基于PLC的八层电梯控制系统设计

PAGEIII第1章绪论1.1设计研究的背景公元前，罗马建筑师维特罗斯设计出了一个升降平台，通过滑轮等工具将机械能转换为动能，使升降平台及其中的人和物升高，达到以节省时间。这是电梯的最早原型。1852年，美国人奥梯斯给升降器加上了安全保护的功能，解决了安全问题，为后来广泛使用提供了基础。1889年奥梯斯公司研制出了采用电力作为驱动动力的升降器。这种升降器就是我们现在早已熟知的电梯。在早期，电梯由机械开关和继电器控制。集成的机器化控制，节约了看守电梯的人员，动力源也从动物演变为电机，动力源的小型化和人员的减少为电梯的推广提供了极为有利的前提条件。但是继电器控制尽管可以实现自动化进程，但是继电器不便于改变运行状态和容易触点老化，于是通用公司为了解决这个问题，多次组织学会并悬赏问题的解决方案，于是PLC可编程控制器应运而生。根据通用公司需求，PLC设计之初便是用于取代继电器控制。与传统的继电器控制相比，PLC控制不仅控制精度高，效率高，同时由于继电器的集成，其可靠性和寿命也大大提高，体积也越来越小降低运行成本。目前电梯新技术有：永磁同步技术、乘客识别系统、指纹识别系统、别墅家用生活电梯技术[1]。电梯的发展对于推动城市的集群化和大型化起到很大的作用，就像汽车等交通工具极大的拓宽了城市位于平面上的广度一样，电梯技术的不断发展，同样的也使得各种高楼林立成为可能。对于目前的电梯控制技术，尽管现在个人PC的发展已经飞速前进，但是由于安全性和可靠性的要求，目前电梯控制系统，基本还是使用的PLC控制技术。1.2设计的国内外现状与分析目前关于电梯控制系统，主要有三种控制方式：继电器控制、PLC控制、微机控制[2]。其中继电器控制系统由于继电器开关都是物理触点，反复开关时故障率高，而微机控制系统尽管集成度高、性能好、价格便宜，但是很容易受到干扰[3]。PLC控制系统在考虑人员的安全问题之后，综合了两个一部分的优点，用性能来交换可靠性，因此尽管不如微机控制系统的功能强，也不如继电器控制系统面对恶劣情况的承受能力，但它兼容了两者，既具有比较强的抗干扰能力，也具有不错的处理能力，很适用工业环境生产和干涉人员安全的场合。因此目前的电梯控制系统常用PLC进行控制。现在电梯在我们的日常生活中无处不在。在21世纪，我们习惯于存在各种尺寸和规格的电梯。今天的电梯具有计算机，群控和高集成度的特点。智力越来越高，安全系数越来越高。它受到安全系统的限制。目前的电梯控制系统通常采用PLC代替控制性能。相比性能较高的微控制器用作控制中心。目前国外的PLC完全跟上了时代的发展，不仅有了可以和计算机进行通信的通信模块，CPU的性能甚至是触点都在飞速发展，例如西门子公司最新产品SIMATICS7-1500，它具有更杰出的系统性能，在缩短短响应时间和同时提高控制质量。我有幸在苏州迈创信息技术有限公司实习了一段时间，实习的经历让我了解到国内的PLC控制技术实际上并没有如何的发展，我们的PLC控制实际上还是在购买国外完整的PLC控制器，如西门子S7-300系列等，程序由小部分人解决，剩下的人有些在进行根据需求做外围电路设计，有些按照设计的图纸进行组装PLC。1.3设计的创新点目前网上的基于PLC的电梯控制程序普遍是3层的，在借鉴了市面上很多的PLC控制电梯的程序之后，发现他们的逻辑控制问题很大，程序保证了很强的逻辑性，但是如果结构稍微改变，程序就要完全重新编写，完全没有留下任何的扩展空间，强逻辑性，也使得理解困难，在计算机技术飞速发展的今天，很多的程序已经不需要节约KB层面的内存空间，因此结合目前的高级程序编写方法，我为基于PLC的电梯控制创造性的提出了一种新型的程序编写方案。

第2章相关PLC基础2.1PLC的历史背景PLC在最开始的简称是PC，只是后来PC就是我们现在的电脑的简称也是PC，为了和PC之间划分开来，可编程逻辑控制器的简称就编程PLC。因此它和计算机一样，同样的遵从冯诺依曼框架，因此同样的含有控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五个方面[4]。对于我们常见PLC，CPU主板的核心部分包含控制器，算术单元和内存，而输入和输出主要是表现为I/O口和显示面板。图2-1冯诺伊曼结构框图2.2PLC的基本组成PLC的组成从构造上分成固定式和模块式[5]。固定式PLC包含CPU板、I/O板、显示面板、内存、电源等，因为他们构成了一个不可拆卸的整体，所以成为固定式PLC[6]。这种PLC通常是定制化的，主要应用于需求高度稳定的领域。