基于s7200五层楼电梯的PLC控制毕业设计.docx
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基于s7200五层楼电梯的PLC控制毕业设计
《电气控制与PLC技术》
课程设计
题目：
基于s7-200五层楼电梯的PLC控制
学院：
物理与机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
二〇一三年六月
《电气控制与PLC技术》课程设计任务书
论文题目
基于S7-200五层楼电梯的PLC控制
作者姓名
所属院、
专业、年级
物理与机电工程学院
电气工程及其自动化专业10级
（2）班
指导教师姓名、职称
教授
任务下达日期
2013年6月17日
一.设计的主要内容
根据控制要求，以PLC为核心，设计出一款五层楼电梯PLC控制系统。
设计系统的控制硬件电路，编写软件控制系统程序，实现对五层楼电梯的控制。
二.设计报告要求
1）当轿厢停在1F（1楼）或2F,3F,4F,如果5F有呼叫,则轿厢上升到5F。
2）当轿厢停在2F（2楼）或3F,4F,5F,如果1F有呼叫,则轿厢下降到1F。
3）当轿厢停在1F（1楼）,2F,3F,4F,5F均有人呼叫,则先到2F,停8S后继续上升,每层均停8S,直至5F。
4）当轿厢停在5F（5楼）,1F,2F,3F,4F均有人呼叫,则先到4F,停8S后继续下降,每层均停8S,直至1F。
5）在轿厢运行途中,如果有多个呼叫,则优先响应与当前运行方向相同的就近楼层,对反方向的呼叫进行记忆,待轿厢返回时就近停车。
6）在各个楼层之间的运行时间应少于10S,否则认为发生故障,应发出报警信号。
7）电梯的运行方向指示。
8）用数码管显示轿厢所在的楼层数。
9）在轿厢运行期间不能开门。
10）轿厢不关门不允许运行。
三.课程（设计）进度安排
阶段
论文（设计）各阶段名称
起止日期
1
熟悉设计任务书、设计题目及设计背景资料
6月17日——6月18日
2
查阅有关资料
6月19日——6月22日
3
阅读设计要求必读的参考资料
6月23日——6月26日
4
选取方案
6月27日——6月28日
5
硬件电路和软件部分的设计
6月29日——7月1日
6
送交打印单位装订成规范的设计文本
7月2日——7月3日
指导老师签字：
摘要
本课程设计是五层电梯模型PLC控制系统的设计，电梯不仅是生产环节中的一种重要设备，而且是人们频繁乘用的一种交通运输设备。
随着科技的飞速发展，更是给电梯带来了日新月异的变化。
本设计采用的是德国西门子S7—200系列的可编程控制器CPU226作为控制核心，与扩充模板EM223来实现五层楼电梯的控制。
主要介绍了电梯的硬件结构、PLC的基本原理、系统的硬件选择、PLC的软件的介绍和软件的编程。
设计电梯的主要实现的功能有：
层楼信号的产生与消除、停层信号的登记与消除、外呼叫信号的登记与消除。
最后通过PLC的软件进行仿真，初步完成基本功能的实现。
关键字：
五层电梯PLC控制梯形图s7-200
第1章电梯概述
1.1电梯的出现及发展
说到电梯的起源要从公元前2600年埃及人在建造金字塔时使用了最原始的提升系统说起，但这一类起重机的能源均为人力。
到了1203年，法国的二修道院安装了一台起重机，所不同者只是该机器是利用驴作为动力，载荷由绕在一个大滚筒上的绳子进行起吊。
此种方法一直沿用到近代直到瓦特发明了蒸汽机，约在1800年，煤矿主才能利用起重机把矿井中的煤输送上来。
数百年来人们制造过各种类型的升降梯，它们都具有一个共同的缺陷：
只要起吊绳突然断裂，升降梯便急速地坠落到底层。
1854年奥的斯设计了一种制动器：
在升降梯的平台顶部安装一个货车用的弹簧及一个制动杆与升降梯井道两侧的导轨相连结，起吊绳与货车弹簧连结，这样仅是起重平台的重量就足以拉开弹簧，避免与制动杆接触。
如果绳子断裂，货车弹簧会将拉力减弱，两端立该与制动杆咬合，即可将平台牢固地原地固定免继续下坠。
“安全的升降梯”发明成功了！
一时间，奥的斯成了众人注目的中心。
第一台升降机并非奥的斯所发明，但他却是第一台“安全”升降梯的发明者。
“安全”这一概念不仅开创了升降梯工业，而且也为那些想建造更高层建筑物以增加更多可利用空间的设计们打开了通途。
随着电力电子技术的发展，晶闸管变流装置越来越多地用于电梯系统，使电梯的拖动系统简化，性能提高。
同时交流调压调速系统的研制和开发，使交流电梯的调速性能有了明显的改善。
