課程設(shè)計---基于plc的三層電梯運行控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　《基于PLC的三層電梯運行控制系統(tǒng)設(shè)計》</p><p><b>　　課程設(shè)計報告書</b></p><p>　　設(shè)計題目：基于PLC的三層電梯運行控制系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　2015年6月1

2、4日</p><p>　　物理與電子工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書</p><p>　　專業(yè)： 自動化 班級： 14級接本1班 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑已成為現(xiàn)代城市的標(biāo)

3、志。電梯作為垂直運輸工具，承載著大量的人流和物流的輸送，在建筑物中起著至關(guān)重要的作用。采用可編程控制器對電梯進行控制，通過合理的選擇和設(shè)計，能夠有效地提高電梯的控制水平，使電梯的控制達到比較理想的控制效果。</p><p>　　本文設(shè)計一個三層電梯控制系統(tǒng)，基于西門子S7-200PLC實現(xiàn)。在介紹電梯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，重點分析了三層電梯的控制要求以及電梯控制系統(tǒng)設(shè)計中如何用PLC實現(xiàn)控制系統(tǒng)，編制梯形圖，并完成程序的

4、調(diào)試，利用QSPLC-III型實驗裝置的電梯模塊對三層電梯控制系統(tǒng)進行仿真實驗。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電梯；西門子；可編程控制器； 調(diào)試； 仿真實驗</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 設(shè)計背景1&

5、lt;/p><p>　　1.2 PLC在電梯控制系統(tǒng)中的重要意義1</p><p>　　1.3 電梯技術(shù)發(fā)展前景2</p><p>　　1.4 課程設(shè)計的主要內(nèi)容3</p><p>　　第2章 PLC簡介3</p><p>　　2.1 PLC的產(chǎn)生與發(fā)展3</p><p>　　2.2 PL

6、C的用途及特點5</p><p>　　2.2.1 PLC的用途5</p><p>　　2.2.2 PLC的特點6</p><p>　　2.3 PLC的硬件組成7</p><p>　　2.3.1 PLC的組成7</p><p>　　3.3.2 PLC各組成部分的作用7</p><p>

7、　　2.4 PLC的工作原理9</p><p>　　第3章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計10</p><p>　　3.1 控制要求分析10</p><p>　　3.2 硬件設(shè)計10</p><p>　　3.2.1 元件選型10</p><p>　　3.2.2 硬件電路連接圖13</p><p>

8、　　3.3 軟件設(shè)計14</p><p>　　3.3.1 I/O分配15</p><p>　　3.3.2 梯形圖及說明15</p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)仿真22</p><p>　　4.1 編程軟件簡介22</p><p>　　4.1.1 編程軟件的基本功能22</p><p&g

9、t;　　4.1.2 編程軟件的主界面及各區(qū)域用途22</p><p>　　4.2 程序的編輯23</p><p>　　4.3 程序的調(diào)試23</p><p>　　4.4 控制系統(tǒng)仿真24</p><p><b>　　結(jié) 論26</b></p><p><b>　　參考文獻27

10、</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計背景</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展、城市現(xiàn)代化的突飛猛進，電梯作為一種高效、迅捷、安全、可靠的垂直運輸設(shè)備，成為人們不可缺少的運輸工具?，F(xiàn)代高層建筑中各大辦公樓、住宅、醫(yī)院、工礦企業(yè)、倉庫、

11、碼頭、大型貨輪等都離不開電梯。據(jù)統(tǒng)計，在美國乘坐其他交通工具的人數(shù)每年約為80億人次，而乘電梯的人數(shù)每年卻有540億人次之多。電梯服務(wù)于中國已有100多年的歷史，特別是在改革開放后，我國電梯的使用數(shù)量快速增長。尤其是現(xiàn)階段，隨著經(jīng)濟日新月異的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高、城市的高層建筑不斷增多，與此相應(yīng)電梯業(yè)也得到迅猛發(fā)展?，F(xiàn)在電梯已完全融入我們的生產(chǎn)、生活中，滿足人們生活、工作及學(xué)習(xí)的需要。據(jù)統(tǒng)計，我國的在用電梯已達40多萬臺，每年還

12、以約5~6萬臺的速度增長。</p><p>　　電梯的作用越來越顯著，電梯的需求越來越大。而目前我國使用的先進的電梯的系統(tǒng)基本上都是國外設(shè)計制造的，其核心技術(shù)并不公開。國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的控制方法和技術(shù)在實際中的應(yīng)用還比較少，與國外先進技術(shù)相比還有較大的差距。盡快研究和掌握先進的控制技術(shù)，對國內(nèi)電梯工業(yè)的發(fā)展有很大的作用。</p><p>　　1.2 PLC在電梯控制系統(tǒng)中的重要意義&l

13、t;/p><p>　　早期的電梯自動控制系統(tǒng)中，信號的邏輯控制一般是由繼電器一接觸器電路來實現(xiàn)。由于繼電器、接觸器都是有觸點的電氣元件，體積龐大，弧光放電較嚴(yán)重，使用壽命有限；在電梯這種較復(fù)雜控制系統(tǒng)中可靠性不高，施工過程中接線復(fù)雜，當(dāng)控制要求改變時必須改變硬件接線，使得通用性和靈活性不夠，生產(chǎn)周期加長；另外，繼電器、接觸器觸點數(shù)目有限，可擴展性較差；繼電器一接觸器控制系統(tǒng)依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率低且機械

