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 to cntrol 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

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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 ............................................ 2 1.4 论文的主要内容 .............................................. 3 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 ............................................ 5 2.3 电梯的保护装置 .............................................. 6 2.4 电梯的工作原理 .............................................. 7 第3章 PLC简介 ..................................................... 8

3.1 PLC的产生与发展 ............................................. 8 3.2 PLC的用途及特点 ............................................ 10 3.3 PLC的硬件组成 .............................................. 12 3.4 PLC的工作原理 .............................................. 14 第4章 控制系统总体设计 ............................................ 16

4.1 控制要求分析 ............................................... 16 4.2 硬件设计 ................................................... 16 4.3 软件设计 ................................................... 20 第5章 控制系统仿真 ................................................ 28

5.1 编程软件简介 ............................................... 28 5.2 实验装置简介 ............................................... 30 5.3 程序的编辑 ................................................. 32 5.4 程序的调试 ................................................. 32 5.5 控制系统仿真 ............................................... 33 结论 ............................................................... 34 致谢 ............................................................... 35 参考文献 ........................................................... 36

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。国内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，对国内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，

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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，在国内，

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。

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(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 论文的主要内容

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。

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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，升降梯在世界范围内得到广泛应用。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

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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，轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量和额定客人数决定。

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(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。操纵装置是由轿厢内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内和厅门的指示灯，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

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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内时，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：

曳引轮导向轮曳引钢丝对重轿厢

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。

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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

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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范围和领域不断扩大。为了使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化。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，用来在其内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

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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、

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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、多台可编程控制器之间的通信、可编程控制器与其他智能控制设备，如计算机；、变频器、数控装置之间的通信，这些设备由于网络组成集中管理分散控制的分布式控制系统，极大地提高了控制的可靠性。

3.2.2 PLC的特点

(1)可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性往往是用户选择控制装置的首要条件。继电器接触器系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象大大降低了系统的可靠性。而在PLC系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上PLC充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，因而具有极高的可靠性。据有关资料统计，目前各生产厂家生产的PLC，其平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。

(2)配套齐全，适用性强，应用灵活 由于PLC产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制要求。重要的是，PLC系统相对继电器接触器控制系统，接线很少，其主要功能是通过程序实现的，在需要修改设备的控制工能时，只要修改程序，修改接线的工作量很小。

(3)编程方便，易于使用 PLC的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言(Sequential Function Chart)，也称功能图，使编程更加简单方便。

(4)功能强，扩展能力强，性价比高 PLC中含有数量巨大的供用户使用的编程软元件，可轻松的实现大规模的控制。PLC配合功能单元能方便地实现

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A/D、D/A转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC具有通信联网功能，它不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。它不但可以进行现场控制，还可以用于远程监控。与一般继电器系统比较，具有很高的性价比

(5)PLC的设计、安装、调试方便 PLC用户程序(软接线)代替硬接线，安装接线工作量少。设计人员只要有PLC就可以进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试；而继电器系统的调试是靠在现场改变接线进行的，十分繁琐。

(6)维修方便，维修工作量小 PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点状态均有显示。工作人员通过这些信息可以查找故障原因，便于迅速处理。

(7)PLC体积小，能耗低。易于实现机电一体化 采用PLC实现的控制系统与同规模的继电器系统相比，开关柜的体积缩小到原来的1/10~1/2；安装方便，易于实现机电一体化；由于省去了大量的继电器，能耗也大大减小。

3.3 PLC的硬件组成

3.3.1 PLC的组成

根据结构形式的不同，PLC可分为整体式(也称单元式)和组合式(也称模块式)两类。

用户输出设备编程器盒式磁带机打印机EPROM写入器上位计算机PLC可编程终端PT…图3-1 整体式PLC的组成示意图

电源输出单元输出单元中央处理单元（CPU）用户输出设备外设接口存储器系统程序存储器用户程序存储器I/O扩展口I/O扩展单元特殊功能单元 12

整体式的PLC将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机，另外还有独立的I/O扩展单元与扩展模块等与主机配合使用。整体式PLC结构紧凑、体积小，小型机常采用这种结构，整体式PLC的一般构成如图3-1所示。

3.3.2 PLC各组成部分的作用

(1)中央处理单元(CPU)

