plc s7-200 电梯设计

安 徽 机 电 职 业 技 术 学 院 课 题 设 计 基于 S7-200 PLC 的电梯系统控制设计 系 （部） 电气工程系 专 业 机电一体化 班 级 机电 3135 班 姓 名 黄蒙蒙 学 号 1202133197 指导教师 曾劲松 2015 2016 学年第 1 学期 0 摘要 我国的电梯行业已经进入高速发展阶段，无论是产量还是销量都已经界首位。 电梯作为垂直运输工具，已经成了人们生活中不可缺少的一部分。随着计算机技术、 电力电子技术与自动控制技术的迅速发展，电梯行业也进入了更高的高度，调频调 压调速和由可编程控制器组成的逻辑控制器成为了现在电梯控制技术。现代电梯在 追求速度、简单和舒适的同时，也在提高安全性能和节能上面提出了更高的要求。 通过对 I/O 点数的估算，选择了西门子 S7-200 系列 CPU224 型可编程控制器作 为电梯控制器。采用变频调速技术提高电梯效率、节省能源，本课题选择的是 VS- 61665 型变频器。为了使电梯平稳调速，获得良好地舒适感，设计了电梯的起制动 速度曲线为两段抛物线加一段直线，加速度斜率和抛物线变化率决定该曲线形状的 构成和改变；采用旋转编码器来发出脉冲信号构成位置反馈，达到电梯的精确位移 控制。本文所设计的电梯与传统的电梯相比，在运行上具有良好的舒适感，在生活 中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。本文针 对国内电梯行业的现状，设计出了基于可编程控制器的电梯控制系统，实现了电梯 的开关门控制、内外召唤指令的登记与消除、层楼显示、呼梯铃控制与故障报警、 定向和反向截梯等功能。 关键词：电梯；控制系统；可编程控制器 1 目 录 第一章 概 述 .3 1.1 电梯的发展状况与趋势 3 1.2 设计方案比较 3 第二章 可编程序控制器原理分析 .4 2.1 可编程控制器的基本结构 4 2.2 可编程控制器的工作原理 .5 2.3 可编程控制器的特点 .5 2.4 电梯控制系统的设计要求 6 第三章 硬件系统的设计 .7 3.1 电梯模型控制系统的总体设计 7 3.2 地址分配及 I/O 链接 7 第四章 软件系统的设计 .9 4.1 程序设计梯形图 .9 参考文献 .12 2 第一章 概 述 1.1 电梯的发展状况与趋势 电梯的发展现状和趋势主要体现在以下几个方面： （1）电梯控制技术方面 智能化、网络化、人性化；采用高位数 CPU，增强电梯信号的处理和速度；电 梯群控系统中应用模糊逻辑和专家控制，以提高效率和精度；不断增加和扩展电梯 的各种选择并与建筑物和谐的融为一体。 （2）电梯拖动技术方面 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 层场合得到愈來愈广泛的应用。 （3）速度要求方面 多用途、全功能的塔式建筑成为潮流，超高速电梯在 2012 年继续成为研究方向。 曳引式超高速电梯的研究正在向超大容量电动机、高性能的微处理器、减振技术、 新式滚轮导靴、安全钳、永磁同步电动机、轿厢气压缓解和噪声抑制系统等方面推 进。同时，采用直线电机驱动的电梯也有较大研究空间，超高速电梯的舒适感也会 明显提高。 （4）节能高效方面 电梯作为高层建筑最大能耗设备之一，节能将成为行业发展方向。要求电梯功 耗小、电磁兼容性强、噪声低、寿命长、采用绿色装潢材料、与建筑物协调等。 1.2 设计方案比较 电梯控制方式主要分为三种，分别是继电器控制方式、微机控制方式和可编程 控制器（PLC）控制方式，由于继电器控制存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿 命短的缺陷现在已逐渐被淘汰，微机控制可靠性差故也不多采用，而 PLC 控制采用 一种巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的 程序才能运行，否则电梯不会工作。又由于 PLC 中的内部辅助继电器及保持继电器 等是它本身系统内存工作单元，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，因此，它 比继电器控制有明显的优越性，比微机控制有明显的可靠性，自动化水平更高。 综上所述 PLC 控制是三种控制方式中最具有可靠性、优越性和实用性的控制方 式，它更适合用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想 3 的控制新技术，所以本次毕业设计采用可编程控制器(PLC)作为控制方式。 