基于PLC的电梯控制系统设计

.毕业设计 (论文)论文题目：基于PLC的电梯控制系统设计 学 生： 王 余 指导教师： 花良浩 专 业： 电气工程与其自动化 摘 要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。PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。本文在阐述电梯的结构和可编程控制器的结构和工作原理的基础上，针对4层电梯，使用西门子S7-200可编程控制器，设计了电梯的控制系统，包括轿内指令和厅外召唤信号的登记与消除、电梯的选层和定向、电梯的开关门运行、电梯上下行控制、电梯的指层控制等部分，实现了轿内与各层呼梯指令的记录、电梯运行方向和选层的控制，电梯上下行和自动开关门、电梯的指层控制等功能。关键词：四层电梯 控制系统 可编程控制器目 录摘要第1章 绪论11.1 课题的研究背景及意义11.2 电梯的简介21.2.1 电梯的起源21.2.3 电梯的定义与分类21.2.3 电梯电气控制发展31.2.4 电梯的国内外发展状况31.3 PLC在电梯控制中的应用以及发展前景51.4 课题研究的内容6第2章 控制系统的选择及介绍72.1 控制系统的选择72.2 PLC控制系统组成72.2.1 硬件的组成72.2.2 软件的组成82.3 PLC控制系统抗干扰措施92.3.1 硬件抗干扰措施92.3.2 软件抗干扰措施112.4 PLC控制系统的发展趋势12第3章 PLC的选型133.1 输入输出（I/O）点数的估算133.2 机型的确定错误！未定义书签。3.2.1 主控制器的选择错误！未定义书签。3.2.2 扩展模块的选择错误！未定义书签。第4章 四层楼电梯控制系统设计144.1 电梯控制模拟系统面板图错误！未定义书签。4.2 电动机控制电路图144.3 PLC外部接线图154.4 流程图174.5 操作原理简要说明194.6 编程元件明细表204.7 梯形图及注释214.7.1 电梯初始控制214.7.2 报警器及超重控制224.7.3 内指令信号的登记与消除224.7.4 电梯选层定向辅助234.7.5 外召唤信号的登记与消除244.7.6 电梯开关门274.7.7 电梯上下行错误！未定义书签。4.7.8 电梯指层控制284.8 程序仿真与调试30第5章 结论与展望315.1 结论315.2 展望电梯发展方向错误！未定义书签。致 谢32参考文献33.第1章 绪论1.1 课题的研究背景及意义电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。然而只有电梯的制造，安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面保证电梯的最终高质量。在国外，已“法规”实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队伍维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验，从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。因此，可以说乘坐电梯更安全。美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算，其结论是：乘电梯比走楼梯安全5倍。据资料统计，在美国乘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。目前，由可编程序控制器(PLC)和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为电梯控制的发展方向。可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。自1969年针对工业自动控制的特点和需要而开发的第一台PLC问世以来，迄今己30多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又不同于顺序控制器和通用的微机控制装置。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。用户买到所需PLC后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可灵活而方便地将PLC应用于生产实践。而且用户程序的编制、修改和调试不需要具有专门的计算机编程语言知识。这样就破除了“电脑”的神秘感，推动了计算机技术的普遍应用。可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。PLC现已成为现代工业控制三大支柱(PLC、CADCAM、ROBOT)之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能，易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，同益取代由大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统的继电一接触控制系统，在机械、化工、石油、冶会、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业德到广泛应用。PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。