基于PLC的四层电梯控制设计(毕业设计)

苏州信息职业技术学院

毕业设计报告（论文）

系别：电气与电子工程系

专业：楼宇智能化工程技术

班级：09楼宇1班

学生姓名：陈东泽

学生学号：G0*******

设计（论文）题目：基于PLC的四层电梯控制设计

指导教师：侯文芳

起讫日期：2011.9.5—2011.11.11

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学生（签名）年月日指导教师（签名）年月日教研室主任（签名）年月日系主任（签名）年月日

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毕业设计（论文）开题报告

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毕业设计报告（论文）摘要

目录

目录............................................................. V III 1 绪论 (1)

1.1 电梯的基本分类 (1)

1.2 可编程控制器（PLC）的产生和发展历程 (2)

1.3 PLC的组成及特点 (3)

1.4 PLC的应用 (3)

2 电梯总体方案的设计 (4)

2.1 电梯整体设计方案 (4)

2.2 电梯的外部结构 (5)

2.3 硬件的选择以及I/O端口的分配 (6)

2.4 电梯的控制要求 (7)

2.5 PLC外部接线图 (8)

3 电梯系统的软件设计 (9)

3.1 西门子PLC编程软件简介 (9)

3.2 程序及过程分析 (9)

4 系统调试 (33)

4.1 硬件部分调试 (33)

4.2 软件部分调试 (33)

4.3 运行调试结果 (34)

总结 (35)

致谢 (35)

参考文献 (36)

1绪论

电梯进入人们的生活已经150年了。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。从此，人类历史上第一部安全升降梯诞生。奥的斯先生的发明彻底改写了人类使用升降工具的历史。从那以后，升降梯在世界范围内得到广泛应用。1889年12月，美国奥的斯电梯公司制造出了名副其实的电梯，它采用直流电动机为动力，通过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索，悬挂并升降轿厢。1892年，美国奥的斯公司开始采用按钮操纵装置，取代传统的轿厢内拉动绳索的操纵方式，为操纵方式现代化开了先河。

生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新——手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形——扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保等一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好。

直到1901年，由美国奥的斯公司安装的电梯出现在上海，也是中国历史以来最早的一部电梯。如今，在中国的任何一个城市，电梯都在被广泛的应用，电梯给人们的生活带来极大的便利。同时，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。时至今日，电梯已进入了全面发展的新时期。

1.1电梯的基本分类

电梯的种类很多，按用途分类，可以分为乘客电梯、载货电梯、医用电梯、住宅电梯、杂物电梯、观光电梯、车辆电梯、船舶电梯和建筑施工电梯等；按驱动方式分类，可以分为交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、螺杆式

电梯和直线电机驱动电梯等；按速度分类，可以分为低速梯（常指低于1.00m/s 速度的电梯）、中速梯（常指速度在1.00～2.00m/s的电梯）、高速梯（常指速度大于2.00m/s的电梯）和超高速梯（速度超过5.00m/s的电梯），但随着电梯技术的不断发展，电梯速度也越来越高，区别高、中、低速电梯的速度限值也在相应地提高；按操纵控制方式分类，可以分为按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯和群控电梯等；除了上述电梯的分类方式外，还有按电梯有无司机分类、特殊电梯分类等。

1.2可编程控制器（PLC）的产生和发展历程

第一台可编程控制器的设计规范是美国通用汽车公司（GM）提出的。当时的目的是要求设计出一种新的控制装置来取代继电器，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序、可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。1969年美国通用汽车公司（GM）公开招标，要求控制装置取代继电器控制装置，并提出了研制“新型逻辑控制装置”的十项招标指标，即：1.编程方便，现场可修改程序；2．维修方便，采用模块化结构；3.可靠性高于继电器控制装置；4.体积小于继电器控制装置；5.数据可直接送入管理计算机；6.成本可与继电器控制装置竞争；7.输入可以是交流115V；8.输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9.在扩展时，原系统只要很小变更；10.用户程序存储器容量至少能扩展到4K。这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC 的新纪元。

PLC的发展分四个阶段。第一阶段：初级阶段（1969至70年代中期），PLC 主要是逻辑运算、定时和计数功能，没有形成系列。但与继电器控制相比，可靠性有一定提高。CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。第二阶段：扩展阶段（70年代中期至末期），PLC产品的控制功能得到了很大的扩展，包括数据传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。增加了数字运算功能，能完成模拟量的控制。开始具备自诊断功能，存储器采用EPROM. 第三阶段:通信阶段（70年代中末期至80年代中期），PLC随着计算机通信的发展，形成了分布

式网络。PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。第四阶段：开放阶段（80年代中期至今），通信系统开放，使各制造商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益。PLC开始采用标准化软件系统，并完成了编程语言标准化工作。

1.3PLC的组成及特点

PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部分及外部设备组成。除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，缺一不可，共同构成PLC。PLC 的软件系由系统程序和用户程序两大部分组成。