进入20世纪80年代，通过控制电动机定子供电电压与频率电梯运行速度的调压调频技术研制成功，出现了交流变压变频（VVVF）调速电梯，开拓了电梯拖动的新领域。
电梯发展的今天，在使用需求和新技术应用方面都进入到全面发展时期，随着智能化、信息化建筑的兴起与完善，要求电梯不只是完成垂直运输的基本功能，还应以人为本提高舒适度，特别从电梯运行的控制智能化角度考虑，电梯的优质服务不再是单一的“时间最短”问题，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统等方法，以期实现单梯与群控管理的最佳模式。
合理的配置与使用远程监控与故障诊断、节能以及减少环境污染等。
本文中着重电梯的升降控制逻辑，不调节主电动机的升降速度以及电梯的安全保护措施。
1.2电梯设备
1.2.1电梯的分类
电梯的分类有各式各样：
（1）按速度分类：
低速电梯1m/s以下高速电梯2-3m/s超高速电梯3-10m/s
（2）按用途分类：
乘客电梯住宅电梯观光电梯载货电梯客货两用电梯车辆电梯其他电梯
（3）按拖动方式分类：
交流电梯直流电梯液压电梯齿轮齿条电梯螺杆式电梯
（4）按有无司机分类：
有司机电梯无司机电梯有/无司机电梯
（5）按控制方式分类：
手柄操纵控制电梯按钮控制电梯信号控制电梯集选控制
（6）按曳引机结构分类：
有齿曳引机电梯无齿曳引机电梯
1.2.2电梯的主要组成部分
（1）曳引部分：
通常有曳引机和曳引钢丝绳组成。
电动机带动曳引机旋转使轿厢上下运动。
（2）轿厢和厅门：
轿厢由轿架，轿底，轿壁和轿门组成；厅门一般有封闭式、中分式、双折中分式和直分式等。
（3）电器设备及控制装置：
有曳引机，选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和厅外指示器组成。
（4）其它装置：
对重装置、补偿装置等。
1.2.3电梯技术发展情况
（1）电梯的速度要求越来越快，高速、超高速电梯的数量愈来愈多。
（2）电梯的拖动技术有了较大的发展，直流电梯由于能耗大、维修量大等缺点。
逐步被交流电梯所替代，液压电梯由于运行平稳，机房位置灵活等特点，使得在低楼层场合得到愈来愈广泛的应用。
交流拖动电梯更是得到迅速的发展，已由以前的变级调速（AC-VP）发展成为调压调速（AC-VV）及调频调压调速（AC-VVVF），使得电梯的速度、加速度控制更加符合人们的生理要求，电梯的舒适感大为改善。
（3）电梯的逻辑控制已从过去简单的继电器——接触器控制发展为可编程序控制器（PLC）和微机控制，控制方式也从手柄控制、信号控制发展为集选控制、并联控制、群控等，电梯可靠性得到很大的提高。
（4）电梯的管理功能不断加强，电梯广泛采用微机控制技术，不断满足拥护的使用功能要求。
如紧急停车操作，消防员专用、防捣乱系统等。
（5）智能群控管理得到广泛应用。
（6）机械传动方面，由于国际上机构加工水平的不断提高，使斜齿传动和行星齿轮传动在电梯上的应用日益广泛，已使电梯的传动形式多样化。
1.2.4电梯发展展望
（1）结构不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化。
（2）技术含量更高，性能更好。
（3）安装更方便、更快捷。
（4）理念是电梯发展趋势
第2章可编程逻辑控制简介
2.1PLC的定义
美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：
“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。
用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。
一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能者，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。
”
国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
2.2PLC的特点及功能
一、特点：
（1）用性强，使用方便
（2）功能强，适应面广
（3）可靠性高，抗干扰能力强
（4）控制程序可变具有很好的柔性
（5）编程方法简单，容易掌握
（6）PLC控制系统的设计、安装、调试和维修工作少.极为方便控制程序变化方便.具有很好的柔性、体积小、重量轻、功耗低。
二、功能：
（1）逻辑控制功能