14、觸點還會出現(xiàn)抖動問題；繼電器控制邏輯一般不具備計數(shù)功能：同時隨著樓宇層數(shù)的增加，繼電器一接觸器控制系統(tǒng)過于龐大，給設(shè)計帶來不便。基于以上多種原因，導(dǎo)致電梯控制系統(tǒng)的工藝性、運行的可靠性與安全性降低，故目前己被逐步淘汰。</p><p>　　目前電梯的控制普遍采用兩種方式，一是采用微機作為信號控制單元，完成電梯信號的采集、運行狀態(tài)和功能的設(shè)定，實現(xiàn)電梯的自動調(diào)度和集選運行功能。微機控制是電梯控制技術(shù)的發(fā)展方向，目前

15、已有一些由微機控制的電梯新機型相繼推出，使控制功能得到增強，性能得到改善。微機控制系統(tǒng)雖然在智能控制方面有較強大的功能，但也存在一定的不足之處，一方面微機控制抗干擾能力較差、系統(tǒng)設(shè)計較復(fù)雜、一般維修人員難以掌握其維修技術(shù)，另一方面專門設(shè)計和制造微機控制裝置，一次性成本較高。這些都限制了微機控制系統(tǒng)應(yīng)用的普及。第二種控制方式用可編程控制器(PLC)取代微機實現(xiàn)信號集選控制。目前，在國內(nèi)，對于一個中、小型的電梯控制系統(tǒng)，大多采用PLC控制，

16、主要原因在于當(dāng)規(guī)模較小時，用PLC控制可以降低因?qū)ｉT設(shè)計和制造微機控制裝置的成本，且PLC具有編程簡單；控制運行可靠性高，抗干擾能力強；通用性好、功能強大；開發(fā)周期短；體積小，使用方便，可擴展性強；成本低，維護方便以及強大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能等優(yōu)點，因此成為現(xiàn)代樓宇中、小型電梯控制系統(tǒng)的主流。同時，由于歷史原因，我國目前還存在著相當(dāng)數(shù)量的由繼電器一接觸器系統(tǒng)控制的老式電梯，這些電梯的PL</p><p>　　1.3 電

17、梯技術(shù)發(fā)展前景</p><p>　　縱觀我國電梯行業(yè)的發(fā)展歷程，從改革開放到今天，電梯行業(yè)在不知不覺中走過了一個從無到有，從有到多，從多到精的發(fā)展歷程。隨著住宅市場的巨大變化，中國已經(jīng)成為全球容量最大、增長最快的電梯市場。這就必然會使電梯技術(shù)不斷的發(fā)展更新。</p><p>　　(1)結(jié)構(gòu)不斷緊湊化，體積不斷輕型化、小巧化。</p><p>　　隨著新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、

18、新材料、新工藝的發(fā)展，電梯的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單化、體積小巧化、材料輕型化、工藝先進化、外觀漂亮化。同時，無機房電梯在今后會有較大的發(fā)展。</p><p>　　(2)技術(shù)含量更高，性能更好。</p><p>　　電梯行業(yè)技術(shù)發(fā)展非常迅速，現(xiàn)如今具有先進性能，高舒適性的VVVF電梯，已是電梯行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)配置；然而，永磁同步無齒輪曳引機具有更節(jié)能、更清潔、更安靜、更安全、更經(jīng)濟等特點。所以永磁同步無

19、齒輪曳引機將逐步成為新型曳引機的主流，由于永磁技術(shù)的先進性，將來很可能取代VVVF技術(shù)。另外，網(wǎng)絡(luò)控制和智能群控制系統(tǒng)以其控制的先進性、快速性、準(zhǔn)確性和可靠性也是電梯發(fā)展的潮流。</p><p>　　(3)安裝更方便、快捷。</p><p>　　高效、安全、可重復(fù)使用的無手架安裝，將是高層電梯安裝的主要方式，隨著技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用，電梯的硬件系統(tǒng)給安裝帶來了更大的方便，使電梯安裝更快、效率更

20、高。</p><p>　　1.4 課程設(shè)計的主要內(nèi)容</p><p>　　本文利用可靠性高、功能強大的PLC設(shè)計出電梯的控制系統(tǒng)。主要完成以下幾項工作：</p><p>　　(1)分析電梯主要結(jié)構(gòu)、控制要求。</p><p>　　(2)利用PLC實現(xiàn)三層電梯的控制。其中包括電梯門廳召喚控制、電梯自動相應(yīng)召喚信號、召喚信號的指示、電梯上下行指示

21、、電梯到站指示控制，本文采用德國西門子(Siemens)公司生產(chǎn)的S7-200型PLC，利用其豐富和功能強大的指令設(shè)計出梯形圖。</p><p>　　(3)在QSPLC-III型試驗臺電梯模上塊對電梯程序進行調(diào)試，進行電梯模擬控制試驗。</p><p><b>　　第2章 PLC簡介</b></p><p>　　2.1 PLC的產(chǎn)生與發(fā)展<

22、;/p><p>　　可編程控制器(Programmable Controller,PC),早期主要用于計數(shù)、定時以及開關(guān)量的邏輯控制，為了和個人計算機(Person Computer)相區(qū)別。把可編程控制器縮寫為PLC(Programmable Logic Controller)。</p><p>　　在可編程控制器誕生之前，繼電器控制系統(tǒng)已廣泛的用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，繼電器控制系統(tǒng)通常可以