模块式PLC由CPU模块、I/O模块、内存模块、供电模块、机架拼接而成。由于拼接PLC可以通过修改其自身设备的配置轻松完成不同的功能，因此目前市场上流行的PLC就是这样的，所以目前市面上流传的大众型的PLC都是这种。本次设计选用PLC型号西门子SP7-200实际上就是这种模块式PLC。2.2.1CPU模块CPU是PLC能够正常运行的关键，就像是人的大脑一样，CPU通过其他输入模块获得数据，并完成计算，将运算得到的结果通过输出模块进行输出。它在正常的运行过程中，从运存模块中按照规则读取指令，在按照基础CPU基本指令集运行，最后通过硬件输出相应的控制信号，。CPU晶振频率和运存大小是PLC的关键参数，它们决定着PLC的工作速率，IO数目及软件容量等，从而限制着控制规模[7]。对于西门子PLC200系列，不同的型号，主要就在差别在CPU提供了多少个输出的外接接口上。2.2.2I/O模块I/O模块实际上就是PLC与电气回路的接口，根据输入输状态的不同，我们把I/O模块分成控制信号输入的输入模块和输入模块[8]。在设计之初，由于考虑到工业生产环境通常可能伴随这高压、高温、异常磁场等实际环境，PLC的I/O模块通常不直接控制输入和输入，外界的控制器件和被控器件由和输入输出信号之前通常由光耦隔离信号的输入和输出。目前通产用集成的I/O模块如EM223模块。图2-2光耦原理图由于PLC可编程序控制器实际上是CPU处理数据，对于机器而言只有0、1的区别，因此输入模块实际上是将电信号变换成数字的高低电平信号进入PLC系统，输出模块反过来。通常，I/O点使用低于256点，称为小型PLC，在256到2048点之间是中型PLC，对于输入和输出大于2048的系统，它们也称为大型PLC系统。特别的，如果PLC只有几个I/O点，那么PLC也称为微型PLC。2.2.3通信模块现在的PLC通常是某个大型网络中的一小部分，为了能够和局域网的其他设备进行数据交换，PLC具有能够便于扩展的通信网络模块。通常，PLC通过总线电缆、RS-232、RS-485等进行通信，高端PLC使用USB或以太网进行通信链接，实现分布式集中控制[9]。数据可通过双绞线，同轴电缆或光缆在数公里甚至数十公里的范围内进行交换。目前，PLC之间仍存在许多通信协议，这些协议很多式厂家自己定义的不是标准协议，但是看将来的趋势，不同厂商之间的通信协议即将统一。2.3PLC硬件原理PLC的工作流程分为三个部分。第一部分是开机处理。也就是说，当PLC第一次上电时，硬件自检。包含硬件初始化，检查，检查I/O模块配置模式;设置停电保持;和其他初始化操作[10]。第二部分是工作流程。在STOP模式下，CPU执行自诊断，并且不执行输入和输出，在RUN模式下，CPU执行由用户程序编译的源文件，并且在梯形图的逻辑中，根据能流的顺序执行。第三部分是错误检测。PLC的工作模式是扫描执行，扫描完成后，CPU还将执行自诊断检查，以确定PLC的各个部分是否有任何异常。异常将通过故障灯或内置的继电器报告错误。2.4PLC程序结构PLC的CPU中存在有两类程序：一类是操作系统，它由PLC的厂家设计并在出厂前写入到CPU的基本规则中，由于他是在EPROM中进行固化，是无法根据程序需求任意修改的；另一类是用户程序，它是由编程人员根据实际需要设计的、完成特定功能的程序；用户程序实际上是通过操作系统预留一些接口进行的预定操作，类似于我们现在计算机中的X86结构和windows系统一样，不过要更加可靠一些。通过这些接口，操作系统可以完成用户程序的执行，打到编程人员想要的结果。操作系统预留的接口分成两种：主程序接口和中断程序接口[11]。主程序接口是正常情况下用户程序运行的起点[12]。我们知道，在C语言的编程中，程序的运行起始于Main函数，PLC的这种设计思想与计算机编程是一样的，PLC在这个Main函数中，按照能流的高低执行代码[13]。Main函数是操作系统执行用户程序的接口。当程序的模型比较复杂的话，会提取相同的部分设计成单个模块，减少程序复杂度。我们把这种小的模块称为子程序。子程序存在于主程序中，和主程序一样，同样是通过操作系统中本身存在的接口完成调用。在西门子S7-300/400中，子程序包括FB和FC。中断程序的接口是PLC完成某些突发情况必须的部分。对于中断程序接口中的程序，称为中断处理程序，中断处理程序由用户自己编写，通常而言对于完整的PLC程序，中断是必需的[13]。当PLC在运行的过程中检测到了中断请求，会执行中断子程序，如果子程序不存在，CPU会停机，如果中段子程序存在，但是为空，此时系统故障灯会点亮，但是CPU并不会停止运行[14]。如图所示，PLC在完成一次循环扫描的过程中，首先进行内部检查，确定I/O口、CPU、等设备完好，还要确定中断情况是否发生，然后读取当前输入状态，执行用户程序，然后刷新输出缓存区图2-3PLC循环扫描过程对于某些PLC而言还具有还具有其他功能，比如通过功能区块图，以画电路图的方式来写PLC程序。