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

(2)I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。

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常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型(4~20mA,0~20mA)、电压型(0~10V,0~5V,-10~10V)等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

(3)电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源(220VAC或110VAC)，直流电源(常用的为24VDC)。

3.4 PLC的工作原理

可编程控制器的应用程序是表达存储单元之间的相互联系的。存储单元的状态代表控制系统中的各种事件，而可编程控制器执行程序以完成既定的控制任务。

执行程序是PLC实现控制的核心工作，但在框图中却只是众多项目中的一项。这些工作项目大致可以分为以下三部分。

扫描周期出错处理程序执行阶段输出刷新阶段 输入采样阶段 输入映像寄存器 上电处理输入端CPU运行方式第RUN一条指令 最后??一条指令 输出映像寄存器第二条指令输出端PLC执行自诊断STOPCPU正常或有非致命错命便存放自诊断结果有致命错命时CPU强制为STOP方式

图3-2 PLC的运行框图

第一部分是上电处理。PLC上电后对系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定等。

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第二部分是扫描过程。以程序扫描执行而得名。一是扫描系统程序，二是扫描执行应用程序。每次执行应用程序前先完成输出处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。而执行不执行应用程序还和PLC的运行状态有关。

第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否正常，检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。

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第4章 控制系统总体设计

4.1 控制要求分析

本文用S7-200PLC对电梯进行模拟控制，只能完成电梯的部分基本功能，未考虑开关门控制(即电梯停站时不作开关门动作，直接响应外呼及内选信号)，电梯轿厢的运行方式用指示灯代替。

(1)各层设上/下呼叫按钮(最顶层和起始层只设一只)。 (2)电梯内外设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯。

(3)轿内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序自动停靠，自动确定运行方向。

(4)门厅召唤指令记忆及显示。当门厅有上行或下行请求时，电梯应能对信号进行登记，并且由相应的指示灯进行显示。

(5)自动确定运行方向。当轿厢内操纵盘上，选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向 。

(6)电梯停站待客。当完成全部轿厢内指令，又无层外呼梯信号时电梯应停止不动，等待乘客召唤。

4.2 硬件设计

为了实现以上控制功能，在此对PLC进行选型和电路连接，在硬件上实现控制功能要求。硬件设计包括元器件选型和电气原理图(主电气原理图和控制电气原理图)设计。

4.2.1 元件选型

a.输入元件

根据控制要求，选用7个按钮作为轿内选层按钮和门厅上下行召唤按钮，选用3个位置开关作为电梯每层的楼层位置输入。

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(1)按钮(SB) 按钮是结构简单的手动主令电器，当按钮被按下时，先断开常闭触点，然后才接通常开触点。按钮释放后，在复位弹簧作用下使触点复位。在没有按动按钮时，接在常开触头接线柱上的线路是断开的，常闭触点接线柱的线路是接通的；当按钮按下时，两种触点状态改变，同时也使与之相连接的电路状态改变。基于按钮的这种不按那么常开触点不通，按下导通后一旦放手又还原为不导通，这种优点正适合用来做内选层、门厅召唤的信号的输入主令电器。

(2)位置开关(SQ) 电梯的楼层位置的确定一般使用传感器，本文选用3个位置开关分别作为每一层的楼层位置输入。 b.输出元件

指示灯(HL) 用来指示电梯所在楼层及电梯的工作状态。选用3个指示灯分别用作楼层号的指示(表示电梯当前所在的楼层)、选用4个指示灯指示各层门厅召唤信号，选用2个指示灯指示电梯的运行状态(上行或下行)。 c.PLC

在选择PLC的型号时，先应该做的是输入输出点数估算和内存估算，然后

综合考虑确定PLC的型号。 (1)输入输出点数估算

1)输入点数：

门厅按钮4个，轿厢内按钮3个，楼层到位开关3个共10个。 2)输出点数：

楼层指示3个，呼叫指示4个，轿厢运行状态指示2个共9个。 I/O点数的确定应该以控制设备的所有输入/输出点数的总和为依据。在一般情况下，PLC的I/O点应该有适当的余量，通常根据统计的输入输出点数再增加10%~20%的可扩展余量后，作为输入输出点数的估算依据。因此，估算本电梯控制系统的PLC输入/输出点的个数都分别为20个左右。

