)展，20世紀70年代中期出現(xiàn)了微處理器和微型計算機，人們將微機技術應用到PLC中，使它能更多地發(fā)揮計算機的功能，不僅用邏輯編程取代了硬接線邏輯，還增加了運算、數(shù)據(jù)傳送和處理功能，使其真正成為一種電子計算機工業(yè)控制設備。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產物。
20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。
20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。
20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。

 

1.3.3  PLC的特點

1、可靠性高，抗干擾能力強
      高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。
2、功能強大，成本低
      PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合，幾乎能滿足所有工業(yè)控制領域的需要。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。
      由于其轉為工業(yè)應用而設計，所以PLC控制系統(tǒng)中的I/O系統(tǒng)、HMI系統(tǒng)等可以直接和現(xiàn)場信號連接、使用。系統(tǒng)也不需要進行專門的抗干擾設計。所以和其他的控制系統(tǒng)（如DCS、IPC）相比，其成本較低，而且這種趨勢還將繼續(xù)持續(xù)下去。
3、控制系統(tǒng)結構簡單，適用性強
    大部分情況下，一個PLC主機就能組成一個控制系統(tǒng)。對于需要擴展的系統(tǒng)，只要選好擴展模塊，經(jīng)過簡單連接即可。PLC擴展模塊品種多，可以靈活組成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。
      PLC控制系統(tǒng)實質性的好處是當控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時，只需對程序進行簡單的修改，對硬件部分稍作改動即可，而不是像繼電氣控制系統(tǒng)那樣，在一個裝配好的控制盤上，對系統(tǒng)進行修改幾乎是不可能的事情。同一個PLC裝置用于不同的控制對象，只是輸入/輸出組件和應用軟件的不同。所以說PLC系統(tǒng)具有極高的柔性，即通用性強。
4、編程方便、易于使用
      PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。
5、設計、施工、調試的周期短，改造方便
      用繼電器控制完成一項控制工程，首先必須按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器柜的布置和接線圖等，進行安裝調試，以后修改起來十分不便。而PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。因為PLC是通過程序完成控制任務的，采用了方便用戶的工業(yè)編程語言，且都具有槍支和仿真的功能，大大減輕了繁重的安裝接線工作，縮短了施工周期。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。
6、維護方便
    PLC的輸入/輸出端子能夠直觀的反映出現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)，通過編程工具可以直觀的觀察控制程序和控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如內部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、I/O點狀態(tài)、異常狀態(tài)和電源狀態(tài)等，極大的方便了維護人員查找故障，縮短了對系統(tǒng)維護的時間。
7、體積小，重量輕，能耗低
以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。

1.3.4  PLC的應用領域

目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。
1．開關量的邏輯控制
這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。
2．模擬量控制
在工業(yè)生產過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。

3．運動控制
PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。
4．過程控制
過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。
5．數(shù)據(jù)處理
現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。
6．通信及聯(lián)網(wǎng)
PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

1.3.5 PLC的工作原理

當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。
 
圖1.2  PLC的運行階段
1. 輸入采樣階段
在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
　　2. 用戶程序執(zhí)行階段
　　在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。
即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
3. 輸出刷新階段
　　當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。

1.3.6 PLC的編程語言

編程語言是PLC的重要組成部分，PLC為用戶提供了完整的編程語言，以適應用戶編程的需要。利用編程語言，按照不同的控制要求編寫不同的控制程序，這相當于設計和改變幾點起的硬件接線線路，這就是所謂的“可編程序”。程序由編程器送到PLC內部的存儲器中，它也能方便地讀出、檢查與修改。
    PLC共有5種標準編程語言，其中有三種圖形語言，即梯形圖（LD，Ladder Diagram）、功能塊圖（FBD，F(xiàn)unction Block Diagram），和順序功能圖（SFC，Sequential Function Chart），兩種文本語言，即結構化文本（ST，Structured Text）和指令表(IL，Instruction List)。其中梯形圖是最早使用的一種PLC語言，也是現(xiàn)在最常用的編程語言。它是從繼電氣控制系統(tǒng)原理圖的基礎上演變而來的，它繼承了繼電氣控制系統(tǒng)中的基本工作原理和電器邏輯關系的表達方法，梯形圖預計電氣控制系統(tǒng)梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號和表達方式上有一定區(qū)別，所以在邏輯控制系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。它的最大特點就是直觀、清晰。
 