第3章电梯控制系统方案设计3.1电梯控制系统结构介绍如图所示，一个完整的电梯控制系统需要包括电气控制系统、电力拖动系统、曳引系统、门系统、轿厢系统、安全保护系统、缓冲系统、缓冲器和重量平衡系统[15]。其中电气控制系统主要就是本次设计的核心电梯控制系统，主要是PLC控制。电气拖动系统包含两个方面，一个是牵引电梯上下运行的曳引系统，一个是控制电梯门开关的门系统。安全保护系统中又分成基于机械的如缓冲器，还有基于电力的保护系统如警报器。图3-1电梯控制系统3.2电力拖动系统设计3.2.1电力拖动系统原理图电梯的电力拖动系统包含两个方面，一个是曳引电机为电梯上下转动提供电力，一个是门电机给轿厢门开关提供动力。根据设计要求，电力拖动系统电路原理图如图所示：其中M1和M2分别为曳引电机和门电机，PLC通过KM1、KM2、KM3、KM4四个交流接触器控制着电机运行，其中KM1、KM3导通时电机正转，KM2、KM4导通时电机反转，分别代表着电梯上下运行和门的开和关。FR1和FR2是用于过载保护的热继电器，当电梯过载时，主电路断开[16]。FU是保险丝，在电路过流时，会自动熔断，切断电路，用于过流保护。图3-2电力拖动系统原理图3.2.2电机选型电梯的曳引电机选择需要根据实际的功率和负载情况进行合理的选择，目前的电梯设计上至少要有1000KG的载客能力。经过检索，传统机房电梯通常采用交流异步电动机，采用交流变压变频调速系统，无机房电梯通常也采用永磁同步电动机驱动的薄型无齿轮曳引机[17]。永磁同步电动机驱动优点是高控制精度、平滑、高速，缺点是电机必须在工厂出厂时调整号。如果编码器的电角度由于某些问题确实，或者电机的磁极发生变化，则需要重新定位时，很麻烦。交流异步电动机优点是精度高、稳定、调试操作比较简单，无需做电机自整定，缺点是驱动设备笨拙，耗电量大，投资大。3.2.3价格比较目前再用1000KG电梯电机一般为13Kw。交流异步电动机价格上大约10000左右，永磁同步电动机大约在15000左右。无论是永磁同步电动机，还是交流异步电动机，对于载客电梯1000kg的要求都是可以满足的，尽管目前交流异步电动机在成本方面处于主导地位。但是永磁同步电动机是趋势。选电梯的时候不能光从电梯的角度思考，还要从大楼的构造进行思考。如果盖楼的时候没有机房的话，肯定要选择永磁同步的曳引机，因为其内积较小，可以放在井道里面。或是异步电机就必须提供机房，所以你要参考大楼的土建进行选择，最重要的还要征询客户的意见。3.3电气控制系统选择3.3.1具体型号选择考虑到安全等因素，我选择使用PLC可编程控制器作为电梯的电气控制系统。考虑到之前有接触过西门子系列的PLC并没有接触过三菱等其他系类的PLC,因此选择使用西门子的PLC,对于具体型号尽管S7-400、S7-300等其他系列的PLC要比SP7-200系列提供了更为可靠的操作空间的选择，但是同样的，价格也是要比S7-200系列高出很多。因此选择使用S7-200系列虽然S7-200系列是一款低端PLC，但它还具有高可靠性，丰富的指令集和内置的集成功能，可实时显示数据，并具有丰富的可扩展模块的特点[18]。应用领域非常广泛，涵盖了与自动检测和自动化控制相关的所有工业和民用领域[19]。

3.3.2电梯控制系统结构和大部分的电气控制系统一样，电梯控制系统也包含两个部分，一个是弱电的信号控制系统在这里主要是PLC,另一个是电力拖动系统，主要是曳引电机和门电机。电梯的运行就是通过轿厢和楼层检测等，他们作为输入信号，把信号通过被隔离的光耦输入单元传送到PLC的CPU中央处理器中，在CPU中，CPU按照用户程序编辑的，转换成输出信号，通过继电器控制电机和其他设备。其中电源为PLC提供24V供电，电机直接接380V交流电源。图3-3电梯控制系统框图

