2015 届本科生毕业论文存档编号
湖北文理学院物理与电子工程学院
毕业论文（设计）
论文题目：基于PLC和MCGS的四层电梯控制系统
English Topic: The Four Layer Elevator Control System Based On MCGS and PLC
基于PLC和MCGS的四层电梯控制系统
摘要：本毕业设计上位机利用组态软件MCGS设计监控系统，下位机采用PLC 来控制,并用，设计出一个自动化、稳定可靠、易操作的控制系统。控制系统采用模块化设计，包括控制系统硬件设计、控制系统软件设计、组态软件的组态画面设计。其中系统硬件设计主要包括PLC的选型、I/O地址分配、PLC硬件I/O 接线；系统的软件设计主要是利用GX-Works2来完成梯形图的编程与调试；组态界面的设计主要包括用户窗口的建立；实时数据库的建立；以及运行脚本程序的编写等。电梯的主要功能模块包括响应轿厢内外呼叫按钮并到达相应的楼层、轿厢当前楼层显示模块、电梯门自动开关模块、内外呼叫按钮和开关门信号的输入与消除模块等。最后通过制作上、下位机的通讯协议以达到上位机实时监控的目的。
关键词：PLC；MCGS；四层电梯；控制系统
The Four Layer Elevator Control System Based On
MCGS and PLC
Abstract：Due to the traditional relay, contactor type elevator control system more and more clearly showed the unsolved problem of a short life, the line repair complex,. because of its easier use, high reliability and simple maintenance, PLC get the mass Pro resistance. This graduation design based on MCGS configuration software and PLC to control, and use the MCGS to PC for real-time monitoring, designed a automation, stable and reliable, easy operation of the control system. Modular design is adopted in the control system, including control system hardware design, software design of the control system, the screen configuration software design. The hardware design mainly includes the selection assignment of I/O address, PLC hardware I/O wiring PLC. Elevator main function in response to both inside and outside the car call button and reach corresponding floors, car current floor display module, elevator door automatic switch module, inside and outside call button and open and close the door and elimination of signal input module etc.. Complete the design of four layer elevator control system based on MCGS configuration software and PLC.
Keywords：Programmable Logical Controller; MCGS; Four elevator;Control system
目录
1绪论 (1)
1.1前言 (1)
1.2基于PLC的电梯在国内外的发展趋势 (1)
1.3研究的主要内容及设计成果的应用价值 (3)
2基于PLC四层电梯控制系统的概述 (4)
2.1可编程控制器的概述 (4)
2.2 四层电梯控制系统的概述 (7)
2.3 四层电梯控制系统的具体控制要求 (9)
