基于S7-200 PLC的四层电梯控制系统设计

1、长 沙 理 工 大 学课程设计报告 课程： 电气控制与PLC课程设计 题目：基于S7-200 PLC的四层电梯控制系统设计 电气与信息工程学院 院 工业电气自动化 专业 1301 班任务起止日期： 2016 年 1 月 4 日至 2016 年 1 月 9 日 学 生 姓 名： 陈能刚 学 号： 201351050114 指 导 老 师： 贺勇，朱豆，刘铮，何青，阙建荣目录题目：基于S7-200 PLC的四层电梯控制系统设计01课题研究背景及意义22控制电路系统设计32.1电源电路，电机主电路32.2原理简要说明42.3流程图42.3.1电梯上下行流程图42.3.2电梯响应流程图42.3.3电梯

2、开门流程图52.4控制面板53 系统硬件设计63.1 PLC的基本结构63.2 PLC系统与继电器系统比较63.21电梯继电器控制的优点63.22继电器控制电梯的缺点73.3PLC控制电梯的优点73.4可编程控制器机型的选择83.4.1 I/O点数估算82.4.2 内存容量的估算83.5 I/O口分配表93.6机型选择93.7 I/O点接线图104系统软件设计114.1PLC编程语言114.2 梯形图114.2.1 门厅上行呼叫信号114.2.2门厅下行呼叫信号124.2.3轿厢内选层信号124.2.4楼层位置显示信号134.2.5楼层呼叫选层综合信号144.2.6上下行辨别控制信号154.2

3、.7 开门控制154.2.8关门控制164.2.9停止信号164.2.10升降电动机控制185.结语186.参考文献197附录：四层电梯控制总梯形图19基于S7-200 PLC的四层电梯控制系统设计陈能刚（长沙理工大学，湖南，长沙410114）摘要：PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，本文重点介绍了S7-200 PLC对四层电梯的控制系统的设计。关键词：四层电梯，S7-200 PLC控制1课题研究背景及意义电梯是一种特殊的垂直运输工具，都市人们的日常生活已经越来越离不开它。现在随着

4、我国经济的高速发展，高楼处处可见，而高楼的主要运输工具都是电梯，所以接触电梯的人也越来越多，且随时影响人们的工作、生活、学习。因此人们对电梯的安全性，稳定性也越来越高。随着科学技术的发展、近年来，我国的电梯生产技术得到了迅速发展一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。更新换代生产更新型的电梯，电梯主要分为机械系统与控制系统两大部份，随着自动控制理论与微电子技术的发展，电梯的拖动方式与控制手段均发生了很大的变化，交流调速是当前电梯拖动的主要发展方向。目前电梯控制系统主要有三种控制方式：继电路控制系统(“早期安装的电梯多位继电器控制系统)、PLC控制系统、微机控制系统。继电器控制系统由于故障率高、可

5、靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但抗扰性差，不能直接将它与外部I/O信号相连。要将它用于工业控制，还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大，而且一般维修人员难以掌握其维修技术。而PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，所以PLC控制系统的出现解决了机械系统的各种缺点，目前广泛用于传统继电器控制系统的技术改造。2控制电路系统设计2.1电机主电路根据设计要求，本次设计的电气控制

6、系统主回路原理图如图所示。图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1-KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。FU1为熔断器，起过电流保护作用。图2-1 电机主电路图图2-2继电器控制接触器线路图由PLC输出控制继电器，从而控制交流接触器，达到使PLC输出控制KM1-KM4的接触，实现电机的正反转控制。2.2原理简要说明电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵，其操纵内容为电梯运行方向。电梯轿箱内设有楼层内选按钮S1S4，用以选择需停靠的楼层。L1为一层指示、L2为二层

7、指示、L3为三层指示、L4为四层指示，SQ1SQ4为到位行程开关。具体如下：（1）开始时，电梯处于任意一层。（2）当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时3S后自动关门。（3）当有内呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时3S后自动关门。图2-3上下行流程图（4）在电梯运行过程中，电梯上升（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，则电梯响应该外号。（5）电梯应具有最远反向外梯响应功能。例如：电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯

