毕业设计三层电梯PLC控制系统设计

摘要
随着科学技术和社会经济的发展，高层建筑已成为现代城市的标志。

电梯作为垂直运输工具，承载着大量的人流和物流的输送，在建筑物中起着至关重要的作用。

采用可编程控制器对电梯进行控制，通过合理的选择和设计，能够有效地提高电梯的控制水平，使电梯的控制达到比较理想的控制效果。

本文设计一个三层电梯控制系统，基于西门子S7-200PLC实现。

在介绍电梯结构的基础上，重点分析了三层电梯的控制要求以及电梯控制系统设计中如何用PLC实现控制系统，编制梯形图，并完成程序的调试，利用QSPLC-III型实验装置的电梯模块对三层电梯控制系统进行仿真实验。

关键词：电梯西门子可编程控制器调试仿真实验
Abstract
With the development of science and technology and social economy development,high-rise buildings have become the hallmark of modern cities.As a vertical transportation equipment,a lot of people bear the transportantion and logistics,its role a very important part in building . Using Programmable Controller totrol the elevater .can improve the reliability and enable the elevator control to achieve an ideal effect, through the reasonable selection and design.So the effect of control is more ideal.
This paper use Siemens S7-200 PLC to design a 3-storied elevator control system.Based on the introduction of the elevater's basic structure，expatiates the control request of elevator and analyzes how to use the PLC to program controlling process,edit ladder diagram and debug the program,And use the elvator module on QSPLC-III experimental equipment to do simulation experiment.
Keywords:Elevator Siemens PLC Debug simulation experiment
目录
第1章绪论 (1)
1.1 设计背景 (1)
1.2 PLC在电梯控制系统中的重要意义 (1)
1.3 电梯技术发展前景 (3)
1.4 论文的主要容 (4)
第2章电梯控制系统概述 (4)
2.1 电梯的起源与发展 (4)
2.2 电梯的结构和组成 (6)
2.3 电梯的保护装置 (8)
2.4 电梯的工作原理 (9)
第3章PLC简介 (9)
3.1 PLC的产生与发展 (9)
3.2 PLC的用途及特点 (13)
3.3 PLC的硬件组成 (15)
3.4 PLC的工作原理 (18)
第4章控制系统总体设计 (20)
4.1 控制要求分析 (20)
4.2 硬件设计 (20)
4.3 软件设计 (26)
第5章控制系统仿真 (33)
5.1 编程软件简介 (33)
5.2 实验装置简介 (35)
5.3 程序的编辑 (38)
5.4 程序的调试 (38)
5.5 控制系统仿真 (39)
结论 (41)
致 (42)
参考文献 (43)
第1章绪论
1.1 设计背景
随着科学技术的迅猛发展、城市现代化的突飞猛进，电梯作为一种高效、迅捷、安全、可靠的垂直运输设备，成为人们不可缺少的运输工具。

现代高层建筑中各大办公楼、住宅、医院、工矿企业、仓库、码头、大型货轮等都离不开电梯。

据统计，在美国乘坐其他交通工具的人数每年约为80亿人次，而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。

电梯服务于中国已有100多年的历史，特别是在改革开放后，我国电梯的使用数量快速增长。

尤其是现阶段，随着经济日新月异的发展，人们生活水平的不断提高、城市的高层建筑不断增多，与此相应电梯业也得到迅猛发展。

现在电梯已完全融入我们的生产、生活中，满足人们生活、工作及学习的需要。

据统计，我国的在用电梯已达40多万台，每年还以约5~6万台的速度增长。

电梯的作用越来越显著，电梯的需求越来越大。

而目前我国使用的先进的电梯的系统基本上都是国外设计制造的，其核心技术并不公开。

国具有自主知识产权的控制方法和技术在实际中的应用还比较少，与国外先进技术相比还有较大的差距。

尽快研究和掌握先进的控制技术，对国电梯工业的发展有很大的作用。

1.2 PLC在电梯控制系统中的重要意义
早期的电梯自动控制系统中，信号的逻辑控制一般是由继电器一接触器电路来实现。

由于继电器、接触器都是有触点的电气元件，体积庞大，弧光放电较
严重，使用寿命有限；在电梯这种较复杂控制系统中可靠性不高，施工过程中接线复杂，当控制要求改变时必须改变硬件接线，使得通用性和灵活性不够，生产周期加长；另外，继电器、接触器触点数目有限，可扩展性较差；继电器一接触器控制系统依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低且机械触点还会出现抖动问题；继电器控制逻辑一般不具备计数功能：同时随着楼宇层数的增加，继电器一接触器控制系统过于庞大，给设计带来不便。

