基于PLC的电梯自动控制系统设计_毕业设计论文

海南大学
毕业论文（设计）
题目：电梯自动控制系统的设计
学院：机电工程学院
系别：电气工程系
专业：电气工程及其自动化
完成日期：2013年 5 月10日
摘要
随着经济的发展，现代城市中的高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活必不可少的工具。

而电梯性能的好坏，除了电机等硬件以外，电梯控制系统是其核心因素。

目前电梯控制系统主要有三种控制方式：继电器控制系统、PLC 控制系统、微机控制系统。

继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。

微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差、系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。

实践表明可编程序控制器对电梯进行控制优于传统的继电器控制，其性能有很大改善。

因此，本设计采用可编程序控制器实现对五层电梯的自动控制。

论文内容主要包括对电梯发展和可编程序控制器的介绍，电梯系统软硬件设计，控制系统的程序编制和仿真。

结果表明，该方案切实可行。

关键词:可编程序控制器；电梯自动控制；仿真
Abstract
Along with the economic development, increasing number of high-rise buildings in the modern city, elevators become an indispensable tool of daily living. And lift performance for better or worse, in addition to hardware such as motor, the elevator control system is its core elements. At present there are mainly three kinds of control methods of the elevator control system: relays, PLC control system the control system, computer controlled systems. Relay control system because of the high failure rate inflexibility, poor reliability, control methods, as well as disadvantages, such as power consumption, is now gradually being phased out. Microcomputer control system for intelligent control with strong features, but there is also poor immunity, complex system design, technical defects such as general staff it is difficult to control their maintenance. Practice shows that the programmable logic controller of the elevator control than traditional relay control, its performance has improved substantially. Therefore, this design using programmable controller to realize the automatic control of five-story elevator. Content of the paper included the elevator development and introduction to programmable logic controllers, system hardware and software design, programming and simulation of control system. Results show that the programme is practical.
Keywords: Programmable controller; elevators control; simulation
目录
1.引言 (1)
2.电梯技术简介 (1)
2.1.电梯的定义及发展历程 (1)
2.2.电梯的分类 (2)
2.3.电梯技术的研究现状及发展趋势 (4)
3. PLC的基本概念 (5)
3.1. PLC的由来 (5)
3.2. PLC的定义 (5)
3.3. PLC的特点 (6)
3.4. PLC的结构及工作原理 (7)
3.4.1. PLC结构 (7)
3.4.2. PLC工作原理 (8)
3.5. PLC控制系统与其他控制系统的比较 (9)
3.5.1. PLC与微机控制系统的比较 (9)
3.5.2. PLC与继电器控制系统的比较 (10)
4.电梯的控制系统 (11)
4.1.电梯的工作原理 (11)
4.2电梯的机械系统 (11)
4.3 电梯电气控制系统 (12)
5.电梯的PLC控制系统 (14)
5.1.电梯的PLC控制系统的硬件组成 (14)
5.2.电梯的控制要求 (14)
5.3.电梯PLC控制系统设计 (14)
5.4. PLC的选择 (15)
5.5.电梯的PLC控制系统梯形图 (16)
5.5.1.开关门环节 (16)
5.5.2.层楼信号的产生与清除环节 (17)
5.5.3.停层信号的登记与清除环节 (18)
5.5.4.外呼信号的登记与清除环节 (18)
5.5.5.电梯的定向环节 (19)
5.5.6.停层过程环节 (19)
5.5.7.停车制动过程环节 (20)
5.5.8.启动加速、稳速运行、停车制动环节 (20)
6.仿真软件的介绍及调试运行 (20)
6.1.仿真软件的介绍 (20)
6.2.软件中梯形图的编写 (21)
6.3.梯形图程序仿真 (23)
总结 (24)
致谢 (25)
参考文献 (26)
附录 (27)
附录1 (27)
附录2 (29)
附录3 (30)
附录4 (31)
附录5 (31)
附录6 (33)
附录7 (34)
附录8 (34)
1.引言
近年来我国的经济飞速发展，人民生活水平的迅速梯高，工作居住条件得到了巨大的改善。

电梯作为建筑物内的垂直交通运输工具，与人们的生活息息相关。

传统的电梯曳引电动机采用接触器来实现电动机工作状态的改变，另外，传统的电梯控制系统由继电器接触器控制逻辑组成，存在着电气元件多、功能弱、电气故障频繁，可靠性差和工作寿命短等缺陷。

可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。

鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被 PLC 控制代替。

这次设计主要完成电梯的PLC控制系统的设计, 可编程序控制器实现电梯控制系统的软件和硬件的设计，以及电梯的可编程序控制器控制方案和可编程序控制器输入、输出信号的确定，并完成电梯的可编程序控制器控制系统的程序设计来实现对电梯的自动控制，还有电力拖动系统的设计。

2.电梯技术简介
2.1.电梯的定义及发展历程
1.电梯的定义
电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备。