1.3.7 西門子s7-200PLC簡介

S7--200的用戶程序中包括了位邏輯、計數(shù)器、定時器、復雜數(shù)學運算以及與其它智能模塊通訊等指令內容，從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)以達到控制目的。緊湊的結構、靈活的配置和強大的指令集使S7--200成為各種控制應用的理想解決方案。它集成6 輸入/4 輸出共10 個數(shù)字量I/O 點，無I/O 擴展能力。擁有6K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，4 個獨立的30kHz 高速計數(shù)器，2 路獨立的20kHz 高速脈沖輸出以及1 個RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點數(shù)控制的微型控制器。S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)  圖1.3 西門子s7-200PLC     揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如： 沖壓機床、磨床、印刷機械、橡膠化工機械、中央空調、電梯控制、運動系統(tǒng)等。
STEP 7-Micro/WIN 32是西門子公司專門為S7-200系列PLC設計在個人計算機Windows操作系統(tǒng)下運行的編程軟件，它的功能強大，使用方便，簡單易學，可用梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖三種編程語言編制程序，不同的編程語言編制的程序可以相互轉換。STEP 7-Micro/WIN 32提供兩套指令集，即SIMATIC指令集（S7-200方式）和國際標準指令集（IEC1131-3方式）。程序編制完成之后，利用PLC與計算機專用的PC/PPI電纜傳送程序至PLC。

1.4 PLC控制系統(tǒng)設計思路

本設計以PLC作為工具對五層電梯的各種操作進行控制。PLC控制系統(tǒng)設計一般分為以下幾個步驟：
（1） 熟悉被控對象（本次設計的對象為五層電梯），制定控制方案
（2） 確定I/O點數(shù)
（3） 選擇PLC機型（本次設計采用西門子S7-200PLC）
（4） 選擇輸入、輸出設備，分配PLC的I/O地址

（5） 程序設計（包括梯形圖的繪制）
（6） 系統(tǒng)調試
（7） 編制相關技術文件
系統(tǒng)總體設計流程如圖1.4所示：
 
圖1.4  PLC系統(tǒng)總體設計流程圖
                       

                                                   
 
第二章  硬件設計

2.1 控制要求分析

    所涉及的電梯模型共有五層，電梯的每一層面均有升降及轎廂所在樓層的指示燈顯示；1-5所對應的指示燈表示樓層號，每層的樓廳均有輸入（分上行和下行）按鈕召喚電梯。工作中的電梯主要對各種呼梯信號和當時的運行狀態(tài)進行綜合分析，再確定下一個工作狀態(tài)，為此它要求具有自動選向、順向截梯、反向保號，外呼記憶，自動開/關門狀態(tài)，停梯消號，自動達層等功能。
    分析以上控制要求，將電梯控制要實現(xiàn)的功能羅列如下：
（1） 開始時，電梯處于任意一層。
（2） 當有外呼梯信號到來時電梯響應該呼梯信號，到達該樓層時，電梯停止運行，電梯門打開，延時三秒后自動關門。
（3） 當有內呼梯信號到來時，電梯應該響應該呼梯信號，到達該樓層時，電梯停止運行，電梯門打開，延時三秒后自動關門。
（4） 在電梯運行過程中電梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的呼梯信號均不響應，但如果反向呼梯信號前方無其它內、外呼梯信號時，則電梯相應該外呼信號，但不響應三層向下外呼梯信號。同時，如果電梯達到四層，五層沒有任何呼梯信號，測電梯可以響應四層向下外呼梯信號。
（5） 電梯應具有最遠反向外呼梯響應功能。例如電梯在一樓，而同時有二層向下外呼梯，三
     圖2.1  電梯工作流程圖             層向下外呼梯，四層向下外呼梯，則電梯先去四樓響應四層向下外呼梯信號。
（6） 電梯具有同向截車功能。
（7） 電梯未平層或運行時，開門按鈕和關門按鈕均不起作用。平層且電梯停止運行后，按開門按鈕可使門打開，按關門按鈕可使門關閉。