23、看承由輸入電路，控制電路，輸出電路和生產(chǎn)現(xiàn)場這4個部分組成的。其中輸入電路也是由按鈕，行程開關(guān)，限位開關(guān)，傳感器等構(gòu)成。用已向系統(tǒng)送入控制信號。輸出電路部分是由接觸器，電磁閥等執(zhí)行元件構(gòu)成，用以控制各種被控制對象，如電動機，電爐，閥門等。繼電器控制電路部分是控制系統(tǒng)的核心部分。它通過導(dǎo)線將各個分立的繼電器，電子元器件連接起來對工業(yè)現(xiàn)場實施控制；生產(chǎn)現(xiàn)場是指被控制的對象(如電動機等)或生產(chǎn)過程。</p><p>　

24、　繼電器控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)中曾起著不可替代的重要作用，隨著生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴大，市場經(jīng)濟競爭日趨激烈，繼電器控制系統(tǒng)已越來越難以適應(yīng)，因為繼電器控制電路通常是針對著某一固定的動作順序或生產(chǎn)工藝而設(shè)計的。它的控制功能也僅僅只局限于邏輯控制，定時，計數(shù)等這樣一些簡單的控制，一旦動作順序或生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，就必須進行重新設(shè)計，布線，裝配，和調(diào)試。顯然，這樣的控制系統(tǒng)完全無法滿足日新月異且競爭激烈的市場經(jīng)濟發(fā)展的需要。這就迫使人們要放棄原來

25、已占統(tǒng)治地位的繼電器控制系統(tǒng)，研制可以替代繼電器控制系統(tǒng)的新型的工業(yè)控制系統(tǒng)。</p><p>　　出于上述考慮，美國通用汽車公司(GM)于1968年提出了公開招標(biāo)研制新型的工業(yè)控制器的設(shè)想，第二年，即1969年美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)就研制出了世界上第一臺可編程序控制器。在這一時期，可編程序控制器雖然采用了計算機的設(shè)計思想，但實際上只能完成順序控制，僅有邏輯運算，定時，計數(shù)等順序控制功能。所以人們將可遍程序控

26、制器稱之為PLC(Programmable Logical Controller)，即可編程序邏輯控制器：</p><p>　　20世紀(jì)70年代末80年代初，微處理器技術(shù)日趨成熟，使可編程序控制器的處理速度大大提高，增加了許多特殊，如浮點運算，函數(shù)運算，查表等。這樣可編程序控制器不僅可以進行邏輯控制，還可以對模擬量進行控制。因此，美國電氣制造協(xié)會NEMA(National Electrical Manufactu

27、rers Association)將之正式命名為PC(Programmable Controller)。值得注意的是，因為個人計算機的簡稱也是PC(Personal Computer)，有時為了避免混淆，人們習(xí)慣上仍將可編程序控制器簡稱PLC(盡管這是早期的名稱)。本書采用PLC的稱呼。20世紀(jì)80年代后，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器夠成的微機化可編程序控制器得到了驚人的發(fā)展，使之在概念上，設(shè)計上，性

28、能價格比等方面有了重大突破。可編程序具有了高速計數(shù)，中斷技術(shù)，PID控制等功能，同時聯(lián)網(wǎng)通信功能也得到了加強，這些都使得可編程序控制器的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域不斷擴大。為了使這一新型的工業(yè)控制裝置的生產(chǎn)和發(fā)展規(guī)范化。國際電工委員會(IEC)制定了PLC的標(biāo)準(zhǔn)，并給出了它的定義。以</p><p>　　將兩種系統(tǒng)相比，就會發(fā)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)輸入，輸出部分基本相同，輸入電路也是由按鈕，開關(guān)，傳感器所構(gòu)成：輸出

29、電路也好似由接觸器，執(zhí)行器，電磁閥多構(gòu)成的。不同的是繼電器控制系統(tǒng)在控制線路被PLC中的程序代替，這樣一旦生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，就只需要修改程序就可以了。正是上述原因，PLC控制系統(tǒng)除了可以完成傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)所具有的全部功能外，還可以實現(xiàn)模擬量控制，開環(huán)或閉環(huán)過程控制，甚至多級分布式控制。隨著微電子技術(shù)的進一步發(fā)展，PLC的成本在降低，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)被PLC控制系統(tǒng)代替已是發(fā)展的必然趨勢。</p><p>

30、　　2.2 PLC的用途及特點</p><p>　　2.2.1 PLC的用途</p><p>　　(1)數(shù)字量控制 這是PLC應(yīng)用最廣的領(lǐng)域，用以取代傳統(tǒng)的繼電器控制。含觸點的串、并聯(lián)及組合邏輯或控制、定時、計數(shù)控制等。PLC可應(yīng)用于單片機控制、多機群控、生產(chǎn)自動線控制。其應(yīng)用領(lǐng)域已遍布各行各業(yè)，甚至升入到家庭。</p><p>　　(2)運動控制 PLC使用專用運

31、動控制模塊，對直線運動或圓周運動的位置、速度和加速度運行控制，可實現(xiàn)單軸、雙軸、三軸和多軸控制。使運動控制與邏輯控制結(jié)合起來，可編程運動控制可以用于各種機械，如機床、裝配機械、機器人、電梯等。</p><p>　　(3)過程控制 通過模擬量I/O模塊，PLC能控制大量的物理參數(shù)，如溫度、壓力、速度和流量等。PID(Proportional-Integral-Derivative)功能的提供使PLC具有閉環(huán)控制能力

32、，可用于過程控制。使PLC廣泛地應(yīng)用于塑料成型、加熱爐、熱處理設(shè)備、鍋爐及輕化工、冶金、電力等行業(yè)。</p><p>　　(4)數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代可編程控制器具有數(shù)學(xué)運算(含四則運算、函數(shù)運算、字邏輯運算、浮點運算及求反、循環(huán)、以為等)、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、查表、排序、位操作等工能，可以完成數(shù)據(jù)的采集及處理。運算數(shù)據(jù)可以與參考值比較用于控制，也可以通過通信傳送給其他智能裝置，或?qū)?shù)據(jù)打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)