（2）定时控制功能
（3）计数控制功能
（4）数据处理功能
（5）监控功能
（6）停电记忆功能
（7）故障诊断功能
（8）步进控制功能
（9）回路控制功能
（10）通讯联网功能
2.3PLC的结构与工作原理
2.3.1PLC的基本单元构成及作用
PLC实质上是一种工业控制计算机，只不过他比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故PLC与计算机的组成十分相似。
从硬件结构看，它也有中央处理器（CPU）,存储器，输入/输出（I/O）接口、电源等。
如图
图2.1PLC内部结构图
各部分的作用：
CPU：
（1）将各种输入信号取入存储器。
（2）编译、执行指令。
（3）把结果送到输出端。
（4）响应各种外部设备的请求。
存储器：
RAM：
存储各种暂存数据、中间结果、用户正调试的程序。
ROM：
存放监控程序和用户已调试好的程序。
输入、输出接口：
采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。
输入接口作用：
将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。
输出接口作用：
将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。
2.3.2PLC工作原理
PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映象区对应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位上。
PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映象区，而不直接与外部设备发生关系。
工作过程：
图2.2PLC工作过程图
第3章方案设计
3.1设计目的
电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。
而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。
事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。
在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。
目前，由可编程序控制器（PLC）和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。
采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为电梯控制的发展方向。
本次采用西门子S7-200系列的PLC。
3.2电梯的控制要求
1）当轿厢停在1F（1楼）或2F,3F,4F,如果5F有呼叫,则轿厢上升到5F。
2）当轿厢停在2F（2楼）或3F,4F,5F,如果1F有呼叫,则轿厢下降到1F。
3）当轿厢停在1F（1楼）,2F,3F,4F,5F均有人呼叫,则先到2F,停8S后继续上升,每层均停8S,直至5F。
4）当轿厢停在5F（5楼）,1F,2F,3F,4F均有人呼叫,则先到4F,停8S后继续下降,每层均停8S,直至1F。
5）在轿厢运行途中,如果有多个呼叫,则优先响应与当前运行方向相同的就楼层,对反方向的呼叫进行记忆,待轿厢返回时就近停车。
6）在各个楼层之间的运行时间应少于10S,否则认为发生故障,应发出报警信号。
7）电梯的运行方向指示。
8）用数码管显示轿厢所在的楼层数。
9）在轿厢运行期间不能开门。
10）轿厢不关门不允许运行。
3.3总体方案论证
考虑到本次设计的电梯系统有五层，且开关量居多，模拟量较少；对于开关量控制为主的系统而言，一般PLC的响应速度足以满足控制的要求，在小型PLC中整体式比模块式的价格便宜，体积也小，综合考虑后，系统选择了德国西门子公司生产的S7-200系统PLC。
第4章系统流程图设计
系统的软件主程序流程图如图4-1所示。
上电
初始化
是否厅外呼叫
是否轿厢呼叫
确定本层与目标层
是否同层
电梯选向
电梯启动
电梯运行
楼层信号
是否目标层
平层信号
电梯制动
开门
延时
关门
是否停止
停止
等待
Y
Y
N
Y
N
N
Y
图4-1电梯控制主流程图
第5章硬件设计
5.1PLC控制系统硬件开发