总之，电梯的控制是比较复杂的，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，将使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强、机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。因此，它已经成为电梯运行中的关键技术。1.2 电梯的简介1.2.1 电梯的起源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。19世纪初，在欧美开始用蒸汽机作为升降工具的动力。1845年，第一台液压驱动升降机研制成功，液压驱动的介质是水。尽管升降工具被一代代富有革新精神的工程师们进行不断改进，然而被工业界普遍认可的升降机仍未出现，直到1852 年世界第一台安全升降机诞生。1852年，美国纽约杨克斯的机械工程师奥的斯先生发明了世界第1台安全升降机。1857年3年23日，奥的斯公司在纽约为一座专营法国瓷器和玻璃器皿的商店安装了世界上第一台客运升降机。1862年，奥的斯公司采用单独蒸汽机控制的升降机问世。1878年，奥的斯公司在纽约百老汇大街155号安装了第1台水压式乘客升降机。1889年12月，奥的斯公司在纽约的第玛瑞斯特大楼成功安装了1台直接连接式升降机。这是以直流电动机为动力的世界第1台电力驱动升降机，从此诞生了名副其实的电梯。 1.2.2 电梯的定义与分类2003年2月19日国务院颁布了特种设备安全监察条例，明确规定电梯是特种设备，并对电梯的含义做了叙述：“电梯是指动力驱动，利用沿刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运行的梯级(踏板)进行升降或者平行运送人、货物的机电设备”。这种对电梯的论述，被称作广义电梯概念，既包括上下运送人、货物的升降式电梯，也包括用于水平或倾斜输送乘客的自动人行道(英语Passenger Conveyor)和自动扶梯(英语Escalator)。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，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。电梯要求安全可靠、输送效率高、平层准确和乘坐舒适等。电梯的基本参数主要有额定载重量、可乘人数、额定速度、轿厢外廓尺寸和井道型式等。目前，电梯行业及社会上对电梯的分类大致有以下几种： (1)按用途分： 乘客电梯、载货电梯、客货电梯、病床电梯、住宅电梯、杂物电梯、观光电梯、其他专用电梯。(2)按额定速度分： 低速梯，常指低于1.00m/s速度的电梯；中速梯，常指速度1.002.00m/s的电梯。高速梯，常指速度大于2.00m/s的电梯。超高速梯，速度超过5.00m/s的电梯。(3)按拖动方式分：交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条式电梯、螺旋式电梯。(4)按控制方式分：手柄操纵控制电梯、按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯、向下集选控制电梯、并联控制电梯、群控电梯、智能控制电梯。其他分类方式还有：按电梯有无司机分类等。1.2.3 电梯电气控制发展1857年美国人OTIS发明出真正意义上的电梯。从此以后，电梯电气控制技术越来越收到人们的重视。电梯电气控制技术是否，主要体现在电梯电气控制系统的设计上。电梯的电气控制主要是对各种指令信号、位置信号、速度信号和安全信号进行管理，使电梯正常运行或处于保护状态，发出各种显示信号。电梯的电气控制，过去采用继电器逻辑线路，一般称继电器控制。这种硬布线的逻辑控制方式具有原理简单、直观等特点。但通用性差，逻辑系统由许多触点组成，接线复杂、故障率高、设备庞大，国家已规定淘汰。目前我国电梯主要由先进的、可靠性高的微型计算机或可编程控制器控制。PLC是可编程控制器的简称，它是一种用于自动控制的专用微机，实质上属于微机控制方式，但可编程控制器具有其自身的特点：PLC在设计和制造上采取了许多抗干扰措施，能在较恶劣的各种环境里工作，可靠性高。PLC将CPU、存储器、1/0接口等做成一体，使用方便，扩展容易。目前在国产电梯及中低档的客梯广泛采用了PLC控制系统，特别适合在用电梯的技术改造和控制器开发。1.2.4 电梯的国内外发展状况在经济不断发展，科学技术日新月异的今天，楼的高度已和经济发展同样的速度成长起来。作为建筑的中枢神经，电梯起着不可或缺的作用，电梯作为建筑物内的主要运输工具，像其他的交通工具一样，已经成为我们日常生活的一个不可缺少的组成部分。一个国家的电梯需求总量，主要受其经济增长速度、城市化水平、人口密度及数量、国家产业结构等综合因素的影响。在全球经济持续低迷的情况下，我国国民经济仍然以较高的速度持续增长，城市化水平不断提高。这从客观上导致了我国电梯行业的空前繁荣景象，我国已经成为全球最大的电梯市场。上世纪80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大。总趋势是上升的，目自口进入了“第三次浪潮”，2004年总产量超过了8万台，而且目前还没有减速的迹象。从1949年建国以来全国共生产安装了6l万多台电梯。尽管如此，我国的电梯远未达到饱和的程度。全世界平均1000人有l台电梯，我国如果要达到这个水准，还需要增加70万台。