最新版11级自动化1班赵振宏PLC三层电梯实验报告2.docx
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最新版11级自动化1班赵振宏PLC三层电梯实验报告2
天津天狮学院
自动化专业综合实验报告
题目：
三层电梯模拟装置控制程序设计
专业：
自动化
班级：
11级1班
姓名：
赵振宏（李静马晨梁德青）
指导教师：
肖宝兴
天津天狮学院信息与自动化学院
2014年10月
一、课程设计题目
三层电梯模拟装置控制程序设计
二、课程设计任务
1、对PLC和变频器等部件进行选型设计。
2、编写I/O地址分配表，按照电梯的一般控制原则编制相应的软件程序，出
相关图纸；
3、利用实验室的现有设备进行系统的模拟实验；
4、对课程设计进行总结，撰写课程设计报告。
三、选择的仪器和设备
1、三相异步电动机1台
2、变频器控制实验箱1台
3、连接导线若干
4、西门子CPU2261台
5、旋转编码器1台
6、计算机1台
四、所需设备原理介绍
PLC简介：
可编程逻辑控制器，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。
当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（一）松下VF0型变频器简介
松下变频器的全称是“松下交流变频调速器”，是由日本松下集团研发、生产、销售的知名变频器品牌，主要用于控制和调节三相交流异步电机的速度。
主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，松下变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
1、松下变频器VFO系列特点：
（1）小巧、操作简单、可由PLC直接调节频率的小型产品。
（2）接线方法：
1端子用于频率设定；2端子用于频率设定模拟信号的输入端子；3是公用端子；5端子用于正转运行信号；6端子用于反转运行
（3）操作简单：
采用了新设计的调频电位器，使调频操作简单轻松；而且用操作盘就可容易地操作正转/反转；
（4）可由PLC直接调节频率：
可直接接收PLC的PWM信号并可控制电动机频率；同时可与我公司PLC（FP0等）配套使用，无需模拟I/O单元；
（5）功能齐全的小型产品：
8段速控制制动功能；再试功能；根据外部SW调整频率增减和记忆功能；再生制动功能的充实；400V系列型：
内置制动电路；200V系列型：
内置0.4-1.5kW电阻；0.2kW电路没有制动电阻；0.4kW是外部设置的同包装电阻。
（6）参数设定：
p28用于设定继电器输出的检测频率；p32用于设定第2速频率。
2、西门子变频器调速控制系统的优势
与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制．可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换．可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，它紧凑的尺寸，便捷的快速调试，简单的面板操作，方便友好的维护以及丰富的集成功能都将成为新的标准。
高性能的矢量控制技术、低速高转矩输出、良好的动态特性、超强的过载能力以及无可比拟的灵活性，在变频器市场占据着重要的地位。
（二）西门子S7-200PLC简介
1.西门子的概述
（1）西门子S7-200PLC在实时模式下具有速度快，具有通讯功能和较高的生产力的特点。
一致的模块化设计促进了低性能定制产品的创造和可扩展性的解决方案。
来自西门子的S7-200微型PLC可以被当作独立的微型PLC解决方案或与其他控制器相结合使用。
（2）S7-200工作原理
PLC是在继电器控制系统逻辑关系基础上发展演变的。
而PLC是一种专用的工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理基础上的。
为了可靠地应用在工业环境下，便于现场电气技术人员的使用和维护，它有着大量的接口器件，特定的监控软件，专用的编程器件。
这样一来，不但其外观不像计算机，它的操作使用方法、编程语言及工作过程与计算机控制系统也是有区别的。
PLC虽然具有许多微型计算机的特点，但它的工作原理却与微型计算机有很多不同点（这主要是各自的操作系统和系统软件的不同造成的）。
