五层电梯模型PLC控制系统设计论文

西南科技大学城市学院本科生毕业论文

五层电梯模型PLC控制系统设计

摘要：本毕业设计是五层电梯模型PLC控制系统的设计，电梯不仅是生产环节中的一种重要设备，而且是人们频繁乘用的一种交通运输设备。随着科技的飞速发展，更是给电梯带来了日新月异的变化。本设计采用的是德国西门子S7—200系列的可编程控制器CPU226作为控制核心，与扩充模板EN223和EM222来实现五层楼电梯的控制。主要介绍了电梯的硬件结构、PLC的基本原理、系统的硬件选择、PLC的软件编程以及PLC的软件仿真。设计电梯的主要功能有：开关门的控制、层楼信号的产生与消除、数码管的显示、停层信号的登记与消除、电梯的定向、起动、稳速运行、制动减速、外呼叫信号的登记与消除、停车信号和智能控制。技术上的突破有：本设计大量的节约了PLC接口数量;采用了智能控制模板，提高了电梯的运行效率。

关键字：电梯；控制；系统；信号

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Five elevator model PLC control system design

Abstract:This graduation design is five elevator model PLC control system design, elevator is not only one of the production process, and is an important equipment by the people with frequent a transportation equipment. With the rapid development of science and technology, but also give elevator brought changing. This design USES is Germany Siemens S7-200 series programmable controller CPU226 as control core, and expanded the EN223 and EM222 to realize the template five floors elevator control. Mainly introduces the hardware structure, PLC elevator, the fundamental principles, system hardware choice, PLC software programming and PLC software simulation. Design of main functions are: elevator control, open closed storey signal is produced and eliminate, digital pipe display, stop layer of registration and eliminate, signal of elevator orientation, starting, steady speed operation, braking deceleration, call signs outside the registration and eliminate, parking signal and intelligent control. Technical breakthrough has: this design is a lot of saving a PLC interface quantity; Adopted intelligent control template, improve the operation efficiency of the elevator.

Key Words: Elevator; Control; System; signal

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目 录

第一章概 述 .......................................................... 1

1.1、选题背景 ............................................................... 1 1.2、电梯的定义 ...................................................... 1 1.3 、电梯的分类 ..................................................... 2

1.3.1、按用途分类 ................................................. 2 1.3.2、按电梯的额定速度分类 ............................................ 2 1.3.3、按操作控制方式分类 ........................................ 2 1.4、电梯的结构 ..................................................... 3 第二章PLC的基本原理 ................................................... 5

2.1、PLC的结构原理 ................................................. 5

2.1.1、PLC的硬件系统结构 ........................................ 5 2.1.2、可编程控制 ................................................. 6 2.2、PLC的工作原理 .................................................. 7

2.2.1、PLC的等效工作电路 ........................................ 7 2.2.2、PLC的工作原理 ............................................ 7 2.3、PLC的软件系统 ................................................. 8 2.4、STEP7编程软件的编程语言及其基本指令 ........................... 9

2.4.1、STEP 7编程软件的编程语言 ....................................... 9 2.4.2、STEP 7编程软件的基本指令 ....................................... 9

第三章 电梯系统的设计 ....................................................... 10

3.1、电梯控制系统的构成 .................................................. 10 3.2、电梯控制硬件设计 ..................................................... 11

3.2.1、输入单元 ......................................................... 11 3.2.2、输出单元 ......................................................... 11 3.3、可编程控制器控制电梯系统的硬件选择 ................................. 11

3.3.1、电梯电动机与配重的选择 ......................................... 11 3.3.2、曳引机功率的选择 ............................................... 12 3.3.3、传感器的选择 ................................................... 12 3.3.4、电源的选择 ...................................................... 12 3.4可编程控制器控制电梯软件的选择 ...................................... 12

3.4.1、I/O接口分配 .................................................... 13 3.4.2、主电路 .......................................................... 14 3.4.3、内部继电器分配 ................................................. 14

第四章PLC程序设计及仿真 ................................................... 15

4.1、仿真 .................................................................. 15 4.2、开关门控制程序 ....................................................... 16

4.2.1、执行关门模块 ................................................... 17 4.2.2、执行开门模块 ................................................... 18 4.3 楼层信号的产生与消除 ................................................. 19 4.4 电梯轿厢位置的显示 ................................................... 20

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4.5停车信号的登记与消除 ................................................. 22 4.6电梯的定向 ............................................................. 23 4.7电梯的启动、穏速运行与制动减速 ....................................... 26 4.8外呼叫信号的登记与清除 ............................................... 27 4.9停车信号 ............................................................... 28 4.10智能判断控制 ......................................................... 28 总 结 ...................................................................... 30 致 谢 .................................................................... 31 参考文献 ...................................................................... 32

