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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：可编程控制器在电梯中的应用研究
学习中心：
层 次： 专科起点本科
专 业： 工程管理
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2022年4月26日
电梯群控系统是将安装在建筑物内的3台或3台以上的一组电梯作为一个有机整体，根据不同的实际情况对各电梯进行优化调度和合理分配，以实现电梯群控系统的运行效率，缩短人们的候梯时间和电梯的运行时间，为乘客提供更高质量的服务，同时减少能耗。
本文利用可编程控制器PLC对电梯群控系统的实验平台进行软件编程，通过控制其核心算法最小等候时间进行电梯群控系统的调度以及分配。利用变频器调节电梯的运行速度，可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用，大大提高了电梯群控系统的服务质量。
关键词：可编程控制器；电梯群控系统；控制程序设计
目 录
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
电梯是高层建筑中应用极为普遍的垂直交通工具，是机电一体化的典型工业产品，它融合了多种学科的高新技术。伴随这微电子技术的广泛应用，电梯的运行速度、舒适感、安全保护等技术指标均得到很大提高[1]。
随着现代城市的高速发展，高层建筑和智能大厦不断增多，电梯已经成为人们日常生活中必不可少的交通工具，并且，越来越广泛地应用于人们的日常生活中。而随着现代社会的发展，人们越来越注重效率以及节约时间，所以对电梯服务质量提出越来越高的要求，单台电梯往往不能满足人们的需求，为缩短人们的候梯时间，减少能量的损耗，则需要合理安装多台电梯。对于多台电梯的控制，即对多台电梯的优化、统一调度与合理分配，就是电梯群控系统[2]。利用电梯群控系统对多台电梯进行控制，可以实现电梯群控系统的运行效率，以缩短人们的候梯时间和电梯的运行时间，为乘客提供更高质量的服务，并且能够减少能耗。
可编程控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)课程是电气工程类、机电一体化类专业所开设的基础专业课。本课题是依托天津理工大学自动化学院Rockwell实验室的SLC控制系统；利用上位机（微机）上的RSLogix500等软件进行电梯群控系统（现场总线及PLC程序）设计。
电梯群控系统实验平台是针对学生自己设计的控制方案，自己动手对电梯群控系统进行逻辑梯形图设计，并实现对电梯群控系统的优化调度和合理分配。该系统是对电梯群控系统进行控制的实验，不仅可以提高大学生的动手能力和应用所学知识解决实际问题的能力，而且对大学生的创新能力和科研能力的培养起到了重要的作用。
电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具，在现在，电梯成为人们不可缺少的一种交通运输工具。例如在大型的超市、商场、居民住宅和办公地点等各个地方都需要电梯，而且大多数都是电梯群控系统。因此，了解和掌握电梯群控系统的控制方法具有重要的意义。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外自动化电梯发展现状
随着第一个半自动化电梯控制器在19世纪20年代的使用，原始的服务员执守工作方式已减少为一个开关门的操作，直到1950年，由电力机械继电器系统组成的全自动电梯控制器的应用取消了服务员执守。到20世纪70年代，基于微处理器的电梯控制器得到广泛应用，使得更为复杂的调度算法的实施成为可能，由此产生了电梯群控的概念。20世纪40年代，美国两大电梯制造公司――OTIS电梯公司和西屋电机公司研究出了电梯群控方式。它能根据客流情况的变化高效率地对所有各层进行充分的服务[3]。采用群控电梯的控制方式，能够大大改善电梯系统的交通质量，一般可以使平均间隙时间缩短15%—20%，乘客的候梯时间也大为减少，乘客由于候梯时间过长而产生的心理烦躁的程度得到很大改善。
1.2.2 我国自动化电梯发展现状
我国已经成为全球最大的电梯市场。上世纪80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大，2004年总产量超过了11万台，且呈持续上涨趋势；从1949年建国以来全 国 共 生 产 安 装 了 6 1 万 多 台 电 梯 。全 世 界 平 均 1 0 0 0 人 有 1 台 电 梯 ， 我 国 如 果 要 达 到 这 个 水 准 ， 还 需 要 增 加 7 0 万 台 。因 此 ， 我 国 的 电 梯 远 未 达 到 饱 和 的 程 度 ， 发 展 前 景广阔[4]。
我国是最早于1990年开始 研 究 电 梯 群 控 的 ， 主 要 是 研 究 电 梯 群 控 系 统 和 人 工 智 能 方 法 。我 国 在 这 方 面 的 工 作 在 最 近 几 年 主 要 表 现 在 引 进 国 外 先 进 技 术 和 产 品 上 ， 也 努 力 在 此 基 础 上 推 出 自 己 的 产 品 。虽 然 我 国 电 梯 业 大 量 引 进 国 外 先 进 技 术 ， 但 是 很 多 停 留 在 产 品 引 进 上 ， 对 关 键 的 电 梯 群 控 技 术 还 没 有 能 从 国 外 引 进 ， 也 没 有 得 到 很 好 的 掌 握 。因 此 国 内 这 方 面 的 研 究 仍 落 后 于 国 外 ， 有 待 进 一 步 研 究 ， 不 断 向 前 发 展。
如今随着人工智能的不断发 展 ，越 来 越 多 的 研 究 人 员 将 专 家 系 统 、 模 糊 控 制 、 人 工 神 经 网 络 以 及 计 算 机 视 觉 等 方 法 应 用 到 电 梯 群 控 系 统 当 中 ，使 电 梯 群 控 系 统 的 性 能 得 到 进 一 步 提 高 。人 工 智 能 是 集 人 类 学 习 、推 理 、计 划 、探 索 、自 适 应 、模 式 识 别 、自 然 语 言 的 理 解 、知 识 处 理 等 能 力 的 集 成 技 术 。人 工 智 能 是 一 种 计 算 的 研 究 ，它 使 得 人 类 的 感 知 、推 理 以 及 具 体 的 实 践 操 作 成 为 可 能 。基 于 专 家 系 统 的 电 梯 群 控 系 统 由 知 识 库 、数 据 库 、推 理 机 、解 释 部 分 及 知 识 获 取 部 分 组 成 。首 先 通 过 知 识 获 取 部 分 获 取 电 梯 界 专 家 的 思 维 与 知 识 ，形 成 一 定 的 控 制 规 则 存 入 到 知 识 库 中 。这 种 规 则 为 “ 如 果 （ 条 件 ） ，那 么 （ 结 果 ） ” ，“ 条 件 ” 表 示 来 源 于 数 据 库 的 事 实 、证 据 、假 设 和 目 标 ； “ 结 果 ” 表 示 控 制 器 的 作 用 或 一 个 估 计 算 法 。数 据 库 存 放 专 家 系 统 当 前 工 作 已 知 的 一 些 情 况 、用 户 提 供 的 事 实 和 由 推 理 得 到 的 中 间 结 果 。推 理 机 目 的 是 用 于 协 调 整 个 专 家 系 统 的 工 作 ，它 根 据 当 前 的 输 入 数 据 或 信 息 ，再 利 用 知 识 库 中 的 知 识 ，按 一 定 的 推 理 策 略 去 控 制 派 梯 [5]。解 释 部 分 主 要 是 解 释 系 统 本 身 的 推 理 结 果 ，回 答 用 户 的 问 题 。由 于 专 家 经 验 及 知 识 的 局 限 性 和 知 识 表 达 的 不 完 全 性 ，控 制 规 则 并 不 完 善 ，故 这 种 方 法 在 适 应 不 同 大 楼 的 模 型 要 求 时 有 困 难。
