电梯控制系统设计毕业设计论文

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课题基于PLC的建筑设备自动控制系统设计

——电梯控制系统设计（一）指导教师

摘要

本文介绍一种电梯PLC控制系统。电梯是垂直方向的运输设备，是高层建筑中不可缺少的交通运输设备。它靠电力，拖动一个可以载人或物的轿厢，在建筑的井道内导轨上做垂直升降运动，在人们生活中起着举足轻重的作用。而控制电梯运行的PLC系统也要求越来越高，要求达到电梯运行的“稳、准、快”的运行目的。该系统主要由PLC、逻辑控制电路组成。其中包括继电器、接触器、行程开关、按钮、发光指示器和变频器组成为一体的控制系统。本机控制单元采用以西门子的可编程控制器PLC对机器进行全过程控制。

为了提高电梯控制系统的可靠性和设备的工作效率，设计了以PLC为核心控制器的电梯控制系统，用来取代以往的较复杂的继电器—接触器控制。本设计控制系统针对的是五层电梯。核心控制部分采用的是软件程序控制，从而在保证电梯正常运行这个要求的情况下，大大的提高了电梯故障检查与维修的方便性和容易性，同时还克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素，实现了电梯主机的启动加速与稳定运行、停车制动、呼叫优先响应和开关门等控制功能，取得了良好的预期效果。

关键词：电梯；PLC；梯形图；控制系统

Abstract

This text introduces the control system of a kind of elevator PLC. The elevator is perpendicular directional of the conveyance equipments be in the high building of transportation equipments. It depends electric power, dragging along to move a car that can carry person or thing and lead a track in the building of the well way up do perpendicularity to ascend and descend sport, there is prominent function in the people's life. And the control elevator circulate of the PLC system also has more and more high request, request to attain the movement purpose of "steady, quasi-, quick" of elevator movement. That system mainly from PLC, logic control the electric circuit constitute. Include an exchanges difference to tread electric motor among them, after the electric appliances, get in touch with a machine, route of travel switch and press button, give out light the indicator constitute and transducer for the control system of integral whole. The machine control unit adoption carries on whole process a control to the machine by the programmable controller PLC of Siemens company.

In order to improve the reliability of elevator control system and equipment working efficiency, people designed PLC as the core controller in the elevator control system which replace the used complex relay - contactor control.The core control is partly adopted software program control system, the elevator breakdown checking and maintenance convenience is greatly improved and at the same time, the manual operation of some human interference is overcome in order to guarantee the normal operation of the elevator requirements in the situation.Therefore, accelerated starting and stable operation in the elevator host , parking brake, call preferred response, and open closing control functions are realized,which achieve the expected great performance.

Key words:Elevator; PLC; Ladder diagram; Control system

目录

1 绪论 (1)

1.1PLC电梯控制系统概述 (1)

1.2PLC的定义和组成 (2)

1.3可编程控制 (2)

1.4PLC的等效工作电路 (3)

1.5PLC的工作原理 (3)

1.6可编程控制器的特点 (4)

2电梯设备及发展动态 (5)

2.1电梯的出现及发展 (5)

2.2电梯的分类 (6)

2.3电梯的结构 (6)

2.3.1曳引系统 (6)

2.3.2 导向系统 (6)

2.3.3轿厢 (7)

2.3.4 门系统 (7)

2.3.5 重量平衡系统 (7)

2.3.6 电力拖动系统 (7)

2.3.7 电气控制系统 (7)

2.3.8 安全保护系统 (7)

2.4电梯发展展望 (7)

3 西门子S7-300软件与硬件设计 (9)

3.1STEP7编程软件的编程语言及基本指令 (9)

3.2STEP7编程软件的基本指令 (10)

3.3电梯设计流程图 (12)

3.4电梯控制I/O口的分配 (13)

3.5PLC I/O硬件连接图 (14)

4电梯功能及模块化程序说明 (16)

4.1梯形图的设计 (16)

4.1.1 开关门环节 (16)

4.1.2 层楼信号的产生与清除环节 (18)

4.1.3停层信号的登记与消除环节 (18)

4.1.4 呼信号的登记与消除环节 (19)

4.1.5 电梯的定向环节 (20)

结束语 (23)

致谢 (24)

参考文献 (25)

附录 (26)

基于PLC的建筑设备自动控制系统设计

——电梯控制系统设计（一）

1 绪论

1.1 PLC电梯控制系统概述

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。同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速，不仅能满足乘客的舒适感和保证平稳的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。因此，PLC 控制技术加变频调速已成为现代电梯行列的一个热点。

本课题的研究题目——“基于 PLC的电梯控制系统的设计”做诠释如下 PLC 控制是指电梯信号控制由 PLC 及其软件来实现，控制系统的核心为 PLC。其次课题开发的主要任务和内容是：建立“PLC 控制的电梯系统”的总体框架；信号控制系统利用 PLC 集中处理电梯运行方式、安全保护信号、内指令信号、外召唤信号、井道信号、门区信号、开关门及限位信号等信号，并显示电梯所到楼层、运行方向及呼梯应答等，实现开关门控制；拖动控制系统中曳引机的启动、运行、制动停止，包括正反转信号及多种速度信号，经 PLC 运算、判断后通过电机来实现。达到的要求是：通过深入的理论研究和编程实践，全面认真的完成上述几个内容。