附录 1 S7—200 CPU226技术参数 ......................................... 33 附录2 红外线传感器参数 ................................................. 33 附录3 交流双速电梯的主电路图 ........................................... 34 附录4 门控电机主电路图 ................................................. 34 附录5 开关门控制梯形图 .................................................. 35 附录6 楼层信号的产生与消除梯形图 ...................................... 37 附录7 七段数码管的显示程序梯形图 ..................................... 38 附录8 停车信号的登记与消除 ............................................ 38 附录9 电梯的定向部分梯形图 ............................................ 39 附录10 电梯的启动、穏速运行与制动减速 ................................ 40 附录11 外呼叫信号的登记与清除 ......................................... 41 附录12 停车部分梯形图 .................................................. 41

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第一章 概 述

1.1选题背景

自1889年美国奥斯升降机公司推出的世界上第一部以电动机为动力的升降机以来，电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程，如今已成为人们进出高层建筑不可缺少的代步工具，因为做为载人工具，人们在运动的平滑性、高速性、准确性和高效性等一系列静态性能方面对它提出了更高的要求。由于早期的电梯上继电器控制方式，存在故障较多、可靠性较差、接线复杂、一旦接受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。可编程序控制器（Programmable Logic Controller ）简称PLC，既保留了继电器控制系统的一些优点，又采用了一种可编程运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入、输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。因此，现在PLC在电梯控制领域得到广泛的应用。

本次设计是设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器(PLC)应用于五层电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，缩短了电梯的开发周期，并提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。本文所设计的电梯与传统的电梯相比，在运行上具有良好的舒适感，在生活中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。当乘员进入电梯后，按下楼层按钮，电梯门自动/ 手动关门。电梯进行下列运作：根据轿厢所处位置及乘员所到层数，判定轿厢的运行方向并显示，保证轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，与电梯相同运行方向时停车，自动/ 手动开关门。另外在轿厢内外均有信号灯显示电梯的运行方向及所处楼层数。

1.2、电梯的定义

电梯上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倾角小于15度的钢性导轨之间。轿厢的尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。它实用与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。

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1.3 、电梯的分类

1.3.1、按用途分类

（1） 乘客电梯： 代号K 为运行乘客而设计的电梯，必须有十分安全可靠的安全装置。

（2） 载货电梯： 代号H 为运送货物而设计的电梯,通常有人操作，有必备的安全装置。

（3） 客货两用电梯： 代号L 主要用作运送乘客,但也可运送货物，它与客梯的区别在于轿厢内部装饰结构和适用场合不同。

（4）病床电梯： 代号B 为运送病床而设计的电梯,具有轿厢长而窄的特点。 （5）消防电梯：火警情况下能适应消防员专用的电梯，非火警情况下可以作为一般客梯或货梯使用。

（6） 杂物电梯： 代号W 供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等。电梯里不允许人员进入，结构简单，无乘人必备的安全装置。

（7）船舶电梯： 代号C 用于船舶上的电梯，能在船舶摇晃中正常工作。 （8）观光电梯： 代号G 轿厢壁透明供乘客观光之用。

（9）自动扶梯和自动人行道：专门用于客流量大的运送乘客的场所。

1.3.2、按电梯的额定速度分类

（1）低速电梯：电梯的额定运行速度v<1m/s，通常用在10层以下的建筑物货客两用电梯或货梯。

（2）快速电梯：电梯的额定运行速度1m/s≦v<2m/s，通常用在10层以上的建筑物内。

（3）高速电梯：电梯的额定运行速度2m/s≦v≦4m/s，通常用在16层以上的建筑物内。

（4）超高速电梯：电梯的额定运行速度v>4m/s,通常用于超高层建筑物内。 1.3.3、按操作控制方式分类 (1) 门外按钮控制小型杂物电梯 (2) 内外按钮控制自动门电梯

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该电梯是一种乘客自己操作的电梯，电梯在各层站分别设有一个召唤按钮。轿厢操作箱上则设有与停站数相等的相应的指令按钮，某一层等待电梯的乘客按下召唤按钮，就能使不被占用的轿厢到来，电梯停靠时立即自动开门，乘客进入轿厢后，按下他要去的楼层的指令按钮，电梯就自动关门，自动行驶到该站。每次停靠时，电梯自动进行减速、平层、开门。

(3) 集选控制电梯

该电梯是一种乘客自己操作或有时也可以有专职司机操作的自动电梯。电梯在底层和顶层分别设有一个向上或向下的，而在其它层站设有向上、下两个召唤按钮。集选控制轿厢操作箱上则设有与停站数相等的相应的指令按钮，当进入轿厢的乘客按下指令按钮，指令信号就被登记。电梯在向上过程中按登记的指令信号和向上召唤信号逐一停靠，直到有这些信号登记的最高层站和有向下召唤登记的最底层为止，然后又反向向下安置指令及向下召唤信号逐一停靠。每次停靠时电梯自动进行减速、平层、开门。

1.4、电梯的结构

一个完整的电梯系统主要由导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统8大系统组成。

在电梯的安全保护系统中限速器、安全钳装置是十分重要的机械安全保护装置。它的作用在于：因机械或电气的某种原因，例如断绳或失控使电梯超速下降时当下降速度达到一定限值时，将轿厢擎停在导轨上。不论是限速器还是安全钳都不能单独完成上述任务。上述任务的完成是靠它们的配合动作来完成的。[1]