2.2 PLC選型

2.2.1 PLC控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)計算與分配

    根據(jù)電梯控制的特點，輸入信號應該包括以下幾個部分：
（1） 轎廂內及各層門廳外呼按鈕
    轎廂內的樓層選擇按鈕共有數(shù)字鍵1~5，各層門廳的外呼按鈕除第一層只有上升按鈕，第五層只有下降按鈕外，其余三層均設有上升、下降兩個按鈕，故一共需要13個輸入。
（2） 位置信號
位置信號由安裝于各樓層的電梯?？课恢玫乃膫€傳感器產生。平時為常開，當電梯運行到平層時關閉，另外還有一組開關門限位，故位置信號一共需要7個輸入
（3） 電梯門控制信號
   大部分電梯都具有開門按鈕以及關門按鈕，以方便手動開門，故電梯門控制信號一共需要2個輸入。
綜上所述，共需要輸入點22個。
輸出信號應該包括：
（1） 內呼指示信號
     內呼指示信號有5個，分別表示1~5層的內呼被接受，并在內呼指令完成后，信號消失。
（2） 外呼指示信號
    外乎信號共有8個，分別表示1-5層的外呼被接受，并在外呼指令完成后，信號消失。
（3） 電梯轎廂上下行，電梯上下行指示信號，共4個
（4） 門電機開關指示，共需要輸出點2個。
  綜上所述，共需輸出點19個。
PLC五層電梯控制系統(tǒng)的輸入、輸出點分配表如下所示：
表2.1  PLC輸入、輸出點分配表
輸入點名稱  輸出點名稱 
一層內呼 I0.0 一層內呼指示 Q0.0
二層內呼 I0.1 二層內呼指示 Q0.1
三層內呼 I0.2 三層內呼指示 Q0.2
四層內呼 I0.3 四層內呼指示 Q0.3
五層內呼 I0.4 五層內呼指示 Q0.4
一層外呼上 I0.5 一層外呼上指示 Q0.5
二層外呼下 I0.6 二層外呼下指示 Q0.6
二層外呼上 I0.7 二層外呼上指示 Q0.7
三層外呼下 I1.0 三層外呼下指示 Q1.0
三層外呼上 I1.1 三層外呼上指示 Q1.1
四層外呼下 I1.2 四層外呼下指示 Q1.2
四層外呼上 I1.3 四層外呼上指示 Q1.3
五層外呼下 I1.4 五層外呼下指示 Q1.4
開門按鈕 I1.5 電梯上行指示 Q1.5
關門按鈕 I1.6 電梯下行指示 Q1.6
一層平層 I1.7 門電機開門 Q1.7
二層平層 I2.0 門電機關門 Q2.0
三層平層 I2.1 電梯轎廂上行 Q2.1
四層平層 I2.2 電梯轎廂下行 Q2.2
五層平層 I2.3  
開門限位 I2.4  
關門限位 I2.5  

2.2.2 PLC的型號選擇

綜合輸入輸出點的計算以及要實現(xiàn)的電梯控制功能，使用西門子s7-200PLC（CPU226）加一個擴展模塊，這樣就能完全能夠滿足設計要求。S7-200PLC是一種小型可編程邏輯控制器（Micro PLC），可應用于各種小型自動化控制系統(tǒng)。高集成度的設計、低廉的成本使得s7-200成為各種小型控制任務理想的解決方案，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。并且，西門子s7-200PLC具有：極高的可靠性、豐富的指令集、極快的浮點運算速度、豐富的擴展模塊、強大的內部集成功能等幾個方面的出色表現(xiàn)。

 
第三章  軟件設計

由電梯運動流程圖可以看出電梯的運動控制中最需要關注的主要部分是：開關轎廂門的控制，電梯的自動選向，轎廂的內呼和樓層外呼指示。將各部分分為單獨的模塊分別進行編程，繪制梯形圖，不僅條理清晰，提高編程效率，而且能更為方便的進行程序的調試。

