摘 要

根据国家建筑设计要求规定，七层及以上建筑应当装设电梯。随着时代进步和技术发展，全国大部分地区都出台新规定六层以上建筑也应装设电梯。但是一些早期的六层教学楼和实验楼并未配备电梯，使得教学器材和实验设备的搬运极为不便，同时也不能满足特殊人群的需求。对于此类建筑，加装电梯有极大的现实意义。

可编程序控制器(PLC)采用微处理器作为控制核心，其结构简单，功能强大，易于编程且程序修改较为方便，同时拥有丰富的拓展功能且成本较低。基于这些优势，可编程序控制器控制方式成为了当下较为主流的电梯控制方式。

本文选用西门子S7-200型PLC，主要将电梯的控制分为了逻辑控制和速度控制两个部分来进行设计。速度控制方面运用PLC处理旋转编码器输出的速度信号来控制变频器进行变速，从而实现电梯的稳定运行和变速自动控制。逻辑控制方面利用西门子编程软件STEP 7-Micro/WIN进行编程，实现电梯的安全高效控制。

关键词：PLC；电梯；智能控制

Abstract

According to the national architectural design requirements, elevators should be installed in buildings of seven floors or more.And with the progress of times and technology,most cities changed the limit to six.However,some old six-layer teaching buildings are still not equipped elevators,which make it extremely inconvenient for the transport of the equipment and can’t meet the needs of special people.So it’s necessary to equip elevators to the buildings.

The programmable logic controller (PLC) adopts the microprocessor as the control core.It is simple,powerful, easy to program and amend.At the same time,it has rich expansion function and low cost.Because of these advantages,it becomes the main method of the elevator control system.

To complete the design,I select Siemens S7-200 and divide this paper into two parts,which are the elevator logic control system and speed control system.This elevator control system use PLC to deal with pulse signal come from rotary encoder, and then the frequency converter has been controlled to realize uplink or downlink and speed changing. Finally,I use STEP 7-Micro/WIN to make the program to achieve the control.

Key words: PLC; Elevator; Intelligent controls

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究目的和意义 2

1.3国内外研究发展现状 2

1.4本文主要研究内容 4

第二章 可编程序控制器及总体方案设计 5

2.1 PLC概述 5

2.1.1 PLC的发展历程 5

2.1.2 PLC的国内发展及未来趋势 6

2.1.3 PLC的应用 7

2.2 PLC的硬件结构 8

2.3 PLC的工作原理 8

2.4总体方案设计 9

第三章 电梯控制系统硬件设计 11

3.1控制要求 11

3.2系统硬件设计 11

3.2.1 电梯控制系统主电路和控制电路设计 12

3.2.2 I/O端口设计和PLC选型 14

3.2.3 旋转编码器的选型 18

3.2.4 变频器的选型 19

第四章 电梯控制系统软件设计 20

4.1工作流程图 20

4.2梯形图 21

4.3模拟调试 25

4.4结果分析 30

第五章 总结和展望 31

第六章 个人总结................................................................................................32

参考文献 33

附录A 34

附录B...................................................................................................................51

致谢 52

第一章 绪论

1.1研究背景

提起电梯，可能大部分人最先想到的就是那种垂直运行的最常见的封闭式的轿厢电梯，通常被称为直梯。其次就是在倾斜向运行的开放式的自动扶梯，一般被简称为扶梯。其实广义的电梯包括所有具有运输能力的、可以自动运行的空间运载装置^[1]。发展到今时今日，电梯也不仅限于在室内装设，很多室外或者景区的观光电梯也已屡见不鲜。在现代城市的发展过程中，电梯具有极为重要的意义，可以毫不夸张地说，一部电梯的发展史也就是人类城市的进步史。

