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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：基于PLC的电梯群控系统的研究和设计
学习中心：
层 次： 专科起点本科
专 业： 电气工程及其自动化
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2023年7月28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。
本文在阐述电梯的结构和PLC的结构和工作原理的基础上，完成了基于PLC的电梯控制系统的设计。本文主要从系统分析、系统设计和系统实现上阐述了基于PLC的电梯模拟控制系统的设计。论文对项目的关键模块和技术进行了分析，提出解决方案，实现系统模块功能。PLC利用形象直观的梯形图进行编程来控制电梯的运行，由于其接口不需要外接驱动器模块，接线简单可靠且扩展性较强。
关键词：PLC；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。
我国城镇化的快速发展，人口聚集严重，有限的土地资源如何得到更有效的利用，以满足人们对生活空间以及工作空间的需求，是城市规划建设的一大难题。面对人口爆炸的现实，被迫向上发展已经成为现在城镇发展的大趋势，高层建筑不断增多，改变了原有城市的发展格局，使得城市在纵向维度上得到了大大的提升。高层建筑甚至超高层建筑的出现，在很大程度上提高了城市空间利用率，但随之而来的是高层建筑的交通运输问题，而电梯则是解决该问题、维持其正常运转的必要运输工具[1]。现如今，电梯已成为一种日常生活中极为重要的人力和物流运输工具。近些年来，随着我国城镇化的建设，高层建筑、机场、高铁等工程的兴起，使得电梯产业也进入了快速发展阶段，我国电梯年产销量也高居世界首位，截止2020年底，我国电梯保有量786.55万台，预计在未来一段时期仍保持每年60万台左右的增长量。 随着电梯数量的急剧增长和在服役电梯的逐年老旧化，这些年由于电梯的安全管理、维护保养不到位等原因发生的事故，逐年增加，给经济社会发展造成了严重损失，同时带来恶劣的社会影响[2]。2014年国家正式颁布《中华人民共和国特种设备安全法》并实施，并于2018年又着重强调了电梯的质量安全工作，“通过科学监督的手段，预防和减少电梯事故，降低电梯故障率，不断提高电梯安全水平，让人民群众放心乘梯”。近年来，随着国家加大对特种检测设备自主研发的支持力度，我国的特种设备已经逐步摆脱了进口依赖，质量与同类型进口产品的差距已经明显缩小。但相比其他特种检测设备，我国在电梯安全检测方面落后较大，第一是可以用来进行检测的相关设备较少，大多检测还停留在原先的经验方法上，第二是少数利用先进设备进行检测的，检测手段也不规范。近年来，由于电梯相关检测的需要，国内外研究人员根据电梯安全检测需要，设计和制造了大量相关的检测设备，如电梯制动性能检测仪、钢丝绳探伤仪等，但是在国内绝大多数电梯检测还停留在传统检测手段，例如通过测试人员手动触摸钢丝绳来判断钢丝绳的损坏程度、通过检验人员搬运重物来进行平衡系数相关检验工作等，这类检验方式费时费力且成效低。因此，改变现有落后的检测手段已经成为所有电梯检验人员的当务之急。
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
在日常生活中，电梯是最常见的垂直交通工具，广泛应用于各个领域。而制动器是电梯中重要的制动部件，因此它的好坏有着极其重要的作用。然而，随着电梯老化的影响和日常使用的高频率，由于电梯制动器原因导致的事故频繁发生，造成极其严重的后果。Esteban 等提出了一种电梯状态空间模型，采用卡尔曼滤波器作为观测器对电梯正常运行时的加速度的动态变化进行观测，该模型为我们更好地理解电梯系统的行为和优化电梯安装在设计阶段提供了可能性，可以对运行状态下的电梯进行监测，通过卡尔曼观测器来估计出电梯乘坐不同质量时，电梯轿厢的加速度，进而计算出电梯的关键性能参数[3]。Skog 等为了对电梯轿厢进行较为精确的定位，并分析轿厢悬索的刚度变化，从而分析电梯的动力性能，他们通过加速度传感器和磁感应传感器对电梯位置、乘客质量、发动机系统、异常停机、异常门等进行测试。通过多次试验，找到了传感器信号与相应试验条件的关系[4]。Ungureanu 等分析了电梯在空载和满载条件下的位置变化，为三阶轨迹规划提供了一种精确的笼式运动控制方法[5]。Hrabovsky 等提出了改进版的便携式绳索矫直器的设计，他们采用箔应变片或者应变传感器来对提升中的绳索的作用张力进行检测[6]。
1.2.2 我国自动化电梯发展现状
李键铭等分析了电梯补偿链的变化对于其在制动试验过程中曳引能力的影响，同时也研究了电梯哪些因素受到的影响较大。结果表明，对于楼层高，速度快的电梯，这时电梯的钢丝绳重量较大，导致这种情况下补偿链的重量对于电梯整体影响就较大[7]。于克勇等结合相关实例，分析电梯在紧急制动、轿厢滞留、装载等工况下，轿厢质量、平衡系数、提升高度、电梯运行速度等一系列因素对电梯曳引能力的影响，并给出了减少钢丝绳打滑的措施[8]。王寅凯等利用外加驱动的办法，提出通过对现有电梯加装外部驱动，对其实现自动监测的方案。在电梯处于运行低峰期时，开启电梯变频器力矩输出和速度检测功能，根据建立的曳引轮驱动电流和驱动力之间的关系，逐步加大变频器的输出电流使电梯达到临界平衡状态，记录制动器的制动力，从而实现对电梯制动力的长期监测和预警[9]。但是使用这种方法时需要了解曳引轮上的驱动力与其电流之间的关系，虽然两个是正相关的，但是不同电梯的曳引机和制动器不完全相同，所以需要根据电梯具体的型号建立出曳引机驱动力矩和驱动电流之间的数学模型，同时需要对原有电梯的变频器外接控制，实际操作上局限性较大，不同类型的电梯通用性不足。