3. 四层电梯控制系统的硬件设计 (11)
3.1 四层电梯控制系统的工作流程 (11)
3.2PLC的选型——三菱FX-2N PLC的简介和特点分析 (12)
3.3 硬件设计的I\O地址定义和I\O地址分配表 (13)
4 四层电梯控制系统的软件设计 (15)
4.1 GX-Works2软件简介 (15)
4.2 利用GX-Works2编写PLC梯形图程序 (15)
5 四层电梯控制系统的组态画面的设计 (20)
5.1 组态软件MCGS6.2的简介 (20)
5.2 用户组态画面的建立 (20)
5.3 上位机组态画面运行 (26)
5.4 PLC设备与组态数据对象的链接 (27)
参考文献 (29)
附录 (30)
致谢 (41)
1绪论
1.1前言
在高速发展的现代社会中，电梯已经成为生产生活当中不可缺少的高层运输设备。由于电梯的存在让每幢高层建筑的联系更为紧凑、便利。电梯控制系统的发展主要经历了三个阶段：继电器控制阶段、微机控制阶段、现场总线控制阶段[9],但是传统的由继电器、接触器控制的电梯运行在控制线路上易出故障、维护难、运行寿命短、控制系统庞大等缺点，从电梯的长远发展史来看，这种控制系统将逐渐的被淘汰。目前电梯设计比较先进的方法是使用可编程控制器(PLC)来进行控制，较传统控制系统的优点是变化灵活，编程简单，故障较少，噪音低、维修保养方便、最大化提供效率、抗干扰能力强；控制箱空间占有率小，可靠性高、开发周期较短。所以较传统的控制系统这种电梯运行更加可靠，并且有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，已成为电梯控制发展的主要方向，其许多功能是传统继电器、接触器控制系统所无法实现的[14]，近30年来，可编程控制器经历了从无到有发展阶段，实现了工业控制领域从接线到存储技术的巨大飞跃[12]；其功能从简单到全面，并且实现了可编程控制器数字控制的智能化；其应用领域也变得更加的广泛，完成了单体设备简单控制到过程控制和集散控制等各种复杂控制任务的进化[3]。现在的可编程控制器已经逐步成为工业控制领域的主流控制设备，包括三菱、西门子以及一些国内设备厂商开发出了一大批适用于工业控制领域的各种型号的PLC设备，在工业控制领域发挥着巨大的的作用。1.2基于PLC的电梯在国内外的发展趋势
作为中国最早对外开放的行业，中国电梯业受到外资各种打压措施影响，原有的国内著名的电梯品牌全军覆没。自1980年起，上海电梯厂，天津电梯厂，沈阳电梯厂等国内的大型电梯企业，纷纷与瑞士迅达、美国奥的斯、日本三菱等国外电梯巨头达成合资协议，外资合资品牌与外企也因此进入国内市场。近年来，一些国内电梯品牌经过结束革新，绝地反击，出现四分天下有其一的局面。目前，中国已成为电梯行业竞争的主战场。然而要想在这场没有硝烟的战争中立于不败之地必须改革创新，摆脱传统电梯业带来的束缚，采取各种技术让自己处在竞争的前列。基于PLC的电梯控制系统由此应运而生。现如今电梯业运用的控制
系统主要是微机控制和PLC控制[15]，其中微机控制仍是主流控制方案，尤其在垂直电梯中，超过90%使用微机控制，这主要是由微机控制的高灵敏度与低成本、CPU的高运算能力与高抗干扰能力。PLC则在可靠性方面与简单的逻辑控制比较占优势[7]。在未来，电梯将向高速电梯这个方向发展，乘梯的舒适感及电梯启动和停止时的平滑过渡也会变得更加突出，因此在未来几年微机控制仍然是主流控制方案，但PLC的高可靠性及以维护的优势也让更过的厂商考虑将二者的优势结合，微机控制与PLC控制相结能更好的实现人性化设计。
在发达的工业国家，可编程序控制器已经广泛地应用在所有的工业部门,但是随着可编程随着可编程序控制器的性能价格比不断提高,过去许多使用计算机控制的场合也可以使用可编程序控制器,可编程控制器的应用范围不断扩大,正在成为工业控制领域的关键设备。自美国奥斯升降机公司在1889年推出当时世界上第一部以电动机为动力的升降机以来, 电梯经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等驱动方式的巨大变化,逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。如今电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的代步工具; 而且作为载人工具,人们在运行的平滑性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能方面对它提出了更高的要求。由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、一旦接收完成不易更改等缺点,所以需要开发一种安全、高效的控制方式。可编程控制器(PLC)具有原来继电器、接触器控制系统的优点—控制精度高、控制程序简单易懂、外部设备可靠性好、而且控制程序可随工艺改变、设备维修方便、易于与计算机接口等诸多高品质性能。所以近些年可编程控制器的高性能让其在电梯控制领域得到了广泛而深入的应用[8]。
