基于s7200五层楼电梯的PLC控制.docx

1、基于s7200五层楼电梯的PLC控制学号2010210370电气控制与PLC技术课 程设计（2010级本科）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： 电气工程与其自动化 高鑫元 指导教师： 晓峰职称： 教 授完成日期： 2013年7 月5 日二一三年六月电气控制与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 名高鑫元所属院、专业、年级物理与机电工程学院电气工程与其自动化专业10级（2）班指导教师、职称晓峰 教授任务下达日期2013 年 6 月 17日一.设计的主要容根据控制要求，以 PLC 为核心，设计出一款五层

2、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

3、向一样的就 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、设计题目与设计背景资料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

4、月 1 日6送交打印单位装订成规的设计文本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S7200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

5、，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 电梯的出现与发展说到电梯的起源要从公元前2600年埃与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

6、降梯的平台顶部安装一个货车用的弹簧与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

7、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、节能以与减少环境污染等。本文中着重电梯的

8、升降控制逻辑，不调节主电动机的升降速度以与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

9、.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) 电器设备与控制装置：有曳引机，选层器传动与控制柜、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

10、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）与调频调压调速（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

11、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2.1 PLC 的定义美国电气制造商协会 NEMA（National Electrical Manufactory Asso ciation）经过 四 年 的 调 查 工 作 ， 于 1984 年 首 先 将 其 正 式 命 名 为 PC （ Programmable Controller），并给 PC 作了如下定义：“P

12、C 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/

13、输出控 制各种类型的机械 或生产过程。可编 程控制器与其有关外部设备，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。”2.2 PLC 的特点与功能一、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）

14、回路控制功能 （10）通讯联网功能 2.3 PLC 的结构与工作原理2.3.1 PLC 的 基本单元构成与作用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 2.1 PLC 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

15、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。2.3.2 PLC 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

16、外部设备发生关系。工作过程：图 2.2 PLC 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，不仅涉与机械传动、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

17、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一样的就楼层

18、,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。图4-1电梯

19、控制主流程图第5章 硬件设计5.1 PLC 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 主机与扩展、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、井道与安全保护信号通过PLC 输入接口送入 PLC，存储在存储器与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。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

20、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、轿指令、层站召唤、安全保护信息、开关门与限位信号、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

21、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，在电梯部按动开门按钮，则电梯门打开，按动电梯部的关门按钮，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。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。 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

22、方向为下行，应答厅门下行召唤。 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 CPU 226的PLC，继电器方式输出，扩展模块EM223,即输入输出各为16位。5.4 I/O 点数的分配控制五层电梯的输入开关与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5-1 PLC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

23、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部四层呼叫灯Q1.0二层行程开关I1.1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部一层呼叫按钮I

24、1.5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部二层呼叫按钮I2.0一层位灯Q2.0部三层呼叫按钮I2.1二层位灯Q2.1部四层呼叫按钮I2.2三层位灯Q2.2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部一层呼叫灯Q2.5开门行程开关I2.6部二层呼叫灯Q2.6关门行程开关I2.7部三层呼叫灯Q2.7报警指示灯Q3.05.5 PLC 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

25、.2 电梯 PLC 控制梯形图传统的电器图，一般包括电器原理图、电器布置图与电器安 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

26、 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，以与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一样的。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

27、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

28、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-

29、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

30、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，也就是自己的东西了。在这方面我做的也不是很好，所以设计之后再回想一下，里面自己的东西还是有限，这也是以后需要改进的地方。这一点我想在任何一门课程的学习，在今后任何一行工作都是很重要的。如果没有探索性，我们只会走着前人走过的路，踩着前人踏过的脚印。比如在这个设计过程中，关于 PLC 程序的设计，一开始我们只是将网上现有的一些一样类型程序直接拿来用在自己的设计里面，但是在调试阶段才渐渐发现，这种做法是完全靠不住的，在软件调试的过程中，我们的程序仿真结果总是出现错误，而本来没有在程序上下多大功夫的我们却怎么也找不到程序的错误，于是