大连理工大学网络高等教育
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：可编程控制器在电梯群控系统中的应用研究
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可编程控制器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：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
电梯是高层建筑中广泛使用的垂直运输工具。它是典型的机电一体化工业产品。它集成了各个学科的高新技术。随着微电子技术的广泛应用，电梯的运行速度、舒适性、安全防护等技术指标都有了很大的提高[1]。
随着现代城市的快速发展，高层建筑和智能建筑的不断增多，电梯已经成为人们日常生活中不可缺少的交通工具，并越来越多地应用于人们的日常生活中。随着现代社会的发展，人们越来越注重效率和省时，对电梯的服务质量提出了越来越高的要求。一部电梯往往不能满足人们的需要。为了减少人们的等待时间，降低能耗，有必要合理安装多部电梯。多电梯控制，即多台电梯的优化、统一调度、合理布局，是电梯群的控制系统[2]。使用电梯群控系统控制多部电梯，可以感知电梯群控系统的运行效率，缩短人们的等待时间和电梯运行时间，为乘客提供更优质的服务，降低能耗。
可编程逻辑控制器课程（PLC）是电气工程和大型机械专业的一门专业基础课。本课题基于天津工业大学自动化学院罗克韦尔实验室的SLC控制系统；电梯组的控制系统（现场总线和PLC程序）采用logirsx500等上位机（微机）软件进行设计[3]。
电梯是随着高层建筑的建设而发展起来的一种垂直运输工具，目前电梯已成为人们不可缺少的运输工具。例如，大型超市、购物中心、住宅和办公室都需要电梯，其中大多数是电梯群控系统。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19世纪20年代第一台半自动电梯控制器的问世，原来服务员执行工作的工作作风被缩短到关闭，一直到1950年，应用电梯全自动控制器的电气机械继电器系统被取消。到了20世纪70年代，基于微处理器的电梯控制器得到了广泛的应用，使得应用更为复杂的调度算法成为可能，由此产生了电梯群控制的概念。在四十年代，美国有两间主要的升降机公司—奥的斯电梯公司和西屋电气公司，研究了升降机的分组管理方法。它可以有效和高效地服务于所有级别，以适应乘客流量的变化[4]。通过对电梯的分组控制，可以大大提高电梯系统的运输质量，一般缩短间隔时间15%-20%，舷梯乘客的候车时间也大大缩短，乘客因舷梯候车时间过长，导致心理刺激的显著改善。
1.2.2 我国自动化电梯发展现状
中国已成为世界上最大的电梯市场。20世纪80年代以来，随着经济建设的持续快速发展，我国对电梯的需求量不断增加。自1949年以来，中国已经生产和安装了超过61万部电梯。全世界平均有1000人有电梯。如果中国要达到这一水平，就必须增加70万人。因此，中国电梯远未达到饱和状态，具有巨大的发展前景。
我国从1990年开始研究电梯群控，主要研究电梯群控系统和人工智能方法。近年来，中国在这方面的工作主要体现在引进国外先进技术和产品，并在此基础上努力推出自己的产品。我国电梯行业虽然引进了大量国外先进技术，但很多仍停留在产品的引进上，关键的电梯群控技术还没有引进国外，也没有很好的掌握。因此，国内在这方面的研究仍然落后于国外，需要更多的研究和不断的发展。
目前，随着人工智能的不断发展，越来越多的研究者将专业系统、模糊控制、人工神经网络和计算机视觉应用到电梯群控系统中，以进一步提高电梯群控系统的性能。人工智能是集人类学习、推理、计划、探索、适应、模式识别、自然语言理解、知识处理等为一体的综合技术。人工智能是一种使人类感知、推理和具体实际操作成为可能的计算研究。基于专家系统的电梯群控系统由知识库、数据库、推理机、部分解释和部分知识获取组成。首先，通过知识部分的获取获得电梯专家的思维和知识，并在此基础上形成和存储一定的控制规则。这条规则是“如果（条件），那么（结果）”，“条件”是指事实、证据、假设和数据库的目标；“结果”表示控制器或pet算法的作用。数据库存储专家系统当前工作中的一些已知情况、用户提供的事实以及通过推理获得的中间结果。推理机的目标是协调整个专家系统的工作。根据当前输入的数据或信息，他使用知识库中的知识，根据特定的推理策略控制探险[5]。说明部分主要说明系统本身的推理结果，并回答用户的问题。由于经验和专业知识的局限性、知识表达的不完整性和控制规则的不完善性，这种方法很难适应不同建筑模型的要求。
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
可编程控制器，称为可编程控制器，缩写为PC。然而，由于PC很容易与个人计算机（PersonalComputer）混合，PLC仍然被用作可编程控制器的缩写.它是一种在微处理器中心进行数字操作的电子系统装置，专门设计用于工业设施，使用可编程存储器执行逻辑运算、串行控制、计时器/计数和算术运算等操作，并通过数字或模拟量的输入输出接口，控制各种机器的生产过程[6]。PLC是微机技术与传统继电接点控制方法相结合的结果，克服了继电接点控制系统中存在的一些问题，如机械接点连接复杂、可靠性低、功耗高，通用性和柔韧性差，充分利用微处理器的优势，并考虑到现场服务人员的技能和习惯，特别是PLC编程并不需要计算机编程方面的专门知识，而是一种简单的命令形式，基于继电式梯形电路，采用服务程序形成图像，直观易行；调试和错误检查也非常方便.在购买所需的PLC后，用户必须按照说明书中的说明进行少量的连接和简单的用户流程，从而使PLC在生产实践中得到灵活、方便的应用.