图一是电梯的基本结构剖视图及机械部件说明：

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图一 电梯的基本结构剖视图

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第二章PLC的基本原理

2.1、PLC的结构原理

PLC是在继电器控制和计算机控制的基础开发的产品，逐渐发展以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动装置。它有可编程性，且编程灵活简单，有在恶劣环境下工作的高抗干扰能力 ，适应性力。而其体积小，重量轻，价格底等特点，在工业控制应用上越来越广泛，电梯控制系中的应也不例外。

不同的生产厂家生产的可编程逻辑控制器的结构多种多样，但基本组成原理是一样的。 2.1.1、PLC的硬件系统结构

从硬件来看，PLC主要由CPU，存储器，I/O接口，电源，编程器等组成如图二所示。

图二 PLC硬件的基本结构

（1）CPU板

CPU板PLC的核心部件，它包括：微处理器CPU、存储器（ROM、RAM）、并行接口（PIO）、串行接口（SIO）及时钟控制电路等。CPU板是PLC的运算、控制中心，用来实现各种逻辑运算、算术运算及对整机进行管理控制；PLC内部配有程序存储器和数据存储器（ROM，RAM），分别用于存储系统程序和用户程序，并生成用户环境；并行接口和串行接口主要用于CPU与各接口电路之间的信息交换。时钟及控制电路用于产生脉冲及各种控制信号。

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（2）输入/输出电路

输入电路通常有两种形式：直流输入和交流输入电路。输入电路的作用是接收现现场输入设备送来的控制信号，并经光电耦合器隔离后转换成PLC内部的标准电平信号，然后由CPU读入并送至输入映象寄存器中，供程序执行使用。

输出电路的作用是将PLC的输出控制信号送给外部输出设备，通过输出设备控制被控制对象工作。输出电路共有三种形式：一种是继电器形式，它是通过控制继电器的线圈使其触点的通断来控制输出设备，实现电气隔离；另一种是晶体管输出型，它是通过光电耦合器使输出开关晶体管通断，进而控制输出设备；第三种是可控硅输出型，通过触发可控硅的通断实现对外部输出设备的控制。

（3）存储器扩展接口

存储器扩展接口用于连接用户程序存储器及数据存储器的扩展卡盒。常用的扩展卡盒有三种：一种是COMS开型ROM卡盒，它需要用锂电池后备，以防止断电时丢失程序及数据；另一种是EPROM卡盒，这种卡盒需要用专门写入器将调试好的用户程序或数据写入EPROM中，擦写时需要用紫外线擦除器；第三种是EEPROM卡盒，是电可擦除存储器，它的写入和擦写只需专用编程器。

（4）I/O扩展接口

I/O扩展接口与CPU之间是以总线方式连接的，因此它可以连接开总量的I/O扩展单元及扩展块，使I/O点数规模在配置更加灵活。同时也可以配接如模拟量、高速脉冲等单元及通信适配器等特殊功能模块，使PLC的功能大大增强。

（5）编程器及其接口

编程器用于程序及数据的输入、编辑、调试和检测。当PLC在正常运时，一般不需要编程器，因此编程器设计为独立的部件。为了能对PLC进行编程及调试，在PLC上专门设有一个编程接口，通过这个接口可以连接各种形式的编程器。编程器的种类很多，常见的有便携式手持程器、专用智能编程器和通过计算机和专用接口实现对PLC的编程。

（6）电源

PLC一般使用220V的交流电源，电源部件将交流电转换成供PLC的中央处理器，存储器等电子电路工作所需的直流电源，使PLC能正常工作。[2]

2.1.2、可编程控制

任何一个控制系统要完成目的控制功能，必须通过一定的控制程序来实现的。通常控制序可分两大类：固定

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布线程序和可编程序。

（1）固定布线程序

传统的继电器控制系统和电子器件系统中，要实现各种控制功能，其控制程序是由种电气元件通过一定的联接方式-布线而成，输入设备如按钮开关、限位开关、传感器等，用以向控制系统送入信号。输出设备如接触器、电磁阀等用以控制被控制对象的动作。其输入对输出的控制是通过接线来实现，接线工作结束后，控制程序也被确定下来，若要改变控制程序，则必须改变接线方式重新布线，对于一个复杂的系统，是非常困难的。

（2）可编程序控制

可编程序控制控制系统中完成一定的控制，只通过专用的编程器，用程序语言进行编程，写入可编程控制的程序的存储器中，然后由可编程序控制器来完成各种操作。

在可编程系统中，若要改变控制程序，只用编程器改写程序存储器中的某些程序语句，不必要重新布线，由于控制被控对象的动作是控制程序语言来表达的，故又称为软件程序。

2.2、PLC的工作原理

2.2.1、PLC的等效工作电路

PLC是由以微机为核心的电子部件，可以将它看作是一个由各种继电器、定时器、计数器及状态器组合体。PLC的输入继电器，由外部开关通过输入端来驱动的；PLC内的输出继电器，带有无数内触点和外部输出触点。此外，PLC还有如定时器、计数器、状态寄存器等“软”元件，这些元件带有动作线圈和很多电子常开触点和常闭点，可以在PLC内自由选择使用。