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。多层厂房和多层仓库需要有货梯;高层住宅需要有住宅梯; 百货大楼和宾馆需要有客梯,自动扶梯。在现代社会,电梯已像汽车、轮船一样, 成为人类不可缺少的交通运输工具。据统计,美国每天乘电梯的人次多于乘载其它交通工具的人数，当今世界,电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。追溯电梯这种升降设备的历史,据说它起源于公元前236年的古希腊。当时有个叫阿基米德的人设计出-----人力驱动的卷筒式卷扬机。1858年以蒸汽机为动力的客梯,在美国出现,继而有在英国出现水压梯。1889年美国的奥的斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力,这才出现
名副其实的电梯,并使电梯趋于实用化。1900年还出现了第一台自动扶梯。1949年出现了群控电梯,第一批批4~6台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。1955年出现了小型计算机(真空管)控制电梯。1962年美国出现了速度达8米/秒的超高速电梯。1963年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。1967年可控硅应用于电梯,使电梯的拖动系统筒化,性能提高。1971年集成电路被应用于电梯。第二年又出现了数控电梯。1976年微处理机开始用于电梯,使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期。
1.3研究的主要内容及设计成果的应用价值
本课题主要内容包括:了解组态软件MCGS的组成以及工作原理,学习使用组态软件MCGS,然后熟悉了解三菱FX-2N系列的PLC硬件配置,内部资源以及编程软件GX-Work2的使用, 最后以组态软件MCGS设计出组态监控画面来建立系统上位机监视平台,以PLC作为控制系统下位机实现全部控制功能,根据多层电梯控制系统的要求完成多层电梯控制系统整体设计。现有三菱系列PLC开发软件GX-Work2,组态开发软件MCGS等软件拥有三菱系列PLC等设备,可以满足本课题的研究与设计。在设计中要充分采取理论联系实际的方法,无论是程序开发还是硬件连接都要联系实际让设计在生活中能真正起到作用。对实现论文的真正价值具有实际作用。
通过课题的研究与实验,总结并建立一套基于PLC的电梯控制系统,能高效的完成电梯的控制任务。利用MCGS 组态软件制作人机对话界面,检验电梯PLC控制系统的运行情况。PLC可遍程控制器和MCGS组态软件结合有利于PLC控制系统的设计、监控、故障排除等具有良好的应用价值。
2基于PLC四层电梯控制系统的概述
2.1可编程控制器的概述
2.1.1 PLC的发展史和背景
在PLC（Programmable Logical Controller）可编程控制器未问世之前，工业控制领域中主要是接触器和继电器占据主要的地位，但是接触器和继电器所构成的控制系统是采用固定硬件的接线实现控制要求，而且对于一些大型的控制系统来说需要大量的接触器和控制器，这样造成硬件电路固定不易改变、控制系统体积过大、耗能多、接触器频繁动作老化快寿命短、容易造成系统故障。在这样的一个大环境下人们想用一种新型的控制装置取代接触器继电器控制电路。这样就出现了具有计算机的完备功能以及灵活性和通用性、并且具有原先接触器和控制器的简单易懂，操作方便、价格便宜的优点的新型控制系统[2]。
随着微处理器（CPU）和运算放大器、数字通信技术的飞速发展，几乎所有的工业控制领域都在使用计算机控制系统。当前用于工业控制的计算机可以分为以下几类：基于PC总线的工业控制计算机、类如可编程序控制器、基于单片机的测控装置、用于模拟量闭环控制的可编程调节器、集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）等。
2.1.2 PLC控制器的特点