基于以上多种原因，导致电梯控制系统的工艺性、运行的可靠性与安全性降低，故目前己被逐步淘汰。

目前电梯的控制普遍采用两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能。

微机控制是电梯控制技术的发展方向，目前已有一些由微机控制的电梯新机型相继推出，使控制功能得到增强，性能得到改善。

微机控制系统虽然在智能控制方面有较强大的功能，但也存在一定的不足之处，一方面微机控制抗干扰能力较差、系统设计较复杂、一般维修人员难以掌握其维修技术，另一方面专门设计和制造微机控制装置，一次性成本较高。

这些都限制了微机控制系统应用的普及。

第二种控制方式用可编程控制器(PLC)取代微机实现信号集选控制。

目前，在国，
对于一个中、小型的电梯控制系统，大多采用PLC控制，主要原因在于当规模较小时，用PLC控制可以降低因专门设计和制造微机控制装置的成本，且PLC具有编程简单；控制运行可靠性高，抗干扰能力强；通用性好、功能强大；开发周期短；体积小，使用方便，可扩展性强；成本低，维护方便以及强大的网络通讯功能等优点，因此成为现代楼宇中、小型电梯控制系统的主流。

同时，由
于历史原因，我国目前还存在着相当数量的由继电器一接触器系统控制的老式电梯，这些电梯的PLC技术改造也是当前我国电梯控制的热点。

因此，PLC控制在我国电梯行业有着广泛运用。

1.3 电梯技术发展前景
纵观我国电梯行业的发展历程，从改革开放到今天，电梯行业在不知不觉中走过了一个从无到有，从有到多，从多到精的发展历程。

随着住宅市场的巨大变化，中国已经成为全球容量最大、增长最快的电梯市场。

这就必然会使电梯技术不断的发展更新。

(1)结构不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化。

随着新技术、新结构、新材料、新工艺的发展，电梯的机械系统结构简单化、体积小巧化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。

同时，无机房电梯在今后会有较大的发展。

(2)技术含量更高，性能更好。

电梯行业技术发展非常迅速，现如今具有先进性能，高舒适性的VVVF电梯，已是电梯行业的标准配置；然而，永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更清洁、更安静、更安全、更经济等特点。

所以永磁同步无齿轮曳引机将逐步成为新型曳引机的主流，由于永磁技术的先进性，将来很可能取代VVVF技术。

另外，网络控制和智能群控制系统以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性也是电梯发展的潮流。

(3)安装更方便、快捷。

高效、安全、可重复使用的无手架安装，将是高层电梯安装的主要方式，
随着技术的开发、应用，电梯的硬件系统给安装带来了更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。

1.4 论文的主要容
本文利用可靠性高、功能强大的PLC设计出电梯的控制系统。

主要完成以下几项工作：
(1)分析电梯主要结构、控制要求。

(2)利用PLC实现三层电梯的控制。

其中包括电梯门厅召唤控制、电梯自动相应召唤信号、召唤信号的指示、电梯上下行指示、电梯到站指示控制，本文采用德国西门子(Siemens)公司生产的S7-200型PLC，利用其丰富和功能强大的指令设计出梯形图。

(3)在QSPLC-III型试验台电梯模上块对电梯程序进行调试，进行电梯模拟控制试验。

第2章电梯控制系统概述
2.1 电梯的起源与发展
在科学技术和社会经济高速发展的当代社会，高层建筑已成为现代城市的标志。

电梯作为垂直运输工具，承担者大量的人流和物流的输送，其作用在建筑物中至关重要。

是现代城市生活中必不可少的，且应用最为广泛的垂直交通
工具。

它起源于公元前236年的古希腊。

当时阿基米德设计出一种人流驱动的卷筒式卷扬机，共造三台，安装在妮罗宫殿里。

人们把这三台卷扬机看着是现代电梯的鼻祖。

事实上，早在公元前，我们的祖先和古埃及也都曾使用了这种卷扬机。

继瓦特发明了蒸汽机之后，1850年在美国纽约市出现了世界第一台由亨利·沃特曼制造的以蒸汽机为动力的卷扬机。

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·奥蒂斯第一次向世人展示了他发明的历
史上第一部安全升降梯。

