本科毕业论文六层双部并联电梯的PLC设计.docx

1、本科毕业论文六层双部并联电梯的PLC设计六层双部并联电梯的PLC设计摘要 本文介绍了由西门子S7-200PLC控制的六层电梯模型的结构、实现的功能以及西门子S7-200PLC的I/O接口分配和对电梯系统的程序设计等。通过对六层电梯控制系统的流程设计，完成了控制开关门操作和在运行模式下的呼叫提示、上下运动、启动、延时2s关门、平层泊车、开轿厢门、信号排队等控制性能。经过编写程序软件、安装硬件以及与六层双部电梯模型的联调，使得六层电梯模型能够在运转的过程中显明的表现出来。使用两台西门子S7-200PLC作为控制器交替和计算机通信结合到电梯的控制系统中去。采用MCGS组态作为上位机监控电梯运行，出现

2、故障报警，实时数据存盘。主要实现的功能：双部并联控制、保持开门时间2S控制、本层厅外开门、门开到位后会延时2S关门、开门按钮开门、 换站停靠、轿内照明控制、层楼显示字符设置、显示器、超载保护、门缝防夹保护、上下楼标示，脉宽调速（PWM）。关键词 西门子S7-200PLC；六层电梯；双部并联；MCGS组态；脉宽调速Abstract: This article describes the six-layer structure parallel lift for double unit, the functions and Siemens S7-200PLC of I / O interfaces

3、 are assigned to the elevator system and program design.We have completed a lot of features through six elevator control system process design, such as through a control switch door operation and call tips in run mode, the up and down movement, start delay 2s close, leveling parking, open car door T

4、he signal wait in line. Connect the hardware, the compiled software programs downloaded to the PLC, the commissioning of six elevators model makes the advantages of parallel twin unit during operation of the elevator can be manifested in distinct. The controller can achieve control of the elevator t

5、ogether using two PLC and computer communication. MCGS as a PC monitor elevator running, failure alarm, real-time data achieving and archiving. Main function: the two parallel control unit, hold open time 2S control, outside this hall door, open the door in place will delay 2s closed, open button to

6、 open the door, for docking stations, car interior lighting controls, floor display character set display, overload protection, door jam protection, marking down the stairs, PWM speed control (PWM).Key words: Siemens S7-200 PLC; Six elevators; Double portion parallel configuration; MCGS;PWM 1 绪论1.1

7、论文的背景在当今社会中，我们已经离不开电梯了。使用电梯令居民不再为居住在高层建筑而感到苦恼。由于电梯的外部呼叫信号以及自身控制规律是随机的，当乘员外呼叫电梯时，电梯判断楼层，进而响应；如果乘客已经迈入电梯后，乘客想去几层就按下相应的楼层按钮，没有人为操作时电梯门会自动延时2秒关门关门后系统会自行判断运行方向，到达平层时箱体减速，从而能保证把轿厢停在要去的楼层上；假如还有别的楼层有呼叫，能半路停车开门。在厢体外显示运行方向及层数可由信号灯和箭头表示。总的来讲，绝大多数电梯都是以单部方式工作，但是随着高层楼宇增多，以前的单部方式越来越满足不了需求，随之而来的多部电梯并联控制出现了，并且应用现在很流

8、行，本论文以六层双部并联电梯为例。1.2 系统设计方案的步骤本论文采取的设计方案：1用一根RS485通信总线连接两台S7-200PLC，并分别单独地写入指令并下载使两者其能够进行信息交互。2两台电梯分别连接到PLC，一主一从。3分别为两台PLC写梯形图程序，而后下载到对应的PLC控制器中。4调试程序，使其够达到控制要求。5 MCGS组态作为上位机，做电梯的监控系统，做到能够控制和故障报警。1.3 本设计主要的要求及内容1.3.1 系统设计的主要要求下位机部分1数码管显示楼层数；电梯由乘客控制执行，轿内优先；内部选择信息和内外部呼叫信息都具有记忆功能，如果该请求已经得到执行择信号会自动消除；从站

9、的外部呼叫信号都要返回主站进行询问，由主站决定由从站响应还是从站响应；运行到要去的楼层后，电梯门自动打开，这时也可以在电梯门内和门内外手动操作；厢体有重量传感器，当感知重量超出设定值时，声卡发出蜂鸣声报警同时电梯不关门不运行；我们如果改变PWM0和PWM1的设定值就能改变电梯上下行和开关门的动作速率；假设轿厢已经到达了目标平层的位置，电梯会执行开门操作同时灭掉该层的呼叫请求指示灯；启动初执行初始化操作，如果门处于打开状态则先执行关门动作；如果箱体没停在平层位置，则上行到邻近的楼层位置；由外呼叫信号而引起的开关门时，按下呼叫按钮（不论内外呼叫），轿厢门都不关门，厢内的灯开关可以控制灯的亮灭。2用

