毕业设计方案四层电梯的PLC控制设计方案

毕业设计
题目四层电梯的PLC控制设计系别
专业
班级
姓名
学号
指导教师
日期
设计任务书
设计题目：
四层电梯的PLC控制设计
设计要求:
电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行操纵，其操纵内容为电梯运行方向。

电梯轿厢内设有楼层内选按钮，外面有外选层按钮，用以选择需停靠的楼层。

电梯在上升途中只响应上升呼叫，下降途中只响应下降呼叫。

任何反方向的呼叫均无效。

当电梯轿内或门厅呼叫按钮按下时，根据监测到的上行或下行指令给出相应的信号，从而控制电梯的驱动电机进行相应的动作。

当有多个呼叫信号到达时，执行方式为优先响应电梯运行方向上的信号，再响应另一方向信号。

设计进度要求：
第一周：确定题目，查阅资料。

第二周：根据设计要求分析四层电梯工作原理。

第三周：深入公司进行实践，收集四层电梯的资料。

第四周：对硬件进行设计。

第五周：对软件进行设计。

第六周：进行调试，找出问题，改进设计。

第七周：撰写论文，准备答辩。

指导教师<签名）：
摘要
随着我国经济的高速发展，自动控制技术也得到了迅猛发展，而电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，在工业、商业和民用方面应用已十分广泛，与人们的生活紧密相关。

本文利用西门子S7-200可编程控制器编写的一个四层电梯的控制系统，主要分析并叙述了电梯的控制、运行情况。

目前电梯控制系统主要有三种控制方式：继电器控制系统(早期安装的电梯多继电器控制系统>、PLC控制系统、微机控制系统。

由于PLC具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。

自80年代后期PLC引入我国电梯行业以来，由PLC组成的电梯控制系统被许多电梯制造厂家普遍采用。

在传统继电器系统的改造工程中，PLC系统一直是主流控制系统。

为了改善电梯的舒适感和运行的可靠性，现在都改为用PLC 来控制电梯的运行，这样大大提高了电梯的性能。

本文就是详细介绍PLC的特点及整个设计过程。

关键词：控制系统，电梯，西门子
目录摘要II
1 概述1
1.1可编程控制器(PLC>的产生及定义1
1.2 PLC的分类及特点2
1.3 PLC的工作原理5
1.4 PLC的编程语言6
1.5 PLC在电梯中的应用7
1.6电梯的发展历程8
2 电梯的具体介绍10
2.1电梯的定义及组成10
2.2 电梯的原理11
2.3 电梯的PLC控制系统的功能分析13
2.4 电梯PLC控制系统的解决思路13
3 电梯硬件设计15
3.1 电梯的控制要求15
3.2 PLC输入输出点数的确定16
3.3 PLC机型的选择17
3.4 PLC外部硬件电路的设计18
4 电梯软件设计19
4.1 程序流程图20
4.2 程序梯形图22
致谢27
参考文献28
1 概述
1.1可编程控制器(PLC>的产生及定义
1.1.1 可编程控制器(PLC>的产生
20世纪是人类科学技术迅猛发展的一个世纪，电器控制技术也由继电器控制过渡到计算机控制系统。

各种工业用计算机控制产品的出现，对提高机械设备自动控制性能起到关键的作用。

进入21世纪，各种自动控制产品在向着控制可靠，操作简单，通用性强，价格低廉的方向发展，使自动控制的实现越来越容易。

自动控制装置的研究，是为了最大限度的满足人们及机械设备的要求。

曾一度在控制领域占主导地位的继电器控制系统，存在着控制能力弱，可靠性低的缺点，并且设备的固定接线控制装置不利于产品的更新换代。

20世纪60年代末期，在技术浪潮的冲击下，为使汽车结构及外型不断改进，品种不断增加，需要经常变更生产工艺。

这就希望在控制成本的前提下，尽可能缩短产品的更新换代周期，以满足生产的需求，使企业在激烈的市场竞争中取胜。

美国通用汽车公司(GM>1986年提出了汽车装配生产线改造工程控制器的十项指标，即新一代控制器应具备的10项指标：<1）编程简单，可在现场修改和调试程序；
<2）维护方便，采用插入式模块结构；
<3）可靠性高于继电器控制系统；
<4）体积小于继电器控制柜；
<5）能与管理中心计算机系统进行通信；
<6）成本可与继电器控制系统相竞争；
<7）输入量是115V交流电压<美国电网电压110）；
<8）输出量是115V，输出电流在2A，能直接驱动电磁阀；
<9）系统扩展时，原系统只需作很小改动；
<10）用户程序存储器容量至少4KB。