从那以后，升降梯在世界围得到广泛应用。

在此期间，英国的阿姆斯特丹郎发明了水压梯。

随着水压梯的发展，蒸汽机也就被逐渐淘汰。

后来发展为采用油压泵和控制阀的液压梯。

直到今天，液压梯仍在使用。

1889年，美国奥的斯公司制造的有直流电动机通过蜗杆减速器带动卷扬筒卷绕绳索悬挂并升降轿厢的电动升降机，构成了现代电梯的鼻祖。

为了解决乘客乘坐电梯的安全性和舒适感方面的问题，1892年，美国亨利·华特·列昂那德发明了用调节电动机磁场来调速的电动机——发电机电力驱动系统，使直流升降机的电力拖动构造有了极大的发展。

1900年，交流感应电动机被用于电梯驱动以后。

进一步简化了电梯的传动设备。

以后由交流单速电动机发展到交流双速感应电动机。

1903年，美国奥的斯在电梯传动机构中采用了曳引驱动代替卷筒方式，提高了电梯传动机械的通用性，同时也制造了有齿轮曳引高速电梯。

这种电梯减少了传动设备，增强了安全性能，成为目前电梯曳引传动的基本构造形式。

在电梯控制技术方面，1949年开始应用电子技术，以后出现了电子器件与信息处理的分区控制系统，再以后发展到大规模集成电路。

2.2 电梯的结构和组成
2.2.1 电梯的结构
电梯的主要机械部件有：轿厢、电梯门、开关门机构、层门门锁和机械安全装置。

在电梯中限速器，安全钳装置时十分重要的机械安全保护装置。

它的作用在于：因机械或电气出现的某种原因，例如因断绳或失控电梯超速下降，当下降速度达到一定限值时，将电梯擎停在导轨上。

限速器或安全钳都不能单独的完成上述任务，只有靠二者的配合动作来完成对电梯出现紧急情况的保护。

2.2.2 电梯的组成
电梯是机电一体化装置，其机械部分由曳引系统、轿厢和门系统、平衡系统、导向系统和机械安全保护装置组成，而电气控制部分由电力拖动系统、运行逻辑功能控制系统和电气安全保护系统等组成。