10、步进电机来实现电梯的上升和下降。1.3.2 系统的设计的上位机部分1 界面方面：采用MCGS组态监控，实现电梯的模拟演示。各个楼层呼叫和电梯的位置能实时显示，出现故障能及时报警并存盘。2 内容方面：既能根据组态界面又能根据外部按钮控制电梯运行，如果电梯的运转出现问题时能立即停车并发出警报，组态界面会出现提示信息。3安全性方面：组态界面设立用户名和密码验证方式，防止非法用户登录和越权操作。1.3.3 设计步骤1进行各种元器件的选择；2PLC选型连接线路及I/O分配；3编写下位机程序，下载调试；4编写上位机MCGS组态程序，连接调试。 1.4 本章小结本章主要介绍了本设计主要的结构，从电梯的历史出

11、发，讲述了本电梯设计思路和系统的设计方案，主要部分地系统是如何组成的以及各部分设计的内容和控制规定，结尾处简述了一下该课题设计的步骤和实施内容。2 变频器的原理与应用2.1 变频器2.1.1 变频器的原理这里有两大类变频器：间接方式与直接方式的变频器。间接变频器先把工频交流电源整流成大小可控的直流电源，再经过逆变整流器转换成频率可变的交流，因为如此又称之为交直交变频器；直接方式的变频器就是把常用的交流直接转换成频率可变的交流，因此又叫做交交变频器。本文所用三菱通用FR-D700型变频器（原理如图2.1）也属于这一类。图2.1交-直-交变频器结构图2.1.2 变频器的选型交流调速系统的设计要在保

12、证系统指标的前提下，应该使系统结构简单、维护工作量小、成本低、技术成熟的目标来实现系统的最佳配置。参照过往经验可根据下面的原则来设计以确保该设计的高性价比：1调速装置按负载类型选择。通常希望负载变化时速度变化小，系统工作稳定，静态速度误差小，机械特性硬。2考虑调速经济性，优先考虑设备投资。由于电梯对安全性，可靠性要求较高， 因而本课题选择三菱通用FR-D700型变频器。2.2 变频调速系统控制利用FR-D700型变频器的变频调速系统框图如图2.2所示。图2.2变频调速的系统框图2.3 本章小结本章主要的介绍变频调速的相关技术知识和变频器的选择，还有变频调速总体控制系统的结构，为设计下一步步骤奠

13、定了良好的理论准备。关于变频调速的优点这里就不在鳌述。3 系统控制方案的设计及概述(下位机部分)3.1 PLC 应用及其原理3.1.1 PLC应用及其工作原理PLC是数字控制的电子系统的一种，微处理器是其核心，把计算机、自动控制、数字技术和网络通信技术有效的结合了起来，大部分用在环境恶劣的工业控制环境。PLC 是可编程的逻辑存储器在控制器中的应用，在内部用来存储程序，运行运算逻辑、定时、算术和计数等操作适应用户的指令，适用于用户和控制过程，并且经由模拟式或者数字式输入/输出管控各种机械及生产过程，在实时性、信号处理时间、速度、可靠性、编程方便性、系统配置等方面有明显的独特优势；由于控制系统采用

14、了模块化的结构，所以性价比高，维修方便，安装简单。PLC主要由CPU、存储器、I/O接口、电源以及通信接口等几大部分组合而成，如图3.1所表示的是PLC的基本构成。 图3.1 PLC基本构成1 CPU可以说为PLC 的控制核心，其囊括了微处理器和接口控制电路，像数字运算、逻辑运算、协调系统内部各部分的工作等功能可以轻易实现。电路接口用作微处理器与主机内部的其他单元联系的纽带，匹配信号、缓冲数据、管理中断还有选择单元等为其主要性能。 2存储用户程序和系统程序是存储器的功能，能够分作程序系统存储器与程序用户存储器。 3 I/O单元是PLC的 CPU 和现场输入/输出部件或其它外部设备之间的接口部件

15、。I/O 模块作为PLC与工业现场联系的桥梁，被控对象或生产过程的各个参数经由 I/O 接口能检测到。I/O 单元主要有的类型：输入/输出的数字量，输入/输出的模拟量。 4 两个PLC之间、PLC和远程 I/O 之间、PLC和计算机及其与其他智能的设备之间的通信经过通信接口实现，能把 PLC用于点与点通信连接或接入以太网等。 5作为为 PLC 提供电源的电源部分，大多采用开关电源，因为开关电源输入宽范围的电压，良好的抗干扰性，体积小。 循环扫描为PLC工作的方式，如图3.2所示的是对其内部的各种任务按顺序的进行查询、判断和执行和工作的过程。图3.2工作过程（PLC）3.2 系统硬件设计3.2.