1969年，美国数字设备公司(DEC>首先研制出第一台符合要求的控制器，及可编程逻辑控制器，并在美国GE公司的汽车自动装置上试用成功。

此后，这项研究技术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到全世界。

我国从1976年开始研制，1977年应用于工业控制。

目前世界上已有数百家厂商生产可编程控制器，型号多达数百种。

1.1.2 可编程控制器(PLC>的定义
IEC在1987年对可编程控制器(PLC>下的定义是：
可编程控制器(PLC>是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑计算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

由上述定义可见，PLC是工业专用计算机，这种计算机采用面向用户的指令，因而编程方便。

它能完成“逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作”，还具有“数字量,模拟量输入/输出控制”的能力。

并且容易与“工业控制系统连为一体”，易于扩充。

因而可以说PLC是近乎理想的工业控制计算机。

1.2 PLC的分类及特点
1.2.1 PLC的分类
目前，可编程控制器(PLC>产品种类很多，型号和规格也不统一。

通常只能按照其用途、功能、结构、点数等进行大致分类。

<1）按点数和功能分类
可编程控制器用于对外部设备的控制，外部信号的输入及PLC运算结果的输出都要通过PLC输入，输出端子来进行接线，输入输出端子的数目之和被称作PLC的输入，输出点数，简称I/O点数。

为满足不同控制系统处理信息量的需求，PLC具有不同的I/O点数、用户程序存储量和控制功能。

由I/O点数的多少可将PLC分成小型，中型和大型。

小型PLC的I/O点数小于256点，以开关量控制为主，具有体积小，价格低的优点。

适合小型设备的控制。

中型PLC的I/O点数在256—1024之间，功能比较丰富，兼有开关量和模拟量的控制能力，适用于较复杂的逻辑控制和闭环过程控制。

大型PLC的I/O点数在1024点以上，用于大规模过程控制，集散式控制和工厂自动化网络。

各厂家可编程控制器产品的自我定义的大、中、小各有不同。

如有的厂家建议小型PLC为512点一下，中型PLC为512—2048点，大型PLC在2048点以上。

<2）按结构形式分类
根据结构形式不同，可编程逻辑控制器可分为整体式和模块式结构两大类。

小型PLC一般采用整体式结构，即将所有电路安装于1个箱内为基本单元，另外可以通过并行接口电路连接I/O扩展单元。

中型以上PLC多采用模块式，不同功能的模块，可以组成不同用途的PLC，适用于不同要求的控制系统。

<3）按用途分类
根据可编程控制器的用途，PLC可分为通用性和专用型两大类。

通用型PLC作为标准装置，可供各类工业控制系统选用。

专用型PLC是专门为某类控制系统设计的，由于其专用，结构设计更为合理，控制性能更完善。

随着可编程控制器应用的逐步普及，专为家庭自动化设计的超小型PLC也正在形成家用微型系列。

1.2.2 PLC的特点
PLC能如此迅速发展，除了工业自动化的客观需求外，还因为他具有许多独特的优点。

他较好得解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。

以下是其主要特点:<1）可靠性高、抗干扰能力强。

<2）编程简单使用方便。

<3）接线简单通用性好。

<4）可连接为控制网络系统。

<5）维修工作量小，维修方便。

<6）体积小、耗能低。

<1）硬件的可靠及抗干扰能力
可编程控制是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制系统和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。

它具有体积小、功能强、灵活通用与维修方便等一系列的优点。

特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。

因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业的三大支柱之一。

一个设计良好的PLC能用于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。

PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部件及外部设备组成。

各部分之间通过内部系统总线进行连接。

CPU是PLC的核心部分，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作，它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。

