基于PLC的自动扶梯控制系统设计（未完）

摘要 

自动扶梯的使用在高铁站、商场、超市比较广泛，通过倾斜的扶梯传输带，运送乘客和货物，减小人力成本。传统使用的自动扶梯主要采用维电器控制系统，扶梯的电动机使用接触器控制，通过减速箱变速，达到速度调节。这种传统的扶梯由于继电器的线路比较复杂，并且长时间损耗，可靠性能比较差，维修成本比较高。为了解决传统扶梯的以上缺点，本设计主要针对扶梯进行可编程控制器系统设计，并且采用变频器对扶梯进行驱动，达到无极调速和节能的目的。

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本系统设计主要以自动扶梯为研究对象，通过对自动扶梯的原理分析、动作流程设计和一系列的软硬件设计，达到自动扶梯自动化控制的目的。系统采用可编程控制器作为自动扶梯控制系统的控制单元，实现该系统的艺要求，通过组态王软件进行仿真调试，完成系统的各种动作要求，达到自动控制的目的。系统设计分为总体设计、硬件设计以及软件设计。在总体设计中，主要分析了自动扶梯控制系统的功能要求和总体控制方案；在硬件设计中，按照自动扶梯控制系统的控制策略进行图纸设计：在软件设计中，重点分析工艺流程图，在此基础上对自动扶梯控制系统进行程序编译和调试，通过系统的调试和修改，达到了基本控制的要求。系统设计明确了工艺要求，确定了控制方案，设计了硬件和软件，通过系统调试及仿真，达到了该系统的各种功能实现关键词：自动扶梯；可编程控制器；变频器：组态王

目录

1绪论……

......1

1.1课题研究的目的及意义……………………………1

1.2课题设计的内容………….]

1.3课题设计的思路………2

2自动扶梯变频控制的总体设计…...........

2.1自动扶梯的原理…………4

2.2自动扶梯的控制要求…...........42.3自动扶梯的控制方案……………5

3 自动扶梯频控制的硬件设计………….7

3.1可编程控制器的选型………….......73.2变频器的选型…..........93.3传感器的选型…..............10

3.4系统的1/0分配设计…...........11

3.5PLC的电路设计…....………123.6变频器的电路设计……………………………154 自动扶梯变频控制的软件设计…………..164.1编程软件的介绍…………………164.2系统控制流程图设计……...…..174.3程序的设计….........185自动扶梯变频控制的上位机设计………………5.1上位机设计工艺分析…………………295.2上位机设计的过程………………………29

5.3上位机的模拟仿真…………………33

总结……………………34

致谢………………………35

参考文献…..…36

1绪论

1.1课题研究的目的及意义

自动扶梯的使用比较广泛，扶梯的安全性能和节能控制一直受到工程师们的重视和改进。自动扶梯主要通过外部的命令信号输入，进行扶梯的启停控制，通过当前扶梯是否有人乘载，进行速度的调节。本设计主要针对自动扶梯的逻辑控制，通过外部启停按钮和安全保护监测，对扶梯进行运行启动，通过监测当前是否有人乘载扶梯，进行速度的调节控制。通过上位机进行仿真，实现扶梯的模拟运行，达到设计的要求。

在现代化社会发展的进程中，往往需要将某些控制对象或管理对象采用电气自动化控制，用以提高控制精度和工作效率，实现自动化控制的目的。对于控制系统来说，主要通过控制单元实现自动化控制，市场上常用的控制单元包含可编程控制器和单片机。单片机功能很强大，能够对应用的控制系统实现各种功能，完成指定的工艺要求。但可编程控制器是为工业现场专门生产的控制单元，具有很强的抗干扰性能和稳定性能，可编程控制器可以按照现场的要求，通过各种扩展模块的添加实现现场的模拟量控制、通讯、高速计数等功能。本设计主要对自动扶梯控制系统进行研究，通过该设计的学习，对以往学习过的课程进行全面的复习和深入了解。对本设计的PLC应用进行详细分析和了解，通过实践深刻认识系统设计的思路和步骤。对市场的应用产品和控制单元，以及各种控制样例进行掌握，有利于以后的社会实践，提升自己的工作能力。

1.2课题设计的内容

对于扶梯的控制，采用变频器进行驱动，通过变频器的外部数字量端口，实现启动、停止、速度设定、故障反馈等功能，实现扶梯的自动控制和调速，并且增加安全保护功能。通过控制单元接受外部的按钮开关信号、急停信号、手自动切换信号、各种故障检测信号、手动控制信号等。通过以上信号的输入，以及控制单元的逻辑运算，控制扶梯的正向运行、反向运行、速度切换输出、报警信号、故障信号等。自动扶梯的设计主要基于安全的考虑，包括驱动链断裂监测、曳引链断裂监测、扶手带断裂监测、梯级异常监测、松闸监测以及变频器故障检测等。通过以上的故障检测，并干预扶梯的控制，实现安全节能的自动扶梯控制系统，扶梯的具体示意图如下图所示。