到那时候，全国在用电梯将达到130万台，每年仅报废更新就需要6万台。到2005年，中国电梯的年产量达到135万台，与1980年相比，25年增长了59倍，产量每年平均增长178%。2005年安装验收电梯124465台，截至05年底，我国的在用电梯总数已达651794台。如此庞大的市场需求为我国电梯行业的发展创造了广阔的舞台!我国电梯行业已经具备了很强的生产能力。兴旺的电梯市场吸引了全世界所有的知名电梯公司，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、同本三菱、日立、东芝、富士达等13家大型外商投资公司在国内的市场份额达到了74%。先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。苏州江南、山东百斯特、浙江巨人、上海华立、昌华、东莞飞鹏、宁波宏大、苏州申龙和东南液压电梯等一批优秀的电梯品牌看清了自己的定位与出路。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。国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高。自1985年我国参加了国际标准化组织ISOTCl78以来，先后等同或等效采用了一批国际标准和先进国家的标准。标准的高起点使我国电梯行业在技术上居于有利地位。许多新技术和新产品，如无机房电梯、无齿轮曳引机、永磁同步拖动技术、远程监控技术等，国际上也是刚刚出现，我国就有许多企业可以生产了。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。在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍。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。目前，国外除了以交流电梯取代直流电梯以外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。此外，家用小型电梯将成走电梯家族中新的组成部分。1.3 PLC在电梯控制中的应用以及发展前景目前，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。而PlC实际上是一种专用计算机，它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作；又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，属无触点运行，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。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。绿色是和平，绿色是天然，绿色是和谐。电梯是载人的机电设备，要实现“绿色”，也就是强调电梯更舒适、更安全地为人类的生产和生活服务，强调电梯与环境的协调与和谐。目前意义上的“绿色”，一般是强调“天然”的一面，强调与环境的协调与和谐。电梯属于纯粹的工业产品，其天然性应表现为对环境影响的尽可能小，与环境的协调与平衡，以及电梯本身的人性化。这也应是绿色电梯的发展方向。(1)智能化。 我们这罩所说的智能化电梯是传统的人工智能是无法胜任的。传统的智能控制是一种技术的事先安排，说到底是一种程序控制，是一种周期性的系统自动控制，实际上还算不上智能。而真正的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，具有动念和随机处理各种问题的能力，诸如能根据轿厢内的情况和各层的候梯信息，自动地制定每次最优的运动速度和停车政策；自动选择运动方面；双向语音交流；到达目的层的语音提示等，让乘客有更多的主动性，使大楼交通运输实现真正的人机对话。智能化要求电梯有自动安全检测功能，让电梯自己能够检测到电梯的故障所在，并及时报警予以排除。(2)安全。 运行安全是电梯的根本和关键。可以说，电梯的全部其他工作都是以此为中心展开的，使电梯安全运行更有保障。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，而且要有一种良好的视觉效果，让每一位乘客在宽敞、明亮轿厢内有安全、舒适的好心情。同时，电梯运行安全也要求电梯在运行中发生故障时，不但要使乘客容易与外界沟通联系，而且电梯本身应当能自动播放让乘客感到放松的音乐，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：视觉协调。 有人曾经做过环境色彩是否对人有影响的研究。该研究发展：视觉不协调的环境色彩对人的情绪、精神影响非常大。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。用料低廉，款式陈旧，色彩沉闷，甚至破破烂烂的电梯，乘客视觉协调无从谈起，乘坐电梯的第一感觉就是不安全。国内的许多电梯公司对此的重视是远远不够的，甚至不少通过引进国外技术国产化的电梯也显露出一副土生土长的容貌。消除电磁辐射。 如前所述，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，所以绿色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。