8、，四层向下外呼梯，则电梯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。平层且电梯停止运行后，按开门按钮电梯门打开，按关门电梯门关闭。2.3流程图2.3.1电梯上下行流程图假设电梯停在N（N=1,2,3,4）楼,M楼有信号,MN时，电梯上行；MN时，电梯下行。2.3.2电梯响应流程图在电梯运行过程中，电梯上升（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，则电梯响应该外号。图2-5电梯开门流程图图2-4 电梯响应流程图电梯应具有最远反向外梯响应功能。例如：电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，

9、三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。2.3.3电梯开门流程图当电梯到达系统控制的目标楼层时，控制系统发出开门信号，电梯门开，当门开到开门限位时，计时3秒钟，然后关门，直到关门限位产生信号。此过程期间，按开门按钮电梯门打开，按关门电梯门关闭2.4控制面板控制面板分为轿厢内控制面板与各楼层外呼按钮，各个按钮都带有记忆功能，即按下按钮对应按钮就会发光，楼层自动显示采用L1-L4发光显示，电梯运行方向由箭头发光显示，电梯轿厢与各个楼层各有一个同步显示。图2-6 系统控制面板3 系统硬件设计3.1 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上

10、与微型计算机相同。从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。3.2 PLC系统与继电器系统比较3.21电梯继电器控制的优点（1）所有信号处理和控制功能都由硬件实现，线路直观，便于理解和掌握，易于被一般技术人员及技术工人掌握；（2）系统的保养,维修以及故障检查等不需要较高的技术和特殊的工具与仪器；（3）大部分电器都是常用控制电器，便于更换且价格便宜；（4）技术成熟，这类电梯已形成系列化产品，

11、各项技术资料齐全，熟悉，掌握的人员较多；3.22继电器控制电梯的缺点（1）接线多而复杂，体积大，功耗大，机械动作噪声大，一旦系统构成后想再要改变或增加功能都很困难；（2）继电器触点数目有限，且容易烧坏磨损，灵活性和扩展性很差，技术水平难以提高；（3）线路复杂，容易出现故障且维修周期长，因此保养维修工作量大。费用高且检查故障难，费时费力；总之，电梯继电器控制系统的高故障率，大大降低了电梯的安全性课可靠性，十分容易造成停梯，会给乘客带来诸多不便和惊扰，并且如果电梯冲顶或撞底，不仅仅会造成电梯机械部件的损坏，甚至可能发生人身事故。所以如今已经很少使用电梯继电器控制系统了。3.3PLC控制电梯的优点（

12、1）电梯控制系统由调速部分和逻辑控制部分两部分组成。调速部分影响着电梯运行时乘客的舒适感，逻辑控制部分则是对电梯运行时的安全可靠性起到了关键作用。PLC在电梯控制方面的应用主要体现为其逻辑开关控制功能，由于PLC具备逻辑运算，计数，定时和数据输入输出等功能，PLC能够与各种逻辑开关控制很好地结合，并很好地实现对电梯的控制。具体体现了以下几个方面的优点：（2）采用PLC对电梯进行控制，并且对电梯的自动控制通过软件来实现，这样做可大大提高电梯运行的可靠性；（3）PLC可对故障进行自动检测并显示报警，大大提高了电梯运行的安全性；（4）PLC本身工作稳定，不容易出现死机问题；（5）由于除去了大部分继电

13、器及选层器，控制系统的结构变得简单，外部线路也得到了简化；（6）PLC编程灵活，程序出了问题可以很方便的修改，适应性强；（7）更改控制方案时无需对硬件连线进行改动（8）在软件方面，同样采取了一些提高可靠性的举措。例如，采用软件滤波，软件自诊断，简化编程程序，信息保护和恢复，报警和运行信息的显示等等。综上，本文选用西门子的S7-200 PLC l对四层电梯进行控制3.4可编程控制器机型的选择3.4.1 I/O点数估算为了完成设定的控制任务,主要根据电梯控制方式与输入/输出点数和占用内存的多少来确定PLC的机型。本系统为四层楼的电梯,采用集选控制方式。所需输入/输出点数与内存容量估算如下:输入：外