PLC控制系统主要由三部分组成：输入部分、控制部分、输出部分。

输入部分由用户输入设备组成，如按开关、操作开关、限位开关及传感器等。它们直接与PLC的输入端子相连接，用以产生输入信号，这些信号或来自电梯轿厢操纵控制板，或来自电梯井道。

控制部分是根据被控对象的实际控制要求编制用户程序，并将编制好的程序通过编程器送入PLC内的用户程序存储器中，CPU反复扫描执行用户程序，并产生各种输出控制信号，PLC的控制功能是通过用户程序来实现的。

输出部分主要由用户输出设备组成，如接触器、继电器等，它们直接和PLC的输出端子相连，用以控制被控制的对象动作。[12]

2.2.2、PLC的工作原理

PLC的工作过程实质上就是执行程序的过程。当PLC运行时，CPU按照分时操作原理每个周期执行一个操

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作，由于CPU的运算处理速度很快，使得外部出现的结果从宏观来看似乎是同时完成的，种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。

PLC的工作过程分为三个阶段：输入处理、程序执行及输出处理。 （1）输入处理

PLC以重复扫描方式执行用户程序。在执行程序前首先按地址编码顺序将所有输入端子的通断状态（输入信号）读入输入映像寄存器中，然后开始执行程序。在执行过程中，即使输入状态发生了变化，但输入映象寄存器中的内容不变，直到一个扫描周期的输入处理阶段才重新读输入状态。

（2）程序执行

在程序执行阶段，PLC顺序扫描用户程序。每执行一条程序所需要的信息都是从输入映象寄存器和其他软元件映象寄存器读出并参与运算，然后将执行结果写入有关的软元件映象寄存器中，因此各软元件映象寄储器中的内容随着程序的执行在不断的变化。

（3）输出处理

当全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输出锁存寄存器中，构成PLC的实际输出并由输出端子送出给执行器。[2]

2.3、PLC的软件系统

硬件系统和软件相互结合才能构成一个完整PLC控制系统，完成各种复杂的控制功能。PLC的软件系统由系统程序和用户程序组成。

系统程序（又称系统软件）用于PLC控制系统的管理、服务及对用户程序的编译。系统程序质量的优劣直接影响PLC的性能。系统软件是由PLC生产厂家提供并固化在内部程序存储器中，用户不行存取和修改。

用户程序也称为应用程序或应用软件，它由PLC使用者根据被对象的控制要求用程序语言编制而成。用户程序是通过编程器键入到PLC内，并线性地放在由管理程序指定的存储区域内。

小型PLC的用户程序比较简单，通常是顺序编制而成。大中型PLC的用户程序容量较大且比较复杂，为使用户程序编制简单，可以按功能、结构或使用目的将用户程序分为各个程序模块，每个模块各自完成一个确定的功能，然后把它们链接在一起构成一个完整的软件系统。

本次试验采用西门子STEP 7编程软件进行编程。STEP 7是西门子公司专为s7-300/400系列PLC设计的编程软件。

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2.4、STEP7编程软件的编程语言及其基本指令

2.4.1、STEP 7编程软件的编程语言

标准的STEP 7软件包配3种基本编程语言，即梯形图（LAD）、功能块图（FBD）、语言表（STL）和顺序功能图编程语言，它们在STEP 7中可以相互转换。本设计采用梯形图这种编程语言。

梯形图结构形式类似地传统的继电器控制电路，它是由图形符号连接而成，这些符号分别代表常开触点、常闭触点、并联接线、串联接线及继电器线圈等，每个触点和线圈都有一个编码。梯形图具有如下特点：

1、 梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列，也是程序的执行顺序。通常每个继电器线圈为一逻辑行，即一层阶梯。每一逻辑起始于母线，然后是触点的各种连接，最后经过继电器线圈终止于母线，整个梯形图呈现梯形。

2、 梯形图中的继电器不同于传统继电器控制线路中的物理继电器，它实质上是内部存储中的位触发器，因此称为“软继电器”或“软元件”。这些软元件输出继电器，辅助继电器，定时器，计数器及状态器等，它们均有无限常开触点和常闭触点。在PLC内部可以自由选取使用。如果某个位触发为“1”，表示对应的继电器线圈接通，相应的常开触点都闭合，而常闭触点都断开。

3、梯形图是一种形象化的编程语言，其两端的母线是没有电源连接。因此核弹头形图中不存真实的物理电流，而具有“概念”电流，是用户程序运算过程中满足输出执行条件的形象化表示方式。“概念”电流只能从左到右流动，层次的改变是从上到下。

4、输入继电器只能从外部输入信号驱动，而不能由内部其他触点驱动。因此在梯形图中只能出现输入继电器的触点而不出现线圈，输入继电器的触点状态即表示相对应的输入信号的变化。