(1)曳引系统：电梯曳引曳系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。

主要由曳引机，曳引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。

曳引机为电梯的运行提供动力，由电动机，曳引轮，连轴器，减速箱，和电磁制动器组成。

曳引钢丝的两端分别连轿厢和对重，依靠钢丝绳和曳引轮之间的摩擦来驱动轿厢升降。

导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型还可以增加曳引力。

(2)导向系统：导向系统由导轨，导靴和导轨架组成。

它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。

(3)门系统：门系统有轿厢门，层门，开门，连动机构等组成。

轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门导轨架等组成，层门设在层站入口处。

开门电机机设在轿厢上，是轿厢和层门的动力源。

(4)轿厢：轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件。

它是有轿厢架和轿厢体组成的。

轿厢架是轿厢体的承重机构，由横梁，立柱，底梁，和斜拉杆等组成。

轿厢体由厢底，轿厢壁，轿厢顶以及照明通风装置，轿厢装饰件和轿厢操纵按钮板等组成。

轿厢体空间的大小由额定载重量和额定客人数决定。

(5)重量平衡系：重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。

对重由对重架和对重块组成。

对重将平衡轿厢自重和部分额定载重。

重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯的平衡设计影响的装置。

(6)电力拖动系统：电力拖动系统由曳引电机，供电系统，速度反馈装置，调速装置等组成，它的作用是对电梯进行速度控制。

曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或者直流电机。

供电系统是为电机提供电源的装置。

速度反馈系统是为调速系统提供电梯运行速度信号。

一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。

调速装置对曳引电机进行速度控制。

(7)电气控制系统：电梯的电气控制系统由控制装置，操纵装置，平层装置，和位置显示装置等部分组成。

其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求，控制电梯的运行，设置在机房中的控制柜上。

操纵装置是由轿厢的按钮箱和厅门的召唤箱按钮来操纵电梯的运行的。

平层装置是发出平层控制信号，使电梯轿厢准确平层的控制装置。

所谓平层，是指轿厢在接近某一楼层的停靠站时，欲使轿厢地坎与厅门地坎达到同一地平面的操作。

位置显示装置是用来显示电梯所在楼层位置的轿和厅门的指示灯，厅门指示灯还用尖头指示电梯的运行方向。

(8)安全保护系统：安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全的使用。

机械方面的有：限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断总电源的极限保护装置。

电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节中都有体现。

2.3 电梯的保护装置
(1)电磁制动器：装于曳引机柱上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层时断电制动。

(2)强迫减速开关：分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站还未减速时，轿厢上撞块就启动此开关，通过电气传动装置，使电动机强迫减速。

(3)限位开关：当电梯轿厢开到顶或底,就会碰到此开关不能继续向前运行,只能反方向运行。

(4)行程极限保护开关：当限位开关不起作用时，轿厢经过端站时，此开关动作。

(5)急停按钮：装于轿厢司机控制操纵盘上，当发生异常情况时按此按钮切断电源，电磁制动器制动，电梯紧急停车。

(6)厅门开关：每个厅门都装有门锁开关；仅当厅门关闭时电梯才动作，在运行中如厅门开关断开，电梯立即停车。

(7)关门安全开关：常见的是装在轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安全触板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门。

(8)超载开关：当超载时轿底下降开关动作，电梯不能关门和运行。

(9)其他开关：安全窗开关、钢带轮的断带开关等。

(10)报警和救援装置：电梯发生人员被困在轿厢时，通过报警或通信装置应能将情况及时通知管理人员并通过救援装置将人员安全救出轿厢。

2.4 电梯的工作原理
当曳引机组的曳引轮旋转时，依靠嵌在曳引轮槽中的钢丝绳与曳引槽之间的摩擦力，驱动钢丝绳来升降轿厢，曳引钢丝绳一端挂着轿厢，另一端悬挂对重，具体图形见下图：
曳引轮
曳引钢丝
轿厢
图2-1 电梯工作原理图
如图，电梯的轿厢和对重通过曳引钢丝相连。

而电梯的曳引电机转动时带动曳引轮转动，从而牵引曳引钢丝来拖动电梯的轿厢。

曳引电机正转是电梯上行，反转时电梯下行。

第3章PLC简介
3.1 PLC的产生与发展
可编程控制器(Programmable Controller,PC),早期主要用于计数、定时以及开关量的逻辑控制，为了和个人计算机(Person Computer)相区别。

把可编程
控制器缩写为PLC(Programmable Logic Controller)。

在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛的用于工业生产的各个领域，继电器控制系统通常可以看承由输入电路，控制电路，输出电路和生产现场这4个部分组成的。

其中输入电路也是由按钮，行程开关，限位开关，传感器等构成。

用已向系统送入控制信号。

输出电路部分是由接触器，电磁阀等执行元件构成，用以控制各种被控制对象，如电动机，电炉，阀门等。

继电器控制电路部分是控制系统的核心部分。

它通过导线将各个分立的继电器，电子元器件连接起来对工业现场实施控制；生产现场是指被控制的对象(如电动机等)或生产过程。

继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用，随着生产规模的逐步扩大，市场经济竞争日趋激烈，继电器控制系统已越来越难以适应，因为继电器控制电路通常是针对着某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。

它的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制，定时，计数等这样一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须进行重新设计，布线，装配，和调试。

显然，这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。

这就迫使人们要放弃原来已占统治地位的继电器控制系统，研制可以替代继电器控制系统的新型的工业控制系统。

出于上述考虑，美国通用汽车公司(GM)于1968年提出了公开招标研制新型的工业控制器的设想，第二年，即1969年美国数字设备公司(DEC)就研制出了世界上第一台可编程序控制器。

在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算，定时，计数等顺序控制功能。

所以人们将可遍程序控制器称之为PLC(Programmable Logical
Controller)，即可编程序逻辑控制器：
20世纪70年代末80年代初，微处理器技术日趋成熟，使可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊，如浮点运算，函数运算，查表等。