33、，如過程控制系統(tǒng)，、無人柔性控制系統(tǒng)等。</p><p>　　(5)通信聯(lián)網(wǎng) 可編程控制器通信包括主機與遠程I/O之間的通信、多臺可編程控制器之間的通信、可編程控制器與其他智能控制設(shè)備，如計算機；、變頻器、數(shù)控裝置之間的通信，這些設(shè)備由于網(wǎng)絡(luò)組成集中管理分散控制的分布式控制系統(tǒng)，極大地提高了控制的可靠性。</p><p>　　2.2.2 PLC的特點</p><p>

34、;　　(1)可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性往往是用戶選擇控制裝置的首要條件。繼電器接觸器系統(tǒng)中，由于器件的老化、脫焊、觸點的抖動以及觸點電弧等現(xiàn)象大大降低了系統(tǒng)的可靠性。而在PLC系統(tǒng)中，大量的開關(guān)動作是由無觸點的半導(dǎo)體電路來完成的，加上PLC充分考慮了工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境電磁、粉塵、溫度等各種干擾，在硬件和軟件上采取了一系列抗干擾措施，因而具有極高的可靠性。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，目前各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC，其平均無故障時間都大大超過了IEC規(guī)定的

35、10萬小時，有的甚至達到了幾十萬小時。</p><p>　　(2)配套齊全，適用性強，應(yīng)用靈活 由于PLC產(chǎn)品均成系列化生產(chǎn)，品種齊全，多數(shù)采用模塊式的硬件結(jié)構(gòu)，組合和擴展方便，用戶可根據(jù)自己的需要靈活選用，以滿足系統(tǒng)大小不同及功能繁簡各異的控制要求。重要的是，PLC系統(tǒng)相對繼電器接觸器控制系統(tǒng)，接線很少，其主要功能是通過程序?qū)崿F(xiàn)的，在需要修改設(shè)備的控制工能時，只要修改程序，修改接線的工作量很小。</p&g

36、t;<p>　　(3)編程方便，易于使用 PLC的編程可采用與繼電器極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現(xiàn)場電氣技術(shù)人員的歡迎。近年來又發(fā)展了面向?qū)ο蟮捻樋亓鞒虉D語言(Sequential Function Chart)，也稱功能圖，使編程更加簡單方便。</p><p>　　(4)功能強，擴展能力強，性價比高 PLC中含有數(shù)量巨大的供用戶使用的編程軟元件，可輕松的實現(xiàn)大規(guī)模的控制。PLC配合功能單元

37、能方便地實現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換及PID運算，實現(xiàn)過程控制、數(shù)字控制等功能。PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它不僅可以控制一臺單機，一條生產(chǎn)線，還可以控制一個機群，許多生產(chǎn)線。它不但可以進行現(xiàn)場控制，還可以用于遠程監(jiān)控。與一般繼電器系統(tǒng)比較，具有很高的性價比</p><p>　　(5)PLC的設(shè)計、安裝、調(diào)試方便 PLC用戶程序(軟接線)代替硬接線，安裝接線工作量少。設(shè)計人員只要有PLC就可以進行控制系統(tǒng)設(shè)計并可在實驗室進

38、行模擬調(diào)試；而繼電器系統(tǒng)的調(diào)試是靠在現(xiàn)場改變接線進行的，十分繁瑣。</p><p>　　(6)維修方便，維修工作量小 PLC有完善的自診斷、履歷情報存儲及監(jiān)視功能。對于其內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、異常狀態(tài)和I/O點狀態(tài)均有顯示。工作人員通過這些信息可以查找故障原因，便于迅速處理。</p><p>　　(7)PLC體積小，能耗低。易于實現(xiàn)機電一體化 采用PLC實現(xiàn)的控制系統(tǒng)與同規(guī)模的繼電器系統(tǒng)

39、相比，開關(guān)柜的體積縮小到原來的1/10~1/2；安裝方便，易于實現(xiàn)機電一體化；由于省去了大量的繼電器，能耗也大大減小。</p><p>　　2.3 PLC的硬件組成</p><p>　　2.3.1 PLC的組成</p><p>　　根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式(也稱單元式)和組合式(也稱模塊式)兩類。</p><p>　　圖2-1

40、整體式PLC的組成示意圖</p><p>　　整體式的PLC將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信端口、I/O擴展端口等組裝在一個箱體內(nèi)構(gòu)成主機，另外還有獨立的I/O擴展單元與擴展模塊等與主機配合使用。整體式PLC結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，小型機常采用這種結(jié)構(gòu)，整體式PLC的一般構(gòu)成如圖3-1所示。</p><p>　　2.3.2 PLC各組成部分的作用</p>

41、;<p>　　(1)中央處理單元(CPU) </p><p>　　CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相

42、應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。</p><p>　　CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。</p><p>　　在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、

43、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。</p><p>　　CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。</p><p><b>　　(2)I/O模塊</b></p>

44、<p>　　PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分(I/O)完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入(DI)，開關(guān)量輸出(DO)，模擬量輸入(AI)，模擬量輸出(AO)等模塊。</p><p>　　常用的I/O分類如下：</p><p>

45、　　開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。</p><p>　　模擬量：按信號類型分，有電流型(4~20mA,0~20mA)、電壓型(0~10V,0~5V,-10~10V)等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。</p><p>　　除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。</

46、p><p>　　按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。</p><p><b>　　(3)電源模塊</b></p><p>　　PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源(220VAC

