基于S7200PLC四层电梯的设计

1、论文题目: 基于 S7-200PLC 四层电梯的设计 专 业: 电气自动化技术 班 级: 电气 13-1 四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书 学 生 姓 名 学号班级 电气 13-1 专业电气自动化技术 设计（或论文）题目基于西门子 S7-200 的 PLC 四层电梯 指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注 讲师四川信息职业技术学院 设计（论文）内容： (1)电梯无人驾驶，自动响应各楼层的上呼、下呼信号和轿厢内呼信号；(2)优先级：上升时，电梯低 层高于高层。下降时，高层高于低层。电梯按自动确定运行方向，对反方向的呼叫先记忆，当电

2、梯完 成全部顺向指令后，再响应反方向的呼叫； (3)电梯到达顶层或底层时，自动停止，等待新的指令； (4)电梯到站自动平层开门，延时关门，等候轿外呼唤；(5)按内、外召唤指令信号自动定向，要求优 化使任何召唤都在最短时间内响应； (6)门外和轿厢内有楼层显示和运行方向显示； (7)具备不可逆 响应的功能：电梯上升途中只响应上升呼叫，下降途中只响应下降呼叫，任何反方向均无效； 进度安排： 第 12 周：任务下达，理解消化任务要求；初步设计方案确定； 第 3 周-第 6 周：总体方案确定、草图绘制； 第 7 周：中期检查，查找问题，分析解决难点； 第 8 周-第 10 周：修改图样和整理设计计算书

3、； 第 13 周-第 14 周：答辩。 主要参考文献、资料： 1 廖长初 可编程控制器应用技术 重庆 重庆大学出版社， 1997 2 毛中源 微机控制电梯 北京 北京国防工业出版社， 1996 3 李光弟 单片机基础 北京 北京航空航天大学出版社， 2000 4 汪晓光 可编程控制原理及应用 北京 北京机械工业出版社， 1994 5 陈宇编 可编程控制器基础及编程技巧 广州 华南理工大学出版社， 1999 6 林小峰 可编程控制器原理及应用 北京 北京高等教育出版社， 1991 7 朱绍祥 可编程控制器原理及应用 上海 上海交通大学出版社， 1988 8 梁延东 电梯控制技术M 小国建筑出版社

4、， 1997，137138 9 钟肇新 可编程序控制器原理及应用 广州 华南理工大学出版社， 1992 10 刘载文 电梯控制系统北京 北京电子工业出版社， 1996 审 批 意 见 教研室负责人： 年 月 日 备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 目录 摘 要.1 第一章 概 述.2 1.1 PLC 的发展历程.2 1.2 PLC 组成及特点.3 1.2.1 硬件的可靠性.3 1.2.2 编程简单，使用方便.3 1.2.3 接线简单，通用性好.4 1.2.4 可连接为控制网络系统.4 1.2.5 易于安装，便于维护.4 1.3 PLC 的工作原理.5 1.4 P

5、LC 的编程语言.6 1.5 PLC 在电梯上的应用.6 第二章 程控制器的机型选择.8 2.1 控制电磁阀等所需的 I/O 点数.8 2.2 内存估计.8 2.2.1 内存利用率.8 2.2.2 开关量输入输出的点数.8 2.2.3 模拟量输入输出的总点数.8 2.3 响应时间.9 2.4 输入输出模块的选择.9 第三章 硬件设计.10 3.1 硬件配置简介.10 3.2 电梯控制系统.10 3.3 电气控制系统框图.12 3.4 输入输出的分配.12 第四章 软件设计.15 4.1 程序流程图.15 4.2 电梯定向逻辑.18 4.3 四层电梯的梯形图设计.19 第五章 系统调试.20 5

6、.1 硬件部分调试.20 5.2 软件部分调试.20 5.2.1 编辑、编译.20 5.2.2 程序下载.21 5.2.3 程序监视、运行调试.21 总 结.22 致 谢.23 参考文献.24 摘 要 本文介绍利用西门子 S7-2OO 可编程控制器编写的一个四层电梯的控制系统，利 用组态王软件制作人机对话界面，检验电梯 PLC 控制系统运行情况。实践证明 PLC 可编程控制器和组态王软件结合有利于 PLC 控制系统的设计、检测，具有良好的应 用价值。向用户提供解决实际工程问题的方案。充分利用 windows 图形功能完备、 界面一致性好、易学易用的特点。比以往使用专用机开发的工业控制系统更具通

