基于西门子S7200的PLC四层电梯电气控制设计.docx
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基于西门子S7200的PLC四层电梯电气控制设计
江苏城市职业学院
毕业设计（论文）
（2011届）
设计（论文）题目
基于西门子S7-200的PLC四层电梯电气控制设计
办学点（系）
连云港办学点信息工程系
专业
机电一体化技术
班级
06机电（五）
学号
0610010108
学生姓名
李想
起讫日期
2011年2月22日
地点
连云港办学点
指导教师
徐以标职称高级技师
2011年2月23日
四层货梯的PLC控制
【内容提要】：
本文介绍利用西门子S7-2OO可编程控制器编写的一个四层电梯的控制系统，利用MCGS组态软件制作人机对话界面，检验电梯PLC控制系统运行情况。
实践证明PLC可编程控制器和MCGS组态软件结合有利于PLC控制系统的设计、检测，具有良好的应用价值。
向用户提供解决实际工程问题的方案。
充分利用windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。
比以往使用专用机开发的工业控制系统更具通用性．在自动化领域有着更应用。
本文利用MCGS组态软件检验电梯PLC控制系统的运行情况。
为了能在激烈的国际化竞争中赢得先机，先进的设计软件是必不可少的。
这就要求我们毕业生能积极认真学好目前最先进的设计方法和自动化技术，为我国的自动化行业做出自己的贡献。
【关键字】电梯变频器PLC控制变频调速
目 录
1概 述
1.1PLC的发展历程
第一台可编程控制器的设计规范是美国通用公司提出的。
当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序、可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。
这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。
第一台PLC具有模块化、可扩充、可重编程及用于工业环境的特性。
这些控制器易于安装，占用空间小，可重复使用。
尽管控制器编程有些琐碎，但它具有公共的工厂标准—梯形图编程语言，这样使得不熟悉计算机的人也能方便的使用它。
在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。
到70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。
70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。
在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、闭环控制、提高了运算速度，扩大了输入输出规模。
在这个时期，日本、西德（原）和法国相继研制出了自己的PLC，我国在1974年也开始研制。
70年代由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。
这是面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。
在功能上，PLC可以代替某些模拟控制装置和小型机DDC系统。
进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产生，可诊断自身故障及机器故障。
这些改进使PLC符合今天对高质量高产出的要求。
尽管PLC功能越来越强，但他仍然保留了先前的简单与易于使用的特点。
1.2PLC组成及特点
PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部分及外部设备组成。
除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，却一不可，共同构成PLC。
PLC的软件系由系统程序和用户程序两大部分组成。
PLC能如此迅速发展，除了工业自动化的客观需求外，还因为他具有许多独特的优点。
他较好到解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
以下是其主要特点。
（1）编程方法简单易学
（2）功能强，性能价格比高（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强（4）可靠性高、抗干扰能力强（5）系统的设计、安装、调试工作量少（6）维修工作量小，维修方便（7）体积小、耗能低
1.2.1硬件的可靠性
可编程控制是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制系统和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
它具有体积小、功能强、灵活通用与维修方便等一系列的优点。
特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。
因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业的三大支柱之一。
一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。
PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部件及外部设备组成。
各部分之间通过内部系统总线进行连接。
CPU是PLC的核心部分，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作，它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。
PLC的对外功能主要是通过各类接口模块的红外线，实现对工业设备和生产过程的检测和控制。
PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好。
路串一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。
1.2.2编程简单，使用方便
用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。
PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。
例如，目前打多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。
1.2.3接线简单，通用性好
PLC的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与PLC输出端子连接。
接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。
PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。
这种性能使PLC具有很高的经济效益。