47、或110VAC)，直流電源(常用的為24VDC)。</p><p>　　2.4 PLC的工作原理</p><p>　　可編程控制器的應(yīng)用程序是表達存儲單元之間的相互聯(lián)系的。存儲單元的狀態(tài)代表控制系統(tǒng)中的各種事件，而可編程控制器執(zhí)行程序以完成既定的控制任務(wù)。執(zhí)行程序是PLC實現(xiàn)控制的核心工作，但在框圖中卻只是眾多項目中的一項。這些工作項目大致可以分為以下三部分。</p><

48、;p>　　圖2-2 PLC的運行框圖</p><p>　　第一部分是上電處理。PLC上電后對系統(tǒng)進行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模塊配置檢查，停電保持范圍設(shè)定等。</p><p>　　第二部分是掃描過程。以程序掃描執(zhí)行而得名。一是掃描系統(tǒng)程序，二是掃描執(zhí)行應(yīng)用程序。每次執(zhí)行應(yīng)用程序前先完成輸出處理，其次完成與其他外設(shè)的通信處理，再次進行時鐘、特殊寄存器更新。而執(zhí)行不執(zhí)行應(yīng)用

49、程序還和PLC的運行狀態(tài)有關(guān)。</p><p>　　第三部分是出錯處理。PLC每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定PLC自身的動作是否正常，如CPU、電池電壓、程序存儲器、I/O、通信等是否正常，檢查出異常時，CPU面板上的LED及異常繼電器會接通，當(dāng)出現(xiàn)致命錯誤時，CPU被強制為STOP方式，所有的掃描停止。</p><p>　　第3章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計</p><p

50、>　　3.1 控制要求分析</p><p>　　本文用S7-200PLC對電梯進行模擬控制，只能完成電梯的部分基本功能，未考慮開關(guān)門控制(即電梯停站時不作開關(guān)門動作，直接響應(yīng)外呼及內(nèi)選信號)，電梯轎廂的運行方式用指示燈代替。 </p><p>　　(1)各層設(shè)上/下呼叫按鈕(最頂層和起始層只設(shè)一只)。</p><p>　　(2)電梯內(nèi)外設(shè)有方向指示燈及電梯

51、當(dāng)前層號指示燈。</p><p>　　(3)轎內(nèi)指令記憶。當(dāng)轎廂內(nèi)操縱盤上有多個選層指令時，電梯應(yīng)能按順序自動?？?，自動確定運行方向。</p><p>　　(4)門廳召喚指令記憶及顯示。當(dāng)門廳有上行或下行請求時，電梯應(yīng)能對信號進行登記，并且由相應(yīng)的指示燈進行顯示。</p><p>　　(5)自動確定運行方向。當(dāng)轎廂內(nèi)操縱盤上，選層指令相對與電梯位置具有不同方向時，電

52、梯應(yīng)能按先入為主的原則，自動確定運行方向 。</p><p>　　(6)電梯停站待客。當(dāng)完成全部轎廂內(nèi)指令，又無層外呼梯信號時電梯應(yīng)停止不動，等待乘客召喚。</p><p><b>　　3.2 硬件設(shè)計</b></p><p>　　為了實現(xiàn)以上控制功能，在此對PLC進行選型和電路連接，在硬件上實現(xiàn)控制功能要求。硬件設(shè)計包括元器件選型和電氣原理圖

53、(主電氣原理圖和控制電氣原理圖)設(shè)計。</p><p>　　3.2.1 元件選型</p><p>　　根據(jù)控制要求，選用7個按鈕作為轎內(nèi)選層按鈕和門廳上下行召喚按鈕，選用3個位置開關(guān)作為電梯每層的樓層位置輸入。</p><p>　　(1)按鈕(SB) 按鈕是結(jié)構(gòu)簡單的手動主令電器，當(dāng)按鈕被按下時，先斷開常閉觸點，然后才接通常開觸點。按鈕釋放后，在復(fù)位彈簧作用下使觸點

54、復(fù)位。在沒有按動按鈕時，接在常開觸頭接線柱上的線路是斷開的，常閉觸點接線柱的線路是接通的；當(dāng)按鈕按下時，兩種觸點狀態(tài)改變，同時也使與之相連接的電路狀態(tài)改變?；诎粹o的這種不按那么常開觸點不通，按下導(dǎo)通后一旦放手又還原為不導(dǎo)通，這種優(yōu)點正適合用來做內(nèi)選層、門廳召喚的信號的輸入主令電器。</p><p>　　(2)位置開關(guān)(SQ) 電梯的樓層位置的確定一般使用傳感器，本文選用3個位置開關(guān)分別作為每一層的樓層位置輸入。

55、</p><p>　　指示燈(HL) 用來指示電梯所在樓層及電梯的工作狀態(tài)。選用3個指示燈分別用作樓層號的指示(表示電梯當(dāng)前所在的樓層)、選用4個指示燈指示各層門廳召喚信號，選用2個指示燈指示電梯的運行狀態(tài)(上行或下行)。</p><p>　　在選擇PLC的型號時，先應(yīng)該做的是輸入輸出點數(shù)估算和內(nèi)存估算，然后綜合考慮確定PLC的型號。</p><p>　　(1)輸入

56、輸出點數(shù)估算</p><p><b>　　1)輸入點數(shù)：</b></p><p>　　門廳按鈕4個，轎廂內(nèi)按鈕3個，樓層到位開關(guān)3個共10個。</p><p><b>　　2)輸出點數(shù)：</b></p><p>　　樓層指示3個，呼叫指示4個，轎廂運行狀態(tài)指示2個共9個。</p>&l