PLC的工作原理有两个显著特点：
一个是周期性顺序扫描，一个是信号集中批处理。
PLC通电后，需要对软硬件都做一些初始化的工作，为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分步处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为周期性顺序扫描工作方式。
PLC在运行过程中，总是处在不断循环的顺序扫描过程中，每次扫描所用的时间称为扫描时间，又称为扫描周期或工作周期。
由于PLC的I/O点数较多，采用集中批处理的方法可简化操作过程便于控制，提高系统可靠性。
因此PLC的另一个主要特点就是对输入采样、执行用户程序、输出刷新实施集中批处理。
（2）S7-200工作方式
a．输入采样扫描阶段
在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入过程映像寄存器和输出过程映像寄存器，CPU以字节（8位）为单位来读写输入/输出过程映像寄存器。
这是第一个集中批处理过程，在这个阶段中，PLC首先按顺序扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。
此时，输入映像存储器被刷新，在当前的扫描周期内，用户程序依据的输入信号的状态（ON或OFF）均从输入映像寄存器中去读取，而不管此时外部输入信号的状态是否变化。
在此程序执行阶段和接下来的输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，即使此时外部输入信号的状态发生变化，也只能在下一个扫描周期的输入采样阶段去读取。
一般来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，否则很可能造成信号的丢失。
b．执行用户程序的扫描阶段
PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按照顺序排列。
在RUN工作模式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序。
在执行指令时，从I/O映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读取其ON/OFF状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应的映像寄存器中。
因此，除了输入映像寄存器属于只读的之外，各映像寄存器的内容随着程序的执行而变化。
这是第二个集中批处理过程，具体地说在此阶段，PLC的工作过程是这样的，CPU对用户程序按顺序进行扫描，如果程序用梯形图表示，则总是按先上再下，从左至右的顺序进行扫描，每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态就要从输入映像寄存器中去读取，而不是直接使用现场的即时输入信息。
因为第一个批处理过程（取输入信号状态）已经结束，“大门”已经关闭，现场即时信号此刻是进不来的。
对于其他信息，则是从PLC的元件映像寄存器中读取，在这个过程顺序扫描中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中，这样该元素的状态马上就可以被后面将要扫描到的指令所利用，所以在编程时指令的先后位置将决定最后的输出结果。
对输出继电器的扫描结果，也不是马上去驱动外部负载，而是将其结果写入元件映像寄存器中的输出映像寄存器中，同样该元素的状态也马上就可以被后面将要扫描到的指令所利用，待整个用户程序扫描阶段结束后，进入输出刷新扫描阶段时，成批地将输出信号状态送出去。
c．输出刷新扫描阶段
CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器的（ON/OFF）状态传送到输出模块并锁存起来，梯形图中某一输出位的线圈“得电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。
信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器（确实存在的物理器件）的线圈得电，它的常开触点闭合，使外部负载通电工作。
到此，一个周期扫描过程中的三个主要过程就结束了，CPU又进入了下一个扫描周期。