PLC能如此迅速发展，除了工业自动化的客观需求外，还因为他具有许多独特的优点。它较好到解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。以下是其主要特点：（1）编程方法简单易学（2）功能强，性能价格比高（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强（4）可靠性高、抗干扰能力强（5）系统的设计、安装、调试工作量少（6）维修工作量小，维修方便（7）体积小、耗能低。

1.4PLC的应用

开关量的开环控制是PLC的最基本控制功能。所控制的逻辑功能可以是各种各样的。PLC控制的输入输出点数可以不受限制，少则十点、几十点，多则成千上万点，并可以通过互联网来实现控制。用PLC进行开关量控制的实例很多，几乎所有的工业都会运用到它。人们选用PLC的主要目的就是将其用于开关量的控制。

1.模拟量的闭环控制

对于模拟量的闭环控制系统，除了要有开关量的输入、输出点以实现某种顺序或逻辑控制外，还要有模拟量的输入、输出点，以便采样输入和调节输出，实现过程控制的PID调节或模糊控制调节，形成闭环系统。这类PLC系统能实现对温度、流量、压力、位移、速度等参量的连续调节与控制。

2.数字量的智能控制

利用PLC能实现接收和输出高脉冲的功能，而这功能实际中用途很大。在配备相应的传感器(如旋转编码器)或脉冲伺服装置（如环型分配器、动放、步进电

机）后，PLC控制系统也能实现数字量的智能控制。

3.数据采集与监控

PLC作为现场数据采集监控系统，普遍采用的方法是PLC加触摸屏，这样既可随时观察采集下来的数据，又能及时进行系统分析。有的PLC本身就具有数据记录单元。此时可利用一般的便携计算机的存储卡，插入到该单元中保存采集到的数据。其另一个特点是自监信号多，可以实现自诊断式的监控，同时还可以减少故障修复时间，提高系统可靠性。

4.联网、通信及集散控制

PLC的联网、通信能力很强，可实现PLC与PLC之间的联网通信，也可实现与上位计算机的联网与通信，也能与智能仪表装置进行联网和通信。利用PLC 强大的联网通信功能，把PLC分布到控制现场，实现各PLC控制站间的通信以及上下层间的通信，从而实现分散控制集中管理。这样的系统实际上就是PCS（过程控制系统）系统，有的企业把全厂的自动化系统组成通信网络，从而组成计算机集成制造系统。

2电梯总体方案的设计

2.1电梯整体设计方案

本次设计的主要目的是结合实际的控制装置，综合所掌握的理论知识，完成一套完整的PLC控制系统的设计任务，包括PLC模块的选用，I/O端口的分配、PLC外部接线图的设计及梯形图程序的设计与调试，以提高学生的综合设计能力。电梯的整体设计方案如下图2.1所示。

图2.1整体设计方案图2.2电梯的外部结构

电梯的外部结构如下图2.2所示。

UP

DOWN

DN4UP3

DN3DN2

四层电梯

SL4SL3SL2SL1

电梯内选按钮、提示S4

S3

S2

S1

D4

D3D2

U3

U2

U1

SQ4SQ3SQ2SQ1L4

L3

L2

L1

UP DOWN

DN4DN3DN2UP3UP2UP1SL4SL3

SL2SL1

V+

COM

图2.2电梯的外部结构

S1、S2、S3、S4分别为轿厢内一层、二层、三层、四层电梯的内选按钮；D2、D3、D4分别为二层、三层、四层电梯外下呼按钮；U1、U2、U3分别为一层、二层、三层、四层电梯外上呼按钮；SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别为一层、二层、三层、四层行程开关。

L1、L2、L3、L4分别为一层、二层、三层、四层电梯位置指示灯；DOWN 为电梯下行状态指示灯；UP 为电梯上行状态指示灯；DN2、DN3、DN4分别为二层、三层、四层电梯外下降指示灯；UP1、UP2、UP3分别为一层、二层、三层电梯外上升指示灯。

2.3 硬件的选择以及I/O 端口的分配

首先确定PLC 的基本单元选用的是CPU224，它是由14个输入点和10个输

出点。由于CPU224的输入和输出点不能满足设计的要求，而CPU224自身可带7个拓展模块，所以增加一个拓展模块EM223（8点输入、8点输出）。

电梯控制的逻辑关系，各输入、输出端口分配见表2.1。

表2.1端口分配及功能表

2.4电梯的控制要求

本系统设计的电梯达到如下要求:

1. 电梯由安装在各楼层电梯口的上升下降呼叫按钮（U1、U2、U3、D2、D3、D4），电梯轿厢内楼层选择按钮（S1、S2、S3、S4），上升下降指示（UP、DOWN），各楼层到位行程开关（SQ1、SQ2、SQ3、SQ4）组成。电梯自动执行呼叫。