57、t;p>　　I/O點數(shù)的確定應(yīng)該以控制設(shè)備的所有輸入/輸出點數(shù)的總和為依據(jù)。在一般情況下，PLC的I/O點應(yīng)該有適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)再增加10%~20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)的估算依據(jù)。因此，估算本電梯控制系統(tǒng)的PLC輸入/輸出點的個數(shù)都分別為20個左右。</p><p><b>　　(2)內(nèi)存估算</b></p><p>　　存儲器

58、容量是指可編程控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，各種PLC的存儲器容量大小可以從該PLC得基本的參數(shù)表中找到。按數(shù)字量I/O點數(shù)的10~15倍，加上模擬I/O點數(shù)的200倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的30%左右考慮余量。根據(jù)上文中本系統(tǒng)輸入/輸出點的估算量知道，本系統(tǒng)大約需要字量I/O點總數(shù)為20個，無模擬I/O點。因此，可以估算出本系統(tǒng)所需PLC的內(nèi)存大約為2K字節(jié)。</p><p&g

59、t;　　(3)PLC機型型號的選擇</p><p>　　西門子(Siemens)公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC屬于小型可編程控制器，是西門子公司20世紀(jì)90年代推出的整體式小型可編程控制器，器結(jié)構(gòu)緊湊、系列完整、功能完善，具有很高的性價比，可用于替代繼電器的簡單控制場合，也可用于復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)。由于有很強的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。</p><p>　　S7-2

60、00系列PLC提供5種不同的基本單元(CPU)，型號為CPU221、CPU222、CPU224、CPU226及CPU226XM，不同型號的CPU內(nèi)部芯片基本相同，實際安裝的輸入輸出及通訊接口數(shù)量不同。每種單元又有交流220V供電及直流24V供電兩種供電方式安排，每種CPU都有繼電器輸出、雙向晶閘管輸出及晶體管輸出三種輸出形式。S7-200系列提供多種功能的擴展單元及智能模塊，如數(shù)字量輸入或輸出擴展單元，模擬量擴展單元，高數(shù)計數(shù)模塊，定位

61、控制及各種通信模塊。S7-200系列還提供齊全的外圍設(shè)備及編程環(huán)境，使系統(tǒng)構(gòu)成容易，使用方便。S7-200各型CPU的比較如表3-1所示：</p><p>　　表3-1 S7-200各型CPU模塊的比較</p><p>　　S7-200各型號PLC的應(yīng)用范圍如下：</p><p>　　① CPU 221： </p><p>　　小型PLC C

62、PU 221，價格低廉，能滿足多種集成功能的需要。 </p><p>　?、?CPU 222 CN： </p><p>　　S7-200 CN家族中低成本的單元。通過可連接的擴展模塊，即可處理模擬量。 </p><p>　　③ CPU 224 CN，CPU 224XP CN： </p><p>　　具有更多的輸入、輸出點及更大的存儲器。 &

63、lt;/p><p>　?、?CPU 226 CN： </p><p>　　功能最強的單元，可完全滿足一些中小型復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。 </p><p>　　經(jīng)過上面的比較，并結(jié)合本系統(tǒng)的實際，所以本電梯控制系統(tǒng)選擇西門子S7-200CPU224型號的PLC作為控制器比較合適。</p><p>　　3.2.2 硬件電路連接圖</p>&

64、lt;p><b>　　主電氣原理圖</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，本次設(shè)計的電氣控制系統(tǒng)主回路原理圖如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 主電氣原理圖</p><p>　　圖中M1，M2為曳引電機和門電機，交流接觸器KM1~KM4通過控制兩臺電機的運行來控制轎廂和廳門，從而進行對電梯的控制。FR1，F(xiàn)R2為起過載保護

65、作用的熱繼電器，用于電梯運行過載時斷開主電路，F(xiàn)U1為熔斷器，起過流保護作用。</p><p>　　b.控制電路電氣原理圖</p><p>　　前面已介紹S7-200系列CPU中的CPU224的本機數(shù)字量為14入/10出，接線時輸入接對應(yīng)的開關(guān)，輸出接指示燈?？紤]到后面要對程序進行調(diào)試，故在畫硬件接線圖時標(biāo)出QSPLC-3型實驗臺電梯模塊上對應(yīng)大開關(guān)量和指示燈。硬件接線圖如圖3-3：<

66、;/p><p>　　圖3-3控制電路電氣原理圖</p><p><b>　　3.3 軟件設(shè)計</b></p><p>　　在硬件電路上如何實現(xiàn)相應(yīng)的功能，這就是軟件的任務(wù)。軟件設(shè)計就是對控制器PLC編寫相應(yīng)的程序。通過程序控制PLC輸出，使相應(yīng)的執(zhí)行元件進行相應(yīng)的動作。軟件設(shè)計的主要內(nèi)容是根據(jù)系統(tǒng)的電氣控制原理圖列出輸入/輸出元件并給他們分配I/O

67、端口，再進行梯形圖的編寫。</p><p>　　3.3.1 I/O分配</p><p>　　表3-4 三層電梯控制系統(tǒng)I/O分配表</p><p><b>　　梯形圖及說明</b></p><p><b>　　1內(nèi)呼信號指示</b></p><p><b>　　梯形

68、圖如下：</b></p><p><b>　　2外呼信號指示</b></p><p><b>　　梯形圖如下：</b></p><p>　　3定向程序上及下行行顯示</p><p><b>　　梯形圖如下：</b></p><p><b