这样不仅可以保证乘客的身心健康，而且也可以保证大楼、大厦中的大楼的办公自动化(0A)、楼宇自动化(BA)、通讯自动化(CA)的正常运转。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要求。随着时代的发展，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也有所考虑。因此，提倡对电梯进行豪华性装修，比如：轿厢内用镜面不锈钢装潢、在观光电梯井道设置宇宙空间或深海景象：进而主张电梯、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；在轿厢内播放电视节目，乘客可收看天气预报、新闻等。1.4 课题研究的内容课题所研究的内容主要是用可编程控制器（PLC）自动控制电梯系统。由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯。论文的主要内容如下：首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的总结和介绍。接着根据电梯的控制要求，设计模拟控制模板，确定PLC所需的输入/输出口的数量，确定PLC的型号，选定主机机型，并进行扩展。然后设计PLC的外部接线图、流程图等，编写控制程序，最后对编写的电梯控制程序进行仿真和调试。第2章 控制系统的组成2.1 PLC控制系统组成PLC控制系统像一般的计算机控制系统一样，也是由硬件和软件两个部分组成的，硬件是指PLC本身及其外围设备，软件是指管理PLC的系统软件，PLC的应用程序，编程语言和编程支持工具软件。图2-1 典型PLC控制系统的硬件组成图2.1.1 硬件的组成图2-1为典型PLC控制系统的硬件组成图。PLC控制系统的硬件是由PLC，输入/输出（I/O）电路及外围设备等组成的。系统规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。下面对构成控制系统的主要部分简要介绍。2.1.1.1 主控模块 除了早期生产的整体式PLC（PLC的各个不见都在同一机壳内）外，目前市场多数的PLC都已采用模块化的结构（PLC的各个部件独立封装，称之为模块）。在PLC中各个模块均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。在这个系统中最核心的模块是主控模块（也称CPU），它包括：CPU，存储器，通信接口等部分。2.1.1.2 输入/输出模块 PLC的控制对象是工业生产过程，它与工业生产过程的联系是通过I/O模块实现的。生产过程有许多控制变量，如温度，压力，液位，速度，电压，开关量，继电器状态等，因此，需要有相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场的桥梁。且这些模块应具有较好的抗干扰能力。目前，生产厂家已开发出各种型号的模块供用户选择。对于输入/输出模块有：数字量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，模拟量输入/输出模块，交流新号输入/输出模块，220V交流输入/输出模块。还有智能模块，它本身带CPU，存储器和监控系统，可独立完成各种运算。智能模块的种类很多，如高速计数模块，PID调节的模拟量控制模块，阀门控制模块，智能存储模块和智能I/O模块。2.1.1.3 电源模块 该模块将交流电源转换成供CPU存储器所需的直流电源，是整个PLC系统的能源供给中心。它的好坏直接影响到PLC的功能和可靠性。目前，大多数PLC采用高质量的开关式稳压电源，与普通电源相比，PLC的电源工作稳定性好，抗干扰能力也强。有些机器的电源除了供内部电路使用外，还向外提供24VDC的稳压电源，用于外部传感器的需要，这样就避免了因外部电源不合格而引起的外部故障。2.1.1.4 I/O电路 PLC的基本功能就是控制，它采集被控对象的各种信号。经过PLC处理后，通过执行装置实现控制。输入电路就是被控对象（需要进行控制的机器，设备和生产过程）进行检测，采集，转换和输入。另外，安装在控制台上的按钮，开关等也可以向PLC送控制指令。输出电路的功能就是接受PLC输出的控制信号，对被控对象执行控制任务。PLC的外围设备很多，但基本功能不外乎对信息和数据的处理。常用的有编程器，可编程终端，打印机，条码读入机等等。编程器PLC的重要外围设备之一，它可以将用户编写的程序送到PLC的用户程序存储器。因此，它的主要任务是输入程序，调试程序和监控程序的执行过程。可编程终端是具有I/O功能的PLC人机界面产品。人可以通过触摸屏幕将信息输入PLC中同样可编程终端也可以将PLC的输入数据和信息显示在屏幕上。2.2.2 软件的组成PLC控制系统的软件主要是系统软件，应用软件，编程语言及编程支持工具软件几个部分组成。2.2.2.1 PLC系统软件与工作过程 PLC系统软件是PLC工作所必须的软件。在系统软件的支持PLC对用户程序进行逐条的解释，并加以执行，直到用户程序结束，然后返回到程序的起始又开始新的一轮扫描。PLC的这种工作方式就称之为循环扫描。2.2.2.2 应用软件 PLC控制系统的应用软件是指为完成PLC实际控制任务而编制的各种软件。随着PLC应用领域范围的不断扩大，应用水平的提高，PLC应用软件也大大丰富起来了。PLC应用软件与一般计算机信息处理软件相比，有很大不同，PLC应用软件有以下几个特点：(1)应用软件设计必须与生产工艺紧密结合。生产工艺要求不同，控制的功能也就要求不同，即使是相同的生产过程，由于各种设备的工艺参数不一样，控制实现的方式也不一样。