图1-1自动扶梯

1.3课题设计的思路

根据自动扶梯的工艺要求和设计内容，按照PLC控制系统的一般设计流程，首先对系统进行总体的工艺分析和方案设计，当确定方案后，完成系统的硬件图纸绘制和分析，并对软件流程和程序进行详细设计，通过系统的调试达到设计要求。具体设计的思路按照以下步骤分析：

(1）在总体设计工艺分析中，对自动扶梯的控制工艺进行详细的分析，明确系统的控制对象，对系统的总体设计策略和方案进行设计，明确输入动作和输出动作，以及相关的控制要求。确定系统的设计方案，对系统采用的控制单元、检测部分和执行部分进行选型设计。

(2）在系统的硬件设计中，明确硬件设计的要求，对系统的电路进行分部设计，详细设计每个电路图，对线路部分的接线要求和原理进行明确分析。

(3）在系统的软件程序设计，主要按照工艺流程图和硬件I/0分配设计进行程序设计，程序部分设计主要对流程图的思路进行体现，通过各种指令的组合以及编程规范，进行功能的实现。通过设计对系统的流程图进行分析，明确各种动作要求和动作规范性，对程序进行分部设计，完成程序的各种功能实现，分析程序的设计思路和注释。

(4）按照硬件设计和软件的程序设计，通过仿真进行功能的验证和修改，确定系统功能全部按照设计的要求进行，通过仿真对系统的稳定性和可靠性进行验证。满足系统的工艺要求。

(5）完成系统设计的总结，对本系统设计的优缺点进行分析，为后期的升级改造留有空间并且进行设计的总结分析。2自动扶梯变频控制的总体设计

2.1 自动扶梯的原理扶梯在商场中应用比较广泛，扶梯一般包括扶梯框架、曳引机、扶手、传输梯级带、以及各种保护监测传感器等。具体的介绍如下： 

(1）曳引机主要用于拖动扶梯上行或下行，是扶梯的动力驱动源，曳引机主要通过变频器进行控制驱动，通过变频器的启停控制、速度选择控制以及故障检测等，对曳引机进行正转反转控制，并且实现电引机的速度调节和安全保护。(2）扶手和传输带梯级用于乘客使用，传输带梯级有黄线，表示乘客必须站在黄线内，确保人身安全。扶手传输带和梯级传输带同步，扶手用于乘客安全保护，保证电梯乘坐不会被跌倒、以免受伤。(3）各种检测传感器，主要用于对扶梯的各种可能出现故障的区域进行监测，常见的包括驱动链断裂监测、曳引链断裂监测、扶手带断裂监测、梯级异常监测、松闸监测以及变频器故障检测等。通过以上的监测，对扶梯进行安全保护使用。介绍，本设计主要针对扶梯进行电气自动化控制，通过变频器驱动扶梯上行和下行。通过各种故障区域检护功能，通过变频器的高速、中速、低速切换，实现节能控制。控制要求

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对于自动扶梯设计，主要具备正常控制模式和检修模式两种方式。按照这两种方式，对自动扶梯的控制要求如下：(1）采用变频器驱动电引机，在正常运行时，通过可编程控制器控制实现速度的切换控制，通过监测是否有人乘载，进行高速和低速的选择。(2）通过手动控制模式，进行手动启停扶梯，包括扶梯的上行运行和下行运行，在运行过程中，进行扶梯的调试和故障处(3）在运行过程中，对扶梯进行各种部位的监测，监测故障包括驱动链断裂监测、曳引链断裂监测、扶手带断裂监测、梯级异常监测、松闸监测以及变频器故障检测，将以上的监测故障信号反馈给可编程控制器，对扶梯进行安全保护，停止运行，并且进行相应的故障报警输出。

理。

(4）当运行过程中，出现紧急状态时，通过显眼位置处的急停按钮操作，立即停止扶梯运行，并且通过监测相关的安全系统，进行自动停车。

(5）在扶梯正常运行过程中，为了实现节能控制，需要进行是否有人乘载的监测，当有人时，扶梯的速度切换为正常速度，当无人时，通过时间延时，将扶梯速度切换为低速，达到节能的效果。2.3自动扶梯的控制方案