1.3 本文的主要内容
本文研究的是可编程控制器在自动化电梯中的应用。
全文共分为五章，各章内容简介如下：
第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；
第二章，可编程控制器简介。简述了可编程控制器的定义、功能特点、结构及工作原理。
第三章，基于可编程控制器的自动化电梯控制系统的设计与实现。介绍了本设计的系统控制原理，系统主要部件的组成，系统的控制要求，自动化电梯控制系统的方案设计与论证， 自动化电梯控制系统的硬件选型（可编程控制器的选型，电动机的分析与选型，光电开关的分析与选型，接近开关的分析与选型），I/O点及地址的分配和电气控制原理图。
第四章，本章介绍了自动化电梯控制系统程序的设计。介绍了系统控制流程图，PLC程序的设计及系统调试。
本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。
2 可编程控制器简介
2.1 可编程控制器的定义和特点
可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字量或模拟量的输入接口、输出接口，控制各种类型机械的生产过程[6]。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的一些问题，如机械式触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
2.1.1 可编程序控制器的定义
可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它 采 用 了 可 编 程 序 的 存 储 器 ，用 来 在 其 内 部 存 储 执 行 逻 辑 运 算 、顺 序 控 制 、定 时 、计 数 和 算 术 运 算 等 操 作 的 指 令 ，并 通 过 数 字 量 ，模 拟 量 的 输 入 和 输 出 ，控 制 各 种 类 型 机 械 的 生 产 过 程 [7]。可 编 程 序 控 制 器 及 其 有 关 的 外 围 设 备 ，都 应 按 易 于 与 工 业 控 制 系 统 形 成 一 个 整 体 、易 于 扩 充 其 功能的原则设计。
PLC是微机 技 术 与 传 统 的 继 电 接 触 控 制 技 术 相 结 合 的 产 物 ，它 克 服 了 继 电 接 触 控 制 系 统 中 的 机 械 触 点 的 接 线 复 杂 、可 靠 性 低 、功 耗 高 、通 用 性 和 灵 活 性 差 的 缺 点 ， 充 分 利 用 了 微 处 理 器 的 优 点 ，又 照 顾 到 现 场 电 气 操 作 维 修 人 员 的 技 能 与 习 惯 ，特 别 是 P L C 的 程 序 编 制 ，不 需 要 专 门 的 计 算 机 编 程 语 言 知 识 ，而 是 采 用 了 一 套 以 继 电 器 梯 形 图 为 基 础 的 简 单 指 令 形 式 ，使 用 户 程 序 编 制 形 象 、直 观 、方 便 易 学 ；调 试 与 查 错 也 都 很 方 便 。用 户 在 购 到 所 需 的 P L C 后 ，只 需 按 说 明 书 的 提 示 ，做 少 量 的 接 线 和 简 易 的 用 户 程 序 编 制 工 作 ，就 可 灵 活 方 便 地 将 PLC应用于生产实践。
2.1.2 可编程控制器的特点
可编程控制器及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。可编程控制器的特点有以下几方面：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
可靠性高是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长[8]。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代的PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能模块大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言为工程技术人员所接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来[9]。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.2 可编程控制器的结构
可编程控制器从结构上分PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置[10]。
（1）中央处理器CPU（CPU芯片）
中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
CPU的主要任务有：控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据。并存人输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能。
不同型号的PLC其CPU芯片是不同的，有采用通用CPU芯片的，有采用厂家自行设计的专用CPU芯片的。CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快[10]。PLC的功能是随着CPU芯片技术的发展而提高和增强的。
（2）存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序固化在ROM内，用户不能直接更改，它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分。第一部分为系统管理程序，它主要控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的