它具有一个轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。

它适用于装置在两层以上的建筑内，是输送人员或货物的垂直提升设备。

2.电梯发展历程
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。

(1) 电梯的雏形阶段
1785年英国出现了用蒸汽机驱动的升降机。

1852年制成人类历史上最早的用电动机拖动提升绳索，便轿厢上下运行的
电梯，但结构简单、无导轨，无安全装置，尽供货物运送。

1889年奥的斯公司在纽约试制成功第一台电力拖动涡轮蜗杆减速的电梯，但直流电动机与蜗杆转动直接连接，通过卷筒使轿厢上下运行，速度为0.5m/s。

(2) 现代电梯的发展阶段
1915年在交流感应电动机问世后，电梯的传动设备结构得到了简化，美国成功地设计了自动平层系统以及高速电梯（6m/s）。

1937年电梯采用区分客流最高峰期的自动化控制系统，实现了简易自动化控制。

1949年电梯广泛使用电子技术，设计制造了群控电梯，提高了电梯自动化程度。

1971年开始在电梯上控制系统上应用大规模集成电路。

1989年诞生了第一台直线电动机电梯，它取消了电梯的机房，对电梯的传统技术作了重大创新，它标志着电梯技术进入了一个新的领域。

1990年电梯控制系统由并行信号传输向以串行为主的信号传输过渡，提高了整体系统的可靠性，为实现电梯的群控，智能化和远程监控提供了条件[1]。

2.2.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
乘客电梯, 运送乘客的电梯，有完善的安全设施以及一定的轿内装饰。

载货电梯, 主要为运送货物而设计, 通常有人伴随的电梯。

医用电梯, 为运送病床、担架、医用车而设计的电梯。

杂物电梯, 供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电梯观光电梯, 轿厢壁透明，供乘客观光用的电梯。

车辆电梯, 用作装运车辆的电梯。

船舶电梯, 船舶上使用的电梯。

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
交流电梯，用交流感应电动机作为驱动力的电梯。

直流电梯，用直流电动机作为驱动力的电梯。

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。

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。

直线电机驱动的电梯,其动力源是直线电机。

2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：
低速梯，常指低于1.00m/s速度的电梯。

中速梯，常指速度在1.00～2.00m/s的电梯。

高速梯，常指速度大于2.00m/s的电梯。

超高速，速度超过5.00m/s的电梯。

3按电梯有无司机分类
有司机电梯，电梯的运行方式由专职司机操纵来完成。

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按操纵控制方式分类
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。

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。

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。

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。

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。

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[2]。

2.3.电梯技术的研究现状及发展趋势
我国电梯事业的发展虽起步较晚，但改革的不断深入促进了电梯行业的高速发展，现在无论是在电梯的制造还是使用上，我国已成为世界上的电梯大国。

目前国内市场需要的电梯产品，我国电梯行业几乎全部可以生产，不但大量替代了进口，而且有一定的出口。

国产电梯以其高质量，低成本的优势赢得了越来越多的国内外客户，为逐步进入国际市场创造了有利条件。

中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置，每年销售量己达l万台左右，约占亚洲市场的1/50，一些合资企业在出口创汇方面也做出了贡献。

当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一，世界上有名的几家电梯公司，诸如：美国奥的斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等，其电梯的产量已占世界市场的51％。

其中，奥的斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。

随着科技的进步，电梯也更加安全、舒适。

然而，人们的追求并没有就此停止下来，仍在不断地进行研究改进。

(1)智能化。

智能电梯应更具人性化特点，不仅具有传统的人工智能的所有优点，而且还有传统的人工智能无法比拟的东西，诸如自动选择运动方面，双向语音交流等。

(2)安全。

运行安全是电梯的根本和关键，运行安全不仅要消除电梯启动时较强的电磁辐射，使用安全材料和运行稳定而且要求电梯在运行中发生故障时，要使乘客容易与外界沟通联系，彻底消除产生紧张不安的情绪。

(3)与环境的协调和平衡，包括以下几个方面：
①视觉协调。

色彩宜人，格调高雅，制作精良的电梯，乘客自然会有一种安全的感觉，有一种视觉上的舒适。

②消除电磁辐射。

由于电梯是大楼里频繁起制动的大容量电器是电磁干扰的元凶，所以电梯必须是一个达到自身对大楼电磁干扰最小，而又不被其他电磁干扰影响的建筑机电设备。

③舒适感。

通过采用高载频波矢量静音变频器，可降低噪声变换频率及电压。

以CPU控制电压及频率的连续变换方式，按人体生理适应要求，利用计算机优化设计而成的理想运行曲线，实现更稳定、更舒适的运行。

对现代化电梯性能的衡量，主要着重于可靠性、安全性和乘坐的舒适性。

此外，对经济性、能耗、噪声等级和电磁干扰程度等方面也有相应的要求。

对人在与外界隔离封闭的电梯轿厢内，心理上的压抑感和恐惧感所考虑，提倡对电梯进行人性化装修，比如：轿厢内用镜面不锈钢装潢；电梯、扶梯应与大自然相协调，在扶梯的周围种植花草；在轿厢壁和顶棚装饰某些图案甚至是有变化的图案，并且在色彩调配上要令人赏心悦目；在轿厢内播放优美的音乐，用以减少烦躁等[3]。