在很早之前，人类已经尝试着使用一些原始的工具和方法实现对物体甚至人的升降和运输。我国最早的类电梯运输装置大概出现在公元前1000年左右，它通过将绳子缠绕在圆筒上，旋转圆筒，收放绳子来实现升降。这种装置甚至在现在还在被使用，它就是辘轳。国外的这种装置大概出现在公元前100年左右，由希腊数学家Archimedes制作的利用滑轮实现升降的起重装置就是其中最为杰出的代表。这些早期的装置虽然设计巧妙，但有一个共同的致命缺点就是只能使用人力或者畜力，效率低下。直到工业革命时期，工程师们发现了蒸汽这一全新动力，但此时的装置仍不能作为电梯的雏形。这种情况一直持续到1852年，这一年诞生了世界上第一台安全升降机，也使得电梯有了真正的雏形。到了1889年，人们开始使用电力作为这种升降机的驱动动力，也代表着电梯真正产生了。^[2]

之后的时间里，世界各国的工程师和科学家不断对电梯这一新生运输装置进行改进。从直流驱动控制到交流感应电机驱动，从卷筒式驱动方式到曳引式驱动方式，再从交流调压调速驱动系统到更为先进的变压变频驱动控制，电梯无论从舒适性、安全性还是高效性、节能性来说都有了极大的改善和进步。而在1996年出现的，由交流永磁同步无齿轮曳引机来作为驱动动力的无机房电梯，毫无疑问是电梯发展史上一次极为重要的飞跃^[3]。从此电梯更为便于在建筑内装设，节约了建筑空间和成本，增加了建筑整体的美观性，间接推动了城市建设，进入了现代电梯发展的新时代。

如今，各国的电梯公司和相关研究人员仍然在为电梯的进步不断努力，研究的方向和目标也由最初单纯的驱动技术和操纵方式，拓展到了电梯的节能性、环保性、安全性以及智能化等方面。他们将以更加人性化和智能化为目标，创造我们这一时代的全新电梯，为现代交通和建筑发展贡献他们的力量，也为现代化城市的建设和人们的舒适化生活不断添砖加瓦。

1.2研究目的和意义

传统电梯之所以会被淘汰主要是因为存在着体积大、成本高、故障率高、可靠性低和难以长时间工作等缺点。而这些缺点主要都是因为传统的曳引电动机主要靠接触器来改变电机工作状态。同时传统电梯也是主要靠继电器来实现逻辑控制的。不同于传统的控制系统，可编程序控制器，也就是PLC，是专门为工业数字化控制设计的电力电子装置，在逻辑控制方面具有极大的优越性。正因为如此，现代电梯的主要控制方式已经成为了可编程序控制器控制方式，电梯设计也不再仅仅以运输作为主要功能。利用PLC控制电梯，在电梯的节能性、安全性、舒适性和低成本方面都有很大的发展空间。这也是未来以可编程序控制器为控制核心的电梯将成为主流发展趋势的重要原因。

同时，社会的不断进步和城市的不断发展也是电梯产业不断蓬勃发展的重要内部动力。各种高层建筑、城市地标以及高级住宅区的建设都离不开电梯产业。技术方面，在如今这个讲求创新和多元化的时代，电梯产业和计算机技术、嵌入式系统、智能通信等新兴技术的结合，使得新型建筑更加智能化和人性化。相比起来，那些老式建筑中的传统电梯也就更不适应时代的发展和进步。因此，如何改进当下的电梯控制技术，实现更为安全高效和智能化的电梯技术创新，也就具有了极大的现实意义。

1.3国内外研究发展现状

电梯控制技术即为对电梯的传动系统以及操作系统等进行电气方面的自动控制的技术，而随着科技的发展，电梯控制技术也经历了较大的进步和改变。目前主要的电梯控制技术即为继电器控制、微机控制和可编程序控制器控制等方式。^[4]

继电器控制的方式是早期电梯的主要控制方式，但是由于其故障率高、维护困难、控制装置过为笨重等缺陷，这种控制方式已经逐渐被新型的微机控制和可编程序控制器控制的方式所取代。