3.4其他器件选择3.4.1楼层显示对于数码显示有很多的器件都可以，考虑到成本问题，这里采用最原始的8段式数码管。八段式数码管是由八个LED的并联组成的。如果共用的管教是阳极，则它是共阳极数字管，否则它被称为共阴极数字管。如图3.5所示图3-4数码管显示器原理图由于输出的引脚为高电平，这里我们采用共阴极的高电平的数码管通过计算，我们得出数码显示对应的二进制和十进制数字。显示数字二进制10进制100000110620101101191301001111794011001101025011011011096011111011257000001117801111111127表3-1数码显示数字和对应输出表一个数码显示器不超过50元。3.4.2极限开关极限开关内部的结构与普通手动按钮和脚踏按钮的结构相同，只是外部操作机构具有不同的形式，并且有旋转型和推动型[20]。移动机构就位后，触摸触摸开关，操作机构驱动内部开关触点打开和关闭[21]。可以安装在相对静止的物体上或者运动的物体上。当运动的物体接近静止状态时，开关的连杆驱动开关的接触导致闭合触点断开或打开触点闭合。打开开关触点并改变状态以控制电路和机构的操作[22]。考虑到价格等因素，选用日立HD1370限位开关，大约22元一个3.4.3红外传感器红外传感器使用红外光作为测量介质传感器，根据使用模式，通常分为热检测和光子检测[23]。热探测器使用红外线的热效应，当检测器的传感元件检测到人体的散热时，温度升高[24]。设备本身的参数发生变化，探测器吸收的红外辐射通过测量器件变化来确定外界变化。光子探测器使用从入射光辐射的光子通量与探测器材料中的电子相互作用以改变电子的能量状态，从而引起各种电现象[25]。考虑到价格等因素，选择电梯的配套配件，淘宝大约100元左右一个3.4.4按钮按钮功能是通过切换自身状态，使电路导通或者不导通，最常见的开关有铡刀开关和按钮开关[26]。铡刀开关改变自身状态是持续的，开就是导通，关就是不导通，按键开关是短暂的，按下的一瞬间导通，当不按下去的时候就不导通。通常我们把铡刀开关放在控制强电或者需要持续控制的开关上面，对于按钮式放在电流强度稍微弱一些的器件上。这里，我们选择使用按键开关，每层楼需要两个，轿厢内需要10个，淘宝一个2元，一共不超过100元。

第4章 电梯控制系统PLC软件设计4.1电梯控制系统基本信息4.1.1基本逻辑1.电梯在运行的过程中要有总电闸开关，在主开关闭合后，电梯停止运行。2.电梯自动开关的过程中如果遇到门口有人的情况下能够自动闭合，电梯门在关闭后，处于运行状态软件不能开门。3.电梯上行和下行灯不可以同时点亮，在电梯上行的时候，会执行上行的指令，直到高楼层没有人选择，按照外呼或者内呼下性。4.电梯可以实现实时显示自身楼层，在断电重启后，楼层显示依旧。5.软件本身自锁。4.1.2电梯输入与输出I/O分配首先需要确定电梯的位置，这里用位置传感器触发，当位置传感器触发的时候，楼层位置确定，发送给PLC。由于设计的时八层电梯，每一个楼层都需要一个位置传感器，因此需要有8个输入触点，同时输出的数码管显示。由于只是8层，尽管每个楼层都需要一个输出的数码管显示，但是实际上每个楼层输出的楼层位置时相同的，因此实际上是可以把输出并联就可以实现这个功能了，考虑到8管口的数码管需要有8个输出现实，因此只需要8个输出触点就可以了。输入触点功能输出触点功能I0.0一层位置传感器Q0.0数码管管脚I0.1二层位置传感器Q0.1数码管管脚I0.2三层位置传感器Q0.2数码管管脚I0.3四层位置传感器Q0.3数码管管脚I0.4五层位置传感器Q0.4数码管管脚I0.5六层位置传感器Q0.5数码管管脚I0.6七层位置传感器Q0.6数码管管脚I0.7八层位置传感器Q0.7数码管管脚表4-1楼层I/O分配（输入和输出）在电梯开关门的过程中，电梯的轿厢内需要2个按钮，分别是开门按钮和关门按钮，在按下开门按钮的时候，电梯门会打开，门电机启动，当达到最大开门限的时候，等待3s没人，电梯自动关闭，如果此时门口有人，电梯不管现在处于何种状态，都需要执行开门操作，直到门口没有人的时候，电梯执行关门操作，逻辑如下图4-1电梯开关门逻辑图因此，开门和关门两个按钮需要两个输入触点，最大开门限、关门限两个也需要两个输入触点，对于门口是否有人，也需要一个位置传感器。对于输出，就只有电梯的开门和关门电机的动作触点。对于电梯需要有一个软件层面的开关处理，让即使电梯没有断电的情况下，电梯也可以继续运行。因此占用一个触点。I/O分配如下。输入触点功能输出触点功能I1.0系统总开关Q1.0电梯开门I1.1开门按钮Q1.1电梯关门I1.2关门按钮I1.3最大开门限I1.4最大关门限I1.5红外传感器表4-2电梯开关门的楼层显示电梯的运行需要有输入和输出信号，电梯才能进行逻辑判断。