所以程序设计人员必须深入现场，严格遵守生产工艺的具体要求来设计应用程序。(2)应用软件与硬件紧密相关。软件设计人员不能抛开硬件配置和系统孤立地考虑软件设计。设计必须根据硬件系统，接口的实际情况进行相应的程序设计。(3)PLC应用软件的设计需要计算机，自动控制技术甚至网络通信技术等多种知识。特别是PLC网络的出现，PLC控制系统不再是一个单独的装置。在控制系统中，可能包括有多台不同型号的PLC，计算机，外围设备等。因此在进行软件设计时，实现和处理某种控制功能都离不开计算机，自动控制和通信技术。因此，应用程序中不仅有PLC程序，还有计算机程序和通信网络程序等。2.2.2.3 编程语言及编程支持工具软件 PLC有多种编程语言：梯形图语言，助记符语言，逻辑功能图语言，布尔代数语言和某些高级语言（Basic，C语言等）。但使用广泛的还是梯形图语言和助记符语言。现在世界上各个PLC生产厂家都研制了自己的PLC编程支持工具软件和监控组态软件。用户可以根据自己的需要利用这些软件来改善软件的开发环境，提高编程效率。2.3 PLC控制系统抗干扰措施自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是分散安装在生产现场的各单机设备上，虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用，但是由于它直接和现场的I/O设备相连，外来干扰很容易通过电源线 或I/O传输线侵入，从而引起控制系统的误动作。PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。在实际的生产环境下，外部干扰是随机的，与系统结构无关，且干扰源是无法消除的，只能针对具体情况加以限制；内部干扰与系统结构有关，主要通过系统内交流主电路，模拟量输入信号等引起，可合理设计系统线路来削弱和抑制内部干扰和防止外部干扰。要提高PLC控制系统的可靠性，就要从多方面提高系统的抗干扰能力。2.3.1 硬件抗干扰措施2.3.1.1 PLC控制系统的安装和使用环境 PLC是专为工业控制设计的，一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。但是在PLC控制系统中，如果环境过于恶劣，或安装使用不当，会降低系统的可靠性。PLC使用环境温度通常在0 55范围内，应避免太阳光直接照射，安装位置应远离发热量大的器件，同时应保证有足够大的散热空间和通风条件。环境湿度一般应小于85%，以保证PLC有良好的绝缘。在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的场合，需将PLC封闭安装。此外，如果PLC安装位置有强烈的振动源，系统的可靠性也会降低，所以应采取相应的减振措施。2.3.1.2 PLC的电源与接地 PLC本身的抗干扰能力一般都很强。通常，只能将PLC的电源与系统的动力设备电源分开配线，对于电源线来的干扰，一般都有足够强的抑制能力。但是，如果遇上特殊情况，电源干扰特别严重，可加接一个带屏蔽层的隔离变压器以减少设备与地之间的干扰，提高系统的可靠性。如果一个系统中含有扩展单元，则其电源必须与基本单元共用一个开关控制，也就是说，它们的上电与断电必须同时进行。良好的接地是保证PLC安全可靠运行的重要条件。为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接专用地线，并且接地点要与其它设备分开，如图2-4（a）。若达不到这种要求，也可采用公共接地方式，如图2-4（b）。但是禁止采用串联接地方式，如图2-4（c），因为它会使各设备间产生电位差而引入干扰。此外，接地线要足够粗，接地电阻要小，接地点应尽可能靠近PLC 。图2-4 PLC的接地接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗干扰的重要措施之一。接地在消除干扰上起很大的作用。这里的接地是指决定系统电位的地，而不是信号系统归路的接地。在PLC控制系统中有许多悬浮的金属架，它们是惧空中干扰的空中线，需要有决定电位的地线。交流地是PLC控制系统供电所必需的，它通过变压器中心点构成供电两条回路之一。这条回路上的电流、各种谐波电流等是个严重的干扰源。因此交流地线、直流地线、模拟地和数字地等必须分开。数字地和模拟地的共点地最好置悬浮方式。地线各点之间的电位差尽可能小，尽量加粗地线，有条件可采用环形地线。系统地端子(LG)是抗干扰的中性端子，通常不需要接地，可是，当电磁干扰比较严重时，这个端子需与接大地的端子(GR)连接。2.3.1.3 PLC的输入、输出设备 输入电路是PLC接受开关量、模拟量等输入信号的端口，其元器件质量的优劣、接线方式及是否牢靠也是影响控制系统可靠性的重要因素。以开关量输入为例，按钮、行程开关的触点接触要保持在良好状态，接线要牢固可靠。机械限位开关是容易产生故障的元件，设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮触点的选择也影响到系统的可靠性。在设计电路时，应尽量选用可靠性高的元器件，对于模拟量输入信号来说，常用的有420mA、020mA直流电流信号；05V、010V直流电压信号，电源为直流24V。对于开关量输出来说，PLC的输出有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式，具体选择哪种形式的输出应根据负载要求来决定，选择不当会使系统可靠性降低，严重时导致系统不能正常工作。