(2)内存估算

存储器容量是指可编程控制器本身能提供的硬件存储单元大小，各种PLC的存储器容量大小可以从该PLC得基本的参数表中找到。按数字量I/O点数的

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10~15倍，加上模拟I/O点数的200倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的30%左右考虑余量。根据上文中本系统输入/输出点的估算量知道，本系统大约需要字量I/O点总数为20个，无模拟I/O点。因此，可以估算出本系统所需PLC的内存大约为2K字节。

(3)PLC机型型号的选择

西门子(Siemens)公司生产的S7-200系列PLC属于小型可编程控制器，是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型可编程控制器，器结构紧凑、系列完整、功能完善，具有很高的性价比，可用于替代继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动控制系统。由于有很强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用。

S7-200系列PLC提供5种不同的基本单元(CPU)，型号为CPU221、CPU222、CPU224、CPU226及CPU226XM，不同型号的CPU内部芯片基本相同，实际安装的输入输出及通讯接口数量不同。每种单元又有交流220V供电及直流24V供电两种供电方式安排，每种CPU都有继电器输出、双向晶闸管输出及晶体管输出三种输出形式。S7-200系列提供多种功能的扩展单元及智能模块，如数字量输入或输出扩展单元，模拟量扩展单元，高数计数模块，定位控制及各种通信模块。S7-200系列还提供齐全的外围设备及编程环境，使系统构成容易，使用方便。S7-200各型CPU的比较如表4-1所示：

表4-1 S7-200各型CPU模块的比较

特性 本机数字量I/O

最大数字量输入/输出 最大模拟量输入/输出 程序空间（永久保存） 用户数据存储器 扩展模块

数字量I/O映像区 模拟量I/O映像区

CPU221 6入/4出 6入/4出 — 2048字 1024字 — 10 无

CPU222 CPU224 CPU226 CPU226XM 8入/4出 14入/10出 24入/16出 24入/16出 40入/38出 94入/74出 256入/256出 256入/256出 16入/16出 28入/7出 32入/32出 32入/32出 2048字 4096字 2096字 8192字 1024字 2506字 2560字 5120字 2个 7个 7个 7个 256 256 256 256 16AI/16AO 32AI/32AO 32AI/32AO 32AI/32AO

S7-200各型号PLC的应用范围如下： ① CPU 221：

小型PLC CPU 221，价格低廉，能满足多种集成功能的需要。 ② CPU 222 CN：

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S7-200 CN家族中低成本的单元。通过可连接的扩展模块，即可处理模拟量。

③ CPU 224 CN，CPU 224XP CN： 具有更多的输入、输出点及更大的存储器。 ④ CPU 226 CN：

功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。 经过上面的比较，并结合本系统的实际，所以本电梯控制系统选择西门子S7-200CPU224型号的PLC作为控制器比较合适。

4.2.2 硬件电路连接图

a.主电气原理图

根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图4-1所示。

QSL1L2L3FU1KM1KM2KM3KM4FR1FR2M13~M23~曳引电机门电机

图4-1 主电气原理图

图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1~KM4通过控制两台

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电机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路，FU1为熔断器，起过流保护作用。

b.控制电路电气原理图

前面已介绍S7-200系列CPU中的CPU224的本机数字量为14入/10出，接线时输入接对应的开关，输出接指示灯。考虑到后面要对程序进行调试，故在画硬件接线图时标出QSPLC-3型实验台电梯模块上对应大开关量和指示灯。硬件接线图如图4-2：

1MI0.7内呼一层SB1内呼二层SB2内呼三层SB3一层上呼SB5二层下呼SB6二层上呼SB7三层下呼SB10I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.72M一层到位开关SQ1二层到位开关SQ2三层到位开关SQ4I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5M+24VDCL+CPU224DC24V1LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.42LQ0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1二层向下呼叫指示灯E6二层向上呼叫灯E7三层呼叫灯E10轿厢下降KM1轿厢上升KM2一层指示灯E1二层指示灯E2三层指示灯E4一层呼叫灯E5 图4-2控制电路电气原理图 4.3 软件设计

在硬件电路上如何实现相应的功能，这就是软件的任务。软件设计就是对

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控制器PLC编写相应的程序。通过程序控制PLC输出，使相应的执行元件进行相应的动作。软件设计的主要内容是根据系统的电气控制原理图列出输入/输出元件并给他们分配I/O端口，再进行梯形图的编写。