对于八层电梯系统，电梯轿厢内需要有各个楼层的输入按钮，表示电梯在内部的人员需要去往的楼层，同时电梯外部也需要每层给出上呼还是下降的触发，因此，电梯内需要1-8层一共八个输入触点，电梯外，除了一层只需要一个上呼灯，8层只需要一个下呼灯之外，其余各层均需要上呼和下呼灯，因此，一共有8个电梯呼叫灯，14个电梯外的呼叫灯，一共加起来22输入触点，同时也需要有22个输出触点表示这些地方有人寻呼。输入触点功能输出触点功能I2.0一层内呼Q2.0一层位置寻呼灯I2.1二层内呼Q2.1二层位置寻呼灯I2.2三层内呼Q2.2三层位置寻呼灯I2.3四层内呼Q2.3四层位置寻呼灯I2.4五层内呼Q2.4五层位置寻呼灯I2.5六层内呼Q2.5六层位置寻呼灯I2.6七层内呼Q2.6七层位置寻呼灯I2.7八层内呼Q2.7八层位置寻呼灯表4-3轿厢内触点分配输入触点功能输出触点功能I3.0一层上呼Q2.0一层上呼灯I3.1二层上呼Q2.1二层上呼灯I3.2三层上呼Q2.2三层上呼灯I3.3四层上呼Q2.3四层上呼灯I3.4五层上呼Q2.4五层上呼灯I3.5六层上呼Q2.5六层上呼灯I3.6七层上呼Q2.6七层上呼灯表4-4轿厢外上呼分配输入触点功能输出触点功能I4.1二层下呼Q4.1二层下呼灯I4.2三层下呼Q4.2三层下呼灯I4.3四层下呼Q4.3四层下呼灯I4.4五层下呼Q4.4五层下呼灯I4.5六层下呼Q4.5六层下呼灯I4.6七层下呼Q4.6七层下呼灯I4.7八层下呼Q4.7八层下呼灯表4-5轿厢外下呼分配电梯在知各个楼层的呼叫状态之后，电梯上行或者下行同样需要两个输出来表示，电梯的当前状态是上升还是下降状态。由于电梯输出缺少前面正好缺两个输出触点，因此给电梯剩余的I/O分配如图所示输出触点功能Q3.7电梯上行Q4.0电梯下降表4-6上下行触点分配4.2软件程序编写4.2.1软件介绍这次程序编写主要是使用西门子为SP7-200系统系统的编程软件STEP7-Micro/WIN[27]。此软件包可以像标准的Windows应用程序一样操作，包括了对SIMATICS7-200进行方便的编程操作的所有必要工具：供高性能的SIMATIC指令集到IEC1131兼容编程，乃至到趋势图和向导[28]。本次设计使用的是STEP7-Micro/WIN4.0SP9已经可以兼容win10操作系统。对于已经安装完成的软件，界面不是简体中文，需要在工具-选型-常规-语言中选择简体中文。实际页面如下图4-2STEP7-Micro/WIN4.0SP9程序4.2.2初始化设置在PLC程序初次上面并且总开关开启的时候，PLC初始化所有要用的中间继电器,打开M1.0作为主控中间继电器，复位其他的继电器。图4-3初始化程序4.2.3数码显示模块在M1.0导通的时候，即电梯处于开状态，楼层传感器检测到对应的楼层之后，对应的输入触点点亮为了逻辑复位，同时关断其他的中间继电器。图4-4楼层显示中间触点如图在二楼的时候，二楼的传感器触发，I0.1点亮，同时I0.1触发中间继电器M0.1，同时其他的楼层中间继电器，然后由中间继电器M0.1参与后续的逻辑运算。在电梯开的情况下，当M0.0触发的时候，通过高级指令MOV,给八层数码管传递数据，6，即二进制00000110，在数码管上显示数字1。表示现在楼层到达了一层，同样的，在M0.1导通的时候，给QB0传递数字91，即01011011，此时数码管显示数字2。图4-5位传递对应楼层数字4.2.3开关门模块开关和关门的状态是不能够同时出现的，因此在M1.1导通的条件，是M1.0触发，即电梯开，I1.1触发，电梯处于开门的状态，同时M1.2关，即电梯现在不处于关门的状态。同理在电梯处于关门的状态，即M1.2想要导通，M1.1就不能处于导通状态。图4-6输出楼层控制对于达到最大门限的时候，I1.3导通电梯打开中间继电器M1.3，最大关门限的时候，I1.4导通，电梯打开中间继电器M1.4,当门口有人的时候I1.5导通，打开中间继电器M1.5。图4-7开门控制逻辑1同样当中间继电器M1.1触发的时候，要关闭M1.2同时打开Q1.0，表示电梯现在处于开门状态。当门口的红外传感器触发，门口有人时，如果现在电梯处于关门状态，但是尚未达到最大关门限即M1.4不导通的时候，电梯重新打开M1.1,同时关闭M1.2使得电梯现在处于重新开关的状态。图4-8开门控制逻辑2由于电梯自动开门需要一定的时间，即M1.1导通，电梯处于开门状态，此时当M1.3导通，电梯处于最大开门状态的时候，定时器T37计时，由于此时电梯门电机已经停止运行了，即M1.1已经不导通，因此需要额外加一个中间继电器M1.7在T37开的时候同时触发M1.7，当T37在3s导通的时候，打开M1.2控制电梯关闭门，同时关闭中间继电器M1.7。最后在电梯完全闭合的时候，即最大门限传感器感应到，I1.4触发，M1.4导通时，关闭中间继电器M1.2同时当M1.2关闭时，Q1.1即电机也关闭。4.2.4逻辑显示由于使用的控制时中间继电器控制输入和输出，最后也是用中间继电器来做逻辑判定，所以把电梯内的8个寻呼灯，和外部的14个呼叫，首先把这些转换成中间继电器。图4-9开门控制逻辑3