本课题的核心问题有两个：一是运行效率、平层精度和安全性的要求；二是PLC 实现电梯信号控制及其软件开发。对于第一个问题，通过选择合适的PLC，进行合理的设计和编程便可以实现。本人选择的PLC是德国西门子公司的CPU-314 型可编程控制器。第二个问题，根据电梯所要实现的功能以及 PLC 的顺序执行程序的特点，编写 PLC 程序主要是采取模块化编程思想，即根据各功能实现的条件及原则编写各个功能模块来实现。

方案选择是通过多种方案的比较和对照，完成电梯控制系统中控制方法的选择。

1.2 PLC的定义和组成

可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的崭新的工业自动控制装置。PLC以基本代替传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域，它已跃居工业自动化三大支柱的首位。

PLC控制系统的硬件是由微处理器（CPU）、存储器（ROM和RAM）、输入/输出（I/O）单元、电源单元及外围设备等组成硬件结构如图1所示。系统的规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。

图1-1PLC硬件结构

1.3 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，故又称为软件程序。

1.4 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：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

1.5 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，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：

（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。

1.6 可编程控制器的特点

20世纪60年代末，为了克服传统继电器的种种应用上的缺点，人们研制出了一种先进的自动控制设备PLC，由于PLC具有优良的技术性能，因此它一问世就很快得到了推广应用。现在PLC作为用于工业生产过程控制的专用计算机，与商家、家用的微机不同，由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和工作运行的连续性，在电梯控制中采用了PLC，使其在设计上有许多特点：

（1）用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。

（2）可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。

（3）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。

（4）可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能，减少接线量。

2电梯设备及发展动态

2.1 电梯的出现及发展

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·奥的斯第一次向世人展示了他的发明---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了广泛应用。以奥的斯的名字而命名的电梯公司也开始了她辉煌的旅程。150 年以来，她已经发展成为世界、亚洲和中国领先的电梯公司。

自从我国实行改革开放政策以来，全国各地高层建筑不断涌现，作为高楼的垂直交通工具―电梯，其需求量日益增长。各种类型、规格繁多的电梯已在高楼内投入运行。为了确保电梯正常运行、安全使用，必须要了解电梯、熟悉电梯、管理电梯、维护好电梯。

20世纪初，美国出现了曳引式电梯，其结构如

图2-1所示，从图中可见，钢丝绳悬挂在曳引轮上，

一端与轿厢连接，而另一端与对重连接，随曳引轮的

转动，靠钢丝绳与曳引轮槽之间的摩擦力使轿厢与对

重作一升一降的相反运动。显然，钢丝绳不用缠绕，

因此钢丝绳的长度和股数均不受限，当然轿厢的载重

以及提升高度就得到了提高，从而满足了人们对电梯

的使用需求。因此，近一百年来，曳引式电梯一直受

到重视，并发展沿用至今。图2-1 曳引式电梯示意图

1—轿厢 2—曳引轮 3—对重在后来的几十年里，电梯的自动平层控制系统以及通过变换电动机极数的调速方法来调整电梯的运行速度的技术相继研制成功，1933年世界上第一台运行速度为6m/s的电梯被安装在美国纽约的帝国大厦。

第二次世界大战后，建筑业的发展促使电梯进入了高峰发展时期，代表新技术的电子技术被广泛应用于电梯领域的同时，陆续出现了群控电梯、超高速电梯、交流变频变压调速电梯。

随着电力电子技术的发展，晶闸管变流装置越来越多地用于电梯系统，使电梯的拖动系统简化，性能提高。同时交流调压调速系统的研制和开发，使交流电梯的调速性能有了明显的改善。进入20世纪80年代，通过控制电动机定子供电电压与频率电梯运行速度的调压调频技术研制成功，出现了交流变压变频（VVVF）调速电梯，开拓了电梯拖动的新领域。1993年，日本生产了12.5m/s的世界高

速交流变压变频调速电梯，结束了直流电梯独占高速领域的历史。

电梯发展的今天，在使用需求和新技术应用方面都进入到全面发展时期，随着智能化、信息化建筑的兴起与完善，要求电梯不只是完成垂直运输的基本功能，还应以人为本提高舒适度，特别从电梯运行的控制智能化角度考虑，电梯的优质服务不再是单一的“时间最短”问题，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统等方法，以期实现单梯与群控管理的最佳模式。合理的配置与使用远程监控与故障诊断、节能以及减少环境污染等。本文中着重研究电梯的升降控制逻辑，不着重主电动机的升降速度以及电梯的安全保护措施。