14、呼按钮：一层U1 二层U2,D1 三层U3，D2 四层D3； 内呼按钮：S1，S2，S3,S4;开关门按钮：K1，K2； 到位行程开关：SQ1，SQ2，SQ3，SQ4; 开关门限位SQ5，SQ6输出：内呼指示：SL1，SL2，SL3，SL4;（按下内呼按钮，对应指示灯亮） 楼层显示:L1，L2，L3，L4 外呼按钮记忆：一层UL1 二层U2L,DL1 三层UL3，DL2 四层DL3 电梯上下行指示：R1，R2电梯正反转驱动:KM1，KM2 门电机正反转：MZ1，MZ2;开关门显示，KL1，KL2综上所述，输入点数18，输出点数18，总点数36。2.4.2 内存容量的估算用户控制程序所需内存容量

15、与内存利用率、输入/输出点数、用户的程序编写水平等因素有关。因此,在用户程序编写前只能根据输入/输出点数、控制系统的复杂程度进行估算。本系统有开关量I/O总点数有37个，模拟量I/O数为0个。利用估算PLC内存总容量的计算公式: 所需总内存字数=开关量I/O总点数×(1015)+模拟量I/O总点数×(150250)再按30%左右预留余量。估算本系统需要约1K字节的内存容量。3.5 I/O口分配表表3-1 I/O口分配表输入输出I0.0一楼上呼按钮U1Q0.0一楼上呼记忆UL1I0.1二楼上呼按钮U2Q0.1二楼上呼记忆UL2I0.2三楼上呼按钮U3Q0.2三楼上呼记忆UL3

16、I0.3二楼下呼按钮D1Q0.3二楼下呼记忆DL1I0.4三楼下呼按钮D2Q0.4三楼下呼记忆DL2I0.5四楼下呼按钮D3Q0.5四楼下呼记忆DL3I0.6一楼内呼按钮S1Q0.6一楼指令记忆SL1I0.7二楼内呼按钮S2Q0.7二楼指令记忆SL2I1.0三楼内呼按钮S3Q1.0三楼指令记忆SL3I1.1四楼内呼按钮S4Q1.1四楼指令记忆SL4I1.2开门按钮K1Q1.2开门驱动Z1/开门指示ZL1I1.3关门按钮K2Q1.3关门驱动Z2关门指示ZL2I1.4开门限位SQ5Q1.4上行驱动Z3/上行指示ZL3I1.5关门限位SQ6Q1.5下行驱动Z4/下行指示ZL4I2.1一层限位开关SQ

17、1Q2.0一楼楼层显示L1I2.2一层限位开关SQ2Q2.1二楼楼层显示L2I2.3一层限位开关SQ3Q2.2三楼楼层显示L3I2.4一层限位开关SQ4Q2.3四楼楼层显示L43.6机型选择综合I/O点数以及内存容量，西门子S7-200可编程控制器的CPU226满足要求，输入输出模块选用EM222数字量扩展模块，电源模块为24V DC电源。西门子小型S7-200系列PLC适用于各种场合中的监测，检测以及自动化控制。S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块等。S7-200系列在集散自动

18、化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，。 STEP 7-Micro/WIN 32是西门子公司专门为S7-200系列PLC设计在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学3.7 I/O点接线图本设计的PLC外部接线图如图5-2所示.CPU226CN的传感器电源24V(DC)可以输出600mA电流，通过核算在本设计中PLC容量完全满足要求，CPU226CN的输出继电器触点容量为2A，电压范围为530V（DC）或5250V（AC）。图3-1 P