这样可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，还可以对模拟量进行控制。

因此，美国电气制造协会NEMA(National Electrical Manufacturers Association)将之正式命名为PC(Programmable Controller)。

值得注意的是，因为个人计算机的简称也是PC(Personal Computer)，有时为了避免混淆，人们习惯上仍将可编程序控制器简称PLC(尽管这是早期的名称)。

本书采用PLC的称呼。

20世纪80年代后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以16位和32位微处理器够成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使之在概念上，设计上，性能价格比等方面有了重大突破。

可编程序具有了高速计数，中断技术，PID 控制等功能，同时联网通信功能也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用围和领域不断扩大。

为了使这一新型的工业控制装置的生产和发展规化。

国际电工委员会(IEC)制定了PLC的标准，并给出了它的定义。

“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其部储存执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等才操作，并通过数字式，模拟式的输入与输出，控制各类的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则设计。

”
综上所述，PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。

这种装置具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较
强的适应恶劣工业环境的能力，得到了用户的公认和好评。

他经过短短的几十年发展后，现在已成为现代工业控制的三大支柱之一，被广泛地应用于机械，冶金，化工交通，电力等领域中。

以PLC作为控制器的PLC控制系统是从根本上改变了传统的继电器控制系统的工业原理和方式。

继电器控制系统是控制功能是通过采用硬件接线的方式来实现的，而PLC控制系统的控制功能是通过存储程序来实现的，不仅可以实现开关量控制，还可以进行模拟量控制，顺序控制。

另外，它的定时和计数功能也远比继电器控制系统强很多，一般可以为用户提供几十个甚至上百个定时器，计数器。

随着计算机和通信几刷的发展，现代PLC控制系统已远不是几十年前的哪个样子，PLC的控制从早期的单机控制发展到多机控制，实现了工厂自动化。

尽管现在的PLC控制系统已发生了很大的变化，但是从自动控制的角度来看，PLC控制系统与传统的继电器系统在结构上仍有相似之处。

现在以集中型的PLC控制系统为例说明集中型PLC控制系统与继电器控制系统在结构上有那些相同和不同之处，这对初学者理解PLC控制系统的工作原理是有帮助的。

集中型PLC控制系统的结构。

将两种系统相比，就会发现PLC控制系统与继电器控制系统输入，输出部分基本相同，输入电路也是由按钮，开关，传感器所构成：输出电路也好似由接触器，执行器，电磁阀多构成的。

不同的是继电器控制系统在控制线路被PLC 中的程序代替，这样一旦生产工艺发生变化，就只需要修改程序就可以了。

正是上述原因，PLC控制系统除了可以完成传统继电器控制系统所具有的全部功能外，还可以实现模拟量控制，开环或闭环过程控制，甚至多级分布式控制。

随着微电子技术的进一步发展，PLC的成本在降低，传统的继电器控制系统被
PLC控制系统代替已是发展的必然趋势。

3.2 PLC的用途及特点
3.2.1 PLC的用途
(1)数字量控制这是PLC应用最广的领域，用以取代传统的继电器控制。

含触点的串、并联及组合逻辑或控制、定时、计数控制等。

PLC可应用于单片机控制、多机群控、生产自动线控制。

其应用领域已遍布各行各业，甚至升入到家庭。

(2)运动控制PLC使用专用运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度运行控制，可实现单轴、双轴、三轴和多轴控制。

使运动控制与逻辑控制结合起来，可编程运动控制可以用于各种机械，如机床、装配机械、机器人、电梯等。

(3)过程控制通过模拟量I/O模块，PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。

PID(Proportional-Integral-Derivative)功能的提供使PLC 具有闭环控制能力，可用于过程控制。

使PLC广泛地应用于塑料成型、加热炉、热处理设备、锅炉及轻化工、冶金、电力等行业。

(4)数据处理现代可编程控制器具有数学运算(含四则运算、函数运算、字逻辑运算、浮点运算及求反、循环、以为等)、数据传送、转换、查表、排序、位操作等工能，可以完成数据的采集及处理。

运算数据可以与参考值比较用于控制，也可以通过通信传送给其他智能装置，或将数据打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如过程控制系统，、无人柔性控制系统等。

(5)通信联网可编程控制器通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可。