4.3.1 I/O分配

表4-2 三层电梯控制系统I/O分配表

内呼一层SB1 内呼二层SB2 内呼三层SB4 一层上呼SB5 二层下呼SB6 二层上呼SB7 三层下呼SB10 一层到位开关SQ1 二层到位开关SQ2 三层到位开关SQ4 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 一层指示灯E1 二层指示灯E2 三层指示灯E4 一层呼叫灯E5 二层向下呼叫灯E6 二层向上呼叫灯E7 三层呼叫灯E10 轿厢下降KM1 轿厢上升KM2 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 4.3.2 梯形图及说明

a.内呼信号登记

内呼信号有三个，内呼一层、内呼二层和内呼三层。利用启-保-停电路对内呼信号进行登记。其中内呼一层在电梯处于上升状态或一层指示灯亮时(Q1.1或Q0.1接通)都不能被登记；内呼二层的停止条件是二层指示灯亮(Q0.2接通)，即电梯处于二层时不对内呼二层的信号进行登记；内呼三层时，电梯处于下降状态或电梯三层指示灯亮时(Q1.0或Q0.3接通)都不对内呼三层信号进行登记。其梯形图如下：

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图4-3 内呼信号登记梯形图

b.外呼信号登记及显示

外呼信号有4个，一层上呼、二层上呼、二层下呼和三层下呼。外呼信号的登记都是利用启-保-停电路来完成的，原理都一样。现以一层上呼信号的登记与显示为例说明外呼信号的登记和显示控制。一层呼叫信号的登记跟内呼一层信号的登记一样都是利用启-保-停电路来完成的，启动条件是一层呼叫开关SB5被按下从而接通I0.4，关断条件为轿厢下降或三层指示灯亮(Q1.0或Q0.3接通)，M10.0接通并且M2.4关断时接通Q0.4使一层显示灯亮。梯形图如下：

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图4-4 外呼信号的登记及显示梯形图

c.楼层信号显示

楼层指示灯显示电梯到达的楼层位置，比如，电梯到一层时，一层指示灯亮。楼层指示灯由楼层到位开关、该楼层的内呼信号、该楼层的外呼信号和其他楼层指示共同判断，并且要将相近楼层的指示复位。例如，电梯运行到一层时需要将在接通一层指示灯的同时要将二层指示复位。

一层指示梯形图如图4-4a，一层到位开关SQ1接通，说明电梯此时已到达一层。电梯到达一层时要响应内呼一层信号、一层上呼信号。SQ1接通(I1.0得电)且二层指示灯灭(Q0.2关断)再判断三层指示灯和中间继电器M2.2的状态。如三层指示灯灭(Q0.3关断)，中间继电器M2.2接通时将Q0.1置位一位，一层指示灯E5亮，指示电梯运行到一层，Q0.1接通时将M10.0置位1位。

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图4-5 一层显示控制梯形图

二层指示显示如图4-5，同理，电梯到二层时要响应内呼二层信号。当二层到位开关SQ2接通时(I1.1得电)，二层指示时要判断一层和三层的楼层指示信号，并将它们复位一位。

如一层和三层的楼层指示灯都不亮(Q0.1和Q0.3关断)，且中间继电器M12.4和M12.2都关断时，将二层指示Q0.2置位一位。使Q0.2的值为1，二层指示灯E2亮，说明电梯运行到二层。

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图4-6 二层显示控制梯形图

三层显示控制梯形图如图4-4c,三层显示由三层到位开关SQ4和内呼三层信号及三层呼叫信号共同判断，如三层到位开关接通，同时接收到内呼三层信号(内呼三层中间继电器M2.4得电)或三层呼叫指示灯亮(Q0.7接通)，将二层指示复位一位。将三层指示置位一位使Q0.3的值为1，从而接通三层指示灯E4。

图4-7 三层显示控制梯形图

d.电梯轿厢上下行显示控制

电梯轿厢在一层时只有上升或停止状态，轿厢在三层时只有下降或停止状态，而轿厢在二层时有上升、下降和停止三种状态。根据轿厢上升或下降的逻辑，由轿厢的召唤信号和轿厢的运行状态来判断轿厢处于上升或下降状态。其

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