电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。
图5-1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。
系统控制核心为PLC主机、操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。
轿厢操纵盘
厅外呼叫
输入接口
输出接口
CPU储存器
PLC主机
安全装置
指层器
拖动装置
井道装置
图5-1电梯控制系统的基本结构
5.2设计思想
1）信号控制系统
电梯信号控制基本由PLC软件实现。
电梯信号控制系统如图5-2所示，输入到PLC的控制信号有：
运行方式选择（如自动、有/无司机、检修、消防运行方式等）、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、开关门及限位信号、门区和平层信号等。
2）电梯控制系统实现的功能
接受每个呼叫按钮（包括内部和外部的呼叫）的呼叫命令，并作出相应的响应。
电梯停在某一层时，此时按动该层的呼叫按钮（上呼叫或下呼叫），则相当于发出打开电梯门命令，进行开门的动作过程；若此时电梯的轿箱不在该层，则等到电梯关门后，按照不换向原则控制电梯向上或向下运行。
电梯运行的不换向原则是指电梯优先响应不改变现在电梯运行方向的呼叫，直到这些命令全部响应完毕后才响应使电梯反方向运行的呼叫。
电梯在每一层都有一个行程开关，当电梯碰到某层的行程开关时，表示电梯已经到达该层。
当按动某个呼叫按钮后，相应的呼叫指示灯亮并保持，直到电梯响应该呼叫为止。
当电梯停在某层时，在电梯内部按动开门按钮，则电梯门打开，按动电梯内部的关门按钮，则电梯门关闭。
但在电梯行进期间电梯门是不能被打开的。
当电梯运行到某层后，相应的楼层指示灯亮，直到电梯运行到前方一层时楼层指示灯改变。
运行方式选择
远行控制信号
安全保护信号
内指令信号
外指令信号
呼梯信号指示
楼层显示
运行方向指示
开关门控制
开关门信号
门区或平层信号
拖动控制系统
输入接口
PLC
输出接口
图5-2电梯PLC控制系统框图
3）电梯操作方式
单台电梯的操作方式有手柄操纵控制、按钮控制、信号控制和集选控制等。
在乘客电梯中几乎全部采用集选控制方式。
①单轿厢下集选控制：
登记所有轿厢和厅门下行召唤；轿厢上行时，只答应轿厢召唤，直至最高层；自动改变运行方向为下行，应答厅门下行召唤。
②单轿厢全集选：
登记所有厅门和轿厢召唤；上行时顺应答轿厢和厅门上召唤，直至最高层自动反向应答下行召唤和轿厢召唤。
系统采用全集选操作方式。
5.3可编程控制器（PLC）的选型
系统按五层的电梯为例，根据需要控制的开关，设备大约有24个输入点，25个输出点，需进行控制，故选择S7-200系统CPU226的PLC，继电器方式输出，扩展模块EM223,即输入输出各为16位。
5.4I/O点数的分配
控制五层电梯的输入开关及控制电梯各种工作的输出端在PLC中的I/O编址如表5-1所示。
表5-1PLC输入、输出点的分配表
输入
输出
说明
对应PLC地址
说明
对应PLC地址
外部一层上呼叫按钮
I0.0
外部一层上呼叫灯
Q0.0
外部二层上呼叫按钮
I0.1
外部二层上呼叫灯
Q0.1
外部二层下呼叫按钮
I0.2
外部二层下呼叫灯
Q0.2
外部三层上呼叫按钮
I0.3
外部三层上呼叫灯
Q0.3
外部三层下呼叫按钮
I0.4
外部三层下呼叫灯
Q0.4
外部四层上呼叫按钮
I0.5
外部四层上呼叫灯
Q0.5
外部四层下呼叫按钮
I0.6
外部四层下呼叫灯
Q0.6
外部五层下呼叫按钮
I0.7
外部五层下呼叫灯
Q0.7
一层行程开关
I1.0
内部四层呼叫灯
Q1.0
二层行程开关
I1.1
内部五层呼叫灯
Q1.1
三层行程开关
I1.2
电梯上升
Q1.2
四层行程开关
I1.3
电梯下升
Q1.3
五层行程开关
I1.4
上升指示灯
Q1.4
内部一层呼叫按钮
I1.5
下升指示灯
Q1.5
电梯上行极限位
I1.6
电梯开门
Q1.6
电梯下行极限位
I1.7
电梯关门
Q1.7
内部二层呼叫按钮
I2.0
一层位灯
Q2.0
内部三层呼叫按钮
I2.1
二层位灯
Q2.1
内部四层呼叫按钮
I2.2
三层位灯
Q2.2
内部五层呼叫按钮
I2.3
四层位灯
Q2.3
开门呼叫按钮
I2.4
五层位灯
Q2.4
关门呼叫按钮
I2.5
内部一层呼叫灯
Q2.5
开门行程开关
I2.6
内部二层呼叫灯
Q2.6
关门行程开关