3.PLC的基本概念
可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。

为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。

3.1.P LC的由来
在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。

当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。

随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装十分费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。

1969年，美国数字设备公司(DEC) 研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。

这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。

3.2.P LC的定义
PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，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（International Electrical Committee）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。

3.3.PLC的特点
PLC有许多优点，其可概括为以下五点：
（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，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

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。

（2）硬件配套齐全，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，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

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。

（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，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。

（4）系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造
PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

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。

（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 ，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。

它的重量小于150g ，功耗仅数瓦。

3.4. P LC 的结构及工作原理
3.4.1. PLC 结构
可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。

通常由中央处理单元（CPU ）、存储器（RAM 、ROM ）、输出输出单元（I/O ）、电源和编程器等几个部分组成。

1． CPU 运算和控制中心
起“心脏”作用。

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按钮
接触器电磁阀指示灯行程开关
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。

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。

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。

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，提供负载导通的电流和电压。

当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。

4.编程器
编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。

我们实验室使用的就是手持编程器。

另一种是通过PLC的RS232口。

与计算机相连。

然后敲击键盘。

通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。

3.4.2.PLC工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，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，直到遇到结束符后又返回到第一条，如此周而复始不
断循环。

PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。

全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。

当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。

在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

1. 输入处理
输入处理也叫输入采样。

在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。

2. 程序执行
根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。

遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。

从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。

对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。

3. 输出处理
程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。

3.5.P LC控制系统与其他控制系统的比较
3.5.1.PLC与微机控制系统的比较
个人计算机所有很强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，但是它们是为办公室自动化和家庭自动化设计的，对环境的要求很高，抗干扰能力不强，一般不适于在工业现场使用。

微机用于工业控制，还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量很大，要求设计者具有较强的计算机领域的理论知
识和实践经验。

工控机一般是在通用微机的基础上发展起来的，有实时操作系统支持，因此在要求快速、实时性强、功能复杂的领域中占有优势。

但是，其价格高，将它用于开关量的控制以取代继电器系统有写大材小用。

以上各种计算机用于控制的程序一般是用汇编语言编写的，不像可编程序控制器的梯形图语言那样易于被工厂的电气人员掌握。

3.5.2.PLC与继电器控制系统的比较
可编程序控制器与继电器均可用于开关量逻辑控制，但是在工作原理和功能上要明显强于继电器，另外在可靠性和可维护性等其它方面也要优于继电器，下面我们来逐一比较。

(1) 工作原理
继电器控制系统的控制功能是硬件继电器（或称物理继电器）实现的，可编程序控制器的控制功能主要是用软件（即程序）实现的。

(2) 功能
可编程序控制器采用了计算机技术，具有顺序控制、定时、记数、运动控制、数据处理、闭环控制和通信联网等功能。

继电器控制也可以实现顺序控制，但是它的功能有限。

(3) 可靠性和可维护性
继电器系统的可靠性差，复杂的继电系统，其故障的诊断与排除非常困难。

梯形图程序中的输出继电器用软件来实现的，因此没有硬件继电器那样的易于被电弧烧伤而导致接触点不良的缺点。

可编程序控制器的可靠性高，故障率低，容易诊断和排除故障。

(4) 响应速度
继电器的控制是靠触点的机械动作来实现的，使用的继电器越多，反应速度越慢，此外还存在触电动作时间抖动的问题。

4.电梯的控制系统
4.1. 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。

4.2．电梯的机械系统
1.曳引系统
电梯曳引系统的作用是输出动力并且传递动力，从而使电梯完成向上或向下的运动。

曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮及反绳轮等组成。

曳引机是电梯的主要拖动机械，它驱动电梯的轿厢和对重装置作上、下运动，是电梯的动力源。

电梯曳引钢丝绳的两端分别与轿厢和对重装置联接，绳承受着电梯全部悬挂重量，且反复弯曲，承受很高的比压，还要频繁承受电梯起动和制动的冲击。

当钢丝绳的绕绳比大于1时，在轿厢顶和对重架上应增设反绳轮。

反绳轮的个数可以是1个、2个甚至3个，这与曳引比有关。

导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，将曳引钢丝绳引向对重或轿厢的钢丝绳轮，采用复绕型时还可增加曳引能力。

导向轮安装在曳引机架上或承重梁上。

2.导向系统
导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。

它的作用是限制轿厢和对重的活动。