用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于是用。
1.2.4可连接为控制网络系统
PLC可连成功能很强的网络系统。
网络可分为两类：
一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为500—2500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M—10Mbps，传输距离为500—1000m，网上结点可达1024个。
这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。
1.2.5易于安装，便于维护
PLC安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到PLC系统的情况下，PLC小的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。
在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。
长距离站通过同轴电缆获双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。
从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。
由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示器是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。
PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。
一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。
1.3PLC的工作原理
PLC的工作原理与计算机的工作原理是基本一致的。
他通过执行用户程序来实现控制任务。
但是，在时间上，PLC执行的任务是串行，与继电—接触器控制系统中任务的执行有所不同。
PLC采用循环扫描工作方式。
在程序执行过程的周期中，程序对各个过程输入信号进行采样，对采样的信号进行运算和处理，并把结果输出到生产过程的执行机构中。
所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。
这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O（输出）刷新”。
由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出队输入产生了响应。
反之，若在本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。
由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。
扫描周期的长短主要取决于这几个因数：
一是CPU执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。
对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。
因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。
但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就需慎重考虑。
应对响应时间作出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。
1.4PLC的编程语言
PLC提供了较完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。
利用编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬接线线路，这就是所谓的“可编程序”。
程序由编程器送到PLC内部的存储器中，它也能方便地读出、检查与修改。
PLC提供的编程语言通常由三种：
梯形图、指令表、功能图等。
梯形图（LAD）编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。
PLC梯形图PLC的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。
PLC的梯形图使用的时内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的。
梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。
指令表（STL）编程语言类似于计算机中的助记符语言，他是可编程控制器最基础的编程语言。
所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。
顺序功能流程图（SFC）编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。
使用它可以对具有并发、选择等复杂的系统进行编程。
许多PLC都提供了用于SFC编程的指令。
每一种编程方法都有它的优点和缺点，根据每一种特殊的控制要求，根据编程者的熟练程度正确合理应用编程方法。
1.5PLC在电梯上的应用
随着科技的发展，工业控制的自动化程度不断提高，以微处理器为核心组成的可编程序控制器（PLC）得到了广泛的应用。
很多工厂的生产流水线、加工设备、船舶上货物的装卸装置、电梯的运行等都由PLC控制，只要把预定的控制任务编成程序，用一串指令的形式存放到存储器中，然后根据输入各种指令，经过模拟量、数字量等输入输出部件对生产过程和设备进行控制。
PLC在电梯中的应用也已很成熟。
PLC作为主控制器，一方面要采集电梯的各种输入信号，包括电梯的位置、状态、内外指令的按钮信号、门锁信号、门区信号、井道内的强迫减速信号、防冲信号以及消防信号等。
另一方面要把采集到的信号进行计算和处理给出电梯的楼层信号和速度信号，并驱动相应的开关门信号、方向继电器和抱闸继电器，以控制电梯的运行。
我们利用PLC内的条件跳转和主控指令，把对电梯的控制程序划分为几个程序段：
检修控制、正常加速和稳速段、减速爬行段、以及开关门阶段。
当给电梯送电时，PLC就开始扫描电梯的所有输入、输出信号，检测电梯的安全回路是否接通、厅门轿门是否关闭、电梯处在何种状态。
正常自动状态时，PLC检测门锁是否接通，若门锁不通则给出关门信号，控制电梯关门；当门锁接通时，进入待机状态，此时一收到指令信号电梯即起动。
当电梯到达减速楼层时,PLC程序是仿照继电器控制理念进行编制。
2程控制器的机型选择
2.1控制电磁阀等所需的I/O点数
有电磁阀的动作原理可知，一个单线圈电磁阀用可编程控制器时需两个输入及一个输出；一个双线圈电磁阀需三个输入及两个输出；一个比例式电磁阀需三个输入及五个输出。
一个按钮需一个输入；一个光电开关要占用一个或两个输入点；一个信号占用一个输出点；而波段开关，有几个波段就占用几个输入点；一般情况，各种位置开关都要占用两个输入点。