PLC的对外功能主要是通过各类接口模块，实现对工业设备和生产过程的检测和控制。

PLC的电源一般采用
开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好。

一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。

<2）编程简单，使用方便
用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。

PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。

例如，目前大多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。

<3）接线简单，通用性好
PLC的接线只需将输入信号的设备<按钮、开关等）与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件<接触器、电磁阀等）与PLC输出端子连接。

接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。

PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。

这种性能使PLC具有很高的经济效益。

用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用。

<4）可连接为控制网络系统
PLC可连成功能很强的网络系统。

网络可分为两类：一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为500—2500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M—10Mbps，传输距离为500—1000m，网上结点可达1024个。

这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。

<5）易于安装，便于维护
PLC安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到PLC系统的情况下，PLC小型模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。

在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。

长距离站通过同轴电缆双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。

从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。

由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。

PLC的这些及其它特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。

一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。

1.3 PLC的工作原理
PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式。

PLC则采用循环扫描工作方式。

在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。

如此周而复始不断循环。

每一个循环称为一个扫描周期。

所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC 中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。

这实际是将输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I<输入）/O(输出> 刷新”。

由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出输入产生了响应。

反之，若在本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。

由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。

扫描周期的长短主要取决于这几个因数：一是CPU执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。

对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。

因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减
少，故增加了抗干扰能力。

但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就需慎重考虑。

应对响应时做出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。

1.4 PLC的编程语言
PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。

PLC提供的编程语言通常有以下几种：梯形图、指令表、功能图和功能块图。

<1）梯形图(LAD>
梯形图(LAD>编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。

PLC梯形图与继电器控制系统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。

梯形图的一个关键概念是“能流”(Power Flow>。

如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。

如没有，则线圈未被激励。

“能流”以通过被激励(ON>的常开接点和未被激励(OFF>的常闭接点自左向右流。

“能流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。

在梯形图中，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按钮、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如灯、电机接触器、中间继电器等。

对S7—200 的PLC来说，还有一种输出“盒”，它代表附加的指令，如定时器、计数器和功能指令等。

梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。

<2）指令表(STL>
指令表(STL>编程语言类似于计算机中的助记符语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。

所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。

<3）顺序功能流程图(SFC>
顺序功能流程图(SFC>编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。

使用它可以对具有选择等复杂结构的系统进行编程，许多PLC都提供了用于SFC编程的指令。

<4）功能块图(FBD>
S7—200的PLC专门提供了FBD编程语言，利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令。

它没有梯形图编程器中的触点和线圈，但有与之等价的指令，这些指
令是作为盒指令出现的，程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定。

也就是说，一个指令(例如AND盒>的输出可以允许另一条指令(例如定时器>，这样可以建立所需要的控制逻辑。

这样的连接思想可以解决范围广泛的逻辑问题。

FBD编程语言有利于程序流的跟踪，但在目前使用较少。

在编程语言的选择上，具体是用梯形图编程还是语句表编程或使用功能图编程，这主要取决于以下几点：
<1）有些PLC使用梯形图编程不是很方便，则可用语句表编程，但梯形图比语句表直观。

<2）经验丰富的人员可用语句表直接编程，就像使用汇编语言一样。

本设计中，选择用梯形图作为编程语言。

1.5 PLC在电梯中的应用
随着科技的发展，工业控制的自动化程度不断提高，以微处理器为核心组成的可编程序控制器<PLC）得到了广泛的应用。

很多工厂的生产流水线、加工设备、船舶上货物的装卸装置、电梯的运行等都由PLC控制，只要把预定的控制任务编成程序，用一串指令的形式存放到存储器中，然后根据各种指令，经过模拟量、数字量等输入输出部件对生产过程和设备进行控制。

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,在电梯行业中也迅速发展。

S7—200可编程控制器是德国西门子公司研制的一种新型可编程控制器。

它工作可靠，功能强，存储容量大，编程方便，输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈，抗干扰能力强。

因此，能够满足电梯对电气控制系统的要求。

S7-200系列小型PLC(Micro PLC>可应用于各种自动化系统。

紧凑的结构,低廉的成本及功能强大的指令集使得S7—200 PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。