7、用 性在自动化领域有着更应用。本文利用组态王软件检验电梯 PLC 控制系统的运行 情况。为了能在激烈的国际化竞争中赢得先机，先进的设计软件是必不可少的。这 就要求我们毕业生能积极认真学好目前最先进的设计方法和自动化技术，为我国的 自动化行业做出自己的贡献。 【关键字】 电梯 PLC 控制 组态王 第一章 概 述 1.1 PLC 的发展历程 第一台可编程控制器的设计规范是美国通用公司提出的。当时的目的是要求设 计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作 方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控 制精度高、可靠性好、控制程序、可随工艺改

8、变、易于与计算机接口、维修方便等 诸多高品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于 1969 年研制成 第一台 PLC，型号为 PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意 的效果，从此开创了 PLC 的新纪元。 第一台 PLC 具有模块化、可扩充、可重编程及用于工业环境的特性。这些控制 器易于安装，占用空间小，可重复使用。尽管控制器编程有些琐碎，但它具有公共 的工厂标准梯形图编程语言，这样使得不熟悉计算机的人也能方便的使用它。 在短时间内，PLC 在其他工业部门也得到应用。到 70 年代初，食品、金属和制 造等工业部门相继使用 PLC 代替继电器控制设备，迈出了

9、其实用化阶段的第一步。 70 年代中期，由于大规模集成电路的出现，使 8 位微处理器和位片处理器相继 问世，使可编程控制技术产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、 闭环控制、提高了运算速度，扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、西德（原） 和法国相继研制出了自己的 PLC，我国在 1974 年也开始研制。 70 年代由于超大规模集成电路的出现，使 PLC 向大规模、高速性能方向发展， 形成了多种系列化产品。这是面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺 人员使用的图形语言。在功能上，PLC 可以代替某些模拟控制装置和小型机 DDC 系 统。 进入八九十年代后，PLC 的软硬件

10、功能进一步得到加强，PLC 已发展成为一种可 提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产生，可诊 断自身故障及机器故障。这些改进使 PLC 符合今天对高质量高产出的要求。尽管 PLC 功能越来越强，但他仍然保留了先前的简单与易于使用的特点。 1.2 PLC 组成及特点 PLC 的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部分及外部设备组成。除了硬件系 统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，缺一不可，共同构成 PLC。PLC 的软 件系由系统程序和用户程序两大部分组成。 PLC 能如此迅速发展，除了工业自动化的客观需求外，还因为他具有许多独特 的优点。他较好到解决了工业控制领域中

11、普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经 济等问题。以下是其主要特点。（1）编程方法简单易学（2）功能强，性能价格比 高（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强（4）可靠性高、抗干扰能力强 （5）系统的设计、安装、调试工作量少（6）维修工作量小，维修方便（7）体积小、 耗能低 1.2.1 硬件的可靠性 可编程控制是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制系统和通信技 术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与 维修方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受 到用户的青睐。因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了 现代工

12、业的三大支柱之一。一个设计良好的 PLC 能置于有很强的电噪声、电磁干扰、 机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。 PLC 的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部件及外部设备组成。各部分之间 通过内部系统总线进行连接。CPU 是 PLC 的核心部分，由它实现逻辑运算，协调控 制系统内部各部分的工作，它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。PLC 的 对外功能主要是通过各类接口模块的红外线，实现对工业设备和生产过程的检测和 控制。PLC 的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、质量轻、 效率高、抗干扰性能好。路串一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影 响各机的正常运行。

13、1.2.2 编程简单，使用方便 用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定 水平的计算机硬件和软件知识。 PLC 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目 前打多数 PLC 均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感， 又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员 所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。 1.2.3 接线简单，通用性好 PLC 的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与 PLC 输入端子连接，将 接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与 PLC 输出端

14、子连接。 接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。PLC 的编 程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意 改变。这种性能使 PLC 具有很高的经济效益。 用于连接现场设备的硬件接口实际上是 PLC 的组成部分，模块化的自诊断接口 电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电 气人员与技术人员易于是用。 1.2.4 可连接为控制网络系统 PLC 可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采用主 从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为 5002500m；另一类为 高速网络，采用令牌传送