这是第三个集中批处理过程，用时极短，在本周期内，用户程序全部扫描后，就已经定好了某一输出位的状态，进入这段的第一步时，信号状态已送到输出映像寄存器中，也就是说输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。
然后再把此数据推到锁存器中锁存，最后一步就是锁存器的数据再送到输出端子上去。
在一个周期中锁存器中的数据是不会变的。
2.七段显示码指令SEG（Segment）
在S7-200PLC中，有一条可直接驱动七段数码管的指令SEG，如图3-18所示。
当EN有效时，SEG指令将字节型输人数据IN的低4位对应的七段共阴极显示码输出到OUT指定的字节单元。
如果该字节单元是输出继电器字节QB，则QB可直接驱动数码管。
例如，设QB0.0-QBO.7分别连接数码管的a、b、c、d、e、f、g及dp（数码管共阴极连接），若VB1=，执行指令SEGVB1，QB0则VB1的数据不变，QB0=（“4”的共阴极七段码），该信号使数码管显示“4”。
3.高速计数器介绍
1．数量及编号
高速计数器在程序中使用的地址编号用HCn来表示（在非程序中一般用HSCn表示）HC表示编程元件名称为高速计数器，n为编号。
不同型号的PLC主机，高速计数器的数量也不同，CPU221和CPU222有4个，它们是HC0和HC3-HC5；CPU224、CPU226和PU226XM有6个，它们是HC0-HC5。
2．中断事件类型
高速计数器的计数和动作可采用中断方式进行控制，与CPU的扫描周期关系不大，各种型号的PLC可用的高速计数器的中断事件大致分为3类：
当前值等于预设值中断、输入方向改变中断和外部复位中断。
所有高速计数器都支持当前值等于预设值中断。
每个高速计数器的3种中断的优先级由高到低，不同高速计数器之间的优先级又按编号顾序由高到低。
3．3.高速计数器的工作模式及输入点
高速计数器的使用共有四种基本类型：
带有内部方向控制的单向计数器，带有外部方向控制的单向计数器，带有两个时钟输入的双向计数器和A／B相正交计数器。
它的输入信号类型有：
无复位或启动输入，有复位无启动输入或者既有启动又有复位输入。
每种高速计数器有多种工作模式，以完成不同的功能，高速计数器的工作模式与中断事件有密切关系。
在使用一个高速计数器时，首先要使用HDEF指令给计数器设定一种工作模式。
每一种HSCn的工作模式的数量也不同，HSCl和HSC2最多可达12种，而HSC5只有一种工作模式。
选用某个高速计数器在某种工作模式下工作后，高速计数器所使用的输入端不是任意选择的，必须按系统指定的输入点输入信号。
例如，如果HSC0在模式4下工作，就必须用I0.0为时钟输入端，I0.1为增减方向输入端，I0.2为外部复位输入端。
高速计数器输入点、输入／输出中断输入点都包括在一般数字量输入点编号范围内。
同一个输入点只能用做一种功能，如果程序使用了高速计数器，则高速计数器的这种工作模式下指定的输入点只能被高速计数器使用。
只有高速计数器不用的输入点才可以为输入／输出中断或一般数字量输入点使用。
例如，HSC0在模式0下工作，只用I0.0作时钟输入，不使用I0.1利I0.2，则这两个输入端可作为它用。
4.高速计数器指令
高速计数器的指令有2条：
定义高速计数器指令HDEF和执行高速计数器指令HSC。
（1）定义高速计数器指令HDEF，如图3-26所示。
HDE指令功能是为某个要使用的高速计数器选定一种工作模式。
每个高速计数器在使用前，都要用HDEF指令来定义工作模式，并且只能用一次。
它有两个输入端：
HSC为要使用的高速计数器编号，数据类型为字节型，数据范围为0~5的常数，分别对应HC0~HC5;MOCE为高速计数的工作模式，数据类型为字节型，数据范围为0~11的常数，分别对应12种工作模式。
当准许输入使能EN有效时，为指定的高速计数器HSC定义工作模式MODE。
（2）执行高速计数器指令HSC，如图3-27所示。
HSC指令功能功能是根据与高速计数器相关的特殊继电器确定在控制方式和工作状态，使高速计数器的设置生效，按照指令的工作模式的工作模式执行计数操作。
它有一个数据输入端N：
N为高速计数器的编号，数据类型的字型，数据范围为0~5的常数，分别对应高速计数器HC0~HC5.当准许输入EN使能有效时，启动N号高速计数器工作。
5.高速计数器的控制字节
系统为每个高速计数器都安排了一个特殊寄存器SMB作为控制字，可也通过对控制字节指定为的设置，确定高速计数器的工作模式。