16、1系统的外观1该尺寸外形789毫米（长）656毫米（宽）2216毫米（高），结构为方柱形，楼层为六层。2框架的模型几乎都是用铝合金材质。每个楼层外部都有一个数码管和一个指示运行方向的箭头。3由于大部分电线布于卡槽内，显得整齐工整。4由于这个小的电梯轿厢模型模拟真实实物，乘客进不去，所以用外部无线遥控模拟内部乘客的真实呼叫。3.2.2 运动系统这个系统中，以主电梯为例，用一个收变频器控制的交流电动机控制电梯的升降，用一个小的直流电动机控制电梯门的开关。1升降运动系统升降电动机位于电梯模型的顶部并配合有小滑轮（5个），钢丝绳贯穿于其间，钢丝绳两端分别连接着轿厢和配重，通过交流电机控制钢丝绳来拉动厢

17、体的上下运动。交流电机通过三菱变频器采用了PWM调制脉宽的方法来控制升降速度，使得电梯升降速度可调成为可能。通过PLC编程把PWM信号脉冲经由输出口Q0.0和Q0.1来输出。我们能够变更Q0.0控制电机的上升下降。变更Q0.1的值控制开关门的调速。在每个楼层上都装有限位器，用来采集平层信号。如果厢体经过到此楼层时限位器接受到信号动作，平层限位信号就会传到PLC中。2门拖地系统电梯的门由两部分构成：厅门和轿厢门。其中外门由厢体门带动它执行开关门。轿厢门有两个限位传感器，检测门是否开关到位，只有轿厢门处于关闭状态下电梯才能上下运动。轿厢门上有防夹人开关，当夹人开关处于接通状态下时电梯门重新打开。在

18、轿厢的内部有一个开关式的传感器模拟超重状态，当开关式传感器接通时电梯门重新打开或者不关门，与此同时，电梯发出蜂鸣声，提示乘客电梯已经超重。3主PLC对应接口表外一楼上呼叫 I0.0 外二楼下呼叫 I0.1 外二楼上呼叫 I0.2 外三楼下呼叫 I0.3 外三楼上呼叫 I0.4 外四楼下呼叫 I0.5 外四楼上呼叫 I0.7 外五楼下呼叫 I1.0 外五楼上呼叫 I1.1 外六楼下呼叫 I1.2 内一楼呼叫 I1.3 内二楼呼叫 I1.4 内三楼呼叫 I1.5 内四楼呼叫 I2.0 内五楼呼叫 I2.1 内六楼呼叫 I2.2 一楼限位信号 I2.3 二楼限位信号 I2.4 三楼限位信号 I2.5

19、 四楼限位信号 I2.6 五楼限位信号 I2.7 六楼限位信号 I3.0 选择1开关 I3.1 选择2开关 I3.2 遥控开门信号 I3.3 遥控关门信号 I3.4 遥控灯控制 I3.5 开门限位信号 I3.6 关门限位信号 I3.7 内一楼呼叫保 M1.0 内二楼呼叫保 M1.1 内三楼呼叫保 M1.2 内四楼呼叫保 M1.3 内五楼呼叫保 M1.4 内六楼呼叫保 M1.5 上下电机PWM Q0.0 关门电机PWM Q0.1 上行控制 Q0.2 下行控制 Q0.3 开门控制 Q0.4 关门控制 Q0.5 灯控制 Q0.6 一楼上呼叫灯 Q0.7 二楼下呼叫灯 Q1.0 二楼上呼叫灯 Q1.1

20、 三楼下呼叫灯 Q2.0 三楼上呼叫灯 Q2.1 四楼下呼叫灯 Q2.2 四楼上呼叫灯 Q2.3 五楼下呼叫灯 Q2.4 五楼上呼叫灯 Q2.5 六楼下呼叫灯 Q2.6 数码管1 Q3.3 数码管2 Q3.4 数码管4 Q3.5 数码管8 Q3.6 加减速用1 M3.0 加减速用2 M3.1 加减速用3 VB10 开门允许 M0.2 开关门过程 M0.3 开门信号 M0.4 开门保持 M0.5 开门后延时 M0.6 关门保持 M0.7 组态王关门 M4.3 开门前等待 T37 开门后等待 T38 错误记忆 VB0 上下行速度 VW2 开关门速度 VW4 上行允许 V40.0 下行允许 V40.