15、方式通信，传输速率为 1M10Mbps，传输距离为 500 1000m，网上结点可达 1024 个。这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编 程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。 1.2.5 易于安装，便于维护 PLC 安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱 所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到 PLC 系统的情况下，PLC 小 的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只 要将输入/输出设备连向接线端即可。 在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。长距离站通过同轴电缆 获双扭线连向 CPU，这种配置大大减

16、少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着 系统不同部分可在到达安装场地前由 PLC 制造商预先连好线，这一方法大大减少了 电气技术人员的现场安装时间。 从一开始，PLC 便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的，维 护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就 能指示器是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是 ON 还是 OFF，还可写编 程指令来报告故障。 PLC 的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后， 其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC 的潜在优点还取决 于应用时的创造性。 1.3 PLC 的工作

17、原理 PLC 的工作原理与计算机的工作原理是基本一致的。他通过执行用户程序来实 现控制任务。但是，在时间上，PLC 执行的任务是串行，与继电接触器控制系统 中任务的执行有所不同。PLC 采用循环扫描工作方式。在程序执行过程的周期中， 程序对各个过程输入信号进行采样，对采样的信号进行运算和处理，并把结果输出 到生产过程的执行机构中。 所谓 I/O 刷新即对 PLC 的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入 PLC 中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。这实际是将存入输入、 输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O(输出) 刷新”。 由此可见，若输入变量在 I/

18、O 刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端 也会相应的发生变化，或者说输出队输入产生了响应。反之，若在本次 I/O 刷新之 后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期 间输出才会产生响应。由于 PLC 采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的 响应速度要受扫描周期的影响。扫描周期的长短主要取决于这几个因数：一是 CPU 执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。 对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处反而 可以增强系统抗干扰能力。因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢， 常常要几个扫描周期

19、才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大 大减少，故增加了抗干扰能力。 但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就需慎重考虑。 应对响应时间作出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减 少周期造成的响应延时等的不良影响。 1.4 PLC 的编程语言 PLC 提供了较完整的编程语言，以适应 PLC 在工业环境中的应用。利用编程语 言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬接 线线路，这就是所谓的“可编程序”。程序由编程器送到 PLC 内部的存储器中，它 也能方便地读出、检查与修改。 PLC 提供的编程语言通常由三种：梯形图

20、、指令表、功能图等。 梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC 梯 形图 PLC 的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和 表达方式上有一定区别。PLC 的梯形图使用的时内部继电器、定时器/计数器，都是 由软件实现的。梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。 指令表（STL）编程语言类似于计算机中的助记符语言，他是可编程控制器最基 础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控 制器的某种操作功能。 顺序功能流程图（SFC）编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。使用它可 以对具有并发、选择等复杂的

21、系统进行编程。许多 PLC 都提供了用于 SFC 编程的指 令。 每一种编程方法都有它的优点和缺点，根据每一种特殊的控制要求，根据编程 者的熟练程度正确合理应用编程方法。 1.5 PLC 在电梯上的应用 随着科技的发展，工业控制的自动化程度不断提高，以微处理器为核心组成的 可编程序控制器（PLC）得到了广泛的应用。很多工厂的生产流水线、加工设备、船 舶上货物的装卸装置、电梯的运行等都由 PLC 控制，只要把预定的控制任务编成程 序，用一串指令的形式存放到存储器中，然后根据输入各种指令，经过模拟量、数 字量等输入输出部件对生产过程和设备进行控制。 PLC 在电梯中的应用也已很成熟。PLC 作为主

22、控制器，一方面要采集电梯的各种 输入信号，包括电梯的位置、状态、内外指令的按钮信号、门锁信号、门区信号、 井道内的强迫减速信号、防冲信号以及消防信号等。另一方面要把采集到的信号进 行计算和处理给出电梯的楼层信号和速度信号，并驱动相应的开关门信号、方向继 电器和抱闸继电器，以控制电梯的运行。 我们利用 PLC 内的条件跳转和主控指令，把对电梯的控制程序划分为几个程序 段：检修控制、正常加速和稳速段、减速爬行段、以及开关门阶段。当给电梯送电 时，PLC 就开始扫描电梯的所有输入、输出信号，检测电梯的安全回路是否接通、 厅门轿门是否关闭、电梯处在何种状态。正常自动状态时，PLC 检测门锁是否接通，