微机控制由于可以结合光电编码器，实现智能调速，解决复杂的调度和调配管理，从而实现智能控制，提高效率，因此多用于高层建筑电梯控制。微机控制技术采用无触点逻辑线路，系统更为可靠，故障率低；程序录入更为灵活，便于更多功能的实现；可以实时记录故障位置和故障原因，便于维修；同时其装置体积更小，便于装设，因此更为可靠。

可编程序控制器控制，也就是PLC控制，自20世纪80年代中后期引进以来，广受我国电梯行业青睐，由于其可靠性高、控制灵活、成本较低等特点广泛应用于中高层建筑的电梯控制中。目前主要的电梯技术研究都是针对PLC控制技术展开，主要为实现电梯群的群控以及智能电梯的开发控制等方面。

改革开放以来，我国经济进入了一个极为快速的发展期，随之发展的是社会主义新中国建设的不断深入，这也为我国电梯行业的发展提供了一个极大的契机。据有关部门统计，仅在1990年到2010年这20年间，我国电梯产量就从最初的1.33万台增加到了近50万台，增长率令人惊叹^[5]。而我国电梯的总体需求也从10年前的3万台增长到了如今的50多万台。截止到2016年末，据不完全统计，我国的电梯总量已经达到了203.78万台，占世界电梯总产量的65%，而出口数更是超过了10万台。毫无疑问，我国已经成为了当之无愧的电梯大国。

我国电梯行业的发展，也表示我国市场空间存在着巨大潜力，这也是吸引各国实力企业进驻我国电梯市场的主要原因。短短十年时间内，世界各个知名电梯企业都在我国建立了分公司或合资公司。从好的方面看，这些外资企业为我们带来了更能和国际接轨的经营理念和技术标准，有利于我国电梯行业的快速进步和发展。但同时这也向国内电梯企业提出了挑战，只有不断更新技术、完善管理才能适应当前的发展环境。

伴随着智能化技术的不断发展，国际上知名的电梯企业，如美国奥的斯、德国蒂森、日本三菱等都在向电梯的智能化以及人性化改进方面转化。同时，如何节约能源、提升运输能力、提高电梯安全性仍是不可忽视的问题，因而也是当今世界范围内电梯发展和研究的主要方向。

具体的电梯发展方向和理念主要有以下几个方面：

1. 无机房电梯

完整的无机房理念并不只是单纯的取消电梯机房这种简易的结构改进，而是对电梯的整体结构和设计理念的一种全新尝试。要实现无机房电梯的设计，需要涉及到一系列的相关技术的革新，对于所使用的元器件也需要进行相应的改进和重新设计。因此，这项技术的实现将会成为电梯发展的一次重大飞跃。

（2）智能网络化控制

随着智能化技术的发展，电梯控制的智能化也成为了研究的主要方向，实现将电梯加入建筑智能化网络统一管理将会带来极大便利。

（3）绿色电梯

绿色就代表节能和环保，这一方面主要通过改进电梯的安装方式、元器件类型以及驱动能源来实现。

（4）远程监控系统

远程监控系统是近十几年发展起来的一种新型的安全系统。通过在电梯中加装该系统，可以实时了解电梯的运行情况，降低电梯故障率，同时在发生故障以后也能及时了解情况，进行维修。^[6]

1.4本文主要研究内容

根据我国1987年出台的《住宅建筑设计规范》规定，七层及以上建筑必须装设电梯，但随着时代进步和科技发展，我国大部分城市和地区都对这一规定做出了改进，规定六层以上建筑就必须装设电梯。但是根据资料显示，很大一批早期的六层建筑并未装设电梯，尤其以一些学校的老教学楼和实验楼为主，这对于教学设施和实验器材的更换极为不利，同时也不能满足弱势群体的需求，因此为此类建筑装设电梯具有极大的现实意义。

通过查阅国内外相关资料文献，我们了解到对于此类中高层建筑，主要使用可编程序控制器的控制方式。PLC控制具有以下优点：

1）PLC运行极为可靠，据统计正常情况下其工作时间不会低于20万小时；

2）PLC编程能力强大，易于实现模糊化程序编写；

3）抗干扰能力强，可保证电梯控制的可靠稳定。

同时，由于本文主要针对学校六层教学实验楼进行设计，不同于住宅楼和办公建筑的群控电梯控制方式，我们采用单一型控制方法，相比高层电梯的群控方式，更为灵活，可操作性强，成本较低，易于实现。根据这一设计需求我们完成了总体的控制方案。

