唐悦奇：基于PLC的施工场地升降机控制系统设计
二、系统设计方案的确定
2.1升降机的概述
电梯是电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物的机械设备。
随着城市的发展，高层建筑的增多，升降机的应用也越来越广泛，分类也随之增多。如按照升降机的用途可分为以下几类：
1、乘客，为运送乘客设计的升降机，要求有完善的安全设施以及一定的室内装饰。 2、载货升降机，主要为运送货物而设计，通常有人伴随的升降机。 3、观光升降机，厢壁透明，供乘客观光用的升降机。 4、车辆升降机，用作装运车辆的升降机。 5、船舶升降机，船舶上使用的升降机。
6、建筑施工升降机，建筑施工与维修用的升降机。
7、其它类型的升降机，除上述常用升降机外，还有些特殊用途的升降机，如冷库升降机、防爆升降机、矿井升降机、电站升降机、消防员用升降机等。
本设计课题为施工场地的升降机控制系统设计。以四层建筑场地升降机为模型，主要用于建筑施工与维修。 2.2升降机继电器控制系统
2.2.1升降机继电器控制系统的优点
(1) 所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。
(2) 系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。 (3) 大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜。
(4) 多年来我国一直生产这类升降机，技术成熟，己形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。 2.2.2升降机继电器控制系统存在的问题
(1) 系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。
(2) 普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。
(3) 电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。 (4) 系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
(5) 由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；而且检查故障困难，费时费工。
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升降机继电器控制系统故障率高，大大降低了升降机的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊忧。且升降机一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成升降机机械部件损坏，还可能出现人身事故。 2.3 PLC控制系统
PLC控制制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在升降机控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用十传统继电器控制系统的技术改造。
PLC是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统。由于PLC具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。因此在工业控制方面得到了广泛应用。自80年代后期PLC引入我国升降机行业以来，由PLC组成的升降机控制系统被许多升降机制造厂家普遍采用。并形成了一系列的定型产品。在传统继电器系统的改造工程中，PLC系统一直是主流控制系统。
升降机控制系统分为调速部分和逻辑控制部分。调速部分的性能对升降机运行是乘客的舒适感有着重要影响，而逻辑控制部分则是升降机安全可靠运行的关键。为了改善升降机的舒适感和运行的可靠性，现在都改为用PLC来控制升降机的运行，这样大大提高了升降机的性能。
可编程控制器(Programmable Logic controller，简称PLC)是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的二大支柱之一。 2.3.1 PLC控制升降机的优点
1、控制方式上看：电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而plc软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
2、工作方式上看：电器控制并行工作，而plc串行工作，不受制约。
3、控制速度上看：电器控制速度慢，触点易抖动；而plc通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。
4、定时、记数看：电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；plc时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。
5、可靠、维护看：电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差；plc无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。 2.4 变频调速控制升降机的特点
随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频技术是当今节电，改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最
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有发展前途的调速方式。
1.变频调速升降机使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。
2.变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能;调速范围宽、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速。
3.变频调速升降机使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显 2.5系统设计的基本步骤
在升降机控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点： 1.深入了解和分析升降机的工艺条件和控制要求。
2.确定I/O设备。根据机械手控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。
3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。
4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。
5.设计升降机系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个升降机系统设计的核心工作。
6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。
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三、系统硬件设计
3.1 PLC的选型
在工程应用中可选用的PLC机型很多，比如三菱公司的FX系列、OMRON公司的C系列、西门子等，它们功能都差不多，在工程应用中各有千秋，至于要选择哪种机型，就要根据自己的设计需要及应用水平。因为根据轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数计数器。又因为升降机是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器。就本次四层升降机的设计而言，上述三种机型都行，但根据市场的实际情况，本次设计采用西门子SIMATIC S7-300系列PLC机型。
SIMATIC S7系列PLC是德国西门子公司在S5系列PLC基础上于1995年陆续推出的性能价格比较高的PLC系统。其中，小型的有SIMATIC S7-200系列，最小配置为8 DI/6DO，可扩展2～7个模块，最大I/O点数为64DI/DO、12AI/4AO；中小型的有SIMATIC S7-300系列；中高档性能的有S7-400系列。SIMATIC S7系列PLC都采用了模块化、无排风扇结构且具有易于用户掌握等特点，使得S7系列PLC成为各种从小规模到中等性能要求以及大规模应用的首选产品。
SIMATIC S7-300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能如下：
(1) 高速的指令处理
0.1～0.6 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。
(2) 人机界面(HMI)
方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，因此人机对话的编程要求大大减少。
(3) 诊断功能
CPU的智能化的诊断系统可连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事件。
(4) 口令保护
多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。
(5) 操作方式选择开关
操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就能防止非法删除或改写用户程序。
(6) 方便用户的参数赋值
一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。
(7) 浮点数运算
用此功能可以有效的实现更为复杂的算术运算。
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3.1.1 SIMATIC S7-300系列PLC系统基本构成
SIMATIC S7-300系列PLC是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用，模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。SIMATIC S7-300有着广泛的应用领域，主要包括：纺织机械、各种机床、通用机械工程应用、电器制造工业及相关产业。多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用接口模块对PLC进行扩展。S7-300是模块化的组合结构，根据应用对象的不同，可选用不同型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架(导轨)或多个机架上。除了电源模块、CPU模块和接口模块外，一个机架上最多只能再安装8个信号模块或功能模块。CPU314/315/315-2DP最多可扩展4个机架，IM360/IM361接口模块将S7-300背板总线从一个机架连接到下一个机架，SIMATIC S7-300系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展。其系统构成如图2.1所示。它的主要组成部分有导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理单元模块(CPU)、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)等。它通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7PLC相连。
IM365SM321?SM322CPU模块PS307通信部件处理部件IM365FM351SM331?SM332MPI背板总线PGOP其他PLC 图3-1 S7-300系列PLC系统构成框图
S7-300系列PLC模块性能简介 (1) CPU模块 S7-300有CPU312 IFM、CPU313、CPU314、CPU314 IFM、CPU315/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等8种不同的中央处理单元可供选择。CPU315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有现场总线扩展功能。CPU以梯形图LAD、功能块FBD或语句表STL进行编程。
(2) 信号模块
① 数字量输入模块
数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。数字量输入模块有直流输入方式和交流输入方式。对现场输入元件，仅要求提供开关触点即可。输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器等待CPU采样。采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。
数字量输入模块SM321有四种型号模块可供选择，即直流16点输入、直流32点输
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