经过多年的发展PLC已经发展成完善的可编程控制器。PLC是综合继电器和接触器控制的优点以及计算机的灵活、方便的优点的统一化的产物，这使PLC 具有其他控制器所没有的优点，主要包括以下优点：
⑴可靠性高、抗干扰能力强：提高PLC的可靠性和抗干扰能力主要采用了硬件措施和软件措施来提高。主要的硬件措施包括屏蔽、滤波、隔离、采用模块式结构；主要的软件措施有故障检测、信息保护和恢复、设置警钟时钟WDT、对程序进行检查和检验，一旦有错立即报警，并停止执行[18]。
⑵通用性强、使用方便：PLC产品已经系列化和模块化，PLC开发制造商提供了品种齐全的I\O模块和配套部件。
⑶采用模块化结构，使系统组合灵活方便：PLC系统的各个部件均采用模块化设计的结构，模块之间用电缆连接。根据用户的需求选取系统的功能和规模。
⑷编程语言易学、简单、容易掌握：PLC的开发制造商为了方便电气技术人员学习和研究，采用了了与继电器接触器原理相同的梯形图语言方便大家了解。
⑸系统设计周期短：由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求来配置相应的模块，热不是设计具体的接口电路，这样缩短了设计所需要的时间。
⑹安装简单、调试方便、维护工作量小、对生产工艺的改变适应能力强：PLC 控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统小的多，只要将现场的各种PLC设备和相应I\O端口相连就可以了；PLC的核心部件是工业控制计算机其实就是一种微处理器，通过编程来实现不同的控制要求，对生产的适应能力强。2.1.3 PLC的基本组成和工作原理
PLC自身有有很多优点，在工业生产的各个领域显示出了越来越重要的作用，作为一个使用者要更好的了解和掌握它就需要深入的了解它的基本组成和工作原理。
⑴PLC的基本组成：目前市场上有很多的可编程控制器，不同的厂商或者同一个厂商都有不同的型号，那么它的结构就不相同，但是他们的基本组成和基本工作原理大致都是相同的。都是以微处理器为核心，功能的实现靠软硬件结合的形式，换句话说实际上的可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。其硬件系统的基本结构框图如图2.1所示。
图2.1PLC硬件系统结构框图
由上图可知PLC的硬件系统主要是由微处理器（CPU或者是运算器和放大器）、存储器（RAM、EPROM）、输入\输出模块、外设I\O接口以及电源组成[1]，
这些部件放到同一个机壳内组成了一个整体式的PLC的设备。对于模块式的PLC，各部件独立封装，称之为模块，各模块之间通过电缆和机架相互连接方便取放和选取重复使用。主机内的各个部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。根据实际的控制要求配备一定的外部设备，即可构成不同的PLC控制系统。常用的还有一些诸如编程器、答应机、EPROM写入器等外部设备来扩展控制功能。PLC可以配置通信模块也可以与其他的PLC或者上位机连接构成分布式控制系统。
⑵PLC的基本工作原理：众做周知PLC是一种可以存储程序的控制器，用户可以根据对象的具体控制要求编制好程序并将程序键入到PLC的用户存储器中进行寄存。PLC的功能的实现就是靠通过运行用户程序来实现控制的。
PLC的程序运行的方式与微型计算机相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END命令即结束程序的执行，但是PLC的程序执行时从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始执行到最后一条END结束，但是PLC 程序还会从第一条程序开始重新运行，是一种循环执行的过程，直到断电或者运行到STOP状态下。我们称之为这种执行程序的方式为扫描工作方式，每当扫描完成一次就构成了扫描周期。而且PLC对输入、输出信号是集中处理的但是微型计算机对输入、输出是实时信号处理。PLC的扫描工作方式主要分为三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。PLC扫描过程示意图如图2.2所示。
图2.2 PLC扫描过程示意图
2.2 四层电梯控制系统的概述
日常生活所用到的电梯是以电动机为驱动一种运动装置，主要的应用场合在于多层建筑的乘人或载物。电梯主要运载方式有箱状吊舱式的也有台阶式的，台阶式的电梯踏步板装在履带上连续传送，也称自动扶梯。箱装吊仓式电梯是服务于高层建筑的固定式的升降设备，其具有一个轿厢。这里提及的四层电梯的设计主要指的是箱装吊舱式电梯的设计。