19、LC 接线图4系统软件设计4.1PLC编程语言PLC程序就是PLC指令的有序集合，PLC运行程序是按照一定顺序执行这集合中的指令。所谓的指令就是指示PLC动作的图形符号或者文字代码。使用的编程语言不同，这些图形符号和文字代码就不同。不过从本质上来讲，指令的实质均是二进制机器码PLC提供的编程语言功能较为完整，其标准编程语言通常有五种：顺序功能图，梯形图，功能块图，指令表和结构文本。其中顺序功能图，梯形图，功能块图都是图形编程语言，指令表和结构文本是文字语言。梯形图是目前使用最广泛的PLC图形编程语言，梯形图与继电器控制系统的电路图相似，比较易于掌握，程序表达清楚。本系统采用梯形图语言，编程软件

20、为STEP 7-MicroWIN32.该软件能够完成制作程序，具有对可编程控制器CPU的写入/读出，监控程序运行，调试程序，PLC错误诊断等一系列功能4.2 梯形图4.2.1 门厅上行呼叫信号门厅上行呼叫信号的用途：乘客在13楼层时，用按钮发出上行的信号直接控制电梯运行到乘客所在的楼层。控制梯形图如图4-1所示。图4-1 门厅上行呼叫信号梯形图I0.0-I0.2输入分别为1-3楼层的上行按钮，输出Q0.0-Q0.2分别控制1-3楼层的上行信号灯，表示对应的按钮发出的命令，与同楼层的上行按钮和上行信号灯装在一起，当按钮按下时，按钮中的灯发光显示上行标志。例如，一楼的乘客按下上行按钮I0.0时，Q

21、0.0得电自锁，一楼信号灯亮，当电梯轿厢下行到一楼时，一楼限位开关I2.1动作，其上行信号灯灭。二楼，三楼的上行呼叫信号控制其中M10.1为下行标志，下行时M10.1=1，上行时M10.1=0，所以，电梯上行到该楼层时，该楼层上行信号灯熄灭，如果下行到该楼层，不能断 开该楼层上行信号灯。4.2.2门厅下行呼叫信号图4-2门厅下行呼叫信号梯形图门厅下行呼叫信号与上行呼叫信号控制思路一致，但电梯下行到该楼层时，该楼层下行信号灯熄灭，如果上行到该楼层，不能断开该楼层上行信号灯。例如，一楼的乘客按下上行按钮I0.0时，Q0.0得电自锁，一楼信号灯亮，当电梯轿厢下行到一楼时，一楼限位开关I2.1动作，其

22、上行信号灯灭。4.2.3轿厢内选层信号 如图4-3所示，I0.6，I0.7，I1.0，I1.1分别为轿厢内1-4楼层的选层信号按钮，Q0.6，Q0.7，Q1.0，Q1.1分别为1-4楼的层选信号灯。当轿厢内乘客按下某曾按钮时对应楼层显示灯显示所到的楼层，把楼层的选层按钮和信号灯装在一起，采用带信号灯的按钮，例如，轿厢内某乘客要到二楼，按下二楼层选按钮I0.7时，Q0.7得电自锁，信号灯亮，当电梯轿厢行驶到二楼时，二楼限位开关I2.2动作，Q0.7失电，解除二楼的选层记忆信号，信号灯灭。图4-3 选层信号控制梯形图4.2.4楼层位置显示信号楼层位置信号用于控制表示一楼到四楼的L1-L4四个灯如图

23、4-4所示图4-4 楼层位置显示灯控制梯形图 在电梯运行过程中，必须要知道轿厢所在的楼层位置，而楼层位置是由各楼层的位置开关（I2.1-I2.4）来检测的，位置开关由一定长度的挡块来控制 ，起平层作用，为了保证准确停车，轿厢的牵引方式采用摩擦式上下平衡配重驱动，由于轿厢和配重物的重量基本相等，所以，电梯的上行和下行的运行惯性相同。当轿厢运行到某一层时，限位开关在上行时碰到挡块的上端，或在下行时碰到挡块的下端，当限位开关动作时，电梯停止，从而达到平层控制的作用。图4-5 各层有信号 当限位开关动作时，限位开关接点受挡块碰撞而闭合，但是当轿厢驶离时，限位开关将脱离挡块而复位，使信号消失，为了保持信