如晶闸管输出只能用于交流负载，晶体管输出只能用于直流负载。此外，PLC的输出端子带负载能力是有限的，如果超过了规定的最大限值，必须外接继电器或接触器，才能正常工作。外接继电器、接触器、电磁阀等执行元件的质量，是影响系统可靠性的重要因素。常见的故障有线圈短路、机械故障造成触点不动或接触不良。这一方面可以通过选用高质量的元器件来提高可靠性，另一方面，在对系统可靠性及智能化要求较高的场合，可以根据电路中电流异常的情况对输出单元的一些重点部位进行诊断，当检测到异常信号时，系统按程序自动转入故障处理，从而提高系统工作的可靠性。若PLC输出端子接有感性元件，则应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点。 为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出应分别使用各自的电缆；对于集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线、必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧悬空，而在控制侧接地，其处理方式如图2-5。图2-5 屏蔽电缆的处理2.3.2 软件抗干扰措施 硬件抗干扰措施的目的是尽可能地切断干扰进入控制系统，但由于干扰存在的随机性，尤其是在工业生产环境下，硬件抗干扰措施并不能将各种干扰完全拒之门外，这时，可以发挥软件的灵活性与硬件措施相结合来提高系统的抗干扰能力。2.3.2.1 利用“看门狗”方法对系统的运动状态进行监控 PLC内部具有丰富的软元件，如定时器、计数器、辅助继电器等，利用它们来设计一些程序，可以屏蔽输入元件的错误信号，防止输出元件的误动作。在设计应用程序时，可以利用看门狗方法实现对系统各组成部分运行状态的监控。如用PLC控制某一运动部件时，编程时可定义一个定时器作“看门狗”用，对运动部件的工作状态进行监视。定时器的设定值，为运动部件所需要的最大可能时间。在发出该部件的动作指令时，同时启动看门狗定时器。若运动部件在规定时间内达到指定位置，发出一个动作完成信号，使定时器清零，说明监控对象工作正常；否则，说明监控对象工作不正常，发出报警或停止工作信号。2.3.2.2 消抖 在振动环境中，行程开关或按钮常常会因为抖动而发出误信号，一般的抖动时间都比较短，针对抖动时间短的特点，可用PLC内部计时器经过一定时间的延时，得到消除抖动后的可靠有效信号，从而达到抗干扰的目的。 2.3.2.3 用软件数字滤波的方法提高输入信号的信噪比 为了提高输入信号的信噪比，常采用软件数字滤波来提高有用信号真实性。对于有大幅度随机干扰的系统，采用程序限幅法，即连续采样五次，若某一次采样值远远大于其它几次采样的幅值，那么就舍去之。对于流量、压力、液面、位移等参数，往往会在一定范围内频繁波动，则采用算术平均法。即用n次采样的平均值来代替当前值。一般认为：流量n= 12，压力n=4最合适。对于缓慢变化信号如温度参数，可连续三次采样，选取居中的采样值作为有效信号。对于具有积分器A/D转换来说，采样时间应取工频周期(20ms)的整数倍。实践证明其抑制工频干扰能力超过单纯积分器的效果。2.4 PLC控制系统的发展趋势PLC当初是针对工业顺序控制发展而研制的。经过30几年的迅速发展，PLC已不仅能进行开关量控制，而且还能进行模拟量控制，位置控制。特别是PLC的通信网络技术的发展，使得PLC如虎添翼，由单机控制向多机控制，由集中控制向多层次分布式控制系统发展。现在PLC的足迹已遍布了国民经济的各个领域，形成了满足各种需要的PLC应用系统。今后PLC控制系统将朝什么方向发展呢？在市场经济发达的今天，产品的发展取决于市场的需求。PLC的主要应用领域是自动化。不同的企业对自动化的要求，规模以及投资数额都不相同，存在着不同的层次需求。从我国目前正在开展的以高新技术带动传统产业发展形式来看，我们不仅要大力发展适合于大，中型企业的高水准的PLC网络，而且也要发展合适小型企业该找的性能价格比高的小型PLC控制系统。所以今后PLC控制系统将朝着两个方向发展：一是向小型化，微型化系统方向发展。作为控制系统的关键设备，PLC将朝着体积更小，速度更快，功能更强，价格更低的方向发展。二是向大型化，网络化，多功能的方向发展。(1)小型化、高性能、低成本、简单使用。近年来，小型PLC应用十分普遍，超小型PLC的需求日趋增多。据统计，美国机床行业应用超小型PLC几乎占据了市场的1/4，国外许多PLC厂家正在积极地研制开发出各种超小型微型的PLC。例如德国西门子公司的S7-200既可以单机运行也可以联网实现复杂的控制。S7-200的最小配置是8个数字量输入和6个数字量输出，还可以根据实际情况扩展27个模块，最多可达到128个输入和120输出，此外S7-200还可以进行模拟量控制，是一种性能价格比较好的微型PLC(2)大型化、网络化、多功能。多层次分布式控制系统与集中型相比，具有更高的安全性和可靠性。系统设计，组态也更为灵活方便，地域分布也广，是当前控制系统发展的主要潮流。为了适应这种发展，实现工厂自动化，世界上各PLC生产厂家不断地研制开发功能更强的PLC网络系统。这种PLC网络一般是多级的，网络的最底层是现场执行级，网络的最上层为组织管理级。现场执行级可以由多个PLC或远程I/O工作站所组成，中间一级由PLC或计算机构成。最高一级一般由高性能的计算机组成。它们之间采用工业以太网，MAP网和工业现场总线相连构成一个多级分布式PLC。