69、>　　4平層自動開門顯示</b></p><p><b>　　梯形圖如下：</b></p><p><b>　　5開門控制</b></p><p><b>　　梯形圖如下：</b></p><p><b>　　6關(guān)門控制</b></

70、p><p><b>　　梯形圖如下：</b></p><p><b>　　7電梯上行及下行</b></p><p><b>　　梯形圖如下：</b></p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)仿真</p><p>　　控制系統(tǒng)仿真能比較直觀的將系統(tǒng)的控制功能展現(xiàn)出

71、來，而仿真結(jié)果是否正確是判斷系統(tǒng)軟硬件設(shè)計是否合理正確的一種依據(jù)。本文利用QSPLC-III型可編程控制實驗箱對所設(shè)計的三層電梯控制系統(tǒng)進行仿真，驗證設(shè)計是否滿足電梯的控制要求。</p><p>　　4.1 編程軟件簡介</p><p>　　STEP7-Micro/WIN32是基于Windows的應(yīng)用軟件，運行Windows2000 、Windows95/98/NT/ME和以及Window

72、sXP操作系統(tǒng)的計算機，內(nèi)存8MB以上，硬盤空間50MB以上，VGA顯卡，支持鼠標(biāo)，具有RS-232口或USB口，都可以安裝。</p><p>　　4.1.1 編程軟件的基本功能</p><p>　　STEP7-Micro/WIN32的基本功能是協(xié)助用戶開發(fā)應(yīng)用軟，在該軟件的環(huán)境下可創(chuàng)建用戶程序，修改和編輯原有的用戶程序，實現(xiàn)用戶所編程序的管理。利用該軟件的監(jiān)控功能還能實現(xiàn)用戶程序的調(diào)試及

73、監(jiān)控。</p><p>　　4.1.2 編程軟件的主界面及各區(qū)域用途</p><p>　　啟動STEP7-Micro/WIN32編程軟件，其主界面外觀如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 編程軟件主界面</p><p>　　主界面主要含以下幾個分區(qū)：菜單條(包含8個主菜單項)、工具條(快捷操作口)、引導(dǎo)條、指令樹(快捷操作窗口)、用

74、戶窗口、輸出窗口和狀態(tài)條(可同時或分別打開途中5個用戶窗口)。以下分別說明。</p><p>　　(1)菜單條 菜單條是以菜單形式操作的入口，菜單包括文件(File)、編輯(Edit)、檢視(View)、可編程控制器(PLC)、調(diào)試(Debug)、工具(Tools)、窗口(Windows)、幫助(Help)八項。用鼠標(biāo)點擊某項菜單，可彈出該菜單的細目，如文件項的細目含新建、保存、打開、上傳、下載等項，可知文件菜單

75、的主要功能為程序文件的管理，可以或打開待編輯的應(yīng)用程序。菜單條中的其他項目涉及編程界面的變換、編輯語言的變更、程序編輯、調(diào)試等操作。</p><p>　　(2)工具條 工具條提供簡單的鼠標(biāo)操作，將最常用的STEP7-Micro/WIN32的操作以按鈕的形式設(shè)定到工具條?？梢杂谩皺z視(View)”菜單中的“工具(Toolbars)”選項來顯示或隱藏3中工具條：標(biāo)準(zhǔn)(Standard)、調(diào)試(Debug)和指令(In

76、structions)工具條。菜單條中涉及的各種功能在工具條中大多都能找到。</p><p>　　(3)引導(dǎo)條 引導(dǎo)條為編程提供按鈕控制的快速窗口切換功能。該條可用“檢視(View)”菜單中的“引導(dǎo)條(Navigation Bar)”選項來選擇是否打開。引導(dǎo)條含程序模塊(Program Block)、符號表(Symbol Table)、狀態(tài)圖表(Status Chart)、數(shù)據(jù)塊(Data Block)、系統(tǒng)塊(

77、System Block)和通信(Communication)等圖標(biāo)按鈕。單擊任何一個按鈕，則主窗口切換成此按鈕對應(yīng)的窗口。引導(dǎo)條中的所有操作都可用“指令樹(Instruction 窗口或“檢視(View)”菜單來完成，可以根據(jù)個人愛好來選擇使用引導(dǎo)操作以按鈕的形式設(shè)定到工具條。</p><p>　　(4)指令樹 指令樹是編程指令的樹狀態(tài)列表?？捎谩皺z視(View)”菜單中“指令樹(Instruction Tre

78、e)”的選項來選擇是否打開，并提供編程時所用到的所有快捷操作指令和PLC指令。</p><p>　　(5)用戶窗口 用戶窗口用來顯示編程操作的工作對象，可以以程序編輯器、符號表、狀態(tài)圖、數(shù)據(jù)塊及交叉引用五種方式進行程序的編輯工作。</p><p><b>　　4.2 程序的編輯</b></p><p>　　啟動STEP7-Micro/WIN32

79、編程軟件，在用戶窗口中編寫梯形圖。在編程前要先確定主機型號，根據(jù)實際應(yīng)用情況選擇PLC型號：右擊“項目1(CPU221)”圖標(biāo)，在彈出的按鈕中單擊“類型(Type)”,或用“PLC”菜單中的“類型(Type)”命令，然后再彈出的對話框中選擇所用的PLC型號。本文選用PLC224，然后根編寫梯形圖。</p><p><b>　　4.3 程序的調(diào)試</b></p><p>