24、号，在梯形图中采用自锁接点。当电梯到达相邻楼层时，碰到位置开关时清除记忆，显示灯灭，同时对所达到的楼层位置进行记忆。例如，当轿厢到达二楼时，I2.2动作，Q2.1得电自锁，当轿厢离开二楼时，Q2.1仍然得电，当上行到三楼或下行到二楼碰到位置开关，Q2.1失电。4.2.5楼层呼叫选层综合信号在电梯控制中，电梯的运行时根据门厅的上下行按钮信号和轿厢内选层按钮呼叫信号来控制的。为了使上下行辨别控制梯形图清晰简练，将每一层的门厅的上下行呼叫信号和轿厢内选层信号用同一个辅助继电器来表示。如图4-54.2.6上下行辨别控制信号图4-6 电梯上下行判别梯形图4.2.7 开门控制开门控制梯形图如图5-7所示图

25、4-7开门控制梯形图电梯只有在停止时即Q1.4=0，Q1.5=0时，才能开门。开门有四种情况：当电梯行驶到某楼层停止时，电梯由高速转为低速运行T38时间时，T38接点闭合，Q1.2得电并自锁开门。门打开时碰到开门限位开关I1.2，Q1.2失电。开门结束。在轿厢中，按下开门按钮I1.2时，开门。在关门的过程中，若有人被门夹住，此时与开门按钮并联的限位开关I1.2动作，断开关门线圈Q1.3，将门打开。轿厢停在某一层时，在门厅按下上呼按钮或按下下呼按钮，开门。例如轿厢停在三楼时，三楼限位开关I2.3=1，乘客按下上呼按钮或者下呼按钮，电梯开门，而其他楼层按按钮不开门。4.2.8关门控制图4-8 关门

26、控制梯形图关门控制梯形图如图4-8所示，电梯门正常是关着的，则开门限位开关I1.4=1，T37得电延时三秒，T37接口闭合，Q1.3得电自锁，将电梯门自动关闭。开门到位时，关门限位开关I1.5=1，Q1.3失电，关门结束。在轿厢中，按下关门按钮I1.3时，电梯门立即关门。当关门过程中，若有人被门夹住，限位开关I1.2动作停止关门，并将门打开。当有人在轿厢中按住开门按钮I1.2时，门将不能关闭。4.2.9停止信号停止信号梯形图如图4-9所示，电梯在运行过程中到哪一层停止，取决于门厅呼叫信号和轿厢内选信号。图4-9 停止信号控制梯形图根据控制要求，电梯在上行过程中只接受上行呼叫信号和轿厢内选信号，

27、当有上行呼叫信号和轿厢内选信号时，M10.0=1，M10.0常开接点闭合，如果三楼有人按下上呼按钮，则Q0.2得电自锁，当电梯上行到三楼时，位置开关I2.3动作，M10.2发出一个停止脉冲。当电梯上行到最高层四楼时，M10.0由1变成0，M10.0下降沿接点接通一个扫描周期，使M10.2发出一个停止脉冲。电梯在下行过程中只接受下行呼叫信号和轿厢内选信号，当有下呼信号和轿厢内选信号时, M10.1=1，M10.1常开接点闭合，例如，一楼有人按下上呼按钮，当电梯下降到最底层一楼时， M10.1由1变成0，M10.1下降沿接点接通一个扫描周期，使M10.2发出一个停止脉冲。4.2.10升降电动机控制升降电动机控制梯形图如图4-10所示图4-10 升降电动机控制梯形图当上行信号M10.0=1时，门关闭后关门限位开关I1.5闭合，Q1.4得电，电梯上行。当某楼层有上行或轿厢内选信号时，M10.2发出停止脉冲，接通Q1.6，Q1.1.4和Q1.6同时得电，升降电动机低速运行。定时器T38延时1.5s，断开Q1.4和Q1.6，电梯停止。 如果轿厢停止