(3)PLC控制系统将与智能控制系统更进一步地相互渗透和结合。目前，PLC与计算机已成为地结合并广泛应用，PLC不再是单独的一个控制装置，它成为控制系统中的一个重要的组成部分和环节。随着集成电路和计算机技术的进一步发展，今后的PLC将更加注重它与智能控制系统的结合。许多PLC开发商已经注意到了PLC的兼容性，不仅是PLC与PLC的兼容，而且还注意到PLC与计算机的兼容，使之可以充分地利用计算机现有的软件资源。今后PLC将采用速度更快，功能更强的CPU，容量更大的存储器。并将更充分地利用计算机资源。PLC与工业控制计算机，集散控制系统，嵌入式计算机等系统还将进一步渗透与结合，这必将更进一步拓宽PLC的应用领域和空间。第3章 PLC的选型3.1 输入输出（I/O）点数的估算 本系统控制四层电梯,采用集选控制方式。为了完成设定的控制任务,主要根据电梯输入/输出点数确定PLC的机型。根据电梯控制的要求，电梯应具有内呼和外呼按钮、行程开关、开关门按钮，以及相应的指示灯，估算所需I/O口的数量，并绘制I/O口分配表，见表3-1。表3-1 I/O口分配表序号名 称输入点序号名 称输出点0一层内呼I0.00一层内呼指示Q0.01二层内呼I0.11二层内呼指示Q0.12三层内呼I0.22三层内呼指示Q0.23四层内呼I0.33四层内呼指示Q0.34一层外呼上I0.44一层外呼上指示Q0.45二层外呼下I0.55二层外呼下指示Q0.56二层外呼上I0.66二层外呼上指示Q0.67三层外呼下I0.77三层外呼下指示Q0.78三层外呼上I1.08三层外呼上指示Q1.09四层外呼下I1.19四层外听下指示Q1.110开门开关I1.210电梯上行门Q2.011关门开关I1.311电梯下行门Q2.112一层平层I1.412门电机开Q2.213二层平层I1.513门电机关Q2.314三层平层I2.014电梯上行指示Q2.415四层平层I2.115电梯下行指示Q2.516开门限位I2.216超重指示Q2.617关门限位I2.317警报器Q2.718电梯上升极限位I2.418一层指示Q3.019电梯下降极限位I2.519二层指示Q3.120超重I2.620三层指示Q3.221警报器按钮I2.721四层指示Q3.322激光传感器I3.022图3-2 EM223CN第4章 四层楼电梯控制系统设计4.1 电动机控制电路图根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图4-2所示。图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1KM4通过控制两台电动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，起过电流保护作用。曳引电机 门电机图4-2电动机控制电路图4.2 PLC外部接线图PLC外部接线图见下图4-3，其中包含主控制器CPU224CN及扩展模块EM223。接线图分为DC输入端和DC输出端。输入端DC24V的负极接公共端1M和2M。输入开关的一端接到DC24V的正极，输入开关的另一端连接到CPU224或ME223各输入端。输出端DC24V的正极接L+端。输出负载的一端接到DC24V的负极，输入开关的另一端连接到CPU224或EM223各输出端。图4-3 PLC外部接线图4.3 流程图 电梯上下行流程图见图4-4。假设电梯停在N（N=1,2,3,4）楼,M楼有信号,MN时，电梯上行；MN时，电梯下行。图4-4 电梯上下行流程图在电梯运行过程中，电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方向无其它内、外呼梯信号时，则电梯响应该外号。电梯应具有最远反向外梯响应功能。例如：电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。电梯响应流程图见图4-5。图4-5 电梯响应流程图当电梯到达系统控制的目标楼层时，控制系统发出开门信号，电梯门开，当门开到开门限位时，计时3秒钟，然后关门，直到关门限位产生信号。此过程期间，按开门按钮电梯门打开，按关门电梯门关闭，并且当门关闭动作时，门间来人会使光电传感器产生信号，控制系统发出开门信号，电梯开关门流程图见图4-6。图4-6 电梯开关门流程图4.4 操作原理简要说明电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵，其操纵内容为电梯运行方向。电梯轿箱内设有楼层内选按钮S1S4，用以选择需停靠的楼层。L1为一层指示、L2为二层指示、L3为三层指示、L4为四层指示，SQ1SQ4为到位行程开关。具体如下：1、开始时，电梯处于任意一层。2、当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时3S后自动关门。3、当有内呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时3S后自动关门。4、在电梯运行过程中，电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方向无其它内、外呼梯信号时，则电梯响应该外号。5、电梯应具有最远反向外梯响应功能。例如：电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。