根据上面所述原理分析，本设计用到十个按钮，需要十个输入点。
四个位置按钮，需要八个输入点。
十六个信号灯，需要十六个输出点。
2.2内存估计
用户程序所需内存容量要受到下面几个因素的影响：
内存利用率；开关量输入输出点数；模拟量输入输出点数；用户的编程水平。
2.2.1内存利用率
我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为利用率。
2.2.2开关量输入输出的点数
一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为6：
4。
这方面的经验公司是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。
所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数*10
2.2.3模拟量输入输出的总点数
只有模拟量输入时：
内存字数=模拟量点数*100
模拟量输入输出同时存在：
内存拟量字数*200
2.3响应时间
可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠的接收持续时间小于扫描周期的输入信号。
系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。
系统响应时间=输入滤波时间+输出滤波时间+扫描周期。
2.4输入输出模块的选择
模块输出的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。
输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共段所允许通过的电流值。
输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。
3硬件设计
3.1硬件配置简介
PLC产品出现以来，它以面向工业控制的鲜明特点，普遍受到电器控制领域的欢迎。
特别是中小容量PLC成功取代了传统的继电控制系统，使得控制系统的可靠性大大提高。
目前各国生产的PLC品种繁多，发展速度快。
本文所用到的产品是S7-200系列的PLC作系列电梯的。
在此简单的介绍该机型的一些技术指标。
技术性能分为：
一般性能，功能特性（基本单元），输入性能，输出性能和其它性能。
3.2电梯控制系统
电梯模拟系统如下图所示：
图3.2.1电梯系统控制模拟图
3.3电气控制系统框图
图3.3.1输入与输出：
图3.3.1中输出为：
1、电动机；2、上下行接触器；3、快慢速接触器；4、位置指示；5、门锁。
输入为：
6、轿内指令；7、厅外指令；8、门区感应；9、手动开关门；10、楼层感应。
PLC系统部分完成所设定的控制任务所需要的PLC规模主要取决于控制系统对输入，输出点的需求量和控制过程的难易程度
3.4输入输出的分配
输入点：
序号名称输入点
0一层行程开关I0.0
1二层行程开关I0.1
2三层行程开关I0.2
3四层行程开关I0.3
4四层呼叫按钮I0.4
5三层呼叫按钮I0.5
6二层呼叫按钮I0.6
7一层呼叫按钮I0.7
8手动开关按钮I1.6
9手动关门按钮I1.7
10红外传感器I2.2
11红外传感器I2.3
输出点：
序号名称输出点
0一层指示灯Q0.1
1二层指示灯Q0.2
2三层指示灯Q0.3
3四层指示灯Q0.4
4电动机正转指示灯亮Q0.5
5电动机反转指示灯亮Q0.6
6开门电机正转Q0.7
7开门电梯反转Q1.0
图3.4.1I/O接线图
4软件设计
4.1程序流程图
图4.1
图4.2
4.2电梯定向逻辑
电梯的定向是根据电梯的上行请求信号、下行请求信号、电梯轿箱内请求信号、电梯当前所处位置等信号来确定电梯继续运行的方向。
电梯的定向是电梯控制中的重要逻辑。
在以往电梯的定向逻辑中，一般都是将电梯各个层的上、下行请求信号、电梯轿箱内楼层请求信号、电梯当前楼层信号等综合到一条或几条语句中进行判断。
这样一来，当楼层数目比较大时，每条语句的编程元件很多，不可避免的带来程序复杂，容易出错，调试麻烦，运行速度慢等问题。
以下提出的用逻辑运算指令来进行电梯定向的方法可以比较好的问题。
状态转换方式：
电梯的方向只有上升、下降2个方向，但电梯也可能由于没有任何的上升或者下降请求信号而处于停止状态。
在电梯的方向处理过程中，电梯只能在上升状态和停止状态或者下降状态与停止之间转换，例如当电梯由上升状态转为下降状态时必须先由上升状态转换为停止状态以后再由停止状态转为下降状态。
这样的处理方式对电梯的运行是很有意义的，以往的电梯控制系统中，当电梯响应完某个方向上的所有信号后，若所有剩余的信号都是反方向的，电梯立刻改变方向，此时，在原方向前方若出现新的呼叫信号，电梯将不会立刻应答，只是记忆该呼叫信号，而去响应换向后的方向上的呼叫信号，这样既不符合电梯选层的优先原则，又不能有效的节约能源。
采用图4.2所示的状态转换方式，电梯在响应完某个方向上的所有信号后并不是立刻反向，而是保持该状态等待一段时间后进入停止状态，然后再反向响应相反方向的呼叫信号。
对保持时间进行合理的选择，完全可以做到既不会使得电梯的换向过程显得迟钝，又能有效的响应同方向的
由于电梯的上升与下降状态之间需要通过“停止状态”该中间状态来转换，故在电梯的方向判断逻辑中需要考虑以下几种情况:
（1）电梯处于上升状态
在该状态下，当前楼层的上面有上升请求，当前楼层的上面有下降请求或者电梯轿箱内请求在当前楼层的上面，3个条件有1个和多个成立时，电梯继续处于上升状态;当以上3种条件都不满足时，电梯经过一段定时时间后进入停止状态。
（2）电梯处于下降状态
在当前楼层的下面有下降请求，当前楼层的下面有上升请求或者电梯轿箱内的请求在当前楼层的下面时，电梯继续处于下降状态;当以上3种条件都不满足时，电梯经过一段定时时间后进入停止状态。
（3）电梯处于停止状态
在当前层之上有下降、上升的请求信号或者电梯轿箱内楼层请求信号在当前层的上面则置电梯为上升状态;相反，若在当前层之下有下降、上升的请求信号或者电梯轿箱内楼层请求信号在当前层的下面则置电梯为下降状
4.3电梯PLC控制系统设计
4.3.1楼层状态指示设计
当电梯运行至某层有指令发出时，指示位置及指令。
以二层为
表4.3.1指示位置及指令表
LDtwoselet
二层内选择
Stwoseatq,1
二层内选择指示
LDtwoup
二层上呼
Stwoupq，1
二层上呼指示
LDtwodown
二层下呼
Stwodownq，1
二层下呼指示
LDtwoseat
二层位置
=twoseatq
二层位置指示
4.3.2电梯下行程序设计
以电梯在三层下行情况为例。
当电梯的一或二层有指令时，将三层下行位置1，同时无上行，驱动电梯下行。
程序说明如下：
电梯在三层时下行
表4.3.2.1
LDoneseletq
一层内选择
0twoseletq
或二层内选择
0oneupq
或一层上呼
0twodownq
或二层下呼
0twoupq
或二层上呼
ANseatq
在三层位置时
SV0.1.1
置三层下行位
电梯三层时下行
表4.3.2.2
LDV0.0
有四层下行位
0V0.1
或有三层下行位
0V0.2
或有二层下行位
ANup
同时无上行
=down
电梯下行.