对于自动扶梯的控制要求可知，需要实现变频器的驱动，通过外部的各种故障检测，实现扶梯的安全保护功能，通过是否有人乘载扶梯检测，进行速度切换，达到节能控制效果，当遇到紧急情况，通过系统监测和急停按钮输入，实现紧急停止功能。通过以上的工艺要求，进行方案设计。

通过自动扶梯变频控制系统的设计要求，需要进行控制方案的设计和选择，控制方案的选择主要考虑现场的应用环境、系统的功能要求以及经济成本的投资考虑等进行分析。系统设计的要求务必做到控制稳定、适应现场工业环境、并且能够为后期升级改造提供空间

单片机的功能比较强大，能够应对现场各种控制功能，控制精度高，自动化程度也高，而且能够根据现场的工艺要求，实现各种功能，达到控制的工艺目的。单片机在进行研发设计时，首先进行硬件电路板的开发设计，其次进行软件程序的开发设计。单片机系统方案对现场的抗干扰要求比较严格，扩展性能比较差，不能适应于作业恶劣的工业环境，后期系统升级困难，可编程控制器的开发设计本身是针对工业控制环境的特定要求而研制，可编程控制器结合当前研究最新成果，特别是计算机的技术发展、通信技术发展、传感器应用发展等领域的研究，都可以通过可编程控制器的特定功能模块得以实现。面对复杂的工业环境，可编程控制器设计最初，就考虑抗干扰能力性能、高可靠性能、高稳定性能等，所以可编程控制器的应用比较广泛按照自动扶梯变频控制系统设计的基本控制方案，选择采用可编程控制器的控制方案进行设计。在设计中分为系统的硬件图纸、可编程控制器的软件程序。通过设计，进行最终调试仿真，达到系统设计的基本要求。通过以上的方案，具体的设计任务方案如下所示。

(1）变频器通过可编程控制器的输出端子进行驱动控制，包括上行输入、下行输入、高速切换输入、中速切换输入、低速切换输入、复位报警输入等。将变频器的故障信号和过载信号反馈给可编程控制器。

(2）可编程控制器输入外部的命令信号，包括上行的按钮输入、下行的按钮输入、急停输入、故障复位按钮输入、手动自动切换输入、检修输入、各种故障检测信号输入、手动控制上行和下行信号输入等。

(3）可编程控制器的输出信号主要进行变频器的控制，包括正向运行维电器、反向运行维电器、速度选择输出维电器、复位维电器、各种故障指示灯。按照以上的设计方案，对系统进行硬件图纸设计、选型设计、软件设计和流程图设计等。

3自动扶梯变频控制的硬件设计

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3、1可编程控制器的选型

可编程控制在市场上应用比较多，可编程控制器可以解决工业现场各种问题，包括现场逻辑控制功能、数据处理功能、通信功能以及过程控制的实现功能等。可编程控制器采用专用的程序编译软件，通过该软件的组态设计、工艺程序设计等方法，帮助完成工业控制现场的各种复杂的工艺，能够实现工业现场的各种通讯，和互联网进行数据交互，达到客户的要求，可编程控制器具有高可靠性、高稳定性、扩展性强等优点，成为当前工业发展的主力产品。

(1）中央处理单元

中央处理单元作为可编程控制器的"大脑"，承担可编程控制器一切的运转功能。中央处理单元主要的功能包括系统电源的自我检查、外部硬件组态的检查、系统存储器以及用户存储器数据调用、外部输入输出点的状态检查、用户程序的循环扫描执行、将运算结果输出等。当可编程控制器处于运行状态时，CPU将进行设备组态状态自检，如果外部设备与内部设计组态不相符，将通过报警方式输出；当外部组态自检成功后，CPU将从输入映像寄存器将信号调用，并循环扫描用户程序，通过用户程序的逻辑运算，将运算结果输出到输出映像寄存器，并控制现场的执行单元。cpu通过循环扫描的方式对用户的程序进行处理，按照用户程序的工艺编译，实现现场的各种方式控制。用户可以进行中断设计，通过各种条件调用中断程序，对现场的某些特殊条件进行程序处理。强大的CPU运算功能是衡量可编程控制器品质优劣的关键指标。

(2）存储器

存储器作为可编程控制器的重要存储单元，对系统数据和用户数据进行存放，能够使可编程控制器正常运行，系统存储器为可编程控制器内部的数据，该内部程序用于可编程控制器循环自检、对设备硬件和用户程序严重错误问题进行报警输出等，不允许工程人员对其数据进行访问和更改。用户存储器主要存放用户编译的程序以及用户数据，可编程控制器在运行时，将用户程序进行调用扫描，当现场条件出现特殊情况，可以采用中断控制的要求进行编译，将中断事件按照条件中断或者时间中断的方式进行调用，对现场的特殊事件进行处理。