I2.7
内部三层呼叫灯
Q2.7
报警指示灯
Q3.0
5.5PLC外部接线图
图5-3电梯PLC输入/输出连接图
第6章系统软件设计
6.1分析运行过程
为了保证程序运行的可靠，程序中设置了开门与关门、上升与下降的互锁触点。
6.2电梯PLC控制梯形图
传统的电器图，一般包括电器原理图、电器布置图及电器安装图。
在PLC控制系统中，这一部分图可以统称为“硬件图”。
它在传统电器图的基础上增加了PLC部分，因此在电器原理固中应增加PLC的I/O连接图。
在PLC控制系统的电器图中包括程序图（梯形图），可以称它为"软件图"。
向用户提供“软件图”，可便于用户生产发展或工艺改进时修改程序，并有利于用户在维修时分折和排除故障。
实现上述要求可通过设计PLC梯形图来实现，程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。
在编制程序过程中，人们习惯于用文字或动作流程图表达系统的控制过程，然后根据经验设计PLC的控制程序（梯形图），这样编写的程序有很多不严密之处，在调试中会出现意想不到的错误。
或用PLC中的继电器符号通过状态表法和逻辑表达式设计控制系统的PLC程序，虽所编程序严密，对于简单控制系统尚可对于复杂系统，往往却需要大量中间过程，程序设计过程较为复杂，又极为费时。
编程指令：
指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。
从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。
同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。
梯形图：
图6-1电梯控制梯形图
第7章程序调试
7.1单层运行调试
当电梯运行到某一层楼时，对应楼层的感应器将会接受到感应信号，并与它的相邻楼层进行互锁，从而保证电梯楼层信号在逻辑上的唯一，并将此信号送楼层指示。
例如：
以第二层为例，当电梯停在一楼时，当电梯到达第二层时，二楼的感应器接通（I1.1），只有当三楼、一楼的感应器I1.2、I1.0没有接通的情况下才能正常的显示。
Q1.2亮表示上升。
调试效果如图所示。
电梯此时在一楼。
图7-1电梯在一楼截图
然后接到二楼上呼的指令
图7-2电梯接到二楼上呼指示截图
Q1.2表示电梯向上指示，Q0.1表示想到二层指示
图7-3电梯上升截图
当二层检测到楼层到位信号时即I1.1接通时，二楼的楼层指示灯亮，如图：
图7-4电梯到达二楼截图
7.2复杂运行调试
单层运行调试完接下来就是多层的复杂运行调试，以确保程序在多条指令运行时的正确性。
此种调试是让电梯单方向运行于n层，譬如，电梯轿厢原先在二层，如此时三楼和四楼有向上外呼，即按下I0.3和I0.5，三楼和四楼外呼指示灯亮，此时按下关门按钮，则轿厢往上运行，到三楼时经过比较发出平层信号，轿厢停层响应呼梯，三楼外呼指示灯灭，延时8秒后，轿厢继续向上运行，到四楼时经过比较发出平层信号，轿厢停层响应呼梯，并消除登记信号。
此时，电梯停靠于二楼，如图：
图7-5电梯在二楼截图
然后接到二楼上呼和三楼上呼指令，即按下I0.3和I0.5。
如图：
图7-6电梯接到二楼上呼指令截图
图7-7电梯接到三楼上呼指令截图
Q1.4表示电梯向上指示
图7-8电梯上行指示截图
图7-9电梯上升截图
当电梯到达三楼时,自动开门并且碰到开门限位开关I2.6后延时8s。
图7-10电梯到达三楼自动开门并延时截图
当延时8s后自动关门，并且继续上行。
图7-11电梯关门截图
当电梯到达四楼时，四楼楼层指示灯亮Q2.3
图7-10电梯到达四楼截图
8章总结
在完成这个设计之后，我也有一定的思考，重新将自己的设计细细看了几遍，同时也把做同样设计的几个同学的设计借来观摩了一番。
在进行对比和分析之后，又有很多所得。
一开始进行设计的时候，我基本上都是参照书本或者网上的例子进行，甚至就是按照它的步骤再做一遍。
当然在初学阶段这未必不可以，这样做可以让我熟悉软件的操作环境，了解设计方法和步骤，更加深刻理解基本概念。
但是等到毕业设计的时候，我觉得就应该抛开例子，完全按照自己的思路独立进行，这样可能会在设计中碰到更多的问题，但是这样也能让我学到更多，而且在解决遇到的问题时会更加引发自己的思考，说不上创新，但可能会有新意产生，也就是自己
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