S7-200在执行HSC指令前，首先要检查与每个高速计数器相关的控制字节，在控制字节中设置了启动输入信号和复位输入信号的有效电平，正交计数器的计数倍率，计数方向采用内部控制的有效电平，是否允许改变计数方向，是否允许更新设定值，是否允许更新当前值，以及是否允许执行高速计数指令。
6.高速计数器的当前值寄存器和设定值寄存器
每个高速计数器都有1个32位的经过值寄存器HC0-HC5，同时每个高速计数器还有1个32位的当前值寄存器和1个32位的设定值寄存器，当前值和设定值都是有符号的整数。
为了向高速计数器装入新的当前值和设定值，必须先将当前值和设定值以双字的数据类型装入如表所列的特殊寄存器中。
然后执行HSC指令，才能将新的值传送高速计数器。
7.高速计数器的初始化
由于高速计数器的HDEF指令在进入RUN模式后只能执行1次，为了减少程序运行时间优化程序结构，一般以子程序的形式进行初始化。
下面以HC2为例，介绍高速计数器的各个工作模式的初始化步骤。
1．利用SM0.1来调用一个初始化子程序。
2．在初始化子程序中，根据需要向SMB47装入控制字。
例如，SMB47=16#F8其意义是：
准许写入新的当前值，准许写入新的设定值，计数方向为曾计数，启动和复位信号为高电平有效。
3．执行HDEF指令，其输入参数为:
HSC端为2（选择2号高速计数器），MODE端为0/1/2（对应工作模式0，模式1，模式2）。
4．将希望的当前技术值装入SMD58（装入0可进行计数器的清零操作）。
5．将希望的设定值装入SMD62
6．如果希望捕获当前值等于设定值的中断事件，编写与中断事件号16相关联的中断服务程序。
7．如果希望捕获外部复位中断事件，编写与中断事件号18相关联的中断服务程序。
8．执行ENI指令。
9．执行SC指令。
10．退出初始化子程序。
（三）旋转编码器工作原理简介
旋转编码器在工厂自动化（FA）上的应用已经有相当长一段时间了，最具代表性的是在工业机器人；机器人机械臂有二轴的，也有多轴的，但是驱动机械臂动作的都是马达在机械人的构造中，所有机械臂动作的动能来源是马达。
大部份的FA及OA设备的主要动能来源也是马达；并且马达受到不同指令形式地控制。
对马达运行的控制方式有只在某一段时间内以一定的速度运行，也有复杂而不规则的运行，还有多轴同时运行等，这样形成了机械设备各式各样的运行状态。
在与被测轴同心的码盘上刻制了按一定编码规则形成的遮光和透光部分的组合。
在码环的一边是发光二极管或白炽灯光源，另一边则是接收光线的光电器件。
码盘随着被测轴的转动使得透过码盘的光束产生间断，通过光电器件的接收和电子线路的处理，产生特定电信号的输出，再经过数字处理可计算出位置和速度信息。
五、课程设计内容
1．控制要求：
电梯共有三层，设三个站点，电梯每走到一层就设一个传感器。
因为是直流24V电机，转速不是很快，所以停靠时，不需要减速过程就可以准确靠位。
电梯由安装在各楼层厅门口的呼叫按钮进行呼叫操纵和电梯轿厢内设有楼层内选按钮进行控制，用以选择需停靠的楼层。
楼层指示灯有三个，分别指示电梯当前位置。
运行状态指示灯有两个，分别指示当前电梯运行的状态。
电梯每次运行只响应单一呼叫，例如，电梯停在一层，在三层轿厢外呼叫时，必须按三层呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从一层运行到三层），在电梯停止运行前按其他层呼叫按钮均无效，依此类推。
电梯运行要用钥匙开关控制。
2．I/O分配:
输入I接口
输出O接口
PLC端
外接端口
注释
PLC端
面板接口
注释
I2.3
按钮1
变频0速
Q1.7
数码管
楼层显示
I2.2
开关SA7
门区开关
Q1.6
I2.1
开关SA6
安全触板
Q1.5
I2.0
开关SA5
下限位
Q1.4
I1.7
开关SA4
上限位
Q1.3
I1.6
开关SA3
关门到位
Q1.2
I1.5
开关SA2
开门到位
Q1.1
I1.4
开关SA1
关门按钮
Q1.0
I1.3
开关SA0
开门按纽
Q0.7
指示灯1
三楼下行指示
I1.2
按纽2
三层内选
Q0.6
指示灯2
二楼上行指示
I1.1
按纽3
二层内选
Q0.5
指示灯3
二楼下行指示
I1.0
按纽4
一层内选
Q0.4
指示灯4
一层上行指示
I0.7
按纽SB3
三层下呼
Q0.3
无
无
I0.6
按纽SB2
二层下呼
Q0.2