5、输出继电器用于PLC的输出控制，它是通过外输出触点驱动外部执行器。因此，在梯形图中的某个输出继电器的线圈接能时，表示在对应的输出端子上有输出信号。

6、PLC内部其他软元件的触点不能驱动外部执行器，它们只供PLC内部使用。

7、当PLC处于运行状态时，CPU接梯形图中元件排列顺序从上而下，从左到右逐行处理。 2.4.2、STEP 7编程软件的基本指令

STEP 7编程软件的基本指令有位逻辑指令、计数器与计时器指令、传送与比较指令、数据转换指令、算术运算指令、移位与循环指令、程序控制指令等。[2]

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第三章 电梯系统的设计

五层电梯控制系统设计框图如三所示：

图三 系统框图

电梯PLC控制系统主要有以下方面的内容和步骤:

3.1、电梯控制系统的构成

电梯控制系统主要由输入、输出单元以及 PLC 单元构成，PLC用来完成对电梯曳引电机及开关门机的起动，加减速，停止，运行方向，楼层显示，层站召唤，轿箱内操作，安全保护等指令信号进行管理和控制功能。

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3.2、电梯控制硬件设计

硬件可分为两部分，输入和输出单元，它门是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。

3.2.1、输入单元

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、电源开关以及超重报警开关等。

3.2.2、输出单元

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。

3.3、可编程控制器控制电梯系统的硬件选择

3.3.1、电梯电动机与配重的选择

电梯是垂直运输工具，属于位能负载。动力来自于电动机，本系统选用YTD系列专用双速笼型异步15KW的电动机。曳引机的作用有三点：其一是调速；其二是驱动曳引钢丝绳，其三是在电梯停车时实施制动。为了加大载重能力，钢丝绳的一端是轿厢，另一端加装了配重装置，配重的重量随电梯载重量的大小而变化。计算公式如下：

配重的重量=（载重量/2+轿厢的自重）×45%这种拖动机构能够使电梯的载重

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能力大为提高。

3.3.2、曳引机功率的选择

曳引机功率的选择公式：N＝QV（1-Y）/102W

其中：W为电梯机械传动效率；Y为电梯平衡系数：Q为电梯的额定载重量；V为电梯的额定速度。在计算电梯曳引机功率后再预留20%～30%的功率。[1]

3.3.3、传感器的选择

本设计中选用红外线传感器作为智能判断控制输入信号的采集设备，它安装在电梯厅门的上方，若有人按下外呼按钮，并传感器采集到了人体信号的存在，则就在此层楼停车。红外线传感器参数见附录二。 3.3.4、电源的选择

本系统采用的是S7-200 CPU226继电器输出，其电源电压为85～264VAC，输出电压24VDC，24VAC～230VAC，输出电流2A。S7-200 CPU226外型如图四所示，内部端子连接图如图五所示。由于它最大扩展电流为1000mA，扩展模板EM223，DI16/DO16晶体管/晶体管模板，消耗电流为160mA，所以S7-200 CPU226可以带上一个扩展模板EM223。CPU226参数见附录一。

3.4可编程控制器控制电梯软件的选择

本设计系统为五层楼电梯控制系统，采用S7—200 CPU226加上一个扩展模块EM223的24VDC输入法16点/输出16点类型和一个EM222的8点输出模块。它是24点输入和16点输出点加上16点扩展输入和24点扩展输出。基本上可以满足五层楼的电梯控制系统。可编程控制器S7—200 CPU226参数的选择见附录一。

图四 S7-200 CPU226 PLC外型 图五 S7-200 CPU226 DC/DC/DC 端子连接图

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3.4.1、I/O接口分配

PLC的I/O接口分配如表一所示。

表一 PLC的I/O接口分配一览表

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3.4.2、主电路

交流双速电梯的主电路图如附录三所示。图中M1为YTD系列专用双速笼型异步电动机（6/24极）；KM1、KM2为电动机正反转接触器，用以实现电梯上、下行控制；

KM3、KM4为电梯高低速运行接触器，用以实现电梯的高速与低速运行接触器；L1、L2与R1、R2为串入电动机定子电路中的电抗与电阻，与KM5～KM8配合实现对电机的

加减速控制。当KM1、KM2与KM3通电吸合时，电梯将进行上行或下行起动。延时后KM5、KM11依次通电吸合，切除R1、L1电梯将转为上行或下行的稳速运行；当电梯接收到停层指令后，KM3断电释放，KM4通电吸合，电机 转为低速接法，串入阻抗制动，实现上升与下降的低速运行，且KM6～KM8依次通电吸合，用来控制制动过程的强度，提高停车制动的舒适度。至平层位置时，接触器全部释放，抱闸抱死，电梯停止运行。在检修状态时，电梯只能在低速接法下点动运行。门控电机主电路图附录四所示，KMK是控制电机正转即开门；KMG是控制电机反转即关门。[4]

3.4.3、内部继电器分配

楼层信号产生与消除环节 停层信号登记与消除环节 外呼信号登记与消除环节 定向环节 M1.0～M1.7 M2.0～M2.7 M3.0～M3.7 M4.0～M4.7 14

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停层信号环节 起动、稳速运行、制动减速环节 开关门环节继电器