第二章 可编程序控制器原理分析 2.1 可编程控制器的基本结构 可编程序控制器的英文全称是 Programmable Logical Controller，简称 PLC。可编程控制器采用一类可编程的存储器。它用于其内部存储程序；执行逻辑运 算、顺控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令；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；它是专为工业现场应用而设计的。PLC 可以代 替继电器来控制复杂的控制系统，最大的特点就是减少了绝大部分的机械触点，从 而提高了可靠性，降低了功耗；PLC 还具备微机技术，可以程序编制，大大提高了 灵活性，而且 PLC 的编程和继电器梯形图基本一致，使用户方便易学；PLC 还具备 很强的抗干扰能力，使其迅速在工业领域普及。PLC 种类虽然很多，但基本思路是 一样的，用户一般按照说明书就能学会编程和如何去接线，可以看出 PLC 的灵活方 便。可编程控制器主要由编程器、存储器、输入装置、输入电路、主机、电源、输 出装置、输出电路、外围设备组成。 4 图 2-1 可编程控制器结构图 2.2 可编程控制器的工作原理 可编程控制器是通过执行程序来完成各项任务的，执行程序只能一步一步的进 行，所以同一时间只能做一件事情，属于串行工作方式。可编程控制器的工作状态 有两种，一种是运行（RUN）状态；一种是停止（STOP）状态。运行状态是执行应 用程序的状态，停止状态一般用于程序的编写和修改。可编程序控制器运行状态是 采用不断顺序扫描循环的工作方式，按顺序逐条的执行用户程序，直到用户程序结 束，然后又开始新一轮扫描。所以可编程控制器只能是停机或切换到停止状态，才 能停止运行。可编程控制的循环过程一般来说可分为 5 个阶段，内部处理、通信服 务、输入处理、程序执行、输出 处理。 图 2-2 可编程控制器循环过程 2.3 可编程控制器的特点 （1）高可靠性 PLC 内部电路与外部的工业现场电路均采用了光电隔离，使输出信号对输入端 无影响，最大程度保护 PLC 的安全和抗干扰能力。 各输入端均采用 R-C 滤波器。 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 采用性能优良的开关电源。 对采用的器件进行严格的筛选。 良好的自诊断功能，以防止故障扩大。 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统；甚至可以采用三 CPU 构成表决 5 系统,使可靠性更进一步提高。 (2) 编程简单易学 PLC 的编程和继电器梯形图基本一致，用户只要能看懂继 电器接线图，就能够按照继电器的逻辑关系进行编程，就能够很快地轻松学会并掌 握 PLC 的编程。 (3)采用模块化结构模块化结构是各个行业设备的发展趋势，它最大的优势就是 可根据用户需要自行组合。模块化结构就是每个功能编程一个模块，简单的说就是 一个子程序，只要表明入口出口就行了，方便自己的同时也方便了别人。 (4)安装简单，维修方便 PLC 抗干扰能力强，一般只要把 PLC 的 I/O 端与相应 的设备相连，即可投入运行。由于 PLC 由各个模块组成，所以一旦出现问题，只要 把问题模块换掉，就可以轻松解决问题，即可迅速恢复正常工作。 2.4 电梯控制系统的设计要求 2.4.1 电梯控制要求 (1).开始时，电梯处于任意一层。 (2).当有外呼梯信号到来时，轿厢响应该呼梯信号，到达该楼层时，轿厢停止 运行，停若干秒后，轿厢门打开，延时 4S 后自动关门。 (3).当有内呼梯信号到来时，轿厢响应该呼梯队信号，到达该楼层时，轿厢停 止运行，停若干秒后，轿厢门打开，延时 4S 自动关门。 (4).在电梯轿厢运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或 上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方向无其它内、外呼梯信 号时，则电梯响应该外呼梯信号。例如，电梯轿厢在一楼，将要运行到三楼，在此 过程中可以响应二层向上外呼梯信号，但不响应二层向下外呼梯信号。同时，如果 电梯到达三层，如果四层没有任何呼梯信号，则电梯 可以响应三层向下外呼梯信号。 否则，电梯轿厢将继续运行至四楼，然后向下运行响应三层向下外呼梯信号。 (5).电梯应具有最远反向外呼梯响应功能。