(3）通信接口

可编程控制器要与外界进行通讯，必须依赖通讯接口得以实现。通讯接口主要用于可编程控制器和外部设备及计算机之间，通过某种通信协议进行数据的交互。通过程序内部组态，决定通信接口处于何种通信协议。可编程控制器具有通信扩展功能模块，常见的通信功能模块包含以太网功能模块、MODBUS功能模块、Profibus-DP功能模块等，以满足各种不同工况下的通信功能。

(4）电源

可编程控制器作为电子控制电源，需要外部供电才得以工作，电源供电质量的好坏直接关系到可编程控制器能否安全稳定的工作。常用的可编程控制器，该工作电源主要为两种，分别为AC220V工作交流电源，DC24V工作直流电源。可编程控制器对电源的要求为电压稳定，谐波较少。对于DC24V工作直流电源，需要通过外部开关电源得以实现。

图3-1可编程控制器的内部结构图

在西门子公司生产的小型PLC中，常用的有s7-200以及s7-200smatrt产品，s7-200系列PLC的应用场合较多，该可编程控制器使用的功能强大，能够实现较为复杂的控制功能，编程的指令比较丰富，能够实现pid控制功能和pto脉冲输出功能以及高速计数器功能等。通讯方式比较多，通过PPI通讯方式可以使用编程电缆进行程序的下载和上传。通过程序编译组态，可以实现设备与设备之间的modbus通讯和USs通讯，通过通信端口进行硬件连接。S7-200可编程控制器的功能模块比较丰富，有常用的DI/DO模块，AI/AO模块，通信模块，高速计数模块等。cpu的类型也比较多，包含cpU221-CPU226，每个CPU型号的程序处理能力各不相同，等级越高，处理的能力越强。

按照自动扶梯系统的设计要求，采用西门子S7-200CPU226可编程控制器作为系统的控制单元，完成系统的设计，该型号的可编程控制器可以实现本系统涉及的基本逻辑控制，能够对外部输入信号进行数据逻辑计算、特殊功能的使用，通过外部输出将连接外部的执行单元。通过端子计算和存储容量计算，本系统选择的CPU226型号，外部输入端子为24个，外部输出端子为

316个，采用的工作电源为AC220V，采用的编程软件为Step7-Microwin4.0。产品如下所示。 

图3-2 S7-200可编程控制器

3.2变频器的选型

按照本设计的自动扶梯设备参数，自动扶梯的电引机，按照载重2500KG、运行速度1.75m/s考虑计算，曳引机的功率如下计按照以上计算，电引机计算功率为51.45KW，需要选择变频器为75kW。

本设计选用的变频器具体型号为ACS550型号变频器，对于该变频器在市场上应用很广泛，对电动机的调速效果比较好，能率调速功能，电流控制功能等。该变频器使用的功能很丰富，可以适用于各种电动机控制场合。变频器的参数设置、启停控制参数设置、速度给定控制参数设置、速度斜坡参数设置，启动和停止方式参数设置、置、现场总线功能参数设置、编码器控制功能参数设置以及各种数据监控功能等。对于该变频器的使用中，对电动机的控制方式包括V/F方式的标量控制、带编码器的矢量控制以及不带编码器的矢量控制。当使用矢量控制时，电动机参数设置完成后，就需要进行电机的自学习功能，使变频器能够更好的控制电动机，达到无缝连接控制的效果。调速性能好，现场总线通讯的功能强大，可以通过购买通讯模块来实现各种控制的通讯协议。能够和可编程控制器之间进行数据交互，达到自动化控制的要求。ACS550变频器的控制精度比较高，能够对电动机进行速度无级调节，并且具有丰富的故障报警功能，能够更好的保护电动机及变频器。对于以上的工控条件，对ACS550变频器的选择，能够达到本系统设计的具体要求。ACS550变频器按照本设计的工作要求，选用的变频器额定输入电压为AC400V，额定电流为146A，频率调节范围为0-1000HZ，冷却方式为风扇冷却，安装方式为壁挂式安装，控制方式为V/F电压频率控制，通过外部端子进行变频器的启停控制，通过模拟量进行变频器的速度调节。图3-3ACS550变频器示意图

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3.3传感器的选型

在工厂或生活的应用中，光电传感器使用比较普遍，光电传感器主要作用通过发射的光信号，检测该范围内的机械结构或物品等是否挡住该光信号，如果挡住将通过接收器收到信号，将该信号传输到控制单元。光电传感器在使用过程中性能稳定，检测的准确率比较高，反应灵敏，不与物体或机械之间发生接触。对于光电传感器的电路原理图如下图所示。