2.2 电梯的分类

电梯的分类有各式各样：

（1）按速度分类：低速电梯 1m/s以下，高速电梯 2-3m/s，超高速电梯3-10m/s。

（2）按用途分类：乘客电梯，住宅电梯，观光电梯，载货电梯，客货两用电梯，车辆电梯，其他电梯。

（3）按拖动方式分类：交流电，直流电梯，液压电梯，齿轮齿条电梯。螺杆式电梯。

（4）按有无司机分类：有司机电梯，无司机电梯，有/无司机电梯。

（5）按控制方式分类：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，群控电梯。

（6）按曳引机结构分类：有齿曳引机电梯，无齿曳引机电梯。

（7）其它分类方式：按轿厢尺寸的大小分类时，经常使用“小型”、“超大型”等词来描述电梯。按机房位置不同可分为：机房位于井道顶部的上置式电梯；机房底部的下置式电梯。

2.3 电梯的结构

2.3.1曳引系统

曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。

曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。

2.3.2 导向系统

导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

2.3.3轿厢

轿厢由轿厢架和轿厢体组成。运载乘客或其他载荷的轿体部件，如图2所示。

轿厢是电梯用以承载和运送人员和物资的箱形空间。轿厢一般由轿底、轿壁、轿顶、轿门等主要部件构成，其内部净高度至少应为2m。

2.3.4 门系统

门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。

门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。

2.3.5 重量平衡系统

系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。

系统主要由对重和重量补偿装置组成。

2.3.6 电力拖动系统

电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。

电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。

2.3.7 电气控制系统

电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。

电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜)，平层装置，选层器等组成。

2.3.8 安全保护系统

保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。

由限速器，安全钳，缓冲器，端站保护装置组成。

2.4 电梯发展展望

(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、体积小型化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。同时，无机房电梯在新世纪将会有较大速度发展。

(2) 技术含量更高，性能更好。

电梯行业技术发展非常迅速，几年前推出的具有先进性能、高舒适性的VVVF 电梯，如今已成为电梯行业的标准配置，因为永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更洁净、更安全、更安静、更经济的特点，所以永磁同步曳引机逐步成为新型曳引机的主流；由于永磁技术的先进性，将来很有可能取代VVVF 技术。另外，网络控制和智能群控系统以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性亦是电梯的发展潮流。

(3) 安装更方便、更快捷。

高效、安全、可重复使用的无脚手架安装，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更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。

(4) 理念是电梯发展趋势。

不断改进产品的设计，生产环保型低能耗、低噪声、无漏油、无漏水、无电磁干扰、无井道导轨油渍污染的电梯。电梯曳引采用尼龙合成纤维曳引绳，钢皮带等无润滑油污染曳引方式。电梯空载上升和满载下行电机再生发电回收技术。

3 西门子S7-300软件与硬件设计

3.1 STEP 7编程软件的编程语言及基本指令

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。

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）编程语言，它们在STEP 7中可以相互转换。本实验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。

3.2 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。

大多数用梯形图和指令程序，主要包括：

(1) 设计控制流程，根据工艺要求先画出工作循环，如有必要再画详细的状态流程图；

(2) 根据工作循环图，画出虚拟的电路图----继电器梯形图；

(3) 按梯形图编写指令程序表；

(4) 系统调试：根据设计要求，对程序进行调试和修改，必要时还可对硬件进行修改，直到符合要求为止。

在WINDOWS环境下打开s7软件，向软件中输入程序，待程序输入完毕将其变换后写入PLC中。写入完毕后，打开菜单栏中仿真软件，将程序下载在到软件当中，运行软件实现对ＰＬＣ过程的监控功能。根据实验要求，动作相应开关，模拟电梯控制系统的工作过程。在实验过程中要注意观察程序运行的变化过程。

若输入的程序有问题，对程序进行修改，经变换后再写入ＰＬＣ中调试。符号表是STEP7用来定义符号地址的表格形式，其本质都是为了建立绝对地址和符号地址之间的内在联系。

图3-1 S7-200项目创建

图3-2 I/O点的地址分配

3.3电梯设计流程图

根据电梯的工作原理与功能要求以及输入/输出点的地址分配表，来绘制电梯的程序流程图。和设计电梯的程序梯形图。电梯程序流程图为图3-3。梯形图

3.4 电梯控制I/O口的分配

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、门锁、开关门限位等单元构成。

表 3-1 电梯输入输出端子

（1）输入单元为：

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；

各楼层位置开关：通过电梯触碰个楼层位置开关来确定位置所在层信息，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：当电梯电机处于正转或反转状态时为自动运行时开门按钮失效；

开关门限位：负责表征开门到位及关门到位。

（2）输出单元为：

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；

图3-4 电梯轿厢

3.5 PLC I/O硬件连接图

根据上面I/O地址分配的分析和电梯的要求，本设计采用西门子公司的PLC，型号为CPU-314，输入输出节点各为46个。该PLC既能满足输入输出节点的需求，而且还留有一定的冗余量，为以后电梯系统的扩展提供方便，具体的硬件连接图如图3-5所示。

图3-5 PLC I/O硬件接线图