硬件设计方面，根据电梯控制系统的要求与特点，我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC，同时利用TRD-J-1024-RZ增量旋转编码器采集电梯速度数据，再通过通用变频器 FR-S540E实现电梯的变速控制，经过合理的I/O口分配，完成了硬件接线图设计。

软件设计方面，使用与S7-200配套的编程软件STEP 7-Micro/WIN，根据设计要求和相对应的控制功能，完成了梯形图程序的编写，经过模拟调试，实现了基本设计要求，完成了设计任务。

第二章 可编程序控制器及总体方案设计

2.1 PLC概述

可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)作为一种为工业控制而生的专业控制器，以微处理器为核心，兼具计算机、智能通信、自动化控制等多种技术于一身^[7]。它拥有控制灵活、编程简单、功能丰富、成本低廉等优势，因此虽诞生不足40年，却被广泛地应用于工业控制的各个领域。因为其功能强大，适用范围广，业内人士将其与数控技术和CAD 等在现代工业自动化控制中极为重要的技术并称为行业支柱。在我国，从PLC技术自二十世纪八十年代进入国内以来，已经发展使用了30多年，并且PLC技术已经深入到了国民生产的各个领域，为我国经济发展和科技进步提供了强大动力。未来，相信在我国研究人员和科学工作者的共同努力下，具有中国特色和中国创造的可编程序控制器及其控制技术会有重大发展。

2.1.1 PLC的发展历程

可编程控制器的出现是时代的要求，也是历史的选择。传统的继电器控制方式由于其体积偏大、故障率高、难以维修并且灵活性差的缺陷，已经渐渐不适合现代化的工业自动化控制领域。技术进步和工业发展需要一种全新的控制装置来实现，此时可编程序控制器应运而生了。

率先提出这一要求的是美国通用汽车公司（G.M）。在1967年，随着汽车工业的快速发展，通用公司希望能够用新型的控制器来代替传统的继电器控制方式，从而可以降低生产成本和生产周期。这样就可以将更多精力放在对汽车型号和品种的改进，以应对激烈的市场竞争。他们将这种控制器定义为功能强大、程序编写灵活且简单易懂，最重要的是成本低^[8]。

基于通用公司的这种设想和要求，在1969年，美国数字设备公司（DEC）终于成功研制出了这种新型控制装置。它被命名为可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），并首先运用于通用公司的自动化汽车装配流水线上，成效卓著。自此，这项技术开始得到广泛推广。

最开始的可编程序控制器并没有我们现在看到的这样，有如此丰富的功能。最初它只作为传统继电器的替代品，仅有逻辑计算、计时等简单的顺序控制功能。但是在和它同时发展的微型计算机技术的帮助下，可编程序控制器得以利用微型计算机为核心，大大拓展了其功能。

20世纪80年代后期，微电子技术获得了飞跃式发展，也为PLC的发展提供了契机。在将32位微处理器作为可编程控制器的核心处理器后，PLC的功能得到了极大增强。无论是从控制水平、可靠性、能耗，还是体积、故障率上来说，都有了巨大改进。同时，新增的通信功能、图像处理和数据分析等功能，也使得PLC成为了真正意义上的新型控制装置。