输入触点对应中间继电器输入触点对应中间继电器I2.0M2.0I3.0M3.0I2.1M2.1I3.1M3.1I2.2M2.2I3.2M3.2I2.3M2.3I3.3M3.3I2.4M2.4I3.4M3.4I2.5M2.5I3.5M3.5I2.6M2.6I3.6M3.6I2.7M2.7I4.4M4.4I4.1M4.1I4.5M4.5I4.2M4.2I4.6M4.6I4.3M4.3I4.7M4.7表4-7中间继电器使用情况由于传感器可能会由于一些其他的情况导致误触发，因此额外加一个时间消敏模块，防止误触发。T38是一个0.5s计时器，一旦时间到达5s,计时器重置，这里利用在时间的后几个周期中触发，用来避免误触发的情况。图4-10附加扰动按键检测当电梯处于某一层的时候，给误触发的情况设定为T38在0.3-0.5s的时候后面的继电器才能够导通，再次基础上，当电梯处于1层的时候关闭1层上呼灯M3.0，同时关闭电梯轿厢内部的一层寻呼灯M2.0。当电梯处于二层的时候，分成两种情况，一是电梯处于上升状态，即M3.7导通的时候，电梯关闭二层上呼灯M3.1，然后当电梯处于下降状态时，即M4.0导通的时候，电梯关闭二层下呼灯M4.1,同时关闭M2.1。当电梯既不处于处于上升状态时，也不处于下降状态时，即M3.7和M4.0都处于关闭状态，此时属于同层开关，此时需要关闭二层外的上呼灯和下呼灯。图4-11电梯控制逻辑1然后判断电梯在什么时候会处于上升和下降状态。用一层举例，当电梯处于1层时，即M0.0导通的时候，此时电梯无论是处于2层、3层、4层，或者是外部的2层上呼灯，3层的外呼下降灯，实际上都是同样的，电梯都要向上运行，同样的由于PLC的逻辑模块，不支持在一个网络中写下所有程序网格，因此利用中间继电器M6.0M6.1.…M6.7做一个中转。图4-12电梯控制逻辑2当电梯在二层的时候，电梯会有两种运行方向，一个是向上，一个是向下，向下的可能性只有在此时由一层的上呼灯点亮，或者在电梯轿厢内部的一层呼叫灯点亮，向上的过程和一层类似，在3层、4层等高楼层的电梯内的呼叫灯点亮，或者高楼层的电梯外的上升或者下降寻呼等点亮。而且由于电梯只有在门没有打开的时候，电梯才可以向上运行，所以此时I1.2需要取非。图4-13电梯控制逻辑3三层、四层、五层、六层、7层剩下的几层都是如此操作，除了在第八层的时候，第八层的逻辑同第一层的逻辑类似，第八层没有上升的可能。图4-14电梯控制逻辑4根据前面得出的几个由于逻辑复杂情况编写的M6.0、M6.1等中间继电器，控制电梯的上升情况和下降情况，即控制M3.7和M4.0的打开和关断，同时由于电梯电机的运行方向只能使上升或者下降的状态的某一个，两个不能同时运行，因此给两个运行状态增加互锁，即在M4.0电梯下降状态时M3.7不能运行。在电梯的上行状态M3.7导通时，M4.0不能够运行。图4-15电梯控制逻辑5当电梯到达1层时，电梯到达一层的可能情况由两种，一个是人在电梯内，按下1层的呼叫按钮，电梯下行从2层到达1层，一个时人在一层，按下一层的电梯的上呼按钮，电梯从2层到达一层接1层的人，因此当电梯处于M0.0导通时，即电梯已经到达一层时，M2.1触发或者电梯处于1层呼叫状态，M3.0打开，由于当触发的时候，M2.1和M3.0就会关断，因此额外增加一个中间继电器M1.6,用来维持状态的触发。此时仅仅只能是M4.0即电梯下行等点亮的时候，此时复位电梯内各楼层的按钮，避免产生逻辑错误，同时打开电梯内M1.1触发，在开门的时间达到一定时间时，关闭Q4.0关闭下降状态显示。当电梯处于八层时，逻辑同一层，只不过电梯只有上升状态显示，没有下降状态来到八层的。图4-16电梯控制逻辑6当电梯来到二层时，有两种可能，一个是从一层电梯向上来到二层，一是，电梯在二层，经过向下来到二层。在向上的可能性中，电梯本来在一层，轿厢中的人按下二层按钮，或者人在电梯外按下二楼的上呼按钮或者下降按钮。即M3.7导通的时候，此时若是M2.2或者M3.1导通，会先触发中间继电器M1.6保持现在状态。然后通过上升沿有效的P，执行一次复位M2.2同时打开开门按钮。