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指导教师：

党智乾职称：

毕业设计（论文）进度计划表

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教师对进度计划实施情况总评

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本表作评定学生平时成绩的依据之一。

摘要

随着科学技术的发展、近年来，我国的电梯生产技术得到了迅速发展．一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。

更新换代生产更新型的电梯，电梯主要分为机械系统与控制系统两大部份，随着自动控制理论与微电子技术的发展，电梯的拖动方式与控制手段均发生了很大的变化，交流调速是当前电梯拖动的主要发展方向。

目前电梯控制系统主要有三种控制方式：

继电路控制系统（“早期安装的电梯多位继电器控制系统）、PLC控制系统、微机控制系统。

继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。

微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。

而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，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造。

关键词:

PLC，电梯，顺序控制，CPU。

Abstract

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Keywords:

第1章绪论

1.1四层楼电梯自动控制的发展历史

在现代社会和经济活动中，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。

特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。

　电梯作为垂直运输的升降设备其特点是在高层建筑物中所占的面积很很小，同时通过电气或其它的控制方式可以将乘客或货物安全、合理、有效地送到不同的楼层。

基于这些优点，在建筑业特别是高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期。

　电梯的存在，使得每栋大型高楼都可以成为一座垂直的城市。

在纽约的前世界贸易中心大楼里，除每天有5万人上班外，还有8万人次的来访和旅游，因此250台电梯和75台自动扶梯的设置与正常运行，才使得合理调运人员、充分发挥大楼的功能成为现实。

我国第一高楼、做落在上海浦东的金茂大厦，高度为420.5米，主楼地上88层，建筑面积220000平方米，集金融、商业、办公和旅游为一体，其中60台电梯、18台扶梯的作用是显而易见的。

20世纪初，美国出现了拽引式电梯，拽引式电梯将钢丝绳悬挂在拽引轮上，一端与轿厢连接，而另一端与对重连接，随拽引轮的转动，靠钢丝绳与拽引轮之间的摩擦力，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制，当然轿厢的载重量以及提升的高度就得到了提高，从而满足了人们对电梯的使用要求。

因此进一百年来，拽引式电梯一直受到重视，并发展沿用至今。

1.2可编程序控制器（PLC）的研究现状

20世纪是人类科学技术迅猛发展的一个世纪，自动控制装置的研究，是为了最大限度的满足人们及机械设备的要求。

曾一度在控制领域占主导地位的继电器控制系统，存在着控制能力弱可靠性低的缺点，并且设备的固定接线控制不利于产品的更新换代。

20世纪60年代末期，在技术改造浪潮的冲击下，为使汽车结构及外行不断改进，品种不断增加，需要经常变更生产工艺。

这就希望在控制成本的前提下，尽可能缩短产品的更新换代周期，以满足生产的需求，使企业在激烈的市场竞争中取胜。

美国通用汽车公司（GM）1968年提出了汽车装配生产线改造项目控制的十项指标，即新一代控制器应具备的10项指标：

（1）编程简单，可在现场修改和调试程序；

（2）维护方便，采用插入式模块结构；

（3）可靠性高于继电器控制系统；

（4）体积小于继电器控制柜；

（5）能与管理中心计算机系统进行通信；

（6）成本可与继电器控制系统相竞争；

（7）输入量是115V交流电压

（8）输出量为115V交流电压，输入电流在2A以上，能直接驱动电磁阀；

（9）系统扩展时，原系统只需作很小改动；

（10）用户程序存储器容量至少4KB。

1969年，美国数字设备公司（DEC）首先研制出第一台符合要求的控制器，即可编程逻辑控制器，并在美国GE公司的汽车自动装配上试用获得成功。

此后，这项研究技术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到世界各地，我国从1974年开始研制，1977年应用于工业。

目前世界上已有数百家厂商生产可编程控制器，型号多达数百种。

1.3PLC实现四层楼电梯自动控制研究的目的意义

使用“PLC可编程控制器”进行四层楼的电梯控制，是一个非常实用的项目。

我进行了该课题的毕业设计后，能掌握PLC应用系统的一般设计方法，从而达到毕业后直接上岗的目的。

1.4PLC实现四层楼电梯自动控制研究内容及创新点。

1.4.1主要研究内容

我们这次使用的控制系统由西门子PLC控制器、四层楼电梯控制模形、控制软件等组成。

通过对行程开关、传感器等的数据采集，控制电梯按规定的运行程序，安全可靠地运行。

1.4.1.1可编程序控制器的工作原理

（一）PLC的工作方式

PLC虽然以微处理器为核心，具有微型计算机的许多特点，但它的工作方式却与微型计算机有很大的不同，微型计算机一般采用等待命令或中断的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有键按下或I/O动作，则转入相应的子程序或中断服务程序，无键按下，则继续扫描等待。

PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。

当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。

然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；

如此周而复始。

实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。

如图（1-1）所示。

图（1-1）

1）自诊断

每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。

自诊断内容包括I/O部分、存储器、CPU等，并通过CPU设置定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，如果发现异常，则停机并显示出错。

若自诊断正常，则继续向下扫描。

2）通讯服务

PLC检查是否有与编程器、计算机等的通讯要求，若有则进行相应处理。

3）输入处理

PLC在输入刷新阶段，首先以扫描方式按顺序从输入缩存器中写入所有输入端子的状态或数据，并将其存入内存中为其专门开辟的暂存区——输入状态映像区中，这一过程称为输入采样，或是如刷新，随后关闭输入端口，进入程序执行阶段，即使输入端有变化，输入映像区的内容也不会改变。

变化的输入信号的状态只能在下一个扫描周期的输入刷新阶段被读入。

4）输出处理

同输入状态映像区一样，PLC内存中也有一块专门的区域称为输出状态映像区。

当程序的所有指令执行完毕，输出状态映像区中所有输出继电器的状态就在CPU的控制下被一次集中送至输出锁存器中，并通过一定的输出方式输出，推动外部的相应执行器件工作，这就是PLC输出刷新阶段。

5）程序执行

PLC在程序执行阶段，按用户程序顺序扫描执行每条指令。

从输入状态映像区读出输入信号的状态，经过相应的运算处理等，将结果写入输出状态映像区。

通常将自诊断和通讯服务合称为监视服务。

输入刷新和输出刷新称为I/O刷新。

可以看出，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的扫描只是在输入采样阶段进行，对输出赋的值也只有在输出刷新阶段才能被送出，而在程序执行阶段输入、输出会被封锁。

这种方式称做集中采样、集中输出。

（二）扫描周期

扫描周期即完成一次扫描（I/O刷新、程序执行和监视服务）所需要的时间，由PLC的工作过程可知，一个完整的扫描周期T应为：

T等于（输入一点时间×

输入点数）+（运算速度×

程序步数）

+（输出一点时间×

输出点数）+监视服务时间

扫描周期的长短主要取决于三个要素：

一是CPU执行指令的速度；

而是每条指令占用的时间；

三是执行指令条数的多少，即用户程序的长度。

扫描周期越长，系统的响应速度越慢。

现在厂家生产的基型PLC的一个扫描周期大约为10ms，这对于一般的控制系统来说完全是允许的，不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力，这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行。

PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短期的，由于系统响应慢，往往要几个扫描周期才响应一次，多次扫描因瞬时干扰而引起的误动作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。

但是对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时还需要采取一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应带来的不良影响。

第2章PLC控制系统抗干扰措施

2.1硬件抗干扰措施

2.1.1抑制电源系统引入的干扰

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。

若达不到这种要求，也可采用公共接地方式。

但是禁止采用串联接地方式，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。

2.1.2抑制接地系统引入的干扰

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。

2.1.3抑制输入输出电路引入的干扰

　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4～20mA、0～20mA直流电流信号；

0～5V、0～10V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。

2.1.4抑制外部配线干扰的措施

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。

2.2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。

　　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"

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"

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"

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）、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。

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。

第3章硬件设计

3.1可编程序控制器PLC的选型

我们通过了对多种PLC的实验筛选一致认为这次设计时选用S7-224的PLC最为合适。

3.2CPU的能力

CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个模块，最大扩展至168路数字量I/O或35路模拟量I/O点，13KB程序和数据存储空间。

CPU224输入电路采用了双向光电耦合器，24V直流极性可任意选择，系统设置1M为I0.X输入端子的公共端，2M为I1.X输入端子的公共端。

在晶体管输出电路中采用了MOSFET功率驱动器件，并将数字量输出分为两组，每组有一个公共端，共有1L、2L两个公共端，可接入不同的负载。

3.3I/O点数的确定

CPU224主机共有I0.0至I0.7、I1.0至I1.514个输入点和Q0.0至Q0.7、Q1.0至Q1.110个输出点。

3.4存储器容量的选择

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，CPU224的程序和数据存储空间按256个I/O点至少选13K存储器选择。

需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器

3.5PLC电源的选择

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。

重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。

如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。

为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。

我们做实验用的是220V的电源。

第4章设计过程

4.1方案研究与选择

我通过对多种PLC方案的分析认为PLC四层楼电梯控制系统设计是现在的时代潮流，具有学习的必要所以我选择了PLC四层楼电梯控制系统设计。

4.2控制要求分析

把可编程控制器拨向RUN后，按其他按钮无效，只有按SQ1才有效E1亮，表示电梯原始层在一层。

4.3设计步骤

4.3.1四层楼电梯控制电气图如图（4-1）

图（4-1）

4.3.1四层楼电梯控制在各阶段运行状况

电梯停留在一层：

（1）按SB6或SB7（SB2）或SB6，SB7（SB2），电梯上升，按SQ1，才有效E灯亮，表示电梯原始层在一层。

（2）按SB8或SB9（SB3）或SB8，SB9（SB3），电梯上升，按SQ3无反应，应先按SQ2，E1灭，E2亮，电梯仍上升，再按SQ3，E3亮，电梯停止。

（3）按SB10（SB4），电梯上升，按SQ4无反应，应先按SQ2，E1灭，E2亮，电梯仍上升，再按SQ4，E3，E4亮，电梯停止。

（4）按SB6，SB8或SB6，SB8，SB3或SB6，SB2，SB3，电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯停止2s后下降，再按SQ2，E3灭，E2亮，电梯停止。