M5.0～M5.7 M6.0～M6.7 M7.0～M7.7 M0.0～M0.7 M8.0～M8.7

第四章PLC程序设计及仿真

4.1、仿真

本毕业设计的仿真软件是运用西门子S7_200_sim1.2，该软件使用步骤如下：

1、 双击打开该软件，带进入软件后就按照以下方法设置PLC配置。 图六所示。

图六 仿真软件PLC配置设置步骤

设PLC配置完成后的界面如下图七所示。

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图七 PLC配置设置完成的界面

2、装载程序步骤：在软件的工作界面上点击图

标，将出现对话框并如图左所示选择，最后点击

这样程序将自动装载到软件，最后点击

后

就可以进行仿真。注：在装在程序前应先在编程软件上

导出程序保存为.awl格式。

4.2、开关门控制程序

电梯必须在门关好的情况下才能够正常的运行，当电梯到达呼叫层时开门后

乘客才能进入电梯，到达目的层后也要开门乘客才能走出电梯。以下图八是电梯开关门控制程序框图。

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图八 开关门控制程序框图

4.2.1、执行关门模块

1、电梯在自动运行过程中的关门：当电梯运行到目的站停站时间继电器T37延时10S后，电梯自动关门。仿真效果图如图九所示

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图九 电梯到达一层开门后自动关门

2、 电梯在人控制下的关门：当轿内的乘客按下关门按钮I0.5后，电梯应关门。仿真图如图十所示。

图十 电梯内乘客按下关门按钮自动关门

4.2.2、执行开门模块

1、电梯在刚投入运行的开门：电梯开始停留在基站，工作人员用钥匙打开电梯（即I4.5）时，电梯应自动开门。

2、电梯在运行过程中停层时的开门：当电梯到达目的层时，时间继电器T47

接通，当延时10S后，电梯自动开门。

3、电梯在关门过程中重新开门：当电梯在关门过程中有人或物夹在门中，或

是电梯超重时即I0.7闭合时，电梯应自动开门。仿真效果如图十一所示。

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图十一 电梯在关门过程中有人或物被夹或超重时开门

4、呼梯开门：电梯到达某一层后没有人继续使用电梯，电梯将停在该层待命，当有人在该层外呼梯应自动开门。

例如：电梯停在三层，有人在三层呼梯按下上行或下行，即是I3.2或I3.5接通，M8.2被置位，三层层楼指示Q1.7接通，电梯应自动开门。仿真效果如图十二所示。

图十二 电梯停在三层并在此层有人呼叫

5、电梯检修时的开门：电梯在检修时，开关门均为手动。检修接口I0.3接通，同时开门接通开门开关I0.2电梯启动开门。

注：当电梯开门的状态到达开门极限时电梯停止开门。

4.3 楼层信号的产生与消除

当电梯运行到某一层楼时，对应楼层的感应器将会接受到感应信号，并

与它的相邻楼层进行互锁，从而保证电梯楼层信号在逻辑上的唯一，并将此信号送楼层指示。例如：以第四层为例，当电梯到达第四层时，四楼的感应器接通（I2.4），

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只有当三楼、五楼的感应器I2.3、I2.5没有接通的情况下才能正常的显示。仿真效果如图十三所示。

图十三 电梯到达四层

4.4 电梯轿厢位置的显示

本设计的电梯系统采用七段数码管，它是将数码管分布在同一平面内，由若干发光二极管或液晶体组成各种数字管。在七段码显示电路中，对数码管的输入管脚A、B、C、D、E、F、G送入24V电源，则相应的区段就会被点亮，控制可编程控制器的端子Q4.0、Q4.1、Q4.2、Q4.3、Q4.4、Q4.5、Q4.6闭合或断开就可以控制数码 管相应段的亮与灭，以组成相应的数值。数码管的显示电路如图十四。

Q4.0Q4.1Q4.2Q4.3Q4.4Q4.5Q4.612345678abcdefgdp9VCCafegdbcdp 图十四 数码管显示电路图

表二 七段数码管显示的数字与管脚的关系一览表

楼层 A B 七 段 数 码 输 出 C D E FG20

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（Q4.0） （Q4.1） （Q4.2） （Q4.3） （Q4.4） （Q4.5） （Q4.6） 1(M1.0) 2(M1.1) 3(M1.2) 4(M1.3) 5(M1.4) 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 七段数码管的显示程序

程序原理如下：

当电梯到达2、3、5层时，M1.1、M1.2、M1.4常开触点闭合，令Q4.0得电。 当电梯到达1、2、3、4层时，M1.0、M1.1、M1.2、M1.3开触点闭合，令Q4.1得电。

当电梯到达1、3、4、5层时，M1.0M1.2、M1.3M1.4常开触点闭合，令Q4.2得电。

当电梯到达2、3、5层时，M1.1、M1.2、M1.4常开触点闭合，令Q4.3得电。 当电梯到达2层时，M1.1常开触点闭合，令Q4.4得电。

当电梯到达4、5层时，M1.3、M1.4常开触点闭合，令Q4.5得电。

当电梯到达2、3、4、5层时，M1.1、M1.2、M1.3、M1.4常开触点闭合，令Q4.6得电。仿真效果如图

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图十五 I2.2口有信号时Q4.0 Q4.1 Q4.3 Q4.4 Q4.6显示