2.2.1电梯的详细分类
电梯有很多分类方式，但是可以按照不同的分类原理将电梯进行分类。下面我们就从几个方面进行分类。
⑴按用途分类:
乘客电梯：这种电梯主要是为了方便人们出行上下高层的产物，乘客电梯要求具有完备的保障乘客生命安全的一些措施以及一些轿厢内的按键合理编排和布局;
载货电梯：这种电梯是为了方便人们来搬运大型货物，提高劳动效率的电梯产物;
医用电梯：为运送伤病人员、医疗人员、医用车、病床而设计的电梯,轿厢一般都是长而窄，这样来设计是为了更好的转移伤员以避免二次伤害;
观光电梯：这种电梯轿厢壁是透明的,方便乘客观光使用游览景区，而且一般使用场合都在旅游风景区;
船舶电梯：供船舶上使用，要求具有方便、实用、小巧等功能;
建筑施工电梯：建筑施工与维修使用的电梯，对工程方面的要求很高，要求负荷量要大。
除了上述常用的电梯外,还有一些特殊用途的电梯,比如冷库电梯、矿井电梯、消防员用电梯、电站电梯等。
⑵按驱动方式分类:
交流电梯：驱动方式采用交流感应电动机;根据拖动方式的不同可分为交流变压变频调速、交流双速、交流调压调速、交流单速等交流电梯;
直流电梯：驱动方式采用直流电动机;而且轿厢的运行速度一般在2米/秒以上;
液压电梯：通常为利用电动泵驱动液体的流动,由柱塞带动轿厢升降的电梯;
直线电机驱动的电梯:动力源为直线电机;
除了以上两种比较重要的电梯分类方式以外还有按照速度分类、按照是否有电梯操作员和按照电梯操作方式来分类。这里就不花大篇幅来介绍了。
2.2.2、电梯控制系统的结构
⑴基于PLC的四层电梯控制系统的整体流程图
本系统主要构成是由由上位机、下位机以及下位机控制的各执行部件组成，其中上位机是由工控机和工控软件MCGS6.2来实现[16]，下位机由PLC来完成,MCGS监控软件主要用于监控并控制PLC及其他执行部件的工作状态，实现上位机与下位机的通信与反馈，下位机PLC用于控制各执行部件的运行工作[20]。整体流程图如图2.3所示。
图2.3 四层电梯控制系统的整体流程图
电梯是机电合一的一种大型的复杂的产品。它的机械部分相当于人的躯体,电气部分好比人的神经,而控制部分可比人的大脑。具有明显的分工操作，各个模块具有实现不同的控制要求，以达到人们对生产生活的需要。
图2.4 垂直升降电梯结构图
按照图2.4所示电梯的结构主要包括曳引模块、轿厢模块、门系统操作模块、电力拖动模块、电气控制模块、安全保护模块。各个模块实现不同的功能来完善整个电梯的控制需求。曳引模块是为了让轿厢达到相应的楼层而牵引着轿厢移动。轿厢模块给电梯系统提供空间以达到取放货物，运载人员达到相应楼层。门系统模块其实就是让门到达相应楼层开关并达到延时关门的效果以方便人员和货物的进出。电力拖动模块就是电动机按照相应的控制要求将轿厢通过绳索送达相应楼层。电气控制模块就是通过电气开关来实现轿厢的相应控制要求。安全保护模块式为了让电梯在发生安全故障时有一套自我保护的系统保证生命财产的安全。
2.3 四层电梯控制系统的具体控制要求
要想设计出一套合理的电梯控制程序必须要弄清楚电梯的具体控制要求才能相应的设计出合理满足现实需求的四层电梯控制系统，详细的控制要求如下：
⑴开始时电梯处于任意一层（在组态画面中因为设置了轿厢的初始值所以电梯会停留在1楼，如果想让电梯停留在任何楼层可以通过改变轿厢初始值来完
成）
⑵当有外呼叫信号到来时电梯响应该呼叫信号到达该楼层，电梯到达相应外呼信号所对应的相应楼层后开门，并延时3秒关门。
⑶当有内呼叫信号到来时电梯响应该呼叫信号到达该楼层，电梯到达相应外呼信号所对应的相应楼层后开门，并延时3秒关门。
⑷在电梯运行过程中不响应电梯反方向外呼操作，即当电梯上升过程中下降按钮不起作用，电梯上升过程中下降按钮不起作用。
⑸电梯没有平层时轿厢内的开关门按钮不起任何作用
⑹电梯轿厢内部的显示模块可以显示轿厢当前所处楼层，轿厢的上升、下降运行状态指示。
⑺内呼按钮上有红色显示灯，轿厢没有到达相应楼层时一直亮，到达相应楼层后灯灭。
3. 四层电梯控制系统的硬件设计
3.1 四层电梯控制系统的工作流程
根据上述控制要求再结合实际生活中对电梯结构的分析，根据乘客电梯的工作流程我们可以分析并绘制出电梯的工作流程图如图3.1所示。
图3.1 电梯工作流程图
从流程图上可以清晰的看出电梯的主要流程包括以下几个方面：
⑴开关门控制系统：
当某一楼层的电梯指示灯一直亮时,表示该层电梯正在进行开门、延时、关门的动作。为了保证电梯运行的安全性,电梯的开关门手动信号跟电梯开关门自动信号应该应该互锁。
⑵内外呼叫控制系统