80、;　　程序的調(diào)試及運行監(jiān)控是程序開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，很少有程序一經(jīng)編制就是完善的，只有經(jīng)過運行甚至現(xiàn)場運行才能發(fā)現(xiàn)程序中不合理的地方，再進行修改。STEP7-Micro/WIN32編程軟件提供了一系列工具，可使用戶直接在軟件環(huán)境下調(diào)試并監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行。</p><p>　　在對程序進行調(diào)試時，應(yīng)先將程序下載到PLC的存儲器中，下載程序時先檢查電腦與PLC之間的通信是否正常，通信正常時才能進行下載程序。編輯完成的程

81、序可以點擊工具條中的下載按鈕進行下載。下載前軟件將對下載的程序進行編譯，編譯中若發(fā)現(xiàn)錯誤，則在輸出窗口給出提示，并暫停下載。編譯無誤的程序下載后會給出下載成功提示。</p><p>　　(1)設(shè)置掃描次數(shù)三層電梯程序調(diào)試時需要觀察一定次數(shù)的掃描執(zhí)行結(jié)果，因此需要設(shè)置掃描次數(shù)，設(shè)置時將PLC置于STOP模式，使用“調(diào)試(Debug)”菜單中的“初次掃描(First scans)”命令及“多次掃描(Multiple

82、Scans)”命令，即可指定執(zhí)行掃描次數(shù)，然后單擊確認(rèn)(OK)按鈕進行監(jiān)視。</p><p>　　(2)程序監(jiān)視 在程序的調(diào)試過程中，利用梯形圖在PLC運行時，監(jiān)視程序的執(zhí)行對各元件的執(zhí)行結(jié)果，并可監(jiān)視操作數(shù)的數(shù)值。在QSPLC-III型可編程控制模擬實驗箱的電梯模塊上對照4.1.2中的I/O分配表連接線路。由于電梯運行過程中需要手動按下實驗裝置中的一些開關(guān)按鈕，然后點擊編程軟件工具條中的程序狀態(tài)監(jiān)控按鈕，監(jiān)視在

83、線程序狀態(tài)。梯形圖中將顯示所有操作數(shù)的值，所有這些操作數(shù)的狀態(tài)都是PLC在掃描周期完成時的結(jié)果，結(jié)合控制要求通過對操作數(shù)的值觀察來判斷程序是否合理正確。</p><p>　　4.4 控制系統(tǒng)仿真</p><p>　　在完成程序調(diào)試后，確保程序無誤的情況下。在QSPLC-III型實驗裝置上進行三層電梯控制系統(tǒng)仿真試驗。</p><p>　　1).實驗裝置接線：在QSP

84、LC-III型實驗裝置電梯模塊上(第四層被棄用)，對照3.3.1中的I/O分配表，完成PLC輸入/輸出端口的接線。</p><p>　　2).下載程序：按下實驗裝置電源，將編輯好的程序下載到PLC中，下載程序時將PLC設(shè)置成STOP模式。</p><p>　　3).運行程序：程序下載完畢后，將PLC設(shè)置成RUN模式。然后點擊編程軟件中的PLC運行按鈕，程序開始運行。</p>

85、<p><b>　　4).仿真結(jié)果： </b></p><p>　　(1)當(dāng)轎廂停于1層或2層時，按下SB10或SB4，則轎廂上升至3層停。</p><p>　　(2)當(dāng)轎廂停于3層或2層時，按下SB5或SB1，則轎廂下降至1層停。</p><p>　　(3)當(dāng)轎廂停于1層時，按下SB7或SB6或SB2時，則轎廂上升至2層停。 <

86、;/p><p>　　(4)當(dāng)轎廂停于3層時，若按下SB7或SB6或SB2，則轎廂下降至2層停。</p><p>　　(5)當(dāng)轎廂停于1層時，若按下SB7或SB2，同時按SB10或SB4，則轎廂上升至2層暫停，繼續(xù)上升至3層停。</p><p>　　(6)當(dāng)轎廂停于1層時，若按下SB6，同時按下SB10或SB4，則轎廂上升至3層暫停，轉(zhuǎn)而下降至2層停。</p>

87、<p>　　(7)當(dāng)轎廂停于3層時，若按下SB6或SB2，同時按下SB10或SB4，則轎廂下降至 2層停。</p><p>　　(8)當(dāng)轎廂停于2層時，若先按SB10或SB4，接著按SB5或SB1，則轎廂上升至3層停。</p><p>　　(9)當(dāng)轎廂停于2層時，若先按SB5或SB1，接著按SB10或SB4，則轎廂下降至1層停。</p><p><

88、;b>　　仿真圖：</b></p><p><b>　　圖4-2仿真圖</b></p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文研究的課題背景是“基于西門子S7-200PLC的三層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計”，完成了三層電梯具有的基本功能。根據(jù)電梯自身的特點，要求實現(xiàn)了每個操作按鈕功能都能模擬電

89、梯的實物上的按鈕功能一樣，各樓層電梯外的按鈕，按下數(shù)字鍵，該鍵指示燈亮，在電梯到達該層且響應(yīng)呼梯要求時指示燈滅。</p><p>　　本文設(shè)計的三層電梯控制系統(tǒng)，采用西門子S7-200可編程控制器完成對三層電梯內(nèi)呼信號的登記及消除、外呼信號的記憶、消除及顯示、電梯停層信號的顯示和電梯轎廂上下行狀態(tài)的顯示，完成了對程序的調(diào)試并在QSPLC-III型可編程控制模擬實驗箱上對系統(tǒng)進行模擬控制，實驗結(jié)果證明設(shè)計的三層電梯

90、控制系統(tǒng)是合理并且正確的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　張萬忠，劉明芹.電器與PLC控制技術(shù)[M].第二板 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009：85-92</p><p>　　黃凈. 電器及PLC控制技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2002:231-237</p><p>

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