利用西门子S7—200可编程序控制器编写一个四层电梯的控制系统。

分别完成轿内指令、厅外召唤指令、楼层位置指示、平层换速控制、开门控制等控制任务。

PLC在电梯中的应用也已很成熟。

PLC作为主控制器，一方面要采集电梯的各种输入信号，包括电梯的位置、状态、内外指令的按钮信号、门锁信号、门区信号、井道内的强迫减速信号、防冲信号以及消防信号等。

另一方面要把采集到的信号进行计算
和处理给出电梯的楼层信号和速度信号，并驱动相应的开关门信号、方向继电器和抱闸继电器，以控制电梯的运行。

我们利用PLC内的条件跳转和主控指令，把对电梯的控制程序划分为几个程序段：检修控制、正常加速和稳速段、减速爬行段、以及开关门阶段。

当给电梯送电时，PLC就开始扫描电梯的所有输入、输出信号，检测电梯的安全回路是否接通、厅门轿门是否关闭、电梯处在何种状态。

正常自动状态时，PLC检测门锁是否接通，若门锁不通则给出关门信号，控制电梯关门；当门锁接通时，进入待机状态，此时收到指令信号电梯即起动。

1.6电梯的发展历程
人类利用升降工具运输货物、人员的历史非常悠久。

早在公元前2600年，埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统，这套系统的基本原理至今仍无变化：即一个平衡物下降的同时，负载平台上升。

早期的升降工具基本以人力为动力。

1203年，在法国海岸边的一个修道院里安装了一台以驴子为动力的起重机，这才结束了用人力运送重物的历史。

英国科学家瓦特发明蒸汽机后，起重机装置开始采用蒸汽为动力。

紧随其后，威廉·汤姆逊研制出用液压驱动的升降梯，液压的介质是水。

在这些升降梯的基础上，一代又一代富有创新精神的工程师们在不断改进升降梯的技术。

然而，一个关键的安全问题始终没有得到解决，那就是一旦升降梯拉升缆绳发生断裂时，负载平台就一定会发生坠毁事故。

如今，世界各大著名电梯公司各展风姿，不断进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。

调频门控，智能远程监控，主机节能，控制柜低噪音耐用，复合钢带环保——一款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，让冷冰冰的建筑散发出人性的光辉，也让人们的生活变得更加美好。

据悉，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·奥的斯第一次向世人展示了他的发明。

他站在装满货物的升降梯平台上，命令助手将平台拉升到观众都能看得到的高度，然后发出信号，令助手用利斧砍断了升降机的提拉缆绳。

令人惊讶的是，升降机并没有坠毁，而是牢牢地固定在半空中——奥的斯先生发明的升降梯安全装置发挥了作用。

“一切安全，先生们,”站在升降机平台上的奥的斯先生向周围观看的人们挥手致意。

谁也不会想到，这是人类历史上第一部安全升降梯。

中国最早的一部电梯出现在上海，并且由美国奥的斯公司于1901年安装。

1932年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着。

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，四个月后不辱使命，顺利地完成了任务。

十一届三中全会后，沐浴着改革开放的春风，我国电梯业进入了高速发展的时期。

如今，在我国任何一个城市，电梯都得到了广泛的应用。

电梯给人们的生活带来了便利，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。

随着我国经济的高速发展，自动控制技术也得到了迅猛发展，而电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，在工业、商业和民用方面应用已十分广泛，与人们的生活紧密相关,所以，电梯行业在当代社会也是一个备受关注的行业。

2 电梯的具体介绍
2.1电梯的定义及组成
2.1.1 电梯的定义
一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。

也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。

服务于规定楼层的固定式升降设备。

它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。

轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。

习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。

按额定速度又可分为低速电梯<1M／秒以下）、快速电梯(1～2M／秒>和高速电梯(2M／秒以上>3种。

19世纪中期开始采用液压电梯，至今仍在低层建筑物上应用。

1852年，美国的E.G.奥蒂斯研制出钢丝绳提升的安全升降机。

80年代，驱动装置有进一步改进，如电动机通过蜗杆传动带动缠绕卷筒、采用平衡重等。

19世纪末，采用了摩擦轮传动，大大增加了电梯的提升高度。

2.1.2 电梯的组成及功能
现代电梯主要由曳引机<绞车）、导轨、对重装置、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等>、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。

这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。

通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，。