3.1 開關轎廂門程序

    轎廂門開可分為以下幾種情況：
（1） 電梯在一層平層，有一層外呼上指示或一層內呼指示。
（2） 電梯在二層平層，有二層外呼下指示(電梯選項向下)，二層外呼上指示(電梯選項向上)或二層內呼指示。
（3） 電梯在三層平層，有三層外呼下指示(電梯選項向下)，三層外呼上指示(電梯選項向上)或三層內呼指示。
（4） 電梯在四層平層，有四層外呼下指示(電梯選項向下)，四層外呼上指示(電梯選項向上)或四層內呼指示。
（5） 電梯在五層平層，有五層外呼下指示或五層內呼指示。
（6） 電梯在平層時按下開門按鈕。
所繪制的梯形圖如下：
 
 
圖3.1  轎箱門開
門電機開這個輸出被置位后，當它符合一定條件時，就應取消它的置位，使其停止開門動作。這些條件應為：
（1） 按下關門按鈕，并且同時開門按鈕沒有按下。
（2） 輸出信號門電機關置位，且開門按鈕沒有按下
（3） 達到開門限位，自動停止開門動作。
  所繪制的梯形圖如下：
 
圖3.2  轎箱門開復位
開門動作結束后將是3秒鐘的延時，然后電梯會自動關門，達到關門限位后，關門動作自動結束。同樣，按下關門按鈕，電梯也將關門，開門按鈕被按下，或有門電機開信號輸出，則關門動作取消。所繪制的梯形圖如下：
 
圖3.3  轎箱門關及其復位

3.2 自動選向程序

    本程序的自動選項功能主要由電梯的上行條件和下行條件兩部分組成，
其中，電梯滿足以下條件時上行：
（1） 電梯在四層，且有四層外呼上指示，五層外呼下指示，五層內呼指示。
（2） 電梯在三層，且有三層外呼上指示，四層外呼下指示，四層外呼上指示，五層外呼下指示，四層內呼指示，五層內呼指示。
（3） 電梯在二層，且有二層外呼上指示，三層外呼下指示，三層外呼上指示，四層外呼下指示，四層外呼上指示，五層外呼下指示，三層內呼指示，四層內呼指示，五層內呼指示。
（4） 電梯在一層時，無論什么情況均上行；同理，電梯在第五層時無論什么情況均不上行。
滿足以上條件同時不滿足電梯下行條件時，電梯上行，繪制梯形圖如下：
 
 
圖3.4  電梯轎箱上行
同樣，當滿足以下條件，且不滿足電梯上行條件時，電梯下行：
（1） 電梯在四層，且有四層外呼下指示，三層外呼上指示，三層外呼下指示，二層外呼上指示，二層外呼下指示，一層外呼上指示，三層內呼指示，二層內呼指示，一層內呼指示。
（2） 電梯在三層，且有三層外呼下指示，二層外呼上指示，二層外呼下指示，一層外呼上指示，二層內呼指示，一層內呼指示。
（3） 電梯在二層，且有二層外呼下指示，一層外呼上指示，一層內呼指示。
（4） 電梯在五層時，無論什么情況均滿足下行條件，同理，電梯在一層時，無論如何均不會下行。
繪制梯形圖如下所示：
 
 
圖3.5  電梯轎箱下行

3.3 轎廂內呼和樓層外呼指示程序

轎廂內呼較為簡單，當按下內呼按鈕，內呼指示即置位，達到指定樓層后，電梯門打開，內呼指示取消置位。以第一層為例，梯形圖如下所示：
 
       圖3.6  一層內呼指示置位與復位
樓層外呼指示程序則比較復雜，按下外呼按鈕，則對應的外呼指示置位，在取消置位時，一層和五層因為只有一種運動方向，因此直接平層后門電機打開就能取消置位。以一層為例，作梯形圖如下所示：
 
圖3.7  一層外呼上指示置位與復位
而二、三、四層則不同，因為這三層均有兩種運動方向，只有電梯運動方向與外呼運動方向相同時，才能取消置位。以二層外呼為例，梯形圖如下所示：
 
圖3.8  二層外呼指示置位與復位
其中“二層上”、“二層下”條件的梯形圖如下所示：
 
 
圖3.9  二層上行、下行條件

 