2.1.1 可编程序控制器的定义
可编程控制器，称为可编程控制器，缩写为PC。然而，由于PC很容易与个人计算机（PersonalComputer）混合，PLC仍然被用作可编程控制器的缩写.它使用可编程存储器执行逻辑运算、串行控制、计时器、计数器和算术运算等指令，并通过数字量、模拟输入和输出控制不同类型机械的生产过程。可编程控制器及相关外围设备的设计应遵循原则，有助于建立一个综合的工业管理系统并有助于扩大其职能。
PLC是微机技术与传统继电接点控制方法相结合的产物，能够克服继电接点控制系统在机械接点连接方面的缺陷，可靠性低，功率大，通用性和灵活性强，充分发挥微处理器的优势，并考虑到现场服务人员的技能和习惯，特别是PLC软件，不需要计算机编程语言的专门知识，但是采用了一系列基于梯形继电器电路的简单指令，采用家庭程序塑造形象，直观方便；调试和错误检查也非常方便.在购买所需的PLC后，用户必须按照说明书中的说明进行少量的连接和简单的用户流程，从而使PLC在生产实践中得到灵活、方便的应用。
2.1.2 可编程控制器的特点
可编程控制器及其相关外围设备的设计必须遵循易于与工业控制系统形成一个整体并扩展其功能的原则。可编程控制器具有以下特点[7]：
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC采用现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺，内部电路采用先进的抗干扰技术，可靠性高。例如，三菱公司生产的F系列PLC的平均故障间隔时间高达300000小时。一些使用冗余CPU的PLC平均无故障时间较长[8]。从PLC外部电路来看，采用PLC构成控制系统。与同等规模的继电接触系统相比，接线和开关触点减少到数百甚至数千个，故障大大减少。此外，PLC还具有硬件故障自检测功能，故障时能及时发出报警信息。在应用软件中，用户还可以编写外围设备故障自诊断程序，以便系统中除PLC以外的电路和设备也可以获得自动故障诊断保护。这样，整个系统高度可靠就不足为奇了。
2.配套设施齐全，功能完善，适用性强
随着PLC的发展，形成了大、中、小型产品。它可用于工业控制的多个场合。除了逻辑处理功能外，大多数现代PLC还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，大量功能性PLC模块的出现，使得PLC渗透到位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。随着PLC通信能力的提高和人机接口技术的发展，利用PLC构成多个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作为一种通用工业控制计算机，是工矿企业的工业控制设备。其界面简单，编程语言为工程技术人员所接受。比例图的图形符号和语言表达与继电器电路图非常接近。继电器电路功能仅需少量PLC逻辑控制指令即可轻松实现。它为不懂电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人打开了一扇方便的大门，让他们利用计算机进行工业控制。
4.系统设计施工工作量小，维护方便，易于改造
PLC采用存储逻辑代替布线逻辑，大大减少了控制设备的外部布线，大大缩短了控制系统的设计和施工周期，便于维护[9]。更重要的是，同样的设备可能通过修改程序来改变生产过程。这非常适合不同的小批量生产场合。
5.体积小、重量轻、能耗低
以超小型PLC为例，新生产的品种下部尺寸小于100mm，重量小于150g，能耗仅为几瓦。由于其体积小，很容易安装在机器上。它是一种理想的机电一体化控制设备。
2.2 可编程控制器的结构
PLC在结构上分为固定式和组合式（模块式）。固定PLC包括CPU、I/O、显示面板、内存块、电源等。这些元件组合成一个不可拆卸的整体。模块化PLC包括CPU模块、模块I/O、内存、电源模块、后台或支持。这些模块可以根据某些规则进行组合和配置[10]。
1.中央处理器（CPU芯片）
中央处理器（CPU）通常由控制器、算术单元和注册表组成。这些电路被集成到一个芯片中。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线连接到存储单元和输入/输出接口电路。与普通计算机一样，CPU是PLC的核心。它命令PLC根据PLC系统程序给出的功能有序工作。用户程序和数据预先存储在存储器中。当PLC处于执行模式时，CPU以循环扫描模式运行用户程序。
CPU的主要任务是控制程序和用户数据的接收和存储；通过I/O组件扫描接收现场状态或数据。在输入图像记录或数据存储器中共存；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误；PLC进入执行状态后，逐条读取存储器中的用户指令，经指令解释后，根据指令中指定的任务进行数据、逻辑或算术运算的传输；根据操作结果，更新相关标志位的状态和输出图像记录的内容，然后通过输出单元执行输出控制、制表和打印或数据通信功能。