变频器5
变频器运行正反转信号
I0.5
按纽SB1
二层上呼
Q0.1
变频器6
I0.4
按纽SB0
一层上呼
Q0.0
变频器7
控制变频器段速
I0.3
按钮5
钥匙开关
I0.2
无
旋转编码器预制口
I0.1
旋编白线
旋转编码器OUTB
I0.0
旋编黑线
旋转编码器OUTA
表1
3．电梯设计的原理图
图1电梯原理图
4.外部接线电路图
（1）开关接线图：
图2开关接线图
（2）电机接线图：
图3电机接线图
（3）变频器接线图：
图4变频器接线图
（4）整体外部接线电路图
图5整体外部接线电路图
5．变频器参数设置
P08设置4：
外控运行和正反转，由变频器5和6接线控制
P09设置3：
频率设定信号，外控0-5V电压信号
P26设置3：
频率为检测频率由P28设定
P28设置0.5HZ：
设定继电器的检测频率
P32设置15HZ：
设定第二速频率
6.电梯运行过程简介
电梯上行
1）当电梯停于1楼或2楼，3楼外呼时，则上行，当3楼的行程开关控制停止，同时轿厢门打开，1秒后，轿厢门关闭。
2）当电梯停于1楼，2楼外呼叫，则上行，到2楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门打开，1秒后，轿厢门关闭。
3）当电梯停于1楼，2楼上呼、3楼外呼时，电梯上行到2楼，行程开关控制停止，同时，轿厢门打开，1秒后，轿厢门关闭，继续上行到3楼行程开关控制停止。
4）电梯在1楼，2楼和3楼内呼，电梯运行道楼行程开关控制停止，同时，轿厢门打开，1秒后，轿厢门关闭，继续上行到3楼行程开关控制停止。
电梯下行
1）当电梯停于3楼，2楼外呼叫时，则下行，到2楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门与厅门打开，1秒后轿厢门与厅门关闭。
2）当电梯停于3楼，1楼、2楼、同时外呼叫时，则下行，到2楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门打开，1秒后轿厢门关闭，继续下行到1楼行程开关控制停止。
7）当电梯停于3楼或2楼，1楼呼叫时，则下行，到1楼的行程开关控制停止，同时，轿厢门打开，1秒后轿厢门与厅门关闭。
注：
1．电梯呼叫、上行或下行均有信号指示。
2．在电梯运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的呼叫信号均不响应；如果某反向呼梯信号前方再无其它呼梯信号，则电梯响应该呼梯信号。
7．梯形图程序及其注释
子程序：
六、组内分工
李静和马晨同学负责电梯设计的整体思路和调试。
梁德青同学负责电梯设计的连线过程。
赵振宏同学负责画电梯原理图、程序设计图和实验报告。
7、结束语
总结本次毕业设计，本设计主要是以PLC可编程控制器为主要核心，依靠PLC超强的控制功能，实现了PLC控制电梯的基本功能。
在调试过程中，本设计充分地利用了PLC外部接线简单、编程简单直观等优点。
当楼层层数增加时，硬件接线上只需要增加轻触开关和LED灯。
原来的接线不需要改变，软件上只需要添加相关类似的程序以及输出的功能，需要改动的地方很少。
调试结果表明，该模拟系统在适应性、精确性和可靠性方面，均达到了设计的要求，表明该设计方的可行性。
通过本次的PLC电梯模拟设计，我学到了许多实用性很强的知识，在学习和工作上均得到一定幅度的提升。
考验了我对理论知识的运用能力，锻炼了对故障排除的分析能力，加强了我们合作精神，值得感谢的是当我们遇到困难时，老师耐心指导，帮我们一起分析故障，共同解决困难。
另外，这课程设计也为了我们以后的毕业设计提供了很好的经验，建立基础，可以说是意义重大，影响深远。
对于此PLC课程设计，并且，对可编程控制器有了进一步的了解，巩固加深了曾经习过的知识。
八、参考文献:
[1]黄桂梅，刘永立．PLC电梯控制系统的设计与实践[J]．制造业自动化，2007
[2]张计科，王志和.基于PLC电梯模型控制策略设计与实现[J].工业控制计算机.2011
[3]许少衡，张廷锋.基于PLC电梯控制系统设计的创新实验[J].中国现代教育装备，2010
[4]丁建锋.基于PLC的电梯控制系统设计[J].硅谷，2010
[5]常晓玲．电气控制系统与可编程控制器[M]．北京：
机械工业出版社,2005.1
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