图十六 I2.1口有信号时的显示

Q4.1 Q4.2

4.5停车信号的登记与消除

当乘客在轿内选择1～5层的选层按钮操作时，被选中的楼层对应的内选记忆灯将会亮，直到该楼层的楼层感应器接受到信号为止。程序框图如图十七所示。

图十七 停车信号的登记与消除程序框图

例如：如果被选中的楼层是三层时，接触器I1.6会接通，通过中间继电器M2.2的自锁，Q2.4就会动作，发光直到I2.3接通后让中间继电器M1.2打开为止。仿真效果如图十八所示。

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图十八 轿内按下三层按钮（I1.6）Q2.4显示

4.6电梯的定向

电梯在运行状态下，首先应确定电梯的运行方向。电梯的上行与下行是内选信号和外呼信号与当前所处的位置进行比较，再确定是上行还是下行。一旦电梯定向后，内选与外呼信号对电梯进行顺向运行的要求没有满足时，定向信号不能消除。M4.0和M4.4分别为定上行和定下行辅助继电器，它们线圈的工作条件触点块由内外呼信号及电梯位置信号组成。电梯上或下行的程序框图如图十九所示。

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图十九【a】 电梯定向上行程序框图

例如：当电梯上行或下行且位于第三层位置时，中间继电器M1.2将断开，则一、二层的内外呼叫或四层的内外呼叫都不能影响电梯的运行状态。T45的作用是保证电梯只能在电梯门关闭的情况下才能够运行。仿真效果如图二十所示。注：上行指示是在电梯开始运行时才进行显示。

图二十 电梯上

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图十九【b】 电梯下行程序框图

M4.0和M4.4在电梯上行及下行的全过程中，存在不能全程接通的情况，如上行至五楼时，一旦五楼层楼继电器M1.4接通时，则M4.0立即断开，而此时电梯仍处于上行状态，至五楼平层位置时才能停止。为了解决这一个问题，引入了M4.2、M4.3、M4.5、M4.1等继电器，使上行与下行继电器接通时间延长至上行和下行的全过程。若不使用M4.2、M4.3、M4.5、M4.1，可能会发生下述情况：四楼向下的外呼信号，使电梯上行，电梯至四楼位置，M1.3使M4.0断开，从电梯至四楼位置到电梯停层开门，乘客进行轿厢内选五层之间的时间内，一、二、三楼的外呼及内选信号可以使电梯在

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未完成四楼向上的运动之前定下行方向。

4.7电梯的启动、穏速运行与制动减速

停层信号产生后，与上行下行感应器配合，进行停车制动。在停车前应先产生停车制动信号，然后由停车制动信号控制接触器实现停车制动。程序框图如图二十二所示。

图二十二 电梯启动、稳速运行、制动程序框图

为解决电梯进入平层区间后才出现停车信号致使电梯过急停车的问题，采用P指令将其在上下平层信号的上升沿期间触发。此电梯的停层时间为10S，当起动高速继电器KM3，1S后启动加速继电器KM9，2S后启动加速继电器KM5。减速制动是分别控制为KM6、KM7、KM8，其吸合时间分别为0.5S、1S、1.5S等，最终达到制动的目的。自动减速仿真效果图如图二十三所示。

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图二十三 自动减速1

4.8外呼叫信号的登记与清除

在厅外呼梯时，呼梯信号应被接收与记忆。当到该层时，若定向方向与目的方向一致时，呼梯要求被满足，呼梯信号被取消。

例如：以第二层上外呼为例，当电梯在第一层时，若二层有人按外呼上行按钮，则I3.1接通，M3.1通电自锁，Q3.0动作，指示灯亮。由于从一层到达第二层是上行，则M4.0是断开的，当电梯到达第二层时，M1.1断开，所以M3.1断开，指示灯熄灭。仿真效果图如图二十四所示。

图二十四 电梯在一楼时二层有人呼叫

当电梯从二层以上向一层方向运行时，则M4.0不动作，处于接通状态，按下二层外呼上行按钮，I3.1接通，M3.1通电自锁，Q3.0动作，指示灯亮。，当到达二层楼时，M1.1断开，但是由于M4.0不动作，所以M3.1继续通电，指示灯亮，当电梯从底层方向向上运行时，到达二层楼时，M3.1断开，指示灯熄灭。仿真效果图如图二

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十五所示。

图二十五 电梯到达二层

4.9停车信号

电梯在停车制动前，首先应确定其停层信号，再根据电梯的运行方向与外呼信

号的位置和轿内选层信号比较后得出。厅外上行上呼、厅外下行下呼以及厅内内选信号都是电梯停车的条件。梯形图中M4.0和M4.4动断触点的作用是为了解决呼梯方向与电梯运行方向相反时的停车问题。如：三楼向下的外呼信号，使电梯从一楼向上运行时，M5.2不会被触发，至三楼位置，当M4.0、M4.4的动断触点使M5.5接通而设计的。停车信号的消除是停车时间到，T37为停层时间定时器。