综上，我们可以把PLC的发展过程大致可以分为如下三个时期：

1. 定型期。这是PLC刚得以面世的时期，同时也是各种类型的控制器共同问世的时期。由于工业控制和技术发展的需求，许多人都在研发新型的控制装置。但是最终只有PLC依靠其种种优点，淘汰了其他的竞争对手，成为了公认的最适合工业生产的控制器。在这一过程中，PLC的各方面设计也逐渐成熟，结构更加完善，功能更加稳定，应用范围也在不断扩大。
2. 普及期。此时的PLC已经得到了业界的广泛认可和大量应用，自然而然需求量自然增大，得以快速在世界范围内普及。由于产量增加，各个PLC生产厂家的生产技术也不断成熟，使得PLC的价格得以下降，更推动了PLC在工业控制领域的普及。在产品品种方面，各个公司也逐渐开始形成具有个人特色和突出优势的PLC产品。PLC的发展已是大势所趋。
3. 发展期。在这一时期，得益于微电子技术的发展，PLC得以配备16位，甚至32位的处理器，其处理和运算能力大幅提高。更多的功能模块被开发，与此同时，其体积却在往微小化发展。到今时今日，PLC不仅在运算速度和运算能力方面有了极大提高，为了满足现代工业发展的需求，更多专一型、特殊指向性模块被开发出来，使得其应用范围更加广泛。另外，通过发展网络技术和通信功能，使得PLC网络逐渐形成。控制再也不是一种单一的、孤立的系统，而是成为了一个相互联系，互相控制的整体。

2.1.2 PLC的国内发展及未来趋势

由于我国发展的特殊情况，导致在我国，PLC的发展过程与世界普遍的发展过程不太相同。在其他国家，PLC是从无到有，从最开始的设计研发，到后来的生产应用，一步步发展来的。而对我国来说，对PLC的接触是从引进国外成品设备开始的。通过引进、学习继而消化、研究，再到生产、应用，这是具有我国特色的PLC发展历程。具体的发展阶段大概可划分为以下三个部分：

1. 认识阶段。在20世纪70年代，我国还未引进可编程序控制器。但此时正值国际上PLC发展的大风潮，各国对于PLC的研究设计以及生产应用及其热烈，这一现象也吸引了我国工程技术人员的兴趣。因此在上海宝钢的一期工程中，有很多工程项目都引进了成套的可编程序控制器，作为我国对于这种新型控制装置的初次尝试和认识。这些PLC被广泛用于从原料采集到金属冶炼再到最后生产加工等工作中，替代了之前传统的继电器控制方式，效果非常显著。这之后，我国开始大量引进PLC,运用于采矿、生产、石油、制造和港口建设等工业领域，极大提高了我国工业生产水平。正是通过这种最初尝试性的引进，使得我国开始认识可编程序控制器这种新型的控制装置，为之后PLC在国内的发展奠定了基础。
2. 消化阶段。随着80年代改革开放的不断深入，通关限制也不再那么严苛，国内得以引进单纯的PLC，而不再是成套的成品设备。这使得我们对于可编程序控制器的了解更加深入，从最开始的认识走到了可以消化精髓，并且简单应用的程度。许多企业和单位都利用PLC设计组建了适用于自己行业和生产的控制系统，因为PLC在国内的应用范围也从最开始的重工业，扩展到了轻工业、制造业、手工业、甚至服务业。
3. 发展阶段。从90年代起到现在，PLC在国内经历了很大的发展和变化。从最初的只能靠引进国外设备，到如今的自主研发和制造；从最初的简单的应用，到如今深入国民经济发展的各个领域；从最初的单一功能，发展到如今的微型化、多功能、低成本。这些都是国内PLC发展可以看得到的进步。同时，政府方面对于我国可编程序控制器的发展也十分重视。在1991年成立的可编程序控制器行业协会就是政府为了保护PLC在国内的发展的明显证据。该协会搭建了企业和政府之间沟通交流的桥梁，加速了PLC的国内发展。

2.1.3 PLC的应用

在PLC刚开始应用于工业控制领域时，它的使用率其实并没有这么高，最主要的原因就是：作为一种新研制出来控制装置，它的成本比较高，价格与传统继电器相差较大，还不能被行业内广泛接受。随着PLC制造技术的不断发展和微电子元件的价格下降，使得PLC的制造成本也随之降低。另一方面，PLC的功能的不断拓展和完善也使得它的适用性更强，可以广泛应用于各种行业。

目前PLC的应用范围大概可以分为以下5个领域：

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