在向下的可能中，电梯在三层，有人按下二层阿牛，或者二层下降按纽触发，电梯下降灯点亮，电梯处于下降状态，即M4.0导通，在M2.2或者M4.2任意一个导通，自保持M1.6触发，复位下降将，同时关闭三层的上呼灯，打开门开关。图4-17电梯控制逻辑7即实际逻辑如下:电梯检测本层之后，根据输出判定时上还是下，在抵达指定楼层后，关闭对应的继电器开关，然后开门，在3s后自动关门或者其他情况关门后，打开继续执行下一步操作。图4-18电梯控制逻辑框图电梯设计的总逻辑如下：在上电后，首先完成初始化，然后根据时电梯内呼叫还是电梯外呼叫，判定目标楼层，然后判定目标楼层和现在自身楼层的关系，根据这个判定电梯的运行方向，然后电梯运行，判定电梯是否达到所在目标，不是所在目标的话，电梯继续运行，达到目标楼层后开门，然等待3s后关门，关门后判定是否运行完毕。图4-19电梯控制系统逻辑框图4.3软件编辑小结时光悠悠，距离PLC诞生已经很久了，但是对于PLC语言的规则并没有像计算机上那样百花齐放，目前和梯形图对等的编程语言应该算是C语言，他们都有相同特点，节约空间，表现形式单一，可靠，运行速度快，但是随着时代的进步，硬件带来的提高，计算上出现了很多很多的语言，比如C++、python,他们都有着和C语言相同的逻辑规则，应该说是基于C语言同时封装了大量的库，由于PLC要求的可靠性，导致它对于更新换代的要求非常低，同样的，也代表着整个行业的创新力的下降。面对一个电梯控制程序，在计算机上的编程逻辑实际上是非常简单的，但是由于计算机面对恶劣情况下不胜任的特点，对于电梯控制程序实际上还有由这那一批老人编写的。我在查阅了很多的程序资料和仔细了分析了程序的要求后，把程序分成5个模块，分别是电机控制模块（物理的），楼层显示模块，逻辑处理模块，报警和安全模块。每个部分都不想干，但是却有有所关联，因此把大量使用中间继电器为程序的可扩展性留下接口，尽管放弃了一部分安全性，但是却有效的提高电梯的可扩展性。

第5章电梯PLC软件仿真5.1仿真软件介绍PLC的软件仿真有很多种实现的方式，我们可以通过组态软件，在组态软件中进行仿真，也可以通过对应PLC厂商开发的配套软件行仿真。比如三菱公司为其旗下提供GXDeveloper作为编程软件，并在次基础上开发了GX

Simulator，为仿真提供插件支援。对于西门子S7-200,也有这么一款软件，西门子S7－200仿真软件Simulation，由于西门子公司并没有为旗下的S7-200系列PLC系统仿真支持，市面上流产的这个软件来源已经不可考究。仿真的具体步骤如下：1、把写好的程序通过STEP7-Micro/WIN打开。在正确编译后，选择文件-导出，保存类型为文本文件。Awl2、打开仿真软件，选择配置-CPU型号，选择对应的200系类PLC,然后配置相关的其他的部件（与程序设置的型号相同）图5-1初始的PLC界面图5-2CPU设置页面然后选择我们需要的扩展模块。2块EM233(16I/16Q)图5-3选择的EM223设置页面3、选择程序（P）-导入程序-确定-导入awl文件。成功导入后，会出现对应的梯形图和语句表，由于模拟软件的年代久远，对于某些不严格符合程序规格的语句，导入不正确，因此需要检查语句表和梯形图是否正确是否正确4、运行程序，RUN会亮绿灯，在正确装载完成程序之后我们得到如下图图5-4电梯控制系统仿真5.2分模块仿真根据在第四章设计时分的楼层显示、逻辑判定、开关门系统、电机控制、警报模块，进行分模块仿真验证程序是否有问题。图5-5开关按键基本规则检测从图5.1中，可知，当I1.0铡刀开关关闭的时候，不会有任何的输出。5.2.1楼层显示检测在设计时，楼层显示是通过传感器触发，当触感器检测到位置所在时，会锁住其他显示，防止出现触点误触发。图5.6一层显示图5.7二层显示即使多层传感器同时误触发，楼层显示不变，如图5.8数码输出经历检验，每层传感器仿真无误5.2.2逻辑系统检测1.同层开门图5-9逻辑触发1图5-10逻辑触发22.当2层三层同时触发时，Q2.1电梯内2层上呼等点亮，Q3.1、Q3.2电梯外2层，3层点亮，由于此时位置传感器检测到处于一层位置I0.0点亮。图5-11逻辑触发35.2.3开关门系统检测1.当楼层处于开门状态时Q1.0点亮，门电机启动，电梯处于开门状态，如图。2.当极限检测到处于最大开门状态时I1.3点亮，关闭Q1.0如图2，图5.12开关状态3.3s后，电梯门自动关闭Q1.1打开，Q1.0点亮如图4.当极限检测传感器检测到处于关门状态时，关闭门电机，Q1.0关闭图5.13关门状态5.