1.3 本文的主要内容
本文研究的是PLC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，PLC简介。简述了PLC的定义、功能特点、结构及工作原理。
第三章，基于PLC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（PLC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 PLC简介
2.1 PLC的定义和特点
可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PLC。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[10]。
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（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写[11]。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。
2.1.2 PLC的特点
1、可靠性高，抗干扰能力强
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[12]。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[13]。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[14]。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。
2.2PLC的结构
PLC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[15]。
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。并存入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。
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的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。第三部分为标准程序模块与系统调用，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了PLC性能的高低。
3、输入接口电路
输入接口电路是负责接收外部输入元件信号电路接口。可用于输入开关量信号的数字输入接口模块和用于输入模拟量的模拟信号输入接口。数字输入接口模块可以由光电耦合电路和微型计算机输入接口电路组成。采用光电耦合电路与现场输入信号相连可防止现场的强电干扰信号进入PLC。光电耦合器的抗干扰性能是：由于输入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此输出端信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰和其他串扰。
4、输出接口电路
输出接口电路是用于将PLC的运算结果转换后作用于控制对象上，以便达到控制目的。输出接口电路分开关量信号输出的数字输出接口和模拟量输出的模拟信号输出接口。数字输出接口有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管，驱动交流负载的双向晶闸管以及既可以驱动交流负载也可以驱动直流负载的小型继电器。负载电源可由外部现场提供。由于输入/输出接口电路采用了光电耦合电路或继电器隔离电路，使得输入/输出电路与内部电路在电气上完全隔离，从而防止了现场隔离干扰，保证PLC能在恶劣的环境下可靠地工作。
5、通讯接口
现代PLC一个显著的特点就是具有通讯功能，目前主流的PLC一般都具有RS485（或RS232）通讯接口，以便连接编程设备、监视器、打印机等外围设备，或连接诸如变频器、温控仪等简单控制设备进行简单的主从式通讯，实现“人一机”或“机—机”PLC或计算机相连，组成分布式工业控制系统，实现更大规模的控制，另外还可以与数据库软件相结合，实现控制与管理相结合的综合控制。
2.3 PLC的工作原理
介绍PLC的工作原理。PLC的扫描工作过程如图2.1所示。
图2.1 PLC的扫描工作过程
当PLC投入运行后，整个PLC其工作过程一般分为三个阶段：即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1、输入采样阶段
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
3、输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。