不同型号的PLC具有不同的CPU芯片，包括通用CPU芯片和制造商设计的专用CPU芯片。CPU芯片性能与PLC处理控制信号的能力和速度有关。CPU位数越大，系统处理的信息量越大，操作速度越快[10]。随着CPU芯片技术的发展，PLC的功能不断完善。
2.记忆
PLC存储器包括系统存储器和用户存储器。
系统存储器用于存储PLC制造商编写的系统程序。系统程序固化在ROM中，用户不能直接更改。它使PLC具有基本功能，并能完成PLC设计者指定的所有工作。系统程序的质量在很大程度上决定了PLC的性能。其内容主要包括三个部分。第一部分是系统管理程序，主要控制PLC的运行，使整个PLC逐步工作。第二部分是用户指令解释器，它通过用户指令解释器将PLC编程语言转换为自动语言指令，然后CPU执行这些指令。第三部分是标准程序模块和系统调用，包括许多具有不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出和特殊操作的子程序。具体的PLC工作由这部分程序完成，这部分程序的数量也决定了PLC的性能。
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）。用户程序存储器用于存储指定PLC编程语言中的多个用户编写的软件，用于特定控制任务以及用户系统的配置。用户程序的存储器可根据选择的存储器单元类型采用RAM（带能量下降保护）、EPROM或EEPROM存储器，其内容可由用户随意修改、添加或删除。用户功能存储器用于存储（记忆）用户程序处于/关闭状态时使用的设备的数字数据。用户内存容量的大小与用户程序容量的大小有关。它是反映PLC性能的重要指标之一。
3.输入接口电路
输入接口电路是负责接收来自外部输入元件的信号的接口.用于输入开关信号的数字接口模块和用于输入模拟值的模拟信号的接口。数字输入接口模块可由光电耦合电路和输入芯片的接口电路组成。将光电电路连接到现场输入信号，可防止强电干扰进入PLC。光合器的抗干扰性能是，由于输入和输出是由光信号连接的，所以完全是电隔离的，因此，输出信号不进入输入端，不产生接地等干扰.
模拟信号输入接口分为四个量的两类，两类分别为电压和电流。电压介于0至10 V和10至10 V之间。目前的型号有4-20mA，0-20mA。然后模块将模拟数转换为+32767-32768之间的数字，然后参与PLC控制。
4.输出接口
输出接口电路用于将PLC操作结果转换为控制对象，实现控制目标.输出接口分离电路输出信号输出数字输出接口和模拟信号模拟输出。数字输出接口有一个大功率晶体管和一个带恒载驱动的场效应管、一个带交流驱动的双向可控硅以及一个小继电器，能够同时驱动交流负载和直流负载。电源可以在外部提供。由于输入/输出接口电路采用光电通信或继电器隔离电路，输入/输出电路与内部完全隔离，从而防止了现场干扰，保证了PLC在不利条件下的可靠运行。
模拟值输出模块意味着PLC可以根据要求转换成具有相应精度的模拟值输出模块，可根据现场要求，以一定精度输出模拟信号，用于现场控制对象。
5.通信接口
现代PLC的一个显著特点是它的电信功能，在这种功能下，PLC通常具有RS485（或RS232）电信接口，用于连接软件、监视器、打印机等外围设备或简单控制设备，作为逆变器、恒温器，为实现“人机一体”或“机对机”PLC或计算机通信之间简单的基本通信，建立分布式工业控制系统，提供更广泛的控制，也可与数据库软件相结合，实现控制与管理相结合的综合控制。
6.电源
PLC电源是将外部输入的交流信号转换为PLC处理器、存储器、I/O接口等的直流电路.D。为了减少电源介质之间的干扰，输入/输出接口电路和内部电源电路相互连接。对于PLC的可靠性来说，能量的优缺点至关重要.大多数PLC使用电源开关。
7.底座或机架
大多数模块化PLC使用基板或机架，它们的作用是确保不同模块之间的电气连接，这使得处理器能够访问基板上的所有模块，并机械地提供模块间连接，允许每个模块组成一个整体。
8.其他PLC系统设备
（1）软件设备：程序员是PLC应用程序开发、运行控制、验证和维护不可或缺的要素，用于PLC和PLC控制的系统的编程、系统配置、运行控制，但不直接参与现场管理。小型PLC程序员通常都有手动程序员，目前他们通常被用作程序员。
（2）人机界面：人机最简单的界面是指示灯和按钮，目前的液晶屏（或触摸屏）输入模拟电位计，打印机等[11]。
PLC通信网络
通过先进的工业网络技术，可以快速有效地收集、传输和管理生产数据。因此，网络在自动化系统集成过程中的重要性越来越明显，甚至有人认为“网络是控制器”。
PLC具有连通网络，可实现PLC与PLC之间以及PLC与上级计算机和其他智能设备之间的信息交换，建立一个统一的整体，实现分散的集中控制.大多数PLC都有RS-232接口，还有一些内置接口支持各自的通信协议。与PLC的联系还没有变得相互依赖，IEC为许多现场输电线路制定了标准。
2.3 可编程控制器的工作原理
介绍可编程控制器的工作原理[4]。PLC的扫描工作过程如图2.1所示。