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图3-4光电传感器的时序图及电路图

选择欧姆龙公司的产品，具体型号为ee-spy402。该产品的检测感应距离为0.2厘米到2米之间，并且可以根据光电开关的旋钮对感应距离进行调节，需要输入电源，电源电压等级为DC24V，输出的信号中，有公共线、常开输出线、常闭输出线，可以根据系统的要求接入常开或常闭点。当感应到信号时，光电开关指示灯亮，表明检测范围内有物体遮挡，此时公共线与常开输出线之间接通，公共线与常闭输出线之间断开，可将信号输出到可编程控制器，表明当前有物体。产品使用方便，安装方便。该产品的示意图如下图所示。

图3-5欧姆龙光电传感器

3.4系统的I/0分配设计

对于自动扶梯变频控制系统的I/0分配设计，主要的作用是进行系统的外部输入信号和输出信号之间的地址分配，通过该地址分配设计，方便系统的硬件以及软件的设计。特别在软件设计中，需要在程序内部进行地址的分配，方便程序的设计和编译，特别是后期的调试中，如果出现调试的问题，将通过查询i/0分配地址表，得到相应的故障问题信息，进行问题判断，大大方便了后期的系统调试。具体的分配设计如下表所示。

表3-1 1/0分配设计表

输入地址

输入功能

输出地址

输出功能

10.0

上行按钮

Q0.0

变频正向运行

10.1

下行按钮

QO.1

变频反向运行

10.2

急停开关

00.2

变频器复位

10.3

故障复位按钮

Q0.3

高速50Hz

10.4

自动手动选择开关

00.4

中速25Hz

10.5

检修选择开关

Q0.5

低速10Hz

10.6

上行检测传感器

Q0.6

报警输出

10.7

下行检测传感器

Q0.7

驱动链断指示

11.0

驱动链断检测

QI.0

曳引链断指示

11.1

曳引链断检测

Q1.1

扶手带断指示

11.2

扶手带断检测

Q1.2

梯级异常指示

11.3

梯级异常检测

Q1.3

梯级下沉指示

11.4

梯级下沉检测

Q1.4

松闸指示

11.5

松闸检测

Q1.5

总报警

11.6

变频器故障反馈

Q1.6

震动信号指示

11.7

电机过载反馈

QL.7

电机故障指示

12.0

手动上行按钮

12.1

手动下行按钮

12.2

地震感应信号

输入地址输入功能输出地址输出功能10.0上行按钮Q0.0变频正向运行10.1下行按钮Q0.1变频反向运行10.2急停开关Q0.2变频器复位10.3故障复位按钮 Q0.3 高速50Hz I0.4 自动手动选择开关Q0.4 中速25Hz 10.5 检修选择开关 Q0.5 低速10Hz I0.6上行检测传感器Q0.6报警输出10.7下行检测传感器q0.7驱动链断指示11.0驱动链断检测Q1.0曳引链断指示I1.1曳引链断检测Q1.1扶手带断指示11.2扶手带断检测Q1.2梯级异常指示11.3梯级异常检测Q1.3梯级下沉指示.4梯级下沉检测 Q1.4 松闸指示

11.5松闸检测Q1.5总报警

11.6变频器故障反馈 Q1.6 震动信号指示

11.7 电机过载反馈 Q1.7 电机故障指示

12.0手动上行按钮

12.1手动下行按钮

12.2地震感应信号

3.5 PLC的电路设计

对于自动扶梯控制系统硬件设计◇PLC的接线是重要的组成部分。可编程控制器的接线是系统硬件设计的重要部分，市场上各个品牌的可编程控制器接线原理基本相同，接线基本由电源接线部分、DI输入接线部分和DO输出接线部分三部分组成。按照自动扶梯控制系统的控制策略和总体设计方案，已经明确了可编程控制器的输入部分和输出部分，按照统计可知，系统的输入部分需要接入19个功能信号，输出部分需要接出16个执行信号，按照本系统的可编程控制器选型，选用的电源电压为ac220v，因此输入部分单元和输出部分单元的电压等级和电源电压等级相同，都为AC220V。按照硬件设计分析及可编程控制器电路设计规范，为后期系统的升级改造考虑，留有充足的输入备用部分和输出备用部分。

通过S7-200CPU226的产品硬件接线规范可知，本系统的输入电源端子为N和L，分别接入交流AC220V电源的N极和L极，并且

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