21、1 电梯楼层数 VB41 一楼上呼叫 V42.0 主站的上下请求二楼下呼叫 V42.1 二楼上呼叫 V42.2 三楼下呼叫 V42.3 三楼上呼叫 V42.4 四楼下呼叫 V42.5 四楼上呼叫 V42.6 五楼下呼叫 V42.7 五楼上呼叫 V43.0 六楼下呼叫 V43.1 一楼上 V44.0 由主站执行上下电梯二楼下 V44.1 二楼上 V44.2 三楼下 V44.3 三楼上 V44.4 四楼下 V44.5 四楼上 V44.6 五楼下 V44.7 五楼上 V45.0 六楼下 V45.1 开关门变量 VB50 从一楼上呼叫灯 V17.0 从站的灯从二楼下呼叫灯 V17.1 从二楼上呼叫灯

22、V17.2 从三楼下呼叫灯 V17.3 从三楼上呼叫灯 V17.4 从四楼下呼叫灯 V17.5 从四楼上呼叫灯 V17.6 从五楼下呼叫灯 V17.7 从五楼上呼叫灯 V18.0 从六楼下呼叫灯 V18.1 从一楼限位信号 V19.0 从二楼限位信号 V19.1 从三楼限位信号 V19.2 从四楼限位信号 V19.3 从五楼限位信号 V19.4 从六楼限位信号 V19.5 从上行允许 V20.0 从下行允许 V20.1 从电梯楼层数 VB21 从一楼上请求 V22.0 从二楼下请求 V22.1 从二楼上请求 V22.2 从三楼下请求 V22.3 从三楼上请求 V22.4 从四楼下请求 V22.

23、5 从四楼上请求 V22.6 从五楼下请求 V22.7 从五楼上请求 V23.0 从六楼下请求 V23.1 从一楼上执行 V24.0 从二楼下执行 V24.1 从二楼上执行 V24.2 从三楼下执行 V24.3 从三楼上执行 V24.4 从四楼下执行 V24.5 从四楼上执行 V24.6 从五楼下执行 V24.7 从五楼上执行 V25.0 从六楼下执行 V25.1 从一楼上 V26.0 主站的命令。v26.0=1表示从二楼下 V26.1 由从站完成一楼上的任务从二楼上 V26.2 从三楼下 V26.3 从三楼上 V26.4 从四楼下 V26.5 主站写。从四楼上 V26.6 从五楼下 V26.

24、7 其他信号的作用类推。从五楼上 V27.0 从六楼下 V27.1 从一楼上灯 V28.0 主站的命令。v26.0=1和v26.0=0分别表示从二楼下灯 V28.1 从站的外一楼上呼叫按钮的灯亮和灭的命令。从二楼上灯 V28.2 从三楼下灯 V28.3 从三楼上灯 V28.4 主站写。从四楼下灯 V28.5 从四楼上灯 V28.6 其他信号的作用类推。从五楼下灯 V28.7 从五楼上灯 V29.0 从六楼下灯 V29.1 图3.3 PLC的硬件接线图3.3 软件设计3.3.1 系统的工作原理介绍六层双部并联电梯是建立在单台电梯控制系统基础上的，于是在设计电梯的算法时首先会想到以单台电梯的控制逻

25、辑为根本。在设计程序时要充分地考虑系统的要求，合理地分配请求信号。六层双部并联电梯运行不能和单部电梯运行逻辑相冲突，结合程序编写的逻辑，我们把六层双部并联电梯的算法进行了如下的运行设计：六层双部并联电梯控制系统的整体工作逻辑框图如图3.5所示。 图3.4 工作原理图3.3.2 系统功能实现分析与介绍3.3.2.1 主PLC1在PLC程序里面需要在主程序里面写入如图3.1所示的程序与从站通讯。通讯前，首先要检查两个PLC之间的RS485通讯线是否连接完好（我开始通讯连接的时候就有一个根线断了），确认连接完好后再设置通讯协议要求的波特率，把拨码器上的开关拨到设定值上，接下来要把两个PLC的运行方式