2. 电梯在上升的过程中只响应向上的呼叫，在下降的过程中只响应向下的呼叫，电梯向上或向下的呼叫执行完成后再执行反向呼叫。

3. 电梯等待呼叫时，同时有不同呼叫时，谁先呼叫执行谁。

4. 具有呼叫记忆、内选呼叫指示功能。

5. 具有楼层显示、方向指示、到站提示功能。

6. 完成四层电梯控制模拟装置的接线、调试、操作，实现四层电梯的上升、下降控制。

2.5PLC外部接线图

下图2.3是西门子S7-200PLC的外部接线图。主机1M、2M和面板V+接电源+24V，主机1L、2L、3L、4L和面板COM接电源GND。

图2.3 PLC外部接线

3电梯系统的软件设计

3.1西门子PLC编程软件简介

STEP7-Micro/WIN是专门为S7-200设计的，在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学。用户可以通过语句表、梯形图和功能模块图编程，不同的编程语言编制的程序可以相互转换，可以用符号表来定义程序中使用的变量地址对应的符号。

STEP7-Micro/WIN4.0的编程界面中的程序编辑器窗口内包含为当前项目使用的编辑器的局部变量表和程序视图。其编程软件具有以下一些功能：硬件配置、参数设置、通信设置、程序编辑、测试、运行和诊断等功能。

3.2程序及过程分析

1.初始化：

初始脉冲SM0.1，将Q0.0－Q1.1清零，将M0.0开始的200个存储位清零。

2.电梯上升：

电梯上升的情况有：一层到二层、一层到三层、一层到四层、二层到三层、二层到四层、三层到四层，6种情况。

上升特征：

SQ1*(U1+U2+U3+S2+S3+S4+D2+D3+D4)+SQ2*(U2+U3+S3+S4+D3+D4)

+SQ3*(U3+S3+D4)

上式是罗列了:电梯停在一楼，上升到二层、三层和四层;电梯停在二楼，上升到三层和四层；电梯停在三楼，上升到四层的情况；

（1）一层到二层：电梯在一楼，厢内按二楼：S2（或二楼厢外按下呼叫：D2）。

1）电梯停靠在一层。SQ1开关ON，SQ2\SQ3\SQ4开关OFF。

观察：数码器显示“1”。

SET-A=SQ1↑,RST-B\C\D=SQ1↑.

2）电梯一层向二层上升。厢内按二楼：S2（或二楼厢外按下呼：D2），SQ1开关由“ON”变“OFF”。

观察：楼层指示灯L1由亮变暗，楼层指示灯L2由暗变亮，层选指示灯SL2亮，电梯上升指示灯UP亮。数码器显示“1”。

SET-L1=SQ1*(S2+D2);SET-SL2=SQ1*S2;

SET-UP=SQ1*(S2+D2);SET-L2=RST-L1=(SQ1↓);

3）电梯到达二层。SQ2开关ON，SQ1\SQ3\SQ4开关OFF。

观察：楼层指示灯L2、层选指示灯SL2和电梯上升指示灯UP全部熄灭，数码器显示“2”。

SET-B=SQ2↑,RST-A\C\D=SQ2↑.

RST-SL2=RST-UP=RST-L2=(SQ2↑);

（2）一层到三层。电梯在一楼，厢内按三楼：S3（或三楼厢外按下呼：D3）。

1）电梯停靠在一层。SQ1开关ON，SQ2\SQ3\SQ4开关OFF。

观察：数码器显示“1”。

SET-A=SQ1↑,RST-B\C\D=SQ1↑.

2）电梯一层向三层上升。厢内按三楼：S3（或三楼厢外按下呼：D3），SQ1开关由“ON”变“OFF”。

观察：楼层指示灯L1由亮变暗，楼层指示灯L2由暗变亮，层选指示灯SL3亮，电梯上升指示灯UP亮，数码器显示“1”。

SET-L1=SQ1*(S3+D3);SET-SL3=SQ1*S3;

SET-UP=SQ1*(S3+D3);SET-L2=RST-L1=(SQ1↓);

3）电梯途经二层。SQ2开关ON，电梯到二层；SQ2开关OFF，电梯离开二层。

电梯到达二层观察：楼层指示灯L2变暗，层选指示灯SL3保持亮，楼层上升指示灯UP保持亮，数码器显示“2”。

电梯离开二层观察：楼层指示灯L3变亮，层选指示灯SL3保持亮，楼层上升指示灯UP保持亮，数码器显示“2”。

SET-B=SQ2↑,RST-A\C\D=SQ2↑.

RST-L2=(SQ2↑);SET-L3=(SQ2↓);

4）电梯到达三层。SQ3开关ON，SQ1\SQ2\SQ4开关OFF。

观察：楼层指示灯L3、层选指示灯SL3和电梯上升指示灯UP全部熄灭，数码器显示“3”。

SET-A\B=SQ3↑,RST-C\D=SQ3↑.

RST-SL3=RST-UP=RST-L3=(SQ3↑);