4.10智能判断控制

智能控制是为了提高了电梯的运行效率。因为在电梯的实际运行过程中会经常出现以下的情况：当有人在某楼层按下外呼叫后，由于其他原因而离开，电梯到达此层后停层并打开轿门，而没有乘客需要，从而降低了电梯的运行效率。为了解决这一情况本设计将各层增加了人体感应器，并将人体感应器的输出信号连接到输入点I4.0—I4.4上，这一环节的程序与外呼叫信号的登记与消除结合在一起。以三楼为例：电梯在运行的过程中，有乘客在三楼按下了上行或下行按钮接点I4.2闭合，当在等待电梯的乘客离开后，人体感应器复位从而导致I4.2复位，取消了三楼的呼叫信号，电梯将不在三层停留。房真效果图如图二十六、二十七所示。

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图二十六 电梯在五楼二楼有人下行呼叫

图二十七 二楼呼叫人离开

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总 结

本次毕业设计的内容是PLC在电梯上控制系统设计。采用德国西门子PLC CPU226加扩展模板EM223和EM222，虽然本系统采用的是交流双速作为电梯的主电路，但是由于采用了R、L的串联制动，并用继电器控制接入阻抗的大小，同样可以用来控制制动过程的强度，搞高停车制动的舒适度，同时降低了电梯的成本。在实际生活中具有一定的实际意义。电梯PLC控制系统所涉及的面非常广，使我原来的知识得到了巩固和加深。通过这次毕业设计我又学到了很多新的知识，特别是电梯的基本结构、基本工作原理、PLC的编程方法、软件的仿真、控制系统的设计。而且这是一次难得的把所学的理论知识在实践中加以运用的机会，使之更融会贯通，对我日后的学习和工作都会有很大的帮助。

通过完成此次毕业设计，使我对电梯和PLC及电梯有了一些新的看法。电梯作为当今高层建筑中的交通工具，为了更好地满足用户的要求，方便人们.它将随之不断改进，使之更加舒适、安全、可靠、方便。在舒适方面可以采用变频调速，让人感觉犹如平地。从方便来看，可以用微机智能控制，实现智能化。为配合楼层的伸高，更要开发安全的高速电梯。

设计中遇到了不少困难，一个困难的解决，就是一次知识和经验积累的过程，让我明白了真正设计出成果的不易，更加认识到知识的力量，让我在以后的工作和学习过程中可以时刻提醒自己。

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致 谢

本设计在导师赵宝康教师的悉心指导下完成，导师在我设计的整个过程中倾注了大量的心血与汗水，他用启发式教学来引导我们的设计思想，拓展我们的设计思维，对我的设计作出了突出的贡献，才得以顺利完成。导师广博的学识、深厚的学术和严谨治学态度，一丝不苟的工作作风，以及爱生如子和严格要求的态度，已深深的烙印在我的心中，使在以后的学习和工作中受益匪浅。在此设计过程中，我收获了许多，使我在以后从事本行业奠定了坚实的基础，在此诚挚向老师道一句：老师，您辛苦了！

最后，向在百忙之中抽出宝贵时间评审本设计的各位专家表示衷心的感谢。

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参考文献

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附录

附录1 S7—200 CPU226技术参数

数据后备 50h 布尔指令执行速度 32入/32出 0．37us/指令 I/O映像寄存器 内部通用继电器 有 有 128I/128Q 256 字入/字出 顺序控制继电器 内置高速计数模拟电位数 器 32/32 256 6H/W（20kHz） 2 通信中断 硬件输入中断 定时中断 实时中断 2发送/4接收 4，输入滤波器 2（1~255ms） 有 通信口数量 支持协议 PROFIBUS点 0号口 1号口 对点 2（RS-485） PPI，DP/T NETR/NETW 自由口 同0号口

外形尺寸 190*80*62 扩展模板数量 7个 整数指令 用户程序 4092字 数字量I/O映像区 256 实数指令 用户数据 2560字 模拟量映像区 本机I/O 24入/16出 FOR/NEXT循环 有 定时器/计数器 256/256 脉冲输出 2(20kHz DC) 口令保护 有 附录2 红外线传感器参数

高灵敏度：400°C/750°F或 250°C / 480 °F 红外光谱： 1至 3 μm 自监测功能实现数字式控制 需光学调整

提供连接器和带有不锈钢辫型编织保护层的电缆 有效感应距离12米 延迟时间5秒~9分钟 感应角度140~180度

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附录3 交流双速电梯的主电路图

L1L2L3SQFU1SQ0KM2KM1L2KM8R2KM6KM7KM4L1KM5R1KM3FR2FR1M13~

附录4 门控电机主电路图

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附录5 开关门控制梯形图

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附录6 楼层信号的产生与消除梯形图

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附录7 七段数码管的显示程序梯形图

附录8 停车信号的登记与消除

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附录9 电梯的定向部分梯形图

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附录10 电梯的启动、穏速运行与制动减速

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附录11 外呼叫信号的登记与清除

附录12 停车部分梯形图

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