（5）按SB6，SB8，SB2或SB6，SB8，SB2，SB3或SB6，SB2，SB3，电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯停止2s后下降，再按SQ2，E3亮，电梯停止。

（6）按SB6，SB9或SB6，SB9，SB3，电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯仍上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯停止2s后上升，再按SQ4，E3灭，E4亮，电梯停止2s后下降。

按SQ3，E4灭，E3亮，电梯仍下降，按SQ2，E3灭，E2亮，电梯停止。

（7）按SB6，SB9，SB2或SB6，SB9，SB2，SB3，电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯停止2s后上升，再按SQ4，E3灭，E4亮，电梯停止2s后下降，按SQ3，E4灭，E3亮，电梯仍下降，按SQ2，E3灭，E2亮，电梯停止。

（8）按SB7（SB2），SB8或SB7（SB2），SB8，SB9（SB3）或SB7（SB2），SB9（SB3），电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯停止。

（9）按SB6，SB7（SB2），SB8或SB6（SB2），SB8，SB3电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2亮，电梯停止2s后下降，按SQ2，E3灭，E2亮。

（10）按SB6，SB7（SB2），SB6，SB9或SB6，SB7（SB2），SB8，SB9，SB3电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯停止2s后上升，再按SQ4，E3灭，E4亮，电梯停止2s后下降。

按SQ2，E3灭，E2亮，电梯停止。

（11）按SB6，SB10（SB4），电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯仍上升，再按SQ3，E2灭，E3亮，电梯仍上升，再按SQ4，E3，E4亮，电梯停止2s后下降，按SQ2，E3灭，E2亮，电梯停止。

（12）按SB7（SB2），SB10（SB4），电梯上升，按SQ2，E1灭，E2灭，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯仍上升，再按SQ4，E3灭，E4亮，电梯停止。

（13）按SB6，SB8，SB10（SB4），电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，再按SQ3，E1灭，E2亮，电梯仍上升，再按SQ4，E3灭，E4亮，电梯停止2s后下降，按SQ3，E4灭，E3亮，电梯仍下降，按SQ2，E3灭，E2亮，电梯停止。

（14）按SB6，SB8，SB10（SB4），电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯仍上升，再按SQ4，E3灭，E4亮，电梯停止2s后下降，按SQ3，E4灭，E3亮，电梯仍下降，按SQ2，E3灭，E2亮，电梯停止。

（15）按SB6，SB8，SB10（SB4），电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯仍上升，再按SQ4，E3灭，E4亮，电梯停止2s后下降，按SQ3，E4灭，E电梯停止2s后下降，按SQ3，E4灭，E3亮，电梯停止。

（16）按SB6，SB9（SB3），SB10（SB4），电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯仍上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯停止2s后上升，再按SQ4，E3灭，E4亮，电梯停止2s后下降，按SQ3，E4灭，E3亮，电梯仍下降，再按SQ2，E3灭，E2亮，电梯停止。

（17）按SB7（SB2），SB9（SB3），SB10（SB4），电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯停止2s后上升，再按SQ4，E3灭，E4亮，电梯停止。

（18）按SB6，SB7（SB2），SB8，SB10（SB4），电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯仍上升，再按SQ4，E3灭，E4亮，电梯停止2s后下降，再按SQ3，E4灭，E3亮，电梯仍上升，再按SQ4，E3灭，E4亮，电梯停止2s后下降，再按SQ3，E4灭，E3亮，电梯停止2s后下降，再按SQ2，E3灭，E2亮，电梯停止。

（19）按SB6，SB7（SB2），SB9（SB3），SB10（SB4），电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯停止2s后上升，在按SQ4，E3灭，E4亮，电梯停止2s后下降，再按SQ3，E4灭，E3亮，电梯仍下降，再按SQ2，E3灭，E2亮，电梯停止。

（20）按SB6，SB7（SB2），SB8、SB9（SB3），SB10（SB4），电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，E4亮，电梯停止2s后下降，再按SQ3，E4灭，E3亮，电梯停止2s后下降，再按SQ2，E3灭，E2亮，电梯停止。

（21）按SB8，SB10（SB4），电梯上升，按SQ2，E1灭，E2亮，电梯仍上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯仍上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯停止2s后上升，按SQ3，E2灭，E3亮，电梯停止。

（22）按SB8，SB9（SB3），S