当传感器检测到门口有人时，I1.5打开，Q1.0点亮，电梯重新运行。图5.14紧急开门5.3仿真小结由于软件本身是大神2000年的作品，很多的逻辑是按照当时的程序设计的，现在由于年代变迁，加上计算机硬件的快速发展，庞大的内存已经完全不需要在设计的时候小心翼翼，因此按照当年的设计逻辑，很多已经现在写完的程序，运行在仿真程序上面会被修改，甚至有些程序会因为程序的自动导入产生某些偏差，因此在写完程序之后，为了验证程序的正确性和符合规则的程序，我把程序按照改软件的规则反复修改了多次，导致最后的程序看起来也比较奇怪，没有开始设计的时候那么完整，这是仿真的时候一个很失策的地方，有些问题是祖传的，但是我们的能力并没有做到后浪推前浪一浪更比一浪强的地步，这很遗憾。对于其他的仿真软件，我在网上耐心的寻找，但是并没有找到，尽管西门子公司的对于PLC确有仿真软件，但是支持S7-300及以上系列。S7-200系列的PLC使用的时间久远，仅仅作为学习而言还是很好的。

第6章安全系统分析由于电梯是乘坐人员的物件，人的生命只有一次，因此电梯的安全系统必须要从机械、电气和软件多个角度考虑。6.1机械和电气保护设计电梯的机械安全保护装置由很多部分组分。通过强迫减速开关、限位开关、极限开关防止电机超越行程继续运转：通过限速器、安全钳，在电机超速甚至钢丝绳断裂时，电梯能安然无恙。通过缓冲器让电梯即使下落，也能减少伤害。还有各种紧急装置，包括联网电话报警之类的。在驱动电机上同样也有这种保护设计，通常是电机生产商生产设计时，已经安置在内部的功能，通常时在检测到过电流或其他意外情况下，自动切断电源。6.2软件安全保护设计对于电梯的安全保护问题，在软件上的设计包裹两个部分，一个是基于程序自身的软件自锁和互锁，即软件控制的冗余设计。另一个是PLC本身和外界的通讯设备，包裹警铃等等。6.21冗余设计1.在PLC开机的时候，由传感器感知电梯位置，和其他的意外情况等，把把信号转换成数字信号量传递给CPU,CPU根据感知到的信号，通过程序输出对应的输出信号。2.PLC程序设定中继电器的互锁，通过互锁就是使得多个继电器中互相制约，只有一个能工作，避免产生软件层次的BUG.6.22交互式报警1．报警和救援装置，乘客在乘坐电梯的过程中遇到了问题，可以通过已经设定好的软件报警模块，触发报警系统，并给出自身的信息状态方便救援可以及时完成。2.当传感器检测到陌生状态时，及时通过中断系统暂定切换状态，并和上位机系统进行交互数据传递，同时触发报警系统，等待状态恢复后，程序正常运行6.3系统常见故障分析及维护由于硬件本身就具有寿命限制，而且在使用中还经常会出现意外情况导致的器件损坏，因此设计之初和实际使用中要对该电梯系统的器件消耗、设备故障发生点有比较准确的估计，以便在问题发生的时候，采取紧急措施修复设备。对于电梯系统故障可以分成PLC控制系统故障和其他器件故障两部分。6.3.1PLC故障和其他器件问题PLC最初是为工业环境服务而设计的，并内置了各种抗干扰模块，因此实际上PLC是极其可靠的设备，而且故障率很低。因此，当PLC产生故障时，它通常发生在PLC的外围电气部件上。如果测试不是外围电气故障，考虑到维护的难度，最好的方案是直接更换新PLC。对其输入和输出设备的触点问题，其使用时间有寿命限制，通常的触点使用寿命在几十万到几百万次不等，一般使用1-3年不会损坏，在损坏的时候只需要直接更换即可。6.3.2系统抗干扰性的分析和维护尽管PLC是专门为工业生产环境设计的装置，一般不需要在采取特殊措施就能直接应对恶劣环境。但是在某些特殊情况下，如电磁干扰特别强烈时，强磁环境可能使PLC产生错误的输入信号，运算错误并产生错误的输出信号，造成错误的动作，如电梯在中间突然停止不动，此时不能保证控制系统安全运行。由于电源的输入电压受到电网影响，此时应该加滤波电容等或加专门的电源转换模块，为其供电，抑制电网干扰当周围处于强电磁环境时，最好将PLC控制器单独屏蔽起来，装入铁盒中并完善接地系统。由于电线与电线之间如果摆设不恰当，内部的电流运动很容易产生耦合磁场，相互影响信号，此时合理选线配线，降低干扰。尽管PLC设计用于工业生产环境，但通常不需要采取特殊措施直接处理恶劣环境。但是，在某些特殊情况下，如电磁干扰特别强，强磁环境可能会导致PLC产生错误的输入信号，操作错误并产生错误的输出信号，造成错误动作，如电梯突然停在中间，此时控制系统无法安全操作。由于电源的输入电压受到电网的影响，因此应该添加滤波电容器等或特殊的电力转换模块以提供电力以抑制电网干扰。当周围环境处于强电磁环境中时，最好分别屏蔽PLC控制器，将其