例如，电梯轿厢在一楼，而同时有 二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯轿厢先去四楼响应四 层向下外呼梯信号。 (6).电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯轿厢 停止运行后，按开门按钮轿厢门打开，按关门钮轿厢门关闭。 根据上述分析,该系统共有 19 个输入点,9 个输出点,选用 SIMATlC S7- 200 CPU 226 对其进行改进相当合适,而且 S7- 200 的扩展模块还有利于今后系统的进一步扩 展。 6 第三章 硬件系统的设计 3.1 电梯模型控制系统的总体设计 本系统中的五层电梯模型采用的是曳引式电梯,这种类型的电梯是垂直交通工具 中使用最普遍的一种。基本结构包括曳引系统、导向系统、门系统、轿厢、质量平 衡系统等。 本系统主要由五层电梯模型柜、电动机、松下变频调速器、控制器、开关按钮、 开关灯和开门灯等构成。系统的总体框图如图 3-1 所示。 3-1 电梯控制系统总体框图 3.2 地址分配及 I/O 链接 本次设计使用的梯形图来编写程序，梯形图是 PLC 使用得最多的图形编程语言， 被称为 PLC 的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易 懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被 称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。下面就程序的各个模块单独列出程序。 SIMATIC S7- 200 CPU226 输入端口(I)和输出端口(Q)的地址分配以及 I/O 连接如图 3-2 所示。 7 图 3-2 I/O 地址分配及接线图 8 第四章 软件系统的设计 PLC 控制系统中的软件设计主要包括梯形图和指令,S7- 200 系列无需使用手持 编程器,它直接通过 RS485 通讯/编程口和计算机相连,在安装有西门子 S7- 200 编程 软件 STEP7- Micro/WIN32 V3.2+ SP4 的计算机上设计出梯形图,通过编程口将逻辑 梯形图传输到 PLC 内部存储器,如果发现问题,直接在计算机上对梯形图进行修改即 可。 4.1 程序设计梯形图 以西门子 S7- 200 CPU226 PLC 为核心的电梯模型控制系统的主要梯形图及实现 的具体功能如下。 (1)电梯上升和下降电梯的运行方向取决于电动机的旋转方向,本系统中电动机正 转对应于电梯上升(如图 4-3 所示);电动机反转对应于电梯下降(如图 4-4 所示)。 图 4-3 电动机正传电梯上升梯形图 9 图 4-4 电动机反传电梯下降梯形图 (2) 二楼上升、下降梯形图分析:若有人已经按下二楼向上按钮,电梯停靠二楼, 二楼向上指示灯 Q0.1 熄灭,并且二楼的霍尔感应器 I1.1 有感应,给电机一个脉冲,通 过程序自锁,电梯上升,如图 4-5(a)所示;若有人已经按下二楼向下按钮,电梯停靠二 楼,二楼向下指示灯 Q0.2 熄灭,并且二楼的霍尔感应器 I1.1 有感应给电机一个脉冲, 通过程序自锁,电梯下降,如图 4-5(b)所示。三楼、四楼的上升、下降梯形图和二楼 类似,这里不再重复。 图 4-5 二楼上升、下降梯形图 图 4-6 电机正反转延时梯形图 （3）楼层延时在电梯模型柜到达指定楼层时应该延时一段时间,以此来模拟乘客 上下电梯,本系统中在每一楼停留时间暂设定为 3s,相对应的延时梯形图如图 4-6 所 示。 （4）底层(一楼)和顶层(五楼)指示灯 10 在整个模拟电梯系统控制过程中底层(一楼)和顶层(五楼)比较特殊,梯形图如图 4-7 所示。 Q0.0 一直亮着。当电梯停 靠一楼时,霍尔感应器 I1.0 有 感应,长闭触点断开,指示灯熄 灭,如图 4-7(a)所示。当五楼 按钮 I0.7 按分析:当一楼按钮 I0.0 按下,并且此时一楼霍尔 感应器 I1.0 没有感应,通过程 序自锁,一楼指示灯下,并且此 时五楼霍尔感应器 I1.4 图 4-7 一楼、五楼指示灯梯形图 没有感应,通过程序自锁,五楼 指示灯 Q0.7 一直亮着。当电梯停靠五楼时,霍尔感应器 I1.4 有感应,长闭触点断开, 指示灯熄灭,如图 4-7(b)所示。 （5）二楼向下指示灯 二楼向下指示灯梯形图见图 4-8 所示。分析:当二楼向下按钮 I0.2 按下,并且此 时二楼霍尔感应器 I1.1 没有感应,通过程序自锁,二楼向下指示灯 Q0.2 一直亮着。 此时需要判断电梯是上升还是下降。当一楼指示灯 Q0.0 处于熄灭状态时,说明电梯 是