23、若门锁不通则给出关门信号，控制电梯关门；当门锁接通时，进入待机状态，此时 一收到指令信号电梯即起动。当电梯到达减速楼层时, PLC 程序是仿照继电器控制 理念进行编制。 第二章 硬件设计 3.1 硬件配置简介 PLC 产品出现以来，它以面向工业控制的鲜明特点，普遍受到电器控制领域的 欢迎。特别是中小容量 PLC 成功取代了传统的继电控制系统，使得控制系统的可靠 性大大提高。目前各国生产的 PLC 品种繁多，发展速度快。本文所用到的产品是 S7-200 系列的 PLC 作系列电梯的。 3.2 电梯控制系统 电梯模拟系统如图 3-2 所示： 3.3 输入输出的分配 输入点： 序号 名称 输入点 1

24、 内呼四 I0.0 2 内呼三 I0.1 3 内呼二 I0.2 4 内呼一 I0.3 5 下召 4 I0.4 6 下召 3 I0.5 7 下召 2 I0.6 8 召 1 I0.7 9 上召 2 I1.0 10 上召 3 I1.1 11 内开门 I1.2 12 内关门 I1.3 输入点： 序号 名称 输入点 1 电梯上升 Q0.5 2 电梯下降 Q0.4 3 四楼门开 Q0.0 4 三楼门开 Q0.1 5 二楼门开 Q0.2 6 一楼门开 Q0.3 7 内选 4 显示 Q0.6 8 内选 3 显示 Q0.7 9 内选 2 显示 Q2.0 10 内选 1 显示 Q2.1 11 UP1 Q2.2 1

25、2 UP2 Q2.3 13 UP3 Q2.4 14 DN2 Q2.5 15 DN3 Q2.6 16 DN4 Q2.7 图 3-2 电梯模拟系统 3.4 I/O 接线图 I/O 接线图如图 3-4 所示 图 3-4 I/O 接线图 第三章 软件设计 4.1 程序流程图 4.1.1 上升下降流程图上升下降流程图 4 4.1.2 开门流程图 4.2 电梯定向逻辑 电梯的定向是根据电梯的上行请求信号、下行请求信号、电梯轿箱内请求信号、 电梯当前所处位置等信号来确定电梯继续运行的方向。电梯的定向是电梯控制中的 重要逻辑。在以往电梯的定向逻辑中，一般都是将电梯各个层的上、下行请求信号、 电梯轿箱内楼层请求

26、信号、电梯当前楼层信号等综合到一条或几条语句中进行判断。 这样一来，当楼层数目比较大时，每条语句的编程元件很多，不可避免的带来程序 复杂，容易出错，调试麻烦，运行速度慢等问题。以下提出的用逻辑运算指令来进 行电梯定向的方法可以比较好的问题。 状态转换方式：电梯的方向只有上升、下降 2 个方向，但电梯也可能由于没有 任何的上升或者下降请求信号而处于停止状态。在电梯的方向处理过程中，电梯只 能在上升状态和停止状态或者下降状态与停止之间转换，例如当电梯由上升状态转 为下降状态时必须先由上升状态转换为停止状态以后再由停止状态转为下降状态。 这样的处理方式对电梯的运行是很有意义的，以往的电梯控制系统中，

27、当电梯响应 完某个方向上的所有信号后，若所有剩余的信号都是反方向的，电梯立刻改变方向， 此时，在原方向前方若出现新的呼叫信号，电梯将不会立刻应答，只是记忆该呼叫 信号，而去响应换向后的方向上的呼叫信号，这样既不符合电梯选层的优先原则， 又不能有效的节约能源。采用图 4.2 所示的状态转换方式，电梯在响应完某个方向 上的所有信号后并不是立刻反向，而是保持该状态等待一段时间后进入停止状态， 然后再反向响应相反方向的呼叫信号。对保持时间进行合理的选择，完全可以做到 既不会使得电梯的换向过程显得迟钝，又能有效的响应同方向的 由于电梯的上升与下降状态之间需要通过“停止状态”该中间状态来转换，故 在电梯的