結論

在本次畢業(yè)設計中，我通過查閱與課題有關的技術參考資料，了解與此有關的應用技術與發(fā)展現(xiàn)狀，同時學習掌握西門子公司PLC的編程調試方法與技術，在此基礎上設計并完成了用西門子PLC控制五層電梯系統(tǒng)的硬件和軟件，給出系統(tǒng)硬件的整體設計的說明，以及軟件的總體設計構思，并編寫相應的梯形圖軟件。
畢業(yè)設計是大學學習階段的一次非常難得的理論與實踐相結合的機會，通過這次獨立地較為完整的設計出電梯PLC控制系統(tǒng)，我擺脫了單純的理論學習狀態(tài)。通過實際的軟、硬件設計與選擇，鍛煉了我綜合運用所學專業(yè)基礎知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高了我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及專業(yè)文獻翻譯等其他方面的能力水平。通過與王耿芳指導老師的溝通與交流，我了解到許多PLC的實際運用知識，硬件設備的選用方法等，讓我的綜合能力得到了提高。這一次的畢業(yè)設計使我得到了寶貴的實際設計經(jīng)驗，使我能夠更好的把理論與實踐結合起來，再未來的工作中表現(xiàn)出更好的自主學習能力和靈活應變能力。
順利如期的完成本次畢業(yè)設計給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識的同時也對本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心。但在此次畢業(yè)設計中，我還有一些未能完成遺憾。由于能力所限，我僅僅運用PLC實現(xiàn)了電梯最基本的運動控制功能，在實際運行中還存在一些不足，例如沒有考慮到電梯的舒適性，電梯轎廂以及轎廂門、廳門的運行速度只有一個設定值，沒有運用變頻器對電機進行調速，造成在實際運用中乘坐人員舒適度的降低，這也是我進一步需要努力和加強的地方。發(fā)現(xiàn)問題，面對問題，才有可能解決問題。不足和遺憾不會給我打擊只會更好的鞭策我前行，今后我更會關注新技術新設備新工藝的出現(xiàn)，并爭取盡快的掌握這些先進的知識，更好的為社會做出應有的貢獻，為祖國的四化服務。
 
參考文獻

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〔4〕高鐘毓，《機電控制工程》，2002，第二版，清華大學出版社，。
〔5〕齊占慶等，《電氣控制技術》，2002，機械工業(yè)出版社。
〔6〕程子華，《PLC原理與編程實例分析》，2007，第一版，國防工業(yè)出版社。
〔7〕何波等，《電氣控制與PLC應用》，2008，第一版，中國電力出版社。
〔8〕張浩風，《PLC梯形圖設計方法與應用實例》，2008，第一版，機械工業(yè)出版社。

 
致謝

長達數(shù)月的畢業(yè)設計終于結束了，回想整個做畢業(yè)設計的經(jīng)歷，是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，努力汲取新知識來豐富自己的過程，讓我覺得分外充實。此次畢業(yè)設計不僅讓我對PLC和組態(tài)軟件有的更深一步的了解，同時也增加了自己的動手實踐能力，為以后的工作打下了基礎。可以說畢業(yè)設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。
首先，我要感謝培育了我思念的學校，是她讓我在大學生活中不僅學到了學業(yè)上的知識，也學到了為人處事的道理，讓我的學識和思想都更加成熟，為以后的學習、工作、生活奠定了基礎。
本次畢業(yè)設計是在我的指導老師王耿芳的悉心指導下完成的。從論文的選題到論文的完成，無不傾注著老師辛勤的汗水和心血。王老師的嚴謹治學態(tài)度、淵博的知識、無私的奉獻精神使我受益匪淺。在此，我要向我的指導老師致以最衷心的感謝，感謝老師的選題能讓我在這次畢業(yè)設計中可以學以致用，接觸到實際應用中的知識。同時，我在這里還要感謝我們組的成員虞倩、張擎柱，他們也在畢業(yè)設計方面給予了我很多幫助和關心。
最后，向所有關心和幫助過我的領導、老師、同學和朋友表示由衷的謝意!