26、拨到STOP状态下或者调试状态下。一切准备就绪后，就开始程序的编程和状态的设置了。不过，在程序运行前，一定要再次检查硬件运行是否流畅，是否有螺丝松动，限位器或开关的位置是否合适，插销与相应的缝隙是否在一条线上等等。因为程序一旦运行，很容易造成电梯模型的损坏，徒增了一些不必要的损失。想想，如果这部电梯如果载着乘客，发生硬件问题对乘客的生命危险是相当大的。以此，务必要再次检查硬件的连接及完好性。 图3.1与从站通讯2主站有请求时判断给主站还是从站如图3.2。通过设计的最优运行方式响应乘客的呼叫，其实这也是六层双部并联电梯设计的复杂处，也是其特色所在。不仅使乘客的等待时间大大缩短，也使电梯功耗降低，

27、效率提高，可靠性增强。 图3.2 判断是主/从站3开门关门控制开关门过程置位，则开门。开门后，在自然状态下经过2秒延时后关门。第一次上电时，如果门在开启的状态下则先自动关门。碰到关门限位器后，内存的开关门状态复位，即不允许开关门。在从PLC程序里面也要设置相应的设置，如图3.3。 图3.3关门控制4上下行PWM和开关门PWM，如图3.4 图3.4上下行速度控制5电梯下行到一层时，下行过程复位，开关门过程置位，一层上行呼叫灯灭，内一层呼叫保持复位，上行允许置位。如果满足上行条件，则上行。如图3.56电梯下行到二层时，如果二层下行呼叫灯亮或内二层呼叫保持置位，则二层下行呼叫灯灭，内二层呼叫保持复位

28、，并且开关门过程置位。如果满足下行条件，则下行。如果不满足下行条件，且二层上行呼叫灯亮，则二层上行呼叫灯灭，并且开关门过程置位。如果不满足下行条件而且开关门过程复位，则置上行允许置位。如图3.6 图3.5判断一层上下行条件图3.6判断二层上下行条件7数码管显示轿厢的楼层数。控制轿箱内灯亮灭。如图3.7 图3.7数码管显示8开关门请求。如图3.8所示，当电梯到达目的楼层或乘客请求的平层时，系统会自动打开轿厢门，接触到限位开关时停止，厢体门经过 2秒延时进行关门动作；当超重开关处于接通状态下时，电梯不关门；当同层由请求时，电梯重新开门。 图3.8电梯开关门判断9当电梯没有上下请求信号,在平层位置时

29、遥控开门信号可以使电梯开门。如图3.9 图3.9平层时内呼轿厢门开关判断10有内呼叫信号，该内呼叫保持置位。对于内呼叫请求电梯优先执行。如图3.10 图3.10内呼叫保持11灯灭且从站无上下任务则从站的灯灭。如图3.11 图3.11从站灯控制12灯灭时（表示主站完成上下电梯任务），请求清零。如图3.12所示。灯的亮灭表示乘客外部呼叫请求，乘客按下按钮时灯亮；同时，也可由MCGS组态的控制画面来操作控制外部请求，也可以控制灯的亮灭。由组态控制内部变量同样经由PLC程序执行。 图3.12灯灭请求清零3.4 本章小结本章主要介绍系统中下位机PLC的部分，简单介绍了硬件的选型、I/0的配置、硬件接线图

30、、主电路和硬件安全的保护的措施，详细的分析系统的工作的原理、系统能够实现的各项功能。PLC控制器部分是整个控制系统的核心，与上位机MCGS组态是结合可形成一个实用的一体化嵌入式工业控制系统。4 MCGS组态的设计及概述(上位机部分)4.1 MCGS组态概述4.1.1 绪言MCGS组态是操作人员和机器设备之间的双向沟通的桥梁，用户可以自由地组合文字、数字、按钮、图形等来处理或者监控管理和应对各种可能发生变化信息的多功能显示屏幕。由于计算机技术的强大功能，把它用于工业控制中将会大大降低成本、具有丰富的可用资源、开发容易等优点。可是如果要把计算机和当代的种种工业控制设备连接起来仍需要编写大量的各种程

31、序、画面显示、处理数据等各种应用程序，对于现场的工程师来说，能完成如此的任务会使效率很低，还有会影响他们对控制任务自身的重视，因此在这个大环境下组态软件应运而生。4.1.2 MCGS通用组态的特点MCGS组态软件具有可视化简单而又灵活的操作界面，良好的并行处理性能，丰富、形象的多媒体画面，开放式的结构，能够获取广泛的数据和处理强大的数据性能，完善的安全保护方式，连接网络的功能强劲，报警功能具有多样化，使得复杂的运行流程便于控制等。4.1.3 MCGS组态界面介绍运行组态，点击新建工程，就会弹出一个界面，界面的显示的图像如图4.1所示。 图4.1 软件框架图4.2 组态MCGS与西门子PLC 200的通信1.首先是通过点击设备窗口设备工具箱