28、方向判断逻辑中需要考虑以下几种情况: (1)电梯处于上升状态 在该状态下，当前楼层的上面有上升请求，当前楼层的上面有下降请求或者电 梯轿箱内请求在当前楼层的上面，3 个条件有 1 个和多个成立时，电梯继续处于上 升状态;当以上 3 种条件都不满足时，电梯经过一段定时时间后进入停止状态。 (2)电梯处于下降状态 在当前楼层的下面有下降请求，当前楼层的下面有上升请求或者电梯轿箱内的 请求在当前楼层的下面时，电梯继续处于下降状态;当以上 3 种条件都不满足时，电 梯经过一段定时时间后进入停止状态。 (3)电梯处于停止状态 在当前层之上有下降、上升的请求信号或者电梯轿箱内楼层请求信号在当前层 的上面则

29、置电梯为上升状态;相反，若在当前层之下有下降、上升的请求信号或者电 梯轿箱内楼层请求信号在当前层的下面则置电梯为下降状 4.3 四层电梯的梯形图设计 第四章第四章 组态设计组态设计 第五章 系统调试 完成了硬件的设计、制作和软件编程之后，要使系统能够按设计意图正常运行， 必须进行系统调试。系统调试包括硬件调试和软件调试两个部分。 5.1 硬件部分调试 根据电气接线图安装接线，PLC 实际接线时，还应考虑到以下几个方面： (1) 应有电源输入线，通常为 220V、50HZ 交流电源，允许电源有一定的浮动范 围。并且必须有保护装置，如熔断器等。若是干扰较强或对可靠性要求很高的场合， 应在 PLC

30、的电源输入端加装带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。 (2) 输入端子八个为一组，公用一个 COM 端。PLC 应单独接地，不要和其他电 器元件共用接地线，接地线面积应大于 2mm,并尽可能靠近 PLC。 (3) PLC 输出端接有线圈和电磁阀等感性元件时必须加保护电路，例如并接阻 容吸收回路（对于交流电源）或续流二极管（对于支流电源） 。 5.2 软件部分调试 用编程工具将用户程序输入计算机，经过反复编辑、编译、下载、调试、运行， 直至运行正确。 5.2.1 编辑、编译 打开梯形图编辑器将程序输入电脑。程序输入完成后，用 CPU 的下拉菜单或工 具条中编译快捷按钮对程序进行编译，编译后在显示器

31、下方的输入窗口显示编译结 果，并能明确的指出错误的网络段，可以根据错误的提示对程序进行修改，然后再 编译，一直到编译无误。 5.2.2 程序下载 程序编译成功后，单击标准工具条中下载快捷按钮打开文件菜单，选择下载项， 弹出对话框，经选定程序块、数据块、系统块等下载内容后，按确认按钮将选中内 容下载到 PLC 的存储器上。 5.2.3 程序监视、运行调试 当 PLC 工作方式开关在 TERM 位置时还可用 STEPMICRO/WIN32 的菜单命令或快 捷按钮都可以对 CPU 工作方式进行软件设计。 使用程序编辑器还可以在 PLC 运行监视程序执行的过程和各元件的状态及数据， 打开调试菜单选中程

32、序状态。这时闭合触点和通电线圈内部颜色变蓝。在 PLC 的运 行工作状态随输入条件的改变、定时及计数过程的运行，每个扫描周期的输入阶段 将各个期间的状态刷新，同时还可以动态显示各个定时、计数器的当前值，以便在 线动态观察程序的运行，出现错误易于发现更改。 经过系统各方面的调试，系统运行正确。说明该设计合理。 总 结 本系统主要以 PLC 为核心，利用 PLC 的强大的控制功能，实现了对升降电梯的 控制。 利用梯形图程序可以很直观的看出运行过程。利用可编程控制器控制升降电梯， 具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当建筑物的层楼增加时，硬件接线上 只需增加楼层相应的输入信号。原来的接线不需改变，软件上只需增加相应楼层的 功能，要改动的地方也较少。调试结果表明，在适应性、精确性和可靠性方面，到 达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。 另一方面，在这次的设计中，我们用到了大量的经验公式以及大量取范围值的 数据，这让我们这些在精确公式及数值下学习成