4.3.3电梯上行程序设计
以电梯在二层上行情况为例。
程序说明如下：
电梯在二层上行
表4.3.3.1
ADfourseletq
四层选择
0threeseletq
或三层选择
0fourdownq
或四层下呼
0threedownq
或三层下呼
0threeupq
或三层上呼
Atwoseatq
在二层位置时
SV0.4.1
置二曾上行位
电梯上行
表4.3.3.2
LDV0.3
有一层上行位
0V0.4
或有二层上行位
0V0.5
或有三层上行位
ANdown
同时电梯无下行
=up
电梯上行
4.3.4电梯到达时程序设计
电梯到达某层时，将已完成的指令信号复位。
以电梯到达三层为例。
程序说明如下：
电梯到达三层
表4.3.4.1
LDthreeseatq
电梯到达三层
Rthreeseletq,1
复位三层内选择
RV0.0.1
复位四层下行
RV0.3.1
复位一层上行
RV0.4.1
复位二层上行
LDthreeseatq
电梯到达三层
ANdown
同时无下行
Rthreeupq,1
复位三层上行
LDthreeseatq
电梯到达三层
ANup
同时无上行
Rthreedownq，1
复位三层下行
4.4四层电梯的梯形图设计
图4.4.1
图4.4.2
图4.4.3
图4.4.4
图4.4.4
图4.4.6
5系统调试
完成了硬件的设计、制作和软件编程之后，要使系统能够按设计意图正常运行，必须进行系统调试。
系统调试包括硬件调试和软件调试两个部分。
5.1硬件部分调试
根据电气接线图安装接线，PLC实际接线时，还应考虑到以下几个方面：
（1）应有电源输入线，通常为220V、50HZ交流电源，允许电源有一定的浮动范围。
并且必须有保护装置，如熔断器等。
若是干扰较强或对可靠性要求很高的场合，应在PLC的电源输入端加装带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。
（2）输入端子八个为一组，公用一个COM端。
PLC应单独接地，不要和其他电器元件共用接地线，接地线面积应大于2mm²,并尽可能靠近PLC。
（3）PLC输出端接有线圈和电磁阀等感性元件时必须加保护电路，例如并接阻容吸收回路（对于交流电源）或续流二极管（对于支流电源）。
5.2软件部分调试
用编程工具将用户程序输入计算机，经过反复编辑、编译、下载、调试、运行，直至运行正确。
5.2.1编辑、编译
打开梯形图编辑器将程序输入电脑。
程序输入完成后，用CPU的下拉菜单或工具条中编译快捷按钮对程序进行编译，编译后在显示器下方的输入窗口显示编译结果，并能明确的指出错误的网络段，可以根据错误的提示对程序进行修改，然后再编译，一直到编译无误。
5.2.2程序下载
程序编译成功后，单击标准工具条中下载快捷按钮打开文件菜单，选择下载项，弹出对话框，经选定程序块、数据块、系统块等下载内容后，按确认按钮将选中内容下载到PLC的存储器上。
5.2.3程序监视、运行调试
当PLC工作方式开关在TERM位置时还可用STEP—MICRO/WIN32的菜单命令或快捷按钮都可以对CPU工作方式进行软件设计。
使用程序编辑器还可以在PLC运行监视程序执行的过程和各元件的状态及数据，打开调试菜单选中程序状态。
这时闭合触点和通电线圈内部颜色变蓝。
在
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