6、电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯停止运行后，按开门按钮电梯门打开，按关门电梯门关闭。4.5 编程元件明细表根据电梯控制的要求，为能实现电梯各种功能，构思PLC控制的程序，粗略估算肯能用到的编程元件。编程元件见下表4-1。表4-1 编程元件明细表PLC编程元件明细表输入继电器II0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 I3.0输出继电器QQ0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 01.0 Q1.1 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 Q2.7 Q3.0 Q.31 Q3.2 Q3.3位存储器MM1.1 M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 M0.4 M0.5 M3.3 M2.0 M2.1 M2.2 计时器TT33（设定值1000） T34(设定值300)特殊位存储器SM0.04.6 梯形图及注释4.6.1 电梯初始控制由于断电或故障等原因，会使PLC停止运行。当PLC重新运行时，假如电梯门未完全打开或关闭时，Q2.3置位有信号，产生关门动作，直到电梯门完全关闭，Q2.3复位。当电梯未在任意平层时，利用辅助继电器M1.1,电梯会下降，直到电梯碰触行程开关后停止。4.6.2 报警器及超重控制按下警报器按钮(I2.7)，警报器响(Q2.7)，计时10秒钟(T33)，警报器关门。此系统由电梯载重控制仪控制电梯载重。当电梯超重时(I2.6)，电梯禁止上下运行，并且超重指示灯亮起（Q2.6）。4.6.3 内指令信号的登记与消除以2层内呼为例：当按下2层内呼时(I0.1)，若电梯未在2楼平层时(I1.5)，2层指示灯亮(Q0.1)，电梯运行至2楼平层，门打开，2层指示灯灭；若电梯在2楼平层时，指示灯不亮。4.6.4 电梯选层定向辅助在电梯运行过程中，电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方向无其它内、外呼梯信号时，则电梯响应该外号。电梯应具有最远反向外梯响应功能。例如：电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。4.6.5 外召唤信号的登记与消除以2层外呼下指示灯为例：按下2层外呼下按钮（I0.5），若电梯未在2楼平层时(I1.5)，指示灯亮(Q0.5)，当电梯运行至二楼平层，并且该外呼信号得以响应时，门打开(Q2.2)，指示灯灭；若电梯停在2楼平层且门未处于打开动作时，按下2层外呼下按钮，指示灯亮，电梯门打开，指示灯灭。4.6.6 电梯开关门当电梯达目标楼层时，电梯门打开。以2层外呼下为例，当按下2层外呼下指示灯亮时（Q0.5），并且外呼作得到响应（M0.0），即M0.0有信号，当电梯运行至2楼平层时（I1.5），电梯门打开(Q2.2)。电梯开门到位后，计时3秒(T34)，电梯门关闭(Q2.3)。电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯停止运行后，按开门按钮电梯门打开，按关门电梯门关闭。此外当门关闭时，若门间来人，光电传感器会产生信号，控制电梯门打开。4.6.7 电梯指层控制电梯楼层位置由行程开关控制。以2层指示灯为例：若电梯在2楼平层时(I1.5)，2层指示灯亮(Q3.1)，当电梯向上运行(Q2.0)，指示灯依然亮着，直到电梯到达3层平层位置(I2.0)；若电梯在3楼层时，3层指示灯亮(Q3.2)，辅助继电器M2.1置位，电梯下行时（Q2.1），3层指示灯灭，2层指示灯亮，当电梯到达2楼平层时，M2.1复位。4.7 程序仿真与调试编好的程序用S7-200仿真软件进行了仿真，步骤如下：第一步，把程序导出保存为“四层电梯控制系统.awl”文件。第二步，打开仿真软件，选择CPU224及扩展模块EM223。第三步，装载“四层电梯控制系统.awl”文件。第四步，监控梯形图，运行PLC。第五步，点击输入点，使相应输入点闭合，查看梯形图输出情况，如图4-6所示。第六步，根据仿真情况对程序进行相应的修改和调试。 通过仿真与调试，最终得到的程序符合电梯控制的各项要求。图4-6 PLC仿真第5章 结论5.1 结论本次设计利用S7-200可编程控制器实现对电梯的控制。通过I/O口的估算，合理的选择PLC的型号。根据电梯的控制要求，合理的分配I/0口，绘制流程图，编写电梯控制程序，并通过软件对程序进行仿真调试，使电梯实现了轿内与各层呼梯指令的记录、电梯运行方向和选层的控制，电梯上下行和自动开关门、电梯的指层控制等功能，达到了预定的设计目的。这次设计也存在一定的不足。由于时间的仓促、设备条件和专业知识的限制，只能模拟电梯控制，用软件进行仿真，未能对相关的元器件进行选型和制作电梯模型。另外，整篇论文肯定存在尚未发现的缺点和错误，肯请阅读此篇论文的老师多予指正。面对问题，才有可能解决问题。不足和遗憾不会给我打击，只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术、新设备、新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为社会做出应有的贡献，为祖国建设做出贡献。致 谢两年大学时光伴随着毕业设计即将画上一个完整的句号。回首这两年的美好岁月，感觉自己收获颇多。在完成了大学最后一项任务后，突然发现